BR112017001102B1 - união rotativa atuada por pistão e processo para operar a mesma - Google Patents
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Abstract
UNIÃO ROTATIVA ATUADA POR PISTÃO. Uma união rotativa inclui um invólucro que forma um furo e um furo de pistão tendo uma extremidade aberta e disposta a uma distância radialmente deslocada em relação ao furo. O furo do pistão é isolado de forma fluida do furo. Um suporte de vedação está disposto de forma deslizante no interior do furo e inclui uma haste de atuação que se estende radialmente para fora em relação ao furo tal que sobrepõe o furo do pistão. Um pistão disposto de forma deslizante no furo do pistão é extensível para encostar de forma libertável a haste de atuação e pressionar o suporte de vedação a deslocar-se em relação ao furo quando o pistão desloca em relação ao furo do pistão.
Description
[001] O presente pedido reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisional U.S. Ser. No. 62/026,218, depositado em 18 de julho de 2014, cujo conteúdo é aqui incorporado por referência. CAMPO TÉCNICO DA DIVULGAÇÃO
[002] A presente invenção refere-se a dispositivos de acoplamento de fluido tais como uniões rotativas e, mais particularmente, a um mecanismo de atuador de controle de vedação aperfeiçoado que opera com pressão de fluido independentemente da utilização de meios lubrificantes, meios não lubrificantes ou nenhum meio dentro da união rotativa.
[003] Os dispositivos de acoplamento de fluidos tais como uniões rotativas são utilizados em aplicações industriais, por exemplo, usinagem de metais ou plásticos, suporte de trabalho, impressão, filme plástico, manufatura, tecido de papel, manufatura de pastilhas semicondutoras e outros processos industriais que requerem um meio fluido a ser transferido de uma fonte estacionária tal como uma bomba ou reservatório para um elemento rotativo tal como um fuso de máquina-ferramenta, sistema de fixação de peça de trabalho ou tambores rotativos ou cilindro. Muitas vezes, estas aplicações requerem pressões de meios relativamente elevadas, taxas de fluxo ou velocidades de rotação elevadas da máquina-ferramenta.
[004] As uniões rotativas utilizadas nestas aplicações transportam meios fluidos utilizados pelo equipamento para arrefecer, aquecer ou para acionar um ou mais elementos rotativos. Os meios fluidos típicos incluem líquidos à base de água, óleos hidráulicos ou líquidos de arrefecimento e ar. Em certos casos, por exemplo, quando se evacua meios de uma passagem de fluido, as uniões rotativas podem funcionar sob vácuo. As máquinas que utilizam uniões rotativas incluem tipicamente componentes de precisão, tais como rolamentos, engrenagens, componentes elétricos e outros, que são caros e/ou difíceis de reparar ou substituir durante o serviço. Estes componentes são frequentemente sujeitos a ambientes corrosivos ou a danos se expostos a fugas de fluido ou ventilação da união rotativa durante a operação.
[005] Uma união rotativa inclui tipicamente um elemento estacionário, às vezes referido como o alojamento, que tem uma entrada para receber o meio fluido. Um elemento de vedação não rotativo está montado dentro do alojamento. Um membro rotativo, que é por vezes referido como um rotor, inclui um elemento de vedação rotativo e um orifício de saída para distribuir fluido para um corpo rotativo de componente. Uma superfície de vedação do elemento de vedação não rotativo é polarizada para um encaixe estancado ao fluido com a superfície de vedação do elemento de vedação rotativo, geralmente por meio de uma mola, pressão de meio, ou outro método, permitindo assim que uma vedação seja formada entre a junta rotativa e os componentes não rotativos da união. A vedação permite a transferência de meio fluido através da união sem vazamentos significativos entre as porções não rotativas e rotativas. O fluido que passa através da união rotativa pode lubrificar as superfícies de vedação engatadas para minimizar o desgaste dos elementos de vedação. Quando uma união rotativa é usada com meios não lubrificantes (como ar seco) ou sem qualquer meio, as superfícies de vedação engatadas podem experimentar uma condição de "funcionamento a seco", o que causa um rápido desgaste da vedação devido à falta de lubrificação adequada.
[006] Períodos prolongados de funcionamento a seco podem causar danos graves aos elementos de vedação, requerendo assim uma substituição cara e demorada de um ou ambos os membros de vedação.
[007] Equipamentos de usinagem de alta velocidade, tais como máquinas de fresar com controle numérico (CNC), máquinas de perfurar, máquinas de tornear, linhas de transferência, e assim por diante, utilizam uniões rotativas para fornecer um meio diretamente para a aresta de corte de uma ferramenta para arrefecimento e lubrificação em uma disposição que é vulgarmente designada por "através do líquido de arrefecimento do eixo". Um arranjo de líquido de arrefecimento de fuso prolongado estende a vida útil de ferramentas de corte dispendiosas, aumenta a produtividade ao permitir velocidades de corte mais altas e limpa os pedaços de material que podem danificar a peça de trabalho ou a ferramenta de corte afastando-se das superfícies de corte da ferramenta. Diferentes materiais de peça de trabalho normalmente exigem mídia diferente para produtividade e desempenho ótimos. Por exemplo, os meios de ar ou de aerossol podem proporcionar um melhor controle térmico quando se usam materiais muito duros, enquanto que os líquidos de arrefecimento podem oferecer um melhor desempenho quando se usam materiais mais macios, tais como alumínio. Além disso, certos tipos de trabalho podem ser realizados de forma mais eficaz e menos dispendiosa sem um meio de fuso.
[008] Em certas aplicações, pode também ser desejado evitar qualquer derrame do fluido de trabalho do acoplamento quando a vedação é desengatada, por exemplo, quando se altera os eixos de ferramenta. Ao longo destas mesmas linhas, pode ainda ser desejado encaixar a vedação rotativa do acoplamento antes do fluido de trabalho estar à pressão total de modo que a iniciação do fluxo, cujo fluxo possa incluir uma mistura do fluido de trabalho com o ar, não provoque vazamento do fluido de trabalho.
[009] Em um aspecto, a divulgação descreve uma união rotativa. A união rotativa inclui um alojamento que tem um furo em comunicação de fluido com uma abertura de canal de meio e um furo de pistão tendo uma extremidade aberta disposta a uma distância radialmente deslocada em relação ao furo. O furo do pistão é isolado de modo fluido a partir da abertura do canal de meio e do furo, e está ligado de modo fluido a uma entrada de atuação. Um suporte de vedação não rotativo está disposto de forma deslizante dentro do furo, e o alojamento tem um canal de meio em comunicação de fluido com o furo. Uma haste de atuação está ligada ao suporte de vedação não rotativo e prolonga-se radialmente para fora a partir do mesmo em relação ao furo. A haste de atuação sobrepõe, pelo menos parcialmente, a extremidade aberta do furo do pistão. Um pistão está disposto de forma deslizante no interior do furo do pistão, de tal modo que é definido um volume de pistão variável entre o pistão e o furo do pistão. O volume de pistão variável é ligado de modo fluido à entrada de atuação e o pistão está adaptado para se estender para fora da extremidade aberta do furo quando uma pressão de fluido proporcionada através da entrada de atuação está presente no volume do pistão variável. O pistão está configurado para encostar de forma liberável na haste de atuação e para pressionar a haste de atuação e, assim, o suporte de vedação não rotativo desloca-se em relação ao furo quando o pistão se desloca em relação ao furo do pistão. Uma vedação está disposta em torno do suporte de vedação não rotativo para criar uma vedação deslizante entre o suporte de vedação não rotativo e o furo. O suporte de vedação não rotativo está disposto para se estender em relação ao alojamento quando o fluido sob pressão está presente no furo do pistão.
[010] Em outro aspecto, a divulgação descreve um método para operar uma união rotativa. O método inclui proporcionar um alojamento tendo um furo em comunicação de fluido com uma abertura de canal de meio e um furo de pistão tendo uma extremidade aberta disposta a uma distância radialmente deslocada em relação ao furo, sendo o furo de pistão isolado de modo fluido da abertura de canal de meio e ligado de modo fluido a uma entrada de atuação. O método inclui ainda a disposição deslizante de um suporte de vedação não rotativo no interior do furo no alojamento, e a ligação fluida de um canal de meio com o furo. Uma haste de atuação ligada ao suporte de vedação não rotativo e que se estende radialmente para fora a partir do mesmo em relação ao furo é proporcionada de tal modo que a haste de atuação sobrepõe, pelo menos parcialmente, a extremidade aberta do furo do pistão. Um pistão está disposto de forma deslizante no interior do furo do pistão, de tal modo que é definido um volume de pistão variável entre o pistão e o furo do pistão. O método também inclui a aplicação de uma pressão de fluido de atuação na entrada de atuação de tal modo que a pressão de fluido de atuação esteja presente no volume de pistão variável para proporcionar uma força pneumática tendendo a estender o pistão em relação ao furo do pistão e empurrando a haste de atuação com o pistão e pressionando a haste de atuação, e assim o suporte de vedação não rotativo, a deslocar-se em relação ao furo quando o pistão desloca em relação ao furo do pistão.
[011] A Figura 1 é uma vista frontal de uma porção não rotativa de uma forma de realização de uma união rotativa de acordo com a descrição.
[012] As Figuras 2, 3 e 7 são seções transversais da forma de realização de uma união rotativa ilustrada na Figura 1 em duas posições operacionais.
[013] As Figuras 4 e 5 são seções transversais de uma segunda forma de realização de uma união rotativa em duas posições operacionais.
[014] A Figura 6 é um fluxograma para um método de operação de uma união rotativa de acordo com a descrição.
[015] A Figura 8 é uma seção transversal de uma forma de realização alternativa de uma união rotativa de acordo com a descrição.
[016] Nos desenhos, que fazem parte desta especificação, a Figura 1 é uma vista frontal de uma porção não rotativa 101 da união rotativa 100. As Figuras 2 e 3 são seções transversais da união rotativa 100 em duas posições operacionais. Em referência às Figuras 1 a 3, a união rotativa 100 inclui um elemento de vedação rotativo 102 ligado à extremidade de um suporte de vedação rotativo 103, que é vulgarmente designado por rotor, e um elemento de vedação não rotativo 104 que está ligado na extremidade de um elemento não rotativo 105. O elemento de vedação não rotativo 105 é axialmente móvel em relação a um alojamento 106, o qual é melhor ilustrado nas Figuras 2 e 3. Embora o alojamento 106 seja mostrado como uma construção de duas peças nas FIGS. 2 e 3, uma construção de uma única peça ou uma construção de mais de duas peças podem ser utilizadas como desejado para o alojamento 106. Na presente invenção, o alojamento 106 é referido como uma estrutura única, independentemente do número de peças que formam sua construção. O elemento de vedação rotativo 102 está associado com um componente de máquina rotativo (não mostrado) tal como um eixo de máquina, como é conhecido. O alojamento 106 está associado a um componente de máquina não rotativo (não mostrado). Um duto segmentado ou canal de meio 112 estende- se através do suporte de vedação rotativo 103, o suporte de vedação não rotativo 105 e os elementos de vedação rotativos e não rotativos102 e 104 respectivamente, como melhor ilustrado nas Figuras 2 e 3.
[017] As porções do canal de meios 112 são definidas em componentes diferentes da união rotativa 100 para proporcionar uma passagem de fluido através dos transportadores rotativos e não rotativos103 e 105 quando os elementos de vedação rotativos e não rotativos 102 e 104 são engatados. O canal de meio 112 pode ser seletivamente disposto para vedar fluidos de forma estancada quando os elementos de vedação rotativos e não rotativos 102 e 104 estão encaixados entre si e estão abertos para ventilação para a atmosfera quando os elementos de vedação rotativos e não rotativos 102 e 104 não estão engatados, como é descrito com mais detalhe relativamente ao funcionamento da união rotativa 100 e à descrição que se segue relativamente ao fluxograma da Figura 6, descrito abaixo. Em certas aplicações, o canal de meio 112 pode ser sujeito a um vácuo que puxa e evacua fluidos de trabalho a partir do interior do canal de meios 112.
[018] O suporte de vedação rotativo 103, que pode ser ligado ou associado a qualquer tipo de componente de máquina tal como um fuso em uma fresadora CNC, suporta o elemento de vedação rotativo 102. Uma vedação de face mecânica é criada quando o elemento de vedação rotativo 102 está engatado com o elemento de vedação não rotativo 104. A vedação de face mecânica opera para vedar o canal de meio 112 para transferir um meio fluido dos portadores de vedação rotativos para os suportes de vedação rotativos 103 e 105 e, assim, através de componentes de máquina correspondentes em que as transportadoras estão ligadas. Na forma de realização ilustrada, o alojamento 106 pode ser ligado a uma porção não rotativa ou componente de uma máquina por parafusos (quatro mostrados) que se prolongam através de furos de parafuso 109 para engatar as aberturas roscadas correspondentes formadas no componente de máquina não rotativo, mas outras disposições de montagem podem ser usadas.
[019] O componente de máquina rotativo pode formar um furo que engate de forma estancada uma vedação exterior 111 disposto em torno de uma porção do alojamento 106, como mostrado nas Figuras 2 e 3. Da mesma forma, um furo formado no componente de máquina rotativo pode engatar de forma vedada uma vedação rotativa exterior 113 disposta em torno de uma porção do suporte de vedação rotativo 103. Na forma de realização ilustrada, uma vedação secundária 114 está disposto entre o alojamento 106 e o suporte de vedação não rotativo 105. A vedação secundária 114 engata de forma deslizável e estancada o suporte de vedação não rotativo 105 para proporcionar uma função de vedação entre o suporte de vedação não rotativo 105 e o alojamento 106 durante a operação. Conforme ilustrado nas seções das Figuras 2 e 3, o selo secundário 114 é representado genericamente tendo uma seção retangular. Está contemplado que a vedação secundária 114 pode ser incorporado como qualquer tipo apropriado de vedação deslizante, por exemplo, uma vedação em U, vedação em O-ring, vedação de boca e semelhantes. Quando o meio pressurizado ou um vácuo está presente dentro do canal de meio 12, a vedação secundária 14 atua para vedar o canal de meio 12 do ambiente e outras porções da união rotativa 100.
[020] Na forma de realização para a união rotativa 100 ilustrada na seção transversal das Figuras 2 e 3, o elemento de vedação não rotativo 104 está ligado ao suporte de vedação não rotativo 105. O suporte de vedação não rotativo 105 está montado de forma deslizável e vedada dentro de um furo 128 do alojamento 106 e tem uma porção de diâmetro exterior que engata de forma deslizante uma região 129 do furo 128. O furo 128 é geralmente cilíndrico e pode formar um ligeiro intervalo entre um diâmetro interior do mesmo e um diâmetro exterior do suporte de vedação não rotativo 105 para permitir o desalinhamento angular em uma direção axial entre o suporte de vedação não rotativo 105 e o furo 128, o que vantajosamente permite que a união rotativa assente condições de montagem e desalinhamento operacional entre os componentes da máquina rotativa e não rotativa. O comprimento axial e a dimensão do diâmetro interior da região 129, que se prolonga de forma anular em torno do suporte de vedação não rotativo 105, podem ser selecionados dependendo dos requisitos de concepção particulares e do desalinhamento esperado entre componentes para cada aplicação. A disposição estrutural que permite o deslizamento do elemento de vedação não rotativo 104 em relação ao alojamento 106 permite o engate seletivo e o desengate do elemento de vedação não rotativo 104 com o elemento de vedação rotativo 102 e compensa o deslocamento axial que pode estar presente entre os dois elementos de vedação 102 e 104.
[021] Na ilustração da Figura 2, os membros de vedação 102 e 104 são mostrados em uma posição desengatada na qual o suporte de vedação não rotativo 105 é retraído dentro do furo 128 em relação ao alojamento 106. Na ilustração da Figura 3, os elementos de vedação 102 e 104 são mostrados em uma posição encaixada na qual o suporte de vedação não rotativo 105 estende-se dentro do furo 128 em relação ao alojamento 106. Na posição engatada, uma vedação de face mecânica é formada em ou em torno de uma interface 125 entre os elementos de vedação rotativos e não rotativos 102 e 104.
[022] O alojamento 106 tem passagens e aberturas para fornecimento de um fluido ao canal de meio 12, que pode ser um líquido ou um gás e para fornecer ar ou vácuo a um canal de ativação, rodando o suporte de vedação 105 para se mover em relação ao alojamento 106. Mais especificamente, o alojamento 106 forma uma entrada de atuação 200, a qual está ligada de um modo fluido a um furo de pistão 202 formado no alojamento 106. O furo de pistão 202 tem uma linha central 203 que se estende paralela para uma linha central 205 do furo 128, como mostrado nas Figuras 2 e 3, a uma distância de deslocamento D (indicada na figura 3).
[023] Um pistão flutuante 206 está disposto de forma deslizante no interior do furo de pistão 202. O pistão flutuante 206 tem uma forma geralmente cilíndrica que se move livremente e geralmente de forma vedada dentro do furo de pistão 202. Na forma de realização ilustrada, o ar ou outro fluido a uma pressão aplicada na entrada de atuação irá encher o furo do pistão e induzir uma força pneumática (ou, hidráulica, dependendo do tipo de fluido utilizado) sobre uma face axial do pistão 206 tendendo a empurrar o pistão 206 em uma direção para fora ou para a extensão em relação ao alojamento 106. Um vácuo pode também ser aplicado para retrair o pistão 206 para dentro do furo 202. Durante o funcionamento, uma força que tende a prolongar o pistão 206 em relação ao alojamento 106 é transferida para o suporte de vedação não rotativo 105. Na concretização particular mostrada, o suporte de vedação não rotativo 105 forma, ou está ligado a, uma haste de atuação 208 que se estende radialmente para fora a partir do suporte de vedação não rotativo 105 em relação à linha central de furo 205. A haste de atuação 208 é contatada por uma face axialmente voltada para fora 210 (indicada na Figura 3) do pistão 206 e é empurrada por esse meio enquanto o pistão 206 é pressionado para estender-se, e prolonga-se, em relação ao alojamento 106 como descrito acima. Na forma de realização ilustrada, a haste 208 é aceita de forma deslizante dentro de uma ranhura ou canal 207 formado no alojamento 106. A haste 208 e a ranhura 207 formam em conjunto uma disposição com chave que impede a rotação do suporte de vedação não rotativo 105 durante o funcionamento.
[024] Componentes de força adicionais ou contribuições de força podem afetar uma força líquida que tende a estender ou a traduzir o suporte de vedação não rotativo 105 em relação ao alojamento 106. Por exemplo, pode ser adicionada uma mola (não mostrada) entre o componente de rotação não rotativo o suporte de vedação 105 e o alojamento 106 tendendo a inclinar o suporte de vedação não rotativo 105 para dentro ou para fora do alojamento 106. Em uma concretização, por exemplo, tal mola pode ser colocada no interior do furo e ligada entre o pistão e o alojamento para proporcionar uma força entre eles que desvia o pistão para fora ou para o alojamento. Além disso, o suporte de vedação não rotativo 105 pode apresentar uma superfície hidráulica líquida, que também pode ser referida como uma relação de equilíbrio, que é exposta à pressão de fluido dentro do canal de meio 112 e que produz uma força que tende a pressionar o elemento que não rotaciona o suporte de vedação 105 para se deslocar na presença de fluido dentro do canal de meios 112.
[025] A dimensão de uma folga entre o pistão 206 e o furo 202, que facilita o movimento livre do pistão 206 dentro do furo 202, pode ser controlada de uma forma que é semelhante às vedações previstas entre um furo e um pistão alternativo em um motor de combustão interna para permitir pelo menos alguma fuga de fluido a partir do interior do furo 202 para o ambiente. Tal fuga pode ajudar a desencorajar a aderência ou a ligação do pistão 206 dentro do furo 202 durante o funcionamento.
[026] Durante o funcionamento, a aplicação de uma pressão de ar relativamente baixa ao furo do pistão 202 fará com que o suporte de vedação não rotativo 105 se prolongue em relação ao alojamento 106. Por outras palavras, não obstante quaisquer forças hidráulicas que atuam sobre o corpo de rotação não rotativo 105 pelo meio e fazendo com que o mesmo se mova axialmente em relação ao alojamento 106, uma aplicação de pressão de ar ao furo 202 do pistão terá o efeito de um pistão linear pneumático (ou hidráulico, dependendo do tipo de fluido utilizado), o atuador que utiliza o pistão 206 para empurrar contra a haste 208 e estender o suporte de vedação não rotativo 105 em relação ao furo 202 do alojamento 106. Especificamente, quando é proporcionado um fluxo de ar à entrada de atuação de ar 200, o fluxo do impulso e a pressão desse ar encherão o furo 202 do pistão e, mesmo que parte do ar possa vazar através do intervalo entre o pistão 206 e o furo 202, empurrará dinamicamente e pneumaticamente contra um lado traseiro do pistão 206, provocando assim o suporte de vedação não rotativo 105 deslocar-se em uma direção de extensão em relação ao alojamento 106. Em outras palavras, o movimento axial do rotor ou do suporte de vedação rotativo 103 em direção ao alojamento 106 pode ser evitado enquanto a pressão de ar está presente dentro do furo do pistão 202 um anel de encaixe 212 pode ser ligado ao alojamento 106 e disposto para limitar o movimento axialmente para fora do suporte de vedação não rotativo 105 em relação ao alojamento 106 por contato da haste 208 através da extremidade do furo 207 quando o rolamento sem rotação do suporte de vedação 105 está em uma posição totalmente estendida, como mostrado na Figura 3.
[027] Em um aspecto, a união rotativa 100 está configurada para evitar forças indesejáveis que atuam sobre o suporte de vedação não rotativo 105 no caso de falha parcial ou completa da vedação secundária 114 durante o funcionamento. Por exemplo, uma falha parcial ou completa na função de vedação da vedação secundária 114 pode resultar em meios presentes dentro do canal de meio 112 que passam ao longo da região 129 do furo 128 e na vizinhança do pistão 206. Se uma quantidade suficiente do meio pode recolher e pressurizar em torno do pistão 206, pode conferir uma força hidráulica ao pistão e, assim, ao suporte de vedação não rotativo 105. Além disso, esse fluido pode ainda penetrar no sistema pneumático que está ligado ao ar (200). Para evitar tais efeitos em caso de fuga, a união rotativa (100) inclui uma disposição de ventilação de fluido, como se mostra na seção transversal da Figura 7.
[028] Em referência à Figura 7, o alojamento 106 forma um canal de recolhimento 214 que, na forma de realização ilustrada, está disposto dentro do furo 128 de modo que a vedação secundária 114 está entre o canal de recolhimento 214 e um lado de entrada de fluido do canal de meios 112. O canal de recolhimento 214 prolonga de forma anular em torno de uma seção transversal completa do furo 128. Nesta disposição, o fluido a partir do interior do canal de meio 112 que pode vazar para além da vedação secundária 114 recolherá no interior do canal de recolhimento 214. Pelo menos uma passagem de ventilação 216 é formada no alojamento 106. Na forma de realização ilustrada, são mostradas duas passagens de ventilação 216. Cada passagem de ventilação 216 prolonga-se inteiramente através do alojamento 106 entre o canal de recolhimento 214 e uma porção externa do alojamento 106 de modo que qualquer fluido presente no interior do canal de recolhimento 214 pode sair da união rotativa 100 através da passagem de ventilação 216.
[029] Dependendo da orientação de instalação da união rotativa, o fluido pode passar através do canal de ventilação por força da gravidade ou por deslocamento de fluido à medida que um fluido adicional pode ser adicionado ao canal de recolhimento. Notavelmente, a presença da passagem de ventilação garante que não pode ocorrer pressurização de fluido vazado dentro da união rotativa, o que pode afetar o funcionamento da união rotativa como descrito anteriormente.
[030] Uma forma de realização alternativa da união rotativa 100 é mostrada nas Figuras 4 e 5. Aqui, os números de referência idênticos designam estruturas semelhantes às anteriormente descritas e ilustradas, por exemplo, nas Figuras 2 e 3, por simplicidade. Nesta concretização, uma união rotativa 300 inclui um segundo pistão 306 que empurra contra uma segunda haste 308 formada sobre ou ligada ao suporte de vedação não rotativo 105. O segundo pistão 306 está disposto em um segundo furo 302 formado no alojamento 106. O segundo furo 302 é paralelo ao furo 202 que acomoda o primeiro pistão 206, tal como descrito acima, de tal modo que ambos os pistões 206 e 306 podem conferir uma força em uma única direção sobre o suporte de vedação não rotativo 105. Na forma de realização ilustrada, os pistões 206 e 306 são da mesma construção, por exemplo, de tamanho e forma idênticos, e estão sujeitos à mesma fonte de pressão pneumática durante o funcionamento. Conforme ilustrado, uma passagem de ar combinada 312 formada em um componente de máquina não rotativo 314 no qual o alojamento 106 está ligado, está ligada de modo fluido a um canal anular 310 definido entre um canal formado no alojamento 106 e uma superfície do componente de máquina 314 do canal anular interliga de modo fluido a passagem de ar combinada 312 com o primeiro e segundo furos 202 e 302 de tal modo que a pressão de ar aplicada ao canal de ar combinado é distribuída igualmente ao primeiro e segundo furos 202 e 302.
[031] De um modo semelhante ao primeiro pistão 206 que se apoia contra a haste 208, o segundo pistão 306, que flutua no respectivo segundo furo 302, apoia-se contra a segunda haste 308 e opera para empurrar o mesmo, e também o não- rotacional, quando uma pressão de ar está presente dentro do segundo furo 302. Nesta configuração utilizando dois pistões, a força com a qual os pistões impelem o suporte de vedação não rotativo 105 em uma direção de extensão em relação ao alojamento 106 pode ser dobrada quando comparada com a força de extensão aplicada por um único pistão do mesmo tamanho, como na união rotativa 100 acima descrita. Adicionalmente, podem ser utilizados dois pistões, como é o caso na forma de realização ilustrada, ou mais do que dois pistões. Os dois ou mais pistões podem ser dispostos simetricamente em torno do suporte de vedação não rotativo 105 para aplicar forças simetricamente ao suporte de vedação não rotativo e assim diminuir ou evitar o desalinhamento do suporte de vedação não rotativo em relação ao furo do alojamento no qual ele está disposto de forma deslizante.
[032] Um fluxograma para um método de funcionamento da união rotativa 100 ou 300 é mostrado na Figura 6. O método descrito é apresentado para ilustrar um possível modo de operar uniões rotativas de acordo com a presente descrição e não deve ser entendido como sendo exclusivos de outros modos de operação ou exaustivos de todos os modos de operação possíveis. O método descrito inclui características desejáveis para o funcionamento de uma união rotativa, podendo todos ou um subconjunto do mesmo ser utilizado em momentos diferentes durante o funcionamento ou em aplicações diferentes, dependendo dos requisitos particulares de cada tarefa operacional.
[033] O método descrito é aplicável à utilização de um acoplamento rotativo em uma máquina-ferramenta, em que características operacionais indesejáveis podem estar presentes no início e no final de uma tarefa de trabalho. A tarefa de trabalho contemplada pode incluir um ciclo de iniciação, utilização e evacuação dos meios de trabalho a partir da união rotativa. Na aplicação contemplada, a fuga do meio de trabalho é indesejável tanto no início como no final da tarefa de trabalho, quando as vedações de face estão encaixando e desengatando, respectivamente.
[034] Tendo em vista o que antecede, é aplicado um fluxo de ar à entrada de atuação de ar em 402, a qual opera para engatar a vedação rotativa na ausência de meios de trabalho como previamente discutido. Por exemplo, o fluxo de ar pode ser aplicado à entrada de acionamento de ar 200 ou 310 para pressionar os respectivos pistões contra as hastes do suporte de vedação não rotativo e empurrar o mesmo, prolongando assim o suporte de vedação não rotativo em relação ao alojamento para engatar a vedação de face mecânica entre os elementos de vedação rotativos e não rotativos 102 e 104.
[035] Quando a vedação está engatada, o fluxo de ar pode ser opcionalmente interrompido em 404, o que em uma concretização ocorre ao mesmo tempo ou logo após o início do fluxo de meio no canal de meio 406. Deve ser apreciado que para aquelas concretizações de união rotativa que incluem uma mola de abertura, a descontinuação do fluxo de ar na ausência de meios de trabalho pode fazer com que a vedação se desengate e, assim, para essas formas de realização, a etapa de processo 404 pode ser omitida. Para as concretizações que não incluem uma mola de abertura, a descontinuação do fluxo de ar não pode fazer com que a vedação se desengate se forças estáticas, tais como fricção e forças de fecho, tais como molas, etc., podem ultrapassar quaisquer forças de abertura de tal modo que a vedação do engate pode ser mantida.
[036] Com a vedação rotativa engatada, um fluxo de meio de trabalho pode ser iniciado em 406. O fecho da vedação antes do início do fluxo de meio de trabalho pode ser desejável por várias razões. Por exemplo, embora meios de trabalho incompressíveis causem o engate de vedação com base na relação de equilíbrio da união rotativa, forças hidráulicas insuficientes durante um período limitado de iniciação de fluxo dentro do canal de meio podem permitir fugas de fluido a menos que as vedações já estejam engatadas. Fornecendo primeiro o fluxo de ar para engatar a vedação em 402, pode-se assegurar contra essa fuga de fluido indesejável.
[037] Quando a tarefa de trabalho está completa, um fluxo de ar pode ser aplicado à entrada de atuação de ar em 408. Normalmente, a força que tende a empenhar as vedações não pode ser combinada com uma força hidráulica do meio de trabalho para reduzir o desgaste da vedação. Aqui, a aplicação do fluxo de ar é durante um tempo limitado enquanto o fluxo e a pressão do fluido de trabalho são reduzidos de modo que a vedação pode permanecer em uma condição engatada. Opcionalmente, pode ser aplicado um vácuo ao canal de meio para remover qualquer fluido de trabalho remanescente em 410, enquanto o fluxo de ar é ainda aplicado para manter a vedação em uma condição engatada. Desta forma, a evacuação eficaz do canal de meio pode ser conseguida e a fuga de fluido pode ser evitada.
[038] Quando a evacuação do fluido de trabalho está completa, o fluxo de ar para a entrada da atuação de ar é descontinuado e pode opcionalmente ser substituído pela aplicação de um vácuo na mesma porta em 412. Como descrito anteriormente, a aplicação de vácuo ao ar pode provocar uma retração do(s) pistão(ões) dentro do(s) furo(s) respectivo(s) do pistão, o que pode remover impedimentos para o desengate da vedação, bem como operar para limpar o furo de quaisquer fluidos e/ou outros detritos que possam ter recolhido no mesmo. Deve notar-se que esta etapa do processo pode não ser necessária se uma mola de abertura for utilizada para pressionar os membros de vedação para além.
[039] Alternativamente, o desengate dos membros de vedação pode ser conseguido por movimento axial do elemento de vedação rotativo.
[040] Em funcionamento, a união rotativa 100 ou 300 pode utilizar um fluxo de ar ou um fluxo de líquido de arrefecimento fornecido a apenas acima da pressão atmosférica para o(s) furo(s) do pistão de modo que os elementos de vedação 102 e 104 possam ser engatados. A magnitude dos vários parâmetros relevantes e as dimensões das estruturas associadas podem variar dependendo das dimensões particulares que são selecionadas para as estruturas que facilitam o engate ou desengate das vedações.
[041] Uma seção transversal de uma forma de realização alternativa de uma união rotativa 500 está ilustrada na Figura 8, em que as estruturas e características que são iguais ou semelhantes às estruturas e características correspondentes da união rotativa 100 anteriormente descritas são indicadas pelos mesmos números de referência anteriormente utilizados para simplificar. Note que a seção transversal da Figura 8 foi tomada na mesma orientação que a seção transversal mostrada na Figura 7, mas na união correspondente 500. Como pode ser visto quando se comparam as FIGS. 7 e 8, a união rotativa 500 é geralmente semelhante à união rotativa 100, mas com diferenças estruturais como discutido abaixo.
[042] Uma diferença estrutural na união rotativa 500 está nas aberturas de ventilação adicionais 502 (duas ilustradas), que estão dispostas em comunicação de fluido com as passagens de ventilação 216 e estendem perpendicularmente a elas, como mostrado, ao longo de uma linha central do canal de meios 112. As aberturas de ventilação adicionais 502 facilitam a ventilação ou drenagem do fluido a partir do canal de recolhimento 214 quando a união rotativa 500 opera em qualquer orientação.
[043] Adicionalmente, é formado um rebordo 504 no alojamento 106 que serve para reduzir a massa do alojamento 106, em comparação com o alojamento 106 da forma de realização ilustrada na Figura 7, bem como para proporcionar uma via mais pronta para a ventilação ou drenagem do fluido a partir das aberturas de ventilação adicionais 502.
[044] Com respeito a fornecer um batente mecânico para limitar a extensão do suporte de vedação não rotativo 105 em relação ao alojamento 106, a união rotativa 500 inclui um rebordo 506 que forma um flange 508 que se estende radialmente para fora. O rebordo 506 na forma de realização ilustrada é encaixada por pressão em uma extremidade do suporte de vedação não rotativo 105 de tal modo que o flange 508 sobressaia para fora de uma extremidade do suporte de vedação não rotativo 105. Na forma de realização ilustrada o furo 128 tem uma porção em degrau 510 que está disposta radialmente para fora em relação à região 129 do furo 128 e que acomoda na mesma o flange 508 com um ajuste de folga. Durante o funcionamento, quando o suporte de vedação não rotativo 105 se prolonga em relação ao alojamento 106 à medida que desliza ao longo do furo 128, o deslocamento do suporte de vedação não rotativo 105 ao longo do furo 128 é limitado e o movimento de deslizamento parado quando o flange 508 encosta a uma face anular que se prolonga radialmente 512 se estendendo entre a porção em degrau 510 e a região 129 do furo 128. O colar 506 e o flange 508 são assim uma alternativa ao anel de encaixe 212 ilustrado na Figura 2. Quer o colar 506 e o flange 508, o anel de encaixe 212 ou qualquer outro batente mecânico são/são usados para limitar o deslocamento do suporte de vedação não rotativo 105 em relação ao alojamento 106, tal limitação de deslocamento garante que o pistão flutuante permaneça suportado de forma deslizante no interior do furo do pistão quando o suporte de vedação não rotativo atinge a sua posição de extensão máxima em relação ao alojamento.
[045] Todas as referências, incluindo publicações, pedidos de patentes e patentes, aqui citadas são aqui incorporadas por referência na mesma extensão que se cada referência fosse individual e especificamente indicada para ser incorporada por referência e foram estabelecidas na sua totalidade aqui.
[046] A utilização dos termos "a" e "um" e "o" e referencias semelhantes no contexto da descrição da invenção (especialmente no contexto das reivindicações seguintes) deve ser interpretada para cobrir tanto o singular como o plural, salvo indicação em contrário aqui ou claramente contradita pelo contexto. Os termos "compreendendo", "tendo", "incluindo" e "contendo" devem ser interpretados como termos abertos (isto é, significando "incluindo, mas não se limitando a"), a menos que indicado de outra forma. A recitação de intervalos de valores neste documento destina- se meramente a servir como um método abreviado de se referir individualmente a cada valor separado que cai dentro do intervalo, a menos que indicado de outro modo aqui, e cada valor separado é incorporado na especificação como se fosse individualmente aqui descrito. Todos os métodos aqui descritos podem ser realizados em qualquer ordem adequada, a menos que indicado de outro modo neste documento ou de outro modo claramente contraditado pelo contexto. A utilização de qualquer e todos os exemplos, ou linguagem exemplificativa (por exemplo, "tal como") aqui proporcionada destina-se meramente a melhor iluminar a invenção e não constitui uma limitação no âmbito da invenção, a menos que seja reivindicado em contrário. Nenhuma linguagem na especificação deve ser interpretada como indicando qualquer elemento não reivindicado como essencial para a prática da invenção.
[047] As formas de realização preferidas desta invenção são aqui descritas, incluindo o melhor modo conhecido pelos inventores para a realização da invenção. As variações destas concretizações preferidas podem tornar-se evidentes para os especialistas na técnica quando da leitura da descrição anterior. Os inventores esperam que os peritos na técnica utilizem tais variações conforme apropriado, e os inventores pretendem que a invenção seja posta em prática de forma diferente da aqui especificamente descrita. De acordo com isto, esta invenção inclui todas as modificações e equivalentes do assunto citado nas reivindicações anexas como permitido pela lei aplicável. Além disso, qualquer combinação dos elementos acima descritos em todas as suas possíveis variações é abrangida pela invenção, salvo indicação em contrário neste documento ou de outro modo claramente contradita pelo contexto.
Claims (15)
1. União rotativa (100) compreendendo: um alojamento (106) tendo um furo (128) em comunicação de fluido com uma abertura de canal de meio (112) e um furo de pistão (202) tendo uma extremidade aberta disposta a uma distância radialmente deslocada em relação ao furo (128), o furo de pistão (202) sendo isolado por fluido da abertura de canal de meio (112) e o furo (128), e está ligado de modo fluido a uma entrada de atuação (200); um suporte de vedação não rotativo (105) disposto de forma deslizante no interior do furo (128) no alojamento (106) e tendo um canal de meio (112) em comunicação de fluido com o furo (128); uma haste de atuação (208) ligada ao suporte de vedação não rotativo (105) e que se prolonga radialmente para fora a partir do mesmo em relação ao furo (128), a haste de atuação (208), pelo menos parcialmente, sobrepondo a extremidade aberta do furo do pistão (202); um pistão (206) disposto de forma deslizante no interior do furo do pistão (202) e separado do alojamento (106) e da haste de atuação (208), de tal modo que o pistão (206) pode se mover livremente no interior do furo do pistão (202) e de maneira independente do alojamento (106) e do suporte de vedação não rotativo (105) para definir um volume de pistão variável entre o pistão (206) e o furo do pistão (202), o volume do pistão variável estando ligado de modo fluido à entrada de atuação (200), o pistão (206) estando adaptado para se estender para fora da extremidade aberta do furo (202) quando uma pressão de fluido proporcionada através da entrada de atuação (200) está presente no volume de pistão (206) variável, o pistão (206) sendo configurado para pressionar a haste de atuação (208), e assim o suporte de vedação não rotativo (105), para deslocar em relação ao furo (128) quando o pistão (206) desloca em relação ao furo do pistão (202); e uma vedação disposta em torno do suporte de vedação não rotativo (105) e disposta para criar uma vedação deslizante entre o suporte de vedação não rotativo (105) e o furo (128); em que o suporte de vedação não rotativo (105) está disposto para se estender em relação ao alojamento (106) quando a pressão do fluido está presente no furo do pistão (202), CARACTERIZADA pelo fato de que o pistão (206) é configurado para encostar de forma liberável a haste de atuação (208).
2. União rotativa, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende ainda: um segundo furo do pistão (302) formado no alojamento (106), o segundo furo do pistão (302) tendo uma extremidade aberta correspondente, o segundo furo do pistão (302) se estendendo paralelo ao furo do pistão (202); uma segunda haste de atuação (308) ligada ao suporte de vedação não rotativo (105) e prolongando-se radialmente para fora a partir da mesma em relação ao furo (128), a segunda haste de atuação (308), pelo menos parcialmente, sobrepondo- se à extremidade aberta correspondente do segundo furo pistão (302); e um segundo pistão (306) disposto de forma deslizante no interior do segundo furo do pistão (302) de tal modo que um segundo volume de pistão variável é definido entre o segundo pistão (306) e o segundo furo do pistão (302), o segundo pistão (306) estando adaptado para se estender para fora a partir da extremidade aberta correspondente do segundo furo do pistão (302) com um deslocamento que corresponde a um deslocamento do pistão (206) quando a pressão de fluido está presente no segundo volume de pistão variável; em que o segundo pistão (306) está configurado para encostar de forma liberável a segunda haste de atuação (308) e para pressionar a segunda haste de atuação (308) em conjunto com o pistão (206) que pressiona a haste de atuação para deslocar o suporte de vedação não rotativo (105) em relação ao furo (128) quando o pistão e o segundo pistão (306) se deslocam em relação ao furo do pistão (302).
3. União rotativa, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADA pelo fato de que a entrada de atuação (200) pode ser ligada a uma fonte de fluido pressurizado ou de vácuo, e em que a entrada de atuação (200) liga de forma fluida o furo do pistão (202) e o segundo furo do pistão (302) com a fonte.
4. União rotativa, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, CARACTERIZADA pelo fato de que a haste de atuação (208) e a segunda haste de atuação (308) estão dispostas em posições radiais diametralmente opostas em relação ao suporte de vedação não rotativo (105) e ao furo (128).
5. União rotativa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARAC TERIZADA pelo fato de que compreende ainda um canal de recolhimento (214) formado no alojamento (106) em torno do furo (128) e em comunicação de fluido com o furo (128), o canal de recolhimento (214) estando disposto entre a vedação (114) e uma extremidade aberta do furo oposto à abertura do canal de meio (112), o canal de recolhimento (214) se prolongando de forma anular em torno de uma seção transversal completa do furo (128) e adaptado para recolher um vazamento de fluido do meio após a vedação (114).
6. União rotativa, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende ainda pelo menos uma passagem de ventilação (216) que é formada no alojamento (106) e que se prolonga a partir do canal de recolhimento (214) completamente através do alojamento para uma porção exterior do alojamento, estando a pelo menos uma passagem de ventilação (216) adaptada para ventilar o fluido presente ou recolhido dentro do canal de recolhimento (214) para fora do alojamento (106), preferencialmente compreendendo ainda pelo menos uma passagem de ventilação adicional (216) formada no alojamento (106) e estando ligada de modo fluido com a pelo menos uma passagem de ventilação (216), a pelo menos uma passagem de ventilação adicional (216) se estendendo em um ângulo em relação à pelo menos uma passagem de ventilação (216) entre a pelo menos uma passagem de ventilação e uma abertura adicional (502) na porção exterior do alojamento (106).
7. União rotativa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARAC TERIZADA pelo fato de que compreende ainda um batente mecânico que limita um deslocamento do suporte de vedação não rotativo (105) em relação ao alojamento (106) em uma direção de extensão, em que, preferencialmente o deslocamento do suporte de vedação não rotativo (105) é limitado de tal modo que o pistão (206) permanece suportado de forma deslizante no interior do furo do pistão (202), e/ou o batente mecânico inclui um anel de encaixe (212) instalado em uma ranhura formada no alojamento (106) em torno de uma extremidade livre do suporte de vedação não rotativo (105), o anel de encaixe (212) encostando na haste de atuação (208) quando o suporte de vedação não rotativo (105) é estendido em relação ao alojamento (106), e/ou o batente mecânico inclui um flange (508) ligado e se estendendo radialmente para fora a partir do suporte de vedação não rotativo (105), o flange (508) encostando a uma porção em degrau do furo (510) quando o suporte de vedação não rotativo (105) é estendido em relação ao alojamento (106).
8. União rotativa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADA pelo fato de o furo (128) ser geralmente cilíndrico e formar um intervalo entre um diâmetro interior do furo (128) e um diâmetro exterior do suporte de vedação não rotativo (105), o intervalo estando configurado para permitir desalinhamento angular em uma direção axial entre o suporte de vedação não rotativo (105) e o furo (128), que vantajosamente permite que a união rotativa assente condições de montagem e desalinhamento operacional entre os componentes da máquina rotativa (103) e não rotativa (105).
9. União rotativa, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADA pelo fato de o suporte de vedação não rotativo (105) e o furo (128) estarem associados de forma deslizante ao longo de uma superfície de região cilíndrica (129) tendo um comprimento axial ao longo do furo (128), o comprimento axial e a dimensão do diâmetro interno da superfície de região cilíndrica (129) sendo configurados para acomodar desalinhamento entre o suporte de vedação não rotativo (105) e o furo (128).
10. União rotativa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, CARACTERIZADA pelo fato de que o pistão (206) é um pistão flutuante tendo um ajuste de folga com o furo do pistão (202) de tal modo que uma fuga do fluido de atuação proporcionado ao furo do pistão (202) está presente durante o funcionamento.
11. Processo para operar uma união rotativa, compreendendo: proporcionar um alojamento (106) tendo um furo (128) em comunicação de fluido com uma abertura de canal de meio (112) e um furo de pistão (202) tendo uma extremidade aberta disposta em uma distância radialmente deslocada em relação ao furo (128), o furo do pistão (202) sendo isolado pelo fluido a partir da abertura do canal de meio (112) e do furo (128) e ligado de modo fluido a uma entrada de atuação (200); dispor de forma deslizante um suporte de vedação não rotativo (105) no interior do furo (128) no alojamento (106), e a ligação fluida de um canal de meio (112) com o furo (128); proporcionar uma haste de atuação (208) ligada ao suporte de vedação não rotativo (105) e que se estende radialmente para fora a partir do mesmo em relação ao furo (128), a haste de atuação (208), pelo menos parcialmente, sobrepondo a extremidade aberta do furo do pistão (202); dispor de forma deslizante um pistão (206) no interior do furo do pistão (202) de tal modo que um volume de pistão variável é definido entre o pistão (206) e o furo do pistão (202); aplicar uma pressão de fluido de atuação na entrada de atuação (200) de tal modo que a pressão do fluido de atuação esteja presente no volume do pistão variável e proporcionar uma força pneumática que tende a prolongar o pistão (206) em relação ao furo do pistão (202); empurrar a haste de atuação (208) com o pistão (206) e impelir a haste de atuação (208), e, assim, o suporte de vedação não rotativo (105), a deslocar-se em relação ao furo (128) quando o pistão (206) desloca em relação ao furo do pistão (202), CARACTERIZADO pelo fato de que o pistão (206) encosta de forma liberável a haste de atuação (208).
12. Processo para operar uma união rotativa, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERI ZADO pelo fato de que compreende ainda: proporcionar um segundo furo de pistão (302) formado no alojamento (106), o segundo furo de pistão (302) tendo uma extremidade aberta correspondente, o segundo furo de pistão (302) se estendendo em paralelo com o furo do pistão (302); proporcionar uma segunda haste de atuação (308) ligada ao suporte de vedação não rotativo (105) e que se estende radialmente para fora a partir do mesmo em relação ao furo (128), a segunda haste de atuação (308) se sobrepondo, pelo menos parcialmente, à extremidade aberta correspondente do segundo furo de pistão (302); dispor de forma deslizante um segundo pistão (306) deslizante dentro do segundo furo do pistão (302) de tal modo que um segundo volume de pistão variável seja definido entre o segundo pistão (306) e o segundo furo do pistão (302), o segundo pistão (306) estando adaptado para se estender para fora da extremidade aberta correspondente do segundo furo do pistão (302) a um deslocamento que corresponde a um deslocamento do pistão (206) quando uma pressão de fluido está presente no segundo volume de pistão variável; e encostar de forma liberável o segundo pistão (306) contra a segunda haste de atuação (308) de tal modo que a segunda haste de atuação (308) seja empurrada em conjunto com o pistão (206) empurrando a haste de atuação (208) para deslocar o suporte de vedação não rotativo (105) relativamente ao furo (128) quando o pistão (206) e o segundo pistão (306) deslocam em relação ao furo do pistão (202).
13. Processo para operar uma união rotativa, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a aplicação de um vácuo à entrada de atuação (200) para retrair o pistão (206) no furo do pistão (202).
14. Processo para operar uma união rotativa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, CARACTERI ZADO pelo fato de que compreende ainda recolher uma fuga de fluido entre o suporte de vedação não rotativo (105) e o furo (128) em um canal de recolhimento (214) formado no alojamento (106) em torno do furo (128) e comunicar fluidamente com o furo (128), o canal de recolhimento (214) se estendendo de forma anular em torno de toda a seção transversal do furo (128), preferencialmente compreendendo ainda ventilar o fluido recolhido no canal de recolhimento (214) através de pelo menos uma passagem de ventilação (216) que é formada no alojamento (106) e se estende desde o canal de recolhimento (214) completamente através do alojamento (106) até uma porção exterior do alojamento (106).
15. Processo para operar uma união rotativa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda limitar mecanicamente um deslocamento do suporte de vedação não rotativo (105) em relação ao alojamento (106) em uma direção de extensão de tal modo que o pistão (206) permaneça suportado de forma deslizante dentro do furo do pistão (202).
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