专利名称：分离式机械端面密封的制作方法
技术领域：
本发明涉及到用于密封相对转动部件之间的机械密封。特别是关于分离式机械端面密封。
机械式端面密封已广泛用于像涡轮机、泵等设施方面。这些设备都有机座和相对该机座转动的轴。同样地，在化学工业，精炼厂和石油化学工业以及许多其他工业上。大量的泵、压缩机、混料器、搅拌器等利用围绕着其转动轴的填充填料函。已发现，为了降低高的维护费，防止环境污染、减少生产消耗以及其他方面的理由，一般可能希望更换在带有机械端面密封的填料函中的填料。
机械式密封的损坏或操作中的磨损也是一个问题。由于在组合另件的设备中存在难于接近的地方。对这些密封的另件的修理或更换将会是困难的。由于设计上的原因，从轴的端部去除一损坏的密封件或安装一替换件都是困难的或是不可能的。在这种情况下，设备的修理需要拆开，更换、再安装机座和密封部份的另件以及整个设备。
现已利用密封的设计来减小填料的更换或密封损坏的修理等方面的困难，即将机械密封的部件或全部组合另件设计成分裂式或分离式的。分离式或部分分离的密封组件可实现装配而不需要将设备全部解体，也不需要通过轴端部之上的环形密封。可在3025070、3184244、4423878、4575098、4576383和4576384等号的美国专利中找到分离式或部分分离密封的例证。虽然由这些专利所了解的装置似乎已适用于他们所计划的目的。但在那些文件中所披露的设计或是由于组合另件过多而过于繁杂，或所披露的是在两个密封破坏之间仅有很短的周期的意向性设计。
因此，本发明的目的在于提供一种分离式的机械端面密封，它容易拆除和更换，不需要去除机座、不需要将设备的其他零件解体。
本发明的另一目的在于提供一种分离式密封部件，使得能快速、容易和高效地更换填料函，，或更换在损坏的机械端面密封中的填料，而不需要将该设备全部解体。
于是提供了一种适于在机座和相对于机座转动的轴之间的，利用不透水的密封的分离式机械端面密封。这种密封包括靠近的、刚性的环形主环和配合环，每一环一般都限定了径向配合的密封面，每一个环都有多个弧形环节，和用于每个环每个节与每个环的其他的节的刚性接触中起连接和夹持作用的装置，从而由所说的环限定的每一所说的配合密封面具有光滑的表面，围绕每个各自的环状环的全部圆周没有不连续处，并且多个用于支承每个环的弹性分离式定位装置一般与轴和其他环成同轴配置，该定位装置限定各环的相对位置，从而使每个环的密封面相对于另一个环的密封面处于面对面的相对关系，定位装置之一刚性地支承该配合环，而定位装置的另一个非刚性支承并且在轴向对着配合环斜压主环。
图1示意地并部分地表示出用填料密封的通常的泵的剖面图;
图2表示利用带有填料函机座的通常的机械面密封的结构横截面图，其中已去掉了填料。
图3表示利用带有填料函机座的已知的分离密封结构的横截面图，其中已去掉了填料。
图4A表示利用带有填料函机座的按着本发明的分离式密封的横截面图，其中已去掉了填料。
图4B表示利用本发明的分离密封压盖板的立侧视图。
图4C表示利用本发明的配合密封元件的详细的横截面图。
图5A表示图4A的环状密封元件两端部之间连接的详细图。
图5B表示利用本发明的准备用于分离的环状密封环的背后视图。
图5C表示利用本发明的一个保持架的两半的连接细节的剖视图。
图5D表示利用本发明的压力传动装置的横截面的细节图。
图6和图7示意性地说明了当轴和填料函机座之间不同轴期间，本发明的补偿特征。
图8表示利用止推轴承的本发明的一个替换实施例。
图9表示在分离密封中具有平衡密封配置的本发明的另一替换实施例。
在填料函中通常的填料之一例表示在图1中，它表示出包括机座12的泵10，由驱动轴16驱动的叶轮14，一个液体流入腔18和一个液体流出腔20，通常流体由叶轮14通过腔18和20按箭头所示方向被抽吸。
填料22用于阻止抽吸的流体沿着驱动轴16泄漏到外面。填料22通常在填料函机座中被压紧用密封随动件26填充到与驱动轴16密封接触。通过密封随动件26施向填料22的压力是增加还是减少，由拧入或松开压紧螺母28而定(这里示出两个螺母)。
图2表明现有技术中更换填料22的方法，填料22带有转动的机械密封30，密封30具有带着密封面34的密封环32，通常密封面34能磨到高度平滑。对于一个不具备分离密封的装置，(如像在3961799号美国专利所描述的那样)，安装前首先要卸掉提供驱动力于轴16的装置，(例如马达、在图中未表示)，然后卸掉随动件26和抽出填料22。在除掉密封随动件26和填料22之后，转动机械密封30才被装入。
带有配合环38和O形环40的一个特别的压紧板36，借助于压紧螺母28固定在填料函机座24上。压紧板36必须被加工得与填料函的每个尺寸相配合。由于对各种密封设备和传动设备，驱动轴16的每种尺寸通常具有三个填料函的尺寸，这就意味着用于每种尺寸的填料函机座必须制造特别的压紧板。
图3表示在填料函中用于更换填料密封的分离设计的截面图，如在4576384号美国专利所表示和描述的那样，一个特殊的压紧板装置包括一个第一压紧板的一半36A，它通过内六角螺钉38与第二压紧板的一半(未画出)相连。该压紧板装置通过压紧螺母28与填料函机座相连接。一个分离的弹性体平面垫圈41将压紧装置密封于填料函机座24。该压紧板装置容纳着转动的分离式密封环件42和不动的分离式密封环件44。
转动的分离密封环件42由保持架的两半围绕着轴16被固定，保持架的两半之一46与固定装置(例如内六角螺钉48)一起被表示出来。
内六角螺钉48将保持架46固定在O形圈50上，因此保持架46密封于轴16。转动环52(也是分离的)如一个分离的弹性体垫54密封于保持架46。
不动的分离式密封环56、由O型圈58密封于压紧板件36A。多个弹簧布置在压紧件件36A的适当的孔内(其中的一个弹簧60被表示出来)。它给不动环56以轴向的压力使环52和56的各自密封面52S和56S组合在一起。像4576384号美国专利所描述的用于设备的密封需要大量专门知识和过度的精力。该密封装置至少需要在四个分离弹性体元件(40、50、54、58)中以密封流体相接合。
况且，分散的弹性体元件被同时装入至少四个另件的刚性元件中，它们的每一个都是分离的。在安装过程中大量的元件必须保持在适当的位置，并且分离另件同时拧紧在一起也是沉重的负担。引起分离元件相对于其对应的另件或相对于相应部件42或44的失接合和失调是普遍的。
图4A是本发明的分离密封的截面视图。填料函机座24和轴16处在图1～3的已有技术中所表示的那些相对位置。图4B表明一个带有两个分离的两半块60A和60B的压紧件60的立侧视图。构成压紧组件板60的分离的两半块60A和60B彼此是相同的并且沿着如图4B所示的竖直平面分开。当两个半块彼此相结合构成压紧板件60时，其一半60A相对于另一半60B被转入180°。
参见图4A和4B，压累板件60包括一个紧固装置，如像内六角螺钉61，它施入位于各自互补的半块压紧板的螺孔62中，以构成完全围绕着轴的压紧板件60。
利用螺栓63，该压紧板件被直接固定于机座24(如像已有技术那样)。螺栓63中的一个已表示在图4A中，它已被穿过孔64放入压紧板件60中。由于螺栓63旋入机座24中的螺纹孔66，螺栓帽紧靠在孔64的台肩上。由于将压紧板60装到填料函机座24上的精确技术不是本发明的关键部分。而且其它的如在已表示过的那些已有技术中的方法都可加以利用。压紧板件60的一种尺寸能够适于大多数填料函机座，这仅需要填料函机座24的侧表面68是光滑的。图4B中所表示的诸螺纹孔172均匀的分布在压紧板件60的周边上，并且将向以下在图5D中所描述的那样用于密封装置中。
现在参见图4A和4C，一个压紧板件60包括一个内凹孔径70，在其中啮合着一个凸缘72，它本身整个附着在分离弹性密封元件74的外径之上。密封元件74可考虑由加压环74来代替，因为它的作用在于将诸密封件压在一起。凸缘72的轴向尺寸A稍大于凹槽70的宽度，但凸缘容易地在压紧板件60的内径中相配合，在装配时，压紧板件60将向填料函机座24的侧表面68挤压凸缘72。一个表面光滑的侧面68从而保证在压紧板件60和填料函机座24之间的紧密，牢固的配合和密封。
密封元件或加压环74包括一个中间段76，该段斜向基本上为管状的延伸段78，管状延伸件78位于凸缘72的密封件74的对着的那端。管状延伸件78啮合一个不动的分离式密封环件(在这一实施例中它是一个配合环件)并且在图4A中用数字80代表。密封件74是这样构成的当装配好的时候，它阻止从该密封的一侧向另一侧，在中等压力下的流体泄漏。密封性能将在下面加以讨论。图4C表示密封元件74在非压紧位置下的截面视图，而图4A则表示密封元件74在压紧位置下的视图。
弹性体元件74的中间段76的变形力与环件80的部分另件的结构一起产生一轴向偏压力，该力将相互连接的环件80推离填料函机座24。况且，这一偏向压力是可调的，因为在轴向提供的力的量值与环件80的轴向位置相关，例如，如果通过将环件80推移向填料函机座24，密封元件74被较大程度地压缩，也将提供较大的轴向偏压力。
不动的主环件80包括一个分保持架82，保持架82，由82A和82B两部分组成。而且分离式配合密封环84具有密封面84S。保持架82由两半块82A、82B组成，其中的每一块包括用于螺栓162插入的通孔86，将在下面参照图5C做进一步描述。两个螺栓中的每一个将对应于螺纹孔啮合在保持架82的互补的一半上，并且这些螺栓的固定将形成一个整个的环形件，该环形件用于对静密封环84保持和定位，在保持架82的圆形外边缘伸出一环形法兰83。
保持架82由硬材料构成(例如金属)并且在内径部分88提供对管状延伸件78的外表面的支承。由法兰件90在一端，由第二个法兰件92在另一端限定了内径部分88，法兰件90配入管状延伸件78中的对应槽94中。
内径部分88还包括一个凹槽96，它能容纳任何由于管状延伸件78的压缩而产生的额外的弹性体材料。同样地，管状延伸件78亦不能延伸到内径部分88的整个轴向宽度(即上延到法兰件92)。因此提供了一个容积，当保持架82被拧入一起时，来自管状延伸件78的额外受压的弹性材料能进入其中。
管状延伸件78的内侧表面啮合配合密封环84。密封环84由一对分离的两半块配合而成。分离的两半块由管状延伸件78接合在一起并且环绕着环84的外圆周。管状延伸件78的法兰部分98提供了对密封环84的轴向支承，并斜压环84离开填料函机座24。在延伸件78内侧表面上支座100很适合地配入密封环84周围中的相应的浅槽形卡锁102中。
密封件74提供对密封环84的轴向，径向和园周的支承。并且也密封了密封环84和保持架82之间的通道。通过将凸缘72压向表面68，密封件74使机座24相对于压紧板件60密封。密封件74也提供对环件80的轴向斜压力。
密封件74的尺寸取决于轴16的直径。并且取决于与密封件74相啮合的保持元件。如像主环84和压紧板件60。某些尺寸，像管状延伸件78的轴向宽度AE和支座100的高度HA、宽度WA可取标准值，该标准值与不同大小密封的环槽和保持架的标准化尺寸相匹配。过渡部分76的高度HT也可取为标准高度，HT的长度足够大使密封凸缘72啮合表面68，用于填料函机座24的大部分尺寸上。
再参照图4A，转动的分离密封环件(通用标号104)在这个实施例中是一主环件。它包括一个有密封面106S的分离式主密封环106。106S与配合环84的面84S成直接相对着的关系。表面108在环106的反面处，从平行于密封面106S的平面内径向延展。该密封环106的分开的两半块，在接合时形成一具有卡锁110的环形件(与环84上的卡锁102相似)，用于接纳支座，使环106在轴向和径向容易定位。
环件104也包括转动的弹性密封件112，在环112上有一管状延伸部分114，114与周围相配并提供对主密封环106的支承。设置在管状延伸部分114的内侧上的支座116具有与卡锁110相应且很好与之配合的形状。110在环106的外径表面内。密封件104的过渡部分118对径向延伸面108提供轴向支承。管状延伸部分114的弹性体的性能和过渡部分118有效地密封环106，以阻止流体从环106和密封元件112之间通过。
密封件112还包括一个轴密封部分120，120具有有效地密封元件112和轴16之间的流体通道的内表面122。一个凸缘124在轴密封部分120的端部与转动保持架126相配合。以使轴密封部分120相对于保持架126密封。将凸缘124插入槽形卡锁128(128在保持件126的内侧面中)与轴密封部分的压缩一起提供了很好的密封能力。
保持件126的内侧表面通常随着密封元件112的外侧表面的轮廓而确定，从而在保持架126和密封件112间产生更有效的密封，并且牢固的支承环106。保持架126还提供了一个台肩形槽130以及在法兰132和管状延伸部分114之间的一个空隙，当元件112在装配位置被压缩时，用于容纳来自元件112的多余的弹性体材料。该密封件112是分离式的，像转动环组件104的所有元件是分离式的一样。密封环106和密封件112的轴向和径向尺寸也可以标准值相匹配，从而密封元件对不同大小的轴都可利用。
转动保持架126分为两个半块，其一半在图4A中显示。每一半含有带凸缘的凸台136的通孔134(以部分剖视图示出)，螺栓(未示出)穿过通孔134，螺栓帽啮合凸缘的凸台136。该螺栓穿过保持架126的互补的一半的螺纹孔中(未画出)，以构成保持架126，由于该螺栓被旋入保持架126互补的一半中，装配成一体的保持架提供在密封件112上的密封压力。
第二个通孔138可以提供保持架126围绕轴16固定。保持架126具有一对凸形环状的支承140。140上带有直接与轴16相接触的内径表面141。支承140是维持保持架126处在沿轴16的轴向予定位置上的基础。拧紧与通孔134和138相配的螺栓(未示出)。提供一正向驱动能力，它使轴16与支承面141及与元件112的表面122相摩擦啮合，正向驱动力避免转动配合分离式密封环件104对轴16的轴向和周向的平移。保持架126(与保持架82一样)也布置成相互成的180°的相同的两半块，以便固定，与在图4B中所示的压紧板件60似乎一样。
环件104预先确定的轴向位置也表明在本发明另外的非常重要的方面。将环形件104沿轴16滑动到予定位置的性能允许分离密封装置的装配者予先施加一定量的轴向弹性力，从而密封件74提供斜向压力使密封面84S压向密封面106S。由元件74提供的弹性力的量值与不动的配合环件80的轴向位置相关。该位置与转动的主环件104的轴向位置有关。操作者可沿轴16将转动的主环件104滑动到予定位置以精确地提供弹性力。这正是希望从密封件74所得到的力，本发明的予应力的性能，对装置的有效密封是一个重要的特征。
一任选的弹性体防护外罩142被配置在不动的保持架82的法兰83之上。在防护罩142内表面中的卡销很好地适配于法兰83之上。防护罩保护着密封和密封面84S、106S不受各种碎粒的影响。防掉罩也使因轴16和密封环106高速转动甩出密封面的任何密封的流体偏斜。
密封的组合能被容易、有效地实现。举例来说，对一机械密封进行填料的更换，首先从填料函机座24中抽出填料。如图4A、4C所示的截面图，提供了一个弹性密封件74，具有一予定的尺寸，用于环绕压配在压紧板凹槽70中。当然密封件74和密封环84的制造在其装进密封之前。
密封元件74可通过成型一整体的具有期望尺寸的密封元件环，然后再用刀切断此环。切下的或分离的环将允许密封元件74绕着轴16滑动。切割元件74的最佳方法是直接地径向切割。换言之切割必须按与垂直线的某一角度来做。因此在装配时允许在配合的切割端有一些间隙。在安装时，当两切割端被压在一起时，倾斜切割也提供较好的密封特性。如将在下面所述，密封件74的密封性质由这一有创造性的设计进一步加强。即便流体是在中间压力下，在密封元件74的中间段76中出现的固有地环压应力地释放，提供对流体的密封能力。
一种替换的技术是，有挤压的弹性材料的长的卷曲线村，其截面表示在图4A和4C中。所需的予定长度将围绕线材的凹槽70相配，来切割线材长度。最好以某一角度切割。也可切割不同长度以适配用于泵或涡轮的轴的不同尺寸。做为一例子，应用的密封元件112可用一专门的切割夹具加以切割，因此该线材长度的两个联锁的园端150和152(示于图5A中)能够被接合在一起，以形成有效的连续环形密封件。另外，可以切割成燕尾槽型(未示出)并接合以形成密封元件74。
压紧板件60的两半块60A和60B被合在一起，以确保密封件74的凸缘72是在压紧板件60的内径中的凹槽70之内。压紧板件60由螺钉旋在一起，然后小心地对靠着填料函机座24以保证凸缘72与围绕凹槽70的整个圆周的表面68齐平。一种密封胶的薄膜(如Dow-Corning公司出品的常温硫化的(RTV)密封胶)最好涂在填料函机座24的表面68上，加压环74的凸缘72将与68接触，从而增加密封性能。压紧板件60则由于螺栓63拧入螺纹孔66而与填料函机座24相连。在这一步，螺栓63在孔66中并未完全拧紧。不动的主环80的两半块，通过将它们同时置入管状延伸件78的内径中而加以装配。以确保带有斜削外缘的密封面84S的面向外。密封环84的另一半将被小心地放入延伸管中，以确保密封环84中的裂口相对于在加压环74中的裂口为90°。安排裂口处于90°角提供了较好的密封性能。
由于不动主环84的两半块的制造技术，使它们在接合端很好地匹配。密封环106的制造是一样的并将以例证的方法加以描述。
图5B表示径向延伸的表面108的前视图中的环106。该环首先被制成一整体的陶瓷的或碳的密封环106，然后将密封环106抛光。对于被抛光的密封环，并不意味用于分离式的密封，两个直径相对的缺口154，在表面108之内，并有围绕表面108的边缘，并进入环的内径。缺口将有足够的深度。致使环稍稍脆弱，但并未深到使环不能维持其密封性能。缺口154的深度最好为环106的厚度的10%，或约为面106S和108之间距离的10%。
具有切削刃的刀具(未画出)置于缺口中，并在环上离开缺口154接近90°的点处，或在环上标明156处附近，小心地向环108的面106S上施加压力，使得仔细施加的静压力对着环106的背侧108上，引起刀具的刃在缺口154上产生应力。点156处的压力不断增加，直到在缺口处环突然断成两块。两块的接合处将是参差不齐的，但该方法形成两个很好匹配的表面，该表面在接合时很好地装配在一起，即在表面上连续通过环表面106S。在环端部之间参差不齐的表面特性也提供了比做成平面端相接更好的密封性能。
参照图4A，再回到密封的装配上来。利用上述方法予以制造的环84被接合在一起，并适配入管状延伸件78之中。支座100适合配入环84的燕尾槽102，必须小心以保证得到分离环的参差不齐表面的啮合。利用相接的环84，光滑的平表面84S提供了密封的能力。
不动保持架82的两半块(也称为夹持环82)从外侧合在一起绕管状件78压配合。保持架的夹持环内径最好用硅油稍加润滑，但仅限在直接绕着分离件的地方。
图5C表明如何利用螺钉158将夹持环82A和82B拧在一起，螺钉158被装入保持架82A的通孔86，再旋进互补的保持架82B的螺纹孔160中。螺栓158的螺帽162紧紧靠在凹槽166的表面164上，166是从半个保持架82A的端部圆周中切出的。将螺栓158拧入螺孔160，连带帽162进入凹槽166中，得到相当均匀的圆周外形。保持架82由旋入几扣的螺栓松松地拧在一起。在保持架82中的裂口，应大致周向的与密封环84的裂口校准。在保持架84的侧视图中看不见螺栓158。
夹持半环82A和82B在径向的两相对端部以同样方法接合。除非凹槽166是在夹持半环82B中切出，而且螺纹孔160是在夹持半环82A之中，类似于上面，参照图4B描述的半盖板60A和60B，按本发明论述的密封装配是非常容易的，并且在装配过程中与已有技术的分离密封装配相比，在适当位置保持较少的另件。
再参考图4A，在轴16和静密封环84的内径之间的缝隙必须绕圆周仔细检查，以保证轴16和环84之间的同轴关系。轴向校直通过目测和指甲沿裂口划动，在结合处观察是否有台阶来加以检查。为提供一个平整的密封端面84S，仔细校直两半块是有必要的。保持架的两半块由紧固螺栓158来固定，直到保持架两半块的端部完全接触，常常检查密封环84的径向、轴向和圆周的校直，压紧板件60通过充分拧紧机座24的孔66中的螺栓63而被固定下来。紧固螺栓158形成一完整的配合环件80，利用图5D中的压力传动装置167，环件80准备要被予压缩。
图5D表示具有予定尺寸的压力传动装置167的细节，装置167用于设定密封元件74的期望的轴向弹性力。压力传动装置167包括一个带有空心孔168的空心园柱形管以及一个从装置107的一端延伸的环形法兰169。空心孔168的直径足够大，以允许一个穿过它的螺栓170容易通过，螺栓170被攻有螺纹并旋入螺纹孔172中(见图4B)。孔172在压紧板件60之中，孔172与孔64隔开，紧固螺母174使保持架82朝向机座24平移，密封元件74的过渡件76的必要的应力引起它变成被压缩的。
数个压力传动装置167被围绕压紧板60的圆周布置。最好四个压力传动装置167彼此间隔90°角，将允许该加压环/密封元件74围绕保持架82的圆周均匀加压。保持架82的轴向位置相对于机座24的仔细调整(也称之为“操作顶点”)对保证正常的设备是必须的。
均匀地紧固螺母174进一小移动压力传动装置167，其法兰169啮合并移动在保持架82的外直径上的法兰83，使架82达到予期的轴向位置或“操作项点”，对于约6英寸直径大小的轴，发现大约2.6英寸的操作顶点是适当的，为提供适当的操作项点，对于螺母174应有足够长的空心孔168。接近150-300磅载荷的压力提供到加压环/密封元件74上，对具有6英寸直径的轴，可选择接近225磅的载荷。
再参照图4A，装配的下一步骤是转动配合环件104绕轴16的装入，转动主环106首先按上面(参见图5B)所描述的方法分离，对于轴的直径较大的设备，转动环106的两半块被放在端部相连。并能绕轴16捆扎以便于安装密封元件112绕着环106环绕，转动环的保持架126的两半块绕着轴和密封元件112被转动。密封112最好以与垂直线或某一角度切割，从而安装保持架126的压力挤压切割密封件112的尖劈以提供很好的密封。另外，如图5A所示带有两互相连锁的端部的圆形或燕尾槽形的端部被切出，从而提供具有好的密封特性的环形密封。
螺栓(未画出)穿过孔134和138松驰地旋进相应的螺纹孔(未画出)，螺纹孔在转动保持架126的互补半块中，参照图5C，其中描述的不动保持架的装配提供了关于分离密封元件的装配指导。螺栓应足够松的旋入，以允许主环件104在微小作用力下沿着轴16轴向的滑动。在这一步和密封装配的全部过程中检查密封面106S垂直于轴16的轴线是非常重要的。
然后，转动的主环件104被推向不动的配合环件80，直到密封端面84S和106S刚好将将接触。配合环件80通过加压环167被保持在一个予压缩位置，如在有关图5D中所描述的那样。
然后连接保持架126的两半块的螺栓被完全紧固。螺栓适配入孔138的紧固提供在保持架126底部的环形法兰140上的夹持力。在轴密封部分120和轴16之间以及在法兰140和轴16间的摩擦，在轴向和园周方向上，组件104的位置相对于轴16被固定。在孔134中螺栓的紧固，通过泵从环84的内径产生流体压力。
密封元件112内表面的构造，特别是分离式密封环106的匹配轮廓以及管状延伸部114的内表面和过渡部分118，控制着密封环106并刚性的支承它(在轴向、径向和园周的方向上)。在泵运转期间，密封环106相对于轴16的任何方向的运动因此而被严格禁止。密封元件74也禁止密封环84在径向和园周方向的运动，但不禁止在轴向的运动。密封环74仅对该密封的密封环轴向运动提供推力，即对于配合环件80相对机座的运动。
紧接着紧固孔134和138中的螺栓，压力传动装置167和螺栓170一起被卸掉，并且密封元件74的弹性力将自由地将密封环84斜压向密封环106。该斜向压力早已被作用在压力传动装置167上的螺栓170的扭矩予压进，因此用于产生密封能力所需的必要的力的精确量值，对于特别的装置由最终使用者来提供。
从上面的叙述，本发明关于密封元件74的重要特征将变得明显起来。密封元件74沿其整个截面尺寸是分离开的，因此它能够绕着轴安装。凸缘72和管状延伸件78被密封的这些元件所压缩，这一压力产生一达到相当高的压力的很好的密封。但是，中间段76未被任何硬材料的元件所支承，并且在压力下的密封元件74的一个侧面的流体，易于穿过密封元件的分离处而泄漏。本发明的重要特性在于密封元件74和保持架82的设计，在中间段76提供足够的圆周应力以抵消中等的流体压力，该压力为密封元件74将要经受的。该园周应力在凸缘72和延伸件78之间提供一张力，保持架82的法兰部分90对中间段76提供一向内的径向应力，该应力紧固两个分离端的接合处，密封在中等压力下穿过密封元件74的流体从其中的泄漏。
该密封安装的最后一步是防护罩142在法兰83上的适配。防护罩142也由分离弹性体材料构成并有两个端部，它们结合在一起并由钉住、粘合或其他方法连接。该防护罩提供在有害环境中对密封端面的保护并有屏蔽从转动端面106S中抛出的流体的作用。
用于每个分离部件的材料的组成可通过定做而获得最终的用户所予期的合适的密封性能。压紧板件60和每个保持架82和126由像金属之类的硬材料构成，最好是像不锈钢之类的防蚀金属。螺栓、螺母和其他连接件也最好为不锈钢。
典型地，密封环84和106可由像碳、陶瓷、碳化硅或碳化钨等适当的材料制成。对环84和106的每一个环，环材料的组合也是可能的。例如，可用两个碳化硅环，或一个环由碳而另一环由陶瓷制成。其他材料可代替以上四种材料，如在现有技术中所知的那样。
密封元件74和112由回弹的，有些韧性的弹性体材料构成。由John Crane公司出售的商标名称为CRANELAST的乙烯-丙烯(EPDM)化合物已被发现具有很好的性能。其他弹性体化合物，如可从3M公司买到的丁腈橡胶(Buna-N)或(AFLAS)在以前用作密封元件材料也知其有很好的性能。并且也知道一些其他材料，它们已在现有技术中提到。选择用做弹性体元件的材料要依据设备所计划要抽吸的流体，要求在弹性体材料和抽吸的流体之间不发生不利的化学或物理反应。
本发明的另外的重要方面是在工作期间每一个环的密封元件的弯曲性能。轴16由于其旋转，通常对在其轴向上的某些窜动量是敏感的，并且它也可能经受径向跳动的状况。分离式密封元件74的形状允许对这些状况的自动校正。
轴的轴线相对于填料函机座24的瞬时或永久性不同轴由配合环密封件74的弹性力加以调正。况且，密封元件74的形状允许件74对不动配合分离密封环84，在径向和周向提供支承。该密封元件的弹性力对该环84提供一斜压力，此斜压力是在轴线方向上，在某些参数之内绕着其整个园周方向，图6和图7示意性的说明轴16分别是处在相对于填料函机座24为对准和未对准位置。
在对准状态下(如在图6所示)全部围绕密封环件80和104，存在基本上园对称性。特别是，配合环84相对于填料函机座24，绕着环件的整个园周具有相同的间隔和角度位置。
图7表示(以夸大的形式)一个相对于机座24失准的轴16，该不同轴性已被如此设置在该平面中表示出不同轴性的最大角度，取通过此状态的截面。为了更好的说明本发明的有效的运行动作，密封件74的变形已被夸大。
如在图7中示意性的表示那样，不动配合环84已离开图6所表示的位置移动了一个角度，以便保持密封面84S和106S之间的平行关系。来自密封元件74的轴向弹性力作用到环84上，保证在轴16的转动期间的任何时刻的密封面84S和106S的可靠、稳定的密封状态。由于经过轴16的一个完整的转动，围绕密封元件74的整个园周，密封件74被压缩到相同程度，所以密封是稳定的。除瞬时事件之外，在轴16转动的任何位置密封元件74不变形。件74的形状和位置保持在图7所示的大致相同的位置。瞬时状态可能引起密封元件74做暂时的压缩或膨胀，但就平均面言74将发生较小的变形。因此，应尽早避免由于轴转动连续弯曲引起密封件损坏所导致的密封作用的失效。
图7还说明密封环106的密封面106S相对于轴16的轴线垂直对准的重要性，由于轴16转动，一个垂直对准的密封面106S应在一个平面内转动从而没有旋进和振动。另一方面，垂直关系的偏离引起密封面106S的轴向振动。该振动常常与轴向转速相关，轴的转速可能超过300转/分。由密封元件74所提供的轴向弹性力的响应时间能够抵消某些旋进或振动，但在高频下，振动将导致在密封面84S和106S之间留有缝隙，它比对于有效密封所要求的缝隙大。连续和过度的轴的转动以及密封面未垂直地对准将导至密封元件74的弹性的老化和损坏。因此，在密封面106S和轴16的轴线间提供尽可能精确的垂直关系是重要的。
如图7所表明的，形成密封元件74的弹性体材料的弹性，在件80的园周的不同部位上提供一不定量值的轴向弹性力。但由保持架82(为了清楚起见，在图7中未画出)的重量所提供的惯性动量在环84上保留一相对均匀的轴向斜压力，以保持密封面84S基本上与转动环106的密封面106S在同一平面内。
虽然已参照一个举例的带有填料腔的泵的变化对本发明做了描述，但本领域的技术人员应很容易想出其他发明。分离式密封结构的通用性本身导致许多变化的申请。它的用途是适用于在任何必须安装机械面密封，但不需将已装好的设备加以解体的设备上进行安装。另一用途为适于在紧凑的地方考虑改装，该处卸下机座或轴的附件是困难的或是不可能的，就像接近轴的端部是很困难的一样。
本发明的分离式密封的优点，较之与本领域的那些已知技术是显然的，并且包括快速、容易、高效装配或更换填料或损坏的密封的能力，本发明的密封允许使用比迄今所允许使用的更大的填料压力。本发明的密封也是提供由密封元件74提供弹性压力这类的可调参数。
对于特殊的泵或涡轮，由于所要密封流体的改变而可能改变密封要求。按本发明制造的分离式密封的连续使用可能引起密封元件74变坏并且其弹性力减小。为了这种偶然性做出调节，转动环件104可相对填料函机座24进行轴向移动，直到达到所予期的压力。这一程序对弹性和弯曲性，对泵的使用都提供了较长的使用寿命。当转动主环件由于损坏的密封元件74平移造成的磨损常已不能补偿时，所有分离式密封的组合零件能够容易的卸掉和更换新的。
按照本发明的密封能够在紧凑的地方装配，因为它有长度非常短的轴向长度。利用本发明的分离式密封于其他改型的密封上也提供了减少密封材料的重量超过90%。
从最终的用户的要求出发，本发明的其他改进是可能的并且将变得很明显。例如，某个泵或涡轮带有轴，在使用时它以比正常轴向位移大为条件。该位移可能超过利用图4A和4C中的密封元件74的弯曲所能补偿的予定量。
如图8所表明，止推轴承176可围绕轴16焊牢或固定。代替压紧板件，一个衬套环178被绕轴16布置并且一环形槽180对止推轴承176被提供做松配合束套。一个配合的压紧板182适于压紧衬套环178并且对着衬套环178可压缩的夹持凸缘72。密封环件80和104的保持元件与上面的描述相同。
止推轴承176起维持衬套环178相对于轴在合适的轴向位置的作用。轴16和止推轴承176的转动不影响衬套环178，因为在限定束套的衬套环178的环的槽180和止推轴承176之间仅是轻微的摩擦接触。由于轴16和止推轴承176被轴向移动，止推轴承的一个或另一个径向表面也在轴所移动的方向上移动束套和环衬套。环衬套178的移动也将需要平移不动的配合环件80。当然，固定相连于轴16的转动环件104也将由轴的轴向移动而平移。
环衬套178也是分离的元件并且需要螺栓通过螺栓孔183和184将两个半块接合在一起，该结构和程序类似于在孔86、134和138中所用的螺栓。环衬套178的管状延伸部分186可滑动的适配入填料函机座24中，该机座24和环衬套178封入一O形圈188于延伸部分178的端部处的环形槽190之中，它在轴承座和衬套之间产生对流体通路的密封。
本发明的替换的实施例可针对特殊的工业和应用的特别需要和要求而设计。图9表明一个在图4A中说明的分离式密封的变形，其中相同元件用带撇的相同标号表示。
图9的实施例是针对具有大轴的直径应用的特殊设计。已发现对装有7英寸到约30英寸直径的轴的密封特别好。
图9的实施例在几个方面不同于图4的实施例。特别是，图9的实施例引入一轴套200，在其上放置密封元件112′的轴密封部分的内表面122′。转动保持架126′有一容纳轴套200的台阶202。保持架126′的环形支承件140′直接在其内侧表面141′处与轴16′相接触。
严格比较图9和图4A两个实施例，其他的重要差别是明显的。密封元件74′的法兰部分98′在从沿中心线看时，有长的横截面和较宽的直径，以便允许在轴16′和不动的环84′之间有较大的距离。不动的保持架82′的法兰件90′在图9的截面图中相应的较长。法兰件90′通过向环84′斜压密封元件的法兰部分98′提供了对环84′的紧配合和较大的支承。这种较长的法兰件90′和98′的安排，对在中间段76′以及对法兰部分98′与中间段76′之间的中间部分提供加强的围绕应力。
相似地，过渡部分118′相应的有较大的截面并且也由转动支架126′的较宽的轴向直径相匹配，从而提供了对转动环106′的支承。
注意在环84′和106′的每个内直径中的凹槽204也是重要的，槽204仅在表面206接近到环的外直径处引起环84′和106′互相接触。
表示在图9的实施例中的其他差别为压紧板60′的较宽的轴向直径，60′包括一在其内直径上的环形凸出的延伸部208。压紧板60′的凹进的内直径70′较深并且包容凸缘72′的大部分。伸出的凸起延伸部208从凹进的内直径70′向内延伸并且坚固的啮合凸缘72′以产生对机座壁的侧表面68′的密封。这种设计的安排经得起由被密封的装置产生的高压。在图9中所示的密封的其他方面与图4A所示实施例相同。
图9实施例的设计是平衡的并允许所要用的密封用于较大直径的轴。该密封还能经受住稍高的压力。该被平衡的设计造成施加在环84′和106′上的接触面206上的压力以及施加在该密封的压力侧上的压力都近似相等。压力侧毗连轴套200和填料函机座24′，并且压力侧与大气压由密封分开，来自环84′的相反两面的压力在相反的方向上施加，从而导致在不动环件上的流体总压力的消除。仅仅斜向压力(来自密封元件74′)提供作用于不动环84′上的力。
本发明的密封组件的其他替换安排可以加以利用。例如，本发明的理解可用于设计OD增压密封装置。一旦理解以上所述本发明的概念，其他的实施例和改进，对本领域的普通技术人员将变得十分显然。当然以上所述及讨论的实施例仅作为举例，并不限制以下权利要求的范围。
权利要求
1.一种适用于在机座和相对于机座转动的轴之间提供不透水密封的分离式机械端面密封，所述的分离式密封包括(a)靠近的、刚性的环形主环和配合环，每一个环限定径向相对的密封面，每个所述环有数个孤形环节和用于接合和夹持所述每个环的节与所述每个环的另外的节使其刚性连接起来的装置，从而由所述环限定的每个所述的相对密封面具有光滑的表面，围绕每个所述的环的整个圆周上没有不连续处；(b)数个用于定位支承每个所述环的弹性分离式装置与轴和其它所述的环同轴配置，所述的定位装置限定所述各环的相对位置，从而使每个所述的环的密封面相对于其他所述的环的密封面处于面对面放置，所述定位装置之一刚性地支承所述主环，另一个所述的定位装置非刚性地支承并且在轴向对着所述主环斜压所述的配合环。
2.根据权利要求1所述的分离式机械端面密封，其特征是所述配合环相对于机座是静止的并且主环是随着轴转动的。
3.根据权利要求1所述的分离式机械端面密封，其特征是所述的弹性分离装置用于定位和非刚性支承所述的配合环，提供在所述的配合环和机座之间的流体密封。
4.根据权利要求2所述的分离式机械端面密封，所述的弹性分离装置用于定位和刚性支承所述的主环，提供在所述的主环和轴之间的流体密封。
5.根据权利要求4所述的分离式机械端面密封，其特征是所述的用于定位的弹性装置还包括一个确定所述主环位置的定向装置，以使所述主环的密封面基本上垂直于轴线。
6.根据权利要求1所述的分离式机械端面密封，还包括若干分离式保持架装置用于在圆周上支承，每个所述装置，用于对各自的环在基本上同轴的关系下定位。
7.根据权利要求6所述的分离式机械端面密封，其特征是每一个所述的分离保持架装置包括一对半园形保持架件，彼此之间松驰地连接，并且在连接的状态下密封啮合并至少在所述各自弹性定位装置的至少一部分上压缩到所限定的程度。
8.根据权利要求7所述的分离式机械端面密封，其特征是每个所述的用于定位的弹性装置包括，一个弹性体件装在所述的各自的保持架的园周的夹持部分，所述的弹性体件具有至少一个穿过其本体的切口，所述的用于定位的弹性装置包括一个在每个所述的各自的保持架和每个所述的环之间的流体密封，由用于定位的所述的各自的弹性装置支承所述的环。
9.根据权利要求7所述的分离式机械端面密封，其特征是用于定位所述主环的弹性分离装置和支承所述主环的所述各自的保持架件被成型和加工成所需尺寸以避免所述的主环相对于轴在轴向、径向和圆周方向上的平移。
10.根据权利要求7所述的分离式机械端面密封，其特征是用于定位所述配合环的所述的弹性装置和支承所述配合环的所述各自的保持架件被成型和加工成所需尺寸以避免所述的配合环相对于机座在径向和园周方向上的平移，并提供一个相对于机座在轴线方向上限定的范围的平移。
11.根据权利要求10所述的分离式机械端面密封，其特征是用于定位所述配合环的分离弹性装置，对所述的主环于轴线方向上提供一斜压力，并且所述主环沿轴的轴线位置确定了由所述弹性装置所提供的，用于对所述配合环定位和斜压的斜压力的量值。
12.根据权利要求1所述的分离式机械端面密封，还包括一个带有一个键槽的环形衬套件，用于容纳围绕轴的止推轴承，该键槽被成型并加工成需要的尺寸以在轴和止推轴承被轴向平移时，对所述的衬套件提供相应的轴向位移，所述的衬套件与所述的弹性分离式定位件之一密封啮合。
13.根据权利要求12所述的分离式机械端面密封，其特征是所述的衬套件还包括密封啮合填料函机座的装置，并且所述的衬套件相对于填料函机座可轴向平移，并同时与之保持密封啮合。
14.一种适用于在机座和相对于机座转动的轴之间提供不透水的密封的分离式机械端面密封，安装在轴上，所述的机械密封包括a)若干弧形第一环节，它们彼此互补以形成确定径向的第一密封面的环形主环;b)若干个弧形第二环节，它们彼此互补以形成确定径向的第二密封面的环形配合环，所述第二密封面在安装时，对着所述的第一密封面形成密封关系;c)一个第一密封装置，用于密封在所述的主环和轴之间的流体流动通道;以及d)一个第二密封装置，用于密封在所述配合环和机座之间的流体流动通道，所述第二密封装置适于提供一轴向斜压力于所述配合环，从而所述的第二密封件装置相对于机座在轴线方向上斜压所述的配合环，并使得在所述第一密封面与所述第二密封面之间保持接触。
15.根据权利要求14所述的分离式机械端面密封，其特征是所述第一密封装置在轴上刚性的支承所述主环并且所述的第二密封装置非刚性的支承所述的配合环并在轴线方向上斜压所述配合环，从而所述配合环的密封面被斜压向所述的主环的密封面。
16.根据权利要求15所述的分离式机械端面密封，其特征是所述的主环在运转中与轴一起转动，并且所述第一密封装置包括一个确定所说主环位置的定向装置，从而主环密封面基本垂直于轴的轴线。
17.根据权利要求14所述的分离式机械端面密封，还包括若干个分离式保持架装置，至少其中的一个用于从圆周上支承所述的每一个密封装置，并且与所述的环基本上对各自的环成同轴关系。
18.根据权利要求17所述的分离式机械端面密封，其特征是每个所述的分离保持架装置包括一对半园形件，彼此松驰地连接，并且在连接状态下密封啮合并且至少在所述各自的第一和第二分离装置的一部分上压缩到一限定的程度。
19.根据权利要求18所述的分离式机械端面密封，其特征是每个所述密封装置包括一安排在所述各自保持架装置的园周上的夹持部分中的弹性件，对每个所述的件具有至少一个穿过其整个本体的切口用于限定所述的弹性件，所述的第一和第二密封装置包括在每个所述各自的保持架装置与每个所述环之间的一个流体密封，每个环由所述的各自的第一或第二密封装置支承。
20.根据权利要求18所述的分离式机械端面密封，其特征是所述的第一密封装置和所述的各自的保持架装置支承所述主环，并被成型和加工成所需尺寸以避免主环相对于轴在轴向，径向和园周方向的平移。
21.根据权利要求18所述的分离式机械端面密封，其特征是所述的第二密封装置和所述各自的保持架装置支承所述配合环，并被成型和加工成所需尺寸以避免所述配合环相对于机座在径向和圆围方向的平移，并且进一步成型和加工成所需尺寸以提供一个相对于机座在轴线方向上平移的限定范围。
22.根据权利要求21所述的分离式机械端面密封，其特征是所述第二密封装置在轴线方向上对所述配合环提供一斜压力，由此所述配合环相对于轴的轴向位置确定了由所述第二密封装置提供的斜压力的量值，第二密封装置支承并斜压所述配合环。
23.根据权利要求14所述的分离式机械端面密封，其特征是所述第二密封装置包括一个带键槽的环形衬套件，用于容纳绕轴装设的一个止推轴承，该键槽被成型并加工成需要的尺寸，以便在轴和止推轴承被轴向平移时，对所述的衬套件提供相应的轴向位移，所述的第二密封装置还包括弹性密封元件密封啮合所述的衬套件，并且还在轴线方向上相对于轴密封啮合并斜压所述的环形配合环。
24.根据权利要求23所述的分离式机械端面密封，其特征是所述的衬套件还包括密封啮合填料函机座的装置，并且所说的衬套件相对于填料函机座可轴向平移，并同时与之保持密封啮合。
25.一种适用于在机座和相对于机座转动的轴之间提供不透水的密封的分离式机械端面密封，所述分离式密封包括(a)靠近的、刚性的环形主环和配合环，每一个环限定径向相对的密封面，每个所述的环有数个弧形环节，和用于接合和夹持所述的每个环的节与所述的每个环的另外的节使其刚性连接起来的装置，从而由所述的环限定的每个所述的相对密封面具有光滑的表面，围绕每个所述的环的整个圆周上没有不连续处;(b)第一和第二分离式弹性定位装置，用于支承每个各自的所述的环，一般每个环分别与轴或机座以及与其他所述的环成同轴关系，所述第一定位装置同时禁止所述配合环在径向、轴向和园周方向的平移，所述第二定位装置禁止所述配合环在径向和园周方向上的平移，并且所述定位装置限制所述环的相对位置，从而使每个所述环的密封面与另外的所述环的密封面形成相对的面对面的关系。(c)并且保持元件具有刚性壁，该壁保持每个各自的弹性定位装置。
26.根据权利要求25所述的分离式机械端面密封，其特征是所述第二弹性定位装置还被成型和加工成需要的尺寸，以提供向所述主环斜压配合环的轴向斜压力，从而所述环的密封面处于配合接触中。
27.根据权利要求26所述的分离式机械端面密封，其特征是每个所述保持元件与各自的轴或机座为间接接触。
28.根据权利要求25所述的分离式机械端面密封，还包括具有键槽的环形衬套件，用于容纳绕轴配置的止推轴承，键槽被成型并加工成需要的尺寸，以便当轴和止推轴承被轴向平移时，对所述的衬套件提供相应的轴向位移，所述的衬套件与所述的定位装置之一密封啮合。
29.根据权利要求28所述的分离式机械端面密封，其特征是所述衬套件还包括密封啮合填料函机座的装置，并且所述的衬套件相对于填料函机座可轴向平移，并且同时与之保持密封啮合。
30.根据权利要求29所述的分离式机械端面密封，其特征是所述衬套件与所述的第二定位装置密封啮合，所述第二定位装置相对于机座，在轴线方向上斜压所述的环形配合环。
全文摘要
一个完整的可装配可更换，而无需对轴和/或机座解体的分离式机械端面密封。本发明的分离式密封对于处在较重的负载或进不去的场所的填料或填充物的更换是最合适的。本发明的密封包括一个密封元件，它相对轴密封该主环，并且在轴向、圆周和径向方向严格对主环定位，并包括一个相对机座密封配合环的密封元件，并且配合环在轴线方向上未严格定位，同时提供一轴向斜压力于配合环上，以便提供两个环的配合接触。
文档编号F16J15/54GK1057513SQ9110436
公开日1992年1月1日 申请日期1991年5月25日 优先权日1990年5月25日
发明者约恩·J·拉多萨夫, 托马斯·A·埃文斯, 戴维·M·杜代克, 拉塞尔·G·维泽尔, 布赖恩·J·阿特沃特, 罗伯特·J·艾斯布伦纳 申请人:约翰起重机有限公司