阶式止推轴承滚道旋转接合组件 本发明涉及轴承组件，特别是能被用于适应在一流体旋转接合中的被连接流体管道或导管之间相对旋转的轴承滚道组件。
旋转接合应用于油田中的流体管道的连接和其他方面。旋转接合通常包括通过一轴承组件相互可旋转地连接的相互装配的外和内构件。通常在内和外构件上带有内侧和外侧沟槽形成形成一轴承滚道，并有许多滚珠轴承放置在滚道内。适应增加的工作压力、较宽的工作温度范围和较多种腐蚀性的化学物品的较高要求使得旋转接合设计用多个轴承滚道而不是一个轴承滚道。即使是多轴承滚道，有时高压也可能导致滚珠滚道的变形或剥蚀。这种剥蚀松驰了密封压力，这会引起密封渗漏，使旋转接合不能在压力下平稳旋转，并显著地降低滚道的使用寿命。在上述情况下旋转接合还会有其他形式的损坏。
本发明提供一在上述情况下提高密封性能的多滚道旋转接合轴承组件，它有处于阶梯式关系的多个轴承滚道，在那里每个相邻地轴承滚道与下一个轴承滚道是同心布置的，且半径比下一个轴承滚道要大。阶梯式的构造可更均匀地将流体静压端面负载分配到每个轴承滚道部分，使总的端面负载最大的同时，在一特定轴承滚道部分的负载集中最小。为进一步减小端面负载和提高密封性，一直孔型密封圈用于减小承受轴向压力的表面以及大大减小与普通预应力装配的弹性压力密封圈相关的旋转摩擦。另外，本发明通过在座圈横截面中的一偏置的加长半径构造，可增大每个滚珠轴承和滚道间的接触面积，减小负载集中，从而减少了滚珠轴承剥蚀。本发明仅增加了最少的重量和成本就提高了在极端情况下的密封性，并且特别是消除了在比普通或已知旋转接合大得多的压力情况下滚珠滚道的剥蚀。
图1所示为一三-滚道旋转接合轴承组件现有技术的局部横截面图；
图2所示为有一阶梯式的，三-滚道轴承组件和一直孔密封圈的本发明的第一实施例的局部横截面图；
图3所示为一图1所示的现有技术组件与一有一直孔密封圈的本发明的第二实施例并列的剖开的局部横截面图；
图4a所示为在现有技术轴承滚道组件中的一滚珠轴承的放大的横截面图；
图4b所示为在本发明的轴承滚道组件中的一滚珠轴承的放大的横截面图；
图5所示为有一双端阶梯，双滚道轴承组件的本发明第二实施例的局部横截面图。
图1所示为一已知的现有技术的有一内连接器12可旋转地设置于一外连接器14内的旋转接合10。穿过它形成一封密的流体流动通道16，并与每一个连接器中延伸出来与流体导管或管道(图中未示)相联通。在每个连接器12，14上分别形成许多环形沟槽18，20。当连接器12和14插在一起时，沟槽18、20相互对齐形成环形轴承滚道22。许多滚珠轴承24放置于每个滚道22中，提供轴承支撑和使连接器12，14能相对旋转。滚道22和滚珠轴承24围绕着流动通道16的中心轴线26同心布置，所有的滚道22的半径都实际相同。一环形弹性压缩密封圈28布置于内连接器12和外连接器14的轴面间，以防止流体在它们间流过。压缩密封圈28是受预受应力的。
当有压力流体进入流动通道16时便产生了一引起内连接器和外连接器相互间发生轴向偏离的流体静压端面负截。然后滚珠轴承24受到通过滚珠轴承24与滚道22间的接触表面传递过来的轴向合力的作用。按每个滚道的相对位置，分配每个座圈22所受的合力。例如，最紧靠密封圈28的内构件凹槽20受到一第一负载的作用，第二个凹槽受到一大于第一负载的第二负载的作用，以此类推。这样，随着每个相继远离密封圈28的轴承滚道22，作用在内构件凹槽20上的负载随之增加。内螺纹连接器14受到类似的负载，最靠近密封圈的滚道承受最大的负载。
如图1所示在一典型的三滚道轴承组件10中，从最靠近密封圈28的滚道开始，作用于每个滚道22上的负载分布大致是47％，31％和22％。因此最理想的是更平均的分配负载，以便在不降低整个轴承组件的承载能力的同时能降低作用在第一滚道上的负载。本发明通过阶梯形的构造实现这个目的。
图2所示为本发明的第一个实施例。在旋转接合110中，一内连接器112可旋转地设置于一外连接器114内。穿过它形成一封密的流体流动通道116，并与从每一个连接器中延伸出来与流体导管或管道(图中未示)相联通。在每个连接器112，114上分别形成许多环形沟槽118，120。当将连接器112和114插在一起时，沟槽118，120相互对齐形成环形轴承滚道122。许多滚珠轴承124放置于每个滚道122中，提供轴承支撑和使连接器112、114能相对旋转。滚道122和滚珠轴承124围绕着流动通道116的中心轴线126同心布置。
本发明提供了一种阶梯式的结构，在那里沿着离开内连接器端面与外连接器114相接触的方向，相继的滚道122的半径逐渐增大。这个阶梯形的设计能通过更均匀地将拉应力贯穿分布于每个相应滚道122的毂体部分上，使负载更均匀地分布于每个滚珠轴承124上。阶梯的数目可以是两个或更多，并且可在每个阶梯上有一个或多个滚道。各滚道半径的长度是作为各个滚道所处位置的连接器横截面面积，端面负载，滚珠和滚道半径和其他变量的函数而被确定的。这些尺寸应使端面负载尽可能地被平均分配至每个轴承滚道中来计算。虽然不要求，但在整个组件110中的滚珠轴承124的尺寸最好相同，这样，每个滚道122将可容纳不同数目的滚珠轴承124。
本发明使用一直孔径密封圈128，是如美国专利4,930,791所公开的由诸如“特氟隆”的非金属成分所构成的，它具有不同于如图1所示的密封圈28的普通弹性压力密封圈的特性。普通的弹性密封材料在挤压，流体适应性，温度范围和破裂方面有它固有的局限性。在内连接器和外连接器112，114的轴端分别有凹陷部分130和132，它们在连接器112，114如图2所示共同配合时形成一有凹陷的沟槽134。直孔密封圈128放置于沟槽134内，这样密封圈128的内圆周表面138与流动通道116的内表面平齐。凹陷部分130和132有相互面对的轴端部分140和142，用于放置直孔密封圈128的轴端。直孔密封圈的轴端部144和146与端部140和142相接触。外侧圆周表面148与沟槽134的内侧圆周表面形成一密封圈。因为直孔密封圈128的几何结构和材料使它的横载面面积能大大小于具有同等性能的普通弹性密封圈28的横截面面积，这样流体静压端面负载和每个滚珠轴承124和滚道122间的接触面积将显著地降低，结果减少了滚道122的剥离。在图2中说明的组件110还包括一滚珠轴承孔150和辅助弹性O型密封圈或其他合适的密封圈152。同时也提供了一渗漏检测孔154。
为了进一步说明本发明的新颖性，图3沿着中心线200将图1中的现有技术组件10与本发明第二实施例组件210并列，加以说明。因为直孔密封圈228比普通的密封圈28有较小的密封外形，本发明的密封半径256小于普通密封圈28的密封半径56。结果连接器受到流体静压力的面积变小，因此减小了流体静压力端面负载。当普通密封圈28受到轴向压缩预应力时，直孔密封圈228却不受轴向负载。这样，连接器和密封圈228间的摩擦力一般就不存在了，而普通密封圈28在内圆周表面和轴向表面与外连接器14相接触，在一轴向表面与内连接器12相接触。
图4a所示为一普通的轴承布置承受流体静压负载，在轴承中有一被安放于由内和外连接器的沟槽20、18所形成的滚道22内的一滚珠轴承24。如图4a所示的标准轴承滚道被机械制造成具有一等半径321的沟槽18、20。沟槽半径321必须大于滚珠轴承322的半径到一定的程度，使装配可以进行。当连接器在轴向负载的作用下移动时，便造成集中的接触面积318，320。这样的负载集中使滚道产生剥蚀。
为了减少如上所述的接触表面的集中，本发明提供了如图4b说明的偏置的加长半径。如图4b所示，除了在沟槽420的顶端422处有一通过将沟槽420的中心点426偏置至一偏移中心点428而形成的直线部分425外，内连接器凹槽420的半径实质上与滚珠轴承424的半径相同。外连接器沟槽418实质上用滚珠轴承424的曲率形成。这样的设计在最大程度增加滚珠轴承424与相应的沟槽418，420的接触面积的同时，提供了足够的间隙便于装配，以此使它的剥蚀降至最少。或者一个滚道的连接器沟槽具有偏移半径的特征，或者两个都具有一减小的偏移距离。
图5说明的是利用如图2实施例说明的阶梯式构造的本发明的第三实施例，它有通过轴环513对接的连接器512，514，轴环围绕连接器512，514装配。每个连接器512，514有许多阶梯式沟槽518，519，并与轴环513上的许多阶梯式沟槽520，521相对应。使用一单直孔密封圈538。在此，这个实施例的工作及有使用的特性与图2所描述的第一实施例基本相同的。
虽然实现本发明的最佳方式已在这里描述和说明了，但可以理解没有脱离本发明精神的任何修改和变动都将被认为是在本发明的范围之内的。