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CN105003652B - 机械密封装置 - Google Patents

机械密封装置 Download PDF

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CN105003652B CN201510164101.7A CN201510164101A CN105003652B CN 105003652 B CN105003652 B CN 105003652B CN 201510164101 A CN201510164101 A CN 201510164101A CN 105003652 B CN105003652 B CN 105003652B
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Abstract

本发明涉及一种机械密封装置，所述机械密封装置包括：旋转密封环(11)和固定密封环(12)，所述旋转密封环(11)和所述固定密封环(12)在二者之间限定密封间隙(13)；以及波纹管单元(2)，其具有波纹管件(3)和垫片(4)，其中所述波纹管件(3)具有第一连接区域(31)、第二连接区域(32)以及波纹管中间区域(33)，其中波纹管件(3)由弹性体材料制造并且提供旋转密封环(11)与旋转构件(10)之间的连接，其中垫片(4)设置在波纹管件(3)与旋转密封环(11)之间，并且垫片(4)的内圆周区域(40)设置用于支撑在旋转构件(10)上。

Description

机械密封装置
技术领域
本发明涉及一种具有波纹管件的机械密封装置，该机械密封装置在运行中具有改善的轴向跟随性能。
背景技术
具有波纹管件的机械密封装置由现有技术在不同设计方案中是已知的。波纹管件原则上可以是弹性体波纹管或金属波纹管，所述波纹管件特别是实现了例如在轴偏移时机械密封的轴向跟随。在此确定：特别是在使用弹性体波纹管的情况下可以产生机械密封装置的变差的跟随性能。为此的原因一方面在于，波纹管件的支撑肩部基于弹性体材料的柔性可以附着在轴表面或类似物上，并因此不可以足够快地遵循轴向跟随。如果例如污物存在于轴表面上，那么上述问题更多地出现，所述污物可能在运行中通过在轴上的沉积而引起。这可以在机械密封装置的较长时间运行之后导致直至波纹管件的轴向可动性的完全阻塞。此外确定，结合在运行中出现的振动，弹性体波纹管的支撑肩部也可以在没有由于在弹性体材料与轴之间提高的摩擦产生的污物的情况下妨碍跟随性能。这些前述问题在此可以在运行中导致密封间隙上提高的泄漏，直至导致机械密封装置失灵。
发明内容
因此本发明的任务在于，提供一种具有弹性体波纹管件的机械密封装置，该机械密封装置在简单结构和简单的成本有利的可制造性的同时在整个寿命期间具有改善的跟随性能和自清洁功能，以便特别是避免在跟随过程期间波纹管件粘住或卷边的危险。
该任务通过具有技术方案1的特征的机械密封装置解决。从属技术方案示出了本发明的优选改进方案。
根据本发明的技术方案1提供了一种机械密封装置，其包括：
-旋转密封环和固定密封环，所述旋转密封环和所述固定密封环在二者之间限定密封间隙；以及
-波纹管单元，其具有波纹管件和垫片，
-其中所述波纹管件具有第一连接区域、第二连接区域以及波纹管中间区域，
-其中所述波纹管件由弹性体材料制造并且提供所述旋转密封环与旋转构件之间的连接，
-其中垫片设置在所述波纹管件与所述旋转密封环之间，并且
-所述垫片的内圆周区域设置成支撑在所述旋转构件上。
根据本发明的具有技术方案1的特征的机械密封装置具有的优点在于，显著改善旋转的弹性体波纹管件的轴向可动性。由此可以实现机械密封装置的显著改善的轴向跟随性能，这在运行中特别是在机械密封装置的开动过程中导致显著降低的泄漏率。这一点根据本发明通过如下方式实现，即，机械密封装置具有波纹管单元，该波纹管单元包括波纹管件和分离的环形的垫片。波纹管件包括：第一连接区域，以用于与旋转构件、例如旋转的轴相连接；第二连接区域，以用于与旋转密封环的连接；以及柔性的波纹管中间区域，该波纹管中间区域设置在第一连接区域与第二连接区域之间。在此，波纹管件完全由弹性体材料制造。垫片由比弹性体材料硬的材料、特别是由塑料制造。在此，环形垫片如此设置在波纹管件上，使得垫片的第一侧贴靠在旋转密封环上、特别是在旋转密封环的后侧上，而垫片的第二侧贴靠在波纹管件上、特别是波纹管件在第二连接区域上的凸肩上。垫片的内圆周区域在此靠置在旋转构件上以用于支撑并且如此对于波纹管单元的必需的跟随性能实现了改善的低摩擦的轴向运动。
特别优选地，垫片在内圆周上具有多个凹槽。由此获得了具有带轮廓(德文：profiliert)的内圆周的垫片，由此减小了垫片在旋转构件上的靠置面。由此可以进一步降低垫片在旋转构件上的摩擦并且实现更好的跟随性能。凹槽在此优选地规则地设定在垫片的内圆周上。此外凹槽优选具有弧形几何形状或者基本上矩形几何形状。垫片的宽度优选是恒定的。备选地，垫片在内圆周区域上的宽度不同于在外圆周区域上的宽度。特别优选地，在内圆周区域上的宽度大于在外圆周区域上的宽度，由此实现垫片在旋转构件上特别稳定的支撑。
根据本发明的另一优选设计方案，波纹管单元还包括第一Z形侧面角(德文：Z-Profilwinkel)和第二Z形侧面角。第一Z形侧面角在此设置在第一连接区域的外侧上，而第二Z形侧面角设置在第二连接区域的外侧上。所述两个Z形侧面角在此环形地构成并且具有Z形横截面，所述Z形横截面包括径向指向外的区域、轴向区域和径向指向内的区域。Z形侧面角优选由金属材料制造并且附加地加固弹性体波纹管件的第一和第二连接区域。
特别优选地，设置在第二连接区域上的第二Z形侧面角如此设置，使得沿机械密封装置的轴向方向第二Z形侧面角与第二连接区域在相同的位置上齐平。由此实现了第二连接区域的完全加固，从而特别是可以减小波纹管单元的第二连接区域夹紧旋转密封环的夹紧长度。这导致波纹管单元轴向长度的减小并继而导致机械密封装置的整个轴向长度期望的减小。
根据本发明的另一优选设计方案，波纹管单元还包括弹簧件，该弹簧件沿轴向方向预紧波纹管件。该弹性件优选是桶形弹簧。特别优选地，该弹性件在此以第一端部区域支撑在第一Z形侧面角上，且以第二端部区域支撑在第二Z形侧面角上。
为了将垫片可靠地固定在波纹管件上，该波纹管件优选具有槽，垫片设置在所述槽中。由此实现了垫片在波纹管件上的简单装配和可靠固定。
根据本发明的另一优选设计方案，垫片具有至少一个由垫片向外突出的区域用于扭转止动。该突出的区域优选沿轴向方向由垫片两侧突出。用于扭转止动的该突出的区域此外实现了旋转密封环的径向按压的减小，因为通过突出的区域已经能够使得旋转密封环在波纹管单元上通过垫片来一定地止动。
优选地，仅仅通过波纹管单元实现了旋转构件的扭矩引入到旋转密封环上。由此可以提供特别紧凑的实施方案。
更优选地，第一Z形侧面角的径向指向内的壁区域搭接第一连接区域的指向波纹管中间区域的端部。优选地，第二Z形侧面角的径向指向内的壁区域搭接第二连接区域的指向波纹管中间区域的端部。由此可以实现弹性体波纹管件并特别是其两个连接区域改善的固定性。
优选地，波纹管件具有防粘附涂层。
附图说明
以下参照附图详细描述本发明的优选实施例。相同或功能相同的构件在此以相同的附图标记表示。其中：
图1示出了根据本发明的第一实施例的机械密封装置的示意剖视图；
图2示出了图1的放大的细节视图；
图3示出了图1的机械密封装置的示意横剖视图；
图4示出了根据本发明的第二实施例的机械密封装置的示意横剖视图；
图5示出了图4的垫片的示意侧视图；
图6和7示出了垫片的第二实施例的示意视图；
图8和9示出了根据第三实施例的机械密封装置的示意视图；
图10示出了根据第四实施例的机械密封装置的示意视图。
附图标记说明
1、机械密封装置；2、波纹管单元；3、波纹管件；4、垫片；5、第一Z形侧面角；6、第二Z形侧面角；7、预紧件；8、第一空间；9、第二空间；10、旋转构件/轴；11、旋转密封环；12、固定密封环；13、密封间隙；14、壳体；15、辅助密封件/O形环；31、第一连接区域；32、第二连接区域；33、波纹管中间区域；34、槽；35、凸肩；40、内圆周区域；41、凹槽；42、突出的区域；43、第一侧；44、第二侧；45、凸肩；46、外圆周区域；47、支撑区域；51、第一径向指向外的区域；52、第一径向指向内的区域；53、第一轴向区域；61、第二径向指向外的区域；62、第二径向指向内的区域；63、第二轴向区域；L、轴向夹紧长度；X-X、轴向方向。
具体实施方式
以下参照图1至3详细描述了根据本发明的第一实施例的机械密封装置1。
如图1清楚的是，机械密封装置1包括旋转密封环11和固定密封环12，它们以已知的方式在二者之间限定密封间隙13。机械密封装置1用于第一空间8与第二空间9的密封。
旋转密封环11与旋转构件10连接并且与之共同旋转，该旋转构件10在该实施例中是轴。固定密封环12与位置固定的壳体14连接。附图标记15表示辅助密封件，用于相对于壳体14密封固定密封环12。
机械密封装置1还包括波纹管单元2，该波纹管单元2建立旋转密封环11与旋转构件10之间的连接。波纹管单元2包括波纹管件3和一件式的垫片4。波纹管件3由弹性体材料制造并且包括第一连接区域31、第二连接区域32和位于两个连接区域31、32之间的波纹管中间区域33。波纹管中间区域33是柔性的并且实现了波纹管件3沿轴向方向X-X的伸长和缩短。
如图1清楚的是，波纹管件3是一件式构件并且用于对旋转密封环11进行密封。此外波纹管单元2承担从旋转构件10到旋转密封环11的扭矩传递。
波纹管单元2还包括第一Z形侧面角5和第二Z形侧面角6。第一Z形侧面角5在第一连接区域31上设置在其外径上。第二Z形侧面角6在第二连接区域32上设置在其外径上。所述两个Z形侧面角5、6在截面上具有Z形侧面。
第一Z形侧面角5包括第一径向指向外的区域51、第一径向指向内的区域52以及第一轴向区域53。第二Z形侧面角6包括第二径向指向外的区域61、第二径向指向内的区域62以及第二轴向区域63(参见图2)。第一Z形侧面角的第一径向指向内的区域52在此搭接第一连接区域31的指向波纹管中间区域33的端部。第二Z形侧面角6的第二径向指向内的区域62搭接第二连接区域32的指向波纹管中间区域33的端部(参见图1)。所述两个Z形侧面角5、6的所述两个轴向区域53、63在此靠置在第一和第二连接区域31、32的外径上。由此按压弹性体连接区域31、32。
此外第二连接区域32的端部和第二Z形侧面角6的第二径向指向外的区域61沿轴向方向X-X位于相同位置上，从而产生平面的齐平。
波纹管件3还在其内圆周上包括槽34。如图2清楚的是，垫片4在此设置在槽34中。垫片的内圆周区域40支撑在旋转构件10的外圆周上。在内圆周区域40上还形成多个凹槽41(参见图3)。由此减小了内圆周区域40在旋转构件10的外圆周上的靠置面。凹槽41以规则的间隔沿着垫片4的圆周形成并且具有基本上矩形的几何形状。然而凹槽41的其他几何形状也是可能的、例如弧形凹槽。
如图1清楚的是，环形垫片4在此如此设置在旋转密封环11与波纹管件3之间，使得垫片4以第一侧43贴靠在旋转密封环11的后侧上，且以第二侧44贴靠在波纹管件3的凸肩35上。垫片4还具有恒定的宽度。
波纹管单元2还包括预紧件7，该预紧件7在该实施例中是桶形弹簧。预紧件7在此支撑在第一Z形侧面角5与第二Z形侧面角6之间并且提供波纹管单元2的长久预紧。
现在通过在弹性体波纹管件3与旋转密封环11之间根据本发明地设有坚硬的垫片4，实现了机械密封装置1的改善的轴向跟随性能。在机械密封装置的运行中总可能的是，在旋转构件10的外圆周上形成沉积。根据本发明的垫片4的应用现在实现了波纹管件3在第二连接区域32的区域中不再与旋转构件10的外圆周接触。例如可以由稳定的塑料材料制造的垫片4相比之下可以在没有粘附现象的情况下在旋转构件10的外圆周上运动并且也将污物从旋转构件表面除去。因此关于弹性体波纹管件在一定运行时间之后的跟随性能方面，至今在现有技术中存在的缺点可以通过机智地设定垫片4来克服。垫片4也具有比波纹管件3更低的摩擦系数并且实现了旋转构件10表面在轴向运动中的自清洁效应。此外根据本发明可以显著降低在密封间隙13上的泄漏，因为机械密封装置的跟随总是可能的并且可以使密封间隙宽度保持尽可能小。
垫片4还具有可能显著地沿轴向方向X-X缩短机械密封装置的优点，因为可以省去在现有技术中在弹性体波纹管件的情况下至今必需的支撑肩部，该支承肩部设定在第二连接区域32的区域中并且将波纹管件3支撑在旋转构件10上。由此节省了轴向结构空间。同时通过使用垫片4也产生如下可能，即，旋转密封环11沿轴向方向X-X通过第二Z形侧面角6的较长的轴向区域63在更长的轴向方向上夹紧(夹紧长度L)并因此减小旋转密封环11的径向按压(参见图2)。由此产生了对旋转密封环11的积极作用，特别是在旋转密封环11的滑动面可能的不期望的变形方面。该变形可能在运行中导致在机械密封装置上附加的不期望的泄漏。
根据本发明的波纹管单元2因此实现了在使用弹性体波纹管件3的情况下的一系列令人惊讶的优点。在此波纹管单元2可以沿轴向方向X-X还更紧凑地构造。由于沿轴向方向X-X缩短密封结构长度的可能性因此产生了极其大的竞争优势。此外根据本发明的波纹管单元2也可以毫无问题地缓冲可能在运行中出现的振动，并且即使在长的运行时间之后也可以通过持续可能的轴向的跟随运动实现。
图4和5示出了根据第二实施例的机械密封装置，其中垫片4附加地还具有沿轴向方向X-X突出的区域42。这些突出的区域42是防扭转装置，其确保垫片4沿圆周方向一方面不相对于波纹管件3而另一方面不相对于旋转密封环11旋转。将突出的区域42用作防扭转装置此外附加地减小了旋转密封环11的径向按压，因为通过指向旋转密封环11的突出的区域42也实现了由波纹管单元2到旋转密封环11的扭矩传递。在旋转密封环11中和在波纹管件3中可以设有相应成形的凹槽，以用于容纳突出的区域42。在其他方面，该实施例相应于前述实施例，从而可以参照以上给出的说明。
图6和7示出了根据第二实施例的用于机械密封装置的备选垫片4，其中凹槽41在垫片的内圆周区域40上构成为弧形的。弧形凹槽41在此可以简单地例如借助于铣刀制造。凹槽41沿着内圆周40间隔开相同的间隔设置。垫片4在此具有恒定的宽度(参见图7)。
图8和9示出了根据第三实施例的机械密封装置，其具有另一备选的垫片4，其中设有凸肩45。垫片4因此具有镜像的L形的截面。由此在内圆周区域40上以及在外圆周区域46上产生垫片4的不同宽度。凸肩45在此实现了垫片4在旋转构件上的稳定支撑。该较窄的外圆周区域46实现了垫片4在弹性体波纹管件中的简单固定。在此在波纹管件3中特别是可以不设置宽的槽，而是可以设有小的槽用于部分容纳窄的外圆周区域46，从而不通过槽过度弱化波纹管件。在内圆周区域40上优选同样设有弧形凹槽41。
图10示出了根据本发明的第四实施例的机械密封装置。垫片4具有支撑波纹管件的支撑区域47。支撑区域47在此不接触旋转构件10。垫片4仅仅以窄的内圆周区域40支撑在旋转构件上。

Claims (12)

1.一种机械密封装置，其包括：
-旋转密封环(11)和固定密封环(12)，所述旋转密封环(11)和所述固定密封环(12)在二者之间限定密封间隙(13)；以及
-波纹管单元(2)，其具有波纹管件(3)和垫片(4)，
-其中所述波纹管件(3)具有第一连接区域(31)、第二连接区域(32)以及波纹管中间区域(33)，
-其中所述波纹管件(3)由弹性体材料制造并且提供所述旋转密封环(11)与旋转构件(10)之间的连接，
-其中垫片(4)设置在所述波纹管件(3)与所述旋转密封环(11)之间，
-其中所述垫片(4)的内圆周区域(40)设置成以能够实现轴向跟随的方式靠置在所述旋转构件(10)上，并且
-其中在所述垫片(4)的内圆周区域(40)设有多个凹槽(41)，
-其中所述垫片(4)由比所述弹性体材料硬的材料制造，并且所述垫片(4)的第一侧贴靠在所述旋转密封环(11)上而所述垫片(4)的与所述第一侧相反的第二侧贴靠在所述波纹管件(3)上。
2.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述凹槽(41)间隔开规则的间隔地设置在所述垫片(4)的内圆周区域(40)上。
3.根据权利要求1或2所述的机械密封装置，其特征在于，所述凹槽(41)是弧形的或者基本上矩形的。
4.根据权利要求1或2所述的机械密封装置，其特征在于，所述波纹管单元(2)还包括第一Z形侧面角(5)和第二Z形侧面角(6)，其中所述第一Z形侧面角(5)设置在所述第一连接区域(31)的外侧，而所述第二Z形侧面角(6)设置在所述第二连接区域(32)的外侧。
5.根据权利要求4所述的机械密封装置，其特征在于，所述第二Z形侧面角(6)沿轴向方向(X-X)与所述第二连接区域(32)在相同的位置上结束。
6.根据权利要求4所述的机械密封装置，其特征在于，所述机械密封装置还包括预紧件(7)，该预紧件(7)沿轴向方向(X-X)预紧所述波纹管单元(2)。
7.根据权利要求6所述的机械密封装置，其特征在于，所述预紧件(7)以第一端部区域支撑在所述第一Z形侧面角(5)上，且以第二端部区域支撑在所述第二Z形侧面角(6)上。
8.根据权利要求1或2所述的机械密封装置，其特征在于，所述波纹管单元(2)在内圆周具有用于容纳所述垫片(4)的槽(34)。
9.根据权利要求1或2所述的机械密封装置，其特征在于，所述垫片(4)具有至少一个由所述垫片(4)突出的区域(42)用于所述垫片(4)的扭转止动。
10.根据权利要求1或2所述的机械密封装置，其特征在于，所述旋转构件(10)的扭矩仅仅通过所述波纹管单元(2)引入到所述旋转密封环(11)上。
11.根据权利要求4所述的机械密封装置，其特征在于，所述第一Z形侧面角(5)的第一径向指向内的区域(52)搭接所述第一连接区域(31)的指向所述波纹管中间区域(33)的端部，和/或所述第二Z形侧面角(6)的第二径向指向内的区域(62)搭接所述第二连接区域(32)的指向所述波纹管中间区域(33)的端部。
12.根据权利要求1或2所述的机械密封装置，其特征在于，弹性体的所述波纹管件(3)具有防粘附涂层，或者所述垫片由塑料制造。
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