CN1906435B - 密封件、测量装置、测量方法以及密封件的制造方法 - Google Patents

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    • F16J15/52—Sealings between relatively-movable members, by means of a sealing without relatively-moving surfaces, e.g. fluid-tight sealings for transmitting motion through a wall by means of sealing bellows or diaphragms

Abstract

本发明涉及一种用于密封轴对的密封件，其中，所述轴在相同方向上旋转，内轴位于外轴的内部，且所述轴的相差设置成保持在预定的限度内。密封件(200)是由弹性材料制成的管状密封件，它包括至少两个相互固定在一起的管段(202，204)。至少两个的管段(202，204)的褶子(212，214)具有相反的扭转角。密封件(200)的一端被紧固到外轴(100)上，而另一端被紧固到内轴(102)上，密封件(200)设置成扭转与两轴之间的相差成比例的扭矩。

Description

密封件、测量装置、测量方法以及密封件的制造方法
技术领域
本发明涉及用双轴测量装置进行流体测量时与流体测量有关的密封件、测量装置、测量方法以及密封件的制造方法。
背景技术
举例来说，纸浆浓度在处理厂用双轴测量装置测量，在双轴测量装置中，两根轴套在一起。两根轴有弹性地枢接在一起，这能在两根轴之间产生有限的扭转。扭转也可以表述为相差，最大只有几度。
两根轴通过由电磁体产生的磁场相互影响，这样，当第一轴在例如电动机的带动下在待测的纸浆中旋转时，另一根轴也旋转。两轴的末端有不同的突起，待测的纸浆尝试通过它的浓度使各突起的旋转下降不同的程度。这导致两根轴之间出现扭矩，这往往会增加有弹性地枢转的两轴之间的相差。然而，目的是通过控制供应给线圈的电流的大小来保持相差在测量过程中恒定，因此交互的磁力会精确地补偿两轴之间的扭矩。纸浆浓度与扭矩成比例，可以通过测量供应给线圈的电流来测量纸浆浓度。一般来说，还可以相应测量流体的剪切和摩擦力、粘度或浓度。
在现有技术中，两轴之间的间隙使用弹性体密封件(例如O形环密封件)来密封。然而，使用O形环牵涉到一些问题。尤其是当两根轴的相差增加和变化时，O形环会滑动，这会不可预料地改变两轴之间的摩擦。另外，由于这种密封件在这一过程中必须经受温度波动以及各种可能的化学品，因此弹性体密封件的性能会随时间改变，这也会不可预料地改变两轴之间的摩擦。两轴之间的摩擦由密封件和两轴之间的摩擦以及密封件内的摩擦组成，由于两轴之间的摩擦会影响两轴之间的扭矩，因此由这种密封件引起的扭矩的偶然的和/或不可预料的变化会严重影响流体性质的测量。如果这影响到过程控制，那么有待控制的整个过程可能会进入错误状态，并且成品的质量会恶化。
发明内容
本发明的目的在于提供改进的密封件、测量装置、密封件制造方法和测量方法。该目的由一种密封件实现，该密封件用于密封与流体测量有关的一个轴对，两根轴在相同方向上旋转，内轴位于外轴的内部，两根轴的相差设置成保持在预定的限度内。此外，该密封件是由弹性材料制成的管状密封件，它包括至少两个相互固定在一起的管段；至少两个管段的褶子有相反的扭转角；密封件的一端被紧固到外轴上，而另一端被紧固到内轴上；并且该密封件设置成扭转与两轴之间的相差成比例的扭矩。
本发明还涉及一种测量装置，它包括在相同方向上旋转的一个轴对，内轴位于外轴的内部；测量装置还包括用于密封轴对的密封件；当流体产生的扭矩使两轴之间出现相差时，该测量装置设置用于确定待测流体的性质。此外，该密封件是由弹性材料制成的管状密封件，它包括至少两个相互固定在一起的管段；至少两个的管段的褶子有相反的扭转角；密封件的一端被紧固到外轴上，而另一端被紧固到内轴上；并且该密封件扭转与两轴之间的相差成比例的扭矩。
本发明还涉及一种测量方法，其中流体的性质根据相互位于彼此之内的且在相同方向上旋转的两轴之间的相差来测量，相差由两轴之间的由流体引起的扭矩产生。该方法还包括通过密封件产生扭矩，该扭矩在与两轴之间的流体引起的扭矩的扭转方向相反的方向上扭转，且该扭矩与两轴之间的相差成比例，其中，该密封件是由弹性材料制成的管状密封件，它包括至少两个相互固定在一起的管段；每个管段包括至少一个褶子；至少两个的管段的褶子具有相反的扭转角；密封件的一端被紧固到外轴上，而另一端被紧固到内轴上；测量两轴之间的相差；根据相差确定流体性质。
本发明还涉及一种密封件的制造方法，其中该密封件用于密封测量装置的轴对，其中两根轴在相同方向上旋转，内轴位于外轴的内部，两根轴的相差设置成保持在预定的限度内。该方法还包括：用弹性材料制造管状密封件；为该密封件提供至少两个管段；为每个管段提供至少一个褶子，该褶子的扭转角不同于管状密封件的纵轴方向；为至少两个管段提供具有相反扭转角的褶子，从而使测量过程中因密封件的扭转而引起的扭矩与两轴之间的相差成比例；为密封件的两端提供紧固部件，密封件通过该紧固部件可以被以如下方式紧固到轴对上，从而密封件的一端紧固到外轴上，而另一端紧固到内轴上。
本发明的优选实施方式将在下面进行描述。
本发明的方法和系统具有几个优点：密封件的性质不随时间变化；在不同的处理条件下，该密封件不会使两轴之间的扭转产生不可预定的变化，这使得测量更精确。
附图说明
下面将结合各优选实施方式更详细地介绍本发明，其中：
图1显示了一种测量浓度的装置，
图2显示了一种密封件，
图3显示了紧固到轴上的密封件，
图4A显示了一种密封件，它有两个套在一起的管段，
图4B显示了一种密封件，它也有两个套在一起的管段，
图5显示了一种测量方法的流程图，
图6也显示了一种制造方法的流程图。
具体实施方式
显示的方案适于测量流体的浓度、粘度、剪切和摩擦力。例如，该方案可以用在纸、纸板和纸浆工业以及废水处理中，但又不限于此。待测流体可以是液体或气体，该液体可以是悬浮液。
图1显示了一种双轴测量装置，举例来说，可以用该装置测量含有木质纤维的悬浮液的浓度，图示的方案非常适合这一目的。该方案包括两根轴，以便在一根外轴100内有一根内轴102。外轴100的末端可以有一个螺旋桨104，后者在旋转过程中可以将处理管106的主流上的待测流体抽到测量室108中。螺旋桨104在测量过程中也可以混合悬浮液。内轴102的末端可以有一个传感器110。一个电动机112或类似装置可以借助皮带驱动器114使外轴100旋转，例如恒速旋转或以另一种已知的方式旋转。两根轴在相同方向上旋转，并且尽管待测流体的剪切和摩擦力借助它们在两轴之间产生的扭矩往往会改变相差，但借助测量部件116中的两轴之间的电磁连接，外轴100和内轴102相对彼此保持恒定相。
轴之间的相差是指两轴之间相对于预定的初始位置的扭转。两根轴通常有弹性地枢接在一起，它们最多可以扭转几度。例如，相差可以通过光学方法用测量部件116中的光学测量装置来测量，该装置包括一个光传送器、一个光接收器和两个相似的齿轮(图1中未示)。第一齿轮随外轴100旋转，而第二齿轮随内轴102旋转。由于齿轮随轴一起旋转，因此齿轮齿充当光传送器和接收器之间的斩光器，并形成给接收器的脉冲信号。当两轴100、102同相时，两齿轮的齿可以彼此对齐。但当两轴100、102之间有相差时，两齿轮的齿则相对彼此处于相应的位置。这改变了光信号的脉冲比。这样相差就与脉冲比成正比。相差也可以用其它本身已知的方式测量。
在现有技术中，两轴100、102之间有一个O形环118，如上所述，它有很多问题。
图2显示了一个用于代替O形环118的密封件。一个由连续材料制成并且类似于波纹管密封件的管状密封件200包括固定在一起的两个管段202、204。管状意指该密封件的横截面轮廓形成一个封闭的边界，举例来说，该边界的形状可以为圆形、椭圆形、多边形或用连续曲线画出的其他任何图形。通常可以有两个以上管段。密封件200的管段202、204可以连续排列，这样，每个管段202、204依靠自身长度即可增加密封件200的长度。图2中的管段202可以包括6个波浪状的褶子212。管段204也可以包括6个波浪状的褶子214。每个管段都可以有所需数目的褶子，因此每个管段通常都包括至少一个褶子。管段202的褶子212相对密封件的纵轴206的扭转角为α。管段202的褶子214相对密封件的纵轴206的扭转角为β。密封件200的两个不同管段的褶子的数目可以彼此不同。在图2中，密封件200的管段202、204的褶子沿不同的方向扭转。一般来说，密封件200中的至少两个不同管段的褶子有不同的扭转角。与管段的扭转有关的褶子的扭转角与管状密封件的纵轴206的方向不同，并且与相对密封件的纵轴206的方向成90°角的方向不同。这样，如果管段202相对管状密封件的纵轴206的方向的扭转角为α＝45°，那么管段204相对管状密封件的纵轴206的方向的扭转角可以为β＝-45°，其中，负号表示反方向的扭转角。另一方面，管段204相对管状密封件的纵轴206的扭转角也可以为β＝-30°，因为在不同的管段中，褶子的扭转的绝对值不需要相等。在密封件的两端，可以包括用于将密封件紧固到轴上的紧固部件208、210。如果沿纵轴206的方向发生压缩，褶子的相反的扭转角能让密封件的两端不扭转。
图3显示了一个位于两轴之间的密封件。管状密封件200的一端被通过使用紧固部件208紧固到内轴102上，而它的另一端通过使用紧固部件210紧固到外轴100上。
图4A显示了如下的方案，其中管状密封件的至少一个管段400位于至少另一个管段402的内部，以便位于内部且形成密封件的一端的管段400的一端404通过紧固部件208可以被紧固到内轴上，而密封件的另一端406通过紧固部件210可以被紧固到外轴上。
图4B也显示了如下的方案，其中管状密封件的至少一个管段400位于至少另一个管段402的内部，以便位于内部且形成密封件一端的管段400的一端404可以通过紧固部件208被紧固到内轴上，而密封件的另一端406可以通过紧固部件210被紧固到外轴上。与图4A的方案不同的是，图4B中的管段是平行的，且相互之间没有倾斜角。
密封件由弹性材料(例如金属和金属合金)制成。当引起变形的力不再起作用时，弹性物体就回到从前的形状。这就是弹性物体没有永久变形的原因。举例来说，不锈钢是制造密封件的合适材料，因为由它制成的密封件能经受住各种处理条件。材料的弹性确保沿纵轴206的方向对密封件的压缩或者沿周长方向的扭转在引起压缩或扭转的力不再起作用之后是可逆的。由于有弹性，因此相对扭转的两轴之间的密封件200也产生扭矩τ，它与两轴之间的相差(即扭的两轴之间的角θ)成比例：
τ＝f(θ)，                                      (1)
其中，f是扭矩对相差的函数。扭矩可与两轴之间的相差成线性比例关系，这样，它可以写成：
τ＝kθ，                                        (2)
其中，k是弹簧扭转常数，像函数f一样，它至少取决于材料(材料的弹性模量)、材料厚度、管状密封件的横截面尺寸、密封件和各管段的长度、褶子的数目和形状。举例来说，可以选择(1Nm)/(1°)作常数k的值。用具有合适尺寸的材料制作密封件即可获得所需的常数k值。在长期的使用中，密封件的性能也保持不变。与流体引起的扭转相比，密封件的扭矩τ的绝对值大小相等，但方向相反。密封件在使用时，两轴之间不需要电磁耦合，这是由于流体的性质可以根据两轴之间的相差直接确定。按照经验，可以根据扭矩确定流体的性质，例如浓度c。
整个密封件可以用相同的材料制成，其中材料厚度保持恒定，且就褶子的高度和数目来说，不同的管段可以有相同的尺寸。褶子的扭转角的绝对值也可以相同。然而，在所示的方案中，至少两个的管段的材料也可以彼此不同。在这个例子中，不同的管段分别制造，然后固定到一起。由于沿密封件纵向的压缩不一定能引起密封件扭转，即不一定能在两轴之间产生相差，因此不同材料的不同弹性模量的效果应该得到补偿。举例来说，制作长度不同的不同管段有可能实现这一点。举例来说，由于钢的弹性模量大约比铝的高3倍，因此用钢制成的管段应该比用铝制成的管段大约长3倍。相应地，除了长度之外，也可以改变壁厚、褶子的高度、褶子的数目或所述性质的组合。
在所示的方案中，至少两个的管段的壁厚或褶子的高度和褶子的数目也可以彼此不同。管段的每个上述差异可以由管段之间的一个或多个其他差异来补偿，这一点在谈及材料之间的差异时已经描述过。添加多个褶子或增加褶子的高度会减弱密封件的扭转刚性，这意味着弹簧的扭转常数k减小。当褶子的扭转角的绝对值为|α|＝|β|＝45°时，密封件的扭转刚度最小。相对这个值，减小或增大扭转角都会导致密封件的扭转刚度增大。而且，如果管状密封件的平均直径变小，那么扭转刚度减小。当密封件的长度尺寸改变时，扭转刚度通常可以被假定为至少近似线性。在投入使用之前，可以测量密封件的确切扭转刚度。
当管状密封件包括至少两个管段—这些管段具有扭转角相反的褶子—时，沿纵轴206的方向对密封件的压缩没有在两根轴之间产生相差，即密封件的两端没有彼此相对扭转。压缩可以由处理压力引起，例如，在造纸业中，该压力可达几十巴。
下面我们用图5来分析一下该测量方法的流程图，其中，流体的性质根据测量装置中的套在一起的两根旋转轴100、102之间的相差来测量，借助于此，流体在两轴之间引起扭矩。在步骤500中，密封件200产生一个与流体引起的扭矩的扭转方向相反且与两轴之间的相差成线性比例关系的扭矩，其中密封件200是由弹性材料制成的管状密封件，且包括至少两个固定在一起的管段。每个管段包括至少一个褶子。至少两个的管段的褶子相对密封件的纵轴的扭转角相反。密封件的一端被紧固到外轴上，而另一端被紧固到内轴上。在步骤502中，测量两轴之间的相差，在步骤504中，根据相差确定流体性质。
下面我们根据图6来分析密封件的制造方法，其中密封件用于密封测量装置的轴对100、102，在此测量装置中，两轴在相同方向上旋转，内轴位于外轴内部，且两轴的相差设置为保持在预定的限度之内。在步骤600中，管状密封件200由弹性材料制成。在步骤602中，密封件由至少两个管段202、204、400、402形成。在步骤604中，为每个管段提供至少一个褶子，该褶子的扭转角不同于管状密封件的纵轴方向。在步骤606中，为至少两个的管段提供褶子，这些褶子具有相反的扭转角，这是为了让在测量过程中因密封件扭转而引起的扭矩与两轴之间的相差成比例。在步骤608中，为密封件的两端提供紧固部件208、210，通过这些紧固部件，密封件可以按如下方式被紧固到轴对上，其中密封件的一端被紧固到外轴上，而另一端被紧固到内轴上。
褶子212、214可以有所需的形状和尺寸，例如，它们可以为管状密封件结构上的波浪状轧花或沟槽。由于有褶子，密封件的壁可以比无褶子的壁厚，但实现了相同的扭转刚度。与壁薄的密封件相比，壁厚的密封件能经受更高的处理压力。
密封件可以通过焊接、滚轧成形或液压成形来制造。在流体压力成形中，在两端密封件的管段内部，产生高得足以使管段膨胀的压力。一个模具环绕在管段的外表面，且管段膨胀到拥有模具的形状。所示的密封件可以有许多不同的尺寸，且许多材料都可以用作制造材料。例如，密封件可以有如下尺寸：长100mm，直径14mm，壁厚0.2mm，褶子数9个，褶子高1mm。这些尺寸可以产生约为1Nm/1°的弹簧扭转常数。
尽管上面通过如附图所述的例子对本发明作了说明，但显然本发明并不局限于此，相反，在所附的权利要求的范围内，可以在许多方面对其进行改变。

Claims (17)

1.一种用于密封与流体测量有关的轴对的密封件，其中，所述轴对包括内轴(102)和外轴(100)，该内轴(102)和外轴(100)在相同方向上旋转，内轴(102)位于外轴(100)的内部，且内轴(102)和外轴(100)之间的相差设置成保持在预定的限度之内，其特征在于：
密封件(200)是由弹性材料制成的管状密封件；
密封件(200)包括至少两个相互固定在一起的管段(202，204，400，402)；
至少两个管段(202，204，400，402)的褶子(212，214)具有相反的扭转角；
密封件(200)的一端被紧固到外轴(100)上，而另一端被紧固到内轴(102)上；
密封件(200)设置成扭转与内轴(102)和外轴(100)之间的相差成比例的扭矩。
2.如权利要求1所述的密封件，其特征在于：密封件(200)的至少一个管段(400)位于至少一个另一个管段(402)的内部，从而形成密封件的一端(406)的所述另一个管段(402)被紧固到外轴(100)上，以及位于内部且其一端形成密封件的另一端(404)的所述管段(400)被紧固到内轴(102)上。
3.如权利要求1所述的密封件，其特征在于：密封件(200)的管段(202，204)是连续顺序的，由此，每个管段(202，204)通过自身长度增加密封件(200)的长度。
4.如权利要求1所述的密封件，其特征在于：至少两个的管段(202，204，400，402)的材料彼此不同。
5.如权利要求1所述的密封件，其特征在于：至少两个的管段(202，204，400，402)的壁厚彼此不同。
6.如权利要求1所述的密封件，其特征在于：至少两个的管段(202，204，400，402)的长度彼此不同。
7.如权利要求1所述的密封件，其特征在于：至少两个的管段(202，204，400，402)的褶子(212，214)的高度彼此不同。
8.如权利要求1所述的密封件，其特征在于：至少两个的管段(202，204，400，402)的褶子(212，214)的数目彼此不同。
9.一种测量装置，包括一个在相同方向上旋转的轴对，该轴对包括内轴(102)和外轴(100)，内轴(102)位于外轴(100)的内部；
该测量装置还包括用于密封该轴对的密封件；
当流体由于其产生的扭矩使内轴(102)和外轴(100)之间出现相差时，该测量装置设置成用于确定待测流体的性质；其特征在于：
密封件(200)是由弹性材料制成的管状密封件；
密封件(200)包括至少两个相互固定在一起的管段(202，204，400，402)；
至少两个管段(202，204，400，402)的褶子(212，214)具有相反的扭转角；
密封件(200)的一端被紧固到外轴(100)上，而另一端被紧固到内轴(102)上；以及
密封件(200)设置成扭转与内轴(102)和外轴(100)之间的相差成比例的扭矩。
10.如权利要求9所述的测量装置，其特征在于：该测量装置设置成用于根据两轴之间的相差来确定作为线性函数的密封件(200)的扭矩；
该测量装置设置成用于根据密封件(200)的扭矩来确定流体性质。
11.如权利要求9所述的测量装置，其特征在于：密封件(200)的至少一个管段(400)位于至少一个另一个管段(402)的内部，从而形成密封件的一端(406)的所述另一个管段(402)被紧固到外轴(100)上，以及位于内部且其一端形成密封件(200)的另一端(404)的所述管段(400)被紧固到内轴(102)上。
12.如权利要求9所述的测量装置，其特征在于：密封件(200)的端部(404，406)设置成使它们彼此相对不扭转。
13.一种测量方法，其中，流体的性质根据包括内轴(102)和外轴(100)的两轴之间的相差来测量，其中，内轴(102)位于外轴(100)之内且两轴在相同方向上旋转，该相差由内轴(102)和外轴(100)之间的由流体引起的扭矩产生，其特征在于：
通过密封件(200)产生一个扭矩，该扭矩在与内轴(102)和外轴(100)之间的由流体引起的扭矩的扭转方向相反的方向上扭转，且该扭矩与内轴(102)和外轴(100)之间的相差成比例，其中，密封件(200)是由弹性材料制成的管状密封件，它包括至少两个相互固定在一起的管段；
每个管段(202，204，400，402)包括至少一个褶子(212，214)；
至少两个管段(202，204，400，402)的褶子(212，214)具有相反的扭转角；
密封件(200)的一端被紧固到外轴(100)上，而另一端被紧固到内轴(102)上；
测量内轴(102)与外轴(100)之间的相差；以及
根据相差确定流体性质。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：根据内轴(102)和外轴(100)之间的相差通过一线性函数来确定密封件的扭矩，并根据所确定的密封件(200)的扭矩来确定流体性质。
15.一种密封件的制造方法，其中，该密封件用于密封测量装置的轴对，该轴对包括内轴(102)和外轴(100)，其中，内轴(102)和外轴(100)在相同方向上旋转，内轴(102)位于外轴(100)的内部，并且内轴(102)和外轴(100)之间的相差设置成保持在预定的限度内，其特征在于：
用弹性材料制造所述密封件(200)，该密封件为管状形式；
为该密封件(200)提供至少两个管段(202，204，400，402)；
为每个管段(202，204，400，402)提供至少一个褶子(212，214)，该褶子的扭转角不同于管状密封件(200)的纵轴方向；
为至少两个管段(202，204，400，402)提供具有相反扭转角的所述褶子(212，214)，从而使测量过程中因密封件(200)扭转而引起的扭矩与内轴(102)和外轴(100)之间的相差成比例；
为密封件(200)的端部提供紧固部件(208，210)，密封件(200)通过该紧固部件被以如下方式紧固到轴对上，从而密封件(200)的一端紧固到外轴(100)上，而另一端紧固到内轴(102)上。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于：单独制造管段(202，204，400，402)，并将管段(202，204，400，402)相互固定在一起，以形成连续的密封件。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于：将该密封件的至少一个管段(400)放置在至少一个另一个管段(402)的内部，由此，形成密封件的一端(406)的所述另一个管段(402)被紧固到外轴(100)上，以及位于内部且其一端形成密封件(200)的另一端(404)的所述管段(400)被紧固到内轴(102)上。
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