CN112204279B - 轴密封装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴密封装置（5），其具有滑动环密封件和辅助密封件。辅助密封件具有至少一个O形环（13）。O形环（13）可轴向移动地布置。在O形环（13）和形成用于O形环的轴向滑动面的元件（11）之间布置有碳层（14），用于提高O形环（13）的可运动性。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴密封装置，其带有滑动环密封件和具有至少一个可轴向移动地布置的O形环的辅助密封件。
背景技术
这种轴密封装置例如在离心泵中使用在来自泵壳体的旋转轴的穿引部上。
在滑动环密封件中使用元件、例如轴套，以便保护轴以防磨损，因此，这些元件也被称为轴保护套。如果出现磨损现象，那么只须更换明显更廉价的轴套，并且不用更换整个轴。
轴套可以由更高级的材料制成，其更抗磨损和腐蚀。这相对于由该材料制成的整个轴的实施节约了成本。此外已知的是，轴套以氧化物陶瓷进行涂层。
该类型的轴密封装置包括滑动环密封件。滑动环密封件具有密封间隙，其通常垂直于轴线。该结构类型的轴密封件也被称为轴向的或流体动力学的滑动环密封件（GLRD）。这种滑动环密封件（GLRD）相对于其他的密封系统具有较小的维护费用。其不仅在低的而且在高的要密封的压力或周边速度的情况下证实是适合的。
在运行时，密封面相互滑动，密封面通过液压和/或机械力相互被挤压。在两个最精细地被加工的滑动面之间存在密封间隙，其具有大多液态的润滑膜。在滑动环密封件（GLRD）中，很小的泄漏大多在逸出时进入大气。
此外，轴密封装置具有滑动的辅助密封件。相互对置的轴向的或径向的密封面相对彼此旋转，并且形成最初的密封间隙。在密封面之间，包围的介质根据聚集状态产生液态的或气态的润滑膜。滑动环密封部件相对于轴或壳体的密封通常利用辅助密封件实现。
辅助密封件包括至少一个O形环。基于其优选圆形的横截面，O形环既可以轴向也可以径向地密封。通过在安装时挤压弹性体，达到初始密封性。密封压力由通过安装导致的预压和要密封的系统压力的叠加得到。因此，在密封缝中，总是存在比要密封的压力高了该预压的密封压力。因此，非常高的压力也是可密封的。
在使用具有连续运动的部件的O形环时，可以通过润滑明显延长使用寿命。有时，在制造密封环时，已经将细分形式的润滑剂添加到初始材料中，润滑剂在使用时可以通过材料结构中的孔到达承受负荷的表面。
备选地，特殊的耐磨损的层可以施加到完成的O形环上，O形环在一定的时间内确保润滑。在安装时也可以将润滑剂施加到O形环上和在环上沿其滑动的工件上，并且随后在适当的维护间隔内更新润滑剂。为了该目的，提供特殊的安装油脂，其与大多使用的密封材料相协调。
在DE 199 28 141 A1中描述了一种密封装置，其中O形环用作辅助密封件。该装置包括轴套，在轴套上定位有滑动环密封件，其具有旋转的元件和静止的元件，在它们之间布置有用于润滑膜的密封间隙。
DE 202 05 419 U1描述了一种滑动环密封装置，其具有共同作用的元件配对件，元件中的一个抗相对转动地安装在静止的构件上，并且另一个元件为了共同的转动安装在旋转的构件上。配对件包括用于和轴共同转动的轴套，在轴套上布置有第一元件。第一元件和抗相对转动地保持在壳体上的第二元件共同作用。
在DE 298 00 616 U1中描述了一种双滑动环密封件。动态的滑动环固定在布置在轴上的轴套上。
WO 95/14 185 A1公开了一种特殊的滑动环密封件，用于密封穿过壳体的轴。在轴套上固定有配对环。滑动环可以通过支架与壳体密封地连接。该装置具有用于将滑动环挤压到配对环上的弹簧元件。
在DE 10 2014 214 929 A1中描述了一种离心泵单元的轴密封装置，其具有O形环作为辅助密封件和轴套。该装置包括模块，模块具有两个滑动环-配对环-配对件。给每个配对件配属弹簧元件，弹簧元件在滑动环和配对环之间产生挤压力。
在轴密封装置中使用的辅助密封件应该允许滑动环的灵便的轴向可运动性。该要求在常规的根据现有技术的轴密封装置中仅不充分地被满足。
在使用O形环作为辅助密封件时，O形环在更长的静止时间之后通常有力地粘附在其配对滑动面上。O形环的静摩擦系数可以随着时间明显升高。如果在泵密封时，轴在停机之后例如由于热膨胀而轴向移动，那么仅弹簧力可用于跟踪（nachführen）滑动环。在该情况下，滑动环密封件的常见的弹簧挤压可能太小而不会使O形环断裂。O形环保持悬挂（“hang-up”），密封间隙张开，并且形成很强的泄漏。
如果在辅助密封件之前构建有产品层，或相邻的面由于腐蚀而变粗糙，那么滑动环的轴向的可运动性也被阻止。如果预计会发生这种情况，那么滑动环应该这样布置：弹簧使O形环运动远离粗糙的层。 但是，如果该层最后到达O形环以下，那么预计必定会发生泄漏。
在实践中区分未去负荷的和去负荷的滑动环密封件。在去负荷的滑动环密封件中，为了去负荷需要的阶梯部可以通过轴套实现， O形环辅助密封件可以在轴套上轴向滑动。如果在启动时将密封面粘上，那么密封可能会失效。
如果配对环支承在O形环中，那么有时放弃形状锁合的防扭转装置，期望O形环的静摩擦传递摩擦力矩。这可以在一些情况下起作用。然而，如果预计粘性的产品到达密封间隙，或滑动密封面通过接触腐蚀相互粘附，那么要非常小心。在再次启动时，配对环被一起拖动，O形环突然变成旋转密封件，并且由此在短时间内被破坏。
发明内容
本发明的任务在于，说明一种轴密封装置，其具有尽可能小的泄漏和长的使用寿命。该装置的特征应该在于高的可靠性。该装置此外应该确保简单的安装，以及对于维护工作来说是可良好地接近的。此外，该装置的特征应该在于尽可能小的制造成本。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的轴密封装置解决。优选的变型方案由从属权利要求、说明书和附图得到。
根据本发明，在辅助密封件（其也被称为次级密封件）中，在可轴向移动的O形环和形成用于O形环的轴向滑动面的元件之间布置有碳层。碳层理解为以下层，在所述层中，碳是主要的组成部分。碳层例如可以利用PVD方法（英语：Physical Vapor Deposition物理气相沉积、例如通过蒸发或喷涂）施加，或利用CVD方法（英语：Chemical Vapor Deposition化学气相沉积）施加。
在此优选是无定形的碳层、尤其四面体无氢无定形碳层，其也被称为ta-C层。
属于石墨晶格的原子键（总是一共3个）用符号“sp2”表示。在此存在sp2杂交。
在钻石中，每个碳原子和四个相邻的原子形成四面体的布置结构。在该空间布置结构中，所有原子距离是一样小的。因此，在原子之间、即在所有空间方向上都作用有非常高的结合力。由此产生钻石的高的强度和极高的硬度。属于钻石晶格的原子键（总是一共四个）用符号“sp3”表示。因此存在sp3杂交。
在本发明的特别有利的变型方案中，碳层由sp3和sp2杂交的碳的混合物构成。该层的特征在于无定形的结构。诸如氢、硅、钨或氟之类的杂质原子也可以安置到该碳网络中。
碳层的根据本发明的布置结构导致O形环的明显更好的轴向的可运动性。由此阻止的是，O形环在更长的静止时间之后还粘附在其配对滑动面上。通过碳层，O形环的滑动能力被提高，从而使得滑动环密封件的常见的弹簧挤压始终足够用于使O形环断裂。有效地阻止了“hang-up”（悬挂）。由此避免泄漏并且明显提高轴密封装置的使用寿命。取消用于更换O形环的耗费的维护工作。这降低了运行成本。
通过将碳层布置在辅助密封件的O形环和元件之间，提供极其光滑的、轴向的、具有用于轴向可运动的O形环的抗粘附特性的表面，而不需要对构件进行耗费的机械再加工。因此，根据本发明的轴密封装置的特征在于比较小的制造成本。
可选地，ta-c层也可以被再抛光，以便得到等于/小于0.1的Ra值。
碳层确保动态的O形环的更小的机械负载。通过碳层的根据本发明的布置结构，O形环没有抓紧（verkrallen），这例如在常规的、被加工的、构造为轴套的元件中、在被打磨的表面的很小的尖部上是这样的情况。
碳层在O形环和元件之间的根据本发明的布置结构能够实现使用非常高级的由例如全氟弹性体的材料构成的O形环。这迄今为止在常规的轴密封件中、在没有更大的耗费的情况下是不可能的，因为元件的表面在没有进一步的再加工的情况下是不够光滑的。
通过使用这种高级的O形环而实现更长的使用寿命，这起到节约成本的作用。尤其在使用侵蚀性的化学品或高温的情况下，高级的O形环、例如全氟弹性体（FFKM/FFPM）证实为是非常有利的。由全氟弹性体制成的密封件的特征在于突出的耐化学性，并且同时具有密封和复位特性以及弹性体的耐蠕变性。
本发明也能够实现使用由聚四氟乙烯（简称为PTFE）制成的O形环。在此是由氟和碳构成的没有支化的、线性构建的部分结晶的聚合物。在口语上，该合成材料经常利用商品名“特氟龙”表示。因为在此不是弹性体，所以在这种O形环使用在常规的密封系统中时，更经常导致动态的O形环上的泄漏，因为该O形环没有紧贴到迄今为止的涂层的微小的不平整部中。基于具有抗粘附特性的碳层的更光滑的表面能够实现更好的滑动特性，并且因此能够使用PTFE O形环。基于PTFE O形环相对于FFKM/FFPM的大的价格优势，这还产生了优势。
形成用于可轴向移动的O形环的轴向滑动面的元件可以是轴套。补充地或备选地，元件可以构造为滑动环是和/或密封盖。
在本发明的特别有利的变型方案中，碳层作为涂层施加到元件上。层的厚度有利地是大于0.3μm、优选大于0.6μm、尤其大于0.9μm。此外证实有利的是，涂层是小于30μm、优选小于25μm、尤其小于20μm。
在本发明的变型方案中，元件、优选正常的标准化的轴套（标准件）借助简单的遮盖设备（其基本上由两个管形的部件构成）覆盖，以便仅释放期望的涂层区域。在此，多个元件可以同时引入涂层反应器（真空腔）中，在那里利用适度的热负载施加ta-C涂层。
元件在涂层过程之后是立即可使用的，而不用任何再加工。ta-C涂层在同时非常好的耐化学性的情况下具有非常小的摩擦系数。涂层的硬度非常接近钻石的硬度，其中硬度是优选大于20GPa、优选大于30GPa、尤其大于40GPa，但小于120GPa、优选小于110GPa、尤其小于100GPa。
优选地，碳层没有直接施加到元件上，而是首先将增粘剂层设置到元件上。增粘剂层优选由不仅良好地粘附在钢上而且也例如通过形成稳定的碳化物来阻止碳扩散的材料构成。作为满足这些要求的增粘剂层优选使用薄的由铬、钛或硅制成的层。铬和碳化钨尤其被证实是适合的增粘剂。
在本发明的有利的变型方案中，涂层具有增粘剂层，其优选包含铬材料。优选地，增粘剂层在大于30重量%、优选大于60重量%、尤其大于90重量%中由铬构成。
在此证实为有利的是，增粘剂层的厚度是大于0.03μm、优选大于0.06μm、尤其大于0.09μm，和/或小于0.21μm、优选小于0.18μm、尤其小于0.15μm。
与借助热施加的氧化物陶瓷给例如构造为轴保护套的元件进行耗费的常规涂层不同，根据本发明的涂层技术证实为是非常有利的。在元件的常规涂层方法中，热喷涂是需要的。为此，在该区域中需要槽形的镗孔，在那里应该施加涂层。随后需要通过所有的尺寸的精车削和圆形打磨实现的加工，并且随后对外直径进行研磨，以便得到期望的尺寸和表面品质。
在现有技术中，作为元件、尤其轴套的涂层方法的斯特莱特加硬层（Stellitpanzerung）或电镀的镀硬铬也是已知的。斯特莱特加硬层和镀硬铬然而明显比热施加的氧化物陶瓷涂层或ta-C涂层更软。
因此，根据本发明的ta-C涂层是更简单的、更快速的和更经济的方法。根据本发明的涂层除了非常大的硬度以外还具有突出的滑动特性和良好的耐化学性。这意味着针对不同的滑动环密封结构系列的动态的O形环的理想的条件。
原则上，本发明可以应用在常规的单个滑动环密封件中和弹匣式滑动环密封件中。
此外，本发明还能够实现具有更小的直径的薄壁的元件的涂层，这迄今为止利用常规的氧化物陶瓷涂层仅可以非常难地实现。
通过ta-C涂层实现的更高的硬度的优点一方面在于，很小的固体颗粒（其经常包含在介质中）积聚在O形环上的以下区域中，在该区域中，O形环接触元件。通过轴向运动，固体颗粒像磨料一样起作用，并且因此加入元件表面中。这导致的是，在常规的构造为轴套的元件和O形环的表面上形成很小的纵向条纹，其提前导致两个部件的磨损和泄漏。
优选地，为了涂层而使用PECVD/PACVD方法。在此，气相的等离子体激发通过脉冲直流电压（“pulsed dC”）、中频（KHz范围）或高频（MHz范围）的功率的耦合来实现。由于在不同的工件几何形状和负载密度下的最大化的过程可变性，脉冲直流电压的耦合此外证实是适合的。
该技术导致根据需求也可以被装入外来原子的层。分离温度通常明显低于1500ºC。待涂层的材料（金属、高和低合金的不锈钢…）的结构和尺寸改变被排除。
附图说明
本发明的另外的优点和特征由借助附图对实施例的描述并且由附图本身得到。
在此：
图1示出了离心泵的片段的截面图；
图2示出了轴密封装置的放大的截面图。
具体实施方式
图1示出了离心泵1，其具有旋转轴2、叶轮3和固定的壳体4。实施为滑动环密封件的轴密封装置5包括配对环6和可轴向运动的滑动环7。可轴向运动的滑动环7借助预紧元件8（在此是压力弹簧）并且通过支撑盘9朝配对环6的方向被挤压，从而配对环6和滑动环7的相互对置的面密封地共同作用，并且在它们之间构造出密封间隙10。
图2示出了轴密封装置5的放大图。预紧元件8将挤压力施加到可轴向移动的滑动环7上。在轴2上布置有构造为轴套的元件11，其通过螺纹销12固定。
根据图2的图示示出了多个O形环，多个O形环中的仅O形环13可轴向移动地布置。
根据本发明，在可轴向移动的O形环13和实施为轴套的元件11之间布置有碳层14。该碳层作为元件11的无定形的碳层、尤其作为ta-C涂层被引入密封系统中。涂层的厚度优选在1至20μm之间的范围内，其中涂层在元件11和碳层14之间具有0.1μm厚的包含铬的增粘剂层。
根据本发明的具有碳层14的涂层改进了O形环13的轴向的可运动性。由此阻止的是，O形环13在更长的静止时间后还粘附在面上。通过碳层14，O形环13的滑动能力被提高，从而使得常见的弹簧挤压足够用于使O形环13断裂。由此阻止了“hang-up”（悬挂）。
Claims (10)
1.轴密封装置，具有滑动环密封件和辅助密封件，所述辅助密封件具有至少一个O形环(13)，所述O形环能轴向移动地布置，其特征在于，在能轴向移动的O形环(13)和形成用于O形环(13)的轴向滑动面的元件(11)之间布置碳层(14)，用于提高所述O形环(13)的可运动性，其中，涉及四面体的、无氢的、无定形的碳层(14)。
2.根据权利要求1所述的轴密封装置，其特征在于，所述碳层(14)作为涂层施加在元件(11)上。
3.根据权利要求2所述的轴密封装置，其特征在于，所述涂层具有增粘剂层。
4.根据权利要求3所述的轴密封装置，其特征在于，所述增粘剂层在大于30重量％中由铬构成。
5.根据权利要求3或4所述的轴密封装置，其特征在于，所述增粘剂层的厚度为：大于0.03μm，和/或小于0.21μm。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的轴密封装置，其特征在于，元件(11)连同碳层(14)的硬度为：大于20GPa，和/或小于120GPa。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的轴密封装置，其特征在于，所述碳层(14)的厚度为：大于0.3μm，和/或小于30μm。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的轴密封装置，其特征在于，所述元件(11)构造为轴套。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的轴密封装置，其特征在于，所述元件(11)构造为滑动环密封承载部。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的轴密封装置，其特征在于，所述元件(11)构造为密封盖。
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