密封件和密封系统的制作方法

本发明涉及一种具有至少一个密封唇的密封件，该密封件用于密封在机器元件与壳体之间的间隙，该密封件包括由弹性材料制成的基体。此外，本发明涉及一种密封系统，该密封系统用于密封在机器元件与壳体之间的间隙，该密封系统包括至少一个密封件。本发明还涉及一种用于监控密封系统的方法。

背景技术：

密封件、尤其是动态受载的密封件在预测的使用寿命期间磨损，其中，不同的磨损现象起作用。由于材料疲劳，密封件的接触压力减小，同样压紧力减小。由于磨损和设置行为，密封件的尺寸发生改变。该过程导致，首先发生泄露并且随后发生密封系统的失效。

已知将用于泄露监控的装置集成到密封件中以用于密封件的泄露监控。由de102007007405b4已知一种电装置，该电装置用于识别动态密封元件的磨损状态。所述密封元件包括一个可导电的区段和一个不可导电的区段，该不可导电的区段与要密封的机器元件接触。所述机器元件同样是可导电的。由于所述密封元件的磨损，不可导电的密封材料磨损，使得可导电的密封材料与机器元件接触。在此，电路接通并且可以确定密封元件已磨损。在所述实施方案中不利的是，不能检测逐渐的状态改变。仅可以确定已达到磨损极限并且必须更换密封元件。

技术实现要素：

本发明的任务是，提供一种密封件以及一种密封系统，该密封系统能够实现持久地监控密封件的状态。也应该说明一种用于状态监控的方法。

所述任务通过权利要求1的特征得以解决。从属权利要求涉及有利的实施方案。

为了解决该任务，密封件的基体配备成可导电的并且在外侧至少部分地利用由电绝缘材料制成的覆盖罩遮盖。在此，所述覆盖罩跟随所述基体的外部轮廓。在此，该覆盖罩具有相对小的厚度并且面状地贴靠在基体上。

测量原理依据如下：在密封件的基体与机器元件之间或在密封件的基体与壳体之间施加电压并且确定在各结构元件之间的电容。电容的主要影响参数是：绝缘介质的电常数，该介质在当前情况中是覆盖罩；以及基体相对于机器元件的面积和机器元件与基体之间的距离。如果由于磨损增加使得覆盖罩的厚度改变，则因此在所述各元件之间的电容也改变，这可以通过合适的评估电子装置来检测。所述评估电子装置可以具有电容测量仪器、存储器和输出装置、例如灯、打印机或屏幕显示器。通过这种实施方案也可以检测逐渐的变化和逐渐的磨损。这能够实现持久地监控密封件、密封系统以及密封功能的状态。基于所述持久的状态监控，可以在密封件失效之前及时地警告并且从而避免密封系统的泄露。按照本发明的密封件的实施方案可用于所有的由于动态受载而经受磨损的密封系统。本发明相对于基于短路测量的磨损感应系统也是有利的。因为在所述系统中，密封系统的尺寸必须非常精确地与随时间的尺寸变化相协调。只不过信号同样实际上在泄露前不久才产生。但安装情况、例如其它的偏差或其它的挤压在每个系统中可以是不同的，使得每个系统必须用非常多的花费彼此相协调，因为否则泄露可能已经在产生信号之前发生。本发明有利的是，这种与尺寸变化的协调不是必须的，而是密封系统可以通过在许多应用上进行电容测量来校准。

覆盖罩可以至少配设给基体的这些区域，所述区域与机器元件和壳体接触。在此，覆盖罩可以在外周侧完全包围基体。在其它的实施方案中，基体的区域也可以保持未遮盖。在此，尤其是可设想如下区域，这些区域指向密封间隙并且既不与机器元件接触也不与壳体接触。覆盖罩优选材料锁合地连接到基体上。

所述基体可以由弹性体材料制成。在此，根据密封件的使用目的尤其是考虑已被证明的密封材料，如nr、epdm、evm、eco、cr、nbr、xnbr、acm、aem、hnbr、xhnbr、fkm和ffkm以及由所述材料组成的混合物。此外，也可设想使用热塑性弹性体以及热塑性塑料作为用于基体的材料。

覆盖罩优选由弹性体、热塑性材料制成或由ptfe制成。由弹性体构成的覆盖罩基于类似的材料特别好地材料锁合地附着在基体上。热塑性材料可以特别简单地借助注塑成型到基体上并且材料锁合地附着在基体上。但附着也可以通过形锁合的连接形成。就此而言尤其是可设想，通过机械抓紧装置借助基体的几何成型形成所述连接。但在这两种情况下所述附着也可以通过增附剂实现。由pfte成形的覆盖罩具有特别小的静摩擦系数以及高的化学稳定性。此外，由pfte制成的覆盖罩是特别耐磨损的。为了将由pfte制成的覆盖罩连接到基体上，在必要时使用增附剂。在此，也可设想形锁合的连接。重要的分别是，覆盖罩的材料是电绝缘的，而基体的材料是可导电的。

弹性材料可以设有可导电的颗粒。就此而言尤其是可设想，将碳颗粒或金属颗粒混入到弹性材料中。碳颗粒例如是导电炭黑、石墨、碳纤维或碳纳米管。金属颗粒例如是不锈钢纤维、金属纤维、金属粉末、涂层的金属粉末、例如银涂层的铜片。所述金属颗粒也可以由铝或氧化铁制成。碳颗粒和金属颗粒都是可导电的并且导致基体的弹性材料总体上是可导电的。

基体可以设有接触元件以用于电触点接通。在此，该接触元件优选这样构造，从而得到基体的可靠的电触点接通并且所述触点接通尽可能低阻抗地实现。就此而言尤其是可设想，所述接触元件构造成盘形的并且面状地贴靠在基体上。在此，接触元件优选贴靠到基体的这样的区域中，该区域在密封件的安装状态中配设给在壳体与机器元件之间的间隙并且既不与壳体接触也不与机器元件接触。作为替代形式，所述接触元件也可以构造成碟形弹簧的形式。

按照本发明的用于密封在机器元件与壳体之间的间隙的密封系统包括至少一个密封件以及一个评估电子装置，该评估电子装置用于检测在密封件的基体与机器元件或壳体之间的电容、即密封件的覆盖罩在密封点区域中的电容。所述评估电子装置可以具有电容测量仪器、存储器和输出装置、例如屏幕显示器。

按照本发明，至少机器元件或壳体是可导电的。机器元件或壳体是否必须是可导电的取决于，密封件是安装在壳体上还是机器元件上。如果密封件安装在壳体上，则该机器元件必须是可导电的。如果密封件安装在机器元件上，则该壳体必须是可导电的。在此，相应其它的结构元件也可以是可导电的。对于密封件的状态监控、尤其是对其磨损的监控，在机器元件或壳体以及密封件基体之间施加电压，从而可以确定电容。所述电容由评估电子装置检测。此外，该评估电子装置也可以检测电容的逐渐的变化、所谓的电容漂移。电容的变化例如基于由于覆盖罩磨损出现的尺寸变化而产生。

如果在评估电子装置中评估电容的趋势线、即电容的趋势，则能够预测，何时达到预定的边界值。

在评估电子装置中也可以确定电容的变化程度、即电容的第一时间导数，并且输入到评估中。因此，例如可以在电容显著增加时输出警告。

上述举措以有利的方式允许持久地监控密封系统的状态以及长期规划维护工作。

对电容的测量和对密封件状态、尤其是密封件的磨损的推断具有如下优点：所述测量可以设计为相对测量。亦即，新的密封件的电容在装配时被测量并且相对于电容的所述测量值确定一个边界值，在该边界值情况下，磨损不允许变大。作为替代形式，所存储的边界值可以根据第一次测量的电容来校准。因为在这两种情况下都未预定绝对的边界值，在制造密封件的覆盖罩时允许在覆盖罩的特征(例如厚度)中的公差。

在评估电子装置中，为在存储器中确定的电容测量值配设有密封件的确定的状态值、尤其是磨损值。所存储的值可以实验地和/或计算地确定。

除磨损外，密封件的材料老化也可能导致泄露。所述泄露于是由在绝缘层中的变化引起。这可以尤其是如下情况，要密封的介质通过化学变化使密封件材料老化。材料老化在密封件的改变的设置行为中也可以被察觉，这也许同样可能导致泄露。在密封系统的一种有利的进一步改进方案中，这种老化过程也可以被测量，其中，评估电子装置为此实施介电谱分析。介电谱分析是一种阻抗谱分析的方法，该方法检测材料(在此是绝缘层)的介电特性。在此，确定阻抗、亦即材料的交流电阻为频率的函数。该阻抗是对于材料老化的计量标准。

本发明替代于或附加于单纯测量电容也可以包含如下可行性方案：通过频率的变化监视材料的介电特性并且由此得到材料状态的更多信息。通过所施加的电场e，实现在材料中的载流子d的移动。其强度由材料的介电常数或电容率ε确定。

d＝εε0e

在应用交变场的情况下，ε是复合参数并且也称为复介电常数ε*。如所有的复合参数，ε*包括实部和虚部，其中，实部被称作ε’，并且是指介电响应的部分，该部分处于带有施加的场的相位中，而ε”描述不在相位中的虚部。

材料的介电特性与材料结构直接相关并且由此也与所基于的引起材料的介电响应的过程相关。复介电常数ε*(ω)与外电场的圆频率ω以及与温度和压力的相关性可以利用以下机制解释：

1)分子偶极子的微观波动；

2)可移动的载流子的运动(电子或离子的扩散)；

3)在边界面上的电荷分离，这导致附加的极化。

后者一方面可以在内边界面上的中尺度区域中进行(maxwell/wagner/sillars极化)和/或宏观上在探针和外部电极之间的触点接通处进行。在此，极化量可以以多个数量级超过通过分子机制产生的效果。

每个所述过程具有特定的对复电介质函数的实部和虚部的温度和频率的依赖性并且因此可以被用以更好地表征材料的当前分子状态。所述附加的信息可以为分子系统的结构和构造提供有价值的信息。

在所说明的方式中，所施加的电压应该是尽可能低的，频率范围会变化。复介电函数的实部和虚部被记录，在另一种实施形式中，介电模型m也可以用作表征参量。在测量参数中的变化可以通过利用对于本领域技术人员已知的模型函数(例如cole-cole、havriliak-negami)的详细评估明确地配设给结构变化。

此外，在有利的进一步改进方案中，密封系统可以具有支承体，其中，该支承体由电绝缘材料构成。就此而言尤其是可设想，所述支承体由热塑性材料制成。支承体一方面将基体支撑在结构空间中并且另一方面防止基体的未被覆盖罩遮盖的区域与壳体和/或机器元件接触。

所述支承体优选设有用于将接触元件与评估电子装置电连接的装置。在此，一方面形成与基体的接触元件的电连接，这可以通过支承体的可导电区段的力锁合贴靠进行；并且另一方面形成与评估电子装置的电连接。为此，支承体例如可以设置有端子接线片，该端子接线片能够实现与敷设线缆的线缆终端简单的连接。

在一种有利的实施方案中，密封系统具有两个密封件，这两个密封件分别配设给支承体的轴向端侧，从而密封系统双向密封。这种密封系统在如下情况时特别有利，即，密封系统是杆密封系统。在这种情况下，壳体例如是柱壳体并且杆是活塞。该密封系统密封用介质填充的间隙。介质的选择与相应的使用目的有关并且可以包括润滑剂介质、如传动液体和液压液体。但也可设想食品技术的介质、尤其是在灌装技术领域中已知的介质如牛奶、柠檬水、啤酒及其清洗介质(所谓的cip/sip清洗介质)。

但按照本发明的具有持久状态监控和泄露监控的密封系统在所有具有成形密封唇的动态密封系统中一般是有利的。在此，首先要包括具有至少一个定义的密封唇的密封件、如在径向轴密封系统中一样。但所述密封件也可以构造为型材密封件、盖密封件或x圈。

本发明也涉及一种用于监控如上述的密封系统的方法，其中，该方法具有以下步骤：

在第一步骤中，根据密封系统的结构，利用电容测量仪器测量在基体与机器元件之间或在基体与壳体之间的电容。然后将测量值与至少一个存储在存储器中的边界值比较。如果至少一个边界值被超过，则在第三步骤中借助输出装置输出信息，其中，可以为相应的边界值配设有相应的信息。在此，尤其是可以设置第一边界值，在该边界值的情况下输出预订要求以用于预订新的密封件；可以设置第二边界值，在该边界值的情况下输出更换要求以用于更换密封件，和/或可以设置第三边界值，在该边界值的情况下输出关断要求，以避免密封件的完全失效以及可能的危急后果。

对于借助介电谱分析的测量可以类似地使用该方法。

所说明的发明和所说明的本发明的有利的进一步改进方案也可以相互组合地构成本发明的有利的进一步改进方案，只要这在技术上是有意义的。

关于本发明的其它优点以及在结构和功能方面的有利的实施方案参见从属权利要求以及参考附图对实施例所进行的说明。

附图说明

借助附图更详细地说明本发明。相互对应的元件和构件在附图中设有相同的附图标记。为了附图更好的清楚性，放弃真实比例的示图。

附图分别示意性地示出：

图1以剖视图示出密封件；

图2示出双向密封系统；

图3示出单向密封系统；

图4示出支承体；

图5示出径向轴密封圈；

图6示出图1中具有示意性示出的评估电子装置的密封件；

图7示出图2中具有示意性示出的评估电子装置的密封系统；

图8示出带有紧凑密封件的密封系统，该密封系统具有示意性示出的评估电子装置；

图9示出随时间推移的磨损和电容的图示。

具体实施方式

图1示出具有密封唇2的密封件1，所述密封件用于密封在机器元件4和壳体5之间的间隙3。密封唇2利用径向的预应力密封地贴靠在机器元件4上。在外周侧上，密封件1容纳在壳体5的环绕的槽13中并且位置固定地固定在该壳体5中。

所述密封件1包括由弹性材料(由弹性体材料)构成的基体6、在此实施例中由epdm制成。基体6可导电地配备有以导电炭黑为形式的可导电的颗粒。配备有可导电颗粒的基体6的电的比体积电阻根据diniec60093确定，该比体积电阻在1e+01ωxcm²/cm至1e+07ωxcm²/cm之间。例如由epdm制成的基体6具有7.3e+03ω的比体积电阻以及7.3e+05ωxcm²/cm的比体积电阻。

基体6在外侧部分地利用由电绝缘材料制成的覆盖罩7遮盖。在此实施例中，覆盖罩7由ptfe制成并且通过增附剂材料锁合地连接到基体6上。在此，覆盖罩7配设给基体6的这些区域，所述区域与机器元件4和壳体5接触。覆盖罩7的厚度在当前情况中为0.5mm。可设想，厚度在0.01mm至1mm之间、优选在0.1mm至0.6mm之间。在基体6的轴向端侧上(朝向间隙3)的区段12未被覆盖罩7遮盖。鉴于在0.01mm范围内的小的层厚，原则上可设想，覆盖罩7由例如以滑动漆为形式的涂层构成。

基体6设有接触元件8以用于电触点接通。该接触元件8以碟形弹簧的形式成形并且贴靠在基体6上的未被覆盖罩7遮盖的区段12上。

图2示出密封系统9，该密封系统用于密封在机器元件4和壳体5之间的间隙3。在所述实施方案中，密封系统构造为杆密封件。壳体5是柱壳体并且机器元件是杆或者说是活塞。密封系统9密封用介质填充的间隙3。密封系统9在当前情况中构造为双向密封系统9并且具有两个根据图1的密封件1，其中，密封唇2指向相反的轴向方向。所述两个密封件1支撑在设置在槽13中的支承体10上。在此，密封件1配设给支承体10的轴向端侧12。该支承体10由电绝缘材料构成。

所述支承体10设置有用于将接触元件8与评估电子装置电连接的装置11。在此，所述装置11与接触元件8导电连接并且具有以接触片为形式的径向向外伸出的连接元件14。

机器元件4和壳体5的至少一部分是可导电的，其中，评估电子装置检测在基体6与机器元件4之间和/或在基体6与壳体5之间的电容。

图3示出根据图2的密封系统9。然而在该实施方案中仅设有一个密封件1，从而该密封系统是单向密封系统9。所述实施方案尤其适合作为径向轴密封系统。

图4示出具有连接元件14的支承体10的细节。

在一种替代的实施方案中，所述密封系统9是径向轴密封件1。在所述实施方案中围绕旋转的轴进行密封。在此，密封唇2可以配备有覆盖罩7，该覆盖罩在使用寿命的进程中磨损并且使导电的基体6贴靠到轴4上。这种径向轴密封圈1在图5中示出。

另一种替代的实施形式规定了一种非弹性体的传感体，该传感体包括由非弹性体材料制成的覆盖罩7和基体6。传感体与压紧元件、例如支撑o形圈或其它起压紧作用的弹性体压紧元件协同作用。

在图6中示出图1中具有示意性示出的评估电子装置的密封件。

在图7中示出图2中具有示意性示出的评估电子装置的密封系统。

图8示出具有密封唇2的密封件1，该密封件用于密封在机器元件4和壳体5之间的间隙3。密封唇2密封地贴靠在壳体5上。在内周侧上，密封件1容纳在机器元件4的凹部中并且位置固定地固定在该机器元件4中。

密封件1包括由弹性材料制成的基体6并且配备有可导电的颗粒。基体6在外侧部分地利用由电绝缘材料制成的覆盖罩7遮盖。

在图6和图7中分别示出评估电子装置20的测量电路，该评估电子装置可以如在图8的实施例中那样实施。评估电子装置20包括具有交流电压源u的电容测量仪器23。施加交流电压u到密封系统9上并且确定在密封点区域中的电容c。评估电子装置20此外包括存储器21，在该存储器中存储有至少一个边界值，且评估电子装置包括用于输出信息的输出装置22，该输出装置例如是彩色照明元件如led、打印机或屏幕。电容测量仪器23、存储器21和输出装置22在数据传输技术上互相连接。输出装置22也可以实施为到服务器上的数据连接装置，通过该服务器处理测量值并且在使用普遍已知的通讯手段如e-mail、短信或app的情况下发送信息。通过所述信息，机器操作者或机器负责人可以获得指令，例如预订新的密封件、更换密封件或在安全风险的情况下将在其中安装有密封系统的机器关闭。通过到服务器上的连接装置，在工业4.0的范畴中已知的应用也是可能的，如自动预订备件、自动终止维修工作等。磨损也可能随着时间的推移与其它的机器数据联系起来，在其中嵌入有密封系统的机器提供这些机器数据。基于这样的评估，例如可以实现优化密封系统或适配机器的运行条件。

在图9中示出了随着时间t的推移，在密封系统9中测量的电容c和覆盖罩7在密封件1的密封唇2的区域中出现的磨损x之间的关系。在下面的曲线中绘制电容c并且在上面的曲线中绘制磨损x。基于在电容c和磨损x之间的直接关系，可以由已测量的电容c推断出实际的磨损x。

在装配新的密封件1时，在时刻t＝0测量电容初始值c。在时刻t＝0还不存在磨损x并且适用x＝0。电容c的测量可以连续地或近似连续地、亦即以固定的节拍进行。作为替换方式可以在确定的时刻ti进行测量，该时刻可以根据密封件和密封系统的结构和使用提前被确定。在每次测量电容c之后进行测量值与存储在评估电子装置20的存储器21中的边界值的比较。因此可以确定第一边界值c1，该第一边界值在所示出的实例中在时刻t1被达到。在进行比较之后可以输出如下信息：由于密封件1已经经历的磨损x，应该预订新的密封件1。替代于或附加于单纯地输出信息，也可以直接预订新的密封件1。在之后的时刻t2达到第二边界值c2，危急的磨损状态x2对应于该第二边界值。在该经历的磨损x2情况下可以输出如下信息：应该更换密封件1。替代于或附加于单纯地输出信息，也可以直接将维修订单交付已知的且已任命的服务提供商。如果没有更换密封件1，则在之后的时刻t3达到第三边界值c3，在该时刻磨损x继续进行到高度危急的且有风险的程度。在评估测量值之后可以输出如下信息：密封系统9于是不应该再继续运行。替代地和/或附加地，评估电子装置20可以被关断以用于其保护。如果在密封系统9进一步运行时存在安全风险，则在其中安装有密封系统9的机器也可以受控地被关闭。边界值c1和c3被看作是可选的。边界值c2应该在任何情况下都存在。