CN106574724A - 动态密封件 - Google Patents

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Abstract

一种具有包括织物(9)的接触表面的动态密封件(8)，其中脂肪酸酯被结合到织物(9)中。

Description

动态密封件
技术领域
本发明总体涉及密封件领域，特别涉及一种改进的动态密封件。这种动态密封件可用于例如滚动元件轴承。
背景技术
密封件用于防止两种环境之间的泄漏。例如，密封件可用于保持流体、分离的流体或防止颗粒污染物从一种环境传输到另一种环境。
动态密封件用于密封线性地或在圆周方向上相对于彼此移动的机器部件之间的通道。有各种类型的动态密封件，包括填料和活塞密封环，它们用于线性或振荡运动。然而，最常见的密封件是径向轴密封件，其在工业的所有分支中用于各种各样的应用。
动态密封件用于保持润滑剂，防止水进入并且防止机器部件之间的接触表面(例如，滚动元件轴承的滚动元件与内圈和/或外圈之间的接触表面)的颗粒例如砂粒污染。然而，如将理解的，使用期间的摩擦导致密封件上的磨损，这将最终导致密封件的故障。此外，摩擦可能降低其中采用动态密封件的装置的效率。例如，由于金属轴的表面和橡胶轴承密封件本身之间的滑动接触，在轴轴承内产生高水平的摩擦。因此，需要显示出低摩擦系数的动态密封件(例如动态轴承密封件)。这种密封件将导致显著的能量节省，并且还将不太可能由于密封件的加速的热老化而过早地失效。
由于许多有益的性质(包括良好的密封性能、在高温下的耐油性和低成本)，弹性体密封件在许多动态密封应用中仍然盛行。然而，一个缺点是需要保持恒定的润滑以避免当弹性体干燥或在缺乏条件下运行时所经历的高摩擦。传统上，这种密封件采用两种可选的润滑方法：油润滑和脂润滑。油润滑使得密封件能够以更高的速度运行，通常具有更低的摩擦。然而，还需要使用更复杂和昂贵的泵送系统，以确保在接触表面保持润滑油层。脂润滑提供较低的成本和便利性，但通常提供略低的性能，并且可能需要在寿命期间更换。润滑脂系统通常显示有限的寿命，这是由于润滑脂在密封表面附近可移动，导致润滑剂的最终缺乏。
需要一种密封件或至少一种有用的或优化的替代方案，其将克服或至少减轻与现有技术的密封件相关的一些或所有问题。
发明内容
在第一方面，本发明提供了一种具有包括织物的接触表面的动态密封件，其中脂肪酸酯被结合到织物中。
除非明确指出相反，本文所定义的每个方面或实施方案可以与任何其他方面或实施方案组合。特别地，被指示为优选或有利的任何特征可以与被指示为优选或有利的任何其它特征组合。
本文所用的术语“动态密封件”包括用于与滑动表面接触的密封件。动态密封件用于密封线性地或在圆周方向上相对于彼此移动的机器部件之间的通道。动态密封件是用于阻止或基本防止润滑剂流出和/或异物进入的结构。
本文关于动态密封件使用的术语“接触表面”包括在使用中与对立表面滑动密封接触的密封件的表面。
本文所用的术语“脂肪酸”包括具有4至28个碳原子的长脂族尾部(链)的羧酸。脂族尾部可以是饱和的或不饱和的。脂族尾部可以是支链或非支链的。
本文所用的术语“脂肪酸酯”包括由脂肪酸与醇或脂肪酰氯与醇的组合产生的一类酯。
本文所用的术语“纤维素”包括具有式(C6H10O5)n的有机化合物，该多糖由几百至几千个β(1→4)连接的D-葡萄糖单元的线性链组成。
发明人惊奇地发现，本发明的动态密封件表现出低的工作摩擦。
在使用之前，动态密封件装载有润滑剂(通常为油)，以润滑动态密封件与滑动表面(例如，滚动元件轴承的内圈和外圈)的相对运动。在使用中，这种相对运动可以使得润滑剂变得远离动态密封件与滑动表面之间的接触表面分布。
脂肪酸酯特别是脂肪酸酯的长脂肪族尾部是亲油的。不受理论的束缚，认为脂肪酸酯基的长脂肪族尾部与通常存在于润滑油(例如聚α-烯烃油)中的大烷基之间存在强相互作用。这可能导致油分子和脂肪酸酯之间的大量范德华力型吸引力。因此，在使用中，当动态密封件装载有润滑油时，接触表面处的脂肪酸酯可以在接触表面处保持油分子的润滑层。结果，减小了动态密封件的摩擦，从而增加了动态密封件的工作寿命，并减少了引起滑动表面的相对运动所需的能量。减小的摩擦可以在宽范围的操作温度和操作速度下展示出来。减小的摩擦在低速下可能特别明显。因此，动态密封件可有利地用于低速和低静态摩擦应用。例如，动态密封件可以特别有用于减少在机器“启动”时即当从静态进展到慢速时所经历的初始摩擦。此外，在其使用寿命期间可以不需要更换润滑油。
引入到织物中的脂肪酸酯可以在一定程度上起润滑剂本身的作用。
动态密封件可以由任何合适的材料形成，例如金属或合金比如钢，聚合材料和/或弹性体材料。优选的材料是弹性体。合适的弹性体包括例如氟弹性体(FKM)、全氟弹性体(FFKM)、丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)、羧化腈丁二烯橡胶(XNBR)、聚硅氧烷(VMQ)、聚氨酯(PU)、热塑性聚氨酯(TPU)和热塑性弹性体(TPE)。动态密封件可以是包括例如密封体(由例如金属形成)和密封唇(由例如弹性体形成)的唇密封件。这种材料可以在升高的温度下提供良好的密封性能和对润滑油的高耐性，并且是低成本的。
动态密封件的接触表面可以能够吸收油。这可以在使用中提供合适储存器的油用于重新供应到接触表面。
动态密封件可以用于密封线性地或在圆周方向上相对于彼此移动的机器部件之间的通道。动态密封件可以是例如发动机密封件(例如阀杆密封件、曲轴密封件或轴密封件)、O形环密封件、转向密封件、悬置密封件、活塞密封件、轮端密封件、动力传递密封件、气动密封件、液压密封件、流体处理密封件或航空轴密封件。
动态密封件的接触表面包括织物，并且脂肪酸酯被结合到织物中。织物可特别有效地吸收润滑油并随后将润滑油释放到接触表面。在使用中，润滑油可以在织物内自由移动。这可以从接触表面散热，从而降低使用中的滑动表面的温度。
织物通常设置在动态密封件的接触表面上，作为沿着例如动态密封件的外圆周的连续条带。可替代地，织物可以设置在动态密封件的基本上整个表面上。织物通常为至少100微米厚，更通常为150至900微米厚。
织物可以使用任何合适的粘合或接合技术附接到动态密封件。例如，可以使用粘合剂。粘合剂的选择将取决于下面的密封材料(例如金属、合金、聚合物或弹性体)的性质和要附接的织物(例如棉或丝)的性质，但是在所有情况下，选择成确保在下面的密封材料和织物之间的牢固结合。对于聚合物或弹性体密封材料，合适的粘合剂是氰基丙烯酸酯粘合剂和/或水基聚氨酯粘合剂。这种粘合剂可以用于在其接触表面即将与滑动表面滑动接触的密封件的表面处将织物粘结到动态密封件。
织物可以包括例如棉(例如)和/或丝和/或人造纤维，例如聚(芳族聚酰胺)。这种材料表现出有利的机械性能，易于应用于动态密封件并且能够吸收高水平的润滑油。脂肪酸酯可以通过脂肪酸和/或脂肪酸氯化物与存在于棉纤维素和丝绸丝心蛋白中的一个或多个羟基反应形成。这种酯化反应是本领域已知的。当织物包含棉时，脂肪酸酯基团可以在纤维素的一个或多个D-葡萄糖单元上形成有所有的羟基。可替代地，脂肪酸酯基团可以在纤维素的一个或多个D-葡萄糖单元上仅形成有一个或两个羟基。换句话说，脂肪酸酯可以是单酯、二酯或三酯。
脂肪酸酯通常位于构成织物的纤维的表面。表面处的脂肪酸酯可有助于增加织物的亲油性。纤维可以部分地由脂肪酸酯形成。可替代地，纤维可以基本上由脂肪酸酯形成。脂肪酸酯可以基本上仅存在于构成织物的纤维的表面。例如，当织物包含棉时，纤维可以在表面包含纤维素脂肪酸酯以增加亲油性，而纤维的内部可以包含纤维素以向织物提供有利的机械性能。
织物优选包括织造织物。本文所用的术语织造织物包括通过例如编织、针织、钩编和/或打结形成的织物。织造织物可以具有高强度并且能够在织物中保持高水平的润滑油。织造织物提供规则的图案化表面。这种图案化或“凹陷”的表面可导致减小的摩擦。织造织物可以表现出优于已经机械加工或模制的其它图案化表面的优点。例如，织造织物是便宜的，并且避免了生产复杂工程表面的成本和复杂性。织造织物在其结构中具有一些柔性，因此可以对可破坏结构的相对表面上的粗糙度和特征更有弹性。织造织物还可以表现出芯吸效应，其中油被吸收在周边区域上并且在更中心的承重区域处被补充。这种油浓度的调节可以改善油的润滑膜的均匀性，并且还消除在一些区域中油不足的趋势，以帮助保持较低的摩擦。
织造织物优选非常均匀且紧密地织造。这种织造织物的示例是棉。织造织物可有利地具有大于50根经纱线/cm，优选60至120根经纱线/cm，更优选65至100根经纱线/cm，和/或大于20根纬纱线/cm，优选22至40根经纱线/cm，更优选25至38经纱线/cm。织造织物可有利地具有大于150gsm的重量，优选60至35gsm。对于相同的厚度，与非紧密和/或非均匀织造织物相比，紧密和均匀织造织物表现出更大的强度/耐久性、更高的纤维密度和更光滑/更平整的表面。当动态密封件用于接触力处于相当大的压力和高温的密封环境中时，较大的强度/耐久性可能是有利的。此外，考虑到所施加的振动和相当大的剪切力，当动态密封件用于密封快速旋转或滑动对立面时，较大的强度/耐久性可能是有利的。较高密度的纤维可有利地避免油离开或污垢/水/进入物理进入密封件的间隙。更平滑、更均匀的表面更可能提供更好的密封性能，因为其可以确保在整个密封表面上的更规则的压力分布。
脂肪酸酯优选包含纤维素脂肪酸酯。这种材料可以表现出特别有利的亲油性水平，因此接触表面可以在吸收和随后释放润滑油时特别有效。此外，通过简单的酯化反应，纤维素脂肪酸可容易地结合到纤维素织物中，例如棉织物。酯化反应是本领域已知的。
纤维素脂肪酸酯优选包含纤维素棕榈酸酯和/或纤维素癸基酯。这种物质可以表现出特别有利的亲油性水平，并且动态密封件的接触表面因此可以在吸收和随后释放润滑油时特别有效。
纤维素优选包含β-纤维素。当织物包含β-纤维素时，织物可以具有更大的容纳油的能力。此外，织物可以表现出更有利的机械性能。α-纤维素(其是通常存在于棉中的纤维素的多晶型物)可通过丝光化转化为β-纤维素。粗粒化通常包括用氢氧化钠处理棉。丝光化技术是本领域已知的。转化成β-纤维素也可以通过例如酶处理或非苛性碱洗涤处理来实现。这样的技术是本领域已知的。丝光化、酶和非苛性碱技术可以帮助将纤维素结构分解成更小的原纤维，甚至分解成纳米原纤维，这可以增加织物的润滑性能。
脂肪酸酯优选包含具有至少6个碳原子，优选至少13个碳原子的碳链。较长的碳链增加脂肪酸酯的亲油性质。因此，织物可以从而在吸收和随后释放润滑油时特别有效。
在另一方面，本发明提供了一种包括如本文所述的动态密封件的轴承。
本发明人惊奇地发现，轴承表现出低的工作摩擦。轴承可以是例如滑动轴承或滚动元件轴承。
在另一方面，本发明提供了一种滚动元件轴承，包括：
内圈；
外圈；
多个滚动元件，其设置在内圈的外表面和外圈的内表面之间；以及
如本文所述的动态密封件，其中动态密封件的接触表面布置成在使用中与内圈或外圈滑动接触。
发明人惊奇地发现，本发明的滚动元件轴承表现出低的工作摩擦。
动态密封件通常从内圈延伸到外圈，并且包括面向多个滚动元件的环形表面。动态密封件可以附接到轴承的外圈。在这种情况下，在使用中，动态密封件的接触表面(通常为径向最内边缘)将与内圈旋转滑动密封接触。可替代地，动态密封件可以附接到轴承的内圈。在这种情况下，在使用中，动态密封件的接触表面(通常为径向最外边缘)将与外圈旋转滑动密封接触。轴承优选地包括沿轴向方向定位在滚动元件的每一侧的动态密封件。
在使用之前，轴承装载有润滑剂，通常是油，以润滑动态密封件与内圈或外圈的相对运动。在使用中，这种相对运动，特别是在高速下，可能导致润滑剂变得远离动态密封件与内圈或外圈之间的接触表面分布。
脂肪酸酯，特别是脂肪酸酯的长脂肪族尾部是亲油的。因此，在使用中，当轴承装载有润滑油时，接触表面处的脂肪酸酯可以在接触表面处保持油分子的润滑层。结果，减小了轴承的摩擦，从而降低了工作扭矩并增加了轴承的工作寿命。减小的摩擦可以在宽范围的操作温度和操作速度下展现出来。此外，在其使用寿命期间可以不需要更换润滑油。
内圈通常同心地设置在外圈内。内圈和外圈中的一个或两个通常由轴承钢形成。轴承钢的示例包括：根据ISO683-17:1999的含有约1％碳和1.5％铬的全硬化碳铬钢(100Cr6)；碳含量约0.15％的根据ISO683-17:1999的铬-镍和锰-铬合金钢；根据ISO683-17:1999的高铬含量钢X65Cr14和根据EN10088-1:1995的X105CrMo17；以及根据ISO683-17:1999制造的高合金钢，例如80MoCrV42-16。
滚动元件可以包括例如球、滚子、圆盘和/或锥形滚动元件。这些可以由例如本文所述的轴承钢或者可选地由诸如氮化硅的陶瓷材料形成。
轴承中的动态密封件可以是环形形状。可替代地，动态密封件可以是例如盘或半球的形状。
动态密封件的织物可以装载有润滑油以润滑动态密封件与内圈或外圈的相对运动。
附图说明
现在将参考以下非限制性附图，通过示例进一步描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的密封件的一部分的横截面图。
图2示出了根据本发明的滚动元件轴承的第一实施例的一部分的横截面图。
图3示出了根据本发明的轴承密封件的一部分的横截面图。
具体实施方式
现在将参考附图和以下非限制性实施例描述本发明。
图1示出了包括金属壳体15的轴密封件11的示例，弹性密封唇20已经结合到该金属壳体15。密封唇20由弹性体形成。密封件安装在轴承壳体30的孔和轴35之间的环形间隙中，由此密封唇20具有抵靠着轴35上的对接面的接触表面25。为了确保唇保持与轴接触，唇预先装有卡紧弹簧40。接触表面25包括其中结合有脂肪酸酯(未示出)的织物(未示出)。
参照图2和图3，示出了根据本发明的滚动元件轴承1的实施例，其包括内圈2、外圈3和多个滚动元件4(在这种情况下是球，仅一个滚动元件示出)，其布置在内圈2的外表面5和外圈3的内表面6之间。滚动元件4优选地被容纳在球保持架7中。
滚动元件轴承1具有在轴向方向上位于滚动元件4的任一侧的轴承密封件8。轴承密封件从外圈延伸到内圈。每个轴承密封件8的径向最内边缘处的对立表面设置有织物9，织物9在轴承操作期间与内圈2的外表面5滑动接触。织物9包括脂肪酸酯。
图3示出了图2所示的滚动元件轴承1的轴承密封件8的接触表面的特写。如图3所示，织物9通过粘合剂层10结合到轴承密封件8。
在使用之前，轴承可以装载有润滑油(未示出)。在使用中，由于其亲油性质，织物9浸渍有润滑油。这用于在轴承密封件8和内圈6的外表面5之间保持一层润滑油，从而减少轴承密封件8与内圈6的外表面5之间的摩擦。
尽管图2所示的轴承1是不对称的(为了易于组装的原因)，但这不是必须的，并且本发明可以应用于其它类型的轴承1，包括对称和/或分开类型。
示例1
通过将一小片纺织品放入棕榈酰氯在甲苯的稀溶液(70ml，2.8％w/v)中，对干燥的、精细织造的棉织物进行亲油处理。将纺织品在溶液纺织品中的旋转保持2分钟，以有助于使纺织品能够完全饱和，随后将溶液加热至50℃并保持该温度30分钟。然后从溶液中取出样品，并将过量的溶液挤出纺织品，接着在三乙胺的2-丙醇溶液(100ml，10％v/v)中洗涤处理的纺织品。在2-丙醇中重复冲洗，然后进行水以除去副产物和其它杂质。然后在温和加热下干燥织物，直到除去所有溶剂。
从处理的纺织品上切下单个圆形环，并使用氰基丙烯酸酯粘合剂薄层粘合到直径和2mm表面接触的FKM测试环的表面上。然后将样品浸入半合成5W-30发动机油中30分钟，直到实现完全饱和到纺织品中，之后通过擦拭除去多余的油，然后使纺织品的表面与无表面活性剂的薄纸(tissue)接触，直到薄纸上没有油残留物。
然后在25℃和0.2MPa接触压力下，对于在10rpm、20rpm、50rpm、100rpm、200rpm、500rpm、1000rpm和2000rpm(每个30秒)的一系列增加的转速下，在摩擦计(CETR UMT-3)中测试测试环的动态摩擦。然后在相同条件下以相反的顺序将该序列运行至20rpm。在测试不同速度之前，样品在环境和0.2MPa、100rpm下运行几分钟。使用在每个测试速度的10-30秒的持续时间之间测量的数据重复样品的测试。记录动态摩擦系数(动态COF)的平均值以及最高值和最低值之间的范围。结果列于下表1中。
表1，示例1-油饱和亲油性聚合物涂层
(接触压力＝0.2MPa)
比较例1
在相同条件下，仅使用在0.2MPa和0.5MPa接触压力下的优质矿物油基润滑脂的润滑，测试具有相同尺寸而没有涂层的FKM参考样品。结果列于下表2和3中。
表2，比较例1-具有优质矿物油基润滑脂的FKM弹性体
(接触压力＝0.2MPa)
表3，比较例1-具有优质矿物油基润滑脂的FKM弹性体
(接触压力＝0.5MPa)
可以看出，在速度和压力范围内，比较例1的动态摩擦系数高于示例1的动态摩擦系数。
示例2
以与示例1相同的方式制备结合到FKM弹性体测试环上的精细织造的棉材料的样品。然后，代替地使用完全合成的5W-30发动机油使纺织品层饱和30分钟，直到实现完全饱和到纺织品中，然后通过擦拭除去过量的油，然后使纺织品的表面与无表面活性剂的薄纸接触，直到薄纸上没有油残余物残留。然后使用与示例1相同的方案测试测试环的动态摩擦。结果示于下表4中。
表4，实施例2-油饱和亲油性聚合物涂层
(接触压力0.2MPa)
比较例2
在相同条件下，仅使用在0.2MPa和0.5MPa接触压力下的优质矿物油基润滑脂润滑，测试与示例2相同尺寸但不具有涂层的FKM参考样品。结果列于下表5和6中。
表5，比较例2-具有优质矿物油基润滑脂的FKM弹性体
(接触压力＝0.2MPa)
表6，比较例2-具有优质矿物油基润滑脂的FKM弹性体
(接触压力＝0.5MPa)
可以看出，比较例2的动态摩擦系数在速度和压力范围内高于示例2的动态摩擦系数。
比较例3
在相同条件下，仅使用在0.2MPa和0.5MPa的接触压力下的合成5W-30发动机油(与示例2相同的润滑剂)润滑，测试与示例2相同尺寸但不具有涂层的FKM参考样品。结果列于下表7和8中。
具有全合成5W-30发动机油的FKM弹性体(接触压力＝0.5MPa)
表7，比较例3-具有完全合成的5W-30发动机油的FKM弹性体
(接触压力＝0.5MPa)
表8，比较例3-具有完全合成的5W-30发动机油的FKM弹性体
(接触压力＝0.2MPa)
可以看出，比较例3的动态摩擦系数在速度和压力范围内高于示例2的动态摩擦系数。
前面的详细描述已经通过解释和说明的方式提供，并且不旨在限制所附权利要求的范围。本文所示的当前优选实施例的许多变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的，并且保持在所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (11)

1.一种具有包括织物的接触表面的动态密封件，其中，脂肪酸酯被结合到所述织物中。
2.根据权利要求1所述的动态密封件，其中，所述织物包括织造织物。
3.根据权利要求1或2所述的动态密封件，其中，所述脂肪酸酯包括纤维素脂肪酸酯。
4.根据权利要求3所述的动态密封件，其中，所述纤维素脂肪酸酯包括纤维素棕榈酸酯和/或纤维素癸基酯。
5.根据权利要求3或4所述的动态密封件，其中，所述纤维素包括β-纤维素。
6.根据前述权利要求中任一项所述的动态密封件，其中，所述脂肪酸酯包含具有至少6个碳原子，优选至少13个碳原子的碳链。
7.根据前述权利要求中任一项所述的动态密封件，其中，所述动态密封件包括弹性体。
8.根据权利要求7所述的动态密封件，其中，所述弹性体是含氟弹性体。
9.一种包括根据权利要求1至8中任一项所述的动态密封件的机器装置。
10.一种滚动元件轴承，包括：
内圈；
外圈；
多个滚动元件，其设置在所述内圈的外表面和所述外圈的内表面之间；以及
根据权利要求1至8中任一项所述的动态密封件，其中，所述动态密封件的接触表面布置成在使用中与所述内圈或外圈滑动接触。
11.根据权利要求10所述的轴承，其中，所述动态密封件的织物装载有润滑油，以润滑所述动态密封件与所述内圈或外圈的相对运动。
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