专利名称：迷宫式密封装置和装配方式的制作方法
有关申请的参者文献本申请要求于1996年10月9日提交的美国临时申请流水号60/028,103的优先权。发明背景1．发明领域本发明涉及机械连接的密封装置，特别是涉及迷宫式密封装置以便在旋转轴和支承箱体之间提供动态密封装置，以及该密封装置的装置方法。
2．相关技术的背景迷宫式的旋转轴密封在本领域众所周知。这类装置包括两个同心环结构，它们确定了一个转子和一个定子。转子与旋转轴密封啮合，定子与支承箱体密封啮合。特别地，成形的通道或槽形成在密封环的内表面，以形成在支承箱体的外部到支承箱体的内部间延伸的曲径或迷宫。迷宫式通道作为一种迷宫式阻挡层用于保持支承箱体内的液体润滑剂并防止杂质进入支承箱体。通道越复杂，杂质物质通过其结构进入支承箱体的机会就越少。制做更复杂的通道的一种方法是增加杂质物质必须经由的表面面积，即增加通道的长度。
通常，迷宫通道表面面积的大小要受到装配时该装置的两个元件之间机械互锁程度的限制。如果元件之间互锁的接触面积较小，在它们之间就只有很小的表面面积形成迷宫通道。相反，如果两个元件之间互锁的接触面积较大，在两个元件之间则有较大的表面面积形成更复杂的迷宫通道。
在现有技术迷宫式密封装置的实例中在转子和定子之间有一个较低程度的机械互锁，它公开在Orlowski的美国专利第4,466,620号上。在Orlowski的装置中，转子设有一个沿轴向延伸的环状凸缘，以便与在定子中形成的轴向延伸的辅助环状凹槽啮合。在现有技术的一个实例中，转子和定子之间有一较高程度的机械互锁，它公开在Fedorovich等的美国专利第5,316,317和5,431,414号上。这是机械式互锁，在装配期间的机械互锁是这样获得的通过最初加热定子的连接部分以增大它的直径。转子的连接部分然后定位在定子连接部分径向内侧。定子然后被冷却，以在两个元件之间产生互锁。
虽然Fedorovich等人的装置提供了一个复杂的迷宫通道，以防止了杂质从该结构中穿过，但是它的装配方式既费时间效率又低。因此，在本领域存在一种需要提供一个迷宫式的旋转轴密封，在这种密封中，它的元件之间有高度的机械互锁，它能够快速和高效率地进行装配。
本发明概要本发明旨在提供一种放置在旋转轴和支承箱体之间的动态迷宫式密封装置。该装置包括用于密封地与支承箱体接合的定子和密封地与旋转轴接合的转子。复杂的迷宫通道确定在定子和转子之间，以阻止杂质通过该结构。定子在它的径向内部具有环状啮合凸缘，而转子在它的径向外部具有环状啮合凸缘。根据本发明的优选实施例，定子环状啮合凸缘和转子环状啮合凸缘具有互相作用的装置，以便使定子和转子机械互锁。一旦互锁后，环状啮合凸缘就构成迷宫通道的组成部分。
相互作用的装置最好包括外径向啮合切口，它形成在定子啮合凸缘上，和内径向啮合切口，它形成在转子啮合凸缘上。外径向啮合切口和内径向啮合切口包括辅助的斜啮合表面。定子啮合凸缘和转子啮合凸缘分别具有相对的前部和尾部轴向表面，径向啮合切口辅助斜表面的形状和尺寸有利于各啮合凸缘渐进地相对横向偏移，并实现转子啮合凸缘的前部轴向表面和定子啮合凸缘的尾部轴向表面的并列重叠。
根据本发明，至少一个环状凹槽形成在定子径向外部，以便支承在定子和支承箱体之间的弹性O型圈。同样，至少一个环状凹槽形成在转子径向内部，以便支承在转子和旋转轴之间的弹性O型圈。此外，至少一个环状槽形成在定子的径向内部，其位置与它的啮合凸缘相间隔，以便接纳支承箱体内的润滑液，和一个轴向排出口，它与环状槽相连。
至少一个环状槽形成在转子的径向外部，其位置与它的啮合凸缘相间隔，以便截获从支承箱体的外侧进入密封装置内的污染物。一个径向排出槽优选地形成在定子内，以便利于将已截住的杂质从密封装置中排出。一个环状密封唇部从定子径向外部的前部边缘上凸起，以便与转子径向外部的前部边缘密封啮合，从而对杂质形成一个附加的阻挡层。
要安装本发明的密封装置，定子和转子必须相互间适当定位，将径向啮合切口的斜啮合表面形成靠紧接触。然后，使转子和定子相互转动，以便啮合凸缘渐进地横向偏移，然后移动转子啮合凸缘的前部表面使之与定子啮合凸缘的尾部表面并列重叠，由此使定子和转子机械互锁。
本发明动态迷宫式密封装置的这些和其它一些结构，对本领域的普通技术人员来说，将更容易从本发明随附图一起所作的下列详细说明中获得理解。
附图概述为使熟悉本该领域普通技术人员更容易理解如何制造和使用本迷宫式密封装置，密封装置的优选实施例将参照附图在下文作详细描述，其中
图1是按照本发明的优选实施例构成并安装在旋转轴和支承箱体之间的迷宫式密封装置立体图；图2是沿图1线2-2处截取的本发明迷宫式密封装置的剖视图；图3是从装置前端所视的本发明迷宫式装置的分解立体图；图4是从装置尾端所视的本发明迷宫式密封装置的分解立体图；图5是本发明迷宫式密封装置定子构件的前视图；图6是本发明迷宫式密封装置定子构件的侧视图；图7是本发明迷宫式密封装置定子构件的后视图；图8是本发明迷宫式密封装置转子构件的后视图；图9是本发明迷宫式密封装置转子构件的侧视图；图10是本发明迷宫式密封装置转子构件的前视图；图11是沿图7线11-11处截取的放大剖视图，表示定子构件的详细结构；图12是沿图10线12-12处截取的放大剖视图，表示转子构件的详细结构；图13是沿图5线13-13处截取的定子放大平面图，表示定子在底部中心位置上的径向内部结构；
图14是沿图8线14-14处截取的转子放大平面图，表示转子在底部中心位置上的径向外部结构；图15-21按顺序说明本发明迷宫式密封装置的安装方法，其中图15是立体视图，说明定子和转子在装配前相互间初始定位的状态；图16是正视图，说明相互啮合的切口相互初始定位，以便它们的辅助斜啮合表面处于贴靠接触；图17是沿图16线17-17处截取的剖面图，表示辅助斜啮合表面的相关部分；图18是立体图，说明在迷宫式密封装置装配过程中，当转子相对于定子转动时，移动定子和转子的啮合凸缘相对使之渐进地相对横向偏移；图19是沿图18线19-19处截取的剖视图，说明在迷宫式密封装置装配时，渐进地移动转子啮合凸缘的前部轴向表面使之与定子啮合凸缘的尾部轴向表面并列重叠；图20是本发明迷宫式密封装置的剖视图，说明在装配时，通过形成在定子前边缘部分的径向密封唇部向外弯曲，以形成与转子前边缘部分密封接合的状态；和图21提供说明示意图，在本发明迷宫式密封装置装配时，表示转子和定子相对的旋转方向。
优选实施例的详细描述现详细参照附图，其中相同的参考数字表示本发明相似的构件。如图1所示根据本发明的优选实施例制构成的动态密封装置，它通常由参考数字10表示。参照图1，密封装置10用于轴向旋转轴12和含有液体润滑剂的支承箱体14之间，以便防止润滑剂从箱体内泄漏和污染物进入箱体内。尤其是，本装置设计成两件式迷宫密封，它起到防止润滑剂和/或污染物在任一方位上移动，本装置优选地由聚四氟乙烯(PTFE)制成，也可以选择使用结构自润滑材料。但是选择的结构材料必须具有弹性变形后的记忆保持特性。
在下面细节的描述中，术语“内侧的”指的是有关密封装置10或其零件，其最接近于支承箱体14的内部的一侧；而术语“外侧的”指的是有关密封装置10或其零件，其最接近于支承箱体14的外部的一侧。此外，术语“尾部”和“前部”当用于描述密封装置10的某些零件相关的位置时，应分别与术语“内侧的”和“外侧的”具有相同的或大体相同的含义。
参照图2-4，密封装置10包括环状定子16，以便与支承箱体密封啮合；以及与轴向轴12密封啮合的环状转子18，便于。环状定子16由一个环状主体部分20和一个向前延伸的环状盖部分22构成，它们作相互整体地构成为一个单独构件。如图2所示，主体部分20包括一对径向外表面上的环状凹槽24a和24b，以便容纳一对弹性的密封圈26a和26b，密封圈用于与通过支承箱体14壁的轴孔30的内周边压啮合，以便保证定子16不相对于转子18转动。环状盖部分22具有比主体部分20和轴孔30大的外径，并用其台肩表面32靠在支承箱体14的外侧，因此当装配时，它与支承箱体的外表面贴靠。
继续参照图2，一对环状润滑槽34a和34b确定在主体部分20的径向内表面上，以便当运转时，回收粘附于旋转轴上的液体润滑剂。如图4、7和13所示，轴向开口槽36形成在主体部分20内，它作为一个用于聚集在槽34a和34b内的所回收润滑剂的排出口。当安装密封装置10时，开口槽36最好相对于旋转轴12的纵轴线定位在最底部中间位置。
正如图2所示，定子16的盖部分22的形状和尺寸完全地封闭并充分地约束环状转子18。盖部分22的径向内表面形成台阶式环状啮合区域，它确定了一个复杂的迷宫式通道，以便防止杂质从周围环境中进入到支承箱体14内，并形成结构的结合面，以便可旋转地与转子18啮合。
参照图11，定子16的台阶式啮合区域由内侧的啮合凹槽40、外侧的啮合凹槽42和径向啮合唇部44确定。环状台阶表面46在啮合凹槽40和42之间形成，而环状啮合凸缘48的外侧的啮合凹槽42和径向啮合唇部44之间形成。如图11及图2表示，外侧的啮合凹槽42具有大于内侧的啮合凹槽40的径向深度。正如下文将作更详细讨论的那样，这些结构各自容纳形成在转子18径向外表面上的互补结构。
正如图2和图3所示，径向向外延伸的排出槽50从外侧的啮合凹槽42延伸穿过定子16的环状盖部分22并与周围空气接通，以便排出可能进入并在定子和转子啮合表面之间形成的迷宫式通道内的污染物。当密封装置10安装时，排出槽50优选地相对于旋转轴12的纵轴线定位在最低部的中间位置。
继续参照图2-4，转子18由一环状本体部分52确定，该环状本体部分具有内孔54，其尺寸便于容纳轴向轴12。环状保持槽56确定在本体部分52的径向内表面内，以便容纳弹性密封圈58，弹性密封圈具有可与轴向轴12的外圆周密封啮合的尺寸，并可便于其与转子18一起相对于定子16和支承箱体14的运动。
如图9和12所示，一系列各种径向尺寸的径向向外凸起的凸缘从转子18的环状本体部分52伸出，以便进一步限定了密封装置10的迷宫式通道。这些通道包括第一个内侧啮合凸缘60，它具有与内侧的啮合，凹槽40相配合的形状和尺寸；一个中间的阻挡凸缘62它面对于环状台阶表面46定位；一个外侧的啮合凸缘64，它具有与外侧的啮合凹槽42相配合的形状和尺寸。内侧的啮合凸缘60具有大于中间的阻挡凸缘62的径向高度，而外侧的啮合凸缘64具有大于内侧的凸缘60和中间的凸缘62的径向高度。
连同图8-10一起再次参照图2，转子18还包括外侧的面板66，当它与径向啮合唇部44啮合时，它封闭在定子16和转子18之间所确定的迷宫式通道，并它与啮合唇部44一起构成对于进入支承箱体14的污染物的第一道阻挡层。正如图20所示，啮合唇部44可相对于盖部分22的外周边弯曲，因此，组装时唇部44径向向外变形以便包容和密封啮合外侧的面板66。在本发明优选的实施例中，增强的密封效果也可以通过面板66内侧边66a固有的倾斜度来达到(图12)，由于它的形状，它趋向于靠在定子16环状啮合凸缘48的外侧边上，对污染物形成第二道阻挡层。
正如图2所示，在转子18外侧啮合凸缘64和定子16外侧啮合凹槽42之间存在着高度的机械互锁，如图示径向尺寸“d”。通过这种结构的相互配合，所形成的这个高度的机械互锁实质性地大于现有技术提供的迷宫式密封装置。这种互锁防止运转过程中两个密封元件相互脱开，与现有技术的装置比较，它还构成了一种优良的密封结构。
为在密封装置10的定子16和转子18之间获得高度的机械互锁，两个元件设有独特的啮合结构，即采用一对相互作用的辅助啮合切口，它们在定子啮合凸缘48和转子啮合凸缘64上被限定，以便密封装置10的人工装配。尤其是如图5和8分别表明，径向向外伸出的啮合切口70形成在定子啮合凸缘48上，而径向向内伸出的啮合切口72形成在转子啮合凸缘64上。定子啮合切口70由相对的斜啮合表面70a和70b构成，正如图13所示；而转子啮合切口72由相对的斜角啮合切口72a和72b构，在如图14所示。如下文将作更详尽讨论的那样，切口70和72的相互作用的辅助斜啮合表面用于密封装置10初始的机械装配。
可以想见，在本发明的范围内，啮合切口的尺寸和形状可以变化，其范围可在描述在图15中相当大的楔形切口到较小的槽或者是窄缝之间变化，它们也可有效地便于装置的装配。因此，这种用于机械互锁定子和转子的结构并不局限于在此描述的本实施例。
现参照图15-19，它们依顺序地表明，通过啮合切口70和72的相互的机械作用来安装转子16和定子18的方法。如图15所示，为便于装配，定子16和转子18初始时相互间的方位关系这样安排，它使得定子啮合切口70与转子啮合切口72在轴向对正。随后，移动两个元件成并列重叠状态，而如图16和17所示，然后移动啮合切口70和72的辅助斜啮合表面70a和72b使之成相互对接靠紧的关系。本领域的普通技术人员将很容易理解，密封装置10的两个元件也可以这样定位，在最初装配时移动辅助啮合表面70b和72a使之成为对接靠紧的关系，而不是表面70a和72b对接靠紧。
如图18所示，密封装置10的装配是通过相互转动两个元件来完成的，在所述的实例中，密封装置10的装配是通过相对定子沿顺时针方向移动转子完成的。在这一顺时针相对转动开始时，两个对接靠紧的辅助斜表面(70a和72b)受推动相互经过，因此它们起对置的靠模面或斜面的作用，这样使得定子啮合凸缘48和转子啮合凸缘64产生渐进地、相对横向偏移，如图19所示。结果，转子啮合凸缘64前部的表面(外侧边)与定子啮合凸缘48尾部的表面(内侧边)逐渐移动形成并列重叠状态。经过定子和转子顺时针的相对旋转，转子啮合凸缘64基本上逐渐地被容纳在定子16外侧的啮合凹槽42内。如图20所示，当啮合唇部沿离开定子16的盖部分22的方向斜向弯曲时，转子18的环状面板66随之被啮合唇部44逐渐容纳。
例如图19和20所示，在装配期间，因为定子和转子的啮合结构由它们的正常状态产生变形是必要的，所以构成密封装置10的元件的热塑性材料必须具有形状记忆保持特性。如本文前述中提到，优选的结构材料是PTFE。
如图21中表明，转子18的顺时针相对转动相对于定子16持续转过360°，直到转子啮合凸缘64的整体被容纳在定子16外侧的啮合凹槽42内时，由此转子啮合凸缘64的外侧边(前部表面)与定子啮合凸缘48的内侧边(尾部表面)沿轴向并列重叠。在这样的时候，定子和转子结构的材料记忆保持特性将起到将定子和转子因人工弯曲的啮合结构再改变形状的作用。此外，装配一旦完成，转子18就完全被定子16的环状盖部分22封闭，而且密封装置10在装配好的条件下随时可用在轴向轴12和支承箱体14之间。
虽然就优选的实施例来说，本发明的迷宫式密封装置已作了描述，但是，显然，可进行一些改进或变化而并不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1．动态密封装置，它设置在旋转轴和含有液体润滑剂的支承箱体之间，该密封装置包括a)一个定子，在它的径向内部具有环状啮合凸缘；和b)一个转子，在它的径向外部具有一个环状啮合凸缘，上述定子环状啮合凸缘和上述转子环状啮合凸缘具有相互作用的装置，以便于上述定子和上述转子的机械互锁。
2．如权利要求1所述的动态密封装置，其中上述相互作用的装置包括一个外径向啮合切口和一个内径向啮合切口，外径向啮合切口在上述定子啮合凸缘上形成；而内径向啮合切口在上述转子啮合凸缘上形成。
3．如权利要求2所述的动态密封装置，其中上述外径向啮合切口和上述内径向啮合合切口包括辅助斜啮合表面。
4．如权利要求3所述的动态密封装置，其中上述定子啮合凸缘和上述转子啮合凸缘分别具有对置的前部和尾部轴向表面，以及上述径向啮合切口的上述辅助斜表面具有便于这些啮合凸缘逐渐地、相对地横向偏移的形状和尺寸，以实现上述转子啮合凸缘的前部轴向表面和上述定子啮合凸缘的尾部轴向表面的轴向并列重叠。
5．如权利要求1所述的动态密封装置，其中至少一个环状凹槽形成在上述定子的径向外部，以便支承在上述定子和上述支承箱体之间的弹性O型圈。
6．如权利要求1所述的动态密封装置，其中至少一个环状凹槽形成在上述转子的径向内部，以便在上述转子和上述旋转轴之间支持弹性O型圈。
7．如权利要求1所述的动态密封装置，其中至少一个环状槽形成在与它的上述啮合凸缘相间隔的上述定子径向内部，以便接纳上述支承箱体中润滑液体。
8．如权利要求7所述的动态密封装置，其中一个轴向的排出口与上述的环状槽相连。
9．如权利要求1所述的动态密封装置，其中至少一个环状槽形成在与它的上述啮合凸缘相间隔的上述转子的径向外部，以便截获从上述支承箱体的外边导进入上述密封装置的污染物
10．如权利要求8所述的动态密封装置，其中一个径向排出槽形成在上述定子内，以便利于把所截获的污染物从上述密封装置中排出。
11．如权利要求1所述的动态密封装置，其中一个环状密封唇部从上述定子径向外部的前部边缘上突起，以便与上述转子径向外部的前部边缘密封啮合。
12．动态密封装置，它放置在旋转轴和含有液体润滑的支承箱体之间的该密封装置包括a)一个定子，在它的径向内部具有一个环状啮合凸缘，上述定子啮合凸缘具有相对的前部和尾部轴向表面，还包括一个径向啮合切口，其上具有斜啮合表面；和b)一个转子，在它的径向外部具有一个环状啮合凸缘，上述转子啮合凸缘具有相对的前部和尾部轴向表面，并还包括一个径向啮合切口，其上具有斜啮合表面，上述径向啮合切口的上述斜啮合表面具有这样的形状和尺寸，它便于上述啮合凸缘逐渐地、相对横向偏移，并实现上述转子啮合凸缘的前部轴向表面和上述定子啮合凸缘的尾部轴向表面的轴向并列重叠，从而使得上述定子和上述转子机械互锁
13．如权利要求12所述的动态密封装置，其中至少一个环状凹槽形成在上述定子的径向外部，以便支承在上述定子和上述支承箱体之间的弹性O型圈。
14．如权利要求12所述的动态密封装置，其中至少一个环状凹槽形成在上述转子的径向内部，以便支承在上述转子和上述旋转轴之间的弹性O型圈。
15．如权利要求12所述的动态密封装置，其中至少一个环状槽形成在与它的上述啮合凸缘相间隔的上述定子的径向内部，以便接纳来自上述支承箱体的润滑液。
16．如权利要求15所述的动态密封装置，其中一个轴向排出口与上述环状槽相连。
17．如权利要求12所述的动态密封装置，其中至少一个环状槽形成在与它的上述啮合凸缘相间隔的上述转子的径向外部以便截获从上述支承箱体外边进入上述密封装置的污染物。
18．如权利要求17所述的动态密封装置，其中一个径向排出槽形成在上述定子内，以便于将已截获的污染物从上述密封装置中排出。
19．如权利要求12所述的动态密封装置，其中一个环状密封唇部从上述定子径向外部的前部边缘突起，以便与上述转子径向外部的前部边缘密封啮合。
20．动态密封装置，它放置在旋转轴和支承箱体之间该密封装置包括a)一个环状定子，它具有一个主体部分和一个盖部分，上述盖部分具有与其相关的径向内啮合部；b)一个环状转子，它具有一个径向外啮合部，它被上述盖部分围绕，并可操作地与上述定子的上述径向内啮合部连接，上述定子具有从上述盖部分的径向外部前边缘突起的径向密封唇部，以便与上述转子的前部边缘部分密封啮合。
21．装配放置在旋转轴和支承箱体之间的动态密封装置的方法，该方法包括下列步骤a)提供一个定子，它在它的径向内部具有环状啮合凸缘，该凸缘具有相对的前部和尾部轴向表面，并还包括径向啮合切口，该切口具有斜啮合表面；b)提供一个转子，在它的径向外部具有环状啮合凸缘，该凸缘具有相对的前部和尾部轴向表面并还包括径向啮合切口，该切口具有斜啮合表面；c)将上述的各径向啮合切口的各斜啮合表面放置成相互对接接触的状态；和d)使上述转子和上述定子相互转动，以使逐渐移动上述转子啮合凸缘的上述前部表面，使之与上述定子啮合凸缘的上述尾部表面轴向并列重叠，从而使得上述定子和上述转子机械互锁。
全文摘要
所公开的动态密封装置(10)包括定子(16),在它的径向内部具有环状啮合凸缘(48),还包括转子(18),在它的径向外部具有环状啮合凸缘(64)。环状啮合凸缘(48)和转子环状啮合凸缘(64)具有相互作用的装置,以便定子(16)和转子(18)的机械互锁。同时还公开了装配的方法。
文档编号F16J15/447GK1237235SQ97198651
公开日1999年12月1日 申请日期1997年10月8日 优先权日1996年10月9日
发明者K·J·沙雷尔 申请人:科尔特克北卡罗来纳公司