唇口密封件和确定唇口密封件或其所密封的单元的状态的方法与流程

多个实施例涉及一种唇口密封件和用于确定唇口密封件或由唇口密封件所密封的单元的状态的方法。

背景技术：

密封件或密封系统广泛应用于诸多技术领域，并以多种不同的形式出现。一种常用密封的应用示例是旋转应用，在旋转应用中，轴相对于配对部件(counterpart)旋转并试图使构件(例如，机械构件或电学构件)不受泄漏、灰尘或其它潜在有害物质之害。在这种应用中，密封会承受摩擦力，而该摩擦力会导致磨砂效应(abrasive effect)，这会最终导致密封失败。传统监测系统会向用户通知已经发生的泄漏。然而，这可能需要为故障密封备份，否则用户则可能冒着在使用中导致其它构件发生故障的风险。随后，可能不会进行维修处理，直至已经发生损坏为止。这些问题会在密封承受动态力(dynamical force)的其它应用中进一步相关。

技术实现要素：

因此，期望提供一种用于监测密封的操作状态的改进构思。

根据第一方面，实施例涉及一种唇口密封件。所述唇口密封件包括密封唇口部、主体部和磁体，所述磁体与密封唇口部和主体部中的一个连接。密封唇口部和主体部中的另一个包括磁场传感器，磁场传感器用于检测在唇口密封件的运行期间磁体与磁场传感器之间的距离。换言之，如果在一个实施例中磁体被连接到唇部，则磁场传感器随后被连接到主体部。反之亦然，如果在不同实施例中磁场传感器被连接到唇部，则磁体随后被连接到主体部。因此可监测唇口密封件的磨损，甚至可监测提供唇口密封件的设置表面的可移动构件的操作状态。

在某些实施例中，密封唇口部具有对称轴，换言之，密封唇口部是环形的。密封唇口部能够在运行期间通过密封唇口部相对于主体部沿与对称轴垂直的径向移动来改变磁体与磁场传感器之间的距离。此外，可测量轴的旋转速度。

在某些实施例中，唇口密封件还包括弹性元件，弹性元件能够部分阻挡密封唇口部的移动，密封唇口部的动作是径向上向外的移动。换言之，弹性元件可施加径向上向内的反作用力，该力小于使密封唇口部径向上向外移动的力。磁体被固定在弹性元件。这可提供增加用于使应用及其构件密封的力的方式，因此使唇口密封件更可靠。

在某些实施例中，弹性元件具有与主体部接触的第一部分或第一分支(limb)和与密封唇口部接触的第二部分或第二分支。第二部分在径向上相对于第一部分移动。磁体安装在第二部分上，而磁场传感器被安装在第一部分上。因此可通过在将弹性元件安装在唇口密封件上之前将磁体和磁场传感器预安装在弹性元件来简化使用弹性元件的唇口密封件的监测装置的实施方案。

在某些实施例中，弹性元件是沿圆周方向设置的紧箍弹簧并且至少部分包含环形空间。磁体位于环形空间内。这可导致更好地保护磁体免受损害。

在某些实施例中，磁体与在径向上设置有柄杆的弹性元件相连。轴可以是楔子(peg)、针(pin)或钉(stud)。轴面向磁场传感器的端部承载磁体。这可提供一种以更靠近传感器的方式放置磁体的选择，这可导致更精准测量。

在某些实施例中，主体部设置有盲孔。磁场传感器附着在盲孔的封闭端，盲孔被配置为至少部分容纳轴承载磁体的端部。磁体被安装在轴上的实施方案的这种方式可以实现更稳定。

在某些实施例中，磁场传感器包括霍尔传感器。磁场传感器通常可以是测量磁场的绝对强度的绝对磁强计(absolute magnetometer)或者是测量磁场变化的相对磁强计(relative magnetometer)。可选地，磁场传感器可包括例如随磁场变化的电阻器(例如，XMR传感器)、超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device)，电感拾波线圈(inductive pickup coil)、振动样品磁力计(vibrating sample magnetomete)或玻色-爱因斯坦玻色-爱因斯坦冷凝磁强计(Bose–Einstein condensate magnetometer)。这可允许提供信号，即使传感器测量的磁场不变(换言之，测量磁场的绝对强度不变)。

在某些实施例中，磁场传感器包括向数据存储装置提供信号的接口，所述信号包括关于在磁体与磁场传感器之间的距离的信息。因此，可评估唇口密封件的磨损的时间进程或操作状态的时间改变。

在某些实施例中，磁场传感器包括发送器模块(transmitter module)，发送器模块用于提供包括关于磁体与磁场传感器之间的距离的信息的信号。因此，电缆的安装以及随电缆而出现的复杂情况可被避免。

根据另一方面，实施例涉及一种用于确定由唇口密封件所密封的单元或唇口密封件的状态的方法。状态或操作状态可包括通过唇口密封件所密封的轴的动态偏心(dynamic run-out，DRO)、斜轴偏心(angular shaft misalignment)或轴孔静态偏心(STBM)。此外，可确定旋转速度、轴或磨损的位置并因此估计唇口密封件的使用期限。所述方法包括由唇口密封件的主体部和密封唇口部中的一个的磁场传感器测量源于连接到唇口密封件的主体部和密封唇口部中的另一个的磁体的磁场。这提供这种方式的方法可允许持续监测磨损或操作状态。

附图说明

在下文中将设备和/或方法的某些实施例仅作为示例并参照附图进行描述，在附图中：

图1a显示根据实施例的唇口密封件；

图1b显示根据实施例的唇口密封件的磁体和磁场传感器的布置；

图2a至图2e显示根据实施例的由使用磁体和磁场传感器的唇口密封件所密封的单元或唇口密封件的不同操作状态的各种测量；以及

图3a至图3d显示具有磁体和磁场传感器的唇口密封件的各种实施例。

具体实施方式

现在将参照已显示某些示例实施例的附图来更充分地描述各种示例实施例。在附图中，为了清楚，对线、层和/或区域的厚度进行了放大。

因此，当本发明的其它实施例能够进行各种修改并且可以是可选形式时，本发明的某些示例实施例作为示例在附图中被显示并将在此进行详细描述。应理解：并非意图将示例实施例限制为所公开的具体形式，与之相反，示例实施例意图涵盖落入本公开的范围内的所有修改、等同物和可选形式。贯穿对附图的描述，相同的标号表示相同或相似的元件。

将理解，当元件被称作“连接到”另一元件时，该元件可直接连接或直接连接到其它元件，或者可设置有中间元件。与之相反，当元件被称作“直接连接到”另一元件，则不设置有中间元件。用于描述元件之间关系的其它词语应以类似方式解释(例如，“在…中间”与“直接在…中间”、“相邻”与“直接相邻”等)。

在此使用的术语仅为了描述具体示例实施例的目的，而非意图进一步限制示例实施例。如在此所使用的，除非上下文清楚地另有所示，否则单数形式意图也包括复数形式。将进一步理解，当在此使用术语“包括”时，所述术语指定设置有所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除设置有或增加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

除非另有定义，否则在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与示例实施例所属领域的普通技术人员所通常理解的含义相同。还将进一步理解：除非在此另有明确定义，否则术语(例如，在通用词典中定义的那些术语)应被解释为具有与它们在相关领域的语义中的含义一致的含义。

在图1a中显示的第一实施例涉及唇口密封件100。唇口密封件100包括密封唇口部105、与密封唇口部105连接的磁体110和包括磁场传感器120的主体部115，其中，磁场传感器120用于检测在唇口密封件运行期间磁体110与磁场传感器120之间的距离。唇口密封件可包括比如聚合物(例如，弹性体)的合成材料。主体部115可被附着在本地固定的组件。唇部105可与可动组件动态接触或滑动接触，后者为唇口密封件提供设置表面，该表面迫使唇部105发生形变，使得唇部105被推向主体部115。这于是会在唇口密封件100内引起回复力(reset force)，从而产生密封效应。可移动组件可能沿着线性路径移动，也可能是旋转组件，例如，轴。此外，在其它实施例中，磁体110和磁场传感器120可交换它们的位置。磁体110或传感器120可通过粘附分别绑定到(例如，胶合)唇部105或主体部115。磁体110可被附着在或嵌入密封唇口部105。磁场传感器120可被附着或嵌入主体部115。反之亦然，磁体110可被附着在或嵌入主体部115，或在另一实施例中，磁场传感器120可被附着或嵌入密封唇口部105。

在某些实施例中，磁场传感器120包括霍尔传感器。这可允许在传感器测量的磁场是常量的情况下进行测量。磁场传感器120可选择性地连接到电缆125或电线，电缆125或电线可向电子装置(例如，处理器、显示器、数据存储装置等)提供测量信号。可选地，唇口密封件100可包括部分嵌入主体部115的外壳130。外壳130可用于加固，或者可用于将唇口密封件100安装在本地固定的组件。

这可使得监测唇口密封件100的磨损或可移动构件的操作状态变得可行。现在转向图1b，显示在某些实施例中的密封唇口部105具有对称轴140，换言之，唇口密封件100可抵靠旋转对称轴而将介质密封。密封唇口部105可在运行期间通过密封唇口部105相对于主体部115沿与对称轴140垂直的径向移动，来改变距离135。图1b显示根据实施例的唇口密封件100的磁体110和磁场传感器120的布置，其中，唇口密封件100可相对于旋转组件(诸如，轴)而将介质密封。对称轴140垂直于径向平面或图1b的图像平面。磁体110可以是圆形的，例如，沿唇部105的外圆周设置的磁条。

因此，操作状态(诸如，通过唇口密封件所密封的轴的动态偏心(dynamic run-out，DRO，亦称“动态跳动”)、斜轴偏心(angular shaft misalignment)或轴孔静态偏心(shaft-to-bore misalignment，STBM))可被检测出。此外，可测量旋转速度(例如，每分钟转数(RPM))、轴或唇口密封件100的磨损的位置(因此确定估计的使用期限)。将在下文中更仔细地解释这些操作状态。传感器120可测量磁体110的磁力。该值用于确定其到安装在密封唇口部105的磁体110的距离135。所述测量可给出关于DRO、RPM、STBM或唇部磨损的信息。通过唇部磨损检测，可给出对唇部105的剩余比例的指示。

图2a、图2b、图2c、图2d和图2e中的每一个显示针对唇口密封件100或由唇口密封件100所密封的单元的不同操作状态随时间对距离135的测量。图2a显示如果发生DRO，则可能发生距离测量随时间的改变。DRO可能是由轴弯曲、振动、高缓弧度移动(lobbing)以及其它误差所导致的。例如，DRO可被描述为轴无法在它的真正中心周围旋转的径向距离。DRO会对密封具有的影响可包括磨损不均匀并且密封寿命变短。距离曲线210可展示在DRO的情况下在零轴附近的正弦形状。零轴表示DRO为0的理想状态(理论上)，其中，轴(在图2a的右手边上由实线圆圈显示)与容纳该轴的孔(虚线圆圈)同心对齐。在实际应用中，由于包括轴和本地固定的组件(该组件具有用于容纳该轴的孔)的单元的生产容限，所以可能不可避免会有轻微DRO(例如，高达轴半径的1％、2％或5％)。DRO可与所测量的距离曲线210的幅度A成比例并通过幅度A而被确定。如果DRO超出容限阈值，例如，大于轴半径的5％或10％，则磁场传感器可提供具有关于距离随时间改变的信息的信号，并因此产生警告信号。可例如通过连接到磁场传感器的监测方式来向用户提供警告信号。

图2b显示在已发生唇部磨损的情况下距离随时间的改变。如以上所解释，在实际应用中会设置有轻微DRO，为了更好地理解，在图2b中以放大的形式显示正弦形状的距离曲线。从时间点t₀开始的第一测量导致在零轴附近振荡的正弦形的第一距离函数221(f(t₀))。从时间点t₁开始的第二测量导致在零轴以下并且在与零轴平行的轴附近振荡的正弦形的第二距离函数222(f(t₁))。相较于时间间隔t₁-t₀，在此的正弦的周期时间可忽略不计。或者，例如，正弦的周期时间最多可以是一秒或一分钟，而时间间隔t₁-t₀最少可以是一小时或一天。在(f(t₀))与(f(t₁))之间的偏移w可表示关于唇部在时间间隔期间已经发生的磨损量。

图2c显示如何测量轴的旋转速度。旋转速度曲线230展现了上述正弦形，可通过测量在正弦函数的两个邻近峰值之间的时间间隔来获得一次完整旋转的时间(fr)。时间(fr)除以60给出每分钟旋转的次数。通过以下等式可获得轴表面上的点以米为单位每秒的旋转速度：

其中，d是以毫米为单位轴的直径。

在某些实施例中，一个以上的磁场传感器可被附着在唇口密封件。在一个实施例中，四个传感器S1、S2、S3和S4被分别安装在0°、90°、180°和270°的位置处。图2d显示使用四个传感器测量DRO，其中，传感器S1产生第一正弦曲线241，传感器S2产生第二正弦曲线242，传感器S3产生第三正弦曲线243，传感器S4产生第四正弦曲线244。由于传感器的位置，两个相邻传感器的曲线展现彼此之间90°的相位差。DRO致使曲线的幅度A相等，并且通过所述幅度来确定DRO。

图2e类似于发生STBM的情况。轴(在图2e的左下方示为实线圆圈)与孔(虚线圆圈)之间的偏差可以是它们的中心线发生偏移所导致的静态状态。可以通过在密封的一测上的唇部上的磨损图案较宽来看到这种状态的证据。图2e显示使用如图2d中所示的四个传感器对STBM的测量，其中，传感器S1产生第一正弦曲线251，传感器S2产生第二正弦曲线252，传感器S3产生第三正弦曲线253，传感器S4产生第四正弦曲线254。在该实施例中，传感器S1和传感器S3在垂直轴上对齐，该垂直轴轴垂直于旋转轴，传感器S2和传感器S4在水平轴上对齐，该水平轴垂直于旋转轴和纵轴。因此，垂直偏差可通过第一正弦曲线251与第三正弦曲线253之间的偏移而被确定，水平偏差可通过第二正弦曲线252与第四正弦曲线254之间的偏移而被确定。可通过例如利用各个曲线的最小值之间的差来计算两个曲线之间的偏移。

还可设置有这种实施例：将两个唇口密封件安装在轴的不同轴向位置(例如，在轴承的两个对侧上)。这可能设置有轴的斜轴偏心，其中，轴的旋转轴相对于孔倾斜。与STBM相似，斜轴偏心也会导致在密封的一侧上的唇部上的磨损图案较宽。

图3a、图3b、图3c和图3d中显示了可采用的唇口密封件100的各种实施例，这些实施例是在图1a中显示的实施例的可替代实施例。在图3a至图3d中将不再对具有图1a中的相应配对构件的组件进行解释，下文中仅涉及它们之间的差异。在某些实施例中，唇口密封件100还包括弹性元件305-1、305-2，能够部分阻挡密封唇口部105的动作，密封唇口部105的动作是径向上向外移动。磁体110固定在弹性元件305-1、305-2。这可提供增加对应用或其构件密封的力的方式，从而可使唇口密封件更可靠。在图3a、图3b、图3c中，弹簧元件305-1是位于圆周槽口中的紧箍弹簧，紧箍弹簧在径向上面向外部的密封唇口部105的表面上设置。

在某些实施例中，如图3a中所示，磁体110与径向上设置有柄杆(315)的弹性元件305-1相连。柄杆315面向磁场传感器120的端部承载磁体110。这使磁体110更接近传感器120，这可导致更精准测量。柄杆315可被固定到弹性元件305-1，然而，这是可选的。在另一实施例中，柄杆315可被直接固定到唇部105。

在某些实施例中，主体部110设置有盲孔320。磁场传感器320被附着在盲孔320的封闭端，盲孔320被配置为至少部分容纳在柄杆315承载磁体110的端部。磁体110被安装在柄杆315上的实施方案的这种方式可以实现更稳定。磁场传感器120可例如固定在具有柱状管325的盲孔320内，柱状管325夹住盲孔320并被配置为至少部分容纳柄杆315。

在某些实施例中，如图3b和图3c中所示，弹性元件305-1是沿圆周方向设置的紧箍弹簧并至少部分包含环形空间。在图3b中，磁体110位于环形空间内。这可导致更好地保护磁体免受伤害。图3c显示可替代实施例，其中，磁体110被安装在环形空间的外部，但可直接在弹性元件305-1的上面。

在某些实施例中，弹性元件可呈现与上述紧箍弹簧不同的形状。如图3d中所示，，弹性元件305-2具有与主体部115接触的第一部分330和与密封唇口部105接触的第二部分33。第二部分335在径向上相对于第一部分330移动。弹性元件305-2可包括例如金属材料或塑料。磁体110安装在第二部分335上，磁场传感器120被安装在第一部分330。这可简化对于使用弹性元件的唇口密封件100的监测装置的实施方案，这是因为可在与唇口密封件100组装之前的在先步骤中将磁体110和磁场传感器120安装在弹性元件305-2上。通过图3d可进一步看出，主体部115和密封唇口部105可由不同材料形成。例如，密封唇口部105可以由弹性体形成，主体部可由金属材料形成。

在某些实施例中，磁场传感器包括向数据存储装置提供信号的接口，其中，所述信号包括关于在磁体与磁场传感器之间的距离的信息。因此，唇口密封件上随时间的磨损进程或操作状态随时间改变可被评估。存储装置可例如被在预定时间内运行并接收包括传感器测量的信号的微处理器所包含。微处理器可随后连接到电脑，电脑可用于评估传感器测量。

在某些实施例中，磁场传感器包括发送器模块，其中，发送器模块用于提供包括关于磁体与磁场传感器之间的距离的信息的信号。因此，电缆的安装以及随电缆而出现的复杂情况可被避免。

根据另一方面，实施例涉及一种用于确定由唇口密封件所密封的单元或唇口密封件的状态的方法。状态或操作状态可包括通过唇口密封件所密封的轴的动态偏心(DRO)、斜轴偏心或轴孔静态偏心(STBM)。此外，可确定旋转速度、轴或磨损的位置并因此估计的唇口密封件的使用期限。所述方法包括由唇口密封件的主体部的磁场传感器测量从与唇口密封件的密封唇口部连接的磁体向唇口密封件的密封唇口部的磁场。这提供这种方式的方法可允许持续监测磨损或操作状态。

某些实施例涉及一种用于径向轴密封的密封传感器。在某些进一步实施例中，可采用霍尔传感器来测量磁体的磁力。该值可用于获知到安装在主密封唇口部上的磁体的距离。这种方式可提供关于动态偏心(DRO)、RPM、轴孔静态偏心(STBM)和唇部磨损的信息。通过唇部磨损检测，可给出唇部105的剩余百分比的指示。

实施例可提供唇部的磨损的信息，这是因为这可以给出在泄漏之前密封唇口部剩余多少的指示。该信息可在密封必须被替换时向客户给出指示。除了唇部磨损之外，客户也可监测比如动态偏心(DRO)、轴孔静态偏心(STBM)或RPM的操作状态。即使密封在具有斜轴偏心的情况下已被错误安装(也被称为歪斜安装(cocked installation))，也可检测轴孔静态偏心。

在实施例中，四个霍尔效应传感器被安装在0°、90°、180°和270°以测量来自安装在密封主唇部上的磁体的磁场力。来自传感器的值可用于检测不同的操作状态。在动态偏心的情况下，值可具有正弦波形状。最大值和最小值可确定轴的动态偏心。轴孔静态偏心可使用四个传感器的正弦波峰值之间的差来检测。封装主唇部磨损可通过测量在t₀以及在定制的间隔t₁t₂…t_n时的正弦曲线峰值(例如，仅将密封被安装时作为参考值)来监测。间隔可包括例如小时、天或月。每分钟的转速可通过传感器中的一个传感器在已知时间段内的峰值(最小值或最大值)的频率来测量。实施例可向用户提供监测密封唇口部的径向预载荷和磨损以及操作状态(DRO、STBM和RPM)的方式。

实施例的某些进一步实施方案可用于例如回转支承轴承(slewing bearing)、滚子轴承、球轴承、轴套或滑动轴承。磁体和传感器可测量两个轴承圈之间的距离，轴承的操作状态可如所述地被测量。唇口密封件可例如被安装在外轴承圈，唇口密封件的唇部可与内轴承圈滑动接触。

说明书和附图仅显示了本公开的原理。因此将理解，但是本领域技术人员能够设计出各种布置，虽然并未在此明确地描述或显示，但是这些布置实现本公开的原理并包括在其精神和范围内。此外，在此陈述的所有示例仅为了教学目的而在原理上进行表述以帮助读者理解本公开的原理以及发明人深化本领域而贡献的构思，并且应解释为并未受限于所述专门陈述的示例和条件。此外，在此陈述本公开的实施例、方面、原理及其特定示例的所有表述意图包括它们的等同物。

本领域技术人员应理解，在此的任意框图表示实现本公开的原理的示意性电路图的概念图。类似地，将理解，任何流程表、流程图、状态转换图、伪代码和类似物表示实质上以计算机可读介质表示并由计算机或处理器(无论这种计算机或处理器是否明确地显示)执行的各种处理。

此外，权利要求将据此并入具体实施方式中，其中，每个权利要求作为单独的示例实施例独立设置有。在每个权利要求作为单独的示例实施例单独设置有的同时，将注意，虽然在权利要求书中的从属权利要求是指一个或多个权利要求的特定组合，但是其它示例实施例也可包括具有每个其它从属权利要求或独立权利要求的主体部的从属权利要求的组合。除非声明不包括特定组合，否则在本文中提出这种组合。此外，意图还包括从属于任何其它独立权利要求的权利要求的特征，即使在该权利要求并未直接从属于该独立权利要求的情况下。

还应注意，在说明书或权利要求中公开的方法可通过具有用于执行这些方法中的各个动作中的每个动作的工具的装置来实现。

此外，应理解，说明书或权利要求中公开的多个动作或功能的公开不能被解释为按照特定顺序。因此，多个动作或功能的公开使这些动作或功能不受限于特定顺序，除非这些动作或功能由于技术原因而不能互换。此外，在某些实施例中，单个动作可包括或可分解为多个子动作。这些子动作可被包括并作为该单个动作的公开的一部分，除非明确地排除。

标号列表

100 唇口密封件

105 唇口部

110 磁体

115 主体部

120 磁场传感器

125 电缆

130 外壳

135 距离

140 对称轴

145 内圆周

210 距离曲线

221 第一距离函数

222 第二距离函数

230 旋转速度曲线

241 第一正弦曲线

242 第二正弦曲线

243 第三正弦曲线

244 第四正弦曲线

251 第一正弦曲线

252 第二正弦曲线

253 第三正弦曲线

254 第四正弦曲线

305-1、305-2 弹簧元件

310 凹口

315 轴

320 盲孔

325 柱状管

330 第一部分

335 第二部分