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Diese
Erfindung liefert eine verbesserte Rotary-Gleitringdichtungskonstruktion
für Rollenbohrmeißel. Die
neue Dichtung wird bei der Montage elastisch verformt, um eine hydrodynamische
Wellengeometrie auf der Dichtungsgrenzfläche zu bilden. Diese Wellengeometrie
verlängert
die Dichtungslebensdauer durch Verbesserung der Schmierung der Dichtungsfläche.
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Mechanische
Rotary-Gleitringdichtungen werden im allgemeinen aus zwei flachen
Dichtungsflächen
hergestellt, die so konstruiert sind, daß ein dünner Schmiermittelfilm zwischen
den Dichtungsflächen
aufrechterhalten wird. Dieser Schmiermittelfilm hilft dabei, den
Kontakt der Oberflächenunebenheiten
der zwei Dichtungsflächen
zu minimieren und daher die Dichtungslebensdauer zu verlängern. Die Aufrechterhaltung
dieses Schmiermittelfilmes ist besonders bei Gleitringdichtungen
für Rotary-Bohrmeißel infolge
der ungewöhnlich
rauhen Betriebsumgebung wichtig. Während sich die Dichtungsflächen relativ
zueinander drehen, werden sie mit einer sorgfältig gesteuerten Kraft durch
eine oder mehrere Energiezuführeinrichtungen
zusammengetrieben, wie es beispielsweise in den U.S.Patenten 5040624, 4838365
und 3761145 gezeigt wird. Es ist von größter Wichtigkeit, daß eine übereinstimmende
Schmiermittelfilmdicke zwischen den zwei Dichtungsflächen aufrechterhalten
wird. Wenn der Film zu dick wird, wird die Fähigkeit der Abdichtung einer
Druckdifferenz gefährdet.
Wenn der Film zu dünn
wird, wird der Reibungskontakt zwischen den Dichtungsflächen ein Versagen
infolge eines übermäßigen Flächenverschleißes und/oder Überhitzung
hervorrufen. Weil die Dichtung zwischen einem Schmiermittel und
einer mit Schleifmitteln behafteten Flüssigkeit gehalten wird, ist
es außerdem
wichtig, daß das
Schmiermittel eher als die mit dem Schleifmittel behaftete Flüssigkeit
zwischen den Flächen
verbleibt. Die vorliegende Erfindung nutzt eine neuartige hydrodynamische Dichtungsgrenzfläche, um
den Schmiermittelfilm zwischen den Dichtungsflächen zu halten.
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Ein
Beispiel für
eine Rotary-Rollenmeißeldichtung,
die die hydrodynamische Schmierung anwendet, wird detailliert von
Kalsi im U.S.Patent 4610319 erklärt.
Bei diesem elastomeren Dichtungsring wird ein Druck in einer radialen
Richtung aufrechterhalten, so daß die Dichtungsgrenzfläche eine zylindrische
Fläche
von ausgewählter
Breite am Innendurchmesser der Dichtung ist. Die Dichtung ist mit
einer Wellengeometrie konstruiert und geformt, die angrenzend an
die Dichtungsgrenzfläche
auf der Schmiermittelseite ausgebildet ist. Diese Welle wirkt als
eine Pumpe, um Schmiermittel über
die Dichtungsgrenzfläche
und aus dem Meißel
heraus mit einer gesteuerten Geschwindigkeit zu drücken. Die Filmdicke,
die Betriebstemperatur und Leckrate über die Dichtungsgrenzfläche sind
eine Funktion der Wellengeometrie, der U-min. der Dichtung und der Schmiermittelviskosität zusammen
mit anderen Faktoren, wie beispielsweise dem radialen Druck auf
die Dichtung und den physikalischen Eigenschaften des Elastomers.
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Obgleich
diese hydrodynamischen Dichtungsring-Elastomerdichtungen einen kommerziellen Erfolg
bei Rollenbohrmeißeln
zu verzeichnen haben, sind die Dichtungen einer thermischen, chemischen und
mechanischen Verschlechterung ausgesetzt, wenn sie in sehr rauhen
Bohrumgebungen eingesetzt werden. Ebenfalls, weil die Dichtung konstruiert ist,
um Schmiermittel aus dem Bohrmeißel zu pumpen, besteht eine
Gefahr, daß die
Lieferung von Schmiermittel erschöpft sein wird, bevor das Lager verschlissen
ist.
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Infolge
der Betriebsbeschränkungen
von Elastomeren als dynamische Dichtungen wurden mechanische Gleitringdichtungen
zur Dichtung der Wahl für
Rollenmeißel,
die in den rauhesten Bohrumgebungen eingesetzt werden. Mechanische
Gleitringdichtungen werden typischerweise aus Materialien hergestellt,
die den thermischen, chemischen und mechanischen Angriff der rauhen
Bohrumgebungen leicht tolerieren. Die Dichtungen zeigen ein höheres Niveau
an Zuverlässigkeit
als Elastomerdichtungen in Rollenmeißeln und sind zu extrem langen Laufzeiten
ohne einen bedeutenden Verlust an Schmiermittel in der Lage.
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Obgleich
sie im allgemeinen kostspieliger als Elastomerdichtungen sind, sind
mechanische Gleitringdichtungen in der Lage, ein Leistungsniveau
in Rollenbohrmeißeln
zu sichern, was leicht die höheren
Kosten rechtfertigt. Die meisten mechanischen Gleitringdichtungen,
die in Rotary-Rollenmeißeln
eingesetzt werden, bestehen aus nichtrostenden Stählen und
zeigen Dichtungsflächen,
die mit einer Flachheit von weniger als 1,77 μm (6 Heliumlichtbänder) und
einer Rauheit von weniger als 0,127 μm (5 Mikroinch) RA hergestellt
werden. Diese Flächen
passen zusammen, um eine ebene, ringförmige Dichtungsgrenzfläche zu bilden,
die sich von einem deutlichen Außendurchmesser zu einem deutlichen
Innendurchmesser erstreckt, die eine Kontaktbreite definieren. Diese
Dichtungen werden im allgemeinen mit einem oder zwei Dichtungsringen
mit einer konischen, kugelförmigen
oder anderweitig stufenweise kegelförmigen Form hergestellt, angrenzend
an die Dichtungsgrenzfläche
auf der Schmiermittelseite. Das erzeugt eine divergierende Geometrie,
die einen vorzugsweisen Zugang liefert, damit das Schmiermittel in
die Dichtungsgrenzfläche
gelangen kann. Da die Schleifmittel den äußeren Umfang der Dichtungsgrenzfläche abnutzen,
erleichtert die divergierende Geometrie ebenfalls eine Bewegung
der Dichtungsgrenzfläche
nach innen, um die Kontaktbreite aufrechtzuerhalten.
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Die
Lieferung des Schmiermittels zur und über die Dichtungsgrenzfläche kann
verbessert werden, indem eine Wellengeometrie oder eine andere hydrodynamische
Form einer oder beiden der Dichtungsflächen hinzugefügt wird,
angrenzend an die Dichtungsgrenzfläche auf der Schmiermittelseite,
wie in den U.S.Patenten 4836561, 5201531 und 5487550 gezeigt wird.
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Obwohl
diese geometrischen Abwandlungen dazu dienen können, die Dichtungsschmierung
zu verbessern, können
sie schwierig und kostspielig herzustellen sein. Weil das hydrodynamische
Verhalten der Dichtung sehr empfindlich für die Form und Höhe der Wellen
ist, können
geringe Abweichungen bei der Herstellung der Welle eine beträchtliche
Veränderung
bei der Leistung der Dichtung hervorrufen. Die Dichtungsgrenzfläche und
benachbarte Flächen bei
den Gleitringdichtungen des Rollenmeißels werden normalerweise auf
eine Oberflächenrauheit
von 0,025 bis 0,127 μm
(1 bis 5 Mikroinch) RA poliert. Die Herstellung einer unterbrochenen
oder welligen Oberfläche
ist bei dieser Oberflächenbehandlung technisch
schwierig und daher sehr kostspielig. Außerdem verursachen äußere Verunreinigungen
im allgemeinen einen Verschleiß auf
der äußeren Seite der
Dichtungsgrenzfläche.
Die Dichtungsgrenzfläche bewegt
sich über
die radiale Breite der Dichtungsringe von der Seite der äußeren Verunreingungen
in Richtung der Schmiermittelseite, während der Verschleiß fortschreitet.
Jede unveränderliche
hydrodynamische Geometrie, die in die Dichtungsflächen auf der
Schmiermittelseite eingebaut wurde, würde die Fähigkeit begrenzen, daß sich die
Dichtungsgrenzfläche
bewegt. Während
der Verschleiß fortschreitet, wird
die Dichtung schließlich
zu lecken beginnen, während
sich der Außendurchmesser
der Dichtungsgrenzfläche
der hydrodynamischen Geometrie nähert.
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Bei
der mechanischen Dichtung des U.S.Patentes 5487550 nach dem bisherigen
Stand der Technik wird ein Dichtungsring mit Aussparungen in seiner
nichtabdichtenden Seite gebildet. Beim Betrieb bildet sich eine
Welle an der Dichtungsfläche aus
einer nichtachsensymmetrischen thermischen und mechanischen Verformung,
die durch die ungleichmäßige Form
des Dichtungsringes hervorgerufen wird. Die Größe dieser Welle hängt vom
Drehmoment und der Temperatur an der Dichtungsfläche und der Druckdifferenz über der
Dichtung ab. Es wäre keine
Welle vorhanden, um die Schmierung der Dichtungsfläche zu verbessern,
wenn sich die Drehung beim Betrieb verlangsamt oder zum Stillstand kommt.
Zusätzlich
ist die Dichtung so konstruiert, daß eine Welle über die
vollständige
Breite der Dichtungsgrenzfläche
erzeugt wird, was einen kontinuierlichen Dichtungsrand am äußeren Umfang
des Dichtungsringes, um Schleifmittel auszuschließen, verhindert.
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Es
ist sehr wünschenswert,
daß man
eine mechanische Dichtung für
Rollenbohrmeißel
mit einer hydrodynamischen Wellengeometrie zur Verfügung hat.
Diese Dichtung muß eine
Oberflächenbeschaffenheit,
die glatter ist als 0,127 μm
(5 Mikroinch) RA, und eine Wellengeometrie aufweisen, die sich in der
Größe beim
Betrieb nicht bedeutend verändert. Bei
dieser Dichtung muß ebenfalls
der äußerste periphere
Abschnitt ihrer Dichtungsflächen
flach und parallel sein, um das Eindringen von Schleifmitteln auszuschließen. Schließlich, weil
sogar eine sehr kleine Menge des Schmiermittelaustrittes in einem
Rollenmeißel
potentiell unheilvoll ist, muß die
Wellenform auf den Dichtungsflächen
sehr genau ausgebildet werden.
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine mechanische Dichtung für Rotary-Rollenmeißel mit
einer einzigartig ausgebildeten hydrodynamischen Wellengeometrie
auf den Dichtungsflächen,
die die vorangehenden Kriterien erfüllt. Die Flächen werden zuerst flach und
glatt hergestellt, danach werden sie bei der Montage durch das Energiezuführsystem
in eine hydrodynamische Geometrie elastisch verformt.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird ein Rollenbohrmeißel bereitgestellt,
der aufweist: einen Körper;
einen am Körper
befestigten Schenkel; eine Lagerwelle, die am Schenkel gebildet wird;
eine Rollenschneidvorrichtung, die drehbar auf der Lagerwelle montiert
ist, wobei ein Schmiermittel zwischen der Rollenschneidvorrichtung
und der Lagerwelle angeordnet ist; und eine mechanische Gleitringdiehtungseinrichtung,
die zwischen der Rollenschneidvorrichtung und der Lagerwelle montiert
ist, um das Schmiermittel innerhalb der Rollenschneidvorrichtung
abzudichten, wobei die mechanische Gleitringdichtungseinrichtung
mindestens einen im allgemeinen zylindrischen Dichtungsring und
eine Einrichtung für
das Zuführen
von Energie zum Dichtungsring aufweist, wobei der Dichtungsring
eine Dichtungsfläche
mit einem äußeren Umfang
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring bei der
Montage durch die Einrichtung für
das Zuführen
von Energie zum Dichtungsring verformt wird, um abwechselnde Erhebungen
und Vertiefungen auf der Dichtungsfläche zu erzeugen, während der äußere Umfang
der Dichtungsfläche
flach bleibt.
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Bei
der bevorzugten Ausführung
wird das durch eine Vielzahl von Energiezuführeinrichtungen zustande gebracht,
die bei der Montage den mechanischen Dichtungsring an diskreten
Stellen belasten. Das bewirkt eine gesteuerte Verformung bei den
und angrenzend an die dynamischen Dichtungsflächen des einen oder beider
Dichtungsringe, um eine hydrodynamische Wellengeometrie zu erreichen,
während
eine flache Dichtungsfläche
am äußeren Umfang
erhalten bleibt.
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Bei
einer weiteren Ausführung
bildet eine einteilige Energiezuführeinrichtung, wie beispielsweise
eine wellige Tellerfeder oder ein Elastomer mit einem unregelmäßigen Querschnitt,
eine Energiezuführeinrichtung
für die
mechanischen Dichtungsringe. Die resultierende ungleichmäßige Belastung
verursacht Verformungen des Dichtungsringes, was eine hydrodynamische
Wellengeometrie auf der Dichtungsfläche bewirkt.
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Bei
einer noch weiteren Ausführung
weist eine Energiezuführeinrichtung
eines Dichtungsringes eine Reihe von Höckern oder Wülsten auf
der Seite des Dichtungsringes auf, die die Energiezuführeinrichtung
berühren.
Diese Wülste
verursachen eine Veränderung
der Kraft, die von der Energiezuführeinrichtung auf diesen Dichtungsring
angewandt wird, wenn montiert wird, wodurch eine hydrodynamische Wellengeometrie
auf der Dichtungsfläche
bewirkt wird. Bei allen vorangegangenen Ausführungen wird eine oder beide
der mechanischen Dichtungsflächen auf
weniger als etwa 1,77 μm
(sechs Heliumlichtbänder)
flach geläppt
und auf eine Oberflächenbeschaffenheit
von mindestens etwa 0,127 μm
(5 Mikroinch) RA über
die gesamte Breite der Dichtungsflächen poliert. Nachdem die glatte,
flache Dichtungsfläche
gebildet ist, verformt sich die mechanische Dichtungsfläche elastisch
zu einer hydrodynamischen Wellengeometrie. Die typische Verformung
zeigt eine Größe, die
größer ist
als etwa 0,89 μm
(drei Heliumlichtbänder),
mehr als die ursprüngliche
Oberfläche.
Die verformte Oberfläche
behält
ihre Oberflächenbeschaffenheit
von weniger als etwa 0,127 μm
(5 Mikroinch) RA bei. In jedem Fall weist der Bereich der Dichtungsfläche am äußeren Umfang
der Dichtung nicht eine Wellengeometrie auf. Eher ist der Abschnitt
der Dichtungsfläche
am Umfang flach und parallel zu seinem passenden Dichtungsring,
um Schleifmittel auszuschließen
und einen Schmiermittelaustritt zu eliminieren.
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In
den beigefügten
Zeichnungen zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung
eines typischen Rollenbohrmeißels;
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2 eine Schnittdarstellung
durch einen Schenkel eines Rollenbohrmeißels mit einer Gleitringdichtungsbaugruppe
der bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine vergrößerte Schnittdarstellung der
in 2 gezeigten Dichtungsbaugruppe
der bevorzugten Ausführung;
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4 eine vergrößerte Schnittdarstellung
einer Dichtungsbaugruppe einer alternativen bevorzugten Ausführung mit
einer hydrodynamischen Wellengeometrie;
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5 eine perspektivische Darstellung
einer bevorzugten Ausführung
des mechanischen Dichtungsringes, der die hydrodynamische Wellengeometrie
zeigt;
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6 eine perspektivische Darstellung
einer weiteren Ausführung
eines mechanischen Dichtungsringes der vorliegenden Erfindung;
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7 eine Draufsicht einer
Energiezuführeinrichtung
für eine
Anwendung beim Dichtungsring aus 6;
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8 eine perspektivische Darstellung
einer weiteren Ausführung
einer mechanischen Dichtung der vorliegenden Erfindung mit einer
Vielzahl von erhabenen Flächen
auf der statischen Dichtungsfläche.
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Wir
beziehen uns jetzt detaillierter auf die Zeichnungen und insbesondere
auf 1 und 2. Ein Rollenbohrmeißel 10 umfaßt einen
Körper 12 mit
einer Vielzahl von Schenkelabschnitten 14, die am Körper befestigt
sind. Eine freistehende Lagerwelle 16, die an jedem Schenkel 14 ausgebildet
ist, erstreckt sich nach innen und nach unten. Eine Rollenschneidvorrichtung 18 ist
drehbar auf der Welle 16 montiert. An der Rollenschneidvorrichtung 18 sind
harte, verschleißfeste
Schneideinsätze 20 befestigt,
die mit der Erde in Eingriff kommen, um eine Bohrwirkung zu bewirken,
und um die Drehung der Rollenschneidvorrichtung 18 hervorzurufen.
Ein Reibungslagerelement 36 ist zwischen der Lagerwelle 16 und
einem passenden Lagerhohlraum 38, der in der Schneidvorrichtung 18 gebildet
wird, montiert. Dieses Reibungslager 36 ist so konstruiert,
daß es
die radialen Belastungen aufnimmt, die während des Bohrens auf die Schneidvorrichtung 18 aufgebracht
werden. Ein Anetierlagerelement 42 ist in der Schneidvorrichtung 18 montiert,
um die Schneidvorrichtung 18 während des Bohrens auf der Lagerwelle 16 zu
halten.
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Innere
Durchgänge 22, 24 und 26 ebenso wie
der Behälter 28 und
die Lagerfläche 30 des Schenkels 14 sind
während
der Meißelmontage
mit Schmiermittel (nicht gezeigt) gefüllt. Das Schmiermittel hilft
dabei, die Lagerreibung und den Verschleiß während des Meißelbetriebes
zu verringern und wird dynamisch innerhalb der Schneidvorrichtung 18 durch
eine mechanische Gleitringdichtungsbaugruppe 32 abgedichtet.
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Die
Druckausgleichsmembran 34 gleicht den Druck zwischen der
Bohrflüssigkeit
und dem Schmiermittel aus und weist typischerweise eine eingebaute
Druckentlastungseinrichtung auf, die das Schmiermittel in die Bohrflüssigkeit
freigibt, wenn eine vorgegebene Druckdifferenz erreicht ist. Das soll
die Lagerdichtung 32 und die Druckausgleichsmembran 34 gegen
ein unbeabsichtigtes Zerreißen oder
Beschädigen
schützen.
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Mit
Bezugnahme auf 3 weist
die mechansiche Gleitringdichtungsbaugruppe 32 zwei im
allgemeinen zylindrische Dichtungsringe 42, 44 auf,
die vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl AISI 440C (UNS 544004)
gebildet werden, obgleich viele andere Materialien ebenfalls geeignet
sind. Der Dichtungsring 42 ist mit der Lagerwelle 16 abgedichtet und
wird ebenfalls gegen seinen passenden Dichtungsring 44 durch
einen Elastomerring 48 wirken. Da sich der Dichtungsring 42 nicht
mit Bezugnahme auf die Lagerwelle 16 unter normalen Betriebsbedingungen
dreht, wird er als der stationäre
Dichtungsring betrachtet.
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Der
sich drehende Dichtungsring 44 ist innerhalb der Schneidvorrichtung 18 montiert.
Bei der bevorzugten Ausführung
wird diesem Ring 44 durch eine Anzahl von Spiralfedern 46 Energie
zugeführt. Eine
Elastomerdichtung 50 verhindert, daß Flüssigkeiten den sich drehenden
Dichtungsring 44 umgehen, während sich der Dichtungsring 44 axial
bewegen darf.
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Bei
Metallgleitringdichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik
wurden große
Anstrengungen unternommen, um die Dichtungsflächen zu läppen und zu polieren, damit
sie während
des Betriebes flach bleiben. Um das zu bewirken, ist es in der Industrie
für mechanische
Dichtungen üblich,
die Dichtungsflächen
zu läppen,
während
sie axial belastet werden, gleichermaßen so, wie es beim Betrieb erwartet
wird. Diese Praxis sichert daher, daß die Dichtungsflächen bei
der Montage und beim Betrieb flach sind.
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Beispielsweise
wurde bei der mechanischen Gleitringdichtung nach dem bisherigen
Stand der Technik aus dem U.S.Patent 4838365 (das den gleichen Erwerber
wie die vorliegende Erfindung hat), worauf man sich vorangehend
bezieht, eine spezielle Haltevorrichtung hergestellt, so daß die Dichtung
unter den Belastungsverhältnissen
geläppt
werden konnte, die sie beim Betrieb erfährt. Jeder Dichtungsring wurde
in einer Weise so geläppt,
daß bei
der Montage beide Dichtungsflächen
glatt, flach und parallel sein werden. Außerdem wurde der Dichtungsring,
auf den die Spiralfedern wirken, als so starr und groß wie möglich konstruiert,
um eine Verformung beim Betrieb zu vermeiden.
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Mechanische
Gleitringdichtungen mit hydrodynamischen Merkmalen, wie sie beispielsweise
in den U.S.Patenten 4212475, 4836561 und 5496047 ebenso wie in vielen
anderen gezeigt werden, werden durch Entfernen von Material von
den Dichtungsflächen
entweder vor oder nach dem Läppen
gebildet. Bei der vorliegenden Erfindung werden jedoch einer oder
beide der Dichtungsringe zuerst geläppt, so daß sie sehr glatt und flach
sind. Mindestens einer der Dichtungsringe wird später zu einer
hydrodynamischen Wellengeometrie mit einer schmalen kontinuierlichen
flachen Dichtungsfläche
am äußeren Umfang
der Dichtungsfläche
elastisch verformt.
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Wie
in 6 und 7 gezeigt wird, bewirkt eine Ausführung der
vorliegenden Erfindung eine elastische Verformung an der Dichtungsfläche durch
ein ungleichmäßiges Belasten
des im allgemeinen zylindrischen Dichtungsringes 54 mit
der Energiezuführeinrichtung 52.
Die einzelne Energiezuführeinrichtung 52 für die mechanische
Dichtung 54 ist in der Lage, eine sich verändernde
Belastung auf einen Dichtungsring 54 mit gleichmäßigem Querschnitt
anzuwenden. Die Energiezuführeinrichtung 52 ähnelt einem
Runddichtring, außer
daß sie
eine Vielzahl von Knoten 56 mit einem größeren Querschnittdurchmesser
aufweist. Wenn sie auf ihren Dichtungsring 54 montiert
werden, werden diese Knoten 56 örtlich höhere Belastungen auf den Dichtungsring
anwenden. Diese diskrete Belastung bewirkt, daß sich die Dichtungsfläche elastisch
zu einer hydrodynamischen Wellengeometrie verformt. Beispielsweise könnte die
Energiezuführeinrichtung 52 mit
dem Dichtungsring 54 auf der Lagerwelle 16 anstelle
des Dichtungsringes 42 aus 3 und 4 montiert werden.
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Alternativ
könnte
eine wellige Tellerfeder als eine Energiezuführeinrichtung anstelle der
oder zusätzlich
zur Energiezuführeinrichtung 52 verwendet werden.
Viele andere Veränderungen
und Kombinationen der ungleichmäßig geformten
Elastomere, Federn oder anderen Vorrichtungen, die die Anwendung
ungleichmäßiger Kräfte auf
einen Dichtungsring bewirken, liegen ebenfalls innerhalb des Bereiches
dieser Erfindung. Alle würden
eine einzelne Energiezuführeinrichtung
aufweisen, die bei der Montage eine sich verändernde Belastung auf einen
Dichtungsring mit gleichmäßigem Querschnitt
anwenden kann, wodurch eine elastische Verformung der mechanischen
Dichtung in eine hydrodynamische Wellengeometrie hervorgerufen wird.
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8 zeigt eine weitere Ausführung der
vorliegenden Erfindung. Ein im allgemeinen zylindrischer Gleitringdichtungsring 66 mit
einer ungleichmäßigen statischen
Dichtungsfläche
benutzt eine gleichmäßig geformte
Energiezuführeinrichtung.
Die ungleichmäßige Fläche, die
aus Höckern
oder Wülsten 62 besteht,
ist auf der Seite des Dichtungsringes 66 vorhanden, die
die Energiezuführeinrichtung 48 berührt. Diese
Höcker
oder Wülste 62 verursachen eine
Veränderung
der Kraft, die von der Energiezuführeinrichtung auf diesen Dichtungsring 66 angewandt
wird, wenn montiert wird. Die sich verändernden Kräfte in Verbindung mit richtig
konstruierten Höckern 62 verursachen
wiederum Verformungen der Dichtungsfläche, wodurch die gewünschte hydrodynamische
Wellenform auf der Dichtungsfläche
erzeugt wird. Ein Vorteil der Höcker 62 ist,
daß sie leichter
als ungleichmäßige Elastomere
aufzubauen sind, und daß die
statische Abdichtung leichter zustande gebracht werden kann. Ein
zusätzlicher
Vorteil dieser Konstruktion ist, daß die Wülste dabei helfen, eine Seitwärtsbewegung
des Dichtungsringes 66 auf der Lagerwelle 16 während des
Betriebes zu verhindern.
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Bei
der bevorzugten Ausführung
wird die Dichtungsfläche
eines stationären
Dichtungsringes flacher als etwa 1,77 μm (sechs Heliumlichtbänder) geläppt und
auf eine Oberflächenbeschaffenheit
von mindestens etwa 0,127 μm
(5 Mikroinch) RA über seine
gesamte Breite poliert. Wiederum mit Bezugnahme auf 3 ist der stationäre Ring 42 mit einer Energiezuführeinrichtung 48 versehen,
die eine übereinstimmende
Energiezuführkraft
an allen peripheren Stellen aufrechterhält. Das kann beispielsweise
mittels eines konventionellen elastomeren Runddichtringes zustande
gebracht werden.
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In
der folgenden Diskussion sind die vorgelegten Dimensions- und Konstruktionsdaten
für eine mechanische
Gleitringdichtung für
311 mm (12–1/4'') bemessene Bohrmeißel typisch. Obgleich die Details bei
den Dichtungen für
andere Meißelgrößen variieren
können,
werden die Konstruktionstheorie und die Funktion der Gleitringdichtungen
die gleichen sein.
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Die
Dichtungsfläche 41 des
stationären
Ringes 42 wird so hergestellt, daß sie eine flache, ebene Fläche 70 an
ihrem äußeren Umfang
und eine stufenweise kegelförmige
oder kugelförmige
Fläche 45 an ihrem
Innendurchmesser aufweist, wie es bei den meisten Gleitringdichtungen
nach dem bisherigen Stand der Technik üblich ist. Der Außendurchmesser des
Dichtungsringes 42 beträgt
88 mm (3,470 in.), und die kugelförmige Fläche 45 weist einen
Radius R von 1500 mm (60 in.) auf.
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Um
diese Dichtung herzustellen, wird die volle Breite der Dichtungsfläche zuerst
kugelförmig
so geläppt,
daß eine
Oberflächenbeschaffenheit
von etwa 0,127 μm
(5 Mikroinch) oder weniger erreicht wird. Ein zweiter Läppvorgang
wird danach auf einem flachen Läpptisch
durchgeführt,
gefolgt von einem Poliervorgang, um eine glatte, ebene Dichtungsfläche 70 am äußeren Umfang
der Dichtungsfläche
zu bilden. Das erzeugt eine Dichtungsfläche 41 am Dichtungsring 42,
die eine flache Dichtungsfläche 70 am äußeren Umfang
und einen kegelförmigen
inneren Abschnitt 45 aufweist. Bei der Montage bildet die Kombination
des flachen äußeren Umfanges 70 und die
durch den Radius R bewirkte Konizität einen sehr schmalen Spalt
G zwischen den Dichtungsflächen angrenzend
an den Innendurchmesser der Dichtungsringe.
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Die
Innenfläche 43 des
Dichtungsringes 42 wird sandgestrahlt, um eine sehr rauhe
Fläche
von etwa 3 bis 10 μm
(120 bis 400 Mikroinch) RA zu bilden, die an der Energiezuführeinrichtung 48 anliegt, um
der Drehung des Dichtungsringes 42 mit Bezugnahme auf die
Lagerwelle 16 während
des Betriebes zu widerstehen.
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Der
sich drehende Dichtungsring 44 wird gegen den stationären Ring 42 mittels
einer Reihe von zwölf
Spiralfeder-Energiezuführeinrichtungen 46 gedrückt, die
am Umfang des Ringes 44 beabstandet sind, um eine Belastung
an diskreten Stellen anzuwenden. Jede Spiralfeder zeigt einen Durchmesser von
etwa 4,45 mm (0,175 in.) und weist eine Federkonstante von annähernd 6,1
N/mm (35 lbs. pro in.) auf. Die Federn 46 werden so zusammengedrückt, daß jede Feder
etwa 33,4 N (7,5 lbs.) auf den sich drehenden Ring 44 bei
der Montage ausübt.
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Die
Aussparungen 47 im sich drehenden Dichtungsring 44 zeigen
einen Durchmesser von jeweils etwa 4,7 mm (0,188 in.) und eine Tiefe
von etwa 3,61 mm (0,142 in.), die Bohrerspitze nicht gezählt. Die
Dicke des sich drehenden Ringes 44 ist nominell 5,84 mm
(0,230 in.), so daß die
Aussparungen bis zu etwa 80% der Dicke des Dichtungsringes 44 nutzen.
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Die
Mitten der Spiralfeder-Energiezuführeinrichtungen 46 sind
bei einem Durchmesser von etwa 81 mm (3,218 in.) positioniert, was
kleiner ist als der äußerste Durchmesser
der Dichtungsgrenzfläche von
85 mm (3,350 in.). Das bewirkt, daß sich der Dichtungsring 44 an
der Dichtungsfläche 47 etwas durchbiegt,
beginnend bei einem Durchmesser, der kleiner ist als der äußere Umfang
des Dichtungsringes, und sich nach innen fortsetzend. Der Ring 44 biegt
sich nach außen
in Richtung des stationären Dichtungsringes 42 in
den Spalt G an diskreten Stellen unterhalb der Spiralfedern durch.
Das Ergebnis dieses Durchbiegens ist die Ausbildung einer hydrodynamischen
Wellengeometrie auf den Dichtungsflächen gleich der, die in 5 gezeigt wird. Eine wirksame
Verformung weist typischerweise eine Größe von mehr als etwa 0,89 μm (drei Heliumlichtbänder) auf.
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Eine
alternative bevorzugte Ausführung
wird in 4 und 5 gezeigt. Der Unterschied
zwischen den in 4 und 3 gezeigten Konstruktionen
ist, daß der
kugelförmig
geläppte
Radius R2 in die Dichtungsfläche 147 des
sich drehenden Ringes 244 eher als den stationären Ring 242 geformt
wird. In diesem Fall wird die kugelförmig geläppte Fläche 245, die durch
den Radius R2 definiert wird, in Richtung des stationären Dichtungsringes 42 gebogen,
was ein Wellenmuster 72 auf dieser Fläche erzeugt, wie stark übertrieben
in 5 gezeigt wird. Die
Dichtungsgrenzfläche
weist eine wellenförmige
innere Begrenzung 74 auf, die mit Bezugnahme auf den stationären Ring 42 während der
Drehung schwingt, wodurch Schmiermittel den Dichtungsflächen zugeführt und ein
geringes Maß an
hydrodynamischem Anheben hervorgerufen wird.
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Die
hydrodynamische Geometrie und der Grad der Schmierung, den sie liefert,
kann durch die Anzahl der Federn 46, die Schließkräfte, die
von jeder Feder angewandt werden, und die radiale Anordnung der
Federn gesteuert werden. Die Steifigkeit des sich drehenden Dichtungsringes 44 kann
verändert
werden, um den Grad der Verformung und dadurch die hydrodynamische
Wirkung der Dichtung durch Regulieren ihres Moduls oder ihrer Querschnittsgeometrie
zu beeinflussen. Die Geometrie der Dichtungsgrenzfläche und
das Schmierungsspiel zwischen den Dichtungsflächen sind für Veränderungen bei diesen Veränderlichen
empfindlich. Man muß darauf
achten, daß die
richtige Kombination dieser Veränderlichen
angewendet wird, um eine wellenförmige
Dichtungsgrenzflächenbegrenzung
auf der Schmiermittelseite zu erreichen, während eine kreisförmige ausschließende Begrenzung
auf der Bohrflüssigkeitsseite
aufrechterhalten wird.
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Ein
Vorteil aller Ausführungen
dieser Erfindung ist, daß sie
konventionelle Herstellungsverfahren für Gleitringdichtungen anwenden.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die
Geometrie der Dichtungsgrenzfläche
minimale Veränderungen
erfährt,
während
der Flächenverschleiß fortschreitet.
Während
sich die Dichtungsgrenzfläche
infolge des Verschleißes
nach innen bewegt, behält
ihr innerer Umfang eine hydrodynamsiche Form bei.
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Ein
noch weiterer Vorteil ist, daß der
Grad an hydrodynamischer Aktivität
erhöht
wird, da die Energiezuführungskraft
infolge der Dichtungsbewegung und der Umgebungsdruckveränderungen
größer wird.
Der hydrodynamische Schmierungsdruck wird größer, wenn die Dichtungsflächen stark
belastet werden. Gleichfalls erzeugt eine verringerte Verformung
unter einer verringerten Energiezuführungskraft einen geringeren
hydrodynamischen Druck, wenn die Belastung der Dichtungsfläche verringert wird.
Diese selbstausgleichende Wirkung verringert den Austritt und den
Verschleiß der
Dichtungsfläche.
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Es
wäre für einen
Fachmann leicht erkennbar, daß es
viele weitere Kombinationen von Dichtungsringen und Energiezuführeinrichtungen
gibt, die ausgeführt
werden können,
und die dennoch nicht vom Bereich der vorliegenden Erfindung abweichen. Beispielsweise
könnte
eine einteilige Dichtungsring/Energiezuführeinrichtung-Kombination in
einer Weise so hergestellt werden, daß sich die Dichtungsfläche zu einer
hydrodynamischen Wellenform bei der Montage oder beim Betrieb verformt.
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In
allen Fällen
wird jedoch der eine oder beide der Dichtungsringe so hergestellt,
daß die
Dichtungsflächen
im wesentlichen glatt und flach sind, während sie freistehend sind,
und sich dennoch zu einer hydrodynamischen Wellengeometrie verformen,
wenn montiert wird.
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Wohingegen
die vorliegende Erfindung mit spezieller Bezugnahme auf die hierin
beigefügten Zeichnungen
beschrieben wurde, muß verstanden werden,
daß andere
und weitere Abwandlungen abgesehen von jenen, die hierin gezeigt
oder vorgeschlagen werden, innerhalb des Bereiches der vorliegenden
Erfindung vorgenommen werden können, wie
er durch die als Anhang beigefügten
Patentansprüche
definiert wird.