专利名称：排放高压轴密封件的制作方法
技术领域：
本发明涉及旋转流体压力装置，例如低速高转矩(LSHT)齿轮转子马达(gerotor motor)，尤其是涉及一种用于该装置的、改进的高压轴密封组件。
尽管本发明可以用于具有任意一种不同阀结构的LSHT齿轮转子马达，但是它尤其适用于滑阀马达，因此将结合滑阀马达介绍本发明。应当知道，滑阀齿轮转子马达通常限于具有相对较低的流量和压力等级的较小马达。这部分是因为滑阀马达的某些固有限制，因为在滑阀和壳体的相邻柱形表面(“静止阀表面”)之间有径向间隙。该径向间隙提供了潜在的横向孔泄漏通路，这样，当该间隙的径向尺寸增加时，马达的容积效率(和总效率)减小。
与滑阀类型的齿轮转子马达相关的一个问题是，当用户希望通过增加进口压力而持续增加马达的转矩输出时，滑阀有在高压下“破坏”的趋势，从而增加滑阀表面和壳体的静止阀表面之间的径向间隙。如上所述，增加径向间隙导致马达的容积效率降低，用户总是不希望这样。
本领域技术人员已经知道，解决滑阀“破坏”问题的一个可行方法是增加“腔排放(case drain)”压力，即位于马达内部的腔室中的压力，该马达内部腔室包括位于空心滑阀内的容积部分。通常增加腔排放压力的方法是简单地限制腔排放孔的流出，从而导致在腔排放区域内压力升高。因此，腔排放区域压力不是处于储存压力(reservoir pressure)，而是可以升高到1000psi到2000psi范围内的某个值，通过该压力来抵抗滑阀破坏的趋势。如本领域技术人员公知，当限制腔排放区域的流出时，腔排放区域中的压力通常将在进口压力和出口压力之间的大约中间位置(或稍大)。
不幸的是，增加腔排放压力并不能认为是可接受的解决滑阀破坏问题的方法，因为轴密封组件(即壳体和旋转输出轴之间的密封件)将比在其它情况下磨损更快，从而需要使马达有更频繁的停工时间，用于更换轴密封组件。从用户的观点看，更频繁地更换马达轴密封件以及马达的相应停工时间都是不能接受的。
特别地，本发明的目的是提供一种改进的低速高转矩齿轮转子马达，它有改进的轴密封组件，因此可以增加该马达的容积效率，特别是在相对较高的进口压力下，同时增加轴密封组件的寿命。
特别地，本发明的目的是提供一种改进的滑阀型齿轮转子马达，其中，可以通过在增加腔排放压力的情况下工作而大大增加增加马达的容积效率，同时不会增加轴密封件的磨损速度，且不需要频繁更换该轴密封件。
本发明的上述和其它目的通过提供一种改进的旋转流体压力装置而实现，该类型的旋转流体压力装置包括有流体进口和流体出口的壳体装置。一个流体压力操作的移动机构与该壳体装置相关连，并限定了多个根据移动装置的活动部件的运动而膨胀和压缩流体容积的腔室。一个阀部件与该壳体装置配合作用，以便在进口和膨胀容积腔室之间以及在压缩容积腔室和出口之间提供流体连通。一个输入-输出轴可旋转地支承在壳体装置上，还包括一个传动装置，用于在输入-输出轴和移动装置的活动部件之间传递旋转运动。一个密封组件径向布置在该输入-输出轴和壳体装置之间，并与它们配合作用，以便限定增压的腔排放区域。
改进的旋转流体压力装置的特征在于沿流体从增压的腔排放区域泄漏的方向，轴密封组件顺序包括高压轴密封件；然后是环形腔室，靠近高压轴密封件的刚性支承部件布置在该环形腔室内，该支承装置与壳体装置和高压轴密封件中的一个配合，以便限定径向流体通道装置。排出通道布置在该环形腔室和腔排放口之间，因此，经过高压轴密封件从腔排放区域泄漏的流体将流过径向流体通道装置，然后通过排出通道流向腔排放口。最后，密封组件还包括一个低压轴密封件。
图2是类似于
图1但是沿不同的平面的放大局部轴向剖视图，表示本发明的改进的高压轴密封组件。
图3是沿图2的线3-3的进一步放大的布置平面图，表示包括本发明的一个重要方面的径向流体通道。
阀壳体13包括前部凸缘部件31，它将在随后更详细地介绍。阀壳体13限定了柱形孔33，及由滑阀限定了一对环形槽35和37，这将在随后更详细的介绍。槽35通过通道39与进口21流体连通，而环形槽37通过通道41与出口23流体连通，阀壳体13还限定了多个径向开口43，各个径向开口43开口到柱形孔33，且各径向开口43与轴向通道45流体连通，该轴向通道45与阀壳体13的后表面连通，各轴向通道45开口于一个膨胀和压缩流体容积的腔室29。
前部凸缘部件31限定了一个腔排放口47，图中所示为已经塞紧，该腔排放口47的功能将在随后更详细介绍。输出轴组件布置在柱形孔33内，该输出轴组件包括一个输入-输出轴部分49和滑阀部分51。一个主驱动轴53布置在空心柱形的滑阀部分51，它通常称为“狗骨(dogbone)”轴。输出轴组件限定了一组直的内花键55，星形部件27限定了一组直的内花键57。主驱动轴53包括一组与内花键55啮合的冠形外花键59以及一组与内花键57啮合的冠形外花键61。
如图1可见，滑阀部分51和主驱动轴53配合，以便限定腔排放区域63，如本领域技术人员所公知的。滑阀部分51限定了多个与环形槽35连通的轴向通道65以及多个与环形槽37连通的轴向通道67。轴向通道65和67通常也称为“定时(timing)槽”。如本领域技术人员所公知的，正是定时槽65提供了从增压进口21通过环形槽35到径向开口43的增压液体的连通，且从该径向开口43通向瞬时膨胀的流体容积腔室29。还如本领域技术人员所公知，有多个轴向通道65和多个轴向通道67，且该通道65和67绕滑阀部分51的外周交替布置，这样，不管是口21还是口23包括高压，滑阀部分51的外周上都将作用有高压，趋向于使滑阀部分51破坏-如发明的背景技术中所提及。
在本文中，口21称为“进口”，这时，输出轴部分49的旋转将沿CC(顺时针)方向。不过，如所公知的，如果口23被增压并作为进口时，输出轴部分49的旋转将沿CCW(逆时针)方向。在本实施例中，正是当口23为进口且环形槽37包括增压流体时，高压阀芯破坏问题相对比较严重。本领域技术人员应当知道，在本文中，对于滑阀部分51的术语“破坏”的意思是滑阀部分的半径减小，通常，该减小将在大约0.0005英寸(0.0127mm)至大约0.001英寸(0.0254)范围内，从而导致直径间隙增加大约0.001英寸(0.0254mm)至大约0.002英寸(0.0508mm)。因此，下面所表示的测试数据都将基于马达沿CCW方向的操作。
下面主要参考图2，前部凸缘部件31限定了环绕输入-输出轴部分49的台阶孔71，该台阶孔71的外表面在图2中通过标记为“S”的线示意表示。一个高压轴密封组件布置在该台阶孔71内，该高压轴密封组件总体地表示为73，它包括本发明的一个重要特征。众所周知，通常在现有技术中，输入-输出轴部分49限定了轴向流体通道75和一个或多个径向流体通道76，流体可以通过它们从腔排放区域63流向轴密封组件73附近区域。沿流体从腔排放区域63泄漏的方向(即在图2中从右向左)，轴密封组件73顺序包括高压轴密封件77；环形垫片79，该环形垫片79作为该高压轴密封件77的支承环；以及排出通道81，该排出通道81使得从台阶孔71到腔排放口47流体连通，这将后面更详细所述。最后，轴密封组件73包括普通的低压轴密封件83。此外，尽管并不认为是高压轴密封组件73的一部分，但是优选还提供有防尘密封件85，该防尘密封件85布置在凸缘部件31的前表面附近。如本领域技术人员所公知的，防尘密封件85的主要功能是防止灰尘和尘土从马达外部进入，即沿轴部分49的外表面向图1或2的右侧运动并进入马达11的内部。
还主要参考图2，高压轴密封件77优选地包括高压唇形密封件或quadseal密封件，或者其它任意类型的通常用于高压的密封件。应当知道，在本文中和在附属权利要求书中，称为“高压”密封件例如密封件77的意思是包括能够密封至少大约1500psi压力，优选是3000psi压力或更高的密封部件。高压轴密封件77的弹性部分的硬度通常稍微大于用于普通低压密封件的硬度，例如大于低压轴密封件83的硬度。还有，通常，高压轴密封件77的唇边与轴部分49的相邻表面之间的干涉量应当大于普通低压轴密封件的(干涉量)。尽管在本文中高压轴密封件77称为“弹性体的”，但是应当知道，该术语用于广义情况，该密封件77可以包括例如聚四氟乙烯这样的材料。
下面主要参考图3，可以看见，环形垫片79优选地限定了多个周向间隔开的凹槽87。在本实施例中，仅作为示例，各凹槽87的轴向深度为大约0.05英寸(1.27mm)。不过，最重要的是凹槽87的形状选择为使它们足够大，以便当有流过高压轴密封件77的泄漏流时，在高压轴密封件77和低压轴密封件83之间的轴部分49周围区域中基本不会有任何的压力积累。换句话说，从凹槽87到腔排放口47之间的压力差应当最小。优选地，环形垫片79的内径稍微大于轴部分49的直径，这样，环形垫片79松弛地绕输入-输出轴部分49布置，并能够相对于该轴部分49稍微径向运动。
在马达11的工作过程中，腔排放区域63接收主要是因为从增压膨胀流体容积腔室29沿星形部件27的端表面径向向内的泄漏而产生的增压流体，如本领域所公知的。如前面所述，进入腔排放区域63的泄漏流体部分流过流体通道75和76，并作用在高压轴密封组件73上。在马达11工作的最初多个小时中，可以预期高压轴密封件77将基本不允许任何泄漏流经过该密封件77(即在密封件77的唇边和轴部分49的表面之间)。根据例如流体压力、马达的工作速度等因素，基本没有经过高压轴密封件77的泄漏的最初时间可以持续从大约20小时(马达工作时间)到大约200小时。
因为基本没有泄漏流经过高压轴密封件77，因此，如前所述，腔排放区域63中的压力相对较高，因此将抵抗滑阀部分51破坏的趋势。根据本发明的一个重要方面，在如上所述基本没有泄漏的最初阶段之后，高压轴密封件77将最终开始稍微泄漏。凹槽87和高压轴密封件77配合，以限定多个小孔89，泄漏流体在经过高压轴密封件77后必然流过这些小孔89。这些孔89的尺寸保证在轴密封组件73内几乎没有形成压力，如前所述。尽管已经结合在凹槽和密封件77之间形成孔89的实施例来举例说明了本发明，但是应当知道本发明并不局限于此。仅作为示例，环形垫片79的安装可以与图2和3所示相反，这样，凹槽87朝前(即朝着图2和3的右侧)。这时，孔89将通过凹槽87和凸缘部件31的相邻表面而形成。在另一可选实施例中，孔89将通过钻出(或以其它成形方式)穿过环形垫片79的径向孔而形成。
为了说明由本发明产生的较大改进，在后面将更详细介绍的条件下进行了对比试验。在该对比试验中，“现有技术”的马达与根据“本发明”制成的马达进行了比较(见下表)。
各对比在流过马达的流量为4加仑/分或8加仑/分的情况下进行。在各个试验中，“背压(back pressure)”施加在马达出口部分上，该背压选择为500psi、1000psi或1500psi。
对于各个背压和流速，在三个不同“Δ压力”下进行测试，该Δ压力是指进口压力和出口压力之间的差。因此，例如当背压为1000psi且Δ压力为1500psi时，进口压力为2500psi，出口压力为1000psi。
比较时，在“现有技术”和“本发明”列中所示数值是总体效率。如本领域技术人员所公知，总体效率只是容积效率和机械效率的乘积(当M.E＝70％且V.E.＝80％时，O.E.＝56％)，且总体效率可以认为是最有效的比较基础。
在进行对比试验时，“现有技术”装置包括本发明的受让人在市场上购得的普通类型的滑阀马达，这时，腔排放区域相对无限制地与腔排放口连通，这样，腔排放区域中的流体压力相对较低(例如50至100psi)。比较而言，“本发明”基本为相同马达，但是根据本发明进行了改变(即，使用前部凸缘部件31和高压轴密封组件73)。通过本发明，腔排放压力保持在出口压力和进口压力之间的差的大约50％或60％。因此，例如，当出口压力(背压)是1000psi，且Δ压力是1500psi时，腔排放压力将为大约1750至大约1900psi。
由上面数据可以看到，通过增加背压和增加Δ压力，本发明装置优于现有技术的改进程度大大增加，但是还应当知道，在相对较低流速(4加仑/分)时的增加通常比在相对较高流速(8加仑/分)时更大。因此，可以看到，本发明使得该类型的马达可以在更高背压和更高Δ压力下工作，同时保持可接受的总体效率。
前面的说明已经详细介绍了本发明，但是本领域技术人员通过阅读和理解本说明可以清楚各种变化和改变。这些变化和改变包含在本发明中，因此，它们在附属权利要求的范围内。
权利要求
1.一种旋转流体压力装置(11)，所述类型的旋转流体压力装置包括壳体装置(13、31)，壳体装置有流体进口(21)和流体出口(23)；流体压力操作移动装置(15)，所述流体压力操作移动装置与所述壳体装置(13、31)相连，并限定了多个根据所述移动装置(15)的活动部件(27)的运动而膨胀和压缩流体容积的腔室(29)；一个阀部件(51)，所述阀部件与所述壳体装置(13、31)配合，以便在所述进口(21)和所述膨胀容积腔室(29)之间以及在所述压缩容积腔室(29)和所述出口(23)之间提供流体连通；输入-输出轴(49)和传动装置(53)，所述输入-输出轴可旋转地支承在所述壳体装置(13、31)上，所述传动装置用于在所述输入-输出轴(49)和所述移动装置(15)的所述活动部件(27)之间传递旋转运动；密封组件，所述密封组件径向布置在所述输入-输出轴(49)和所述壳体装置(13、31)之间，并与它们配合，以便限定增压的腔排放区域(63)；其特征在于，沿从所述增压的腔排放区域(63)流出的泄漏流的方向，所述密封组件顺序包括(a)高压轴密封件(77)；(b)环形腔室(71)，一个靠近所述高压轴密封件(77)的刚性支承部件(79)布置在所述环形腔室内，所述支承部件(79)与所述壳体装置(31)和所述高压轴密封件(77)中的一个配合，以便限定径向流体通道装置(87、89)；(c)排出通道(81)；所述排出通道布置在所述环形腔室(71)和腔排放口(47)之间，因此，经过所述高压轴密封件(77)的从所述腔排放区域(63)泄漏的流体流过所述径向流体通道装置(87)，然后通过所述排出通道(81)流向所述腔排放口(47)；以及(d)低压轴密封件(83)。
2.一种根据权利要求1所述的旋转流体压力装置(11)，其特征在于所述刚性支承部件(79)包括环形金属部件，所述环形金属部件限定了多个径向延伸的凹槽(87)，所述凹槽包括所述径向流体通道装置(87、89)。
3.一种根据权利要求2所述的旋转流体压力装置(11)，其特征在于所述凹槽(87)紧邻所述高压轴密封件(77)布置，所述凹槽(87)和所述密封件(77)配合，以便限定所述流体通道装置(89)。
4.一种根据权利要求1所述的旋转流体压力装置(11)，其特征在于所述高压轴密封件(77)这样选择，即，在最初的时间阶段T1，所述高压轴密封件(77)基本不允许从所述腔排放区域(63)到所述排出通道(81)的泄漏流，从而保持所述腔排放区域(63)中的压力，所述压力为在所述进口中的压力的大约至少一半。
5.一种根据权利要求1所述的旋转流体压力装置(11)，其特征在于所述流体压力操作移动装置(15)包括有内齿的环形部件(25)和包括所述活动部件的有外齿的星形部件(27)，所述星形部件偏心地布置在所述环形部件(25)内，用于进行相对的确定轨迹的运动和旋转运动。
6.一种根据权利要求1所述的旋转流体压力装置(11)，其特征在于所述阀部件(51)包括空心、大致柱形的滑阀部件，其中，在所述进口中的流体压力至少在所述滑阀部件的有限轴向范围内包围所述滑阀部件，所述腔排放区域(63)布置成至少部分位于所述滑阀部件内。
全文摘要
一种旋转流体压力装置(11)，具有壳体装置(13、31)、进口和出口(21、23)；内齿轮组(15)、阀部件(51)和输入－输出轴(49)。密封组件(73)径向布置在轴(49)和壳体(31)之间。沿从腔排放区域(63)流出的泄漏流的方向，所述密封组件顺序包括高压轴密封件(77)；环形腔室(71)，用于密封件(77)的刚性支承部件(79)布置在所述环形腔室内；排出通道(81)，所述排出通道从环形腔室(71)到腔排放口(47)进行流体连通；以及低压轴密封件(83)。支承部件(79)可以与壳体(31)或密封件(77)配合，以便限定径向流体流动装置(87、89)，这样，经过高压轴密封件(77)的任意泄漏流都流向腔排放口(47)。
文档编号F04C2/00GK1469063SQ0313718
公开日2004年1月21日 申请日期2003年6月11日 优先权日2002年6月11日
发明者J·M·小勒克莱尔, J·D·米勒, A·T·米勒, J M 小勒克莱尔, 米勒 申请人:伊顿公司