CN101273224B - 一种密封件及包括该密封件的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于密封旋转轴的具有多孔密封元件的轴承隔离器组件，其包括构造成与轴密封接合的转子、以及构造成与组件壳体密封接合的定子。所述定子和转子构造成彼此接合以限定迷宫路径和一个以上的空腔，可在所述空腔中布置单元化元件和多孔密封元件。所述多孔密封元件提供屏障以防止颗粒杂质进入壳体内部，并且防止润滑剂从壳体内部流出。所述单元化元件限制转子相对于定子的轴向和/或径向运动，并在操作期间通过有助于防止转子与定子接触而有助于防止转子和/或定子磨损。

Description

一种密封件及包括该密封件的设备

相关申请的交叉参考

本申请要求2005年8月30日提交的名为“Bearing Isolator withPorous Seal”的共同未决美国临时申请No.60/712,329的优先权，并且本申请是2005年12月9日提交的名为“Unitizing Element and Method forAssembling a Seal”的共同未决美国专利申请No.11/297,489的部分延续，美国专利申请No.11/297,489是2003年9月29日提交的名为“UnitizingElement and Method for Assembling a Seal”的美国申请No.10/674,264的分案，美国申请No.10/674,264要求2002年9月30日提交的美国临时申请No.60/414,862的优先权，所有这些申请都通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及旋转轴密封件。更具体地说，本发明涉及迷宫式密封件。

背景技术

迷宫式旋转轴密封件通常包括由转子和定子组成的两个同心环结构。转子与旋转轴密封接合，定子与轴承壳体密封接合。已经使用许多不同类型的密封件来试图密封旋转的转子与固定的定子之间的空间。这些密封件包括O形环、橡胶唇形密封件和迷宫路径。迷宫式密封件往往是最有效的密封件类型。在密封环的内表面上形成特定轮廓的路径或沟槽，以生成在轴承壳体的外部与轴承壳体的内部之间延伸的迷宫。迷宫路径用作流体动力的屏障以保持轴承壳体内的流体润滑剂并防止杂质进入轴承壳体。路径越复杂，杂质穿过该结构进入轴承壳体的机会越小。

此外，在通常的转子和定子构造中，必须保持某一最小间隙以防止转子和定子彼此接触。在诸如飞机起落架的一些应用中，转子可能以超过大约5000rpm的速度旋转。如果转子的表面在该速度下与定子的表面接触，就会产生摩擦热，磨损部件，并且设备的总体效率下降、工作寿命缩短。因此，保持转子和定子分开是很重要的。

另外，密封件用于防止杂质从轴承壳体和转子的外部进入内部，并且防止润滑流体从轴承壳体和转子的内部损失。需要快速排出进入系统的杂质。密封件或壳体内的颗粒物质的积累会损坏密封件并且/或者导致转子和定子的磨损增加。另外，还必须收回被挤出系统的任何润滑流体并使其返回转子内部。润滑流体的损失会导致部件损坏并增加系统的摩擦热。

进入系统的杂质需要被尽快排出。颗粒物质的积累会损坏密封件并且/或者导致转子和定子的磨损增加。另外，还必须收回被挤出系统的任何润滑流体并使其返回转子内部。润滑流体的损失会增加系统的摩擦热并且导致部件损坏。

因此，期望提供一种迷宫式密封装置，其具有在诸如碎煤机和水泥研磨机的多尘环境下特别有用的改进的颗粒排除特性，并且具有减少转子与定子之间的接触机会或接触持续时间的改进性能。

本发明旨在所认识到的这些需求。

发明内容

本发明的一个实施方式提供了一种密封件，该密封件包括构造成与轴密封接合的转子、以及构造成与壳体密封接合的定子。所述定子和转子构造成彼此接合以限定迷宫路径。可在所述迷宫路径内布置单元化元件(unitizing element)和多孔密封元件以提供杂质排除特性并减少转子和定子彼此接触的机会。

根据本发明的一个方面，提供了一种密封件，该密封件包括：转子，该转子构造成与轴密封接合；定子，该定子与所述转子接合以限定迷宫路径以及第一空腔和第二空腔，该定子构造成与壳体密封接合；布置在所述第一空腔内的至少一个单元化元件，所述单元化元件包括转子接合构件、定子接合构件、后部构件，所述单元化元件的径向外表面包括直径不同且相邻的两个区域，所述两个区域中的一个区域对应于所述转子接合构件，另一区域对应于所述后部构件；以及布置在所述第二空腔内的至少一个多孔密封元件。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括上述密封件的设备，该设备包括：可旋转的轴；和所述壳体。

本领域技术人员将意识到，具有单元化元件和多孔密封元件的密封件的许多不同实施方式都是可行的。此外，本发明的另外的用途、目的、优点和新颖特征在以下详细说明中阐述，并且本领域技术人员在研究以下描述或者实践本发明之后将更加清楚。

附图说明

参照附图阅读以下详细说明将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，图中：

图1表示根据本发明一个实施方式的具有多孔密封元件的轴承隔离器的剖面；

图2表示根据本发明一个实施方式的具有用于接收多孔密封元件和单元化元件的空腔的轴承隔离器的剖面；

图3表示根据本发明一个实施方式的具有多孔密封元件的轴承隔离器的局部剖面；

图4表示根据本发明一个实施方式的具有用于接收多孔密封元件和单元化元件的空腔的轴承隔离器的局部剖面；

图5表示根据本发明一个实施方式的单元化元件的剖面；

图6表示根据本发明一个实施方式的具有用于接收多孔密封元件和单元化元件的空腔的轴承隔离器的局部剖视图；以及

图7表示根据本发明一个实施方式的具有多孔密封元件的轴承隔离器的局部剖面。

具体实施方式

本发明的实施方式包括用于旋转轴与轴承壳体之间的转子、定子、单元化元件和多孔密封元件。转子构造成与位于壳体中的轴接合并与其一起旋转，而定子构造成与壳体接合并相对其保持静止。转子和定子还构造成彼此接合，但不彼此接触，尽管有可能发生接触。在接合时，转子和定子限定出从壳体外部延伸到壳体内部的迷宫路径，以及第一和第二空腔。迷宫路径可有助于防止润滑剂流出壳体内部，并且/或者可有助于防止杂质进入壳体内部。第一空腔构造成接收单元化元件，第二空腔构造成接收多孔密封元件。

在一个实施方式中，单元化元件是成形为与由转子和定子限定的一个以上的空腔配合的环形圈。单元化元件使转子和定子成一单元，并且可防止分离并可限制运动。该单元化元件也可包含后部构件，该后部构件在轴向运动的情况下可提供非金属部件以防止转子和定子接触。此外，多孔密封元件可布置在至少一个环形空腔内。多孔密封元件可通过提供用于颗粒物质的物理屏障，增加由转子和定子形成的密封件的空气颗粒排除能力。

本发明的示出实施方式包括转子，该转子构造成与轴接合并与其一起旋转，而定子构造成与壳体接合并相对其保持静止。转子和定子接合并限定出可将壳体外部与壳体内部连接的迷宫路径。在接合时，转子和定子可构造成保持不彼此接触以防止它们的相应部件磨损。迷宫路径可构造成有助于防止杂质进入壳体内部，并且有助于防止润滑物质流出至壳体外部。当杂质试图沿着迷宫路径朝壳体内部通过时，路径的形状可有助于阻碍杂质运动。此外，杂质可能遇到多孔密封元件。多孔密封元件可构造成防止杂质穿过该多孔密封元件。例如，如果多孔密封元件内的孔的孔径小于杂质颗粒的直径，那么就可防止该颗粒穿过多孔密封元件。另外，当润滑流体在路径内行进时，可通过迷宫路径的形状将润滑流体朝向壳体内部导回。此外，可通过多孔密封元件防止润滑流体逃离壳体。

下面将通过本发明的具体实施方式进一步描述本发明，要理解本公开应视为是对本发明原理的例示。本发明的示例性实施方式在图中示出，其中相同的标记指代各个实施方式的相同方面。

现在参照图1至图4，根据本发明一个实施方式的轴承隔离器包括定子10、转子50、单元化元件30和多孔密封元件40。转子50和定子10接合而形成迷宫路径20以及第一空腔90和第二空腔80。单元化元件30和多孔密封元件40布置在空腔80、90内。在本发明的一个实施方式中，转子50和定子10可仅限定一个空腔，单元化元件30和多孔密封元件40可都布置在该空腔内。在转子50转动时，单元化元件30可通过在转子50与定子10之间提供低摩擦缓冲防止这两个部件接触，并且还可保持轴承壳体内的润滑剂并将杂质排除在轴承壳体之外。另外，多孔密封元件40可提供屏障以防止杂质进入壳体，并且可防止润滑剂流出轴承壳体。

根据本发明的一个实施方式，多孔密封元件40可包括微孔材料。例如，在本发明的一个实施方式中，微孔材料可包括硅酮泡沫。在本发明的一个实施方式中，多孔密封元件40可包括一种以上的树脂，例如聚氨酯、聚砜或聚乙烯。在本发明的一个实施方式中，多孔密封元件40可包括纤维材料。

本发明的某些实施方式可包括多孔密封元件40，其中限定在多孔密封元件40内的孔的直径可大约为500到600微米(大约0.020到0.023英寸)。在本发明的某些实施方式中，多孔密封元件40可具有小于大约100微米(大约0.004英寸)的孔径。本发明的某些实施方式可包括直径大于等于100微米的孔。

在本发明的某些实施方式中，可使用多个多孔密封元件。在本发明的一个实施方式中，多个多孔密封元件中的每一个可包括直径大致相同的孔。在本发明的另一实施方式中，多个多孔密封元件中的每一个可包括直径不同的孔。例如，根据本发明的密封件可包括两个多孔密封元件，其中第一多孔密封元件的孔径大于第二多孔密封元件的孔径。在本发明的包括多个多孔密封元件的又一实施方式中，这多个多孔密封元件中的某些可包括直径大致相同的孔，而某些多孔密封元件可包括直径不同的孔。

在本发明的一个实施方式中，单元化元件30可构造成限制转子50相对于定子10的径向和/或轴向运动。例如，当轴和转子50运动时，在轴和/或壳体上可能存在使轴和转子50相对于壳体和定子10轴向运动(即，沿着旋转轴线运动)的载荷。该运动可能致使转子50朝定子10运动。单元化元件30可提供对该轴向运动的阻力并可有助于防止转子50接触定子10，从而潜在地防止损坏转子50和/或定子10。另外，如果在轴上施加有致使相对于轴径向运动(即，垂直于旋转轴线运动)的载荷，那么单元化元件30可提供对该径向运动的阻力，并可有助于防止转子50接触定子10，这又潜在地防止损坏转子50和/或定子10。在本发明的一个实施方式中，单元化元件30可包括空隙，该空隙允许单元化元件的一部分挠曲从而吸收由转子相对于定子轴向和/或径向运动引起的某些力。

本发明的一个实施方式可包括多个单元化元件。例如，有利的是将多个单元化元件结合到根据本发明一个实施方式的轴承密封件中，以用在其中预计在转子和/或定子上存在显著轴向或径向载荷的环境下。多个单元化元件的使用可通过将转子的接触力散布在多个单元化元件上而有助于延长轴承密封件的功能寿命。多个单元化元件的使用还可提高杂质排除或润滑剂保持特性。

在本发明的一个实施方式中，本发明的单元化元件30包括适于其预期目的的材料。可基于一种或多种因素选择这样的材料，所述因素包括但不限于预期工作温度范围、工作压力范围、材料的摩擦系数或者其它工作条件(例如，在飞机起落架或很脏的环境下，转子显著轴向或径向运动的可能性)。可用在本发明的某些实施方式中的单元化元件30所用的常用材料包括氟化聚合物或树脂。在本发明的一个实施方式中，单元化元件30包括光滑的塑性材料。在本发明的另一个实施方式中，单元化元件30包括橡胶，例如氢化丁腈橡胶(NBR)。在本发明的另一个实施方式中，单元化元件30包括聚四氟乙烯(PTFE)。在本发明的一个实施方式中，单元化元件30包括填充PTFE。填充PTFE包括到处散布有填料的PTFE。填料包括但不限于玻璃之类的结构填料以及石墨、二硫化钼、其它碳填料和其它固体润滑剂之类的润滑剂。

在图5中可更加详细地观察单元化元件30，图5示出了该单元化元件的剖视图。在剖面中看到，该单元化元件包括转子接合构件33、后部构件32和定子接合构件31。

在本发明的一个实施方式中，单元化元件的径向外表面包括两个直径不同的区域。所述不同直径包括在后部构件32区域的一个直径和在转子接合部件33区域的不同直径。后部构件32与转子接合构件33之间直径不等而形成壁34。该壁34可用于在组装期间将单元化元件保持在转子50内，并且/或者在组装之后使转子50和定子10成一单元。在本发明的一个优选实施方式中，壁34定位在单元化元件的近似轴向中点处。然而，本领域技术人员将认识到壁34的位置可以改变。例如，在本发明的一个实施方式中，壁34的位置可取决于单元化元件所需的功能性以及/或者转子和定子组件的构造。在本发明的一个优选实施方式中，壁34基本上垂直于旋转轴线。

定子接合构件31从单元化元件30的径向内侧延伸。定子接合构件31从单元化元件30的近似中点处成一角度延伸。定子接合构件31的长度和位置可取决于转子50和/或定子10的特性，以及/或者有关组装的容易性。定子接合构件31可具有充足的长度以使密封组件成一单元，同时具有足以在组装期间挠曲的柔性。在本发明的一个实施方式中，转子接合构件33与定子接合构件31之间的区域可形成空隙35。该空隙35可提供一区域，用于在转子50、定子10、多孔密封元件40和单元化元件30共同构成密封组件时使定子接合构件31挠曲至该区域内。

壁34、后部构件32、转子接合构件33和定子接合构件31的尺寸以及单元化元件30自身的尺寸可根据单元化元件的预期用途而异。这些尺寸上的修改对于本领域技术人员显而易见，其落在本发明的范围内。因此，根据本发明一个实施方式的单元化元件30不限于任何特定尺寸的密封应用，并且具有广泛的用途。

在本发明的一个实施方式中，在图6和图7中可以看到，提供了一种包括根据本发明一个实施方式的单元化元件30的密封组件。密封组件包括转子50、定子10、多孔密封元件40和单元化元件30。转子50与穿过密封组件的中央运转的轴密封接合。转子50包括轴向延伸的环形凸缘52，该凸缘52包括位于其径向内侧上的转子沟槽54。定子10与轴承壳体密封接合并包括轴向延伸的环形凸缘12，该环形凸缘12包括位于其径向外侧上的定子沟槽14。包括转子接合构件33、定子接合构件31和后部构件32的单元化元件30位于由转子环形凸缘52与定子环形凸缘12之间的空间形成的区域内。单元化元件30可局部位于转子沟槽54和定子沟槽14的每一个中，并且后部构件32朝向定子后壁19延伸。

图7表示单元化元件30不在原地的本发明的一个实施方式。在本发明的一个实施方式中，密封组件包括转子50，转子50通过O形环60密封接合到轴上。转子包括环形凸缘52，该环形凸缘52包括位于其径向内侧上的沟槽54。沟槽54包括两个相对壁58a和58b。同样，定子10包括含有沟槽14的环形凸缘12。定子沟槽14也包括两个相对壁18a和18b。在本发明的一个优选实施方式中，转子沟槽的相对壁58a、58b和定子沟槽的相对壁18a、18b近似垂直于轴的轴线。

在本发明的一个实施方式中，转子沟槽的每个相对壁与定子沟槽的对应相对壁轴向对齐，使得相对壁58a与相对壁18a轴向对齐而相对壁58b与相对壁18b轴向对齐。该构造形成矩形剖面区域，单元化元件30的转子接合构件33和内部接合构件31容纳在该区域中。

在本发明的一个实施方式中，定子沟槽54的至少一个壁偏离转子沟槽14的对应壁，使得所述对转子沟槽壁58a或58b中的一个与对应的定子沟槽壁18a或18b不轴向对齐。

在本发明的另一个实施方式中，定子10还包括位于定子的大气侧上的排除口。该排除口可以将进入密封区域的任何杂质从组件排出。

在本发明的一个实施方式中，密封组件包括转子50和定子10，并在其中容纳有单元化元件30。单元化元件30的转子接合构件33与转子沟槽54接合，使得转子接合构件33的轴向外侧与转子沟槽54的相对壁接触。在本发明的一个实施方式中，转子接合构件33在转子沟槽54内“漂浮”，从而使操作期间的接触和摩擦最小化。当转子和定子相对于彼此产生轴向移位时，转子接合构件36就可与转子沟槽54的对应壁接触。

同样，定子接合构件31与定子沟槽和/或沟槽壁18a接触。在操作期间，单元化元件在转子与定子之间形成的空腔内“漂浮”。然而，如果组件在操作期间移位，那么柔性附接到单元化元件30上的定子接合构件31可以通过与定子沟槽14的壁18a接触而提供将单元化元件30保持在适当位置的手段。

在本发明的一个实施方式中，单元化元件30还包含后部构件32。后部构件32可防止转子50和定子10在朝向彼此轴向运动的情况下彼此直接接触。如果转子50朝定子10移位，那么单元化元件30的后部构件32可在转子50与定子10直接接触之前与定子后壁19接触。转子50可通过转子沟槽54的相对壁中的一个壁58a接触和/或压靠单元化元件30。该动作可迫使单元化元件30的后部构件34压靠定子后壁19。在单元化元件30由光滑的塑性材料构成的实施方式中，单元化元件30与转子50之间以及单元化元件30与定子10之间的摩擦力可明显小于转子50与定子10之间直接接触时的摩擦力。从而单元化元件30可在转子50与定子10的组件之间提供耐磨缓冲。这可用于通过使转子和定子的磨损最小化而延长这两个部件的使用寿命。当单元化元件30达到其使用寿命终了时，可对其进行更换，其操作停机时间和更换成本小于与更换转子和定子相关的操作停机时间和更换成本。

在本发明的一个实施方式中，单元化元件30通过填充空腔90并与转子沟槽的相对壁58a、58b接触而使转子50和定子10成一单元。接合构件31在沟槽14内安置在定子10上，但在正常操作期间不与相对壁18a、18b接触。如果施加使转子50远离定子10的轴向力，那么相对壁58b可能在壁34的区域中与转子接合构件33接触。这可迫使单元化元件30与转子50一起运动。单元化元件30的运动可被定子接合构件31与定子沟槽14的相对壁18a的接触阻止。通过该动作，包括转子50、单元化元件30、多孔密封元件40和定子10的密封组件可成一单元。

在本发明的一个实施方式中，除了密封组件中的单元化效果之外，单元化元件30还可产生转子50与定子10之间的非接触关系。在转子50朝向定子10轴向运动的情况下，转子可与单元化元件30接触并迫使后部构件32与定子后壁19接触。单元化元件30可设计成使得后部构件32朝定子延伸得比转子环形凸缘52更远。因而，防止转子环形凸缘52与定子后壁接触，从而通过防止部件的不当磨损而增加转子50和定子10的使用寿命。

虽然已经参照具体实施方式描述了本发明，但应认识到，这些实施方式仅仅是对本发明原理的例示。本领域普通技术人员将理解到，本发明的单元化元件和组件可以通过其它材料按照其它方法和实施方式构造和实施。因此，这里的描述不应理解为限制本发明，其它实施方式也落在本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种密封件，该密封件包括：

转子，该转子构造成与轴密封接合；

定子，该定子与所述转子接合以限定迷宫路径以及第一空腔和第二空腔，该定子构造成与壳体密封接合；

布置在所述第一空腔内的至少一个单元化元件，所述单元化元件包括转子接合构件、定子接合构件、后部构件，所述单元化元件的径向外表面包括直径不同且相邻的两个区域，所述两个区域中的一个区域对应于所述转子接合构件，另一区域对应于所述后部构件；以及

布置在所述第二空腔内的至少一个多孔密封元件。

2.如权利要求1所述的密封件，其中，所述多孔密封元件包括微孔材料。

3.如权利要求2所述的密封件，其中，所述微孔材料包括硅酮泡沫。

4.如权利要求2所述的密封件，其中，所述微孔材料包括聚氨酯、聚砜或聚乙烯中的至少一种。

5.如权利要求2所述的密封件，其中，所述微孔材料包括纤维材料。

6.如权利要求1所述的密封件，其中，所述多孔密封元件包括直径为大约500到600微米的孔。

7.如权利要求1所述的密封件，其中，所述多孔密封元件包括直径小于大约100微米的孔。

8.如权利要求1所述的密封件，其中，所述多孔密封元件包括直径大于等于大约100微米的孔。

9.如权利要求1所述的密封件，其中，所述至少一个多孔密封元件为多个。

10.如权利要求1所述的密封件，其中，所述单元化元件包括橡胶、氟化聚合物或树脂。

11.如权利要求1所述的密封件，其中，所述单元化元件包括光滑的塑性材料。

12.如权利要求1所述的密封件，其中，所述单元化元件包括填充聚四氟乙烯。

13.如权利要求1所述的密封件，其中，所述至少一个单元化元件为多个。

14.一种包括如权利要求1所述的密封件的设备，该设备包括：

可旋转的轴；和

所述壳体。

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