CN111566395B - 机械密封件及其滑动环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有旋转部分和非旋转部分的机械密封件，旋转部分至少具有旋转滑动环（24）和旋转滑动环托架，并且非旋转部分至少具有非旋转滑动环（36）和非旋转滑动环托架（34），其中该机械密封件设置有在旋转滑动环（24）和非旋转滑动环中的一个中的周向沟槽（54、58）以及与机械密封件（10）通信的传感器（62）。

Description

机械密封件及其滑动环

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的机械密封件和根据权利要求11的前序部分的滑动环。

背景技术

机械密封件在各种轴密封应用中正获得越来越多的认可。机械密封件发现在各种泵、混合器和搅拌器中的使用。机械密封件具有相对简单的结构，它们耐高温并且它们的维护和维修相对容易。但是，就像所有种类的密封件一样，它们的寿命难以预测。也不大可能对密封件的条件执行任何视觉监控。因此，现有技术包括讨论机械密封件的条件的监控的许多文献。

US-A-6,065,345讨论了一种在设置有旋转部分的设备中、特别是在泵中监控机械密封件的条件的方法，所述泵具有用于运送流体的旋转轴，在该设备的操作状态下，在离散时间处连续测量密封件的声音发射，并且从声信号获得至少一个统计特性值。上文所讨论的专利的目的是监控密封件的滑动条件。换句话说，如果密封件开始变干，即冲洗由于某种原因而没有正常工作，则来自密封件的声发射会随着润滑膜的条件改变。该美国专利还讨论了泵的旋转速度、冲洗液的温度、待泵送的流体的压力等对密封件的声发射的影响，由此，即使滑动条件没有改变，声发射也可能改变。

US-B1-6,360,610讨论了特别适用于监控两个液体润滑机械密封件面的界面的系统和方法。该系统通过使用波源来产生超声剪切波、将波导向界面、在波与界面相互作用之后检测所述波并将所检测的波与预定的波特性进行比较来监控界面。基于该比较，可以触发警报。警报可以指示机械密封件失效。在优选示例中，该方法涉及检测密封件面之间的润滑膜的破裂并检测过度的粗糙接触。润滑膜的破裂和过度的粗糙接触是密封件失效的前兆。超声换能器被放置在一个所述密封件面的后面，并用于产生超声剪切波（以已知的频率和振幅），该超声剪切波朝向两个密封件面之间的界面传播。通过监控传输通过界面或被界面反射的波的振幅，人们能够检测膜破裂和所述面之间的接触程度。

讨论滑动表面之间的流体膜的条件的又一份文献是GB-A-2430034。其公开了使用至少一个声发射传感装置来间接和/或远程监控一件旋转装备的健康状态的条件监控系统，以及其作为例如机械密封件或轴承组件的应用。声发射传感装置能够被放置成直接或间接接触反向旋转表面。由声发射传感装置发出的信号能够被放大、针对背景噪声被过滤、计算、与参考值进行比较并存储在数据存储装置上。

US-B2-8,527,214讨论了示出机械密封件的滑动表面的磨损程度的机械装置。所讨论的机械装置一方面是测量由于磨损引起的滑动环的物理轴向运动的简单装置，但是另一方面，在大多数应用中，实践中相当难以将其与机械密封件这样结合布置。尤其还将难以将从动件布置成与旋转滑动环托架机械接触，旋转滑动环托架的轴向运动将被测量，如专利中所指导的那样。

换句话说，上文引用的现有技术讨论了或者其中机械密封件表面的润滑已经失效或即将失效的异常操作条件或者正常操作条件下的磨损。然而，根据现有技术，监控正常操作条件下的磨损需要这种装置：尽管该装置在原理上简单，但难以构造，并且包括功能失效的巨大风险，因为在所引用的专利（US-B2-8,527,214）中讨论的从动件也易于磨损。

因此，本发明的目的是解决至少一个上文所讨论的问题。

本发明的另一个目的是增加机械密封件的操作的可靠性和可预测性。

本发明的又一个目的是介绍一种机械密封件，该机械密封件设置有可靠且简单的器具，以用于监控机械密封件在正常操作条件下的磨损。

发明内容

如在独立权利要求和描述本发明的不同实施例的更多细节的其它权利要求中所公开的，基本上满足了本发明的至少一个目的。

根据本发明的实施例，该机械密封件具有旋转部分和非旋转部分，旋转部分至少由旋转滑动环和旋转滑动环托架形成，旋转滑动环具有带有一区域和旋转滑动表面的第二轴向端部，所述非旋转部分至少由非旋转滑动环和非旋转滑动环托架形成，所述非旋转滑动环具有带有一区域和非旋转滑动表面的第二轴向端部，该机械密封件还具有改变旋转滑动环和非旋转滑动环中的一个的第二轴向端部的所述区域的元件，以及设置成与所述机械密封件通信的传感器，其中，该传感器是声、振动和加速度传感器中的一个。

根据本发明的实施例，一种用于机械密封件的滑动环，该滑动环具有内周向表面、外周向表面、第一轴向端部、具有滑动表面和一区域的第二轴向端部以及改变滑动环的第二轴向端部的所述区域的元件，其中，该元件位于至少内周向表面中或内周向表面上。

这提供了一种机械密封件，该机械密封件的可靠性大大提高。

本专利申请中呈现的本发明的示例性实施例不应被解释成对所附权利要求的适用性构成限制。动词“包括”在本专利申请中被用作开放性限制，其不排除还存在未列举的特征。除非另有明确说明，否则在从属权利要求中列举的特征可相互自由组合。在所附权利要求中特别阐述了被认为是本发明的特性的新颖特征。

附图说明

在下文中，将参考附随的示例性示意性附图更详细地描述本发明的机械密封件和滑动环，在附图中：

图1是现有技术机械密封件的总体表示，

图2图示了根据本发明的第一优选实施例的机械密封件，

图3图示了图2的机械密封件的一部分的放大横截面，

图4图示了根据本发明的第二优选实施例的机械密封件的一部分的放大横截面，

图5图示了根据本发明的第三优选实施例的机械密封件的一部分的放大横截面，

图6图示了根据本发明的第四优选实施例的机械密封件的一部分的放大横截面，

图7图示了根据本发明的第五优选实施例的机械密封件的一部分的放大横截面，

图8图示了根据本发明的第六优选实施例的机械密封件的一部分的放大横截面，以及

图9图示了根据本发明的第七优选实施例的机械密封件的一部分的放大横截面。

具体实施方式

图1示意性且示例性地描绘了单作用机械密封件10，不过本发明自然也可适用于双作用机械密封件。机械密封件10用于密封例如流机器（flow machine）的轴12，使得在密封件的左手侧处的流机器的内部，与在密封件的右手侧处的大气保持分离。机械密封件10定位在密封室14中，密封室14设置在特定的密封件壳体16内或流机器的外壳盖内。

根据图1和2，机械密封件10包括旋转部分18和非旋转部分32。旋转部分18包括保持器环20、旋转滑动环托架22、旋转滑动环24、至少一个固定螺钉26、一个或多个弹簧28以及O形环30。非旋转部分32包括非旋转滑动环托架34、非旋转滑动环36、主体部分38、O形环40和42、驱动销44、压盖环46和螺栓48。该密封件被组装在轴12上，使得包括至少一个弹簧28的保持器环20借助于所述至少一个固定螺钉26在适当的位置处被紧固在轴12上。接下来，具有旋转滑动环24的旋转滑动环托架22在轴上被推动，使得旋转滑动环托架22通过O形环30的支撑在轴12上保持浮动。然后，非旋转滑动环36与其托架34一起以及主体部分38与其O形环40和42一起被安装在轴12上以支撑密封件壳体16，并借助于压盖环46和螺栓48紧固到其。

根据图3，旋转滑动环24具有第一轴向端部50和第二轴向端部52，第一轴向端部50位于旋转滑动环托架22（参见图2）中的座中，第二轴向端部52在使用时具有面向非旋转滑动环36的滑动表面的区域和滑动表面。周向沟槽54在与旋转滑动环24的第二轴向端部52相距轴向距离d处设置在旋转滑动环24的外周向表面56中。图3还示出了设置在旋转滑动环24的内周向表面60中的另一可选周向沟槽58。两个沟槽54和58彼此相对，即它们与旋转滑动环的第二轴向端部52的轴向距离相等，即为d。非旋转滑动环托架34设置有传感器62，传感器62优选地但并不必然是压电传感器，传感器62与外部装置有线或无线通信，该外部装置可能除了其它事项以外监控机械密封件的寿命和条件。传感器62是声发射传感器、加速度传感器和振动传感器中的一种，仅列举了几个选项而非任何意图将本专利的范围限制为仅所列的传感器。GB-A-2439934中讨论的传感器和数据处理装置可以应用于将本发明用于实践。

根据图4，非旋转滑动环36’具有第一轴向端部64和第二轴向端部66，第一轴向端部64位于非旋转滑动环托架34中的座中，第二轴向端部66在使用时具有面向旋转滑动环24’的滑动表面的区域和滑动表面。周向沟槽68在与非旋转滑动环36’的第二轴向端部66相距轴向距离d’处设置在非旋转滑动环36’的外周向表面70中。图4还示出了设置在非旋转滑动环36’的内周向表面74中的另一可选周向沟槽72。两个沟槽68和72彼此相对，即它们与旋转滑动环的第二轴向端部的轴向距离相等，即为d’。非旋转滑动环托架34设置有传感器62，传感器62与监控机械密封件的寿命的外部装置有线或无线通信。传感器62是声发射传感器、加速度传感器和振动传感器中的一种，仅列举了几个选项而非任何意图将本专利的范围限制为仅所列的传感器。GB-A-2439934中讨论的传感器和数据处理装置可以应用于将本发明用于实践。

鉴于上文讨论的实施例，应当理解，首先，滑动环中的周向沟槽可以位于滑动环的或者内周向表面中或者外周向表面中，或者位于两者中，并且其次，所述（多个）沟槽可以位于或者旋转滑动环中或者非旋转滑动环中。至于沟槽的形状，它具有几个实践限制。优选的但并非完全必要的是，沟槽是V形的，或者在任何情况下使得通向滑动环的包络表面，即沟槽侧表面54’（在滑动环的第二轴向端部52的一侧处）与滑动环24的周向表面56之间的角β（见图3）是钝角。这种设计的原因在于，当上文提到的角β是钝角时，当滑动环的磨损延伸直到沟槽时，滑动环的磨损不会导致任何较大颗粒从沟槽的边缘松动。容易想象的是，如果上文提到的角是锐角，则环形部分将从沟槽的边缘松动，因为在这种情况下，沟槽的底部或在任何情况下沟槽的更深的部分比沟槽的边缘更靠近滑动环的第二轴向端部延伸。

上述密封装置的功能使得在具有上文所讨论的一个或多个沟槽的滑动环被磨损直到沟槽的边缘时，滑动环的进一步磨损导致滑动环的滑动表面（即，第二轴向端部）的区域（与滑动环的轴线成直角的区域）开始变得更小。结果，（具有（多个）沟槽的滑动环的）第二轴向端部或滑动表面的减小区域使得来自相对滑动表面之间的声发射改变其频率。以类似的方式，滑动环的振动频率根据滑动表面的区域变化。传感器62将相应的信息（例如频率数据）或者周期性地或者连续地传递给外部装置，该外部装置可以被称为控制单元，其监控以预编程方式起作用的机械密封件的寿命。换句话说，外部装置或控制单元自安装了机械密封件并且例如使用了流机器以来就已接收到频率数据。数据，即来自正常操作条件的数据，已经被记录或操纵，使得控制单元被提供有关于流机器的可允许的操作范围的频率信息。现在控制单元注意到从密封件接收的信息（即频率数据）被移动到可允许的操作范围之外，并且可能在远离可允许的操作范围的方向上继续改变，控制单元可以例如执行以下任务中的一个或多个：点亮警告灯、给出听觉信号、命令新的密封或者向维修人员发送消息。

上文讨论的功能可以通过如将在下面的附图中讨论的若干个可选的装置来完成。

图5图示了根据本发明第三优选实施例的机械密封件的一部分的放大横截面。这里，非旋转滑动环76在其内周向表面上设置有内部脊78。对于本发明的该实施例的工作必要的特征是，旋转滑动环80的内周向表面比非旋转滑动环的内周向表面更靠近密封件的轴线延伸，使得当非旋转滑动环磨损直到脊时，脊也开始磨损。在这种情况下，非旋转滑动环的第二端部的扩大区域使得来自相对滑动表面之间的声发射或振动改变其频率。自然地，清楚的是，脊也可以位于非旋转滑动环的外周向表面上，只要旋转滑动环的外周向表面与非旋转滑动环的外周向表面一样更远离轴线延伸。同样，脊可以布置在非旋转滑动环的两侧上，就像先前实施例中的沟槽一样。同样，清楚的是，脊也可以布置在旋转滑动环的内周向表面或外周向表面上，或者布置在这两者上，由此非旋转滑动环的内周向表面和外周向表面或者这两者应当比旋转滑动环的内周向表面和外周向表面更远离轴线延伸。

图6图示了根据本发明的第四优选实施例的机械密封件的一部分的放大横截面。这里，非旋转滑动环82在其内周向表面上设置有至少一个突起或凸起84，在非旋转滑动环已磨损到一定程度之后，所述突起或凸起84与旋转滑动环80的表面交汇，并使得来自相对滑动表面之间的声发射改变其频率。在使用多个凸起的情况下，凸起的阵列优选地布置在同一周向部分上，即在距滑动表面相等的距离处。自然地，清楚的是，所述（多个）凸起也可以位于非旋转滑动环的外周向表面上，只要旋转滑动环的外周向表面与非旋转滑动环的外周向表面一样更远离轴线延伸。同样，所述（多个）凸起可以布置在非旋转滑动环的两侧上，就像先前实施例中的沟槽一样。同样，清楚的是，所述（多个）凸起也可以布置在旋转滑动环的内周向表面或外周向表面上，或者布置在这两者上，由此非旋转滑动环的内周向表面和外周向表面或者这两者都应当比旋转滑动环的内周向表面和外周向表面更远离轴线延伸。

换句话说，在本发明的第三和第四实施例中，滑动环的面向具有改变滑动环第二端部的区域的（多个）脊或（多个）凸起的滑动环的滑动表面应当具有朝向与所述（多个）脊或（多个）凸起延伸的方向相同的方向向内或向外的径向延伸部。该径向延伸部应当至少等于脊或凸起的径向高度。

图7图示了根据本发明的第五优选实施例的机械密封件的一部分的放大横截面。这里，具有构成（多个）沟槽72的非旋转滑动环36’（尽管非旋转滑动环36’中的（多个）沟槽或改变非旋转滑动环的横截面的任何其它元件的存在不是本发明工作的必要特征，所述一个沟槽或多个沟槽也可以设置在旋转滑动环中）设置有声发射、加速度或振动传感器86，其具有其穿过非旋转滑动环托架34中的钻孔的布线88。

图8图示了根据本发明的第六优选实施例的机械密封件的一部分的放大横截面。这里，声发射、加速度或振动传感器86被设置到非旋转滑动环托架34的轴向端部，并且不是如图3-6中所示那样设置在其外周向表面上。

图9图示了根据本发明的第七优选实施例的机械密封件的一部分的放大横截面。这里，非旋转滑动环托架和非旋转滑动环90由相同的材料制成，由此没有单独的滑动环托架，但是滑动环能够执行滑动环及其托架两者的任务。声发射、加速度或振动传感器86附接到滑动环90的轴向端部，但是传感器也可以位于非旋转滑动环90的外周向表面上。

至于旋转和非旋转滑动环的材料，优选的但非本发明必要特征的是，具有（多个）沟槽、（多个）脊或（多个）凸起的滑动环的材料比相对的滑动表面的材料更软。因此，磨损最多的是具有（多个）沟槽、（多个）脊或（多个）凸起的滑动环的材料，并且不是相对的滑动环的材料。

还应当理解的是，声发射传感器、加速度传感器或振动传感器可以定位在能够从（多个）滑动环的磨损收集信息的任何这种地点或位置中。换句话说，这种传感器不仅可以布置成与滑动环或滑动环托架直接连接，而且还可以布置在密封件壳体的壁中、泵或混合器外壳的盖中、或者用于将密封件紧固到流机器的凸缘中，仅列举了几个替代方案，而没有任何指示将本发明限制为所列选项。换句话说，权利要求1中的短语“与机械密封件通信”指的是流机器中的密封环的声发射、加速度或振动可以被相应的传感器记录的所有的这种位置。

虽然本文已经通过结合目前被认为是最优选的实施例的示例描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是旨在覆盖其特征的各种组合或修改以及包括在如所附权利要求限定的本发明范围内的若干其它应用。当这种组合在技术上可行时，可以结合另一个实施例使用结合上文的任何实施例提及的细节。

Claims (6)

1.一种机械密封件，所述机械密封件（10）具有旋转部分（18）和非旋转部分（32），所述旋转部分（18）至少由旋转滑动环和旋转滑动环托架（22）形成，所述旋转滑动环具有带有一区域和旋转滑动表面的第二轴向端部，并且所述非旋转部分（32）至少由非旋转滑动环和非旋转滑动环托架（34）形成，所述非旋转滑动环具有带有一区域和非旋转滑动表面的第二轴向端部，所述机械密封件（10）还具有改变所述旋转滑动环和所述非旋转滑动环中的一个的所述第二轴向端部的所述区域的元件以及设置成从滑动环的磨损收集信息并且与所述机械密封件（10）通信的传感器，其特征在于，所述元件是至少一个周向沟槽，其定位为在所述旋转滑动环和所述非旋转滑动环中的所述一个的所述第二轴向端部处与滑动表面相距一距离，从而第二轴向端部或滑动表面的减小区域使得来自相对滑动表面之间的由传感器记录的频率数据改变，并且所述周向沟槽具有侧表面（54’），并且沟槽侧表面（54’）与所述滑动环的周向表面之间的角β是钝角。

2.根据权利要求1所述的机械密封件，其特征在于，所述旋转滑动环具有内周向表面（60）和外周向表面（56），所述非旋转滑动环具有内周向表面（74）和外周向表面（70），所述元件被设置在所述旋转滑动环和所述非旋转滑动环中的所述一个的所述内周向表面和所述外周向表面中的至少一个中。

3.根据权利要求1所述的机械密封件，其特征在于，所述旋转滑动环和所述非旋转滑动环中的所述一个在其内周向表面和外周向表面两者中都具有与所述旋转滑动环和所述非旋转滑动环中的所述一个的所述第二轴向端部相距相等距离的所述元件。

4.根据权利要求1所述的机械密封件，其特征在于，所述机械密封件（10）是单作用机械密封件或双作用机械密封件。

5.根据权利要求1所述的机械密封件，其特征在于，所述传感器被布置成与所述非旋转滑动环和所述非旋转滑动环托架（34）中的一个连接。

6.根据权利要求1所述的机械密封件，其特征在于，所述传感器被布置成与密封件壳体、泵的盖或混合器外壳或凸缘连接，所述机械密封件借助于所述密封件壳体、泵的盖或混合器外壳或凸缘被紧固到流体机器。

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