CN111212985A - 用于形成具有指状件的球窝接头的、具有凸花键的球形装置,以及设有该装置的摆动泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于形成具有指状件的球窝接头的装置。装置(10)包括圆柱形的内表面(11)。装置包括呈在其端部处截头的球形形式的外表面(12)。根据本发明,内表面(11)包括至少一个凹槽(14)或一个花键。此外,外表面(12)包括至少一个凸花键(13)。本发明还涉及借助这种装置的轴与盘之间的连接构造,以及装备有这种装置的摆动泵。

Description

用于形成具有指状件的球窝接头的、具有凸花键的球形装置, 以及设有该装置的摆动泵
技术领域
本发明涉及销球形接头的领域,具体涉及其在筒式泵中的使用。
销球形接头是两个机械元件之间的联接,其具有四个联接度(degré de liaison)和两个相对运动度(degré de mouvement relatif);仅两种相对旋转是可能的,三种平移和最后一种旋转是联接的。一般地,它是设有防旋转销的球形接头。这种类型联接的工作原理包括提供轴线不共线的两个旋转组件之间的扭矩传递。例如,在桶式泵的情况下,它可以是驱动轴和旋转盘之间的联接。
背景技术
目前,存在两种主要类型的销球形接头:
·万向接头(或万向节接头)(图1)能够实现非常高的扭矩传递,但具有相对小的角位移(约20度)。它们也较笨重。万向接头是机械系统中、例如汽车领域中最常用的销球形接头机构。图1示出了双万向接头在两个不同位置中的示例。万向接头包括在其端部处的两个套筒1和3,以及设置在套筒1和3之间的轴2。在套筒1和轴2之间组装有联轴件4。类似地,联接件5组装在轴2和套筒3之间。每个联接件4和5具有两个轭部和一个十字头(未示出),以使各部分能够相对运动。角位移α小,在20°的量级;
·球接头(图2)非常紧凑,并且它们能够实现超过50度的角位移。然而,可传递的扭矩小于万向接头,并且此外,其组装和实施(例如润滑)相对复杂。图2示出了球接头的一个示例。球接头允许轴6和轴8之间的连接。球接头包括大致球形的滚道7,滚珠9在其中旋转。
专利申请WO-2017/051,710公开了一种具有有利的角度幅度的销球形接头。然而,该机构的复杂性是显著的,并且可传递的扭矩相对较低。
此外,存在用于低转速和低扭矩应用场合的这种类型联接的其它示例,它们不适合于高扭矩和/或高转速。
为了克服这些缺陷,本发明涉及用于形成销球形接头的装置。该装置包括用于安装在轴上的圆柱形内表面。该装置包括外表面,该外表面在其端部处具有截头球的形状。根据本发明,内表面包括至少一个凹槽或一个花键,用于插入在轴和装置之间传递扭矩的键。此外,外表面包括至少一个冠状(或弯曲的)花键,用于装置与部件、特别是盘或圆盘之间的扭矩传递。这种特定形状(具有至少一个花键的球形)提供了销球形接头,并且其能够实现高扭矩传递以及显著的(大的)角位移。
发明内容
本发明涉及一种用于形成呈中空回转部分形式的销球形接头的装置,该中空回转部分包括大致圆柱形的内表面和在两端处具有大致截头球形的外表面。所述内表面包括至少一个凹槽,并且所述外表面包括至少一个冠状花键。
根据一实施例,所述外表面包括多个均匀分布的冠状花键。
有利地,所述外表面包括在五至十九个之间的冠状花键、优选地在七至十三个之间的冠状花键。
根据一实施方式,所述冠状花键具有大致正方形、矩形或梯形的截面。
根据一个方面,所述装置由单体件构成。
根据一特征,所述装置由金属制成、特别是铁合金、优选地由钢制成。
有利地,根据所述装置的轴向切割平面,由所述装置的所述外表面的两个端部与所述球体的中心形成的角度β的范围在60°至120°之间、特别是在80°至100°之间,并且角度β优选地为90°。
此外,本发明涉及轴与盘之间的连接构造。根据上述特征之一的用于形成销球形接头的装置借助至少一个键或花键轴安装在所述轴上,并且所述盘借助与所述至少一个冠状花键配合的至少一个凹槽安装在所述装置的所述外表面上以形成一销球形接头。
有利地,所述盘包括用于形成角度止动件的至少一个装置。
本发明还涉及具有旋转盘的筒式泵,其包括根据上述特征之一的连接构造,用于联接驱动轴与所述旋转盘。
本发明还涉及一种根据上述特征之一的所述筒式泵在钻井作业中的用途,特别是用于灌注钻井泥浆。
附图说明
根据本发明装置的其它特征和优点将通过参照附图并阅读以非限制性示例的方式给出的以下实施例描述中变得明了,附图中:
-图1,已经描述过,示出了根据现有技术的万向接头,
-图2,已经描述过,示出了根据现有技术的球接头,
-图3示出根据本发明的一实施例的用于形成销球形接头的装置,
-图4示出根据本发明的一实施例的用于形成销球形接头的装置的剖视图,以及
-图5示出根据本发明的一实施例的轴与盘之间的销球形接头。
具体实施方式
本发明涉及一种用于形成销球形接头的装置。销球形接头是两个机械元件之间的联接,其具有四个联接度(degré de liaison)和两个相对运动度(degré de mouvementrelatif);仅两种相对旋转是可能的,三种平移和最后一种旋转是联接的。一般地,它是设有防旋转销的球形接头。这种类型联接的工作原理包括提供轴线不共线的两个旋转组件之间的扭矩传递。
为了描述清楚,在以下的其余描述中使用术语“装置”来表示用于形成销球形接头的装置。
根据本发明,用于形成销球形接头的装置是中空回转部分。应注意的是,在几何形状中,回转部分是由闭合平面表面绕位于同一平面中的轴线旋转而产生的部分,该轴线与闭合平面表面没有共同点,或仅有边界点。
用于形成销球形接头的装置包括大致圆柱形的内表面。因此,装置的中空部分是大致圆柱形的。因此,该装置适于安装在圆柱形轴上。内表面包括用于插入键或花键轴(在多个花键的情况下)的至少一个凹槽,从而在轴与装置之间传递扭矩。使用键或花键传动可实现高扭矩传递。
根据本发明的装置包括外表面,该外表面的在两端大致具有截头球形的形状。球形由垂直于装置的回转轴线的两个平面截头。外表面的这种部分球形的形状提供了球形接头。此外,外表面包括至少一个冠状(或弯曲的)花键。冠状的花键一方面允许形成销球形接头的销,并且另一方面允许在装置与位于装置外表面之间的元件(例如,盘或圆盘)之间提供大扭矩传递。
用于形成销球形接头的装置的这种设计提供了高紧凑性、大角位移和使用的简便性。
有利地,(一个或多个)花键平行于装置的回转轴线。
优选地,(一个或多个)花键具有与装置的外表面的整体球形形状平行的冠状(或弯曲的)形状。因此,各花键可以是渐开线花键,从而具有最大可传递扭矩。
根据本发明的一方面,外表面包括均匀地分布在球形表面的圆周上的多个冠状花键。因此,可以在根据本发明的装置与位于该装置的外表面上的元件之间传递更高的扭矩。花键优选地彼此平行。例如,装置的外表面可包括五到十九个、优选地七到十三个冠状花键,从而优化装置的制造和由此可传递的扭矩,并且优化花键中力的分布。
为了给冠状花键提供良好的机械强度,花键可具有大致矩形、大致正方形或大致梯形的截面。花键可具有防止应力集中的圆角半径。
有利地,根据本发明的装置可关于垂直于其回转轴线的平面对称。因此,装置易于制造。
根据本发明的一特征,凹槽可具有大致矩形的截面。因此,可以容易地使用大致平行六面体的键来传递转矩。
为了简化根据本发明的装置的组装和制造,该装置可由单体件构成。
有利地,根据本发明的装置可由金属制成、特别是含铁金属合金,例如钢,从而具有足够的强度来传递高扭矩。
根据本发明的装置可通过机械加工、模制、增材制造或任何类似的方法获得。
根据非限制性示例实施例,根据本发明的装置可以具有以下尺寸中的至少一个:
-球体的直径与装置沿着回转轴线的长度的比率可以在1至2的范围中、优选地在1.4至1.6之间,并且其例如可以是1.45,
-凹槽和键的截面可以是取决于内表面的直径和要传递的扭矩的,
-冠状花键的截面的尺寸范围可在300至1000mm2之间,更具体地在500至700mm2之间。
作为非限制性示例,图3示意地示出根据本发明的一实施例的用于形成销球形接头联接的装置。装置10是围绕轴线XX旋转的回转部分。装置10是中空的,并且其包括圆柱形的内表面11。内表面11包括凹槽14。凹槽14的截面是大致矩形的。装置10包括外表面12,该外表面12的两端处具有大致截头球形的形状,该截头是在垂直于轴线XX的两个平面上实现的。外表面12包括多个冠状(或弯曲的)花键13,在图示情况下,有九个冠状花键13。冠状花键13具有大致平行于装置的外表面12的外表面。这些花键13是渐开线花键。
根据本发明的一实施例,在所述装置的轴向切割平面(包括回转轴线的平面)中,由根据本发明的装置的外表面的两个端部和球体的中心(对应于外表面)形成的角度β可在60°至120°的范围内,更具体地在80°至100°之间,并且其优选地基本上为90°。该角度提供了大的球形接头表面面积,因此它能够实现大的角位移,例如大约40°。
作为非限制性示例,图4示意地示出具有轴15与根据本发明的一实施例的用于形成销球形接头的装置10的组件。图4是沿着该组件的轴向切割平面(包括回转轴线XX的平面)的剖视图。在该图中,仅示出单个冠状花键13。轴15借助键17安装在装置10上。在该图中,点E1对应于装置10的外表面12的第一端,点E2对应于装置10的外表面12的第二端(与第一端相对),且点O对应于外表面12的球体的中心。由点E1、O和E2形成的角度β大致为90°。
此外,本发明涉及例如轴与盘(或圆盘)之间的连接构造。该连接构造是销球形接头。该连接构造通过根据上述特征的组合之一的用于形成销球形接头的装置来实现。因此,对于这种连接构造,用于形成销球形接头的装置借助至少一个键安装在轴上。此外,盘安装在装置的外表面上,从而借助与(一个或多个)冠状花键配合的至少一个凹槽来形成销球形接头。
借助本发明,在轴与盘之间形成销球形接头联接:盘可借助于装置的球形外表面旋转,并且扭矩可以通过键或或通过(一个或多个)冠状花键从轴传递到盘。
在此,该联接是非滑动恒速球形接头,这意味着接头输入处的转速与接头输出处的转速相同,并且该连接是无滑动而通过直接机械驱动发生的。
这种连接可实现销球形接头联接,提供高紧凑性、大角位移和使用的简便性。
为了实现销球形接头,盘可包括设有大致球形的内表面。
为了便于连接构造的组装,盘可由两个半壳体组成。替代地,盘可制成为单件。
根据本发明的一方面,盘(或圆盘)可包括形成角度止挡件的装置。它可以是与轴接触的表面;例如,盘可包括锥形形内表面,其与轴接触,以供最大角位移。
作为非限制性示例,图5示意地示出借助装置10的轴15与盘16的连接构造,装置10如上文所限定的用于形成销球形接头。所示装置10对应于图3所示的实施例。轴15借助键17安装在装置10中。此外,盘16借助与装置10的外表面的冠状(弯曲的)花键13配合的凹槽(内花键)安装在装置10上。
此外,本发明涉及一种具有旋转盘的筒式泵,该筒式泵包括在驱动轴与旋转盘之间的如上限定的连接构造。
筒式泵的目的是通过若干活塞的线性位移来泵送流体(例如水、油、气、钻井泥浆等)。这种类型的泵具有紧凑、具有有利的机械和容积效率,以及优异的重量/功率比的优点。此外,旋转的筒式泵适于高压泵送。
本发明的筒式泵包括壳体,并且其在壳体内包括:
-驱动轴,其由外部能量源、特别是原动机(例如,热或电原动机)、具体是借助传动装置(例如,变速箱)而被驱动相对于壳体旋转,
-由驱动轴驱动的旋转盘:旋转盘相对于驱动轴倾斜;旋转盘的倾斜产生旋转盘的摆动运动;旋转盘相对于壳体具有旋转运动和摆动运动,
-缸体(称为筒),包括至少两个周向分布(换言之,沿圆周分布)的压缩室(也称为套筒),以及
-至少两个活塞,其分别在压缩室中平移,各活塞由旋转盘借助连接杆驱动(杆借助球形接头连接旋转盘和活塞,从而将摆动运动转换成活塞的平移运动),并且活塞在压缩室内的平移产生对流体的泵送。
根据本发明,旋转盘借助根据本发明的销球形接头由驱动轴驱动,销球形接头的位置确定了旋转盘相对于驱动轴的倾斜度。对于本发明,球形接头的销允许调节盘相对于驱动轴的倾斜度。实际上,泵包括用于控制销球形接头并因此控制旋转盘相对于驱动轴的倾斜度的装置。
因此,旋转盘的倾斜度是连续可调的,这允许可变排量。实际上,盘的倾斜度影响各活塞的冲程。此外,通过冲程体积的连续变化,根据本发明的泵提供了良好的灵活性。此外,由于泵的渐进启动的可能性,根据本发明的泵能允许有良好的可靠性:例如,在启动时,倾斜角可以是小的,并且随后其可以根据期望的条件(流体流动速率和压力)而增大。这种可靠性不能通过倾斜度是固定的泵或其倾斜度不能连续变化的泵来获得。
盘可具有大致圆盘的形状。然而,盘可具有任何形状。只是压缩室(和活塞)要布置在圆周上。
有利地,根据本发明的泵可包括的活塞数量范围在三个至十五个之间、优选地在五个至十一个之间。因此,大量活塞提供了泵上游和下游的连续流。
通常,泵还包括用于待泵送的流体的入口和出口。流体经泵入口流到压缩室中,在压缩室中其被压缩,然后藉由活塞经出口从泵中被排出。
此外,通常,枢转连接由轴承或滚动轴承组成,促进各元件的相对运动。
优选地,缸体(或筒)可相对于壳体是固定的。因此,用于泵送的能量供应仅通过驱动轴的旋转在驱动轴处提供;因此,旋转部件的数量受到限制。
替代地,缸体也可相对于壳体旋转。这种结构的优点是,能容易地使盘在倾斜度方面可调节,从而实现可变排量。
本发明还涉及根据本发明的泵用于钻井作业的用途,特别是用于将钻井泥浆注入到井筒中。实际上,根据本发明的泵由于其灵活性、紧凑性和耐高压强度而非常适于该用途。
例如,根据本发明的泵的尺寸可以设计成在高达1500巴(bar)、即150MPa的量级的压力下作业。此外,根据本发明的泵的尺寸可以设计成以范围在30至600m3/h的流动速率作业。

Claims (11)

1.一种用于形成呈中空回转部分形式的销球形接头的装置,所述中空回转部分包括大致圆柱形的内表面(11)和在两端处大致具有截头球形的外表面(12),其特征在于,所述内表面(11)包括至少一个凹槽(14)或一个花键,并且所述外表面(12)包括至少一个冠状花键(13)。
2.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述外表面(12)包括均匀分布的多个冠状花键(13)。
3.如权利要求2所述的装置,其特征在于,所述外表面(12)包括在五个至十九个之间的所述冠状花键(13)、优选地在七个至十三个之间的所述冠状花键(13)。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述冠状花键(13)具有大致正方形、矩形形或梯形的截面。
5.如前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置(10)由单体件构成。
6.如前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置(10)由金属、特别是铁合金、优选地为钢制成。
7.如前述权利要求中任一项所述的装置,其特征在于,在所述装置(10)的轴向切割平面中,由所述装置(10)的所述外表面(12)的两端和所述球形的中心(O)形成的角度β在60°至120°之间的范围中、特别是在80°至100°之间的范围中,并且所述角度β优选地为大致90°。
8.一种轴(15)与盘(16)之间的连接构造,其特征在于,如前述权利要求中任一项所述的用于形成销球形接头的装置(10)借助至少一个键(17)或花键轴安装在所述驱动轴(15)上,并且所述盘(16)安装在所述装置(10)的所述外表面(12)上,从而借助与所述至少一个冠状花键(13)配合的至少一个凹槽形成销球形接头。
9.如权利要求8所述的连接构造,其特征在于,所述盘包括至少一个用于形成角度止挡件的装置。
10.一种具有旋转盘的筒式泵,其包括如权利要求8或9所述的连接构造,用于联接驱动轴(15)与所述旋转盘(16)。
11.一种如权利要求10所述的筒式泵用于钻井作业中的用途,特别是用于灌注钻井泥浆。
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