CN116261634A - 具有用于状态监测的传感器系统的密封装置和密封组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有用于状态监测的传感器系统(54)的密封装置(18)。密封装置包括：密封环(26)，所述密封环具有用于动态地密封地贴靠在机器部分(12，14)的密封面(40)上的动态的密封区段(34)；以及用于将密封区段预加载到密封面(40)上的预加载环(28)，所述预加载环具有第一区段(42)和第二区段(44)，其中，第二区段(44)能够在相对于密封装置(18)的中心轴线(38)轴向的或径向的方向上从第一位置相对于第一区段弹动地偏移。传感器系统(54)包括至少一个布置在预加载环(28)上的中间空间(48)中的测量元件(56)，所述测量元件直接地或间接地响应预加载环(28)的第一区段(44)偏移运动。本发明还涉及一种具有所述密封装置的密封组件。

Description

具有用于状态监测的传感器系统的密封装置和密封组件

背景技术

动态密封装置具有的任务是，防止或以允许的程度减小在两个相对彼此运动的构件之间从一个空间到另一个空间的物质交换。所述动态密封装置在多个系统中是重要的与安全和功能相关的部分。如果所述动态密封装置有故障，则这导致功能受限或者甚至导致整个系统的功能故障或者导致释放有害物质。为了避免这种情况，特别是在系统关键的应用中明显需要在预期的密封装置故障时间点之前进行规律的维修或更新。

为了可以灵活地设计维修间隔并且由此将系统的故障时间减小到最小程度，密封装置的现场状态监测是值得期望的。为此越来越多地将传感器直接靠近于密封装置的动态密封区段集成到密封装置中，以实现推断出密封装置的功能和由寿命决定的耗损。

例如由US 10 458 551 B2以及US 10 371 179 B2公知了具有用于动态密封装置的状态监测的所述传感器系统的密封装置。由于将传感器系统集成到密封装置中而存在的危险是，消极地影响密封装置的实际功能和使用寿命。此外，公知的密封装置在制造中是复杂的并且特别是在较小的结构尺寸中仅仅在一定条件下能够实现。

发明内容

因此，本发明的任务在于，给出具有用于密封装置的状态监测的传感器系统的密封装置和密封组件，其中，避免消极地影响密封装置的密封功能和使用寿命并且所述密封装置可以容易地并且成本低廉地制造。

涉及密封装置的任务通过一种具有权利要求1中给出的特征的密封装置来解决。根据本发明的密封组件具有权利要求15中给出的特征。本发明的优选的进一步方案是从属权利要求以及说明书的主题。本发明的另外的优点由说明书和附图得出。

根据本发明的具有用于状态监测的传感器系统的密封装置包括密封环，所述密封环具有用于密封地贴靠在机器部分的密封面上的密封区段。动态的密封区段优选地实施为用于动态地密封地贴靠在密封面上的动态的密封区段。预加载环用于将密封区段预加载到密封面上并且具有第一区段和第二区段，所述第一区段和第二区段共同限定中间空间的边界。所述两个区段中的一个区段能够在相对于密封装置的中心轴线径向的或轴向的方向上从第一位置相对于所述两个区段中的相应的另一个区段弹动地偏移。在径向密封环的情况中在径向方向上，而在轴向密封环的情况中在轴向方向上。传感器系统包括至少一个测量元件，所述测量元件布置在预加载环的中间空间中，并且所述测量元件直接地或间接地响应预加载环的区段的偏移运动。

在根据本发明的密封装置中，借助于传感器系统可以在运行中确定作用于密封环的横向力或侧向力或者密封环或预加载环的由此产生的运动。根据所述信息可以在密封装置的运行中确定关于通过密封装置彼此被密封的两个机器部分的相对运动、特别是所述相对运动的加速度、行程、运动模式等的信息。根据前述的信息可以推断出在运行中通过密封元件施加的压力差的大小和时间变化曲线并且推断出密封环的功能状态以及也推断出所述密封环的剩余的使用寿命。通过传感器系统的测量元件布置在预加载环的中间空间中可以避免消极地影响密封环的功能和使用寿命。此外，容易地并且成本低廉地实现密封装置。

根据本发明，传感器系统优选地具有多个、特别是恰好三个或恰好四个测量元件，所述测量元件在预加载环的周向方向上优选地规律地彼此隔开间距地布置。可理解的是，传感器系统特别是在预加载环的更大的直径的情况中也可以具有多于四个测量元件。由此可以在预加载环的周缘上空间位置分辨地求得测量数据。这实现更准确地、更可靠地并且更具有说服力地推断出密封环的功能和剩余的使用寿命。

根据本发明的一个优选的进一步方案，预加载环的两个区段分别包括永磁体，或者预加载环的两个区段这样共同构成永磁体，以使得在预加载环的两个区段之间形成磁场。测量元件在这个构型中优选地以霍尔传感器的形式实施，通过所述霍尔传感器能够探测磁场的改变。预加载环能够以成本低廉的并且简单的方式由具有永磁特性的材料构成。在这种情况中，需要的部分的数量可以保持为少的。由此可以完全取消单独构造的永磁体在预加载环上的固定。

按照根据本发明的一个另外的构型，测量元件根据本发明可以这样布置在中间空间中，以使得测量元件通过第一区段在径向方向上相对于第二区段偏移而至少区段地变形。测量元件在此优选地至少区段地实施轴向运动或在预加载环的周向方向上定向的相对于预加载环的相对运动，所述轴向运动或相对运动能够通过(单独的)传感器被探测。在此，测量元件由此实施为机械的执行元件，所述执行元件与传感器相互作用。

根据本发明的一个优选的进一步方案中，测量元件可以优选地包括体积恒定的、可压缩的弹性体材料，所述弹性体材料从预加载环的第一区段延伸到第二区段。根据本发明可以给测量元件配置无接触地工作的传感器。根据一个实施方式，传感器可以是间距传感器，通过所述间距传感器能够光学地或借助于超声波确定传感器和测量元件之间的间距。测量元件可以在此在预定的位置处具有用于传感器的测量标记，所述测量标记由与该测量元件的其余部分不同的材料构成。由此可以在需要时改善间距测量的测量精度并且抵制错误测量。

根据本发明的一个替换的进一步方案，测量元件以弹簧元件的形式构造，所述弹簧元件从第一区段延伸到第二区段，并且所述弹簧元件与距离传感器的一端接触。测量元件可以根据本发明布置为压配合地被夹紧在所述两个区段中的一个区段上或者以其他方式被固定在所述两个区段中的一个区段上，特别是与该区段粘接或者固定地被焊接在该区段上。

距离传感器可以根据本发明是连续的或离散的距离传感器。距离传感器可以特别是包括电阻膜或电容膜或者由所述电阻膜或电容膜构成。距离传感器或所述膜在此优选地被固定、特别是粘接或焊接在所述两个区段中的一个区段的内壁，所述内壁朝向相应的另一个区段。

在结构方面而且在制造技术方面，预加载环优选地一件式地实施。预加载环的两个区段可以在这个构型中特别是在轴向方向上远离预加载环的背部区段或侧翼区段延伸。极其优选地，预加载环具有V形的或U形的横截面形状。由此预加载环一方面能够以简单的方式借助传统的制造方法产生。此外，预加载环可以为其两个区段或边提供确定的弹簧弹性。由此预加载环对作用于预加载环的力的响应特性可以可靠地被调设到预定的值。总体上，由此可以确保密封装置的大的使用范围。

预加载环可以根据本发明由塑料、特别是永磁塑料，由金属、特别是钢构成，或者由复合材料构成。

前述的测量元件可以根据本发明与分别配置的传感器一起布置在(独立于预加载环实施的)承载元件上。承载元件、测量元件和传感器由此构成能容易地手操纵的装配单元。承载元件可以例如以特别是敞开的软管的形式实施。软管可以被挤出成型。测量元件/传感器在这个构型中被置入到软管中。替换地，承载元件也可以与测量元件共同通过3D打印方法产生。传感器在这个构型中被置入承载元件中或者被固定在承载元件上。由此可以实现将测量元件/传感器特别容易地装配在密封装置上。此外，装配单元能够以简单的方式在预定的分离区域的区域中以用于相应的预加载环所需的尺寸被分段切割。这对于密封装置以及密封组件的制造成本是有利的。

根据本发明的密封组件包括第一机器部分和第二机器部分，所述第一机器部分和第二机器部分在形成密封间隙的情况下彼此隔开间距地布置。所述两个机器部分能够沿着运动轴线和/或绕着运动轴线相对彼此运动。前述的密封装置用于密封所述密封间隙，所述密封装置的密封环以其密封区段密封地贴靠在所述两个机器部分中的一个机器部分上。在根据本发明的密封组件中，根据能借助于传感器系统求得的数据可以符合要求地确定密封装置或密封环的维修间隔，这一方面有利于运行安全并且另一方面有利于与维修相关的成本。

附图说明

下面借助附图中描述的实施例阐述本发明。所示出的和所描述的实施方式不理解为最终的列举，而是确切地说具有用于描述本发明的示例性的特征。附图中：

图1示出具有两个机器部分的密封组件，所述两个机器部分通过具有预加载环和动态的密封环的密封装置被彼此密封，其中，预加载环设置有用于密封环的状态监测的传感器系统；

图2以暴露的侧视图示出根据图1的密封装置；

图3示出根据图1的带有布置在预加载环的两个区段之间的测量元件的密封装置的第一实施方式，该测量元件响应预加载环的由径向力决定的变形，并且该测量元件与距离传感器相互作用；

图4示出根据图3的测量元件的示意性的功能图；

图5示出根据图1的带有布置在预加载环的两个区段之间的测量元件的密封装置的一个另外的实施方式，该测量元件响应预加载环的变形并且将所述变形转换成能通过传感器探测的轴向运动；

图6示出根据图1的密封装置的一个另外的实施方式，其中，预加载环包括永磁体，所述永磁体的场改变能够通过布置在预加载环的两个区段之间的、呈霍尔传感器形式的测量元件被探测；

图7示出根据图1的密封装置的一个另外的实施方式，其中，在预加载环的两个区段之间布置弹性体测量元件，该弹性体测量元件与压力敏感的传感器相互作用；和

图8示出密封装置，其中，布置在预加载环的中间空间中的测量元件以压电元件的形式实施；

图9以侧视图示出承载元件，所述承载元件带有固定在其上的、用于根据图1-3的密封装置的传感器系统。

具体实施方式

图1示出密封组件10，其具有第一机器部分和第二机器部分12，14，所述第一机器部分和第二机器部分在形成密封间隙16的情况下彼此隔开间距地布置。所述两个机器部分12，14在此能够沿着以A标出的运动轴线相对彼此运动。密封组件10可以例如实施为液压缸，从而第一机器部分12在这种情况中是缸套，并且第二机器部分14是活塞杆。

密封装置18用于将密封间隙16的高压侧H相对于外侧或低压侧N密封。密封装置18布置为被保持在所述两个机器部分12，14中的一个机器部分的保持槽20中。保持槽20具有两个朝向彼此的槽侧面22和槽底部24。

密封装置18包括密封环26和预加载环28。密封环26具有底脚区段或保持区段30和密封唇32，所述密封唇具有在此动态的密封区段34。保持区段30和密封唇32通过连接区段36彼此连接。总体上，密封环26具有V形的横截面形状。

预加载环28用于将密封环26的密封区段36在相对于密封装置18的中心轴线38径向的方向上动态密封地预加载到第二机器部分14的密封面40上。密封装置的中心轴线38在其装配状态中与两个机器部分12，14的运动轴线A重合。预加载环28具有基本上V形的、带有第一区段42和第二区段44的横截面形状，所述第一区段和第二区段通过背部区段46彼此连接。两个区段42，44能够在径向方向上从其示出的原始位置相对彼此弹动地运动。在两个区段42，44之间形成中间空间48。密封环26具有静态的密封区段50。静态的密封区段50在此在径向方向上静态密封地贴靠在保持槽20的槽底部24上。

密封环26可以由能橡胶弹性或硬弹性地变形的材料构成。密封环26具有比预加载环28小的模块。密封环26的材料可以被注射成型在预加载环28上。密封装置18实施为预制的结构单元。评估单元以52标出，所述评估单元的功能在下文中更详细地被阐述。评估单元52可以布置在所述两个机器部分12，14中的一个机器部分上或者与该机器部分隔开间距地布置。可理解的是，密封组件的两个机器部分12，14能够替换地或附加地绕着运动轴线A相对彼此旋转地被调节。此外，两个机器部分12，14也可以相对彼此固定地布置。在这种情况中，密封环26的密封区段静态密封地实施。密封环26也可以实施为刮板式密封环。在这种情况中，根据图1的密封间隙16的高压侧H和低压侧N互换地布置。

图2以暴露的侧视图示出密封装置18。密封装置18包括总体上以54标出的传感器系统，所述传感器系统用于密封环26的状态监测。传感器系统54在此包括多个、优选地三个或四个测量元件56，所述测量元件分别布置在预加载环28的中间空间48中，并且所述测量元件在密封装置18的周向方向上优选地规律地彼此隔开间距地布置。传感器系统54与评估单元52(图1)耦合。

密封装置18的传感器系统54可以不同地设计。根据密封装置18的在图3中示出的实施例，测量元件56分别如此布置在预加载环28的中间空间48中，以至于测量元件56通过两个机器部分12，14的相对运动或者第二区段44在径向方向上相对于第一区段42的偏移而至少区段地实施在预加载环28的周向方向上定向的相对运动，该相对运动能够通过传感器58被探测。

测量元件56在此以成角度的具有第一边和第二边60，62的片簧的形式实施。两个边60，62在测量元件56的角部区域64中彼此连接并且优选地相同长度地实施。两个边60，62在密封组件10的原始状态中(图1)共同围成50°和150°之间、优选地70°和140°之间的角度α。

测量元件56的两个自由端部66被配置给预加载环28的所述两个区段42，44中的一个区段或者被分配给该区段，而角部区域64被分配给或被配置给相应的另一个区段42，44。所述边60，62中的一个边可以不能移动地固定在预加载环28的所述两个区段42，44中的一个区段的一端上，在此示例性地在第一区段上。测量元件56优选地总体上由金属构成。给测量元件56配置独立于测量元件56构造的传感器58。传感器58在此是距离传感器58，通过所述距离传感器能够位置分辨地(离散地或连续地)探测测量元件56的第二边62的自由端部相对于传感器58的运动。传感器58可以例如包括压敏膜或者由压敏膜构成。

传感器58可以特别是固定在第一区段42的内侧68上，该内侧朝向第二区段44。因此传感器58可以例如被粘接在内侧68上或与第一区段焊接。无问题地可以提出另外的固定方式。通过传感器58的被保护的布置良好地保护所述传感器以免机械损坏，例如所述机械损坏会在装入密封装置18时发生。

如果径向力F作用于预加载环的第二区段28，通过所述径向力使第二区段在径向方向上从其原始位置弹动地偏移，则这在图3中示出的实施例中导致测量元件56的与该偏移相关的压缩。结果是测量元件56的第二边62的自由端部66在支撑在传感器58上的情况下沿着激活方向移动，例如这在图3中以测量元件56的虚线视图示出。

根据在图4中描述的示意性的功能图，作为在压缩测量元件56时由测量元件56覆盖的基本长度C₁与原始状态中的基本长度C₀之差的、测量元件56的自由端部的相应地走过的Δx与预加载环28的第二区段44的偏移相关，即与由于测量元件56的压缩而带来所述测量元件在原始状态中的高度h₀的减小相关。

在此适用的是：

其中，a是测量元件56的两个边60，62的相应的长度，h₀是测量元件56在原始状态中的高度，并且h₁是测量元件在激活状态中的高度。

给测量元件配置的传感器58的相应的输出信号由此可以明确地配置给预加载环的第二区段44的确定的偏移。基于传感器58的测量信号由此可以进行密封装置18、特别是密封环26的状态监测，以及也可以进行密封组件10的运行状态的状态监测。这优选地借助于评估单元52(图1)进行。

构造为成角度的片簧元件的测量元件56可以根据一个另外的实施方式这样布置在预加载环28的两个区段42，44之间，以使得由径向力F引起的对测量元件56的压缩导致测量元件56的自由端部66的在轴向方向上定向的力或移动，所述力或移动能够通过传感器58被探测和量化。在这种情况中，测量元件56的两个自由端部可以布置为单独地被夹紧地保持在预加载环28的两个区段之间，然而或者测量元件56的至少一个边60，62被固定在预加载环28的两个区段上。根据图5中示出的实施例替换地也可以将能机械变形的测量元件56的角部区域64配置给传感器58。传感器58可以在这种情况中是无接触地工作的间距传感器、例如超声波传感器或光学传感器58，然而或者根据图5是压力敏感的传感器，所述压力敏感的传感器与测量元件56永远接触。附图中示出的传感器58中的每个传感器可以具有用于将测量信号无线传输到评估单元(图1)的发送器58a。

根据图6中示出的实施例，密封环26的状态监测也可以借助于呈霍尔传感器58形式的测量元件56进行。预加载环28的两个区段42，44在此可以共同构成永磁体70。预加载环28的所述两个区段42，44中的一个区段构成北极N，并且相应地另一个区段42，44构成永磁体70的与此相应的南极S，以使得在两个区段40，42之间形成磁场B。测量元件56在这种情况中设计为霍尔传感器，通过所述霍尔传感器能够探测所述磁场的改变。测量元件56布置在中间空间48中并且可以例如固定在预加载环28的第一区段42上。

根据附图中未具体示出的实施例，预加载环28的两个区段42，44也可以分别具有彼此互补地布置的永磁体70，通过所述永磁体在预加载环28的两个区段的中间空间48中产生磁场。永磁体70可以例如被粘接、焊接或以其他适合的方式固定在区段42，44上。

测量元件56可以根据图7中示出的实施例包优选地体积恒定的、可压缩的弹性体材料，所述弹性体材料从预加载环28的第一区段延伸到第二区段42，44。测量元件56可以被固定、特别是粘接在预加载环28的一个区段或两个区段上。给该测量元件56也配置优选地无接触地工作的传感器58。该传感器可以类似于图5中示出的实施例是间距传感器或者也是压力敏感的传感器。测量元件56可以具有用于传感器59的测量标记72，所述测量标记由于测量元件56的其余部分不同的材料构成。由此可以必要时简化相关的传感器58的校准并且抵制运行中的错误测量。这尤其适用于无接触地工作的传感器58。

根据图8中描述的实施例，在预加载环28的两个区段的中间空间48中的测量元件56也可以由压电元件构成。压电元件是压力敏感的并且根据通过预加载环的第二区段44的由径向力决定的偏移而作用于压电元件的力分量来产生测量信号。

根据图9，前述的测量元件56以及分别与测量元件56相互作用的传感器58可以共同布置在(独立于预加载环28实施的)承载元件74上。承载元件74、测量元件56和传感器58由此构成容易地手操纵的装配单元76。承载元件74可以例如以特别是敞开的软管的形式实施。软管可以被挤出成型。测量元件56在这个构型中被置入软管中。替换地，承载元件74也可以与测量元件56共同通过3D打印方法被产生。传感器58在这两种情况中被置入承载元件74种或者被固定在承载元件74上。由此可以实现特别容易地装配密封装置。此外，装配单元76能够以简单的方式在预定的分离区域的区域中以用于相应的预加载环所需的尺寸被分段切割。

前述的测量元件56或传感器58的测量信号可以有线地或无线地传输到评估单元52。由所述测量信号可以推导出关于密封环26、密封装置18或整个密封组件10的功能状态的信息。传感器系统54还可以设置有独立的供能装置或能量收集单元，其在附图中未具体示出。

Claims (17)

1.一种具有用于状态监测的传感器系统(54)的密封装置(18)，其包括:

-密封环(26)，所述密封环具有用于密封地贴靠在机器部分(12，14)的密封面(40)上的优选地动态的第一密封区段(34)；

-用于将所述密封区段预加载到所述密封面(40)上的预加载环(28)，所述预加载环具有第一区段(42)和第二区段(44)，所述第一区段和第二区段共同限定中间空间(48)的边界，其中，

两个区段(42，44)中的一个区段能够在相对于所述密封装置(18)的中心轴线(38)径向的或轴向的方向上从第一位置相对于所述两个区段(42，44)的相应的另一个区段弹动地偏移；

其中，所述传感器系统(54)包括至少一个测量元件(56)，所述测量元件布置在所述预加载环(28)的中间空间(48)中，并且所述测量元件直接地或间接地响应所述预加载环(28)的区段(44)的偏移运动。

2.根据权利要求1所述的密封装置(18)，其特征在于，所述预加载环(28)的两个区段(42，44)包括永磁体(70)，其中，所述测量元件(56)是霍尔传感器。

3.根据权利要求1所述的密封装置(18)，其特征在于，所述测量元件(56)如此布置在所述中间空间(48)中，以至于通过所述两个区段(42，44)中的一个区段在径向的/轴向的方向上相对于所述两个区段(42，44)中的相应的另一个区段的偏移而至少区段地引起测量元件(56)的轴向运动或在所述预加载环(28)的周向方向上定向的变形，所述轴向运动或变形能够通过传感器(58)被探测。

4.根据权利要求3所述的密封装置(18)，其特征在于，所述测量元件(56)包括优选地体积恒定的可压缩的弹性体材料，所述弹性体材料从预加载环(28)的第一区段延伸到第二区段，其中，给所述测量元件(56)配置优选地无接触地工作的传感器(58)。

5.根据权利要求4所述的密封装置(18)，其特征在于，用于所述传感器的测量元件(56)在预定的位置处具有由与该测量元件(56)的其余部分不同的材料构成的测量标记(72)。

6.根据权利要求3所述的密封装置(18)，其特征在于，所述测量元件(56)是弹簧元件，所述弹簧元件从第一区段延伸到第二区段(42，44)，并且所述弹簧元件与所述传感器(58)相互作用。

7.根据权利要求6所述的密封装置(18)，其特征在于，所述传感器(58)是连续的或离散的距离传感器。

8.根据权利要求7所述的密封装置(18)，其特征在于，所述传感器(58)是电阻传感器或电容传感器。

9.根据权利要求7或8所述的密封装置，其特征在于，所述传感器(58)被固定、特别是粘接或焊接在所述两个区段(42，44)中的一个区段的内侧(68)上。

10.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置(18)，其特征在于，所述传感器系统(54)包括多个、特别是恰好三个或四个测量元件(56)和/或传感器(58)，所述测量元件和/或传感器在所述预加载环(28)的周向方向上优选地规律地彼此隔开间距地布置。

11.根据权利要求3和10所述的密封装置(18)，其特征在于，所述测量元件(56)和传感器(58)共同布置在承载元件(74)上，所述承载元件布置为被保持在所述预加载环的两个区段(40，42)之间。

12.根据权利要求11所述的密封装置(18)，其特征在于，所述承载元件(74)以软管的形式实施，或者所述承载元件(74)与测量元件(56)共同实施为3D打印件。

13.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置(18)，其特征在于，所述预加载环(28)一件式地实施。

14.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置(18)，其特征在于，所述预加载环(28)的两个区段(42，44)远离所述预加载环(28)的背部区段(46)延伸。

15.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置(18)，其特征在于，所述预加载环(28)具有V形的或U形的横截面。

16.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置(18)，其特征在于，所述预加载环(28)由塑料、金属、特别是钢构成，或者由复合材料构成。

17.一种密封组件(10)，其包括：

-第一机器部分(42)和第二机器部分(44)，所述第一机器部分和第二机器部分在形成密封间隙(16)的情况下彼此隔开间距地布置并且能够沿着运动轴线或者绕着运动轴线相对彼此运动；和

-根据前述权利要求中任一项所述的密封装置(10)，所述密封装置的密封环(26)以其密封区段(34)密封地贴靠在所述两个机器部分(12，14)中的一个机器部分上。

Images