CN101040137A - 密封装置及其生产方法 - Google Patents

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CN101040137A CNA2005800352300A CN200580035230A CN101040137A CN 101040137 A CN101040137 A CN 101040137A CN A2005800352300 A CNA2005800352300 A CN A2005800352300A CN 200580035230 A CN200580035230 A CN 200580035230A CN 101040137 A CN101040137 A CN 101040137A
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大卫·M·托特
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Abstract

本发明公开了一种密封装置及制造该密封装置的方法。所述密封装置用于在带孔的套与具有外波状表面的轴之间提供动态液封，所述轴的外波状表面在所述孔中。所述密封装置包括一个刚性支架，用于支撑套的孔内的密封装置。一个安装到所述刚性支架上的柔性部件，该柔性部件采用高弹性材料制造，在使用时能够弯曲。一个密封件被所述柔性部件绕外波状表面夹持。该密封件用非－聚四氟乙烯轴承级塑料材料制造，该材料硬度大于所述高弹性材料的硬度。当柔性部件弯曲时，密封件随柔性部件一起移动。所述密封件沿所述外波状表面以多个弯曲的螺旋延伸。

Description

密封装置及其生产方法
技术领域
本发明一般涉及一种用于在套与轴之间提供动态液封的密封装置，所述轴具有一个相对套旋转的外波状表面。更具体地，本发明涉及用于这种密封装置中的密封件，包括用来生成这种密封件的材料和型材以及生产这种密封件的方法。
背景技术
人们清楚地知道，当轴的外波状表面穿过套的孔并相对于套旋转时，密封装置能够在带孔的套与轴之间提供一种动态液封。这种密封装置通常包括一个刚性的、用来支撑孔中密封装置的支架，一个用橡胶材料制造的安装环常常模制在刚性支架周围，在密封装置与套之间提供压配合连接，从而使孔中的密封装置定位在外波状表面周围。刚性支架支撑密封件，如环绕并动态密封轴的外波状表面的唇形密封件。
诸如唇形的密封件常常使用聚四氟乙烯(PTFE)生成，因为PTFE的热阻和化学阻极佳，且摩擦系数较低。但是，PTFE的耐磨性较差，而且生产成本较高，因而使其仅仅局限于某些密封应用，有时还需要采取额外措施防止PTFE被环境损坏。
本发明的一个目标就是提供一种密封装置，它既能够克服或明显地减少典型PTFE密封件的缺点，同时还能保留其优点。
发明内容
根据本发明第一个方面制造的一种密封装置，当轴的外波状表面相对套旋转时，能在带孔的套与轴之间提供一种动态液封。外波状表面围绕工作轴相对于套旋转，密封装置包括一个刚性的支架，用来支撑位于套的孔中、围绕外波状表面的密封装置。一个用高弹性材料制成的柔性部件安装在刚性支架上，当外波状表面围绕工作轴旋转时，这个柔性部件能灵活地使一个密封件与外波状表面保持密封。这种密封件是采用非-聚四氟乙烯(non-PTFE)轴承级(bearing grade)塑料材料制造的。non-PTFE材料的硬度通常要比制作柔性部件的高弹性材料的硬度大一些。
这种密封装置的一个优点是能够使用non-PTFE轴承级塑料材料进行生产。与诸如PTFE的传统材料比较，这样做可以节省一大笔成本经费，还可以提供一种具有更高耐磨性、适合于动态液封的材料。传统上，尽管人们已清楚地了解这种材料的刚性本质，但从来都没有人使用它们制造密封件。也就是说，当轴在孔中方向偏离时，密封件就会不均衡地磨损，从而使其与轴的密封关系变差。如果使用根据本发明的密封装置，当轴在孔中方向偏离时，柔性部件能够弯曲，其保持的密封件就会变得不是那麽柔软，因为密封件是与柔性部件一道移动的。
根据本发明的另一个方面，密封件沿外波状表面以多个弯曲的螺旋伸展开来。螺旋能提供一种流体动力学效应，其作用犹如一个泵，能使流经密封件背面的液体改道流向密封件的内部(即油面)。螺旋可以是单螺纹或多头螺纹形状，如果需要，也可以是单向或双向的。
本发明还进一步提供了一种生产具有多个弯曲螺旋密封装置的方法。该方法包括在密封材料原料件(stock piece)表面上生成呈螺旋型伸展的凹槽，以界定出原料件中的断裂线。然后，原料件沿断裂线裂开生成密封件。通过生成凹槽以界定断裂线，这种制造密封件的方法可以提供一种简单的、性价比高的生产程序，可以生成具有多个螺旋的密封件。
附图说明
结合附图阅读以下的详细说明，可以容易地清楚并完全理解本发明的上述优点和特征，其中：
图1是根据本发明的一个密封装置的部分截面图；
图2显示了绕工作轴旋转的轴未对准时密封装置的部分截面图；
图3是密封装置的密封件的透视图；
图4是密封装置另一个密封件的透视图；
图5是根据本发明另一个实施例的密封装置的密封件的部分截面图；
图5A是用来制造图5所示密封件的non-PTFE材料的圆柱形原料件的部分截面图；
图6是根据本发明另一个实施例的密封装置密封件的部分截面图；
图6A是用来制造图6所示密封件的non-PTFE材料的圆柱形原料件的部分截面图。
具体实施方式
参看附图时，在所有的几个附图中，相同的数字表示相同或对应的部件，根据本发明的密封装置通常用10表示。密封装置10极适合于需要动态液封的各式各样应用，这些应用可能包括车辆和工业应用。在此所示的密封装置10是用于一个轴密封系统11。
在图1中，轴密封系统11使用密封装置10，在具有孔14的套12与轴16之间提供一种动态液封，所述轴16具有一个相对套12旋转的外波状表面15。外波状表面15围绕工作轴A相对于套12旋转。在图1中，外波状表面15以一个通过压配合而与轴16相结合的环状耐磨套管28呈现，耐磨套管28是通过压配合与轴16结合的，其目的已为本领域的技术人员所熟知，即提供一个制造好的波状表面。同样，本领域的技术人员也会理解到，本发明的实施也可以不使用耐磨套管28。耐磨套管28与孔14中的轴16一道旋转。在套12的孔14中，在轴16周围生成有圆柱阶形孔壁17，在阶形孔壁17的横向方向上还生成有面对轴的方向的环状的肩19。
支架18支撑孔14中的密封装置10，支架18包括一个U形的底座部分20和一个从底座部分20向内径向伸出的环状凸缘22，支架18优选使用刚性材料，例如金属制造。一个高弹性安装环24环绕着刚性支架18形成，将密封装置压入孔14中，从而提供一个屏障，使液体保留在套12中。高弹性安装环24压住孔壁17和肩19，实现压配合。还可以在套12中一个类似形状的袋34中置入一个挡圈32，用来将密封装置10固定在孔14中。
还可以将一个环行隔板30固定到耐磨套管28上，置于刚性支架18的U形底座部分20界定的环形腔中，以便界定出曲折的路径来限制污垢和碎片进入到密封件。在曲径中可以置入一个过滤器26并将其安装到支架20，或根据需要，安装到轴套28上，以便进一步帮助捕获污垢和碎片。一旦过滤器26安装到支架20上，由于轴16沿工作轴A旋转，轴套28和环行隔板30就会相对于过滤器26旋转。
高弹性材料制成的柔性部件36安装并吊在支架18上，高弹性材料的硬度大小能使柔性部件36在使用期间弯曲，但依旧能够保持其形状，例如肖氏A型硬度(shore A hardness)25-27或肖氏D型硬度小于50。高弹性材料包括橡胶或其它类似的材料。
柔性部件36包括一个基本与工作轴A平行的纵向部分39，第一环形唇40和第二环行唇42从纵向部分39径向向外伸出，界定出位于此处的槽口44，用于容置刚性支架18的环状凸缘22，从而将柔性部件36密封地固定到环状凸缘22上。柔性部件36还包括从纵向部分39径向向内伸出的第三环形唇46和第四环形唇48，在第三环形唇46和第四环形唇48与外波状表面15之间保留有一个间隙。
柔性部件36灵活地保留在外波状表面15周围径向作用的密封件38。在一个优选的实施例中，柔性部件36模制到密封件38上，在刚性支架18的环状凸缘22与密封件38之间起到一个环形枢纽36的作用。密封件38包括一个与柔性部件36摩擦成型接触(frictional molded contact)的外表面50，使密封件38紧倚在柔性部件36上。在另一个实施例中，外表面50与柔性部件36化学粘结。密封件38进一步包括一个径向的内部环形密封表面52，密封表面52沿外波状表面15轴向延伸，随即具有密封作用。与此同时，柔性部件36的第三环形唇46与密封件38邻接，保持密封件38在轴向上单方向移动。
再看图2，当轴16相对于刚性支架18在径向上发生方向偏离时(图中有夸大)，由于柔性部件36相对于刚性支架18弯曲，密封件38与柔性部件36一起移动。与此同时，径向的内部环形密封表面52与外波状表面15保持密封。因此，柔性部件36起到了相当于密封件38的一个灵活延伸部分的作用，即使轴16在孔14中处于偏转状态或其它方向偏离状态时，仍然能够使径向的内部环形密封表面52与外波状表面15保持密封。
密封件38是用一种非-聚四氟乙烯(non-PTFE)轴承级塑料材料制造的。但必须认识到，non-PTFE材料可以含有某些PTFE填充料，其数量约小于50个重量或体积百分比的水平。non-PTFE材料优选使用硬度略大于制造柔性部件36的高弹性材料的硬度的热塑性材料，所以密封件38要比柔性部件36更加坚硬。non-PTFE材料所呈现的抗拉强度大于每平方英寸5000磅，抗压强度大于每平方英寸5000磅(使用ASTM D638测量抗拉强度，使用ASTM D695测量抗压强度)。此外，non-PTFE材料的磨损因数“k”小于200×10-10in.3-min/ft.lbs.hr。
用来制造密封件38的non-PTFE材料还可以包括亚胺化的、半晶状的、或无定形的轴承级热塑性材料，例如尼龙、缩醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET-P)、聚醚酮醚(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)或与所列材料具有类似特性的任何其它材料。下表1显示了这些材料在抗拉强度、抗压强度和耐磨性方面与PTFE的比较。
                            表1
  材料   抗拉强度*(psi)   抗压强度*(psi)   磨损因数*“k”×10-10(in.-min/ft.lbs.hr)
  尼龙6/6M尼龙6cast缩醛PET-PPEEKPPSPAI   12500130001000012000110001090012000   12000150001800012500267001800022000   908030601008510
  PTFE   3500   2000   600
*样品是根据工业上所接受的测试方法进行测量的。
现在来看图3，密封件38在第一端54与第二端56之间以多个弯曲的螺旋58伸展开来。这样，密封件38就以圆柱螺旋线的形状呈现。再次参阅图1，柔性部件36使多个螺旋58中的每一个偏置，与外波状表面15形成密封关系，从而提供动态液封。
多个螺旋58包括一连串盘绕或包裹在外波状表面15周围的non-PTFE材料，多个螺旋58中的每一个螺旋均可以相对彼此轴向移动。因此，当外波状表面15围绕工作轴A旋转时，密封件38能沿外波状表面15轴向膨胀和收缩。在图3和图4的画面上，显示密封件38沿外波状表面15轴向膨胀。
在图3的优选实施例中，密封件38包括在第一端54与第二端56的每一端完整地环绕外波状表面15的锥形同心环60和62。在这个实施例中，密封件38在同心环60与62之间呈螺旋形伸展开来，使其成为一个线条优美的形状。在图3的另一个实施例中，去掉了同心环60和62，整个密封件38在末端54与56之间以螺旋形伸展开来，在外波状表面15周围成为一个弯曲的类似线圈的形状。
再看图5，在另一个实施例中，密封件38的外表面50限定了在此的外部凹槽64，外部凹槽64在密封件38第一端54与第二端56之间以螺旋形伸展开来。同样，在图6的另一个实施例中，密封件38的径向内部环形密封表面52限定了在此的第一内部凹槽66，内部凹槽66在密封件38第一端54与第二端56之间也以螺旋形伸展开来。第二内部凹槽70也限定在与第一内部凹槽66横向的径向内部环形密封表面52上，内部凹槽66和70都希望为密封件38提供流体动力学作用，进一步使液体保留在套12中。当然，本领域技术人员熟知的另外凹槽(图中未画出)或其它流体动力学特征(图中未画出)也可在径向内部环形密封表面52中生成。尽管图5和图6似乎显示了多条外部凹槽64和内部凹槽66和70，但必须认识到，使用的多个数字仅是为了方便起见，在图5中实际上只是显示了一条外部凹槽64，在图6中实际上也只是显示了一条外部凹槽64和两条内部凹槽66和70，这是因为凹槽64、66和70的螺旋特性造成的。
再看图5A和图6A，本发明还提供了一种制造这种密封装置10的方法。该方法包括在non-PTFE材料的原料圆柱件生成密封件38的外部凹槽64和/或第一内部凹槽66，以确定原料件72中的螺旋断裂线68。由于non-PTFE材料的特性已知，凹槽64和66可以模制出或机械加工到原料件72上。生成凹槽64和/或66后，柔性部件36优选模制或粘结到原料件72上。然后，柔性部件36通过环形唇40和42固定到刚性支架18的环状凸缘22上。
一旦柔性部件36和原料件72固定到刚性支架18上，原料件72沿断裂线68裂开，生成如图5和/或图6所示的密封件38。制造密封件38时优选使用略小于外波状表面15的直径生成原料件72，这样，当原料件72安装到外波状表面15时，原料件72就会沿断裂线68裂开。这一过程可能需要特殊的工具。此外，当密封件38装配到外波状表面15时，密封件38就要伸开，也就是多个螺旋58围绕外波状表面15膨胀。这种伸开使粘结的柔性部件36扭转地张开，从而进一步加强密封件38与外波状表面15之间的密封。实际上，多个螺旋58中的每一个在密封外波状表面15时均能独立地工作，多个螺旋58能提供一种流体动力学作用，它如同一个泵一样，能将流经密封件背面的液体改道流向密封件的内部(即油面)。多个螺旋58可以是单螺纹或多头螺纹形式，如果需要，也可以是单向或双向的。
很明显，按照以上介绍，本发明可能存在着许多修改和变化，只要在所附权利要求的范围之内，它可以以不同于这里所特别介绍的方式进行实施。此外还必须认识到，根据标准的附图惯例，这里使用了不完整的截面图来显示密封装置10。因此，尽管在几个附图中没有明确地画出，密封装置10的每一组成均围绕外波状表面15环状延伸。

Claims (38)

1.一种密封装置，用于在带孔的套与具有外波状表面的轴之间提供动态液封，所述轴的外波状表面在所述孔中围绕工作轴相对于所述套旋转，所述装置包括：
一个刚性支架；
一个用高弹性材料制造的、安装到所述刚性支架上的柔性部件；
一个用非-聚四氟乙烯轴承级塑料材料制造的密封件，所述非-聚四氟乙烯轴承级塑料材料的硬度大于所述高弹性材料的硬度，所述密封件被所述柔性部件夹持并具有一个径向上的内部环形密封表面，可以与所述柔性部件一起相对所述刚性支架移动，以在所述轴的外波状表面周围实施密封。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述密封件在第一和第二末端之间以多个弯曲螺旋的形式伸展开来，这样，所述多个螺旋的每一个螺旋均能与所述轴的外波状表面形成密封，从而提供动态液封。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述多个螺旋包括一连串盘绕的非-聚四氟乙烯轴承级塑料材料。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述密封件在每个末端包括有锥形同心环。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述径向上的内部环形密封表面界定出一个在所述末端之间以螺旋形伸展开来的第一内部凹槽。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述径向上的内部环形密封表面还进一步限定一个在所述末端之间以螺旋形伸展开来、与所述第一内部凹槽横向平移的第二内部凹槽。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述刚性支架包括一个环状凸缘，所述柔性部件进一步限定为吊在所述环状凸缘上的环形枢纽，作用于所述环状凸缘与所述密封件之间。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述环形枢纽包括第一和第二环形唇，所述第一和第二环形唇从此径向向外伸出，所述环形唇限定位于此的一个槽口，容置所述刚性支架的环状凸缘，从而将所述环形枢纽密封地固定到所述环状凸缘上。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述环形枢纽包括一个径向向内伸出的第三环形唇，所述第三环形唇与所述密封件的第一末端邻接，从而在轴向上保持所述密封件的第一末端。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述非-聚四氟乙烯轴承级塑料材料进一步定义为热塑性材料，其抗拉强度大于每平方英寸5000磅，抗压强度大于每平方英寸5000磅。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述热塑性材料的磨损因数小于200×10-10in.3-min/ft.lbs.hr。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述热塑性材料包括尼龙、缩醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚酮醚、聚苯硫醚、聚酰胺-酰亚胺中的任何一种。
13.一种密封装置，它包括：
一个刚性支架；和
一种密封件，所述密封件以所述支架支撑的多个弯曲螺旋的形式伸展开来，在旋转轴的外波状表面周围实施密封，在此提供动态液封。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述密封件包括第一和第二末端，所述多个螺旋包括一连串在所述末端之间盘绕的材料。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于所述密封件包括位于每个所述第一和第二末端上的锥形同心环。
16.根据权利要求13所述的装置还包括用高弹性材料制造的、安装在所述支架上的柔性部件，用来灵活地使所述密封件与所述外波状表面保持密封。
17.根据权利要求14所述的装置，其特征在于所述密封件包括一个径向的内部环形密封表面。所述径向的内部环形密封表面限定所述末端之间以螺旋形伸展开来的一个第一内部凹槽。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于所述径向的内部环形密封表面进一步限定所述末端之间以螺旋形伸展开来、并与所述的第一内部凹槽横向的一个第二内部凹槽。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于所述支架包括一个环状凸缘，所述柔性部件进一步定义为吊在所述环状凸缘上的环形枢纽，作用于所述环状凸缘与所述密封件之间。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于所述环形枢纽包括第一和第二环形唇，所述第一和第二环形唇从此径向向外伸出，所述环形唇限定位于此的一个切口，接收所述刚性支架的环状凸缘，从而将所述环形枢纽密封地固定到所述环状凸缘上。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于所述环形枢纽包括一个径向向内伸出的第三环形唇，所述第三环形唇与所述密封件的第一末端邻接，从而在轴向上保留所述密封件的第一末端。
22.根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述密封件是用非-聚四氟乙烯轴承级塑料材料制造的。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于所述密封件是用非-聚四氟乙烯轴承级塑料材料进一步定义为热后可塑性材料，其抗张强度大于每平方英寸5000磅，耐压强度大于每平方英寸5000磅。
24.根据权利要求23所述的装置，其特征在于所述热后可塑性材料的磨损因数小于200×10-10in.3-min/ft.lbs.hr。
25.根据权利要求23所述的装置，其特征在于所述热后可塑性材料包括尼龙、缩醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚酮醚、聚苯硫醚、聚酰胺-酰亚胺中的任何一种。
26.一个轴密封系统，它包括：
一个带有孔的套；所述孔通常具有一个圆柱形壁和一个设置为与所述壁横向的环形肩；
一根轴，所述轴具有一个外波状表面，该轴位于所述孔中的一根工作轴的周围；和
一个位于所述轴周围的密封装置，所述密封装置包括一个刚性支架；一个用高弹性材料制造的、安装到所述刚性支架上的柔性部件；和一个径向作用的密封件；所述密封件被所述柔性部件灵活地夹持，以便与所述轴的外波状表面保持密封；所述密封件是用非-聚四氟乙烯轴承级塑料材料制造的，所述非-聚四氟乙烯轴承级塑料材料的硬度大于所述高弹性材料的硬度，所述密封件在所述外波状表面周围以多个弯曲的螺旋伸展开来。
27.根据权利要求26所述的装置，其特征在于所述密封件包括一个面向所述外波状表面的径向的内部环形密封表面。所述径向的内部环形密封表面限定出在所述外波状表面周围以螺旋形伸展开来的一个第一内部凹槽。
28.根据权利要求27所述的装置，其特征在于所述径向的内部环形密封表面进一步限定出在所述外波状表面周围以螺旋形伸展开来、并与所述的第一内部凹槽横向的一个第二内部凹槽。
29.根据权利要求26所述的装置，其特征在于所述刚性支架包括一个环状凸缘，所述柔性部件进一步定义为吊在所述环状凸缘上的环形枢纽，作用于所述环状凸缘与所述密封件之间使多个螺旋中的任一个与所述的外波状表面密封。
30.根据权利要求29所述的装置，其特征在于所述环形枢纽包括第一和第二环形唇，所述第一和第二环形唇从此径向向外伸出，所述环形唇界定出位于此的一个槽口，容置所述刚性支架的环状凸缘，从而将所述环形枢纽密封地固定到所述环状凸缘上。
31.根据权利要求30所述的装置，其特征在于所述环形枢纽包括一个径向向内伸出的第三环形唇，所述第三环形唇与所述密封件的第一末端邻接，从而在轴向上保持所述密封件的第一末端。
32.一种制造密封装置的方法，所述密封装置包括一个刚性支架；一个用高弹性材料制造的、安装到所述刚性支架上的柔性部件；和一个被所述柔性部件灵活保持的、用原料件中密封材料生成的、能在带孔的套与具有外波状表面的轴之间提供动态液封的密封件，所述外波状表面在孔中围绕工作轴相对所述套旋转；所述方法包括：
在密封材料的所述原料件表面生成螺旋延伸的凹槽，以界定出所述密封材料原料件中的断裂线；和
一旦凹槽生成后，沿断裂线裂开所述密封材料原料件，生成具有多个弯曲螺旋的密封件，在所述轴的外波状表面实施密封，从而提供动态液封。
33.根据权利要求32所述的方法包括生成凹槽后将所述柔性部件模制到所述密封材料原料件。
34.根据权利要求33所述的方法包括柔性部件模制出到所述密封材料原料件后将柔性部件固定到所述刚性支架上。
35.根据权利要求32所述的方法，其特征在于所述在密封材料的所述原料件表面生成螺旋形延伸的凹槽进一步定义为在所述表面上模制出所述螺旋形伸出的凹槽。
36.根据权利要求35所述的方法包括在所述密封材料原料件的另一表面对面的一个第二表面上模制出螺旋形延伸的凹槽，以便进一步定义所述的断裂线。
37.根据权利要求32所述的方法，其特征在于所述在密封材料的所述原料件表面生成螺旋形延伸的凹槽进一步定义为在所述表面机械加工所述螺旋形伸出的凹槽。
38.根据权利要求37所述的方法包括在所述密封材料原料件的另一表面对面的一个第二表面上机械加工螺旋形延伸的凹槽，以便进一步定义所述的断裂线。
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