具有內部面密封表面的旋轉卡盤密封件的製作方法
2023-10-17 18:44:19
具有內部面密封表面的旋轉卡盤密封件的製作方法
【專利摘要】一種用於密封殼體與旋轉軸之間的空間的卡盤密封件包括旋轉密封構件，其具有限定用於接收所述軸的孔的內表面和圓形的外凸緣，所述外凸緣從所述中軸線並且圓周地圍繞所述中軸線徑向向外地延伸，所述外凸緣具有徑向的密封表面。靜止密封組件圍繞所述旋轉密封構件設置並且包括與所述殼體可耦連的環形的外殼以及基本上環形的靜止密封構件，該靜止密封構件設置在所述外殼內並且具有與所述旋轉構件密封表面可密封接合從而形成初級密封界面的基本上徑向的密封表面。偏斜構件使所述靜止密封構件的至少一部分向所述旋轉構件凸緣軸向地偏斜。環形軸環設置在所述外殼內並且配置成使所述旋轉構件軸向地保持在所述外殼內從而使所述密封組件作為單個單元可安裝在軸上。
【專利說明】具有內部面密封表面的旋轉卡盤密封件
【技術領域】
[0001]本發明涉及密封件，更具體地，涉及用於高壓和高旋轉速度應用的密封件。
【背景技術】
[0002]用於高壓密封應用的例如用在鑽油軸上的密封件，典型地由具有內圓周表面的聚合密封元件(例如，PTFE)形成，所述內圓周表面抵靠在軸的外圓周表面上密封。由於必須密封的高壓力，PTFE密封元件通常被填充以便增加耐磨性，典型地導致材料更大的磨損。這樣，密封元件傾向於在軸上產生實質磨損，從而需要軸的再加工(例如，電鍍和研磨)或更換。
【發明內容】
[0003]一方面，本發明是一種用於密封具有孔的殼體與至少部分設置在所述殼體孔內並且圍繞中軸線可旋轉的軸之間的空間的卡盤密封件(cartridge seal)。所述卡盤密封件包括旋轉密封構件，其具有內圓周表面和基本上圓形的外凸緣，所述內軸向表面限定用於接收所述軸的一部分的孔，所述外凸緣從所述中軸線並且圓周地圍繞所述中軸線徑向向外地延伸，所述外凸緣具有基本上徑向的密封表面。靜止密封組件設置成圍繞所述旋轉密封構件並且包括與所述殼體可耦連的基本上環形的外殼以及基本上環形的靜止密封構件，該靜止密封構件設置在所述外殼內並且具有與所述旋轉構件密封表面可密封接合從而形成初級密封界面的基本上徑向的密封表面。偏斜構件配置成使所述靜止密封構件的至少一部分大致向所述旋轉構件凸緣軸向地偏斜。此外，基本上環形的軸環至少部分地設置在所述外殼內並且配置成使所述旋轉構件軸向地保持在所述外殼內從而使所述密封組件作為單一組合體可安裝在軸上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0004]前述的總結，以及本發明的優選實施例的詳細描述，在與附圖結合閱讀時將會被更好地理解。為了示出本發明的目的，在示意性的附圖中示出優選提供的實施例。但是，應當理解的是，本發明並不限於所示的準確的布置和結構。在附圖中:
[0005]圖1是本發明的卡盤密封件的軸向橫截面視圖，示出安裝在軸上並且與殼體耦連；
[0006]圖2是卡盤密封件的透視圖；
[0007]圖3是卡盤密封件的另一個軸向橫截面視圖，示出與軸和殼體分離；
[0008]圖4是圖3的卡盤密封件的分解視圖；以及
[0009]圖5是在圖3中所示的密封件的上部的放大、剖開的視圖。
【具體實施方式】
[0010]在下文說明中使用的某些術語僅處於方便起見並且是非限制性的。詞語「內部」、「向內」以及「外部」、「向外」指的是分別朝向和遠離指定的中心線或所述元件的幾何中心，特定的含義從說明書上下文可容易地看出。此外，在此所用的詞語「連接」和「耦連」每一個意在包括兩個構件之間沒有任何其它構件插入在其中的直接連接、以及在構件之間有一個或更多個其它構件插入其中的間接連接。術語包括以上特別提到的詞語、它們的衍生詞、以及類似意思的詞語。
[0011]現具體參考附圖，其中，整個說明書中相似的附圖標記用來指示相似的元件，圖1至5a中示出了用於密封空間S的卡盤密封件10，所述空間S在具有孔Ia的殼體I與至少部分設置在殼體孔Ia中並且圍繞中軸線2a(見圖1)可旋轉的軸2之間。卡盤密封件10具有中軸線11並且基本上包括可安裝在軸2上的旋轉密封構件12以及圍繞旋轉構件12設置且與殼體I可耦連的靜止密封組件12。旋轉密封構件12具有內圓周表面12a和基本上圓形的外凸緣16，所述內圓周表面12a限定用於接收軸2的一部分的孔13。凸緣16從中軸線11且圓周地圍繞中軸線11徑向向外地延伸，並且凸緣16具有基本上徑向的密封表面
18。靜止密封組件14包括可與殼體I耦連的基本上環形的外殼20、設置在外殼20中的基本上環形的靜止密封構件22、配置成使靜止密封構件22偏斜的偏斜構件24、以及基本上環形的軸圈26。
[0012]更特別地，靜止密封構件22具有基本上徑向的靜止密封表面28，其與旋轉密封表面18可密封接合從而形成初級密封界面SIP。偏斜構件24配置成使得靜止密封構件22的至少一部分基本上朝向旋轉構件凸緣16軸向地偏斜，從而維持表面18、28之間的密封接觸。此外，軸環26至少部分設置在外殼20中並且配置成將旋轉構件12軸向地保持在外殼20中，從而使得卡盤密封件10作為單個單元可安裝在軸2上。因此，僅通過將軸2插進穿過旋轉密封構件12並且將外殼20與殼體孔Ia接合，卡盤密封件10被安裝，如下文詳細描述的。
[0013]優選地，旋轉構件凸緣16、以及最優選的是整個密封構件12，由一金屬材料形成，該金屬材料具有如以洛氏C標尺測量的至少四十五(45)的硬度(即，45HRC)，更優選的是在大約45HRC和50HRC範圍內。凸緣徑向密封表面18優選地形成為具有大約4微英寸(4Ra)的平均粗糙度到8微英寸(8Ra)的平均粗糙度的範圍內的粗糙度。此外，靜止密封構件22的至少提供密封表面27的那部分由耐磨聚合物形成，最優選地由碳石墨填充的聚四氟乙烯(PTFE)形成。通過這樣的材料和表面加工，卡盤密封件10能夠在高壓和旋轉速度工作環境中，例如在石油鑽探應用中產生的環境中，在初級密封界面SIp內維持密封。但是，旋轉密封構件12和/或靜止密封構件22可由任何其它合適的材料形成。
[0014]參考圖1和3-5，旋轉密封構件12優選地包括提供內圓周表面12a和相反的外圓周表面12b的基本上圓柱形的部分30,凸緣16從圓柱形部分外表面12b徑向向外延伸。凸緣16實質上是圓形的並且具有第一和第二相反的軸向端部16a、16b，第一端部16a提供徑向密封表面18而第二端部16b提供基本上與密封表面18背離的徑向接觸表面19，如以下更詳細論述的。旋轉密封構件12優選地與軸2可摩擦地接合，從而將旋轉構件12保持在軸軸線2a上大概期望的軸向位置pA，如在圖1中由密封件10的中點所示的。同樣地，旋轉密封構件12可安裝在軸2上的任何期望的位置並且不需要任何套筒、保持環、鍵槽、螺栓孔等來將密封構件12固定在軸2上。
[0015]最優選地，卡盤密封件10還包括至少一個並且優選地兩個彈性體環32 (例如，O形環)，所述彈性體環可設置在旋轉密封構件12的孔13內。環32每一個都設置在兩個軸向隔開的環形槽34的單獨的一個中，所述環形槽34從旋轉構件內表面12a徑向向外延伸。此外，每個環32配置成與軸2的外表面2b摩擦接合從而軸向地保持旋轉密封構件12，如上所述。通過這樣的安裝方法，旋轉密封構件12以及由此整個卡盤密封件10可安裝在具有不同外直徑的各種軸上。
[0016]再參考圖1至5，外殼20優選地包括相對薄壁的環形體40，該環形體具有L形軸向橫截面並且包括具有相對軸向端部42a、42b的軸向部分42和從軸向部分42的一個端部42a徑向向內延伸的徑向部分44。外殼軸向部分42具有相反的內外軸向表面43A、43B,內表面43A限定用於容納密封件10的各種部件的孔45。外殼外表面43B與殼體孔Ia可摩擦地接合從而使卡盤密封件10與殼體2耦連，由此消除了對提供保持環、螺栓孔或其它手區段以耦連卡盤密封件10與殼體I的必要性或者至少將靜止密封組件14保持在軸線2a上的特定位置的必要性。
[0017]此外，外殼徑向部分44具有徑向保持表面46，靜止密封構件22通過軸環26被保持抵靠在所述徑向保持表面46上，如下所述。優選地，外殼20還包括至少一個保持器48，其從軸向部分42的第二端部42b徑向向內延伸並且與軸環26可接合從而將軸環26軸向地保持在外殼孔45內，如下面進一步論述的。優選地，在兩個密封構件12和22、偏斜構件24和軸環26被裝配到外殼20中以後，保持器48由形成在外殼軸向部分42的端部42處的軋制邊提供。
[0018]現參考圖1和3-5，靜止密封構件22包括分別帶有內外圓周表面51A、51B的基本上環形的主體50、從內表面51A徑向向外延伸的環形槽52、以及從外表面51B徑向向外延伸的凸緣54。環形槽52限定一對軸向間隔分開的徑向壁區段56A、56B, —個壁區段56A提供密封壁區段，其可設置成抵靠旋轉構件凸緣16，以及由此靜止密封構件22的密封表面28的一部分。優選地，靜止密封構件22具有多個環形突起59，其從密封表面28基本上軸向地延伸並且與旋轉密封表面18可接合，從而進一步加強初級密封界面SIP內的密封。
[0019]通過靜止密封構件22的以上結構，偏斜構件24設置在槽52中並且配置成使密封壁區段42A朝向旋轉構件凸緣16偏斜。優選地，偏斜構件24包括基本上環形的V形彈簧60,其具有中央部分62和從中央部分62徑向向內延伸的兩個臂64A、64B。每個徑向臂64A、64B分別在兩個密封構件徑向壁區段56A、56B的單獨的、鄰近的一個上施力，從而在密封壁區段56A和旋轉構件凸緣16之間產生接觸壓力P。，如圖5所示的。但是，偏斜構件24可由任何其它合適類型的彈簧提供並且/或者可以任何其它合適的方式位於卡盤密封件10內，只要特定的偏斜構件24維持靜止和旋轉密封構件22、12之間的接合。
[0020]參考圖1至5，軸環26優選地形成為環形體70，其帶有L形軸向橫截面並且包括軸向部分72和徑向部分74，該軸向部分72具有相反的軸向端部72a、72b，該徑向部分74從軸向部分72的第二端部72b徑向向內延伸並且具有徑向表面75。軸環軸向部分72優選地具有外圓周表面73，其與外殼20的內圓周表面43A可摩擦地接合，從而使軸環26與外殼20耦連。然而，可替代地，軸環26的尺寸可被形成為以便帶有空隙地安裝在外殼20中並且僅通過外殼保持器部分48被保持在外殼孔45內，所述外殼保持器部分48抵靠在軸環軸向部分第二端部72b上。
[0021]此外，軸環徑向部分74基本上可設置成抵靠旋轉密封構件凸緣16以便將旋轉構件12軸向地保持在外殼20內，如上所述的。更特別地，當軸環26與外殼20耦連時，軸環徑向部分74與外殼徑向部分44軸向地隔開並且基本上可設置成抵靠旋轉構件凸緣16的第二端部16b。這樣，旋轉密封構件12基本上軸向地保持在外殼徑向部分44和軸環徑向部分74之間，並且優選地是夾在靜止密封構件22和軸環徑向部分74之間。
[0022]優選地，軸環部分徑向表面75與凸緣徑向接觸表面19可密封接合從而形成次級密封界面SIs。這樣，在初級密封表面18、28軸向分開的情況下，次級密封表面19、75起到防止流過卡盤密封件10、以及殼體I和軸2之間的功能。由於這種期望的功能，軸環26優選地由具有基本上小於旋轉密封構件12的硬度的硬度的金屬材料形成，更優選地是由鋁青銅形成，並且徑向表面75被形成(即，精機加工)為具有大約32微英寸(32Ra)的平均粗糙度到64微英寸(64Ra)的平均粗糙度的範圍內的粗糙度。
[0023]此外，軸環26優選地還配置成將靜止密封構件22軸向地保持在外殼20內。特別地，軸環軸向部分第一端部72a具有徑向端部表面71，其可設置成抵靠靜止密封構件22的徑向凸緣54上，從而當軸環26與外殼20耦連時凸緣54被夾在軸環26和外殼徑向部分44之間。
[0024]比起從前的用於高壓和高旋轉速度應用的密封設計、例如油行業的密封設計，卡盤密封件10具有許多優勢。是完全獨立的(self-contained)，密封件10可安裝在軸2上的任意點從而在軸2和相關殼體I之間密封並且不需要在軸2或殼體I的任一個之上或之中提供任何額外的安裝部件/硬體或結構特徵(例如，軸肩、螺栓孔、鍵槽等)。此外，通過提供容納在外殼20內的所有密封表面，完全避免了對軸承2的磨損，消除了與再加工(例如，重新電鍍和研磨)或替換軸2相關的可觀的成本。此外，在旋轉構件密封表面18、19和軸環密封表面75上的所需表面加工在平坦的徑向表面上比在圓柱形/圓周表面上更易機加工。此外，面形式的(face-type)徑向密封表面對18/28和19/75比圓柱形密封表面能夠更好地容忍孔/軸未對準和動態跳動。
[0025]本領域技術人員將領會到，上述實施方式可以進行改變而不脫離本發明的寬的發明構思。因此，可以理解的是，本發明並不限於所公開的特定實施方式，而是意在包含如基本上在這裡和所附權利要求中所限定的本發明的實質和範圍內的修改。
【權利要求】
1.一種用於密封具有孔的殼體與一軸之間的空間的卡盤密封件，所述軸至少部分設置在所述殼體的孔內並且圍繞中軸線可旋轉，所述卡盤密封件包括: 旋轉密封構件，該旋轉密封構件具有內圓周表面和大致圓形的外凸緣，所述內圓周表面限定用於接收所述軸的一部分的孔，所述外凸緣從所述中軸線並且圓周地圍繞所述中軸線徑向向外地延伸，所述外凸緣具有大致徑向的密封表面；以及 靜止密封組件，該靜止密封組件設置成圍繞所述旋轉密封構件並且包括與所述殼體可耦連的大致環形的外殼；大致環形的靜止密封構件，該大致環形的靜止密封構件設置在所述外殼內並且具有與所述旋轉構件密封表面可密封接合以便形成初級密封界面的大致徑向的密封表面；配置成使所述靜止密封構件的至少一部分大致朝向所述旋轉構件凸緣軸向地偏斜的偏斜構件；以及大致環形的軸環，該大致環形的軸環至少部分地設置在所述外殼內並且配置成使所述旋轉構件軸向地保持在所述外殼內從而使所述密封組件作為單個單元可安裝在軸上。
2.如權利要求1所述的卡盤密封件，其中所述旋轉構件凸緣由金屬材料形成，所述旋轉構件密封表面具有如以洛氏C標尺測量的至少45的硬度(45HRC)，以及提供所述密封表面的所述密封構件的至少一部分由碳加強聚合物形成。
3.如權利要求2所述的卡盤密封件，其中所述旋轉構件由具有在大約45HRC到大約50HRC的範圍內的硬度的不鏽鋼形成，以及所述密封構件由耐磨聚合物形成。
4.如權利要求1所述的卡盤密封件，其中所述旋轉密封構件與所述軸可摩擦地接合以便使所述旋轉構件保持在所述中軸線上的大約期望的軸向位置。
5.如權利要求4所述的卡盤密封件，還包括至少一個彈性體環，該至少一個彈性體環能夠設置在所述旋轉構件的孔內並且配置成與所述軸的外表面可摩擦接合以便軸向地保持所述旋轉構件。
6.如權利要求1所述的卡盤密封件，其中所述靜止密封構件具有內圓周表面以及環形槽，該環形槽從所述內表面徑向向外地延伸以便限定一對軸向間隔開的徑向壁區段，兩個徑向壁區段之一是能夠設置成抵靠所述旋轉構件凸緣並提供所述靜止密封構件徑向密封表面的至少一部分的密封壁區段，所述偏斜構件設置在所述槽內並且配置成使所述密封壁區段朝向所述旋轉構件凸緣偏斜。
7.如權利要求6所述的卡盤密封件，其中所述靜止密封構件具有多個環形突起，該突起從所述密封表面大致軸向地延伸並且與所述旋轉構件密封表面能夠接合。
8.如權利要求6所述的卡盤密封件，其中所述偏斜構件包括大致環形的V形彈簧，該彈簧具有中央部分和從該中央部分徑向向內延伸的兩個臂，每個徑向臂在所述兩個密封構件徑向壁區段的單獨的一個上施加力以便在所述密封壁區段和所述旋轉構件凸緣之間產生接觸壓力。
9.如權利要求1所述的卡盤密封件，其中: 所述旋轉構件凸緣具有相反的第一和第二軸向端部，所述第一端部提供所述徑向密封表面，並且所述第二端部提供與所述密封表面大致背對的徑向接觸表面；以及 所述軸環具有軸向部分和從該軸向部分徑向向內延伸的徑向部分，所述軸環徑向部分能夠設置成大致抵靠所述旋轉構件凸緣以便形成第二密封界面。
10.如權利要求9所述的卡盤密封件，其中所述旋轉密封構件由具有第一硬度的金屬材料形成並且所述軸環由具有第二硬度的金屬材料形成，所述第二硬度基本上小於所述第一硬度。
11.如權利要求1所述的卡盤密封件，其中所述軸環配置成將所述靜止密封構件軸向地保持在所述外殼內。
12.如權利要求11所述的卡盤密封件，其中所述外殼包括徑向向內延伸的區段，所述靜止密封構件具有徑向向外延伸的凸緣，以及所述軸環具有徑向端部表面，該徑向端部表面能夠設置成抵靠所述密封構件徑向凸緣以便在所述軸環與所述外殼耦連時使得所述密封構件凸緣被夾在所述軸環和所述外殼徑向區段之間。
13.如權利要求12所述的卡盤密封件，其中所述外殼具有帶內圓周表面的軸向部分，所述徑向部分從所述軸向部分向內延伸，以及所述軸環具有外圓周表面，該外圓周表面與所述外殼內圓周表面可摩擦地接合以便使所述軸環與所述外殼耦連。
14.如權利要求1所述的卡盤密封件,其中: 所述旋轉構件具有相反的第一和第二軸向端部，所述第一端部提供所述徑向密封表面並且所述第二端部提供與所述密封表面大致背對的大致徑向的接觸表面； 所述外殼具有軸向部分，該軸向部分帶有限定孔的內圓周表面和從所述軸向部分徑向向內延伸的徑向部分；以及 所述軸環具有帶外圓周表面的軸向部分和從該軸向部分徑向向內延伸的徑向部分，所述軸環軸向部分能夠設置在所述外殼的孔內以便使得所述保持器外圓周表面與所述外殼內圓周表面可摩擦地接合以便使所述軸環與所述外殼耦連，以及所述軸環徑向部分與所述外殼軸向部分軸向地隔開且大致能夠設置成抵靠所述旋轉構件凸緣部分以使得所述旋轉構件軸向地大致保持在所述外殼徑向部分和所述軸環徑向部分之間。
15.如權利要求14所述的卡盤密封件，其中所述外殼軸向部分具有相反的第一和第二軸向端部，所述徑向部分從所述軸向部分第一端部向內延伸，並且所述外殼還包括保持器，該保持器從所述外殼軸向部分的第二端部徑向向內地延伸並且與所述軸環能夠接合以便使所述軸環軸向地保持在所述外殼的孔內。
16.如權利要求14所述的卡盤密封件，其中所述旋轉構件由具有第一硬度的金屬材料形成並且所述軸環由具有第二硬度的金屬材料形成，所述第二硬度基本上小於所述第一硬度。
17.如權利要求1所述的卡盤密封件，其中所述外殼具有外圓周表面，該外圓周表面與所述殼體可摩擦地接合以便耦連所述卡盤密封件與所述殼體。
【文檔編號】F16C33/78GK104220769SQ201380020089
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年3月15日 優先權日:2012年3月15日
【發明者】T.J.賴瑟, R.L.查普林三世 申請人:Skf公司