CN102149950B - 具有切向引流分配环的转轴密封 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进的筒式轴承密封(10)，包括可拆卸连接的定子部分(12)和转子部分(14)。定子部分(12)支撑分配环(15)，该分配环将内部环形空间(36)分成径向外侧部分(36a)和内侧部分(36b)。分配环(15)具有足够数量的切向定向的导管(17)，以允许外侧部分(36a)与内侧部分(36b)之间的流体相通。利用这种结构，当加压清洗流体供应至外侧部分(36a)时，流体流动通过导管(17)，以在内侧部分(36b)内产生所需的切向流体流动。这又在位于旋转轴(18)与轴承架的端帽(32)之间的环形空间(36)内产生周向均匀流体压力，并且加压流体穿过轴承外侧的流动路径。这种周向均匀流体压力通过自身或者与挠性唇缘(44)结合，防止污染物进入旋转轴(18)与轴承架的端帽(32)之间。因为产生切向流体流动的结构(15，17)是可拆卸筒(12，14)的部分，所以这种轴承密封不需要在轴承架中加工出或钻出切向定向通道。一种实施方式在分配环(15)附近增加副环(51)，从而降低了精度加工轴承帽的内侧尺寸的需要。这些结构部件使较宽范围的转轴更容易获得周向清洗流体特征。

Description

具有切向引流分配环的转轴密封

技术领域

本发明涉及一种改进的用于机械工具转轴的筒式轴承密封。

背景技术

本发明受让人，Setco Sales Company，拥有美国专利No.5,727,095、No.5,980,115和No.6,217,219B1，这些专利的名称均为″Bearing Seal With Uniform Fluid Purge″，并且涉及已经证明在增加转轴可靠性方面非常成功的独特轴承密封。Setco以商标AIRSHIELD的名义出售该轴承密封专利。通过引用方式将这些Setco专利的全部内容并入本文。

根据在先发明的一个方面，如上面引用的三个专利所披露，轴承密封包括位于轴承架的第一端的环形帽，并且从第一端引出轴。该帽具有限定出环形内部空间的内表面，和与环形空间切向相交形成的通道。这种结构允许经由通道向环形空间供应加压的清洗流，从而在环形空间内产生周向均匀的流体压力。这种周向均匀的压力防止轴承内的污染物质进入。

在先发明通过减少由失效的轴承密封引起的停机时间而显著增加转轴的可靠性。这种停机时间可以对转轴整体效率和生产能力具有关键性的不利影响。

这些在先专利披露了实现该在先发明的关键性益处的一些实施方式。此外，这些在先专利明确提出可以在修改状态下获得在先发明的益处，其中具有失效轴承密封的原位转轴需要修改的新的轴承密封。这些在先专利提出了如何可以实现这种修改的轴承密封的一些大体细节。然而，这些在先专利没有披露或提出一种具体结构以实现具有各种尺寸和形状的多种转轴的现有发明的益处。

为此，Setco研发了这种轴承密封的第二代版本，即具有周向均匀流体压力的轴承密封，该轴承密封通过使用具有可连接的定子和转子部分的环形筒而实现某些有点。该第二代轴承密封是Setco的名称为″Cartridge-Type Bearing Seal For Machine Tool Spindle″的美国专利No.7,090,220的主题，在此明确地将其全部内容通过引用方式并入本文。这种筒式轴承密封便于对原位转轴上的轴承密封进行修改，易于适应各种尺寸和形状的转轴，并且以简单、低成本的方式运行。对于多种轴承密封，该第二代轴承密封还增加了由原有发明实现的均匀空气清洗特征的可用性。

发明内容

对于各种轴承密封，本发明的目的是进一步提高原有发明的均匀空气清洗特征的可用性，并且以较低成本的方式实现本发明。

本发明通过以下方式实现这些目的，即：修改现有环形筒使其包括分配环，该分配环产生加压清洗流体的切向流动，从而产生周向均匀流体压力。通过对可拆卸筒配备产生这种切向流动进而产生周向均匀流体压力的结构，本发明取消了现有的在轴承帽中钻出切向定向孔的需要。这些孔可很难钻出。

利用本发明，使用者仅需要钻出径向定向的孔，而不是在轴承帽中钻出切向定向的孔。当加压清洗流体供应至该空并引入围绕轴的内环形空间中时，分配环产生所需的切向流动。沿着流体流动路径保持这种切向流动和由其产生的周向均匀流体压力，其中流体流动路径穿过筒的转子部分和定子部分之间的环形空间并且最后延伸到筒外面。这与原有发明类似。

根据本发明的一个优选实施方式，环形筒包括两个可拆卸连接的部分，即定子部分和转子部分，以及设置定子部分内侧的分配环。分配环位于轴承架内形成的内通道附近，通过分配环接收加压清洗流体。在分配环占用内部环形空间的位置，分配环限定出环形空间的内侧部分和外侧部分。分配环包括至少一个，优选四个，基本切向定向的槽或导管。每一个导管都提供从外侧部分到内侧部分的流体连接，使得加压清洗流体可以在其中流动。每一个导管都沿着其长度弯曲，其中外侧部分相对于轴线基本径向定向，内侧部分相对于轴线基本切向定向。根据具体转轴的尺寸，可以改变导管的数量、大小和间距。

形成在轴承架中的内通道优选位于轴承帽中。内通道可以径向钻入轴承帽中，并终止于环形空间，优选终止于环形空间的位于分配环径向外侧的外侧部分。与需要切向定向内通道的现有筒式轴承密封相比，本发明不需要内通道的任何具体定向，只要内通道终止于内部空间的外侧部分即可。不再需要切向钻孔，这是因为这种结构结合到所需的筒式结构中，即：在分配环中形成导管，以产生所需的加压清洗流体的切向流动。因为分配环而不是内通道产生所需的切向流动，所以不必通过很难进行的切向钻孔步骤、钻孔步骤在轴承架中形成内通道。

另外，筒与作为其内部部件的副环配合，如果需要，筒可以实际包括副环，副环位于分配环附近且仅在其内侧。该副环被加工成在径向内表面与旋转轴之间提供紧密间隔。该紧密间隔使内轴承隔离。通过将这种隔离结构结合到筒中或者至少不需要轴承帽具有隔离结构，本发明的这方面不需要将轴承帽加工出严密容隙以提供该紧密间隔。与轴承帽相比，该副环是比较容易加工的较小部件。因此，该副环便于设置这种间隔。此外，副环有助于使分配环保持固定在所需的轴向位置。

利用本发明，申请人已经将切向引流结构移到筒本身中，从而不需要在轴承架中钻出切向定向的通道。从该结构变化产生其他一些优点。

在下面附图和详细说明书的叙述中，将更容易理解本发明的这些或其他特征。

附图说明

图1是根据本发明第一优选实施方式构造的筒式轴承密封的透视图。

图2是仅安装在转轴上的图1的筒式轴承密封的纵截面图。

图3是图1所示的筒式轴承密封的放大的纵截面图。

图4是图1的筒式轴承密封和相应轴承帽的横截面图，示出分配环中的导管和轴承帽中的内部通道的定向。

图5是与图2相似的根据本发明第二优选实施方式构造的筒式轴承密封的纵截面图。

具体实施方式

图1示出根据本发明第一优选实施方式构造的筒式轴承密封。本发明筒式轴承密封使Setco的现有专利发明的轴承密封更容易获得更多种类的转轴结构。并且本发明的筒式轴承密封特别适合对原位转轴进行修改。

图1示出本发明的轴承密封包括具有分别相互连接第一部分12和第二部分14的环形筒10。第一部分12是定子部分并且固定地安装在定子16(图2)上，而第二部分14是转子部分并且固定地安装在转子18(图2)上。分配环15位于第一部分12附近，优选由橡胶制成并且粘附在第一部分12上，大致上成为第一部分的一部分。分配环15包括多个基本上切向定向的导管17。在本文中，基本上切向定向也包括完全切向定向。

图2示出当被驱动马达(未示出)驱动时转子18可以向对于定子16围绕轴线19旋转。定子部分12导入到在定子16内形成的、由轴向定向表面20和径向定向表面22限定的圆形槽中，该轴向定向表面和该径向定向表面分别与轴平行和垂直。O形环24位于形成在定子部分12的外部表面内的槽25内。表面20和22形成定子16的位于定子架一端的部分。当第一部分12就地安装在定子16上时，在压力配合条件下，第一部分12相对于轴线19保持固定。也即是说，第一部分12实际上成为定子16的部分。在本申请的内容中，术语转子和定子一般可以与术语轴和架互换使用。这是因为转子19通过轴旋转，并且相对于定子或固定架旋转。

因为转子18和转子部分14在操作时一起围绕轴线19旋转，所以第二部分14以实际上成为转子18的一部分的方式安装在转子18上。转子部分14可以通过任何适当的连接或固定方式安装在转子18上，例如通过沿着在转子表面18的外表面上形成的轴向定向表面26的压力配合，或者通过一套螺钉装置。O形环30位于沿着转子部分14的径向内边缘形成的槽31内。

定子部分12刚性安装在定子16上，而转子部分14刚性安装在转子18上。同时，定子部分12与转子部分14通过以下方式可释放地连接并限定出环形筒10：允许转子部分14相对于定子部分12围绕轴线19相对旋转的方式。如前文提到的′220专利所述，第一部分12和第二部分14优选通过以下方式构造：允许通过向第一部分12和第二部分14两者施加轴向力的方式使这两个部件咬接配合，从而使这两个部件咬合在一起。

图2还示出环形端帽32，该环形端帽形成定子16的部分结构。优选的是，在轴承架端部，端帽32通过螺钉(未示出)可拆卸地与定子16的其余部分连接。端帽32被加工成在其径向最内端33与转子18之间提供缝隙，以隔离内轴承35。端帽32包括内通道或通道34。该通道34具有终止于内环形空间36的内端，该内环形空间周向围绕转子18。该环形空间36包括位于端帽32附近的较大环形空间，和位置接近转子部分14的较薄环形空间。在筒10内，从环形空间36的最内部分(图2的右侧)到最外部分(图2的左侧)，环形空间36限定出加压清洗流体的输出流动路径。流动路径是沿着其轴向长度的环形，而没有沿着其轴向长度的非环形中断。

图3示出筒10一般具有外或外部表面38和内或内部表面40。内部表面40位于内环形空间的外边界附近并形成内环形空间36的外边界。就在环形空间36的径向外侧，筒10包括固定在定子部分12上的密封件42，其具有上面引用的现有专利所披露的类型。圆周密封件42包括圆周唇缘44，当转子18不相对于定子16旋转时，该圆周唇缘与转子部分14啮合。当转子18相对于定子16围绕轴线19旋转并且向环形空间36供应加压清洗流体时，唇缘44朝远离转子部分14方向弯曲，以允许清洗流体沿着由定子部分12与转子部分14之间的开放空间所限定的路径以周向均匀方式径向向外流动。当定子部分12与转子部分14咬接配合在一起时，附图标记47一般表示这两部分之间的轴向距离。

图3还示出在定子部分12外部周围延伸的周缘48。该周缘48包括外部轴向延伸部分50和径向向内延伸部分52。优选的是，定子部分12由诸如1018或1020钢等比较挠性的材料制成。作为选择，定子部分12可以由不锈钢、碳钢或者足够耐用或足够挠性以实现前述目的的任何其他适当材料制成。优选的是，定子部分14由4145硬浆钢制成，并且通过可以在同一机器上完成的一组加工步骤被加工成所需形状。

当咬接配合在一起时，定子部分12和转子部分14限定出流体流动路径的最外层部分。在结构的这部分，也就是唇缘44的径向外侧，该流体流动路径穿过位于定子部分12与转子部分14之间的环形空间，并且最后超出筒10的外表面38。该流动路径与上面引用的′220专利所详细描述的流动路径相同。

图4示出导管17相对于结构的轴线19的位置。图4还示出每一个导管17都具有主要径向定向的外侧部分17a，和大致切向定向的内侧部分17b。每一个导管17都沿着其长度稍微弯曲，以适应这两个不同的定向。图4还示出供应加压清洗流体的内通道34可以相对于轴线19径向定向。这种径向定向便于钻孔。

如图2最佳示出，在内通道34终止于端帽32内部的位置，分配环15限定出内环形空间36的外侧部分36a和内侧部分36b。尽管如此，大致切向定向的导管17设置在与内侧部分36b流体相同的外侧部分36a。因此，当从压力流体供应源39向内通道34供应加压清洗流体时，加压清洗流体首先流入外侧部分36a。此后，加压流体通过分配环15的导管17径向向内移动到内侧部分36b。此时，导管17使加压清洗流体切向流动。这种切向引流引起内侧部分36b内的周向流动，还引起环形空间36内的周向均匀流体压力。当清洗流体朝着筒的外表面38轴向穿过流动路径时，保持这种周向均匀流体压力。压力流体供应源39可以是产生所需流体流动条件的任何设备或结构。

为了使导管17容易模制到环15中，导管17优选位于分配环15的内表面附近。尽管如此，导管17可以位于沿着分配环15的轴向尺寸的任何位置，或者甚至可以沿着分配环15的整个轴向尺寸延伸出来。导管17可以通过模制或钻孔或任何其他适当方式制成。图1的导管17具有矩形的横截面形状，但是其他横截面也是合适的，例如，如果通过钻孔方式形成导管17，那么将产生圆形的横截面。

图5示出本发明筒式密封的第二优选实施方式。更具体地说，该第二实施方式使用了位于分配环15附近的副环51。副环51保护分配环15的内表面。此外，副环具有向轴18方向延伸以使其之间具有小间隔的尺寸。利用这种结构，副环51的用途是提供所需的小间隔以使轴承架的内轴承35与密封结构隔离。通过使用这种副环51来设置间隔并隔离内轴承35，就不再需要加工轴承帽32自身的径向内表面33以提供这种需要的紧密间隔。因此，该实施方式不需要在轴承帽32与轴18之间加工紧密间隔。此外，副环51和分配环15可以连接在一起，或者也可以形成为单个件。

在使用时，为了对具有故障轴承密封的现有转轴翻新，操作员选择所需形状的筒10。这意味着定子部分12具有固定安装在现有转轴16的定子上的尺寸，而转子部分14具有安装在转子18上的尺寸。如果绝对必须，在定子16和转子18不是标准尺寸的情况下，可以加工这些结构，以获得已知尺寸的定子部分12和转子部分14可以安装在上面的所需尺寸和形状。作为选择，定子部分12和转子部分14可以制成需要的特殊尺寸。在安装到定子部分12上之前，端帽32安装在转轴架端部上。根据情况，可以单独提供或一起提供端帽32和定子部分12，以方便和简化这些部件的筛分。在端帽32安装在转轴架上之后，根据优选的操作顺序，将筒10安装在端帽32上。这通过将定子部分12压力配合到由端帽32的表面限定的槽来实现。按照这种方式，转子部分14保持与定子部分12连接，使得筒10与端帽32连接为一个单元。根据具体情况，可以在端帽32安装到转轴架端部之前或者之后实现筒10与端帽32的连接。

然后，转子18在轴向上移动，优选朝转轴架移动，以将转子部分14压力配合到转子18上。为了在轴向上获得转子部分14相对于定子部分12的所需位置，在流体流动通道的外径向端临时设置多个垫片(未示出)。转子18相对于转轴架缓慢旋转，多个垫片连续插入或取出，以便将转子部分14定向在相对于定子部分12的所需位置，并且优选以围绕转轴轴线19周向均匀的方式定向。在所需位置，通过该处理，定子部分12和转子部分14在操作期间相互轴向分开，使得在转子18旋转时没有表面与表面的接触。优选的是，当筒10的部分12与部分14通过咬接配合而连接时，存在一定量的轴向间隙或轴向容隙。但是当安装之后，该间隙大致成为周缘48与转子部分14之间的间隔。申请人认识到0.5mm的轴向间隙尺寸证实适合最多用途，尽管可以根据情况改变该尺寸。

流体压力源39可操作地连接在端帽32上，以便向终止于环形空间36的外侧部分36a的通道34供应加压清洗流体。当清洗流体移动到内侧部分36b时，基本切向定向的导管17产生切向流动。这在环形空间36内产生了清洗流体的周向均匀流，还产生了周向均匀流体压力，当清洗流体首先沿着轴18轴向流动然后经由位于相互连接的两个部分12和14之间的空间从筒10径向向外流动时，保持周向均匀流体压力。当把加压清洗流体施加到空间36时，该流动路径穿过在转子18相对于定子16旋转时朝远离转子部分14的方向弯曲的唇缘44。最后，清洗流体移动到筒10的外表面38之外。

申请人以前认识到可以利用将周向均匀清洗流体供应到围绕旋转轴的环形空间来实现防止污染物进入转轴的轴承密封的重要优点。在上述四个美国专利中描述并示出了现有发明的细节和实施方式。利用本发明，申请人实现了将现有发明应用到更宽范围的转轴的另一进步，并且还以低成本的方式实现这一进步。

因此，虽然已经描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员将容易明白，在不脱离本发明的原理和所附权利要求书限定的范围的情况下，可以对这些实施方式进行各种变化。

Claims (21)

1.一种轴承密封，用于防止污染物进入可旋转轴与轴承架之间，所述轴承架支持围绕轴线旋转的轴，所述轴承密封包括：

环形帽，其位于轴承架的伸出轴的第一端，所述帽具有外表面和与轴分开的径向内表面，所述外表面与径向内表面之间形成环形空间，所述帽具有从径向内表面延伸到外表面而形成的通道；以及

分配环，其可移除地位于所述帽的环形空间内并限定出所述环形空间的内侧部分和外侧部分，所述分配环具有至少一个形成在分配环中并且在环形空间的外侧部分与内侧部分之间延伸的基本切向定向的导管，所述分配环和所述环形帽限定从环形空间的内部轴向延伸的环形轴向流动路径，所述轴向流动路径包括靠近环形空间的内侧部分定位的较薄部分，使得在通过通道向环形空间的外侧部分供应加压清洗流体之后，当清洗流体从外侧部分移动到内侧部分时，至少一个基本切向定向的导管引起清洗流体切向流动，从而在环形空间内沿着轴产生周向均匀流体压力，使得加压清洗流体经过轴向流动路径，并从所述轴和轴承架之间以周向均匀的方式逐渐向外流动。

2.根据权利要求1所述的轴承密封，其中，所述可旋转轴包括位于轴承架外侧的凸缘，凸缘通过位于凸缘与帽之间的大致环形的空间与帽分开，所述可旋转轴还包括：

环形帽，其具有形成在环形帽外表面、朝着轴向上远离轴承架的方向并且与凸缘相对的槽；以及

密封件，其位于环形帽的槽内，所述密封件具有挠性唇缘，其朝着凸缘延伸并且与凸缘周向接合，从而周向封闭环形空间的一个轴向端。

3.根据权利要求1所述的轴承密封，其中，所述至少一个基本切向定向的导管中的每一个具有第一端和第二端，并都沿着其之间的长度纵向弯曲。

4.一种在可旋转轴与轴承架之间保持密封件的方法，所述轴承架支持围绕轴线旋转的轴，所述轴承架限定出周向包围位于轴承架内部的轴的一部分的环形空间，所述环形空间靠近轴承架的的第一端定位，所述方法包括：

经由形成在轴承架中的通道在径向上向环形空间供应加压清洗流体，所述通道终止于环形空间并且相对其径向定向，以及

在环形空间，在清洁流体朝着轴移动时，将所供应的加压清洗流体的方向改变成在切向方向上流动，由此围绕所述轴产生周向的清洗流体流动和基本均匀的清洗流体压力，并沿着从环形空间轴向延伸的环形轴向流动路径产生周向上基本均匀的清洗流体压力，并包括邻近环形空间定位的较薄部分，使得清洁流体从环形空间逐渐流过较薄部分，并接着在可旋转轴和轴承架之间向外流动并离开轴承架的第一端。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述通道延伸到轴承架的外表面，并从所述环形空间到所述外表面基本径向定向。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述环形空间具有清洁流体从中向外流动的第一轴向端，以及与第一轴向端相对的第二轴向端，并且所述通道使第二轴向端附近的环形空间连通。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，密封件位于轴承架与转子之间并与轴承架和转子接合，所述密封件包括弹性唇缘，所述弹性唇缘通常与轴承架和转子之一接触，并且在环形空间内产生足够的清洗流体压力之后仅朝着远离轴承架和转子之一的方向弯曲，从而打开环形空间并产生向外的清洗流体流动。

8.一种轴承密封，用于防止污染物进入可旋转轴与轴承架之间，所述轴承架支持围绕轴线旋转的轴，所述轴承架限定围绕轴的环形空间，所述轴承架还具有形成在轴承架中的内通道，所述内通道终止于环形空间，并靠近所述轴承架的第一端定位，所述轴承密封包括：

环形筒，其包括两个相互连接的环状部分，所述环形筒包括安装在轴承架的第一端上的第一部分和安装在可旋转轴上的第二部分，以及

分配环，所述分配环靠近第一部分轴向定位并限定出环形空间的内侧部分和外侧部分，分配环具有至少一个在内侧部分与外侧部分之间延伸的基本切向定向的导管，使得供应到内通道的加压清洁流体流到环形空间的外侧部分，并接着道环形空间的内侧部分，并通过所述分配环的至少一个基本切向定向的导管将从外侧部分流到内侧部分的加压清洗流体定向为切向方向，从而在内侧部分围绕轴周向流动，然后以周向均匀方式在两相互连接部分之间沿着轴经过环形的轴向流动路径逐渐径向向外流动并流出轴承架的第一端，所述环形轴向流动路径环绕轴并且具有在第一部分的径向内侧的较薄部分。

9.根据权利要求8所述的轴承密封，其中，所述至少一个基本切向定向的导管中的每一个都沿着其长度弯曲，并具有基本径向定向的外侧部分和基本切向定向的内侧部分。

10.根据权利要求8所述的轴承密封，其中，所述分配环具有四个导管。

11.根据权利要求8所述的轴承密封，其中，所述分配环具有内侧轴向表面和外侧轴向表面以及在内侧轴向表面与外侧轴向表面之间测量的轴向尺寸，并且每一个导管都位于内侧表面附近并与外侧表面分开。

12.根据权利要求8所述的轴承密封，还包括位于分配环附近的副环，所述副环与轴承架接触并朝轴的方向径向向内延伸以在副环与轴之间提供间隔，从而使轴承密封与轴承架的内部部件隔离。

13.根据权利要求8所述的轴承密封，其中，所述至少一个基本切向定向的导管具有矩形的横截面形状。

14.根据权利要求4所述的方法，其中，引起通过位于环形空间内的分配环来进行。

15.根据权利要求4所述的方法，其中，清洁流体是气体。

16.根据权利要求1所述的轴承密封，其中，分配环是橡胶。

17.根据权利要求3所述的轴承密封，其中，至少一个基本切向定向的导管具有以下特征的至少一种：基本上径向定向的外部部分和基本上切向定向的内部部分。

18.根据权利要求17所述的轴承密封，其中，至少一个基本切向定向的导管具有以下特征的至少一种：基本上径向定向的外部部分和基本上切向定向的内部部分。

19.根据权利要求8所述的轴承密封，其中，分配环与内通道径向对准，内通道终止于分配环。

20.根据权利要求8所述的轴承密封，其中，分配环是橡胶。

21.根据权利要求20所述的轴承密封，其中，分配环是第一部分的一部分，第一部分还包括限定分配环和轴向流动路径的较薄部分的一体结构件。