具有内部面密封表面的旋转卡盘密封件的制作方法
【专利摘要】一种用于密封壳体与旋转轴之间的空间的卡盘密封件包括旋转密封构件，其具有限定用于接收所述轴的孔的内表面和圆形的外凸缘，所述外凸缘从所述中轴线并且圆周地围绕所述中轴线径向向外地延伸，所述外凸缘具有径向的密封表面。静止密封组件围绕所述旋转密封构件设置并且包括与所述壳体可耦连的环形的外壳以及基本上环形的静止密封构件，该静止密封构件设置在所述外壳内并且具有与所述旋转构件密封表面可密封接合从而形成初级密封界面的基本上径向的密封表面。偏斜构件使所述静止密封构件的至少一部分向所述旋转构件凸缘轴向地偏斜。环形轴环设置在所述外壳内并且配置成使所述旋转构件轴向地保持在所述外壳内从而使所述密封组件作为单个单元可安装在轴上。
【专利说明】具有内部面密封表面的旋转卡盘密封件
【技术领域】
[0001]本发明涉及密封件，更具体地，涉及用于高压和高旋转速度应用的密封件。
【背景技术】
[0002]用于高压密封应用的例如用在钻油轴上的密封件，典型地由具有内圆周表面的聚合密封元件(例如，PTFE)形成，所述内圆周表面抵靠在轴的外圆周表面上密封。由于必须密封的高压力，PTFE密封元件通常被填充以便增加耐磨性，典型地导致材料更大的磨损。这样，密封元件倾向于在轴上产生实质磨损，从而需要轴的再加工(例如，电镀和研磨)或更换。
【发明内容】
[0003]一方面，本发明是一种用于密封具有孔的壳体与至少部分设置在所述壳体孔内并且围绕中轴线可旋转的轴之间的空间的卡盘密封件(cartridge seal)。所述卡盘密封件包括旋转密封构件，其具有内圆周表面和基本上圆形的外凸缘，所述内轴向表面限定用于接收所述轴的一部分的孔，所述外凸缘从所述中轴线并且圆周地围绕所述中轴线径向向外地延伸，所述外凸缘具有基本上径向的密封表面。静止密封组件设置成围绕所述旋转密封构件并且包括与所述壳体可耦连的基本上环形的外壳以及基本上环形的静止密封构件，该静止密封构件设置在所述外壳内并且具有与所述旋转构件密封表面可密封接合从而形成初级密封界面的基本上径向的密封表面。偏斜构件配置成使所述静止密封构件的至少一部分大致向所述旋转构件凸缘轴向地偏斜。此外，基本上环形的轴环至少部分地设置在所述外壳内并且配置成使所述旋转构件轴向地保持在所述外壳内从而使所述密封组件作为单一组合体可安装在轴上。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]前述的总结，以及本发明的优选实施例的详细描述，在与附图结合阅读时将会被更好地理解。为了示出本发明的目的，在示意性的附图中示出优选提供的实施例。但是，应当理解的是，本发明并不限于所示的准确的布置和结构。在附图中:
[0005]图1是本发明的卡盘密封件的轴向横截面视图，示出安装在轴上并且与壳体耦连；
[0006]图2是卡盘密封件的透视图；
[0007]图3是卡盘密封件的另一个轴向横截面视图，示出与轴和壳体分离；
[0008]图4是图3的卡盘密封件的分解视图；以及
[0009]图5是在图3中所示的密封件的上部的放大、剖开的视图。
【具体实施方式】
[0010]在下文说明中使用的某些术语仅处于方便起见并且是非限制性的。词语“内部”、“向内”以及“外部”、“向外”指的是分别朝向和远离指定的中心线或所述元件的几何中心，特定的含义从说明书上下文可容易地看出。此外，在此所用的词语“连接”和“耦连”每一个意在包括两个构件之间没有任何其它构件插入在其中的直接连接、以及在构件之间有一个或更多个其它构件插入其中的间接连接。术语包括以上特别提到的词语、它们的衍生词、以及类似意思的词语。
[0011]现具体参考附图，其中，整个说明书中相似的附图标记用来指示相似的元件，图1至5a中示出了用于密封空间S的卡盘密封件10，所述空间S在具有孔Ia的壳体I与至少部分设置在壳体孔Ia中并且围绕中轴线2a(见图1)可旋转的轴2之间。卡盘密封件10具有中轴线11并且基本上包括可安装在轴2上的旋转密封构件12以及围绕旋转构件12设置且与壳体I可耦连的静止密封组件12。旋转密封构件12具有内圆周表面12a和基本上圆形的外凸缘16，所述内圆周表面12a限定用于接收轴2的一部分的孔13。凸缘16从中轴线11且圆周地围绕中轴线11径向向外地延伸，并且凸缘16具有基本上径向的密封表面
18。静止密封组件14包括可与壳体I耦连的基本上环形的外壳20、设置在外壳20中的基本上环形的静止密封构件22、配置成使静止密封构件22偏斜的偏斜构件24、以及基本上环形的轴圈26。
[0012]更特别地，静止密封构件22具有基本上径向的静止密封表面28，其与旋转密封表面18可密封接合从而形成初级密封界面SIP。偏斜构件24配置成使得静止密封构件22的至少一部分基本上朝向旋转构件凸缘16轴向地偏斜，从而维持表面18、28之间的密封接触。此外，轴环26至少部分设置在外壳20中并且配置成将旋转构件12轴向地保持在外壳20中，从而使得卡盘密封件10作为单个单元可安装在轴2上。因此，仅通过将轴2插进穿过旋转密封构件12并且将外壳20与壳体孔Ia接合，卡盘密封件10被安装，如下文详细描述的。
[0013]优选地，旋转构件凸缘16、以及最优选的是整个密封构件12，由一金属材料形成，该金属材料具有如以洛氏C标尺测量的至少四十五(45)的硬度(即，45HRC)，更优选的是在大约45HRC和50HRC范围内。凸缘径向密封表面18优选地形成为具有大约4微英寸(4Ra)的平均粗糙度到8微英寸(8Ra)的平均粗糙度的范围内的粗糙度。此外，静止密封构件22的至少提供密封表面27的那部分由耐磨聚合物形成，最优选地由碳石墨填充的聚四氟乙烯(PTFE)形成。通过这样的材料和表面加工，卡盘密封件10能够在高压和旋转速度工作环境中，例如在石油钻探应用中产生的环境中，在初级密封界面SIp内维持密封。但是，旋转密封构件12和/或静止密封构件22可由任何其它合适的材料形成。
[0014]参考图1和3-5，旋转密封构件12优选地包括提供内圆周表面12a和相反的外圆周表面12b的基本上圆柱形的部分30,凸缘16从圆柱形部分外表面12b径向向外延伸。凸缘16实质上是圆形的并且具有第一和第二相反的轴向端部16a、16b，第一端部16a提供径向密封表面18而第二端部16b提供基本上与密封表面18背离的径向接触表面19，如以下更详细论述的。旋转密封构件12优选地与轴2可摩擦地接合，从而将旋转构件12保持在轴轴线2a上大概期望的轴向位置pA，如在图1中由密封件10的中点所示的。同样地，旋转密封构件12可安装在轴2上的任何期望的位置并且不需要任何套筒、保持环、键槽、螺栓孔等来将密封构件12固定在轴2上。
[0015]最优选地，卡盘密封件10还包括至少一个并且优选地两个弹性体环32 (例如，O形环)，所述弹性体环可设置在旋转密封构件12的孔13内。环32每一个都设置在两个轴向隔开的环形槽34的单独的一个中，所述环形槽34从旋转构件内表面12a径向向外延伸。此外，每个环32配置成与轴2的外表面2b摩擦接合从而轴向地保持旋转密封构件12，如上所述。通过这样的安装方法，旋转密封构件12以及由此整个卡盘密封件10可安装在具有不同外直径的各种轴上。
[0016]再参考图1至5，外壳20优选地包括相对薄壁的环形体40，该环形体具有L形轴向横截面并且包括具有相对轴向端部42a、42b的轴向部分42和从轴向部分42的一个端部42a径向向内延伸的径向部分44。外壳轴向部分42具有相反的内外轴向表面43A、43B,内表面43A限定用于容纳密封件10的各种部件的孔45。外壳外表面43B与壳体孔Ia可摩擦地接合从而使卡盘密封件10与壳体2耦连，由此消除了对提供保持环、螺栓孔或其它手区段以耦连卡盘密封件10与壳体I的必要性或者至少将静止密封组件14保持在轴线2a上的特定位置的必要性。
[0017]此外，外壳径向部分44具有径向保持表面46，静止密封构件22通过轴环26被保持抵靠在所述径向保持表面46上，如下所述。优选地，外壳20还包括至少一个保持器48，其从轴向部分42的第二端部42b径向向内延伸并且与轴环26可接合从而将轴环26轴向地保持在外壳孔45内，如下面进一步论述的。优选地，在两个密封构件12和22、偏斜构件24和轴环26被装配到外壳20中以后，保持器48由形成在外壳轴向部分42的端部42处的轧制边提供。
[0018]现参考图1和3-5，静止密封构件22包括分别带有内外圆周表面51A、51B的基本上环形的主体50、从内表面51A径向向外延伸的环形槽52、以及从外表面51B径向向外延伸的凸缘54。环形槽52限定一对轴向间隔分开的径向壁区段56A、56B, —个壁区段56A提供密封壁区段，其可设置成抵靠旋转构件凸缘16，以及由此静止密封构件22的密封表面28的一部分。优选地，静止密封构件22具有多个环形突起59，其从密封表面28基本上轴向地延伸并且与旋转密封表面18可接合，从而进一步加强初级密封界面SIP内的密封。
[0019]通过静止密封构件22的以上结构，偏斜构件24设置在槽52中并且配置成使密封壁区段42A朝向旋转构件凸缘16偏斜。优选地，偏斜构件24包括基本上环形的V形弹簧60,其具有中央部分62和从中央部分62径向向内延伸的两个臂64A、64B。每个径向臂64A、64B分别在两个密封构件径向壁区段56A、56B的单独的、邻近的一个上施力，从而在密封壁区段56A和旋转构件凸缘16之间产生接触压力P。，如图5所示的。但是，偏斜构件24可由任何其它合适类型的弹簧提供并且/或者可以任何其它合适的方式位于卡盘密封件10内，只要特定的偏斜构件24维持静止和旋转密封构件22、12之间的接合。
[0020]参考图1至5，轴环26优选地形成为环形体70，其带有L形轴向横截面并且包括轴向部分72和径向部分74，该轴向部分72具有相反的轴向端部72a、72b，该径向部分74从轴向部分72的第二端部72b径向向内延伸并且具有径向表面75。轴环轴向部分72优选地具有外圆周表面73，其与外壳20的内圆周表面43A可摩擦地接合，从而使轴环26与外壳20耦连。然而，可替代地，轴环26的尺寸可被形成为以便带有空隙地安装在外壳20中并且仅通过外壳保持器部分48被保持在外壳孔45内，所述外壳保持器部分48抵靠在轴环轴向部分第二端部72b上。
[0021]此外，轴环径向部分74基本上可设置成抵靠旋转密封构件凸缘16以便将旋转构件12轴向地保持在外壳20内，如上所述的。更特别地，当轴环26与外壳20耦连时，轴环径向部分74与外壳径向部分44轴向地隔开并且基本上可设置成抵靠旋转构件凸缘16的第二端部16b。这样，旋转密封构件12基本上轴向地保持在外壳径向部分44和轴环径向部分74之间，并且优选地是夹在静止密封构件22和轴环径向部分74之间。
[0022]优选地，轴环部分径向表面75与凸缘径向接触表面19可密封接合从而形成次级密封界面SIs。这样，在初级密封表面18、28轴向分开的情况下，次级密封表面19、75起到防止流过卡盘密封件10、以及壳体I和轴2之间的功能。由于这种期望的功能，轴环26优选地由具有基本上小于旋转密封构件12的硬度的硬度的金属材料形成，更优选地是由铝青铜形成，并且径向表面75被形成(即，精机加工)为具有大约32微英寸(32Ra)的平均粗糙度到64微英寸(64Ra)的平均粗糙度的范围内的粗糙度。
[0023]此外，轴环26优选地还配置成将静止密封构件22轴向地保持在外壳20内。特别地，轴环轴向部分第一端部72a具有径向端部表面71，其可设置成抵靠静止密封构件22的径向凸缘54上，从而当轴环26与外壳20耦连时凸缘54被夹在轴环26和外壳径向部分44之间。
[0024]比起从前的用于高压和高旋转速度应用的密封设计、例如油行业的密封设计，卡盘密封件10具有许多优势。是完全独立的(self-contained)，密封件10可安装在轴2上的任意点从而在轴2和相关壳体I之间密封并且不需要在轴2或壳体I的任一个之上或之中提供任何额外的安装部件/硬件或结构特征(例如，轴肩、螺栓孔、键槽等)。此外，通过提供容纳在外壳20内的所有密封表面，完全避免了对轴承2的磨损，消除了与再加工(例如，重新电镀和研磨)或替换轴2相关的可观的成本。此外，在旋转构件密封表面18、19和轴环密封表面75上的所需表面加工在平坦的径向表面上比在圆柱形/圆周表面上更易机加工。此外，面形式的(face-type)径向密封表面对18/28和19/75比圆柱形密封表面能够更好地容忍孔/轴未对准和动态跳动。
[0025]本领域技术人员将领会到，上述实施方式可以进行改变而不脱离本发明的宽的发明构思。因此，可以理解的是，本发明并不限于所公开的特定实施方式，而是意在包含如基本上在这里和所附权利要求中所限定的本发明的实质和范围内的修改。
【权利要求】
1.一种用于密封具有孔的壳体与一轴之间的空间的卡盘密封件，所述轴至少部分设置在所述壳体的孔内并且围绕中轴线可旋转，所述卡盘密封件包括: 旋转密封构件，该旋转密封构件具有内圆周表面和大致圆形的外凸缘，所述内圆周表面限定用于接收所述轴的一部分的孔，所述外凸缘从所述中轴线并且圆周地围绕所述中轴线径向向外地延伸，所述外凸缘具有大致径向的密封表面；以及 静止密封组件，该静止密封组件设置成围绕所述旋转密封构件并且包括与所述壳体可耦连的大致环形的外壳；大致环形的静止密封构件，该大致环形的静止密封构件设置在所述外壳内并且具有与所述旋转构件密封表面可密封接合以便形成初级密封界面的大致径向的密封表面；配置成使所述静止密封构件的至少一部分大致朝向所述旋转构件凸缘轴向地偏斜的偏斜构件；以及大致环形的轴环，该大致环形的轴环至少部分地设置在所述外壳内并且配置成使所述旋转构件轴向地保持在所述外壳内从而使所述密封组件作为单个单元可安装在轴上。
2.如权利要求1所述的卡盘密封件，其中所述旋转构件凸缘由金属材料形成，所述旋转构件密封表面具有如以洛氏C标尺测量的至少45的硬度(45HRC)，以及提供所述密封表面的所述密封构件的至少一部分由碳加强聚合物形成。
3.如权利要求2所述的卡盘密封件，其中所述旋转构件由具有在大约45HRC到大约50HRC的范围内的硬度的不锈钢形成，以及所述密封构件由耐磨聚合物形成。
4.如权利要求1所述的卡盘密封件，其中所述旋转密封构件与所述轴可摩擦地接合以便使所述旋转构件保持在所述中轴线上的大约期望的轴向位置。
5.如权利要求4所述的卡盘密封件，还包括至少一个弹性体环，该至少一个弹性体环能够设置在所述旋转构件的孔内并且配置成与所述轴的外表面可摩擦接合以便轴向地保持所述旋转构件。
6.如权利要求1所述的卡盘密封件，其中所述静止密封构件具有内圆周表面以及环形槽，该环形槽从所述内表面径向向外地延伸以便限定一对轴向间隔开的径向壁区段，两个径向壁区段之一是能够设置成抵靠所述旋转构件凸缘并提供所述静止密封构件径向密封表面的至少一部分的密封壁区段，所述偏斜构件设置在所述槽内并且配置成使所述密封壁区段朝向所述旋转构件凸缘偏斜。
7.如权利要求6所述的卡盘密封件，其中所述静止密封构件具有多个环形突起，该突起从所述密封表面大致轴向地延伸并且与所述旋转构件密封表面能够接合。
8.如权利要求6所述的卡盘密封件，其中所述偏斜构件包括大致环形的V形弹簧，该弹簧具有中央部分和从该中央部分径向向内延伸的两个臂，每个径向臂在所述两个密封构件径向壁区段的单独的一个上施加力以便在所述密封壁区段和所述旋转构件凸缘之间产生接触压力。
9.如权利要求1所述的卡盘密封件，其中: 所述旋转构件凸缘具有相反的第一和第二轴向端部，所述第一端部提供所述径向密封表面，并且所述第二端部提供与所述密封表面大致背对的径向接触表面；以及 所述轴环具有轴向部分和从该轴向部分径向向内延伸的径向部分，所述轴环径向部分能够设置成大致抵靠所述旋转构件凸缘以便形成第二密封界面。
10.如权利要求9所述的卡盘密封件，其中所述旋转密封构件由具有第一硬度的金属材料形成并且所述轴环由具有第二硬度的金属材料形成，所述第二硬度基本上小于所述第一硬度。
11.如权利要求1所述的卡盘密封件，其中所述轴环配置成将所述静止密封构件轴向地保持在所述外壳内。
12.如权利要求11所述的卡盘密封件，其中所述外壳包括径向向内延伸的区段，所述静止密封构件具有径向向外延伸的凸缘，以及所述轴环具有径向端部表面，该径向端部表面能够设置成抵靠所述密封构件径向凸缘以便在所述轴环与所述外壳耦连时使得所述密封构件凸缘被夹在所述轴环和所述外壳径向区段之间。
13.如权利要求12所述的卡盘密封件，其中所述外壳具有带内圆周表面的轴向部分，所述径向部分从所述轴向部分向内延伸，以及所述轴环具有外圆周表面，该外圆周表面与所述外壳内圆周表面可摩擦地接合以便使所述轴环与所述外壳耦连。
14.如权利要求1所述的卡盘密封件,其中: 所述旋转构件具有相反的第一和第二轴向端部，所述第一端部提供所述径向密封表面并且所述第二端部提供与所述密封表面大致背对的大致径向的接触表面； 所述外壳具有轴向部分，该轴向部分带有限定孔的内圆周表面和从所述轴向部分径向向内延伸的径向部分；以及 所述轴环具有带外圆周表面的轴向部分和从该轴向部分径向向内延伸的径向部分，所述轴环轴向部分能够设置在所述外壳的孔内以便使得所述保持器外圆周表面与所述外壳内圆周表面可摩擦地接合以便使所述轴环与所述外壳耦连，以及所述轴环径向部分与所述外壳轴向部分轴向地隔开且大致能够设置成抵靠所述旋转构件凸缘部分以使得所述旋转构件轴向地大致保持在所述外壳径向部分和所述轴环径向部分之间。
15.如权利要求14所述的卡盘密封件，其中所述外壳轴向部分具有相反的第一和第二轴向端部，所述径向部分从所述轴向部分第一端部向内延伸，并且所述外壳还包括保持器，该保持器从所述外壳轴向部分的第二端部径向向内地延伸并且与所述轴环能够接合以便使所述轴环轴向地保持在所述外壳的孔内。
16.如权利要求14所述的卡盘密封件，其中所述旋转构件由具有第一硬度的金属材料形成并且所述轴环由具有第二硬度的金属材料形成，所述第二硬度基本上小于所述第一硬度。
17.如权利要求1所述的卡盘密封件，其中所述外壳具有外圆周表面，该外圆周表面与所述壳体可摩擦地接合以便耦连所述卡盘密封件与所述壳体。
【文档编号】F16C33/78GK104220769SQ201380020089
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年3月15日 优先权日:2012年3月15日
【发明者】T.J.赖瑟, R.L.查普林三世 申请人:Skf公司