CN115702300A - 分体式机械密封件中的外部促动的次级密封件 - Google Patents

Abstract

一种机械密封件，其采用接合与静止密封环(30)相关联的密封元件(202)(例如O型环)的能够轴向运动的弹簧保持器板(230)。继而，静止密封环可具有与旋转密封环(20)的密封面接合的密封面。旋转密封环还可具有与其相关联的密封元件，例如O型环。O型环最初布置在未加载位置，在该位置，O型环没有被径向压缩，并因此端部不会沿圆周膨胀超过保持器或压盖(40)区段的端面。弹簧保持器板可以通过拧紧与其相关的选定螺栓(250)而轴向运动。当轴向运动时，弹簧保持器板沿轴向内侧方向运动静止密封环(30)和与其相关联的O型环(202)，从而将O型环置于加载位置，在该加载位置，O型环被径向压缩。

Description

分体式机械密封件中的外部促动的次级密封件

相关申请

本申请要求于2020年6月5日提交的美国临时专利申请No.63/035,504的优先权，该临时专利申请的名称为“分体式机械密封件中的外部促动(energized)的次级密封件(EXTERNALLY ENERGIZED SECONDARY SEALS IN SPLIT MECHANICAL SEALS)”，其内容在此引入作为参考。

背景技术

传统的机械密封件应用于多种环境和布置中，例如在机械装置中，以提供流体密封。机械密封件通常围绕安装在固定机械壳体中并从固定机械壳体突出的旋转轴或杆定位。

分体式机械密封件应用于多种机械设备中以提供压力密封和流体密封。机械密封件通常围绕安装在固定设备中并从固定设备突出的旋转轴定位。机械密封件通常在轴出口处通过螺栓连接到固定设备上，从而防止加压的工艺流体从固定设备损失。传统的分体式机械密封件包括端面型机械密封件，该端面型机械密封件包括一对密封环，该对密封环围绕轴同心地布置并且彼此轴向地间隔开。每个密封环具有被偏置成彼此密封接触的密封面。通常，一个密封环保持静止，而另一个密封环连接到轴并与其一起旋转。机械密封件通过将密封环密封面偏置成彼此密封接触来防止加压的工艺流体泄漏到外部环境。旋转密封环通常安装在保持器组件中，该保持器组件布置在由压盖组件形成的腔室中。保持器组件可具有通过螺钉固定在一起的一对保持器半部或区段。同样，压盖组件可具有也通过螺钉固定在一起的一对压盖半部或区段。密封环还经常被分成多个区段，每个区段具有一对密封面，由此导致每个环是开口环，该开口环可围绕轴安装而无需释放轴的一端。

现有技术的分体式机械密封件具有围绕轴组装的旋转部件和固定部件，然后通过螺栓连接到待密封的设备上。在围绕轴组装所述区段之后，将旋转密封面插入到旋转金属夹中。然后，将固定面区段和压盖区段组装起来，然后将分体式压盖组件通过螺栓连接到泵壳体上。可替换地，固定部件和旋转密封部件可以预先组装成子组件，然后可以绕轴安装该子组件。

在旋转和固定半部组件(例如，四个子组件)中出现的分体式机械密封件具有金属部件的分体表面、弹性体垫片和O型环以及主表面，所有这些表面都在一条直线上。这显着地增加了确保所有部件被约束成密封对准的难度。例如，当O型环在它们的凹槽内径向压缩时，它们圆周地膨胀，端部突出，当结合时可能弯曲，从而导致在分体位置处被金属或密封面部分夹紧。由于整个子组件围绕轴而不是单个部件固定，所以不能利用在旋转或保持器组件内交错各种部件的分离的传统方法。这有利于并加速密封组件安装到设备上，但会导致部件未对准和随后可测量的从由密封部件形成的结合部的泄漏。

发明内容

本发明特别地消除了涉及O型环或其它弹性体分体式部件的问题。本发明涉及一种使用能够轴向运动弹簧保持器板的分体式机械密封件。弹簧保持器板可以接合与静止密封环相关联的密封元件，例如O型环。静止密封环可具有与旋转密封环的密封面接合的密封面。旋转密封环还可具有与其相关联的密封元件，例如O型环。O型环最初布置在未加载位置，因为O型环在径向方向上没有被过度压缩，使得O型环不会在端部突出超过保持器或压盖区段的端面的情况下周向膨胀。弹簧保持器板可以通过拧紧与其相关的选定螺栓而轴向运动。当轴向运动时，弹簧保持器板接触并在轴向内侧方向上运动静止密封环和与其相关联的O型环。静止密封环进而接触并轴向向内运动旋转密封环，旋转密封环进而在轴向内侧方向上运动与其相关联的O型环。因此，O型环从未加载位置运动到加载位置，在该加载位置，O型环被径向压缩。

本发明涉及一种用于安装到壳体的机械密封件，所述壳体具有轴，所述轴包括被构造成能够安装到所述壳体的压盖组件，并具有形成压盖安装区域的顶表面和内表面，其中所述压盖组件的顶表面具有形成在其中的多个压盖紧固件孔；保持器组件，该保持器组件形成保持器腔室并且被布置在该压盖安装区域内；旋转密封环，该旋转密封环被布置在该保持器组件的该保持器腔室内并且具有外表面；围绕该旋转密封环的外表面布置的转子密封元件；静止密封环，该静止密封环被布置在该压盖安装区域内并且具有外表面；围绕该静止密封环的外表面布置的定子密封元件；能够轴向运动的弹簧保持器板，该弹簧保持器板具有顶表面和相对的底表面以及径向向内间隔开的凸缘部分，其中该顶表面具有在其中形成的多个紧固件孔口；多个偏置夹具组件，所述偏置夹具组件被构造成能够围绕该弹簧保持器板安装并且用于与该静止密封环匹配接合以便将该弹簧保持器板联接到该静止密封环上；以及多个紧固件，所述多个紧固件用于安装在所述紧固件孔口和所述压盖紧固件孔中，并且用于将所述弹簧保持器板固定到所述压盖组件的所述顶表面。此外，在第一未加载位置，定子密封元件和转子密封元件布置成径向未压缩状态，并且其中当紧固多个紧固件时，弹簧保持器板能够在轴向方向上运动，以便在第二加载位置，将定子密封元件和转子密封元件在轴向方向上运动成径向压缩状态。

压盖组件的顶表面具有形成于其中的多个弹簧孔，并且多个弹簧安装在多个弹簧孔中。保持器组件具有内表面，该内表面具有形成在其中的保持器止动凹槽，并且旋转密封环具有形成在其外表面中的旋转止动凹槽。此外，静止密封环的内表面具有形成于其中的凹槽，用于联接到多个偏置夹具组件中的每一个的一部分，并且压盖组件的内表面具有导入倾斜表面。当多个紧固件被拧紧时，多个偏置夹具组件向静止密封环施加轴向向内的力，静止密封环进而向旋转密封环施加轴向向内的力，并且在第一未加载位置和第二加载位置之间，多个紧固件轴向地运动弹簧保持器板。在该第一未加载位置，该定子密封元件被布置在该导入倾斜表面与该静止密封环的外表面之间，并且该转子密封元件被布置在该保持器止动凹槽和该旋转止动凹槽中，这样使得该定子密封元件和转子密封元件被布置成该径向未压缩状态。在第二加载位置，定子密封元件通过弹簧保持器板的凸缘部分从导入倾斜表面轴向向内运动，并且布置在压盖的内表面和静止密封环的外表面之间，并且转子密封元件通过旋转密封环的轴向向内运动而从保持器止动凹槽移位，使得定子密封元件和转子密封元件布置成径向压缩状态。

根据本发明，弹簧保持器板具有形成在顶表面中的多个凹部，并且多个偏置夹具组件中的每一个的一部分安置在凹部的一部分中。此外，静止密封环具有形成在其顶表面中的多个间隔开的凹部。多个偏置夹具组件中的每一个包括内部弹簧夹具，该内部弹簧夹具有主体和弯曲部分，该主体具有形成在其第一端处并构造成能够与形成在弹簧保持器板的底表面中的凹陷部分接合的内部脊部分，该弯曲部分形成在第二相对端处并构造成能够与形成在静止密封环的顶表面中的多个凹部中的一个接合。偏置夹具组件还包括外部弹簧夹具，该外部弹簧夹具有第一端和相对的第二端，该第一端被确定尺寸并且被构造成能够安装在内部弹簧夹具的主体上，该第二端具有弯曲的凸片部分，该凸片部分被确定尺寸并且被构造成能够与形成在静止密封环的内表面中的凹槽接合。

弹簧保持器板具有由第一弹簧保持器板区段和第二弹簧保持器板区段构成的主体，每个弹簧保持器板区段具有第一端面和第二端面，每个端面具有形成在其上的表面特征部。第一弹簧保持器板区段的第一端面的表面特征部是突出部，并且第一弹簧保持器板区段的第二端面的表面特征部是孔口，并且第二弹簧保持器板区段的第一端面的表面特征部是被构造成能够将该突出部安置在第一弹簧保持器板区段的第一端面上的孔口，并且第二弹簧保持器板区段的第二端面的表面特征部是被构造成能够安置在第一弹簧保持器板区段的第二端面中形成的孔口中的突出部。这样，当组装在一起时，区段的对齐的和相对的密封面上的表面特征部彼此互补。主体还具有形成在其顶表面中的多个凹部。

本发明还涉及一种用于在机械密封件中定位多个密封元件的方法。该机械密封件包括压盖组件，该压盖组件被构造成能够安装到该壳体上并且具有形成压盖安装区域的顶表面和内表面，其中该压盖组件的顶表面具有形成在其中的多个压盖紧固件孔；保持器组件，所述保持器组件具有形成保持器腔室的内表面并且布置在所述压盖安装区域内；旋转密封环，该旋转密封环被布置在该保持器组件的该保持器腔室内并且具有内表面和相对的外表面；围绕该旋转密封环的外表面布置的转子密封元件；静止密封环，该静止密封环被布置在该压盖安装区域内并且具有内表面和相对的外表面；围绕该静止密封环的外表面布置的定子密封元件；能够轴向运动的弹簧保持器板，该弹簧保持器板具有顶表面和相对的底表面以及径向向内间隔开的凸缘部分，其中该顶表面具有在其中形成的多个紧固件孔口；多个偏置夹具组件，这些偏置夹具组件被构造成能够围绕该弹簧保持器板安装并且用于与该静止密封环匹配接合以便将该弹簧保持器板联接到该静止密封环上；以及多个紧固件，所述多个紧固件用于安装在所述紧固件孔口和所述压盖紧固件孔中，并且用于将所述弹簧保持器板固定到所述压盖组件的所述顶表面。本发明的方法包括，当多个紧固件被拧紧时，将多个偏置夹具组件构造成能够将轴向向内的力施加到静止密封环，静止密封环进而将轴向向内的力施加到旋转密封环，以及将弹簧保持器板构造成能够轴向运动。具体地，弹簧保持器板在未加载位置和加载位置之间轴向运动，在未加载位置，定子密封元件布置在形成于压盖组件的内表面中的导入倾斜表面和静止密封环的外表面之间，并且转子密封元件布置在形成于保持器组件的内表面中的保持器止动凹槽中和形成于旋转密封环的外表面中的旋转止动凹槽中，其中，当处于未加载位置时，定子密封元件和转子密封元件处于径向未压缩状态，在该加载位置，所述定子密封元件被构造成能够通过所述弹簧保持器板的所述凸缘部分从所述导入倾斜表面轴向向内运动，并且被布置在所述压盖的所述内表面与所述静止密封环的所述外表面之间，并且所述转子密封元件被构造成能够通过所述旋转密封环的轴向向内运动而从所述保持器止动凹槽移位，其中在处于所述加载位置时，所述定子密封元件和转子密封元件处于径向压缩状态。

所述多个偏置夹具组件包括内部弹簧夹具，所述内部弹簧夹具有主体和弯曲部，所述主体具有形成在其第一端部处的内部脊部分，所述内部脊部分被构造成能够与形成在弹簧保持器板的底表面中的凹陷部分接合，所述弯曲部形成在相对的第二端部处，所述弯曲部被构造成能够与形成在静止密封环的顶表面中的多个凹部中的一个接合；以及外部弹簧夹具，所述外部弹簧夹具有第一端和相对的第二端，所述第一端被确定尺寸并被构造成能够安装在所述内部弹簧夹具的主体上，所述相对的第二端具有弯曲凸片部分，所述弯曲凸片部分被确定尺寸并被构造成能够与形成在所述静止密封环的内表面中的凹槽接合。当多个紧固件被紧固时，多个偏置夹具组件被构造成能够施加轴向向内的力的步骤包括通过接触形成在静止密封环的顶表面中的凹部而将轴向向内的力施加到具有内部弹簧夹具的静止密封环。

附图说明

通过结合附图参考以下详细描述，将更全面地理解本发明的这些和其他特征和优点，在附图中，相同的附图标记贯穿不同的视图指代相同的元件。附图示出了本发明的原理，尽管未按比例，但示出了相对尺寸。

图1是本发明的分体式机械密封件的透视图。

图2A是机械密封件的局部横截面视图，示出了根据本发明教导的处于脱离接合的未加载位置的密封环和密封元件。

图2B是机械密封件的局部横截面视图，示出了根据本发明教导的处于脱离接合的未加载位置的与密封环相关联的密封元件。

图3A是机械密封件的局部横截面视图，示出了根据本发明教导的处于接合的加载位置的与密封环相关联的密封元件。

图3B是机械密封件的另一个局部横截面视图，示出了根据本发明教导的处于接合的加载位置的与密封环相关联的密封元件。

图4A是本发明的机械密封件所采用的弹簧保持器板的透视图，根据本发明的教导，其可用于将与密封环相关联的密封元件运动到接合位置和未接合位置。

图4B是根据本发明教导的弹簧保持器板的弹簧保持器板区段的透视图。

图5A是机械密封件的局部横截面视图，示出了根据本发明教导的预组装压盖子组件单元。

图5B是机械密封件的局部横截面视图，示出了根据本发明教导的预组装保持器子组件单元。

图6A是本发明的机械密封件所采用的静止密封环区段的透视图。

图6B是移除弹簧保持器板的局部分解横截面视图，示出了本发明的机械密封件所采用的螺栓、偏置夹具组件和间隔元件。

图6C是移除弹簧保持器板、偏置夹具组件和间隔元件的局部分解横截面视图，示出了本发明的机械密封件所采用的螺栓和弹簧。

具体实施方式

本发明提供一种用于在旋转轴或其它合适装置上提供密封的机械密封件。下面将相对于所示实施例描述本发明。本领域的技术人员将理解，本发明可以在许多不同的应用和实施例中实现，并且在其应用中不具体限于这里描述的特定实施例。

本文所用的术语“机械密封件系统”、“机械密封件”、“密封系统”和“密封组件”旨在包括各种类型的机械流体密封系统，包括单个或实体密封件、分体式密封件、同心密封件、螺旋密封件、筒式密封件以及其它已知的机械密封件和密封类型和构造。

术语“轴”是指机械系统中可安装机械密封件的任何合适的装置，并且包括轴、杆和其它已知装置。这些轴可以在任何选定的方向上运动，例如在旋转方向上或在往复方向上。

本文所用的术语“轴向”和“轴向地”是指大致平行于轴的轴线的方向。这里使用的术语“径向”和“径向地”是指大致垂直于轴的轴线的方向。术语“流体”是指液体、气体及其组合。

这里使用的术语“轴向内部”或“轴向内侧”指的是固定设备和靠近采用机械密封件的固定设备的机械密封件的部分。相对，这里使用的术语“轴向外部”或“轴向外侧”是指固定设备和密封组件远离机械系统的部分。

这里使用的术语“径向内部”指的是机械密封件靠近轴的部分。相对，这里使用的术语“径向外部”是指机械密封件远离轴的部分。

这里使用的术语“固定设备”、“静止表面”和“压盖”旨在包括容纳固定有该密封件的轴或杆的任何合适的固定结构。

图1-6C示出了根据本发明教导的机械密封件10。所示的机械密封件10优选地围绕轴(未示出)同心地布置，并且可以通过安置在所示的螺栓凸片14之间的紧固件(例如螺栓)固定到固定设备的外壁上。根据本发明的教导构造的机械密封件10提供流体密封，从而防止工艺介质(例如液压流体)从固定设备逸出。该流体密封是通过一对密封件实现的，图示为旋转密封环20和静止密封环30，它们之间形成密封。密封环20和30中的每一个具有一对密封环半部或区段，并且分别具有平滑的弓形密封表面21、31。每个密封环的平滑弓形密封表面21、31被偏置成与另一个密封环的对应密封表面21或31密封接触。优选地，密封环20、30分别分成一对区段，以便于安装，如下所述。密封环的密封表面21、31在包括真空条件的宽范围的操作条件下提供可操作的流体密封。旋转密封环20安装在保持器组件110内，保持器组件110进而安装在压盖组件40内，而静止密封环30安装在压盖组件40内。

如图2A-3B和5B所示，所示的保持器组件110限定用于接纳和保持旋转密封环20的空间111。保持器组件110可以是分体式的，以便于组装和安装。在一个实施例中，保持器组件110包括一对弓形保持器区段112，它们配合形成环形保持器组件110。保持器组件110或每个弓形保持器区段112(如果保持器组件是分体式的)具有面向压盖组件40的径向外表面116和第一大致径向内表面124(除了径向最内侧表面138之外)，用于密封密封环20并限定用于接纳和保持旋转密封环20的空间111。

诸如O型环188的密封元件围绕旋转密封环20同心地布置，以在旋转密封环20和保持器组件110之间密封。如图所示，O型环188优选地围绕旋转密封环20的轴向内部部分的径向外表面184布置，并密封保持器组件110的径向内表面124。保持器组件110的径向内表面124可包括止动凹槽189，该止动凹槽189用于接纳和安置围绕旋转密封环20布置的O型环188，以便于机械密封件的组装和操作，并将旋转密封环20保持在最佳位置。

可以提供其它密封构件来密封机械密封件10的不同部件之间的界面。例如，平的环形弹性体垫片60可用于密封压盖组件40和固定设备之间的界面。此外，保持器垫片160可安装在相应的凹槽158中，以在保持器组件110是分体式的情况下将保持器区段112密封在一起。图示为O型环142的保持器/轴弹性体构件位于沿内表面138形成的保持器凹槽140中，并在旋转密封环保持器组件110和轴之间密封。示出为O型环202的静止密封环/压盖弹性体构件在静止密封环30和压盖组件40之间的界面处密封，并在静止密封环30上提供径向向内的压力。压盖垫片76可安置在压盖垫片凹槽70内(图3A)，以便当装配在一起时在压盖半部之间形成密封。本领域技术人员将认识到，机械密封组件10可具有用于在不同部件之间密封的任何合适的装置。

此外，所示的分体式机械密封件10可包括防旋转机构(未示出)，例如销或平面元件，其在旋转密封环20和保持器组件110之间轴向延伸，以防止旋转密封环和保持器组件110之间的相对旋转运动。本领域普通技术人员还将认识到，可以使用诸如螺栓的合适的紧固件将压盖半部和保持器半部固定在一起。本发明的机械密封件10的某些部件类似于美国专利No.5,571,268、7,708,283和10,352,457中描述的机械密封件组件，其内容通过引用并入本文。

所示的用于安装旋转密封环20的保持器组件110布置在由压盖组件40形成的腔室24中，并且从腔室24径向向内间隔开。然而，应当理解，保持器组件110不需要布置在压盖组件40内。相对，保持器组件110可以与压盖组件40轴向间隔开。保持器组件110还包括形成第二轴向延伸面133的向内台阶表面。径向内表面124和轴向延伸面133具有形成在它们之间的径向向内延伸的第一壁132。如图所示，内轴向延伸面133和径向最内侧轴向延伸面或保持件内表面138在它们之间限定轴向最内侧第二壁134，该第二壁134用作容纳旋转密封环20的腔或密封环容纳空间111(图2B)的底部。

根据一个实施例，用于在旋转密封环20和旋转密封环保持器110之间进行密封的密封元件或O型环188安置在形成于保持器组件110的径向内表面124上的凹槽189(例如止动凹槽)中。止动凹槽189的尺寸、位置和构造适于容纳O型环188的径向最外侧部分，以便在安装过程中相对于保持器组件110定位和安置O型环188，而不损害性能。止动凹槽189优选地将O型环188安置在台阶壁132上方。可替代地，止动凹槽189将O型环安置在保持器组件110与旋转密封环20之间的另一位置中。止动凹槽189和凹槽在保持器的径向内表面124上的布置的显著优点在于，它减小了将O型环188安置在凹槽中所需要的压缩量。

所示的旋转密封环20包括基本平滑的弓形内表面172和包括多个表面的外表面，所述多个表面包括形成裙部的第一外倾斜表面182、相对平坦的外表面184和轴向向内渐缩或倾斜的外表面186。旋转密封环20还包括布置在密封环20顶部的平滑弓形密封表面21。如图3B和5B所示，旋转密封环止动凹槽92形成在邻近第一倾斜表面182的平坦外表面184上。形成在旋转密封环20中的止动凹槽92执行至少两个主要功能：首先，凹槽92有助于将旋转密封环20定位在相对于保持器组件110的正确位置，并且其次，凹槽92允许通过形成双捕获凹槽(在保持器止动凹槽189与旋转密封环止动凹槽92之间)来将旋转密封环预组装在保持器组件110中，该双捕获凹槽将O型环188捕获在其间，同时伴随地将旋转密封环20保持在保持器组件110内。旋转密封环的内表面172上可形成有大致矩形的缺口(未示出)，该缺口安装在保持器突出部(未示出)上，用于将部件联接在一起。旋转密封环内表面172的内径大于轴的直径以允许安装在其上。旋转密封件区段外表面184的直径等于或稍小于保持器区段的轴向延伸面133的直径，用于与保持器组件110安装接合。旋转密封环20的最外表面的直径小于保持器组件110的内表面124的内径。基于本文的教导，本领域技术人员将容易地认识到，旋转密封环20可具有用于与另一密封元件(诸如静止密封环30)对接并密封该另一密封元件的任何合适的构造。

如图1-3B和5A所示，所示的机械密封件10还包括压盖组件40。图示的压盖组件40包括一对弓形压盖区段41、42，它们配合形成环形密封压盖组件40。压盖区段41、42可被构造成能够彼此接合，以便于机械密封件10的组装和操作。压盖组件区段41、42可采用互锁机构以便于压盖区段的接合。所示出的压盖区段41、42中的每一个均具有内表面，该内表面具有布置在轴向外侧端部处的第一面46，该第一面46具有成角度的导入表面52和从第一面46径向向外延伸的一体形成且呈阶梯状的第二面50。第一面46和第二面50组合形成第一连接环形壁48。阶梯状的第二面50过渡到径向向内倾斜的表面56。如上所述，由面46、48、50和56形成的压盖区段内表面限定用于容纳保持器组件110的空间24。此外，每个压盖区段41、42还具有与其一体形成的一对螺钉壳体80、82。螺钉壳体80、82中的每一者可包括大体上穿过其形成的横向紧固件接纳孔口84。横向孔口84安装用于将压盖区段41、42固定在一起的螺钉90。压盖组件40还包括沿着压盖组件40的底部内侧表面59形成的壳体垫片凹槽58。凹槽58安置扁平的环形弹性体垫片60。压盖组件40还包括轴向外部最上表面62，该轴向外部最上表面62具有形成在其中的多个弹簧孔64和多个紧固件孔66。弹簧孔64安装弹簧元件80，并且紧固件孔安装合适的紧固件，例如螺栓250。

如图2A-3B、5A和6A-6C所示，特别是如图6A所示，所示的静止密封环30可类似地包括一对弓形密封环区段，每个弓形密封环区段与另一个弓形密封环区段相同或基本相同。所示的静止密封环区段可具有平行于轴的轴线延伸的平滑的弧形内表面32和相对的外表面36。内表面32具有沿内壁形成的周向延伸的凹部或凹槽33，该凹部或凹槽33被确定尺寸并被构造成能够接纳偏置夹具组件210的保持部分，如下面进一步详细描述的，用于将静止密封环30安装和保持到弹簧保持板230。凹槽33可以是连续的或非连续的。如果是非连续的，则凹槽可形成为沿内表面32间隔开的一系列凹部。静止密封环30的外表面36优选地具有轴向延伸的第一外表面190，其终止于径向向外延伸的倾斜邻接表面192。静止密封环30优选地具有轴向外部顶表面194和布置在密封环底部的相对的相对平滑的轴向内部弧形环密封表面31。顶表面194具有沿顶表面形成的一系列凹部或切口196，其被确定尺寸并被构造成能够选择性地安置和/或接合偏置夹具组件210的至少一部分。这种布置有助于将静止密封环30对准并安置在腔室24中，以及起到机械阻抗的作用以防止静止密封环30与轴12和旋转密封环20一起旋转。

由内表面32限定的静止密封环30的内径大于轴直径，并且如果需要，可以大于旋转密封环20的内表面172的直径，从而允许其间的相对运动。因此，当轴旋转时，静止密封环30保持静止。弹性体密封件(例如O型环202)提供径向向内的偏置力，该偏置力足以使密封环区段密封面35与另一静止密封环区段密封接触。另外，O型环202在压盖组件40的内表面46和静止密封环30之间形成流体密封和压力密封。O型环202安置在第一安装区域204中，该第一安装区域204由压盖第一面46和环形壁48以及静止密封环30的外表面190限定，当布置在加载位置时。在优选实施例中，静止密封环30的邻接部192相对于静止密封环外表面190形成优选地在约30°与约60°之间的范围内并且最优选地约45°的角度。静止密封环30优选由碳或陶瓷材料构成，例如氧化铝或碳化硅等。

本发明的分体式机械密封件10的偏置组件，图示为偏置夹具组件210，还用作轴向偏置装置，通过轴向偏置密封环而为静止密封环20和旋转密封环30提供弹性支撑，使得静止密封表面21和旋转密封表面31布置成彼此密封接触。如图2A-3B所示，密封环20、30相对于压盖组件40和保持器组件110的刚性壁和刚性面以隔开的浮动关系被浮动地和非刚性地支撑。这种浮动且非刚性的支撑和间隔关系允许旋转密封区段和静止密封区段相对于轴12的小的径向和轴向浮动运动，同时仍允许旋转密封表面21跟随静止密封环30的平滑弧形密封表面31并与之密封接触。因此，旋转密封环密封表面31和静止密封环密封表面21由于该浮动作用而自对准。

本发明的机械密封件装置10优选采用安装在压盖组件40的轴向最外端的一系列偏置夹具组件210。由于偏置夹具组件210是相同的，因此在此仅需要描述其中一个夹组件。偏置夹具组件210优选采用一对大致C形的弹簧夹，该弹簧夹限定为内部弹簧夹具216和外部弹簧夹具218。内部弹簧夹具216具有第一下端，该第一下端具有位于弹簧保持器板230的凹陷部分242内的脊部220。内部弹簧216的脊部220与凹陷部分242的接合有助于将内部弹簧夹具216固定到其上。内部弹簧夹具216还包括位于静止密封环30的顶表面194中形成的凹陷部分196上或可布置成与凹陷部分196接触的弯曲部分222，以向其提供轴向偏置力。因此，弯曲部分222用作轴向偏置构件，用于向密封环20、30施加轴向偏置力。本领域普通技术人员已知的轴向偏置力是有助于使密封环20、30的密封面21、31分别彼此密封接触的向内的作用力。

所示的机械密封件10还包括能够轴向运动的弹簧保持器板230，例如如图2A-4B所示。所示的弹簧保持器板230可以由连接在一起的一对板区段231、233形成。弹簧保持器板230具有环形主体，该环形主体具有顶表面232，该顶表面232具有形成在其中的多个切口或凹部234，这些切口或凹部234沿着主体的圆周周向地间隔开。顶表面232中还形成有一系列紧固件接纳孔236，用于接纳紧固件，例如螺栓250。弹簧保持器板230还包括底面238，底面238具有邻近轴向延伸的凸缘部分240形成的凹陷部分242。凹部234和凹陷部分242被构造成能够安置偏置夹具组件210的一部分，例如内部弹簧夹具216的选定部分。弹簧保持器板部分具有端面244，该端面被构造成能够与另一个弹簧保持器板部分的端面配合。其中一个端面244具有凸型凸起或突出部246，而另一个端面具有凹型孔或表面特征部248。突出部246被构造成能够位于形成在另一个弹簧保持器板部分的相对端面244中的相应孔248内。类似地，孔248被构造成能够接纳形成在另一保持器板区段的相对端面上的相应突出部。突出部246和孔248使得保持器板区段能够机械地联接在一起。弹簧保持器板230的尺寸和大小被设计成使得凸缘部分240位于压盖组件40的内表面46和静止密封环30的外表面190之间。弹簧保持器板230在被螺栓250紧固时压缩弹簧86并与O型环202接合。O型环202被凸缘部分240推动经过压盖组件40的导入表面52并进入安装区域204。同时，静止密封环20被偏置夹具组件210轴向压向旋转密封环20。

本发明的机械密封件装置10的偏置夹具组件210包括适于安装在内部弹簧夹具216上的外部弹簧夹具218。外部弹簧夹具218具有主体，该主体包括大致圆形的第一端部224，该第一端部224被构造成能够安装在内部弹簧夹具216的外表面上并与内部弹簧夹具216的外表面接合，如图2B、3B和6B中最佳示出的。外部弹簧夹具218还包括具有从其向外延伸的弯曲凸片部分228的相对端。弯曲凸片部分228被构造成能够覆盖内部弹簧夹具216的弯曲部分222，并连接到沿静止密封环30的内表面32形成的凹部33并与其接合。外部弹簧夹具218的弯曲凸片部分228通过与凹部33接合而将静止密封环30保持或安装到压盖组件40。通过将静止密封环30保持或安装到压盖组件40，机械密封件10的部件可被预组装，这有助于容易地安装分体式机械密封件10。本领域普通技术人员将容易地认识到，内部外部弹簧夹216和外部弹簧夹218可以具有任何合适的形状或构造，只要这些弹簧夹可以与弹簧板保持器230和静止密封环30接合，以便将轴向偏置力施加到静止密封环和弹簧板保持器。

在组装和操作期间，机械密封件10可由四个选定的半部或区段组成，所述半部或区段具有预组装在一起以形成子组件单元的选定密封部件。例如，如图5A所示，压盖组件40的每个压盖区段可以与选定的部件预组装以形成压盖子组件单元260，该压盖子组件单元260包括静止密封环30的相应的半部或区段、弹簧保持器板230、O型环202和选定数量的偏置夹具组件210，该偏置夹具组件210的数量对应于形成在弹簧保持器板230的顶表面232中的凹部234的数量。内部弹簧夹具216安装在弹簧保持器板230上并围绕弹簧保持器板230，然后外部弹簧夹具218安装在内部弹簧夹具216的上方或顶部。外部弹簧夹具218的弯曲凸片部分228与沿着静止密封环30的内表面32形成的凹部33接合，并且弹簧夹具的相对端与弹簧保持器板230接合。弹簧86安装在形成于压盖组件40的顶表面62中的弹簧孔64中，并且当布置在相应的紧固孔66中时，弹簧保持器板230通过螺栓250固定到顶表面。

类似地，例如如图5B所示，保持器组件110的每个保持器区段可以与选定的密封部件预组装以形成保持器子组件单元270，该保持器子组件单元270包括旋转密封环20和O型环188的对应的半部或区段。保持器间隔元件126布置在保持器空间111中。间隔元件126有助于将选定的密封部件(例如O型环188和旋转密封环20)初始轴向定位在选定的轴向位置，以防止对部件的意外损坏。保持器间隔元件在保持器组件围绕轴12安装之前被移除。O型环188布置在形成于旋转密封环20的外表面184中的止动凹槽92中。当O型环188和旋转密封环区段布置在压盖组件40内时，O型环188定位成安置在形成于保持器组件120的内表面124中的止动凹槽189内。止动凹槽92、189用于在不沿轴向或径向过度加载O型环的情况下捕获和保持O型环188。压盖子组件单元260和保持器子组件单元270也可以包括其它密封元件，包括例如保持器垫片160、压盖垫片60和76以及其它O型环和密封元件，例如O型环142。密封元件也是分体式的，以便装配在子组件单元中。

当将保持器子组件单元和压盖子组件单元组装在一起时，当O型环从未加载位置运动到加载位置时，密封元件(例如O型环188、202)可被夹紧。例如，当O型环被径向压缩时，它们圆周地膨胀，O型环区段的端部突出，当连接时可能弯曲，从而导致在分体位置处被金属或密封表面夹紧。为了防止这种情况发生，本发明提供了部件的选择性组装，其形成在围绕轴12组装子组件单元之前不会过早地加载O型环188、202的加载组件，从而防止O型环188、202挤压通过保持器和压盖区段的端面。

关于保持器子组件单元270，每个O型环区段188围绕旋转密封环区段20同心地布置，并且优选地布置成与旋转密封环外表面182、184和旋转密封环止动凹槽92接触，以形成旋转密封环预组件。O型环188和旋转密封环20安装在保持器组件110中，使得O型环188位于形成在表面124、184中的止动凹槽189、92内。这防止、减少或最小化当保持器子组件单元270组装在一起时O型环188的过早和不希望的负载。这样，O型环区段的端部区域不会挤过保持器和压盖区段的端面。保持器预组装单元270、270然后围绕轴12布置。可以采用诸如驱动平面的联接机构来将旋转密封环20旋转地联接到保持器组件110以与其相对旋转。联接机构可以布置在保持器组件或旋转密封环上，并且在优选实施例中，布置在旋转密封环和静止密封环上。保持器组件110的止动凹槽189和旋转密封环20的止动凹槽92接纳O型环188并将其保持在最佳位置。O型环188提供足以使旋转密封环区段的轴向密封面25彼此密封接触的向内径向力。然后通过拧紧确实保持在紧固件接纳孔164中的螺钉170将保持器区段固定在一起。旋转密封环区段与保持器组件的内表面124间隔开并且由O型环188非刚性地支撑在其中，由此允许旋转密封环20的小的径向和轴向浮动运动。当布置在止动凹槽内时，O型环188布置在未加载位置。

关于压盖预组装单元260，O型环202围绕静止密封环30布置，然后邻近沿压盖组件40的内表面形成的导入表面52布置。弹簧86安装在形成于压盖组件40的顶表面62中的相应弹簧孔64内。弹簧保持器板230通过将螺栓250部分地紧固在紧固孔66中而固定到压盖组件顶表面62。弹簧保持器板230、弹簧86和螺栓250可形成加载组件。多个偏置内部夹具216沿压盖组件的顶表面61的周边或圆周边缘安装。内部弹簧夹具216的第一端的脊部220安装在形成于弹簧保持器板230的底面238中的凹陷部分242中。当安装在内部弹簧夹具216上时，外部弹簧夹具218具有弯曲凸片部分228，该弯曲凸片部分228具有位于形成在静止密封环30的内表面32中的凹槽33中的边缘或尖端。O型环202被捕获在导入表面52(图3B)和静止密封环30的外表面190之间。

如图2A和2B所示，压盖子组件单元260将O型环202布置在脱离接合和未加载位置，并且保持器子组件单元270将O型环188布置在止动凹槽188、92中，因此也将O型环188布置在脱离接合未加载位置。这样，O型环188，202不会挤过保持器和压盖区段的密封面。一旦完全组装，操作者可通过沿内侧方向轴向运动弹簧保持器板230将O型环188和202运动到接合和加载位置，如图3A和3B所示。例如，操作者可以用合适的工具如扳手选择性地拧紧螺栓250。当拧紧时，螺栓250用于克服弹簧86的偏置沿轴向内侧方向运动弹簧保持器板230。凸缘部分240的底表面接触O型环202，并沿轴向内侧方向推动O型环202通过成角度的导入表面52并进入空间204。因此，O型环202通过径向压缩被挤压(例如，加载)到区域204中，并且O型环布置成与静止密封环30的外表面190和压盖组件40的内表面或表面46密封接触。O型环202因此被置于接合和加载位置。此外，由于静止密封环30通过偏置夹具组件210联接到弹簧保持器板230，弹簧保持器板230在轴向方向上的运动用于在轴向内侧方向上推动或运动静止密封环30。静止密封环30经由密封面21、31接触旋转密封环20，因此在轴向内侧方向上推动旋转密封环20。旋转密封环20的轴向运动将O型环188推出形成在保持器组件110的内表面124中的止动凹槽189。当移出止动凹槽189时，O型环被挤压(例如，加载)在保持器组件110的内表面124与旋转密封环20的外表面184的止动凹槽92之间。因此，当处于加载位置和未加载位置时，O型环188安置在止动凹槽92内。止动凹槽189和92优选具有弯曲的横截面，并且是离散的凹槽，其尺寸和构造适于安置O型环188。

因此，所示的加载组件可用于将O型环202、188轴向运动到它们被径向压缩的接合和加载位置。在压盖子组件单元和保持器子组件单元被组装并围绕轴12固定到固定设备上之后，O型环被压缩。本发明的加载组件避免了在组装之前使O型环挤压通过端面，其中当子组件单元固定在一起时，O型环可被夹紧。由于限定安装O型环202、188的区域的压盖和保持器表面在O型环在密封位置被径向压缩之前彼此接触，因此没有O型环区段的突出端与密封元件的密封元件的未对准。

弹簧保持器板230还包括使用凸型和凹型机械连接固定在一起的区段231、233。在由操作者紧固之前，弹簧保持器板230用于在将压盖子组件单元260和保持器子组件单元270围绕轴12固定期间将旋转和静止O型环188，202保持在自由状态或未加载位置。预组装的子组件单元260、270允许单元的顺序安装。具体地，保持器子组件单元270(例如，旋转子组件单元)固定到轴12，然后压盖子组件单元260(例如，固定子组件单元)围绕旋转部件固定到固定设备。弹簧保持器板230通过螺栓250的轴向运动将密封面21、31以及旋转和固定O型环188、202推入它们的操作位置。这样，单个元件可用于将O型环188，202从径向未压缩状态(例如，未加载位置)运动到压缩促动状态(例如，加载位置)。

因此可以看出，本发明有效地实现了上述目的，其中这些目的从前面的描述中变得显而易见。由于在不脱离本发明的范围的情况下可以对上述结构进行某些改变，因此上述说明中包含的或附图中所示的所有内容都应解释为说明性的而非限制性的。

还应当理解，所附权利要求书将覆盖这里描述的本发明的所有一般和具体特征，并且本发明的范围的所有陈述，就语言而言，可以说落入其中。

已经描述了本发明，被认为是新颖的、且希望由专利证书保护的是：

Claims (13)

1.一种用于安装到具有轴的壳体上的机械密封件，包括：

压盖组件，所述压盖组件被构造成能够安装到所述壳体上并且具有形成压盖安装区域的顶表面和内表面，其中所述压盖组件的顶表面中形成多个压盖紧固件孔，

保持器组件，所述保持器组件形成保持器腔室并且被布置在所述压盖安装区域内，

旋转密封环，所述旋转密封环被布置在所述保持器组件的保持器腔室内并且具有外表面，

转子密封元件，所述转子密封元件围绕所述旋转密封环的外表面布置，

静止密封环，所述静止密封环被布置在所述压盖安装区域内并且具有外表面，

定子密封元件，所述定子密封元件围绕所述静止密封环的外表面布置，

能够轴向运动的弹簧保持器板，所述弹簧保持器板具有顶表面和相对的底表面以及径向向内间隔开的凸缘部分，其中所述顶表面中形成多个紧固件孔口，

多个偏置夹具组件，这些偏置夹具组件被构造成能够围绕所述弹簧保持器板进行安装并且用于与所述静止密封环进行匹配接合以便将所述弹簧保持器板联接到所述静止密封环，以及

多个紧固件，所述多个紧固件用于安装在所述紧固件孔口和所述压盖紧固件孔中并且用于将所述弹簧保持器板固定到所述压盖组件的所述顶表面，

其中，在处于第一未加载位置时，所述定子密封元件和所述转子密封元件能够布置成径向未压缩状态，并且其中，所述弹簧保持器板能够在所述多个紧固件被拧紧时在所述轴向方向上运动，以便在处于第二加载位置时，将所述定子密封元件和所述转子密封元件在所述轴向方向上运动成径向压缩状态。

2.根据权利要求1所述的机械密封件，其中，所述压盖组件的顶表面具有形成在其中的多个弹簧孔，还包括用于安装在多个弹簧孔中的多个弹簧。

3.根据权利要求2所述的机械密封件，其中，所述保持器组件具有内表面，所述内表面具有形成在其中的保持器止动凹槽。

4.根据权利要求3所述的机械密封件，其中，所述旋转密封环具有形成在其外表面中的旋转止动凹槽。

5.根据权利要求4所述的机械密封件，其中，所述静止密封环的内表面具有形成于其中的凹槽，用于联接到所述多个偏置夹具组件中的每一者的一部分，并且其中，所述压盖组件的所述内表面具有导入倾斜表面，其中当紧固所述多个紧固件时，所述多个偏置夹具组件向所述静止密封环施加轴向向内的力，所述静止密封环进而向所述旋转密封环施加轴向向内的力，并且所述多个紧固件在以下两个位置之间轴向运动所述弹簧保持器板：

所述第一未加载位置，其中所述定子密封元件被布置在所述导入倾斜表面与所述静止密封环的外表面之间并且所述转子密封元件被布置在所述保持器止动凹槽和所述旋转止动凹槽中，使得所述定子密封元件和转子密封元件被布置成所述径向未压缩状态，以及

所述第二加载位置，其中定子密封元件通过弹簧保持器板的凸缘部分从所述导入倾斜表面轴向向内运动，并且布置在所述压盖的内表面和所述静止密封环的外表面之间，并且所述转子密封元件通过所述旋转密封环的轴向向内运动而从保持器止动凹槽移位，使得所述定子密封元件和所述转子密封元件布置成所述径向压缩状态。

6.根据权利要求4所述的机械密封件，其中，所述弹簧保持器板具有形成在所述顶表面中的多个凹部。

7.根据权利要求6所述的机械密封件，其中，所述多个偏置夹具组件中的每一个的一部分安置在所述凹部的一部分中。

8.根据权利要求6所述的机械密封件，其中，所述静止密封环具有形成在其顶表面中的多个间隔开的凹部。

9.根据权利要求8所述的机械密封件，其中，所述多个偏置夹具组件中的每一个包括：

具有主体的内部弹簧夹具，所述主体具有：

内部脊部分，所述内部脊部分形成在其第一端处并且被构造成能够与形成在所述弹簧保持器板的底表面中的凹陷部分接合，以及

弯曲部分，所述弯曲部分形成在相对的第二端处并且被构造成能够与形成在所述静止密封环的顶表面中的所述多个凹部之一接合，以及

外部弹簧夹具，所述外部弹簧夹具有第一端和相对的第二端，所述第一端被确定尺寸并且被构造成能够安装在所述内部弹簧夹具的主体上，所述第二端具有弯曲的凸片部分，所述凸片部分被确定尺寸并且被构造成能够与形成在所述静止密封环的内表面中的凹槽接合。

10.根据权利要求1所述的机械密封件，其中，所述弹簧保持器板具有由第一弹簧保持器板区段和第二弹簧保持器区段构成的主体，并且所述弹簧保持器板区段中的每一者具有第一端面和第二端面，所述第一端面和第二端面中的每一个具有形成在其上的表面特征部，

其中所述第一弹簧保持器板区段的所述第一端面的表面特征部是突出部并且所述第一弹簧保持器板区段的所述第二端面的表面特征部是孔口，并且

其中所述第二弹簧保持器板区段的所述第一端面的表面特征部是孔口，所述孔口被构造成能够将所述突出部安置在所述第一弹簧保持器板区段的所述第一端面上，并且其中所述第二弹簧保持器板区段的所述第二端面的表面特征部是突出部，所述突出部被构造成能够安置在所述第一弹簧保持器板区段的所述第二面中形成的所述孔口中。

11.根据权利要求10所述的机械密封件，其中，所述主体具有形成在其顶表面中的多个凹部。

12.一种用于将多个密封元件定位在机械密封件中的方法，其中所述机械密封件包括：

压盖组件，所述压盖组件被构造成能够安装到所述壳体并且具有形成压盖安装区域的顶表面和内表面，其中所述压盖组件的顶表面中形成多个压盖紧固件孔，

保持器组件，所述保持器组件具有形成保持器腔室的内表面并且被布置在所述压盖安装区域内，

旋转密封环，所述旋转密封环被布置在所述保持器组件的保持器腔室内并且具有内表面和相对的外表面，

转子密封元件，所述转子密封元件围绕所述旋转密封环的外表面布置，

静止密封环，所述静止密封环被布置在所述压盖安装区域内并且具有内表面和相对的外表面，

定子密封元件，所述定子密封元件围绕所述静止密封环的外表面布置，

能够轴向运动的弹簧保持器板，所述弹簧保持器板具有顶表面和相对的底表面以及径向向内间隔开的凸缘部分，其中所述顶表面中形成多个紧固件孔口，

多个偏置夹具组件，所述偏置夹具组件被构造成能够围绕所述弹簧保持器板进行安装并且用于与所述静止密封环进行匹配接合以便将所述弹簧保持器板联接到所述静止密封环，以及

多个紧固件，所述多个紧固件用于安装在所述紧固件孔口和所述压盖紧固件孔中并且用于将所述弹簧保持器板固定到所述压盖组件的所述顶表面，

所述方法包括，当所述多个紧固件被紧固时，

将所述多个偏置夹具组件构造成能够向所述静止密封环施加轴向向内的力，所述静止密封环进而向所述旋转密封环施加轴向向内的力，并且

将所述弹簧保持器板构造成能够在以下两个位置之间轴向运动：

未加载位置，其中所述定子密封元件被布置在所述压盖组件的内表面中形成的导入倾斜表面与所述静止密封环的外表面之间，并且所述转子密封元件被布置在所述保持器组件的内表面中形成的保持器止动凹槽中以及所述旋转密封环的外表面中形成的旋转止动凹槽中，其中在处于所述未加载位置时，所述定子密封元件和转子密封元件处于径向未压缩状态，以及

加载位置，其中所述定子密封元件被构造成能够通过所述弹簧保持器板的凸缘部分从所述导入倾斜表面轴向向内运动并且被布置在所述压盖的内表面与所述静止密封环的外表面之间，并且所述转子密封元件被构造成能够通过所述旋转密封环的轴向向内运动而从所述保持器止动凹槽移位，其中在处于所述加载位置时，所述定子密封元件和转子密封元件处于径向压缩状态。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个偏置夹具组件中的每一个包括：

具有主体的内部弹簧夹具，所述主体具有：

内部脊部分，所述内部脊部分形成在主体的第一端处并且被构造成能够与形成在所述弹簧保持器板的底表面中的凹陷部分接合，以及

弯曲部分，所述弯曲部分形成在相对的第二端处并且被构造成能够与形成在所述静止密封环的顶表面中的所述多个凹部之一接合，以及

外部弹簧夹具，所述外部弹簧夹具有第一端和相对的第二端，所述第一端被确定尺寸并且被构造成能够安装在所述内部弹簧夹具的主体上，所述第二端具有弯曲凸片部分，所述弯曲凸片部分被确定尺寸并且被构造成能够与形成在所述静止密封环的内表面中的凹槽接合，

其中，当紧固所述多个紧固件时，使所述多个偏置夹具组件施加轴向向内的力的步骤包括：

通过接触形成在所述静止密封环的顶表面中的凹部，通过所述内部弹簧夹具将轴向向内的力施加到所述静止密封环。

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