ES2922899T3 - Junta rotativa con conjunto de sensores integral - Google Patents

Abstract

La descripción describe un dispositivo giratorio que incluye una carcasa, un componente de máquina giratoria, un elemento giratorio asociado con el componente de máquina giratoria, un elemento no giratorio dispuesto dentro de la carcasa adyacente al elemento giratorio y una matriz de sensores dispuesta en la carcasa. La matriz de sensores incluye una pluralidad de elementos de detección que están integrados con un dispositivo de control y un dispositivo de comunicación inalámbrica. El dispositivo de comunicación inalámbrica está configurado para comunicarse con un control central que está ubicado de forma remota con respecto a la carcasa utilizando ondas electromagnéticas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Junta rotativa con conjunto de sensores integral

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

La presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente provisional de Estados Unidos número de serie 62/289.659, presentada el 1 de febrero de 2016.

Campo técnico de la descripción

La presente invención se refiere a juntas rotativas.

Antecedentes de la descripción

Los dispositivos de acoplamiento de fluidos, como las juntas rotativas, se utilizan en aplicaciones industriales, por ejemplo, en el mecanizado de metales o plásticos, en la sujeción de piezas, en la impresión, en la fabricación de películas de plástico, en la fabricación de papel y en otros procesos industriales que requieren la transferencia de un medio fluido desde una fuente estacionaria, como una bomba o un depósito, a un elemento rotativo, como el husillo de una máquina herramienta, el sistema de sujeción de piezas de trabajo o los tambores o cilindros rotativos. A menudo, estas aplicaciones requieren presiones de medios relativamente altas, caudales, o altas velocidades de rotación de la máquina herramienta.

Las juntas rotativas utilizadas en estas aplicaciones transportan el medio fluido utilizado por el equipo para enfriar, calentar o accionar uno o más elementos rotativos. Los medios fluidos típicos incluyen líquidos a base de agua, aceites hidráulicos o de refrigeración, aire y otros. En algunos casos, por ejemplo, cuando se evacuan los medios de un paso de fluido, las juntas rotativas pueden funcionar en vacío. Las máquinas que utilizan juntas rotativas suelen incluir componentes de precisión, como rodamientos, engranajes, componentes eléctricos y otros, que son caros y/o difíciles de reparar o sustituir durante el servicio. Estos componentes suelen estar expuestos a ambientes corrosivos o a daños si están expuestos a fugas de fluido o a la ventilación de la junta rotativa durante el funcionamiento. La fuga de fluido de una junta también suele ser indeseable.

Una junta rotativa incluye típicamente un elemento estacionario, a veces denominada carcasa, que tiene un puerto de entrada para recibir el medio fluido. Un elemento de sellado no rotativo está montado dentro de la carcasa. Un elemento rotativo, que a veces se denomina rotor, incluye un elemento de sellado rotativo y un puerto de salida para suministrar el fluido a un componente rotativo. Una superficie de sellado del elemento de sellado no rotativo es empujada a enganche estanco a los fluidos con la superficie de sellado del elemento de sellado rotativo, generalmente mediante un resorte, presión de medios u otro método, permitiendo así que se forme un sello entre los componentes rotativos y no rotativos de la junta. El sello permite la transferencia del medio fluido a través de la junta sin una fuga significativa entre las porciones no rotativas y rotativas. Cuando una junta rotativa se utiliza con un medio no lubricante (como el aire seco) o sin ningún medio, las superficies de sellado enganchadas experimentan una condición de “funcionamiento en seco”, lo que provoca un rápido desgaste del sello debido a la falta de lubricación adecuada. Los períodos prolongados de funcionamiento en seco pueden causar daños graves a los elementos de sellado, lo que requiere una sustitución costosa y lenta de uno o ambos elementos de sellado.

Los equipos de mecanizado de alta velocidad, como las fresadoras de control numérico por ordenador (CNO), las taladradoras, las máquinas de torneado, las líneas de transferencia, etc., utilizan juntas rotativas para suministrar un medio directamente al borde de corte de una herramienta para su refrigeración y lubricación en una disposición que se conoce comúnmente como “refrigerante a través de husillo”. Una disposición de refrigerante a través de husillo prolonga la vida útil de las costosas herramientas de corte, aumenta la productividad al permitir mayores velocidades de corte y elimina de las superficies de corte de la herramienta las virutas de material que pueden dañar la pieza de trabajo o la herramienta de corte. Los diferentes materiales de las piezas de trabajo suelen requerir diferentes medidas para obtener una productividad y un rendimiento óptimos. Por ejemplo, los medios de aire o aerosol pueden proporcionar un mejor control térmico cuando se mecanizan materiales muy duros, mientras que los refrigerantes líquidos pueden ofrecer un mejor rendimiento cuando se mecanizan materiales más blandos, como el aluminio. Además, ciertos tipos de trabajo pueden realizarse de manera más eficaz y menos costosa sin un medio a través de husillo.

Se conoce una variedad de diseños destinados a evitar el funcionamiento en seco con medios no lubricantes o sin medios. Por ejemplo, las juntas rotativas con superficies de sellado que se desenganchan cuando hay presiones de fluido opuestas, como la disposición descrita en la patente de Estados Unidos 5.538.292, pueden ser complejas y caras de fabricar. Las juntas rotativas con superficies de sellado que se desenganchan automáticamente en ausencia de medios, como la disposición descrita en la patente de Estados Unidos 4.976.282, son menos complejas de fabricar e incorporar en una máquina, pero son propensas al enganche de las superficies de sellado cuando se utilizan medios no lubricantes. Las superficies de sellado con geometrías especiales para el funcionamiento sin contacto con gases, como las descritas en las patentes de Estados Unidos 6.325.380 y 6.726.913, no proporcionan un sellado eficaz con medios líquidos. Del mismo modo, las superficies de sellado con geometrías especiales para distribuir uniformemente el medio, como la disposición de sellado descrita en la patente de Estados Unidos 6.149.160, no ofrecen ninguna ventaja cuando se utilizan medios no lubricantes. Las juntas rotativas que enganchan las superficies de sellado en todo momento, incluso con un sesgo reducido, como las juntas descritas en la Patente de Estados Unidos 6.929.099, son propensas a dañarse por el funcionamiento en seco a altas velocidades de rotación.

Sin embargo, incluso con el uso de un sellado mejorado y mecanismos para evitar el funcionamiento en seco de las juntas, cualquier junta requerirá eventualmente su reparación o reemplazo. Algunos operadores de máquinas pueden reemplazar las juntas periódicamente para evitar una pérdida repentina de rendimiento, o pueden operar una máquina con una junta que requiere ser reemplazada. Estas y otras medidas suelen tener consecuencias costosas. Las inspecciones periódicas de las juntas también consumen tiempo y son costosas, ya que las juntas se encuentran típicamente dentro de una máquina y requieren el esfuerzo de un técnico para acceder a ellas y evaluar su estado.

El documento US 2008/0016950 A1 describe una junta rotativa que tiene un sensor montado a una distancia predeterminada de la carcasa de la junta rotativa.

El objeto de la presente invención es proporcionar una junta rotativa que permita, entre otras ventajas, una mejor capacidad de servicio. Este objeto se resuelve mediante el objeto de las reivindicaciones independientes 1 y 8. Breve resumen de la descripción

La descripción describe, en un aspecto, una junta rotativa según la reivindicación 1 configurada para transferir un fluido. La junta rotativa incluye una carcasa que tiene un canal de medios, teniendo además la carcasa una cavidad, estando aislado fluidamente la cavidad del canal de medios; un componente de máquina rotativo soportado rotativamente en la carcasa; un elemento de sellado rotativo asociado con el componente de máquina rotativo; un elemento de sellado no rotativo dispuesto de forma deslizante y sellable dentro de la carcasa adyacente al elemento de sellado rotativo; y un conjunto de sensores dispuesta en la cavidad, incluyendo el conjunto de sensores una pluralidad de elementos sensores que están integrados con un dispositivo de control y un dispositivo de comunicación. El conjunto de sensores está aislado fluidamente del canal de medios cuando el elemento de sellado no rotativo está en contacto con el elemento de sellado rotativo para formar un sello de cara mecánico.

En otro aspecto, la descripción describe un método según la reivindicación 8 para operar una junta rotativa según la reivindicación 1.

Breve descripción de las diversas vistas de los dibujos

La figura 1 es una vista en perspectiva de una junta rotativa de acuerdo con la descripción.

La figura 2 es una vista en sección de la junta rotativa mostrada en la figura 1.

La figura 3 es una vista en perspectiva, y la figura 4A es una vista de detalle ampliada de una junta de acuerdo con la descripción; la figura 4B es una vista de detalle ampliada de una realización alternativa de un collarín para una junta de acuerdo con la descripción.

Las figuras 5 y 6 son diferentes vistas de un módulo sensor de acuerdo con la descripción.

La figura 7 es una vista esquemática de un sistema de monitoreo de junta o arreglo de componentes de acuerdo con la descripción,

Las figuras 8-10 son diagramas de flujo de métodos de acuerdo con la descripción.

Las figuras 11 y 12 son vistas en perspectiva de una junta rotativa de acuerdo con la descripción.

Descripción detallada

En los dibujos, que forman parte de esta memoria descriptiva, la figura 1 muestra una vista en perspectiva de una junta rotativa 100, y la figura 2 muestra una vista en sección a través de la junta rotativa 100 para ilustrar varios componentes internos.

En referencia a la junta rotativa ejemplar ilustrada en este documento, la junta rotativa 100 incluye un elemento de sellado rotativo 102 y un elemento de sellado no rotativo 104 que es axialmente móvil en relación a una carcasa 106. Un conducto segmentado o canal de medios 112 se extiende a través de la carcasa 106, y también de los elementos de sellado rotativo y no rotativo 102 y 104 respectivamente.

Porciones del canal de medios 112 están definidas en diferentes componentes de la junta rotativa 100 para proporcionar un paso de fluido a través de la junta rotativa 100 cuando los elementos de sellado rotativos y no rotativos 102 y 104 están enganchados. El canal de medios 112 puede estar dispuesto de forma selectiva para encerrar fluidos cuando los elementos de sellado rotativos y no rotativos 102 y 104 están enganchados entre sí, y estar abierto para ventilación a la atmósfera cuando los elementos de sellado rotativos y no rotativos 102 y 104 no están enganchados.

El elemento de sellado rotativo 102, que se realiza aquí como un anillo de sellado unido al componente de máquina rotativo 108, pero que puede estar integrado alternativamente en el componente de máquina rotativo 108, puede ser cualquier tipo de componente de máquina, como un husillo de una fresadora CNO. Un sello de cara mecánico creado cuando el elemento de sellado rotativo 102 se engancha con el elemento de sellado no rotativo 104 sella el canal de medios 112 para transferir un medio fluido desde una entrada de fluido 110 de la carcasa 106 a una salida 111 formada en el extremo del componente de máquina rotativo 108, como es conocido en la técnica. El componente de máquina rotativo 108 tiene un orificio 109 que define una porción del canal de medios 112.

El elemento de sellado no rotativo 104 está dispuesto de forma deslizante y sellada dentro de un orificio 128 de la carcasa 106. La disposición estructural que permite el deslizamiento del elemento de sellado no rotativo 104 en relación con el componente de máquina no rotativo 110 permite el enganche y desenganche selectivos del elemento de sellado no rotativo 104 con el elemento de sellado rotativo 102, y compensa el desplazamiento axial que puede haber entre el componente de máquina rotativo 108 y la carcasa 106.

La variación selectiva de la presión de fluido dentro del paso del medio 112 durante el funcionamiento de la junta rotativa 100 produce fuerzas hidráulicas netas que se aplican para empujar al elemento de sellado no rotativo móvil 104 a moverse con respecto a la carcasa 106 de manera que pueda producirse un acoplamiento de sellado a lo largo de una interfaz 114 entre el elemento de sellado rotativo 102 y el elemento de sellado no rotativo 104. La extensión del elemento de sellado 104 en relación con la carcasa 106 y el enganche de las superficies de sellado correspondientes formadas en las caras opuestas del elemento de sellado rotativo 102 y el elemento de sellado no rotativo 104 crean un paso de fluido a lo largo del canal de medios 112. El elemento de sellado no rotativo 104 puede estar encajado en su orificio de recepción en la carcasa 106 para evitar su rotación, especialmente cuando existe un enganche de sellado entre el elemento de sellado rotativo 102 y el elemento de sellado no rotativo 104.

La carcasa 106 engancha de forma sellada el elemento de sellado no rotativo 104, y define en ella varias cámaras hidráulicas para el enganche selectivo entre los elementos de sellado rotativos y no rotativos 102 y 104. Más específicamente, la carcasa 106 incluye una porción de agujero escalonado 116 que se aloja en ella y engancha de forma sellable un extremo de un sello de expansión 118, que se forma con una porción de fuelle 120 que se dispone entre las porciones rectas 122 (véase también la figura 3 y las secciones de detalle ampliadas que se muestran en la figura 4A y la figura 4B). El sello de expansión 118 puede estar formado por un material elástico como caucho, TPE, un fluoroelastómero y otros materiales, e incluye collarines rígidos 124 a lo largo de las porciones rectas 122. El sello de expansión 118 se acopla a la porción escalonada 116 en un extremo, y a un rebaje 126 formado en el elemento de junta no rotativo 104 en otro extremo. Cuando el elemento de sellado no rotativo 104 es empujado por fuerzas hidráulicas para moverse hacia el enganche con el elemento de sellado rotativo 102, el sello de expansión 118 se expande en una dirección axial a medida que aumenta la longitud de la porción de fuelle 120 a lo largo de una línea central 128 del sello de expansión 118, que en la realización ilustrada tiene una forma generalmente cilíndrica que está dispuesta concéntricamente con el componente de máquina rotativo 108 y el elemento de sellado rotativo 102.

Como se puede ver en las figuras 4A y 4B, la porción de agujero escalonado 116 y el rebaje 126 forman bordes redondeados o biselados frente al sello de expansión 118 para ayudar a retener el sello en su lugar y también para evitar posibles daños o desgarros en el material del sello durante su uso. Específicamente, estos bordes, que se indican como bordes 130 en las figuras 4A y 4B, tienen un radio de curvatura, R, que generalmente coincide con un radio de curvatura, R', de una interfaz 132 entre las porciones rectas 122 y la porción de fuelle 120 en el sello de expansión 118 (véase la figura 3). La compatibilidad de los radios en el área de contacto entre la interfaz 132 y los bordes 130 asegura un contacto de baja tensión entre las porciones móviles o de deformación del sello de expansión 118, la carcasa 106 y el elemento de sellado no rotativo 104.

Durante el funcionamiento de la junta rotativa 100, el sello de expansión 118 es retenido en general en su lugar debido a que está restringido axialmente en ambos extremos por la carcasa 106 y el elemento de sellado no rotativo 104. El sello de expansión 118 también se retiene radialmente en su lugar a través del acoplamiento de la superficie cilíndrica exterior de la porción recta 122 con una superficie cilíndrica interior de la porción de agujero escalonado 116. Tal enganche puede ser suficiente para mantener el sello de expansión 118 en posición durante la operación sin presión interna, o presión positiva. Sin embargo, si el canal de medios 112 se expone a una presión negativa (vacío), como la que puede utilizarse para evacuar fluidos dentro del canal de medios 112, puede existir la posibilidad de que la junta expansible se deforme elásticamente, al menos temporalmente, y especialmente en áreas a lo largo de las interfaces de contacto cilíndricas radialmente externas con las porciones rectas 122.

Para garantizar un contacto continuo a lo largo de las porciones rectas, los collarines 124 se insertan internamente en las porciones rectas 122. Cada collarín 124 forma una sección de eje 134, que tiene una forma cilíndrica hueca, y también puede incluir opcionalmente un saliente 135 (mostrado en la figura 4B), que se extiende radialmente hacia fuera en relación con la sección de eje. El saliente 135 puede extenderse radialmente hacia fuera con respecto a la sección de eje 134 hasta un diámetro exterior que es mayor que un diámetro interior típico 138 del canal de medios 112, o al menos un diámetro interior de un componente que rodea el sello de expansión 118, como el elemento de sellado no rotativo 104 y una abertura 140 en la carcasa.

Cuando se inserta en cada porción recta 122, cada collarín puede estar orientado de tal manera que el saliente 135 esté dispuesto en el lado de la porción de fuelle 120. En la realización ilustrada, en la que no se incluye ningún saliente, los collarines 124 se insertan completamente en cada porción recta 122 respectiva de manera que cubran completamente, en una dirección axial, una región de enganche de las porciones rectas 122 con la carcasa o el elemento de sellado no rotativo. Cuando el sello de expansión 118 se instala en la junta rotativa 100, y los collarines 124 están en posición, cada collarín 124 está dimensionado para impartir una fuerza radial preseleccionada hacia afuera y de compresión en la porción recta 122 del sello de expansión 118 para proporcionar un enganche de sellado entre los dos extremos del sello de expansión 118 y el respectivo componente de acoplamiento, que. como puede verse en las figuras 4A y 4B, incluye la carcasa 106 y el elemento de sellado no rotativo 104. Cuando se utilizan lubricantes en el canal de medios 112, que pueden entrar a lo largo de las interfaces entre el sello de expansión 118 y los componentes en los que está instalada, una fuerza axial puede tender a empujar axialmente cualquier extremo de la junta con respecto a sus componentes de acoplamiento. Para limitar tales condiciones de deslizamiento, el collarín 124 actúa para limitar el movimiento axial de las porciones rectas 122.

Dependiendo de la longitud sin comprimir del sello de expansión 118 a lo largo de su línea central, el sello de expansión 118 también puede utilizarse para proporcionar una precarga o tensión previa a los elementos de sellado rotativos y no rotativos 102 y 104. Dicha tensión previa puede ser aumentada o complementada de manera estática por los resortes 136, los cuales se ilustran en la realización ejemplar de la figura 4A y se muestran como muelles de compresión. Más específicamente, donde ciertas juntas rotativas pueden incluir un resorte que tiende a empujar los elementos de sellado a contacto entre sí, el resorte y otros sellos secundarios pueden ser eliminados y reemplazados o asistidos, como en la realización ilustrada, por el sello de expansión 118, que cumple el papel de mantener un sello de fluido mientras el elemento de sellado no rotativo 104 se mueve con respecto a la carcasa 106, y también puede ser seleccionado de tal manera que cumpla el papel de tensión previa de los elementos de sellado, es decir, empujar los elementos de sellado hacia una dirección de enganche del sello hacia otro de forma elástica, si la longitud del sello de expansión 118 se selecciona para que sea mayor que la apertura axial para el sello que se proporciona. Dinámicamente, cuando un fluido bajo presión positiva está presente en el canal de medios 112, la fuerza de empuje del sello de expansión 118 puede ser aumentada por una fuerza hidráulica que tiende a expandir el sello. En las realizaciones ilustradas, el sello de expansión 118 incluye un fuelle con dos convoluciones o fuelles que tienen generalmente forma de M, pero se puede utilizar una sola o más de dos convoluciones.

Con referencia ahora a las figuras 1 y 2, la junta rotativa 100 incluye además dos conjuntos de rodamientos de rodillos 142 dispuestos entre la carcasa 106 y el componente rotativo de la máquina 108. Más específicamente, la carcasa 106 forma una región de rodamiento 144 que acomoda uno o más rodamientos 146, dos de los cuales se muestran en la realización ilustrada. Los rodamientos 146 se muestran como rodamientos de bolas, cada uno de los cuales incluye una pista exterior 148, una pista interior 152, y una pluralidad de bolas 154 dispuestas entre ellas. Cada pista exterior 148 y pista interior 152 está formada como un anillo, donde la pista exterior 148 engancha radialmente una superficie interior generalmente cilíndrica 156 de la región de rodamiento 144 del alojamiento 106, y donde la pista interior 152 engancha una superficie exterior generalmente cilíndrica 158 del componente de máquina rotativo 108. En la realización ilustrada, la superficie interior 156 de la región de rodamiento 144 se forma en un inserto metálico 159 que se inserta y conecta a la carcasa 106, que de otro modo sería de plástico.

Los cojinetes 146 están limitados axialmente dentro de la superficie interna generalmente cilíndrica 156 por anillos en C 160. Cuando los anillos en C 160 se retiran secuencialmente, todo el conjunto de componentes rotativos y no rotativos y los elementos de sellado pueden ser retirados de la carcasa 106 a través de una abertura frontal 162 para facilitar ventajosamente el montaje, el desmontaje y el servicio de la junta rotativa 100. Un anillo en C interior 160 está dispuesto más cerca del elemento de sellado no rotativo 104 y se acopla a lo largo de un diámetro interior del mismo alrededor del componente de máquina rotativo 108. Un anillo en C exterior 160, que está dispuesto más cerca de la abertura frontal 162, engancha a lo largo de su diámetro exterior dentro de la superficie interna generalmente cilíndrica 156 de la región de rodamiento 144 de la carcasa 106. La carcasa 106 forma además una o varias aberturas de drenaje 164 junto a la interfaz de sellado entre el elemento de sellado rotativo 102 y el elemento de sellado no rotativo 104.

Un rotor 166, que ocupa axialmente un espacio entre el cojinete interior 146 y una superficie de extremo anular de la región de rodamientos 144, tiene una forma generalmente de disco y está dispuesto alrededor de un extremo interior del componente de máquina rotativo 108. El rotor 166 incluye uno o más imanes 168 dispuestos a intervalos angulares regulares alrededor de su periferia. Un saliente exterior 170 formado en el componente de máquina rotativo 108, en cooperación con los cojinetes 146 y el rotor 166, ayuda a restringir axialmente y montar rotativamente el componente de máquina rotativo 108 y el rotor 166 con respecto a la carcasa.

La junta rotativa 100 descrita en el presente documento puede ser fabricada y ensamblada por varios métodos. En la realización ilustrada, los componentes principales de la junta rotativa 100, tales como la carcasa 106, el componente de máquina rotativo 108 y, posiblemente, el rotor 166, se fabrican utilizando materiales plásticos, que pueden ser formados de cualquier manera adecuada, incluyendo el uso de máquinas de impresión tridimensional. Pueden añadirse insertos metálicos 107 en las interfaces de fluido de la carcasa 106. Alternativamente, y dependiendo del entorno operativo de la junta rotativa, el tipo y la temperatura del fluido que ocupará en ocasiones el canal de medios 112, algunos o todos estos y otros componentes pueden ser fabricados utilizando diferentes materiales como metal y diferentes métodos de fabricación.

Es relevante para la presente descripción que la junta rotativa 100 incluye además un conjunto de sensores 200 dispuesto en una cavidad 202 que está definida en la carcasa 106 y encerrada por una cubierta 204, como se muestra, por ejemplo, en las figuras 1 y 2. En la realización ilustrada, la cavidad 202 se muestra de modo que se separe o aísle fluidamente del canal de medios cuando los elementos de sellado rotativos y no rotativos 102 y 104 estén en contacto. Además, el conjunto de sensores 200 tiene una porción que sobresale de la cavidad y solapa axialmente una de las aberturas de drenaje 164 y también una interfaz de los anillos de sello rotativo y no rotativo 102 y 104. El conjunto de sensores 200 en la realización ilustrada es un conjunto de sensores totalmente operativo que incluye uno o más sensores dispuestos en un sustrato, que también incluye dispositivos de alimentación y comunicación. En general, puede utilizarse cualquier tipo de conjunto de sensores totalmente operativo o independiente. En las figuras 5 y 6 se muestran ilustraciones ejemplares del conjunto de sensores 200, que reside en una placa de circuito 206, desde ambos lados. En referencia a la figura 5, que muestra un lado frontal del conjunto 200, el conjunto de sensores incluye varios componentes, incluyendo una antena 206, un conector de radiofrecuencia 208, un acelerómetro 209, dos sensores de temperatura de infrarrojos (IR) 210 y 211, un sensor de movimiento 212, un sensor de humedad 213, una unidad de microcontrol (UMC) 214, pero pueden utilizarse otros sensores y dispositivos. Como se muestra, el primer sensor de temperatura IR 210 está dispuesto para medir una temperatura de la carcasa 106, y el segundo sensor de temperatura IR 211 está dispuesto adyacente al elemento de sellado no rotativo 104 y configurado para medir una temperatura de los elementos de sellado rotativos y/o no rotativos 102 y 104. Los sensores adicionales pueden incluir sensores de presión de fluidos, galgas extensiométricas y otros sensores utilizados para detectar, directa o indirectamente, una presión de los medios de fluido presentes en el canal de medios.

En su parte trasera, como se muestra en la figura 6, el conjunto de sensores 200 incluye un dispositivo de almacenamiento de memoria 216, un sensor de captación magnética 218, un dispositivo de almacenamiento de energía 220, y otros dispositivos. Estos diversos dispositivos y sensores pueden ser utilizados ventajosamente para detectar, rastrear, supervisar, alertar, notificar e inferir varios parámetros de operación de la junta rotativa que pueden ser utilizados para determinar el estado de operación y los parámetros generales de operación que podrían ser utilizados para determinar la “salud” de la junta rotativa 100 y la máquina en la que la junta rotativa 100 está operando. Los datos recogidos también podrían ser utilizados para comparar, analizar y optimizar las operaciones.

En una realización contemplada, los imanes 168 dispuestos a lo largo del rotor 166 pueden utilizarse para generar un campo magnético rotativo durante el funcionamiento de la junta 100, que puede utilizarse para generar energía eléctrica en una bobina para cargar un dispositivo de almacenamiento de energía 220 o, en general, para alimentar el conjunto de sensores. La bobina, que puede realizarse junto con el sensor de captación magnética 218, u otro componente eléctrico equivalente, puede proporcionar una solución para alimentar el conjunto de sensores 200, así como para recargar la batería, eliminando así la necesidad de cambiar periódicamente las baterías. En este sentido, pueden utilizarse otras fuentes de energía, como elementos piezoeléctricos que generen potencial eléctrico cuando la junta vibre, células fotovoltaicas para aplicaciones en las que la junta esté expuesta a la luz natural o artificial, y similares. En una realización alternativa, el dispositivo de almacenamiento de energía 220 puede realizarse como una batería, que puede ser reemplazada cuando su energía se haya agotado, o también puede ser una conexión para un suministro de energía eléctrica por cable desde una fuente externa.

Más específicamente, varias señales indicativas de las condiciones físicas de la junta rotativa y su entorno circundante pueden ser generadas por los diversos sensores en el conjunto de sensores 200 y comunicadas a la UMC 214 para su procesamiento y/o transmisión a un receptor externo para su retransmisión a un operador o monitor de la máquina. En la realización ejemplar mostrada y descrita en la presente descripción, la antena 206 y/o el conector de radiofrecuencia 208 pueden utilizarse para efectuar la comunicación inalámbrica de información a y desde el conjunto de sensores, como se describirá más adelante en relación con la figura 7. Con respecto a las diversas señales de los sensores que se pueden utilizar para determinar o supervisar la salud de la junta rotativa, el sensor de temperatura 210 se puede utilizar para supervisar la temperatura de, o el espacio o el material inmediatamente alrededor de, la junta rotativa 100 como una indicación de la condición de los elementos de sellado rotativos y no rotativos 102 y 104. Además, este u otros sensores o conjuntos de sensores pueden utilizarse para supervisar y registrar la presión del fluido y/o la temperatura del fluido de los medios de trabajo. A este respecto, el funcionamiento en seco o la fricción excesiva en la interfaz de sellado durante el funcionamiento aumentará la temperatura de los elementos de sellado en relación con la carcasa y, por lo tanto, calentará las estructuras circundantes en la junta rotativa, lo que provocará un aumento de la temperatura detectada por el sensor de temperatura 211, que se reflejará en la señal de temperatura proporcionada a la UMC 214 como una diferencia de temperatura que puede utilizarse para determinar un fallo de sellado.

De forma similar, se pueden utilizar otros sensores para determinar el estado de funcionamiento de la junta rotativa 100. El sensor de humedad 213 se puede utilizar para detectar la presencia o el aumento de humedad, que puede ser una indicación de fuga en el sello. En una realización, para evitar señales de fuga positivas falsas, la UMC 214, en presencia de fluido frío que pasa a través del canal de medios 112 en un entorno húmedo, puede detectar humedad a partir de la condensación y no señalar una fuga a menos que se proporcionen indicaciones adicionales de una fuga, por ejemplo, un calentamiento de la interfaz del sello y el movimiento del fluido a través de al menos una de las aberturas de drenaje. El sensor de captación magnética 218 puede detectar los imanes 168 (figura 2) cuando pasan por el sensor 218 mientras la junta rotativa 100 funciona y el rotor 166 (figura 2) gira para proporcionar una indicación de la velocidad de rotación, y también del número de revoluciones que ha sufrido la junta rotativa, lo que junto con un contador puede proporcionar una indicación de la vida útil de la junta rotativa 100. El acelerómetro 209 puede detectar la vibración de la junta rotativa 100 para proporcionar una indicación del equilibrio y, por tanto, del estado estructural de los componentes rotativos dentro de la junta rotativa 100 y de los componentes conectados a la junta para detectar problemas estructurales asociados a la junta rotativa 100 o a la máquina en la que está instalada la junta rotativa 100. También se pueden utilizar otros sensores para supervisar y registrar el caudal y/o la presión de los medios de fluido.

Las diversas señales de parámetros de operación generadas por los sensores antes mencionados, y posiblemente señales adicionales o diferentes generadas por otros sensores, pueden ser transmitidas continuamente en tiempo real, o al menos durante la operación de la junta rotativa 100, a un centro de control 300, como se muestra en el diagrama esquemático mostrado de la figura 7. La figura 7 muestra dos de otras numerosas posibles realizaciones para la comunicación inalámbrica de información entre la junta rotativa 100 y, específicamente, el conjunto de sensores 200, y el centro de control 300. En las realizaciones ilustradas y ejemplares, se muestran dos opciones.

En una primera opción, mostrada en el lado izquierdo de la figura 7, la antena 206 (mostrada en la figura 5) de una junta rotativa 100 instalada en una máquina 301 está configurada para transmitir y recibir información a través de una red inalámbrica apropiada, y/o a través de una conexión por cable. En la realización ilustrada, se utiliza una red de área local (LAN) 304 para comunicarse con un dispositivo informático móvil 302, pero puede utilizarse cualquier otra red inalámbrica, como una red de área amplia (WAN), o una conexión wifi directa. El dispositivo informático móvil 302 puede incorporarse en cualquier tipo de dispositivo conocido, incluyendo un Smartphone, una tableta, un ordenador portátil o un dispositivo de pasarela de señal inalámbrica. El dispositivo informático móvil puede ser un dispositivo de mano o, alternativamente, puede ser un dispositivo integrado en, o parte de, una máquina más grande como la máquina 301 en la que la junta rotativa 100 está instalada y funcionando. Además de la conexión inalámbrica a la red 304, el dispositivo informático móvil incluye además una conexión a Internet 306 que conecta el dispositivo informático móvil 302 a Internet 308. La conexión a Internet 306 puede ser directa, por ejemplo, a través de una conexión de datos celular, o indirecta, como a través de wifi. En una realización, la funcionalidad del centro de control 300 puede estar integrada localmente en el dispositivo informático móvil 302, obviando así la necesidad de otras conexiones. Como puede apreciarse, Internet 308 puede ser parte de la red mundial, o puede ser una red distribuida que opere en una configuración de nube a través de múltiples ubicaciones simultáneamente. En esta disposición, el centro de control 300 está configurado para intercambiar información con la junta rotativa 100 a través de Internet 308 mediante el uso de una conexión dedicada 310. Debido a las limitaciones de alcance de ciertos tipos de redes, y también a la flexibilidad de utilizar un dispositivo informático móvil, la primera opción puede ser muy adecuada para instalaciones pequeñas en las que un puñado de máquinas 301 están instaladas relativamente cerca unas de otras. Para instalaciones más grandes, se puede utilizar una segunda opción, que se muestra en el lado derecho de la figura 7.

En la segunda opción, la antena 206 (mostrada en la figura 5) de una junta rotativa 100 instalada en una máquina 311 está configurada para transmitir y recibir información de forma inalámbrica en una red de área local dedicada 312 de baja potencia o, en una realización alternativa, una red de área amplia. La red de área local 312 es un estándar de red de malla inalámbrica de bajo coste y baja potencia, destinado al amplio desarrollo de dispositivos de larga duración de la batería en aplicaciones de control y supervisión inalámbricas. La información sobre la red 312 puede ser gestionada por un dispositivo de pasarela dedicado 314, que puede ser un dispositivo autónomo que maneje una o más juntas rotativas 100 que operan en la misma o en múltiples máquinas 311. La pasarela transporta la información desde la red 312 a una conexión de Internet 216, que está conectada a Internet 308 y por tanto al centro de control 300. Alternativamente, la conexión al centro de control 300 puede realizarse directamente con la junta rotativa 100 en una configuración de la junta que sea capaz de conexión directa a Internet. Aparte de estas dos opciones, otras realizaciones pueden incluir una conexión directa por wifi, red cableada o red de datos celular entre la junta rotativa 100 y el centro de control 300.

En los sistemas de intercambio de información mostrados en la figura 7, se pueden realizar varias funciones de diagnóstico y supervisión relativas a la junta rotativa 100. Por ejemplo, las aplicaciones móviles personalizadas que operan en el dispositivo informático móvil 302, o las aplicaciones informáticas especializadas que operan en ordenadores ubicados en el centro de control 300, pueden utilizarse para supervisar el funcionamiento de juntas rotativas 100 específicas para evaluar su estado de funcionamiento, ya sea localmente o de forma remota. Dichas aplicaciones pueden proporcionar otras ventajas, como la automatización de nuevos pedidos de juntas rotativas, para sustituir las juntas que se determine que están cerca de su vida útil mediante el uso de estos sistemas, proporcionando guías de solución de problemas para condiciones de funcionamiento inusuales detectadas por los conjuntos de sensores 200, e incluso proporcionando una conexión en vivo con un cliente o especialista técnico a través de chat o conexión telefónica cuando se encuentran problemas.

En la figura 8 se muestra un diagrama de flujo de un método para operar una junta rotativa. El método incluye operar la junta rotativa en una máquina en 402. De acuerdo con la descripción, la junta rotativa incluye un conjunto de sensores que está integrado con la junta rotativa e incluye capacidad de comunicación sin cables. En una realización opcional, la operación de la junta rotativa incluye el uso de un movimiento rotacional de la junta para generar energía eléctrica para operar el conjunto de sensores en 404. El método de funcionamiento de la junta incluye además la detección de uno o más parámetros de funcionamiento de la junta rotativa utilizando uno o más sensores del conjunto de sensores en 406. Cada uno del uno o varios sensores generan una señal de sensor en 408, cuya señal de sensor es recibida y/o procesada por una unidad de control en 410. La unidad de control 410 efectúa una transmisión de la(s) señal(es) del sensor a un centro de control en 412. En una realización, la unidad de control 410 está configurada además para almacenar las señales de sensor utilizando un dispositivo de almacenamiento de memoria a bordo. Las señales de sensor almacenadas, que también pueden incluir la marca de tiempo, la fecha y otra información, pueden estar disponibles para recuperación posterior de la unidad de control. Además, el centro de control 412 puede ser un centro de procesamiento ubicado centralmente para una o más juntas, y adicional o alternativamente puede ser un dispositivo electrónico móvil que esté presente en estrecha proximidad física a la junta rotativa, ya sea de forma permanente o transitoria cuando un operador pasa por la junta rotativa llevando el dispositivo eléctrico móvil, por ejemplo, durante una inspección en vivo del estado operativo de la junta.

El centro de control recibe y procesa la señal o señales de sensor 414 para diagnosticar un estado de funcionamiento de la junta rotativa en 416. En el caso de un estado de funcionamiento anormal, que se determina en 418, el centro de control puede iniciar un proceso de mitigación en 420, que incluye, aunque sin limitación, informar a un operador de la máquina de la condición de funcionamiento anormal o, dependiendo de las preferencias del operador, recomendar automáticamente al operador y/o iniciar automáticamente, con la autorización previa del operador de la máquina, el envío de una junta rotativa de reemplazo. Además, la determinación en 418 puede sugerir o iniciar automáticamente la creación y transmisión de una alerta a un abonado, informando al abonado sobre el estado de funcionamiento de la junta.

En la figura 9 se muestra un diagrama de flujo para un método de detección de un fallo de junta en un dispositivo rotativo. El método incluye el funcionamiento del dispositivo en 502, que incluye la operación de al menos dos sensores de temperatura y un controlador. El primer sensor de temperatura está configurado para medir una temperatura asociada con una interfaz mecánica entre los elementos rotativos y no rotativos, por ejemplo, midiendo la temperatura del cuerpo de los elementos rotativos y/o no rotativos en 504. Los elementos pueden ser anillos de sellado o, alternativamente, pueden ser anillos de conexión eléctrica cuando el dispositivo rotativo se realiza como un anillo de deslizamiento. En una realización, la temperatura en 504 se adquiere utilizando un sensor IR. El segundo sensor de temperatura está configurado para medir una temperatura asociada a la carcasa del dispositivo rotativo, por ejemplo, una temperatura del material de la carcasa en 506. El controlador recibe las lecturas de temperatura primera y segunda en 508, y compara la temperatura del cuerpo con la temperatura de la interfaz mecánica en 510. Cuando la primera y la segunda temperatura están dentro de un rango predeterminado en 512, el monitoreo continúa. Cuando la primera temperatura excede la segunda temperatura en una cantidad predeterminada en 514, el controlador puede señalar un fallo en 516.

En la figura 10 se muestra un diagrama de flujo para un método de detección de fugas, que evita las indicaciones de fugas positivas falsas. El método incluye el funcionamiento del dispositivo rotativo en 602, que incluye el funcionamiento de un sensor de fugas, un sensor de humedad, un sensor de temperatura del fluido, un sensor de temperatura de la carcasa y, opcionalmente, un sensor de movimiento y también un sensor de temperatura IR. El sensor de fugas supervisa la presencia de fluido en un paso de drenaje en 604, el sensor de humedad supervisa la humedad ambiental en 606, el sensor de temperatura del fluido supervisa la temperatura del medio fluido 608 que está presente en el canal de medios, el sensor de temperatura de la carcasa mide la temperatura de la carcasa en 610, y el sensor de temperatura IR mide una temperatura en la interfaz entre los elementos de sellado rotativos y no rotativos en 612. El sensor de movimiento puede medir opcionalmente la vibración de la junta rotativa. Todas las señales se envían al controlador, que combina las varias señales de sensor en un conjunto en 614, y compara el conjunto con uno o más conjuntos de condiciones predefinidas presentes en la memoria en 616. Cuando el conjunto coincide con un conjunto de condiciones de fuga presente en la memoria, el controlador señala un fallo en 618, o de otro modo continúa supervisando los diversos parámetros como se describió anteriormente.

Los conjuntos presentes en la memoria también incluyen conjuntos determinados como falsos positivos, incluso si el sensor de fugas proporciona una indicación de fuga, debido a los efectos de funcionamiento. Por ejemplo, en una humedad ambiental elevada de una junta que funciona con un fluido frío, que también enfría la carcasa, puede formarse condensación alrededor del sensor de fugas sin que haya una fuga real. Los conjuntos predefinidos almacenados en la memoria pueden indicar, por ejemplo, si la temperatura de la junta durante el funcionamiento está por debajo de un punto de rocío para la humedad ambiental dada, en cuyo caso, sin una indicación adicional de fallo, se puede suponer que el agua líquida se está condensando en la junta en lugar de tener una fuga desde el interior de la junta. En consecuencia, una señal de fuga puede ser proporcionada en circunstancias de condensación sólo si otra indicación de fallo está también presente, por ejemplo, una interfaz de sellado sobrecalentada, vibración excesiva de la junta, y similares.

El uso de los términos “un/uno/una” y “el/la” y referentes similares en el contexto de la descripción de la invención (especialmente en el contexto de las siguientes reivindicaciones) debe interpretarse cubriendo tanto el singular como el plural, a menos que se indique lo contrario en el presente documento o el contexto indique claramente lo contrario. Los términos “que comprende”, “que tiene”, “incluyendo” y “teniendo” deben interpretarse como términos abiertos (es decir, con el significado de “incluyendo, pero no se limita a”) a menos que se indique lo contrario. La indicación de rangos de valores en el presente documento sólo pretende servir como método abreviado para referirse individualmente a cada valor separado que caiga dentro del rango, a menos que se indique lo contrario, y cada valor separado se incorpora a la memoria descriptiva como si se indicase individualmente en ella. Todos los métodos descritos en el presente documento pueden realizarse en cualquier orden adecuado, a menos que se indique lo contrario o que el contexto indique claramente lo contrario. El uso de todos y cada uno de los ejemplos, o del lenguaje ejemplar (por ejemplo, “tal como”) que se utiliza en este documento, tiene por objeto simplemente esclarecer mejor la invención y no supone una limitación del alcance de la misma, a menos que se reivindique lo contrario. No debe interpretarse que la terminología de la memoria descriptiva indica algún elemento no reivindicado como esencial para la práctica de la invención.

En el presente documento se describen realizaciones preferidas de esta invención, incluyendo el mejor modo conocido por los inventores para llevar a cabo la invención. Las variaciones de estas realizaciones preferidas pueden resultar evidentes para personas expertas con conocimientos ordinarios en la materia después de leer la descripción anterior. Los autores de la presente invención esperan que los expertos empleen dichas variaciones según corresponda, y los autores de la presente invención pretenden que la invención se lleve a la práctica de manera distinta a la descrita específicamente en el presente documento. Por lo tanto, esta invención incluye todas las modificaciones de la materia expuesta en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Una junta rotativa (100) configurada para transferir un fluido, comprendiendo la junta rotativa (100):

una carcasa (106) que tiene un canal de medios (112) en su interior;

un componente de máquina rotativo (108) soportado rotativamente en la carcasa (106);

un elemento de sellado rotativo (102) asociado al componente de máquina rotativo (108); y

un elemento de sellado no rotativo (104) dispuesto de forma deslizante y sellada dentro de la carcasa (106) adyacente al elemento de sellado rotativo (102); donde la carcasa (106) forma además una cavidad (202), estando cerrada la cavidad (202) por una tapa (204) y teniendo un espacio interior que está aislado fluidamente del canal de medios (112); y un conjunto de sensores (200) está dispuesto en la cavidad (202), incluyendo el conjunto de sensores (200) una pluralidad de sensores que están integrados con un dispositivo de control, donde una porción del conjunto de sensores (200) sobresale de la cavidad (202) y solapa axialmente una interfaz entre los elementos de sellado rotativos y no rotativos (102, 104) con respecto a un eje de rotación del componente de máquina rotativa (108), y donde el conjunto de sensores (200) incluye además un dispositivo de almacenamiento de energía, un dispositivo de memoria y un dispositivo de comunicación dispuestos en la cavidad (202) y donde el conjunto de sensores (200) está aislado fluidamente del canal de medios (112) cuando el elemento de sellado no rotativo (104) está en contacto con el elemento de sellado rotativo (102) para formar un sello de cara mecánico.

2. La junta rotativa de la reivindicación 1, en la que la carcasa (106) está hecha de un material plástico y en la que el dispositivo de comunicación es un dispositivo de comunicación inalámbrica que incluye una antena (206).

3. La junta rotativa de la reivindicación 2, en la que el dispositivo de control recibe información sobre un estado de funcionamiento de la junta rotativa (100) desde al menos uno de la pluralidad de sensores, y comunica la información a un control central (300) a través del dispositivo de comunicación inalámbrica en tiempo real.

4. La junta rotativa de una de las reivindicaciones anteriores, en la que la pluralidad de sensores incluye un acelerómetro (209), un sensor de temperatura (210, 211), un sensor de movimiento (212), un sensor de humedad (213) y un sensor de captación magnética (218).

5. La junta rotativa de una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo además:

un sello expansible (108) dispuesto entre y enganchando de forma hermética cada uno del elemento de sellado no rotativo (104) y la carcasa (106);

donde el sello expansible (108) incluye dos porciones de extremo, una de las dos porciones de extremo engancha el elemento de sellado no rotativo (104) y la otra de las dos porciones de extremo engancha la carcasa (106), y una porción expansible dispuesta axialmente entre las dos porciones de extremo, teniendo la porción expansible una longitud axial que varía en base a una presión del fluido presente en el canal de medios (112).

6. La junta rotativa de la reivindicación 5, en la que la porción de expansión incluye al menos un fuelle, y/o en la que el sello de expansión (118) está hecho de al menos uno de los materiales de caucho, tetrafluoroetileno o fluoroelastómero.

7. La junta rotativa de una de las reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo de comunicación comprende un dispositivo de comunicación inalámbrica, que está configurado para comunicarse con un control central (300) que está situado remotamente en relación con la carcasa (106) utilizando ondas electromagnéticas; y

donde el dispositivo de comunicación inalámbrica está dispuesto para permanecer en comunicación con el control central (300) para cualquier orientación de montaje de la carcasa (106) en relación con el conjunto de sensores (200) y el control central (300).

8. Un método para operar una junta rotativa según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el método:

aislar fluidamente el conjunto de sensores (200) dentro de la cavidad (202);

supervisar una pluralidad de parámetros de funcionamiento con el conjunto de sensores (200); y

comunicar de forma inalámbrica los parámetros de funcionamiento a un control central (300) que está situado a distancia con respecto a la carcasa (106) utilizando ondas electromagnéticas;

donde la comunicación inalámbrica es independiente de la orientación de la carcasa (106) con respecto al conjunto de sensores (200) y al control central (300).

9. El método de la reivindicación 8 para el funcionamiento de una junta rotativa según la reivindicación 6, donde el método comprende además proporcionar una fuerza de empuje sobre el elemento de sellado no rotativo (104) deformando elásticamente el sello de expansión (118) bajo una presión del fluido.