專利名稱：階式止推軸承滾道旋轉接合組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及軸承組件，特別是能被用于適應在一流體旋轉接合中的被連接流體管道或導管之間相對旋轉的軸承滾道組件。
旋轉接合應用于油田中的流體管道的連接和其他方面。旋轉接合通常包括通過一軸承組件相互可旋轉地連接的相互裝配的外和內(nèi)構件。通常在內(nèi)和外構件上帶有內(nèi)側和外側溝槽形成形成一軸承滾道，并有許多滾珠軸承放置在滾道內(nèi)。適應增加的工作壓力、較寬的工作溫度范圍和較多種腐蝕性的化學物品的較高要求使得旋轉接合設計用多個軸承滾道而不是一個軸承滾道。即使是多軸承滾道，有時高壓也可能導致滾珠滾道的變形或剝蝕。這種剝蝕松馳了密封壓力，這會引起密封滲漏，使旋轉接合不能在壓力下平穩(wěn)旋轉，并顯著地降低滾道的使用壽命。在上述情況下旋轉接合還會有其他形式的損壞。
本發(fā)明提供一在上述情況下提高密封性能的多滾道旋轉接合軸承組件，它有處于階梯式關系的多個軸承滾道，在那里每個相鄰的軸承滾道與下一個軸承滾道是同心布置的，且半徑比下一個軸承滾道要大。階梯式的構造可更均勻地將流體靜壓端面負載分配到每個軸承滾道部分，使總的端面負載最大的同時，在一特定軸承滾道部分的負載集中最小。為進一步減小端面負載和提高密封性，一直孔型密封圈用于減小承受軸向壓力的表面以及大大減小與普通預應力裝配的彈性壓力密封圈相關的旋轉摩擦。另外，本發(fā)明通過在座圈橫截面中的一偏置的加長半徑構造，可增大每個滾珠軸承和滾道間的接觸面積，減小負載集中，從而減少了滾珠軸承剝蝕。本發(fā)明僅增加了最少的重量和成本就提高了在極端情況下的密封性，并且特別是消除了在比普通或已知旋轉接合大得多的壓力情況下滾珠滾道的剝蝕。
圖1所示為一三-滾道旋轉接合軸承組件現(xiàn)有技術的局部橫截面圖；圖2所示為有一階梯式的，三-滾道軸承組件和一直孔密封圈的本發(fā)明的第一實施例的局部橫截面圖；圖3所示為一圖1所示的現(xiàn)有技術組件與一有一直孔密封圈的本發(fā)明的第二實施例并列的剖開的局部橫截面圖；圖4a所示為在現(xiàn)有技術軸承滾道組件中的一滾珠軸承的放大的橫截面圖；圖4b所示為在本發(fā)明的軸承滾道組件中的一滾珠軸承的放大的橫截面圖；圖5所示為有一雙端階梯，雙滾道軸承組件的本發(fā)明第二實施例的局部橫截面圖。
圖1所示為一已知的現(xiàn)有技術的有一內(nèi)連接器12可旋轉地設置于一外連接器14內(nèi)的旋轉接合10。穿過它形成一封密的流體流動通道16，并與每一個連接器中延伸出來與流體導管或管道(圖中未示)相聯(lián)通。在每個連接器12，14上分別形成許多環(huán)形溝槽18，20。當連接器12和14插在一起時，溝槽18、20相互對齊形成環(huán)形軸承滾道22。許多滾珠軸承24放置于每個滾道22中，提供軸承支撐和使連接器12，14能相對旋轉。滾道22和滾珠軸承24圍繞著流動通道16的中心軸線26同心布置，所有的滾道22的半徑都實際相同。一環(huán)形彈性壓縮密封圈28布置于內(nèi)連接器12和外連接器14的軸面間，以防止流體在它們間流過。壓縮密封圈28是受預受應力的。
當有壓力流體進入流動通道16時便產(chǎn)生了一引起內(nèi)連接器和外連接器相互間發(fā)生軸向偏離的流體靜壓端面負截。然后滾珠軸承24受到通過滾珠軸承24與滾道22間的接觸表面?zhèn)鬟f過來的軸向合力的作用。按每個滾道的相對位置，分配每個座圈22所受的合力。例如，最緊靠密封圈28的內(nèi)構件凹槽20受到一第一負載的作用，第二個凹槽受到一大于第一負載的第二負載的作用，以此類推。這樣，隨著每個相繼遠離密封圈28的軸承滾道22，作用在內(nèi)構件凹槽20上的負載隨之增加。內(nèi)螺紋連接器14受到類似的負載，最靠近密封圈的滾道承受最大的負載。
如圖1所示在一典型的三滾道軸承組件10中，從最靠近密封圈28的滾道開始，作用于每個滾道22上的負載分布大致是47％，31％和22％。因此最理想的是更平均的分配負載，以便在不降低整個軸承組件的承載能力的同時能降低作用在第一滾道上的負載。本發(fā)明通過階梯形的構造實現(xiàn)這個目的。
圖2所示為本發(fā)明的第一個實施例。在旋轉接合110中，一內(nèi)連接器112可旋轉地設置于一外連接器114內(nèi)。穿過它形成一封密的流體流動通道116，并與從每一個連接器中延伸出來與流體導管或管道(圖中未示)相聯(lián)通。在每個連接器112，114上分別形成許多環(huán)形溝槽118，120。當將連接器112和114插在一起時，溝槽118，120相互對齊形成環(huán)形軸承滾道122。許多滾珠軸承124放置于每個滾道122中，提供軸承支撐和使連接器112、114能相對旋轉。滾道122和滾珠軸承124圍繞著流動通道116的中心軸線126同心布置。
本發(fā)明提供了一種階梯式的結構，在那里沿著離開內(nèi)連接器端面與外連接器114相接觸的方向，相繼的滾道122的半徑逐漸增大。這個階梯形的設計能通過更均勻地將拉應力貫穿分布于每個相應滾道122的轂體部分上，使負載更均勻地分布于每個滾珠軸承124上。階梯的數(shù)目可以是兩個或更多，并且可在每個階梯上有一個或多個滾道。各滾道半徑的長度是作為各個滾道所處位置的連接器橫截面面積，端面負載，滾珠和滾道半徑和其他變量的函數(shù)而被確定的。這些尺寸應使端面負載盡可能地被平均分配至每個軸承滾道中來計算。雖然不要求，但在整個組件110中的滾珠軸承124的尺寸最好相同，這樣，每個滾道122將可容納不同數(shù)目的滾珠軸承124。
本發(fā)明使用一直孔徑密封圈128，是如美國專利4,930,791所公開的由諸如“特氟隆”的非金屬成分所構成的，它具有不同于如圖1所示的密封圈28的普通彈性壓力密封圈的特性。普通的彈性密封材料在擠壓，流體適應性，溫度范圍和破裂方面有它固有的局限性。在內(nèi)連接器和外連接器112，114的軸端分別有凹陷部分130和132，它們在連接器112，114如圖2所示共同配合時形成一有凹陷的溝槽134。直孔密封圈128放置于溝槽134內(nèi)，這樣密封圈128的內(nèi)圓周表面138與流動通道116的內(nèi)表面平齊。凹陷部分130和132有相互面對的軸端部分140和142，用于放置直孔密封圈128的軸端。直孔密封圈的軸端部144和146與端部140和142相接觸。外側圓周表面148與溝槽134的內(nèi)側圓周表面形成一密封圈。因為直孔密封圈128的幾何結構和材料使它的橫載面面積能大大小于具有同等性能的普通彈性密封圈28的橫截面面積，這樣流體靜壓端面負載和每個滾珠軸承124和滾道122間的接觸面積將顯著地降低，結果減少了滾道122的剝離。在圖2中說明的組件110還包括一滾珠軸承孔150和輔助彈性O型密封圈或其他合適的密封圈152。同時也提供了一滲漏檢測孔154。
為了進一步說明本發(fā)明的新穎性，圖3沿著中心線200將圖1中的現(xiàn)有技術組件10與本發(fā)明第二實施例組件210并列，加以說明。因為直孔密封圈228比普通的密封圈28有較小的密封外形，本發(fā)明的密封半徑256小于普通密封圈28的密封半徑56。結果連接器受到流體靜壓力的面積變小，因此減小了流體靜壓力端面負載。當普通密封圈28受到軸向壓縮預應力時，直孔密封圈228卻不受軸向負載。這樣，連接器和密封圈228間的摩擦力一般就不存在了，而普通密封圈28在內(nèi)圓周表面和軸向表面與外連接器14相接觸，在一軸向表面與內(nèi)連接器12相接觸。
圖4a所示為一普通的軸承布置承受流體靜壓負載，在軸承中有一被安放于由內(nèi)和外連接器的溝槽20、18所形成的滾道22內(nèi)的一滾珠軸承24。如圖4a所示的標準軸承滾道被機械制造成具有一等半徑321的溝槽18、20。溝槽半徑321必須大于滾珠軸承322的半徑到一定的程度，使裝配可以進行。當連接器在軸向負載的作用下移動時，便造成集中的接觸面積318，320。這樣的負載集中使?jié)L道產(chǎn)生剝蝕。
為了減少如上所述的接觸表面的集中，本發(fā)明提供了如圖4b說明的偏置的加長半徑。如圖4b所示，除了在溝槽420的頂端422處有一通過將溝槽420的中心點426偏置至一偏移中心點428而形成的直線部分425外，內(nèi)連接器凹槽420的半徑實質(zhì)上與滾珠軸承424的半徑相同。外連接器溝槽418實質(zhì)上用滾珠軸承424的曲率形成。這樣的設計在最大程度增加滾珠軸承424與相應的溝槽418，420的接觸面積的同時，提供了足夠的間隙便于裝配，以此使它的剝蝕降至最少?；蛘咭粋€滾道的連接器溝槽具有偏移半徑的特征，或者兩個都具有一減小的偏移距離。
圖5說明的是利用如圖2實施例說明的階梯式構造的本發(fā)明的第三實施例，它有通過軸環(huán)513對接的連接器512，514，軸環(huán)圍繞連接器512，514裝配。每個連接器512，514有許多階梯式溝槽518，519，并與軸環(huán)513上的許多階梯式溝槽520，521相對應。使用一單直孔密封圈538。在此，這個實施例的工作及有使用的特性與圖2所描述的第一實施例基本相同的。
雖然實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式已在這里描述和說明了，但可以理解沒有脫離本發(fā)明精神的任何修改和變動都將被認為是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的。
權利要求
1.一用于旋轉接合的軸承滾道組件，其特征在于一內(nèi)連接器，它有一中心軸線，一第一端和許多外側環(huán)形溝槽，每個溝槽有一通常是弧形的橫截面并放置在一通常與所述中心軸線垂直的各自平面內(nèi)，每個所述外側溝槽都有一從所述中心軸線算起的不變的半徑，且每個所述外側溝槽都比更靠近所述第一端的相鄰外側溝槽有較大的半徑；一與所述內(nèi)連接器同軸對齊的外連接器，用來接納和圍繞所述內(nèi)連接器裝配，所述外連接器有一第一端和許多內(nèi)側環(huán)形溝槽，每個溝槽有一通常是弧形的橫載面，并放置在一通常與所述中心軸線垂直的各自平面內(nèi)，每個所述內(nèi)側溝槽對應于一個所述的外側溝槽，并共同形成一弧形滾道；和許多安放在每個滾道內(nèi)的、使所述內(nèi)和外連接器圍繞所述中心軸的相對旋轉更方便的滾珠軸承。
2.根據(jù)權利要求1所述的軸承滾道組件，其特征在于，每個所述的內(nèi)連接器和所述的外連接器都有一中心孔，相互圍繞所述中心軸線同軸地對準，形成一流體流動通道。
3.根據(jù)權利要求2所述的軸承滾道組件，其特征在于，所述的內(nèi)連接器的所述第一端有一凹進去的內(nèi)側環(huán)狀部分；所述外連接器有一凹進去的內(nèi)側環(huán)狀部分，當所述內(nèi)連接器放置于所述外連接器時，它相鄰于所述內(nèi)連接器凹進去的內(nèi)側環(huán)狀部分，這樣所述內(nèi)和所述外連接器的所述內(nèi)側環(huán)狀部分共同形成一內(nèi)側環(huán)狀密封圈溝槽；有一外側密封表面一環(huán)形密封圈被安放于所述密封腔內(nèi)，從而與所述內(nèi)和外連接器的所述內(nèi)側部分的內(nèi)側圓周表面相密封，所述密封圈有一與所述流體流動通道通常對齊的內(nèi)側表面。
4.根據(jù)權利要求3所述的軸承滾道組件，其特征在于，所述的密封圈是由非金屬材料制成的。
5.根據(jù)權利要求4所述的軸承滾道組件，其特征在于，所述的密封圈是一徑向壓配合的密封圈。
6.一用于旋轉接合的軸承滾道組件其特征在于一內(nèi)連接器，它有一中心軸線、一第一端和許多外側環(huán)形溝槽，每個溝槽有一通常是弧形的橫截面并放置在一通常與所述中心軸線垂直的各自平面內(nèi)，每個所述外側溝槽都有一從所述中心軸線算起的不變的半徑且每個所述外側溝槽都有相同的半徑；一與所述內(nèi)連接器同軸對齊的外連接器，用來接納和圍繞所述內(nèi)連接器裝配，所述外連接器有一第一端和許多內(nèi)側環(huán)形溝槽，每個溝槽有一通常是弧形的橫載面，并放置在一通常與所述中心軸線垂直的各自平面內(nèi)，每個所述內(nèi)側溝槽對應于一個所述的外側溝槽，并共同形成一弧形滾道；許多安放在每個滾道內(nèi)的、使所述軸套和外連接器圍繞所述中心軸的相對旋轉更方便的滾珠軸承；每個所述的內(nèi)連接器和所述的外連接器都有一中心孔，相互圍繞所述中心軸線同軸地對準，形成一流體流動通道；所述的內(nèi)連接器的所述第一端有一凹進去的內(nèi)側環(huán)狀部分；所述外連接器有一凹進去的內(nèi)側環(huán)狀部分當所述內(nèi)連接器放置于所述外連接器時，它相鄰于所述內(nèi)連接器凹進去的內(nèi)側環(huán)狀部分，這樣所述內(nèi)和所述外連接器的所述內(nèi)側環(huán)狀部分共同形成一內(nèi)側環(huán)狀密封圈溝槽；有一外側密封表面一環(huán)形密封圈被安放于所述密封腔內(nèi)，從而與所述內(nèi)和外連接器的所述內(nèi)側部分的內(nèi)側圓周表面相密封，所述密封圈有一與所述流體流動通道通常對齊的內(nèi)側表面。
7.根據(jù)權利要求6所述的軸承滾道組件，其特征在于，所述的密封圈是由非金屬材料制成的。
8.根據(jù)權利要求7所述的軸承滾道組件，其特征在于，所述的密封圈是一徑向壓配合的密封圈。
9.一軸承滾道組件，其特征在于一帶有由一第一半徑?jīng)Q定的通常是弧形橫截面的一外側環(huán)形溝槽的第一管狀構件；一帶有由所述第一半徑?jīng)Q定的通常是弧形橫截面的一外側、通常是環(huán)形狀的溝槽的第二管狀構件，從而所述內(nèi)側溝槽有在通常是弧形橫截面的頂端、包括一直線段的一部分；所述的第一構件可用于被套疊地安放于所述第二構件中，這樣所述外側和內(nèi)側溝槽對齊形成一環(huán)狀滾道；許多滾珠軸承安放于所述滾道內(nèi)，所述每個滾珠軸承的半徑與所述第一半徑實際相同，所述滾珠軸承使所述第一和第二管狀構件相對旋轉更加方便。
10.根據(jù)權利要求9所述的軸承滾道組件，其特征在于，所述外側溝槽在弧形橫截面的頂端處有一包括一直線段的部分。
11.一軸承滾道組件，其特征在于一帶有由一第一半徑?jīng)Q定的通常是弧形橫截面的一外側環(huán)形溝槽的第一管狀構件，從而所述外側溝槽在通常是弧形橫截面的頂端處有一包括一直線段的部分；一帶有由所述第一半徑?jīng)Q定的通常是弧形橫截面的一內(nèi)側環(huán)形溝槽的第二管狀構件；所述的第一構件可用于被套疊地安放于所述第二構件中，這樣所述外側和內(nèi)側溝槽對齊形成一環(huán)狀滾道；許多滾珠軸承安放于所述滾道內(nèi)，所述每個滾珠軸承的半徑與所述第一半徑實際相同，所述滾珠軸承使所述第一和第二管狀構件相對旋轉更加方便。
12.根據(jù)權利要求9所述的軸承滾道組件，其特征在于，所述內(nèi)側溝槽在弧形橫截面的頂端處有一包括一直線段的部分。
13.一用于旋轉接合的軸承滾道組件，其特征在于一對相對對置的管狀連接構件，每個有一與另一個同軸的中心軸線和許多外側環(huán)狀溝槽，所述構件的設置使每個構件的第一端與另一個相鄰，每個溝槽有一通常是弧形的橫截面，并放置在一通常與所述中心軸線垂直的各自平面內(nèi)，每個所述外側溝槽都有一從所述中心軸線算起的不變的半徑，并且每個所述外側溝槽都比更靠近每個各自所述第一端面的相鄰外側溝槽的直徑大；一與所述連接構件同軸對齊的軸環(huán)，它用于接納所述連接構件并圍繞所述連接構件裝配，所述軸環(huán)有許多內(nèi)側環(huán)狀溝槽每個溝槽有一通常是弧形的橫截面，并放置在一通常與所述中心軸線垂直的各個平面內(nèi)，每個所述內(nèi)側溝槽都與一所述外側溝槽相對應，由此形成一弧形滾道；和許多安放在每個滾道內(nèi)的、使所述連接構件和所述軸環(huán)圍繞所述中心軸的相對旋轉更方便的滾珠軸承。
14.根據(jù)權利要求13所述的軸承滾道組件，其特征在于，每個所述的連接構件和所述的軸環(huán)有一中心孔，通過圍繞所述中心軸線同軸地對準形成一流體流動通道。
15.根據(jù)權利要求14所述的軸承滾道組件，其特征在于，所述的連接構件的每個所述第一端有一凹進去的內(nèi)側環(huán)狀部分，這樣所述內(nèi)側環(huán)狀部分共同形成一內(nèi)側環(huán)狀密封溝槽；有一外側密封表面的一環(huán)形密封圈被安放于所述密封腔內(nèi)，從而與所述內(nèi)側部分的內(nèi)側圓周表面相密封，所述密封圈有一與所述流體流動通道通常對齊的內(nèi)側表面。
16.根據(jù)權利要求15所述的軸承滾道組件，其特征在于，所述的密封圈是由非金屬材料制成的。
17.根據(jù)權利要求16所述的軸承滾道組件，其特征在于，所述的密封圈是一徑向壓配合的密封圈。
全文摘要
一用于旋轉接合(110)的軸承滾道組件，其特征在于，一內(nèi)連接器(112)，它有一中心軸線(126)、一第一端(未標數(shù)字)和許多外側環(huán)形溝槽(120)，每個溝槽有一通常是弧形的橫截面并放置在一通常與中心軸線垂直的各個平面內(nèi)，每個外側溝槽(120)都有一從中心軸線算起的不變的半徑且所述外側溝槽(120)都比更靠近所述第一端(未標數(shù)字)的相鄰外側溝槽有較大的半徑；一與內(nèi)連接器(112)同軸對齊的外連接器(114)，用來接納和圍繞內(nèi)連接器裝配，外連接器(114)有一第一端(未標數(shù)字)和許多內(nèi)側環(huán)形溝槽(118)，每個溝槽有一通常是弧形的橫截面，并放置在一通常與中心軸線垂直的各自平面內(nèi)，每個內(nèi)側溝槽對應于一個外側溝槽(120)，并共同形成一弧形滾道；和許多安放在每個滾道內(nèi)的、使內(nèi)(112)和外連接器(114)圍繞中心軸(126)的相對旋轉更方便的滾珠軸承(34，35，36)。
文檔編號F16L27/08GK1150836SQ95193602
公開日1997年5月28日 申請日期1995年6月12日 優(yōu)先權日1994年6月15日
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