背景技术
目前,唇形密封主要用于隔离旋转设备中的轴承。密封件和轴承要考虑大量旋转设备故障,且在这两个关键部件的寿命之间有紧密关系。该密封件的故障可能使得轴承失效,而较差轴承状态可能减小密封件寿命。进入轴承壳体的雨、泄漏产品、碎屑和冲洗水将污染轴承润滑剂,并对轴承的产品使用寿命有较坏影响。非常少量的水或其它污染物可能明显缩短轴承寿命。
辅助机械设备轴密封装置(有时称为轴承隔离件或密封环)用于将在不利用途中工作的设备,其中,设备暴露于潜在污染物例如灰尘中。因此,弹性的轴密封件在这样的不利环境中快速磨损和失效。灰尘和其它外部污染物不能通过发生故障的标准密封装置而从密封壳体内部排出。不能防止润滑油或其它流体经过磨损的唇形密封件从传动装置向外泄漏。当在密封装置的两侧在密封装置周围介质(例如液体、气体或灰尘)中存在压力差时,将不能防止污染物进入和润滑流体流出。在静态和动态用途中,压力差将有助于使已知密封件泄漏,并使得污染物越过密封件屏障来输送。
用于静态和动态轴密封组件的一个实例在US-A-5,221,095中公开,其中,实心、周边可拉伸的环形密封部件安装在转子凹面上,并当转子和密封部件静止时与定子凸面啮合。当转子和密封部件以工作速度运动时,可变形密封部件由于离心力而沿径向方向进行周边拉伸,从而脱开与定子的啮合,从而消除了密封部件的摩擦力。
不过,尽管密封组件将防止雨、泄漏产品、碎屑和冲洗水进入轴承壳体,不过当轴密封组件上面存在压力差时,所述密封组件将不能密封。压力差可以由于例如在轴承侧的泵效应或在外侧的超压而引起。例如,在密封组件外侧的该超压例如由清洁设备(例如高压洗涤器具)引起,或者当壳体位于水下时,增加的外部压力由在壳体上面的水容积引起。压力差也可以由温度变化而产生,例如通过在白天受到太阳加热和在晚上冷却而引起,或者通过在壳体内部产生的热量而引起,例如通过驱动装置的摩擦或功率耗散。当加热时,在壳体内部的流体膨胀,并导致压力增大,且反之亦然。这样的压力差使得已知的密封部件被升离且松脱与相邻密封表面的机械接触,这导致密封损失,从而让污染物通向例如轴承,并因此缩短包括密封轴的设备的产品寿命。
而且,当弹性密封部件必须逆着它的压缩弹性而定位在密封组件中时,在US-5,221,095中所述的密封组件将很难装配。
在CH-369329中公开了另一轴密封组件,其中,O形环弹性密封轴。O形环位于转子凹口内,该转子凹口有同轴壁,该壁相对于径向定向的定子成一定倾斜角度。这样,O形环通过它的弹性而压靠在径向定子表面上,并获得密封效果。当轴旋转时,O形环由于受到离心力而引起周边膨胀。通过一个倾斜周边壁,O形环进一步轴向和径向运动离开定子。因此,通过轴的旋转而消除O形环的接触摩擦。这种轴密封组件比前面在US-A-5,221,095中所述的组件更容易装配。不过,该轴密封组件同样有这样的缺点,即当在轴密封组件两侧的周围介质中存在压力差时,密封组件并不密封。
因此,本发明要解决的问题是提供一种新的轴密封组件,该轴密封组件对于密封组件两侧的介质中的压力差并不敏感,从而在静态和动态工作模式中都保证防止污染物的进入和润滑剂的流出。
本发明要解决的另一问题是提供一种上述类型的机械密封件,其中,当轴静止时,实心密封部件与密封定子和密封转子啮合,且当轴旋转时,密封部件膨胀离开定子。
本发明要解决的还一问题是提供一种上述类型的密封件,它很容易装配、制造和具有较长产品寿命。
本发明要解决的还一问题是提供一种用于旋转轴的密封,该旋转轴具有最大约为3m的较大直径,例如大约1m。需要有效静态和动态密封的、具有这样的较大直径的轴例如用于水力发电站中的水驱动涡轮,或者用于船舶的推进器轴密封。
而且,本领域技术人员应当知道与现有技术相关的其它问题,这些问题并没有在本申请中明确说明,但是它们也将由本发明解决。
附图说明
通过下面对本发明实施例的说明并参考附图,将清楚本发明的其它目的、特征和优点,附图中:
图1是用于轴的静态和动态密封的轴密封组件实施例的局部剖透视图;
图2是表示在壳体中的、图1的轴密封组件的正视平面图;
图3是沿图2所示的线A-A的剖视图,表示装入壳体中的、图1的轴密封组件以及轴;
图4是图1的实施例的放大剖视图,表示轴密封组件的静态和动态密封;
图5是表示如图1所示实施例的摩擦耦合部件的平面图;
图6是表示图5的摩擦耦合的透视图;
图7是表示图5和6的轴、转子和摩擦耦合元件的剖视图,它们置于轴和转子之间,其中,摩擦耦合元件处于静止;
图8是类似于图7的剖视图,其中,摩擦耦合元件被夹住;
图9是表示图5的摩擦耦合元件处于它的装配和楔牢位置时的平面图;
图10是表示在密封组件中用于流体分配的流体槽道的剖视图;以及
图11是表示轴承箱的示意剖视图,该轴承箱有两个如图1实施例的轴密封件以及一个作为润滑油弥雾器(oil mister)的轴密封件。
具体实施方式
图1至4中表示了本发明的示例实施例,以便举例说明本发明。不过,本发明并不局限于该特定实施例,本发明只由附加的权利要求来限定。
图1表示了用于轴的静态和动态密封的轴向轴密封组件100的实施例。该轴向轴密封组件包括:定子部件1;密封部件2,该密封部件2抵靠周围壳体而密封定子部件;第一推出器转子部件3,该第一推出器转子部件3包括推出器凸起4和处于该推出器凸起4之间的推出器凹口5;第二推出器转子部件6,该第二推出器转子部件6有环形凹口7,该环形凹口7装入环形密封部件8;摩擦耦合部件9,该摩擦耦合部件9朝着中心轴旋转锁定轴向密封组件;密封部件11,该密封部件11沿纵向方向沿轴密封;以及中心内部区域12,用于接收可转动轴,该可转动轴安装在壳体内的至少一个轴承中。两个推出器转子部件3、6通过压配合而装配。转子和定子并不彼此物理啮合,且在定子和转子之间的狭槽保持打开。该狭槽是从密封组件的一侧至另一侧的通道。为了密封该通道,在静止时利用密封部件8,而在轴运动时利用离心泵效应。
在动态工作时,如下面更详细所述,推出器转子部件3、6通过轴和推出器转子部件3、6的旋转而在狭槽通道中产生压力差。该压力差通过离心力而产生,该离心力将狭槽内的任意松弛材料或介质(例如松弛颗粒、液体、气体、灰尘等)推出狭槽外。这由推出器转子部件结合翅片形推出器凸起和凹口的旋转运动而引起,因此,进入狭槽的任意材料都受到由离心力引起的推出器泵送压力,该泵送压力使材料向后运动并将它推出该狭槽。包括推出器凸起4和在该推出器凸起4之间的推出器凹口5的推出器转子翅片3、6为合适形状,以便使得产生的压力足以抵抗在密封组件100的工作过程中将可能在组件100的两侧出现的最高压力差。通过合适形成翅片,压力将平衡,即由于旋转翅片的涡轮效应而产生的压力将与由“泵送回”而产生的、在密封组件外侧的压力平衡,从而保证在所有工作条件下都有效密封。
组件有以下工作模式:静态工作模式,其中,中心轴处于静止,因此整个密封组件100处于静止;动态工作模式,其中,轴以工作速度旋转;以及当轴从静止开始加速或者相反时在两种前述工作模式之间过渡。在静态工作模式中,密封组件8使组件100的一侧与它的另一侧有效密封。在动态工作模式中,通过由于推出器部件的涡轮效应而引起的压力差来实现密封。静态密封部件将轴向和径向离心运动离开它的静态密封位置并进入不与定子接触的另一位置。因此,在轴旋转过程中消除了在密封部件和定子之间的摩擦。
在动态工作模式中,当轴和推出器转子部件3、6旋转时,进入由静态密封部件8打开的通道内的任意材料都将由于推出器的离心泵效应而立即被推出,如上所述。因此,在静态密封期间进入狭槽内和已经积累在狭槽通道内(例如在推出器凹槽内)的材料、污染物等都将在从静态至动态密封工作的过渡期间被推出。在动态密封工作过程中进入狭槽的任意材料都将立即被推出。材料进入狭槽的距离越长,用于在组件的各侧将材料推回至相同狭槽外和组件100外的离心力越大。
在图2的正视平面图中,图1的轴向密封组件100的组件200表示为布置在壳体30中。图2中所示的轴向密封组件200部分是壳体30,该壳体30与推出器部件6和中心轴10局部交叠。
图3是沿图2中的线A-A的剖视图,表示了装于壳体30内的、图1的轴向密封组件100以及轴10。而且,还表示了在第一推出器转子部件3中的凹口31,该凹口装入另一环形密封部件32。
图4是图1的实施例的放大剖视图,表示了轴向密封组件的静态和动态密封。箭头41表示动态密封工作模式,其中,环形密封部件32通过组件在轴10的工作速度下旋转时的离心力而拉入凹口31的径向外侧位置,并脱开与定子1的接触。箭头40表示静态密封工作模式,其中,环形密封部件8表示为处于凹口7的径向内侧位置。密封部件8通过密封部件8的弹性力而拉入该位置。凹口7包括第一径向倾斜的凹口表面42,该第一径向倾斜的凹口表面42桥接第二轴向的、径向内侧位置的凹口表面43和第三轴向倾斜的、径向外侧位置的凹口表面44。表面42从它的轴向内侧端朝着轴向外侧端而径向倾斜远离定子1的径向表面45,如图4所示。
密封部件8并不只通过它的弹性力来密封,而且,在外部(图4中的左侧)和内部(图4中的右侧)之间的压力差也影响密封部件8的密封效果。在静态工作模式中获得更好的密封效果,因为压力将密封部件8轴向向下按压,因此朝着转子部件6的环形凹口7的内侧轴向表面43和径向倾斜的凹口表面42的底部来按压,且压靠在定子1的、相邻对着凹口7的径向表面45上。
当更高压力施加在内侧时,各相同情况对于密封部件32也适用。
转子6中的凹口7形成为这样,即在静态工作模式中在密封组件上的压力差提高了密封部件8的密封性能。这是因为密封部件8由压力支承,即压力将密封部件主动按压至密封接触表面内。还在密封部件8和定子1之间沿定子1的径向延伸表面产生物理密封接合。
在从静态向动态密封过渡的过程中,密封部件8从径向内侧的静止位置(如箭头40所示)朝着径向外侧位置(如箭头41所示)运动。该运动由离心力和压力差引起,该压力差由于旋转的推出器产生的泵效应而引起,该压力差将密封部件8径向向外吸。
因此,将保证轴10处于静止时密封部件8有效静态密封。而且,当轴以工作速度旋转时,由于推出器轮3和6引起的压力差,密封组件有效动态密封。在动态工作模式中消除了摩擦,因为密封部件将脱开与定子的接触,如上所述。而且,在密封结构上有压力差时,静态和动态密封也有效。
在所述实施例中,转子部件6中的环形凹口7的径向倾斜的凹口表面42的倾斜角大约在10°和20°之间,优选是大约12°。不过,在不脱离由附加权利要求确定的本发明范围的情况下,也可以采用超过20°的倾斜角。
环形密封部件8的截面形状可以为圆形,即环形密封部件8优选为具有圆形截面的环状O形环。不过,环形密封部件也可以有不同的形式和形状,例如如图所示,即具有圆角拐角的基本矩形或卵形。
密封部件8的材料选择为这样,即密封部件8有抵靠密封表面的足够密封效果,且它可充分弹性变形,以便从静态位置运动至动态位置以及返回,且在从静态至动态位置过渡的过程中(即在轴10起动的过程中),当密封部件8仍然与定子静态密封表面接触时,摩擦力很低。用于密封部件8的合适材料例如为橡胶、Viton、FKM、FFKM、EPDM等。用于密封组件100的其余元件的合适材料例如为金属材料(如青铜或不锈钢)和弹性体材料(特别是对于较大轴的直径)以及聚合物材料(如丙烯酸塑料、PU或PA)。
当轴直径较大且因此轴密封组件相应较大时,密封组件100的元件可以制造为连续伸长的元件,该元件环绕轴预先装配和配合成一个单元,如图1所示。也可选择,密封组件100的元件可以制造为局部装配好的或者单独的部分,它们将在轴上装配就位。转子、定子和密封部件可以通过挤出来制造,并通过使凸出部分与环形元件一起密封就位而装配就位。这样的优点是,用于较大直径轴的密封组件将以较低成本很容易地制造和装配在轴上,并使密封组件有效密封。
图1至4中所示的实施例有在各转子3、6中的、装入密封部件8、32的凹口7、31。这样,以两种方式(即壳体外侧或内侧超压)利用压力差来密封。不过,对于特定用途,能保证在一个压力差方向下密封就足够了。这时,可以省略一个凹口和密封部件。
图1至4的实施例优选是装配成完整的筒(cartridge),该筒准备装入用于轴密封装置的空间内。
下面参考图5和6并结合前述附图。通过使密封组件滑动至轴10上面而使得密封组件100与轴10装配。密封部件11密封密封组件的两侧,即在轴10和推出器密封组件100之间的间隙。与前述相关的问题是,由于两个部分的彼此相对惯性,密封组件相对于轴运动。这意味着密封部件11进行摩擦运动,且在多个起动-停止循环后将磨损。该问题通过使用摩擦耦合部件9来解决,该摩擦耦合部件9与密封部件11平行地插入槽内,如图所示。通过摩擦耦合部件解决的另一问题是在轴10和转子部件3、6之间可以传递大得多的扭矩。因此,与只有O形环密封件11的情况相比,可以从轴10向转子部件3、6传递大得多的扭矩。
图5和6中更详细地表示了本实施例的摩擦耦合部件9。根据该实施例,摩擦耦合部件是在两侧具有凸起50、52和凹口51、53的环带状扁平环。沿轴10的两个旋转方向,摩擦耦合环9都用作制动元件,从而制动和停止组件100相对于轴的运动。摩擦耦合工作所依据的原理是:凸起51、52将由于在转子3、6和轴10之间的较小相对运动而倾斜。当摩擦耦合部件9由弹性材料例如硬橡胶制造时,该倾斜运动将在摩擦耦合部件9的相邻凸起50、52处压缩摩擦耦合部件的弹性材料,且由于在摩擦耦合部件与轴和转子部件的接触表面处的增大摩擦力和增大局部接触压力,相对运动将慢下来并停止。也可选择,摩擦耦合部件9由几乎不可压缩的材料制成,例如金属,优选是不锈钢。这时,由于材料的选择和更快实现耦合效果,因此获得甚至很硬和更及时的制动效果。因此,不管摩擦耦合部件的材料如何,在目前所述的“制动”位置处获得轴10和密封组件100转子的更紧密连接。放松该耦合连接的唯一方法是使轴沿相反方向旋转,从而使倾斜反向。不过,即使在该方向,也将沿另一方向产生倾斜,且摩擦耦合部件9将阻碍和停止相对运动。当摩擦耦合部件9由金属制成时,弹性的弹簧效应可以支持上述耦合处理。弹簧效应可以通过合适选择部件9的材料和形状而形成于摩擦耦合元件中,因此,弹簧效应的方向逆着轴和转子部件之间的相对运动方向。
从轴作用在转子或者沿相反方向作用的扭矩例如可以通过增大推出器翅片的泵效应而增加,以便承受上述压力差,或者扭矩通过如下面所述集成于密封组件100上的润滑油弥雾器的额外泵效应而增加。作用在转子部件上的扭矩越高,摩擦耦合元件将越硬地按压在一起,且在摩擦耦合上的楔合效应越高。因此,扭矩更有效地从轴传递给转子,而不会使轴向密封部件退化,且提高了密封部件11的产品寿命,并因此提高了整个密封装置100的寿命。不过,摩擦耦合允许某些运动,这些运动例如可以是转子所希望的,以便动态调节定子的位置。
在图7和图8中表示了上述摩擦耦合的功能。摩擦耦合部件9表示为置于轴部件10和转子部件6之间,其中,摩擦耦合元件处于静止,即在轴部件10和转子部件6之间没有扭矩差。在图8中,如上所述,摩擦耦合元件9由于在轴部件10和转子部件6之间的扭矩差而被夹住。
本领域技术人员应当知道,图中所示的摩擦耦合部件9的形状只是用于获得上述效果的几种形状中的一种。例如,图7和8中所示的摩擦耦合部件与图5和6中所示的摩擦耦合部件不同,但是如上所述执行相同功能。
图9和图10表示了轴密封组件的另一实施例200,其中,径向向内延伸的孔91位于定子1的底部。孔与密封组件100的内部以及壳体30的内部连通。在静止工作模式中,密封部件8作为止回阀,在动态工作模式中打开。图9和图10表示动态工作模式,其中,流体槽道91打开以便流体连通。在所示实施例中,槽道91与流体连接器90连接,该流体连接器90例如通向流体储罐(未示出)。也可选择,流体槽道91与壳体内部直接连通,轴承位于该壳体内部内。它可以是这样的情况,即当轴密封组件200置于壳体内部时,例如在两侧的两个滚珠轴承由轴密封组件100密封,如图11中所示。这时,例如重新冷凝的润滑油雾通过流体槽道91而重新循环,从而减小了流体消耗量。这里,甚至过滤器可以装入槽道内,以便清洁该重新循环的液体。在动态工作过程中,流体通过孔91吸向密封组件200的内部,并从该密封组件200向外推出。这将结合图10和图11详细说明,其中,箭头92至96表示在示例实施例中的流体通路。图11中的箭头将部分表示轴承箱115外侧的外部压力,部分表示从组件200的推出器部件中推出的润滑油114,且部分表示通过槽道91流入组件200内部的润滑油流(润滑油从该组件内部通过组件200中的狭槽而推出,该狭槽与上面结合图1至4所述的狭槽类似)。因此,具有轴承滚珠112、113的轴承110、111在轴10旋转时通过产生的润滑油雾而有效润滑。而且,组件在轴旋转时(如图11所示)有效密封轴承箱115外部的压力,且在静止时通过在组件100中的静态密封部件而与轴密封。
这样,保证有效产生润滑油雾,同时不需要昂贵的压缩机系统来产生使流体压过槽道和推出器喷嘴所需的压力。该所需压力由集成的推出器转子部件3、6通过旋转而供给。
流体可以是清除可能积累在推出器轮3、6的槽5内的任意材料的清洁液体。也可选择,流体可以是润滑液体例如润滑油,该润滑液体用于润滑一个或多个轴承。这时,润滑油通过离心力而转变成润滑油雾,该离心力将较小润滑油液滴从推出器轮3、6抛向密封组件100的外部。当密封组件用于壳体内部,且该壳体内部有在密封组件两侧的轴承时,组件用于将润滑流体传至轴承,从而提高轴承的产品寿命。液体可以来自单独容器(例如用于清洁流体),或者它来自组件100底部的流体池。通过使用孔,当推出器轮底部浸没在流体池时,传递将比只通过离心力时更高效地进行,以便将流体扔出。
对于流体槽道的所示实施例,也可选择,将液体分配至轴密封组件100的两侧,流体槽道91可以布置成这样,即流体只分配至在轴密封件一侧的转子部件。因此,流体将只分配至该侧。
密封组件100和它的部件的制造将通过已知方法来实现。这些部件将快速和容易地装配。
对于图中所示的实施例,也可选择,轴密封件可以直接与轴的轴承集成。这时,转子与内部轴承环(例如滚珠轴承)联接,该内部轴承环与可旋转轴联接。推出器转子部件直接与内部轴承环连接,定子部件直接与外部轴承壳体连接。这样,获得非常紧凑的方法。
在还一可选实施例中,轴密封组件只包括一个转子部件,该转子部件有在凹口中的密封部件,如前所述。这时,组件有效密封沿一个方向的压力差,这足以用于某些用途。
还有,表示为不同结构元件的转子部件6、3可以相同,并通过例如在轴向接触表面处胶接而彼此粘附。
本发明的上述轴密封件的用途和使用为多种多样,且示例的领域包括例如泵,例如在近海油气行业、采矿业、纸浆和纸张行业、潜水泵、水力发电厂中的水驱动涡轮、船舶的螺旋桨轴密封等中。上面已经参考特定实施例介绍了本发明。不过,与上述不同的其它实施例同样可能处在附加权利要求的范围内,例如转子或定子的不同形状、用于密封部件的、与上述不同的其它弹性材料等。
而且,当用于本说明书中时,术语“包括”并不排斥其它元件或步骤,术语“一个”并不排斥多个,且单个处理器或其它单元可以执行在权利要求中所述的几个单元或电路的功能。