非接触的迷宫式密封组件的制作方法

本发明涉及一种用于相对于静止的壳体部件密封轴或杆的密封组件。本发明总体涉及旋转轴密封件。更特别地，本发明涉及一种用于密封在壳体内的流体并且有助于防止污染物进入壳体的迷宫式密封件。

背景技术：

传统的机械密封组件可用于多种多样的环境和设置，例如用于机械装置中提供不漏流体的密封。密封组件通常定位在被安装在静止的机械壳体中且从静止的机械壳体中突出的旋转轴或旋转杆的周围。旋转密封件通常构造并设计成试图防止所不期望的颗粒进入机器壳体并且防止污染机器壳体中包含的流体，但密封件又必须保持通常位于壳体中的流体储存器中的流体——例如油、工艺流体或屏障流体。因此，对在延长机器运行寿命的同时使泄漏减到最小的需求很重要，因为对可靠性的要求和对失效的处罚在持续上升。

本领域技术人员将容易地认识到，由于极限装备占空比、运行系数的减小、特殊的密封设计和在许多处理工厂中缺少备用的旋转装备的原因，通常难以维修转动装备。在现有技术中已利用各种形式的传统轴密封设备，以试图保护密封环境的完整性，这些传统的轴密封设备包括密封唇、迷宫式密封件、磁性密封件等等。

传统的唇形密封包括具有唇部的密封元件，其通过接触旋转轴来防止流体从壳体泄漏。传统的唇形密封的缺点在于，它们磨损迅速并且随时间失效，并且众所周知地允许过量的湿气和其他污染物进入壳体中的流体储存器中。

迷宫式密封件通常为不具有摩擦的非接触式无摩擦密封件，即在使用期间在静止部件与旋转部件之间没有密封接触。迷宫式密封件能够建立密封并且通过建立液体所通过的复杂的路径(亦即，迷宫)来防止污染物触及壳体内的流体，因此，对于液体来说，通过由密封所建立的障碍是具有挑战性的，因为很难通过迷宫。这种类型的密封件用于多种设置中，并且可用于旋转和以其他方式移动的物体。实际上，根据设计，通过形成进一步将污染物和流体截获在密封件内的离心力，例如轴的旋转那样的运动通常能使迷宫式密封组件更加有效。因为迷宫式密封组件通常不设计成处理压差，所以它可用于多种其他类型的重要环境中。

传统的迷宫式密封件的缺点在于，其价格昂贵并且通常具有要求紧密度容限的复杂设计。在运行中，密封件部件离开其默认位置的任何移动都会导致流体泄漏增加和导致密封件防止污染物进入机械壳体的能力下降。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种迷宫式密封件，其利用可相对于彼此容易地定位的旋转密封环形件和静止密封环形件来增强流体密封和碎片抑制。

本发明的目的还在于提供一种迷宫式密封件，其利用了作为密封组件的一部分的阀元件，该阀元件可选择性地在非接触密封位置与接触密封位置之间移动。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于在轴与壳体之间形成密封件的迷宫式密封组件。该迷宫式密封组件包括静止元件、旋转元件和阀元件。静止元件具有环形形状，并且能够联接至壳体以限定轴从中延伸通过的空间。旋转元件处于空间内，并且联接至轴以随轴一起旋转。旋转元件具有沿轴向方向延伸的外表面，并且具有形成在该外表面中的凹槽。当组装时，旋转元件处于静止元件与轴之间。阀元件安装在凹槽内，并且在组装时处于静止元件与旋转元件之间。阀元件的规格和尺寸使得当阀元件安装在凹槽中时，阀元件的一部分沿径向从凹槽向外延伸。

静止元件具有外表面和内表面，其中，内表面包括沿径向在最内部且沿轴向延伸的第一内表面、和联接至第一内表面的沿径向延伸的第一阶状表面。响应于轴的旋转，阀元件能在接触位置与非接触位置之间移动。特别地，阀元件处于接触位置时适于接触沿轴向延伸的第一阶状表面以形成密封。

根据另一实例，当轴旋转时阀元件处于非接触位置，而当轴停止旋转时阀元件处于接触位置。优选地，阀元件由弹性体材料形成。更特别地，阀元件由聚氨酯材料、橡胶材料、硅基底材料或碳氟化合物基底材料形成。

在本发明的迷宫式密封组件中，静止元件和旋转元件中的一个或者二者可由金属或塑料材料形成，塑料材料例如为聚氨酯、尼龙、PTFE、乙缩醛或任何其他合适的类型的工程塑料。

关于静止元件和旋转元件的结构和设计，静止元件的沿径向在最内部且沿轴向延伸的第一内表面具有在该第一内表面上形成的一个或多个凹槽和在该第一内表面上形成的一个或多个肋条。根据一个实施例，静止元件的内表面包括沿轴向延伸的第二中间内表面和沿径向在最外部且沿轴向延伸的第三内表面，该第二中间内表面沿径向向外与沿径向在最内部且沿轴向延伸的第一内表面间隔，该第三内表面沿径向处于沿轴向延伸的第二中间内表面之外，其中，沿轴向延伸的第二内表面和第三内表面通过沿径向延伸的第二阶状表面连接。

旋转元件包括沿轴向方向延伸的内表面，其中，内表面具有在其上形成的多个肋条。旋转元件的外表面包括沿轴向延伸的第一外表面、沿轴向延伸的第二外表面和沿径向延伸的阶状表面，该第二外表面沿径向向内与沿轴向延伸的第一外表面间隔，该阶状表面处于第一外表面与第二外表面之间，其中，凹槽在沿轴向延伸的第二外表面上形成。阀元件包括具有中间部分的主体、沿着阀元件的内圆周部分布置的第一凸缘、和沿着阀元件的外圆周部分布置的第二凸缘。第一凸缘的形状与第二凸缘的形状不同。

此外，静止元件的内表面还包括沿轴向延伸的第二中间内表面和沿径向在最外部且沿轴向延伸的第三内表面，该第二中间内表面沿径向向外与沿径向在最内部且沿轴向延伸的第一内表面间隔，该第三内表面沿径向处于沿轴向延伸的第二中间内表面之外，其中，沿轴向延伸的第二内表面和第三内表面通过沿径向延伸的第二阶状表面连接。旋转元件的外表面包括沿轴向延伸的第一外表面、沿轴向延伸的第二外表面和沿径向延伸的阶状表面，该第二外表面沿径向向内与沿轴向延伸的第一外表面间隔，该阶状表面处于第一外表面与第二外表面之间，其中，凹槽在沿轴向延伸的第二外表面上形成。静止元件的沿轴向延伸的第二中间内表面和沿径向延伸的第二阶状表面以及旋转元件的沿轴向延伸的第二外表面和沿径向延伸的阶状表面限定出一空间，阀元件被安装在凹槽内时布置在该空间中。

根据本发明的另一特征，提供了一种在轴与壳体之间形成密封的方法。提供具有静止元件、旋转元件和阀元件的迷宫式密封组件，其中，阀元件处于在旋转元件中形成的凹槽中，并且当组装时被定位在静止元件与旋转元件之间。使阀元件基于轴的旋转而在接触位置与非接触位置之间移动，并且阀元件的规格和尺寸使阀元件在被安装在凹槽中时，阀元件的一部分从凹槽沿径向向外延伸。阀元件在处于接触位置时适于接触静止元件以形成密封。

静止元件具有外表面和内表面，其中，内表面包括沿径向在最内部且沿轴向延伸的第一内表面、和联接至该第一内表面的沿径向延伸的第一阶状表面，并且阀元件在处于接触位置时适于接触沿轴向延伸的第一阶状表面。

根据本发明的另一特征，提供一种用于在轴与壳体之间形成密封件的迷宫式密封组件。密封组件包括：静止元件，其能够联接至壳体，并且具有限定轴从中延伸通过的空间的环形形状；旋转元件，其处于所述空间内并且联接至轴以随轴一起旋转，旋转元件具有沿轴向方向延伸的外表面并且具有形成在该外表面中的凹槽，旋转元件处于静止元件与轴之间；以及阀元件，其安装在凹槽内，并且在组装时处于静止元件与旋转元件之间以形成密封件。阀元件由弹性体材料制成。

附图说明

结合附图参考下文的详细描述将更充分地理解本发明的这些及其他特征和优点，在附图中相同的附图标记指代相同的元件。附图示出了本发明的原理，并且示出了相对的尺寸，尽管并不按照比例尺。

图1为根据本发明的教导的安装在轴周围并且布置在壳体中的迷宫式密封组件的剖面透视图；

图2A为根据本发明的教导的图1的阀元件的俯视图；

图2B为根据本发明的教导的图1的阀元件的仰视图；

图3A为根据本发明的教导的图1的迷宫式密封组件的左侧的部分剖视图，示出了阀元件处于接触位置；

图3B为根据本发明的教导的图1的迷宫式密封组件的左侧的部分剖视图，示出了阀元件处于非接触位置；

图4A为根据本发明的教导的图1的阀元件的侧视立体图，示出了阀元件处于接触位置；

图4B为根据本发明的教导的图1的阀元件的侧视立体图，示出了阀元件处于非接触位置；

图5为根据本发明的教导的图1的阀元件的示意剖视图；

图6为图1的阀元件的代表性的示意图，示出了在轴旋转期间作用于阀元件上的力矢量；以及

图7为根据本发明的教导的迷宫式密封组件的分解剖视图。

具体实施方式

本发明提供了一种给旋转轴或其他合适的设备提供密封的迷宫式密封组件。密封组件也帮助减少进入机械壳体的颗粒的数量。下文将参考配图的实施例描述本发明。本领域技术人员容易认识到本发明可在多个不同的应用和实施例中实施，并且并不特定受限于本文描绘的特定的实施例的应用。

本文使用的术语“密封组件”及“密封用组件”意图包括多种类型的机械式密封组件，包含迷宫式密封件、单密封件、剖分式密封件、同心式密封件和其他已知的密封件以及密封用组件类型和结构。术语“迷宫类型密封组件”、“迷宫式密封组件”和“迷宫式密封件”可互换地用于指代在附图中示出的迷宫式密封件。

术语“轴”意指在可安装密封件的机械系统中的任何合适的可旋转的设备，其包括轴、杆和其他已知的装置。

本文使用的术语“轴向的”和“沿轴向(轴向地)”指基本上平行于轴的轴线的方向。本文使用的术语“径向的”和“沿径向(径向地)”指基本上垂直于轴的轴线的方向。术语“流体”指液体、气体和它们的组合。

本文使用的术语“沿轴向内部”指静止的装备和密封组件的最靠近使用密封组件的机械系统的部分。相反，本文使用的术语“沿轴向外部”指静止的装备和密封组件的远离机械系统的部分。

本文使用的术语“沿径向内部”指密封组件的最靠近轴的部分。相反，本文使用的术语“沿径向外部”指密封组件的远离轴的部分。

本文使用的术语“机械壳体”、“静止的装备”和/或“静态的表面”意图包括装设有其上固定或联接有密封组件的轴或杆的任何合适的静止的机械结构。

本发明的示出的实施例的迷宫类型密封组件可具有静止元件、旋转元件和联接至静止元件的阀元件。

迷宫式密封件通常构造成多部件式。已知作为定子或静止元件的一个部件附着于机器壳体并且保持静止。称为转子或旋转元件的另一部件附着于轴并且与轴一起旋转。这两个部件通常以无摩擦的非接触方式互锁以有效地封离大部分污染物，并同时保持润滑流体或工艺流体。迷宫式密封件是非接触的，这意味着两个相向的轴向面和径向面在使用期间彼此并不接触。它们也被认为是无摩擦的，因为旋转元件和静止元件由小的间隙分隔。所有试图进入轴承壳体的污染物通常都必需穿过由静止元件和旋转元件在组装时形成的具有转弯和角度的迷宫或迷径，才能到达密封组件和机械壳体的轴向内部区域。在通过所有这些转弯的路径上，颗粒持续承受由于轴的旋转运动引起的离心力，且只有很少数量的污染物会穿过密封件的整个长度。这是迷宫式密封组件的主要密封功能。

图1至图8B中示出本发明的迷宫式密封组件10。参考图1、图3A、图3B和图7，迷宫式密封组件10包括旋转元件20，该旋转元件经由任何合适的连接机构联接至旋转轴12。迷宫式密封组件10还包括静止元件30和阀元件40，该静止元件联接至机械壳体14，该阀元件联接至旋转元件20，并且在组装时定位在旋转元件20与静止元件30之间。

旋转元件20具有主体，该主体具有大体上沿轴向延伸的内表面22，该内表面包括多个肋条62，所述多个肋条的规格和尺寸适于容纳于在轴12中形成的相应的环形凹口或凹槽72内。肋条与凹槽之间的配对接合关系有助于旋转元件20以可旋转的方式联接至轴。静止元件30也包括顶表面24和沿轴向延伸的外表面26。外表面26包括：径向上最外部的、沿轴向延伸的第一外表面82，和基本上平行的、径向上最内部的、沿轴向延伸的第二表面86。外表面82、86通过沿径向延伸的阶状表面84联接在一起。第二外表面86包括形成在其内的凹槽28以及从第二表面86向外凸出的多个肋条88(表面特征)。本领域技术人员会认识到第二外表面86可包括任选数量的肋条或表面特征，并且肋条或表面特征可具有任选的形状或尺寸。而且，外表面26可具有任意合适的形状或设计，并且可包括例如多阶状表面。

静止元件30也具有主体，该主体具有大体上沿轴向延伸的内表面32以及相向的大体上沿轴向延伸的外表面34。外表面34包括：径向上最外部的、沿轴向延伸的第一外表面92，和基本上平行的、径向上最内部的、沿轴向延伸的第二表面96。外表面92、96通过径向延伸的阶状表面94联接在一起。第二外表面96具有形成在其上的多个肋条98，以使静止元件联接至壳体14。特别地，肋条的规格和尺寸适合于容纳在形成于壳体的内壁中的相应的凹槽内。本领域技术人员会认识到第二外表面96可包括任选数量的肋条或表面特征，并且肋条或表面特征可具有任选的形状或规格。而且，外表面34可具有任意合适的形状或设计，并且可包括例如多阶状表面。

静止元件30的内表面32可包括例如多阶状表面。特别地，根据一个实施例，内表面包括径向上最外部的沿轴向延伸的第一内表面102、和沿轴向延伸的第二表面106，该第二表面从沿轴向延伸的第一内表面102向内沿径向定位。表面102和106通过在第一内面表和第二内表面之间沿径向延伸的第一阶状表面104而联接在一起。内表面32还包括径向上最内部的沿轴向延伸的第三表面110，该第三表面通过沿径向延伸的第二阶状表面108而联接至第二内表面106。阶状表面108在某些方面也用作用于阀元件40(亦即，关闭阀或元件)的阀座。第三内表面110可包括任选数量或类型的表面特征，例如包括沿径向向内朝轴12延伸的多个肋条114。第三内表面110也可包括在其中形成的一个或多个凹槽118，以容纳形成在旋转元件20的第二外表面86上的肋条88。本领域技术人员将认识到，静止元件30的内表面32可具有任意合适的形状和设计，并且可具有任选数量和类型的表面特征。而且，图示的肋条88、89的形状和设计用于集中局部的密封力，以相对设备表面产生静密封。附加地，肋条有助于使定子和转子部件分别相对于设备孔和轴固定就位。

本领域技术人员将认识到静止元件30和旋转元件20可由相同的材料或不同的材料制成。可用于制造静止元件30和旋转元件20的材料的类型的实例包括金属和塑料，塑料的示例包括聚氨酯、尼龙、聚四氟乙烯(PTFE)、乙缩醛等。本领域技术人员能够基于密封尺寸、密封环境和已知的其他因素确定将被使用的合适的材料。

本发明的迷宫式机械密封组件10还包括阀元件40，在组装时阀元件容纳在凹槽28内。如图2A至图5中的实例所示，阀元件40具有环形的形状并且具有主体42，该主体包括中间或中心部分48以及从该中间或中心部分延伸的一对凸缘。特定地，阀元件具有第一凸缘44，该第一凸缘沿着主体的内圆周部分形成并且背离中间部分48沿轴向延伸。阀元件还具有第二凸缘46，该第二凸缘沿着主体的外圆周部分形成并且背离中间部分沿轴向延伸。第一凸缘和第二凸缘可具有任意合适的形状和设计。如图所示，第一凸缘具有基本上矩形的或正方形的形状(例如，箱式形状)，而第二外凸缘46如图所示在最外部的区域处渐缩。阀元件在使用期间用作辅助的或补充的密封机构，进一步帮助阻止污染物进入壳体。

阀元件可由任意合适的材料形成，优选由弹性体材料形成，例如橡胶、聚氨酯、碳氟化合物等。

在运行中，迷宫式密封组件10安装在机械壳体内。为此，静止元件30安装在壳体14内。阀元件40安装并定位于形成在旋转元件20中的凹槽28内。然后，旋转元件安装在轴12上并且相对于静止元件30定位，从而在静止元件与旋转元件之间形成选定的间隙。在这样定位的情况下，元件形成非接触且因此无摩擦的密封布置。静止元件和旋转元件作为主要的密封机构工作，并且在组装时共同形成在周围环境与机械壳体的内部空间(例如一个或多个流体储存器)之间延伸的蜿蜒的路径(亦即迷宫)。蜿蜒的路径有助于将颗粒截获在其中，以最小化到达内部空间的数量。附加地，迷宫式密封组件10有助于保存壳体14内的流体、例如工艺流体。

阀元件40安装并且定位在凹槽28内，从而使得阀元件的一部分从凹槽沿径向向外延伸。特别地，凹槽的规格和尺寸适于仅容纳阀元件的内凸缘或第一凸缘44，但是阀元件的附加部分也可被保存在凹槽中。在这样装配的情况下，阀元件定位在空间52中，该空间由静止元件30的第二内表面106和第二阶状表面与旋转元件的阶状表面84和第二外表面86形成。阀元件40能在接触位置与非接触位置之间移动，在该接触位置阀元件的第二凸缘部分46接触静止元件(表面108)(图3A)，在该非接触位置阀元件40不接触静止元件(就位成与该静止元件分离)(图3B)。由于轴12的旋转，阀元件能在这两个位置之间移动。

在机械设备开始运行之前，并且因此在轴12旋转之前，阀元件40处于阀元件接触静止元件30的接触位置(亦即，关闭位置)。特别地，阀元件处于空间52内，并且外部渐缩的第二凸缘46密封地接触静止元件30的内表面32的第二阶状表面108。因此，第二阶状表面实质上用作阀座或密封表面。因此，阀元件有助于在静止元件与旋转元件之间形成辅助密封，并且有助于防止污染物从周围环境进入机器壳体(例如进入其中包含的任意油/润滑剂储存器)，同时有助于保存其中的流体。迷宫式密封组件的静止元件和旋转元件形成主要密封机构，该主要密封机构通过由密封元件形成的迷宫(亦即，迷径)而有助于防止污染物进入壳体并且防止流体泄漏。阀元件在如上文所述地被使用时，因其在轴静止时基于阀元件与静止元件之间的密封接合而进一步防止流体泄漏及防止污染物进入壳体，所以阀元件如同辅助或补充的密封机构一样起作用。

当轴开始旋转时，阀元件从接触位置变换到非接触位置，并且因此移动离开配对/密封表面，以减少阻力并且防止不期望的热生成。如上文所说明的，阀元件40具有不对称的设计，其中，第一凸缘或内凸缘44具有与外凸缘或第二凸缘46的形状不同的形状和结构。根据优选的实施例，第二凸缘46具有与第一凸缘44的箱式形状不同的渐缩的形状。当轴旋转时，因轴而产生的离心力施加力矩于阀的重心上，从而使第二凸缘46被抬离静止元件的第二阶状表面108。在图6中示出该力的原理，其中，出于简单和清晰的原因，概括地表示迷宫式密封组件10的元件。力矩矢量56——其为离心力的分量——表示凸缘46在轴旋转期间承受的力矩。该力56用于将凸缘从密封/配对表面108抬起。阀元件所承受的旋转力由旋转力矢量58表示。由于在密封部件之间形成的迷径或迷宫式路径，当阀元件40处于非接触位置时，迷宫式密封组件10仍防止污染物进入壳体。而且，轴的旋转运动进一步用于捕捉污染物以有助于保存壳体内的流体，这是因为离心力被传递给与旋转元件20接触的流体。然后，流体沿径向向外被抛向在静止元件30中形成的通道(通路)。在设备运行期间，流体通常被向下排向底部并最终回到壳体中。

因此，可见本发明有效实现了从上文的描述中显示的目的。因为可对上述结构做出一定的改变而不脱离本发明的范围，所以包含在以上描述中或在附图中所示出的所有事项均为说明性的，并不具有限制的含义。

还将理解，所附权利要求将覆盖文中描述的本发明的所有一般的和特殊的特征以及在语言上可落入权利要求中的本发明的范围的所有说明。

已描述了本发明，作为新的、需要由专利证书保护的，如权利要求所述。