具有耐磨性不同的迷宫环的迷宫密封装置制造方法
【专利摘要】一种具有第一迷宫环(11)和第二迷宫环(12)的迷宫密封装置(10)，其中，在迷宫密封装置(10)的已装配状态中，第一和第二迷宫环(11；12)至少部分重叠地相互嵌入并且可以彼此相对转动，并且其中，在已装配状态中第一和第二迷宫环(11；12)的相互对置的面具有不同的耐磨强度。
【专利说明】具有耐磨性不同的迷宫环的迷宫密封装置
[0001]本发明的实施例普遍地涉及密封元件并且尤其涉及一种迷宫密封装置和一种用于运行这种迷宫密封装置的方法。
[0002]迷宫式密封元件已知被用于将相互运动或旋转的构件相对外界密封。这种密封装置的常用形式为，法兰连接在轴承壳体上的轴承盖或轴承壳体具有多个环形设计的肋片，由此构成迷宫密封装置的第一迷宫环。为了密封，该第一迷宫环与相邻的交错的第二迷宫环配合作用，第二迷宫环可以被设置在轴上。第一和第二迷宫环交错的肋片共同构成所谓的密封迷宫。
[0003]迷宫密封装置例如可以用作无接触的轴密封装置。迷宫密封装置的密封功能以通过布置迷宫环的交错的、也就是相互嵌入的肋片而形成的密封路径的延长为基础，这导致在轴和固定壳体上的相对旋转的环之间形成交织的和变窄的缝隙。由于在两个迷宫环之间的长长的交织的或弯折的缝隙(密封迷宫)中相对较高的流动阻力，仅有相对很少的可容忍的液体量(泄漏质量流)能通过迷宫密封装置流入或流出。必要时可通过附加使用的定向的质量流(例如阻隔介质、如氮)阻止外部的污染。
[0004]为了迷宫密封装置更高的效率，对相关构件(即迷宫环)的制造公差要求很高的精度。由于确定的使用条件和/或构件太过不精确的制造，迷宫环的轴部分和壳体部分可能在迷宫密封装置运行时不期望地接触。例如迷宫密封装置的两个迷宫环可能在运行时由于外部负载作用接触。由此不能排除密封装置持续受损直至形成火花进而导致火灾的危险。
[0005]为了避免这种由于制造公差导致的迷宫环的不期望接触，可以在密封装置的制造直径较大时增大例如公差或缝隙。但是这会导致这样的缺点，即迷宫密封装置的密封效果进而其效率降低。
[0006]因此本发明所要解决的技术问题在于，提供一种相对现有技术改进的迷宫密封装
置方案。
[0007]本发明认识到，迷宫密封装置的相互嵌入的迷宫环的至少部分或区段可以具有不同的耐磨强度。耐磨性比其它区域小的区域形成迷宫密封装置的有针对性的磨损区域。例如可在迷宫密封装置中涂覆具有较小耐磨强度的材料，其在两个迷宫环(例如由于外部负载作用)无意接触时导致具有较小耐磨强度的材料有针对性地磨损。
[0008]按照本发明的若干实施例，至少已被磨损的磨损区域或部分能够在达到预定的磨损度后被更换。在此，磨损度例如可根据流入或流出迷宫密封装置的泄漏质量流的可容忍量来确定。
[0009]按照本发明的一个方面规定一种迷宫密封装置。所述迷宫密封装置具有第一迷宫环和第二迷宫环，其中，在迷宫密封装置的已装配状态中，第一迷宫环和第二迷宫环至少部分重叠地相互嵌入并且可以彼此相对转动。此外，在已装配状态中，第一和第二迷宫环的相互对置的面具有不同的耐磨强度。为此，相互对置的面例如可由不同的材料制成或经过不同的表面处理和/或热处理。耐磨强度理解为固体抵抗磨损(机械磨损)的阻抗性能。
[0010]第一迷宫环例如可以配属于固定的壳体部分，而第二迷宫环可以设置在旋转轴上。两个相互嵌入的迷宫环可以相对转动。根据密封装置的实施形式，两个迷宫环或其环形延伸的肋片可以沿轴向、也就是沿轴旋转轴线的方向，或沿径向、也就是垂直于轴旋转轴线地相互嵌入。对于轴向相互嵌入的肋片，以下称为轴向迷宫密封装置，而对于径向相互嵌入的肋片，称为径向迷宫密封装置。此外，本发明的实施例显然也可以用在轴向和径向迷宫密封装置的组合中。
[0011]第一和第二迷宫环的相互对置的面的不同耐磨强度可以例如通过相互对置的面的不同材料硬度实现。换句话说，这意味着第一和第二迷宫环的相互对置的面至少区段性地具有不同的材料硬度。例如第一迷宫环的材料可以具有比第二迷宫环的材料更大的材料硬度，因此在迷宫密封装置运行时，也就是在轴旋转和/或负载时，第二迷宫环的耐磨强度较小的材料在两个迷宫环相遇时会比第一迷宫环的更耐磨的材料更快地磨损。
[0012]按照若干实施例，例如第一迷宫环可完全地或部分地由(可能淬火的)钢制成。在这种实施例中，第二迷宫环可以完全地或部分地由较软的材料制成，因此当两个迷宫环在迷宫密封装置运行中无意接触时，第二迷宫环有针对性地磨损。可考虑的比钢软的材料例如是有色金属或塑料。换句话表达，这意味着按照若干实施例，第一迷宫环的表面材料可以是(必要时淬火的)钢，并且第二迷宫环的表面材料是比其更软的材料，例如选自有色金属或塑料的组。在此，“有色金属”是排除贵金属的非铁金属的子集的总称。这些金属例如是镉(Cd)、钴(Co)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)、锡(Sn)或锌(Zn)。这些不贵的或者非稀有的重金属自身是有颜色的或构成彩色的合金，如黄铜、青铜和炮铜，其中合金同样算作有色金属。
[0013]为磨损所设的表面区域或必要时整个耐磨强度较小的迷宫环可以这样设置在迷宫密封装置中，使得它们可以在达到预定的磨损度之后被更换，其中磨损度例如可根据(例如从密封迷宫流出的润滑剂的)泄漏质量流的可容忍量来确定。按照一些实施例，第二(耐磨强度较小的)迷宫环可以设计为，使得第二迷宫环的至少一个在迷宫密封装置运行后磨损的区域或整个迷宫环可以被更换或能够被更换。为此，两个迷宫环的肋片可以分别设计为，使得它们在迷宫密封装置的已装配状态中不会咬合。这意味着两个迷宫环的环形延伸的肋片基本仅沿装配方向(例如轴向或径向)延伸。由此，迷宫密封装置的两个部件或迷宫环可以相对简单地沿装配方向相互进入或相互分离地移动，而这不会由于垂直于安装方向延伸的环形肋片部段变得困难。但按照其它实施例，如果将迷宫环的至少一个相应设计为分段的，也就是可以相互分开的，那么两个迷宫环在相对简单的(拆卸)装配迷宫密封装置时也可以咬合或咬边。
[0014]按照一些实施例，第一迷宫环可以完全由第一材料(例如钢)构成。第二迷宫环可以相应地同样完全由具有比第一材料更小耐磨强度的第二材料制成(例如有色金属或塑料)。当然也可以考虑这样的实施例，其中第一迷宫环具有比第二迷宫环更小的耐磨强度。在此有利的是，在迷宫密封装置运行后更容易触及的并且因此更容易更换的迷宫环配属有更小的耐磨强度。这在一些密封装置中可能是轴侧或轴承侧的迷宫环。在其它实施例中又可能是周围环境侧的或壳体侧的迷宫环更容易触及。
[0015]相对单个迷宫环分别完全由比另一迷宫环更耐磨或更不耐磨的材料制成的实施例，本发明还包括这样的实施例，其中两个迷宫环的至少一个由一表面材料和具有相对该表面材料不同的耐磨强度的另一材料制成。在此，所述表面材料位于分别面向另一迷宫环的表面区域上。换句话表达这意味着，两个迷宫环可以分别配属有更耐磨的或更不耐磨的表面区域。在此，按照一些实施例，可以例如通过涂层或其它表面处理措施如淬火对迷宫环面向密封缝隙的整个表面进行处理。但是相应地也可以仅将面向密封缝隙的(尤其有接触危险的)特定表面区段相对迷宫环的其余材料淬火或软化(通过相应的表面处理)。因此，例如对于迷宫环之一，表面材料可以选择为比其余环材料更软，因此在迷宫密封装置运行时表面材料比相应迷宫环的其余材料更快地磨损。
[0016]按照本发明的另一方面，提供一种用于运行迷宫密封装置的方法。所述方法包括提供第一迷宫环和第二迷宫环的步骤，因此在迷宫密封装置的装配状态中，具有不同耐磨强度的第一和第二迷宫环的(表)面相互对置。在另一步骤中装配迷宫密封装置，因此在迷宫密封装置的装配状态中，第一迷宫环和第二迷宫环至少部分重叠地相互嵌入并且可以彼此相对转动。
[0017]通过本发明的实施例可以使迷宫密封装置更少受到制造公差的影响或者变得更不敏感，因为两个迷宫环之间的接触不会导致不可逆转的损坏。迷宫密封装置因此可以更少受到运行条件波动如装配错误、温度膨胀、不圆度、由于离心力的变形等造成的影响或者变得更不敏感。通过恢复最佳的密封缝隙(通过更换已磨损的部件)可以保证迷宫密封系统持久的效率。由于接触或腐蚀介质的损耗可以通过更换已磨损的零件而恢复至其原始的未磨损状态。此外通过本发明的实施例可以避免由于两个相对转动的迷宫环的接触/摩擦而形成火花，因此可以附加地保证在危险环境中的防爆炸保护。
[0018]以下参照附图详细阐述本发明的实施例。在附图中:
[0019]图la、b示出按照本发明的具有不同耐磨性能的迷宫环的迷宫密封装置的一个实施例的截面图；并且
[0020]图2a、b示出迷宫环的表面涂层的不同可行的实施形式。
[0021]在以下对本发明的一些仅示范性示出的实施形式的说明中，相同的或相似的部件标以相同的附图标记。
[0022]图1a示出按照本发明的一种实施例的迷宫密封装置10的示意截面图。
[0023]迷宫密封装置10具有第一迷宫环11和第二迷宫环12。在所示实施例中，第二迷宫环12抗扭地设置在轴13上。第二迷宫环12和轴13之间的抗扭连接例如可以借助热压套装或借助固定套筒14实现，所述固定套筒14与轴肩15配合作用地将迷宫环12沿轴向抗扭地固定在轴13上。在此轴向指的是轴13或迷宫密封装置10的旋转轴线16的方向。在图1a中出于直观性的原因仅示出轴旋转轴线16上方的轴13以及迷宫密封装置10。
[0024]图1a示出在装配状态中的迷宫密封装置10，其中第一迷宫环11和第二迷宫环12沿轴向至少部分重叠地相互嵌入并且可以围绕轴旋转轴线16彼此相对转动。在图1a所示的迷宫密封装置10的实施例中涉及的是轴向密封装置，其中第一迷宫环11的环形设置的肋片11-1、11-2和11-3沿轴向与第二迷宫环12的环形设置的肋片12_1和12_2重叠地相互嵌入。在此说明的是，本发明的实施例绝对不是只能用于所示的轴向密封装置，而是对于本领域技术人员来说也可以以显而易见的方式转用到径向迷宫密封装置上，其中两个迷宫环的环形延伸的肋片沿径向重叠地相互嵌入并且彼此可以相对转动。在此，若将图1a所示的装置旋转90°以使轴旋转轴线16垂直地直立，则可以获得示范性的径向迷宫密封装置。同样还可以考虑由轴向和径向迷宫密封装置构成的组合，其可以利用本发明的原理。[0025]通过相互嵌入的迷宫环11和12或其环形环绕的肋片11-1、11_2、11-3和12_1、12-2形成交织的或弯折的缝隙17，其通常称为密封迷宫。图1a示出密封缝隙17处于迷宫密封装置10的静止位置中的情形，也就是说处于第一和/或第二迷宫环11、12上没有作用轴向以及径向力的未负载状态中。
[0026]如图1a通过不同的阴影方向示出的那样，在迷宫密封装置10的装配状态中，第一和第二迷宫环11、12的相互对置的面由(不同的)具有不同耐磨强度的材料制成。在此，第一和第二迷宫环11、12的相互对置的面也可以理解为第一和第二迷宫环11、12的限定密封缝隙17的面。按照本发明的实施例，这些限定密封缝隙17的面的至少局部区域具有不同的耐磨强度。
[0027]按照图1a所示的实施例，第一迷宫环11甚至完全由第一材料制成。第二迷宫环12同样完全由具有比第一材料更小的耐磨强度的第二材料制成。第一材料例如可以是(淬火的)钢，而第二迷宫环12的第二材料例如可以是更软的材料，例如有色金属或塑料。图1a和图1b示出一种可行的实施例，其中，外部的迷宫环11由钢构成，以及内部的迷宫环12由选自有色金属和/或塑料的组中的相应耐磨材料制成。
[0028]两个迷宫环11、12、以及第一和第二迷宫环11、12的相互对置的面可以具有不同的材料硬度。如果例如在图1a所描绘的实施例中那样，其中第一迷宫环11的材料具有比第二迷宫环12的材料更大的材料硬度，则在迷宫密封装置10的运行中、亦即在两个迷宫环
11、12彼此连续旋转时，第二迷宫环12的材料在两个迷宫环11、12接触时或相遇时比第一迷宫环的材料磨损得更快。由此迷宫密封装置10相对传统的迷宫密封装置更不易受到两个迷宫环11、12的制造公差的影响，因为两个迷宫密封部件11、12的造成磨损的接触不会导致不可逆转的损坏。也就是在两个迷宫环11、12之间出现不期望的接触时，可以实现有针对性的且非致命的材料削减。
[0029]为此，图1b示出负载状态中的迷宫密封装置10，其中作用在外部迷宫环11上的径向力18引起密封缝隙17的缝隙大小改变。当迷宫环的轴向缝隙的一半的缝隙大小由于负载明显减小时(参见附图标记19)，轴向延伸的缝隙的另一半的缝隙大小由于径向负载相应地增大(参见附图标记20)。尤其在减小的轴向缝隙19处，迷宫密封装置10的制造公差、也就是装配误差、温度膨胀、不圆度、变形等等起到不利的作用，因为它们能够导致在第一迷宫环11和第二迷宫环12之间出现不期望的接触。由于第一和第二迷宫环11、12的相互对置的面的至少局部区域具有不同的耐磨强度，所以在这种不期望的接触时迷宫环的耐磨强度较小的材料会被磨掉，而不会损坏具有更耐磨材料的迷宫环(在此是外部环11)。
[0030]耐磨强度较弱的元件、也就是迷宫环的表面部段或整个迷宫环按照本发明的若干实施例这样连接到迷宫密封装置10中，使得其在达到预定的磨损度之后可以被更换或替换。磨损度例如可以根据泄漏质量流的可容忍量确定，也就是例如从密封缝隙17流出的润滑剂的量。在图1a和图1b所示的实施例中，耐磨强度较弱的第二迷宫环12例如设计为可更换的(例如通过套筒14的拆卸)。这就是说，按照一些实施形式，在达到预定的磨损度之后可以更换具有较弱耐磨强度的整个迷宫环并且更换为新的迷宫环。由此通过恢复密封缝隙17的最佳缝隙大小可以实现密封系统10持久的效率。由于密封缝隙17内的接触或腐蚀介质的损耗可以通过材料更换回复至原始状态或返回至原始状态。为了简化第二迷宫环12的更换，按照一些实施例这样设计两个迷宫环11、12的沿装配方向(在此为轴向)相互嵌入的肋片11-1、11-2、11-3、12-1、12-2，使得它们在迷宫密封装置10的已装配状态中没有沿径向或切向(相对轴旋转轴线)嵌合。也就是说，为了更简单地装配或拆卸，肋片没有径向或切向的凸起，这些凸起会使得两个迷宫环11、12沿轴向的相互插入或相互拉出更困难。这当然能以相似的方式适用于径向密封装置，其中环形肋片分别沿径向延伸并且不具有用于相互嵌合的明显轴向凸起。
[0031]图2a示意示出实施例的放大视图，其中，两个迷宫环11、12中的至少一个由表面材料21和具有不同耐磨强度的另一材料22制成。在此，肋片11-1、11-2、11-3或12-1、12-2的分别面对另一个迷宫环的表面区域由表面材料21制成。在按照图1的装置中，例如内部迷宫环12在其限定密封缝隙17的面上具有表面材料21。根据需要表面材料21可以比另一材料22更软或更硬。对于更软的表面材料21，其在迷宫密封装置10运行时比另一材料22磨损更快，在一些实施例中对置的迷宫环也可以由所述另一材料制成。在按照图1的装置中，例如外部环11可完全由所述另一材料(例如钢)构成。
[0032]表面材料21可以是相对另外的或其余的材料22更软的(必要时也可以是更硬的)涂层。但是较小的(必要时较大的)耐磨强度也可以相应通过其它导致表面材料21软化(必要时也可以淬火)的表面处理实现。因此表面材料21例如也可以通过其它材料成分的轰击或添加合金来软化或淬火。总体上在本发明的范围中，不同的材料也可以理解为经过不同处理的材料(例如淬火的钢相对未淬火的钢)和/或不同的材料合金。
[0033]如图2b所示，表面材料21不是必须连续地设置在面对另外的迷宫环或限定密封缝隙17的表面区域上。也可以考虑这样的实施例，其中仅区段性地在迷宫环11或12的限定密封缝隙17的表面上设置耐磨强度较弱地或更软的表面材料21。也就是说具有表面材料21的表面区域是相互间隔的(参照附图标记23)。这例如在以下情况是有利的，即仅能在这些特殊的较少的(涂层的或处理的)表面区域中出现两个迷宫环11、12之间不期望的接触。通过仅部分地涂覆表面材料21还可以节省用于可能较贵的表面材料和/或表面处理的材料成本。
[0034]因此还可以考虑这样的实施形式，其中在耐磨强度较弱的材料磨损之后不必更换整个迷宫环11或者12，而是仅更换相关区域21自身。为此，例如可以更换设置在迷宫环上的塑料层并且替换成未磨损的新塑料层。
[0035]虽然许多方面结合装置来描述，但是应该理解的是，这些方面也可以表示对相应的方法的描述，因此装置的部分或构件也可以理解为相应的方法步骤或方法步骤的特征。与此类似地，结合或作为方法步骤描述的方面也可以表示对相应装置的相应部分或细节或特征的说明。
[0036]上述实施例仅为对本发明的原理的阐述。应该理解的是，本领域技术人员可以对在此描述的布置和细节进行修改和变型。所以本发明仅通过权利要求书的保护范围限定，而不通过参照实施例的说明和解释所表现出的特殊细节限定。
[0037]附图标记清单
[0038]10按照本发明的实施例的迷宫密封装置
[0039]11第一迷宫环
[0040]12第二迷宫环
[0041]13 轴[0042]14固定套筒
[0043]15轴肩
[0044]16密封装置和轴旋转轴线
[0045]17弯折的密封缝隙
[0046]18径向力
[0047]19狭窄的缝隙
[0048]20宽阔的缝隙
[0049]21迷宫环的表面材料 [0050]22迷宫环的其它/剩余材料
[0051]23区段式涂覆的表面材料之间的间距
【权利要求】
1.一种具有第一迷宫环(11)和第二迷宫环(12)的迷宫密封装置(10)，其中，在迷宫密封装置(10)的已装配状态中，第一和第二迷宫环(11 ；12)至少部分重叠地相互嵌入并且能够彼此相对转动，并且其中，在已装配状态中第一和第二迷宫环(11;12)的相互对置的面具有不同的耐磨强度。
2.按照权利要求1所述的迷宫密封装置(10)，其中，第一和第二迷宫环的相互对置的面具有不同的材料硬度。
3.按照权利要求1或2所述的迷宫密封装置(10)，其中，第一迷宫环(11)的材料比第二迷宫环(12)的材料具有更大的材料硬度，因此在迷宫密封装置(10)运行时，第二迷宫环(12)的材料在两个迷宫环(11 ；12)相遇时比第一迷宫环(11)的材料更快地磨损。
4.按照前述权利要求之一所述的迷宫密封装置(10)，其中，第一迷宫环(11)的材料是钢，并且其中，第二迷宫环(12)的材料选自有色金属或塑料的组。
5.按照前述权利要求之一所述的迷宫密封装置(10)，其中，第二迷宫环(12)设计为，使得第二迷宫环(12)的至少一个在迷宫密封装置(10)运行后磨损的区域是可更换的。
6.按照权利要求5所述的迷宫密封装置(10)，其中，两个迷宫环(11；12)的沿装配方向相互嵌入的肋片(11-1 ；11-2 ；11-3 ；12-1 ；12~2)设计为，使得它们在迷宫密封装置(10)的已装配状态中不会咬合。
7.按照前述权利要求之一所述的迷宫密封装置(10)，其中，第一迷宫环(11)完全由第一材料制成和/或第二迷宫环(12)完全由具有比第一材料更小的耐磨强度的第二材料制成。
8.按照权利要求1至6之一所述的迷宫密封装置(10)，其中，两个迷宫环(11;12)的至少一个由表面材料(21)和具有不同的耐磨强度的另一材料(22)制成，其中，分别朝向另一迷宫环(12 ；11)的表面区域由所述表面材料(21)制成。
9.按照权利要求7所述的迷宫密封装置(10)，其中，所述表面材料(21)比所述另一材料(22)更软，因此在迷宫密封装置(10)运行时，所述表面材料(21)比迷宫环的另一材料(22)更快地磨损。
10.一种用于运行迷宫密封装置(10)的方法，具有以下步骤: 提供第一迷宫环(11)和第二迷宫环(12)，使得在迷宫密封装置(10)的已装配状态中，第一和第二迷宫环(11 ;12)的具有不同耐磨强度的面相互对置；并且 装配迷宫密封装置(10)，使得在迷宫密封装置的已装配状态中，第一和第二迷宫环(11 ；12)至少部分重叠地相互嵌入并且能够彼此相对转动。
【文档编号】F16J15/453GK103958948SQ201280057702
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年11月28日 优先权日:2011年11月28日
【发明者】A.科恩-特劳特曼, M.索柏林 申请人:Skf公司