CN1742166A - 承受热膨胀的滑动轴承 - Google Patents

Abstract

一种用于在构架的圆柱形支撑表面内可旋转地支撑圆柱形轴的轴承(130)，其中所述轴承受热膨胀，所述轴承(130)由管形构件形成，该管形构件具有相对端部(132、134)，并具有贯穿其中的轴向通道，轴承构件(130)的外表面(136)具有靠近每个端部(132、134)的外圆周肋(144、146)，每个肋的外径允许轴承构件(130)可滑动地定位在构架的内圆柱形支撑表面内，轴向通道由内径的中间轴承面所限定，以可旋转地容纳轴，轴承面(150)的轴向长度小于肋之间的间隔，轴承(130)在其弹性限度内变形，允许轴承面(150)的内径扩张以承受轴的热膨胀。

Description

承受热膨胀的滑动轴承

未决申请参考

本申请以2003年2月21日提交的名称为“一种高温开孔机(AHIGH TEMPERATURE TAPPING MACHINE)”的美国临时申请No.60/449,190为基础，该临时申请于2004年2月5日转换为名称为“用于承受热膨胀的旋转轴的轴承(A BEARING FOR A ROTATABLESHAFT SUBJECT TO THERMAL EXPANSION)”的美国专利申请No.10/772,685。

显微胶片附录参考

本申请未在任何显微胶片附录中被提及。

技术领域

本发明涉及一种承受热膨胀的旋转轴的轴承。此处描述的轴承尤其适用于对压力容器(例如里面有高温液体或气体的管道)进行开孔的装置中。

背景技术

开孔机用来在管道上开口已为人们所熟知。在先公布的名称为“开孔装置(TAPPING APPARATUS)”的美国专利No.3,614,252、名称为“水下开孔机(UNDER WATER TAPPING MACHINE)”的美国专利No.4,579,484、名称为“完成机械(COMPLETIONMACHINES)”的美国专利No.4,880,028、名称为“高压开孔机(HIGH PRESSURE TAPPING APPARATUS)”的美国专利No.5,439,331和名称为“压力海底开孔机(PRESSURE SUBSEATAPPING APPARATUS)”的美国专利No.6,012,878都是涉及开孔机的在先公布专利的实例。因为这些专利为本发明的主题提供了详细的背景技术，所以将这些专利结合于此作为参考。

典型的开孔机由细长的管状的本体构成。该本体里面具有旋转的镗杆，本体的下端设有诸如法兰这样的装置，通过此装置，将本体固定到与管道连接的接头上。开孔机本体的上端固定有齿轮箱，该齿轮箱具有用于使镗杆旋转的装置。镗杆的下端配置成能接上刀具。旋转能(例如由液压马达提供的旋转能)被提供到齿轮箱，这种旋转的力进而使镗杆旋转。

除了镗杆以外，开孔机还有进给螺杆，用于当镗杆相对于进给螺杆旋转时使镗杆轴向移动。典型地，驱动套转动镗杆以提供这种相对转动，并使固定在镗杆上的刀具转动，从而使刀具在管道上开孔。镗杆的进给速率可以是不变的，也可以是变化的，这取决于开孔机的设计。

本发明特别适用的开孔机的结构基本上与前面概述的现有技术基本相同。然而，本发明解决了一个重大的问题，即现有的开孔机不能完全令人满意地用于钻入诸如里面有高温流体(液体或气体)的管道这样的容器。

本发明实质上提供了一种结合在开孔机中的独特轴承设计，该轴承可旋转地支撑开孔机下端的镗杆，并且能补偿镗杆钻入其中有高温液体或气体的容器时所遇到的温度的突然变化。具体地说，本发明在此提供了一种开孔机，其具有一个温度补偿轴承作为其整体部件，也就是说，当该轴承应用在本发明的开孔机时，能提供温度补偿。这种独特的轴承能承受镗杆的热膨胀，由此能够在温度显著变化的情况下连续地可旋转地支持一个镗杆而不会卡住或粘合在镗杆的表面。

有关轴承(包括温度补偿轴承)的另外的背景资料，可参考以下已经公布的美国专利：

专利号	公开号	发明人	名称
					03020113A	Kiyoshi	吸收热膨胀的轴承(ThermalExpansion Absorbing Bearing)
527,877		O′Neil	用于开孔机主体的装置(ApparatusFor Tapping Mains)
				2,515,383		Sneva	钻模套(Drill Jig Bushing)
3,206,264		Dalzell等人	高温轴承(High TemperatureBearings)
				4,169,637		Voitas	钻套、泵封及其类似器件(DrillBushings，Pump Seals and SimilarArticles)
4,848,935		Seibig等人	适配元件(Adapter Element)
				5,380,112		Schicktanz等人.	将轴套同心定位在轴上的组合装置(Assembly for concentricallyPositioning A Casing Relative To AShaft)
5,538,370		Glenn	钻方孔装置(Device For Drilling ASquare Hole)
				5,938,344		Sabin	温度补偿轴承(TemperatureCompensating Bearing)

发明内容

本发明提供了一种用于在构架的内圆柱形支撑表面内可旋转地支撑圆柱形轴的轴承。该轴承尤其适用于支撑承受热膨胀的轴。虽然本发明的轴承并不局限于一种特定的应用，但其特别适用于高温开孔机，即，开孔机被设计和构造为使得其可用于在运载高温液体或气体的压力容器(绝大多数情况下为管道)上开孔。此处披露的轴承特别适合于这类应用，因为开孔机在输送高温流体(液体或气体)的管道上镗孔时，会使镗杆突然承受急剧的温度变化。也就是说，当处于管道外面的环境温度下的镗杆突然镗入管道时，镗杆下端的温度会急剧增加。在此以前，高温开孔机的使用已经遇到了一些问题。特别是，在一些情况下，当镗杆穿入输送高温液体或气体的管道时，支撑开孔机镗杆的轴承不能接受镗杆的热膨胀，造成轴承卡住镗杆，阻止其转动。

一种能够解决这个问题并且也可用于其它类似应用的轴承是具有两个相对的距离为D的端部的管件。该管件还有贯穿其中的轴向通道。管形构件的外表面具有靠近每一端部的外肋，因而这些肋间隔开选定的距离。每个肋的外径大致上等于圆柱形支撑表面的内径，从而管形轴承构件可滑动地定位在圆柱形支撑表面内。

管形轴承构件的轴向通道由标称内径大致上等于其所支撑的圆柱形轴的标称外径的中间轴承面限定。当该轴承用于高温开孔机时，该圆柱形轴一般被称为“镗杆”。中间轴承面的长度小于外肋之间的间隔。轴承可以在其弹性限度内变形，这允许轴承面扩张以接受轴的热膨胀。

在一个优选装置中，管形轴承构件上具有纵向缝，该缝从外表面延伸至轴向通道。

在一个可选实施例中，管形构件具有中间外肋，其位于相对的肋之间并与之相隔，该相对的肋靠近该构件的端部，中间肋的标称外径小于圆柱形支撑表面的内径。

在另一可选实施例中，管形构件具有至少一个全深槽，该槽位于与轴承构件的管轴平行的平面中，并且其长度小于管形构件的长度，全深槽的端部布置在从管形构件的相对端部向里的位置。

附图说明

附图1是典型的开孔机上部的剖视图，开孔机也称为“镗床”，例如美国专利No.4,579,484、No.5,439,331、和No.6,012,878中所描述的类型。本发明的轴承尤其适用于这种类型的开孔机。

图2是沿图1中的线2-2得到的剖视图，示出了开孔机中提供旋转功率以转动镗杆的装置。

图3是图1和图2中所示的开孔机的下部的不完全局部剖视图。本发明实质上是一种改进的轴承，用于可旋转地支撑开孔机的镗杆。图1、2和3表示现有技术，也指出根据本发明的轴承的应用环境。

图4是结合了本发明原理的轴承的剖视图。

图5是图4的轴承的端视图。

图6是本发明的轴承的第一可选实施例的剖视图。

图7是图6的实施例的端视图。

图8是该轴承的第二可选实施例的剖视图。

图9是图8的实施例的端视图。

图10是该轴承的第三可选实施例的剖视图。

图中所示元件名称

10上部构架               140第二圆周槽

12齿轮箱                 141第二管形连接板

14齿轮箱盖               142中间肋

16蜗杆                   142A宽中间肋

18链轮                   144第一圆柱形肋

20镗杆                   146第二圆柱形肋

22进给螺杆               148中间肋的圆柱表面

24下部构架               150中间圆周表面

26法兰                   152第一内圆周表面

28圆柱形孔               154第二内圆周表面

30轴承                   156缝

130轴承                  158外圆周凹槽

132第一端面              160润滑孔

134第二端面              164A-E深度浅的槽

136外圆柱面              166A-C全深槽

138第一圆周槽

139第一管形连接板

具体实施方式

前面已经提到，业界已熟知开孔机用于在容器(如管道)、尤其是压力容器上开孔的应用，并且该应用在美国专利No.4,579,484、No.5,439,331和No.6,012,878中已有例证。图1-3中示出了适于对容器、尤其是管道进行开孔的开孔机的一种典型的设计。本发明实质上是一种改进的轴承，它可以应用于现有的开孔机中，便于往输送高温流体(即高温气体或液体)的管道中开孔。

图1、图2、和图3示出了开孔机的基本结构，它们取自名称为“高压开孔设备(High Pressure Tapping Apparatus)”的美国专利No.5,439,331。这项专利的教导结合于此作为参考，图1、图2和图3包含在本文中用来说明可以成功应用本发明独特的轴承设计原理的典型环境。

图1和图2示出了开孔机的上部，其包括上部构架10，该上部构架的顶端具有由齿轮箱盖14封闭的齿轮箱12。蜗杆16接受来自原动机的旋转动力，此处的原动机可以是例如液压马达或电动马达(未示出)。蜗杆16驱动链轮18，后者间接驱动一个镗杆20。一个带螺纹进给螺杆22控制镗杆20的轴向进退。

图3示出了典型的开孔机的下端。固定在上部构架10的底端部分上的是具有法兰26的下部构架24，通过该法兰，将开孔机可拆卸地固定到开孔装置的其它部件上。镗杆20从法兰26下面伸出，并且适于安装刀具(未示出)，可通过该刀具在管道或其它容器的壁上切削成孔。当通过刀具在管道或其它容器上打孔时，镗杆20的下端部分将突然经受该管道或其他容器所输送的流体(气体或液体)的温度。因此，镗杆20要承受很宽范围的温度。

轴承30被支撑在下部构架24内的圆柱形开口28中，该轴承可旋转地支撑镗杆20。如图3所示，轴承30代表了根据本发明的轴承的使用环境。

在过去，当使用开孔机开孔进入一种高温环境时，会存在这样的问题，即由于热膨胀的原因，高温应用经常使得镗杆(图1-3中的元件20)的直径增加，以致于镗杆被可旋转地支撑它的轴承卡住。本发明提供了一种能够解决这个问题的独特轴承。更确切地说，本发明在此提供了一个整体的弹性承载的轴承，它支撑旋转镗杆20并且在经受高温时还能允许镗杆膨胀。

图4和5中示出了本发明的第一种原理的独特支撑轴承，该轴承整体标记为标号130。尽管该支撑装置130被称为轴承，实际上它是一个轴衬，就是说，它不包括任何运动部件，也没有使用典型的“轴承”常常使用的滚珠或滚柱。元件130将被称为“轴承”，但同样可称之为轴衬。

轴承130为圆柱形，并且具有相对的第一端面132和第二端面134。轴承130具有外圆柱表面136。在所示的装置中，该外圆柱表面被第一圆周槽138和第二圆周槽140所打断，而圆周槽138和140被中间圆周肋142隔开。在圆周槽138和140的底部形成管形连接板部分139和141。

外圆柱表面136由第一端面132处的第一圆柱形肋144和第二端面134处第二圆柱形肋146限定。中间肋142具有圆柱形表面148，其直径稍小于第一和第二圆柱形肋144和146的直径。

轴承130具有一个从中贯穿的内孔，该孔由第一中间内圆周表面150和相对两侧的内圆周表面152和154限定。侧部的内圆周表面152和154的内径稍大于中间圆周表面150的内径。

从端视图5可以看出，管形轴承130具有纵向缝156，其延伸于端面132和134之间的整个长度。该缝156使得轴承在经受温度变化时能够沿周向变大或变小。

图10示出了轴承130C的某种可选设计，在该设计中，中间肋142A比图4所示的中间肋142宽。在宽的中间肋圆柱形表面148上形成一个宽的、平的外圆周凹槽158。此外，在图10的轴承中还设有两个相对的径向润滑孔160。

在图4和图5中所给出的所示轴承130的代表性尺寸仅用作示例。肋144和146的外圆柱表面136的直径可以是3.124(所有尺寸为英寸)，而中间肋142的圆柱表面148的直径可以为3.104。这样，中间肋142的直径与两端肋144和146的直径相比有0.02英寸的差值。中间肋的这一减小的直径允许轴承的内部在弹性限度内挠曲或膨胀，以补偿膨胀的镗杆对中间圆周表面150的力。

内圆周表面152和154的直径可以是2.502，而中间内圆周表面150的直径是2.482——也就是大了0.02英寸。这意味着在正常工作中只有中间圆周表面150与镗杆的外表面接合(镗杆在图4-10中未示出)。当镗杆承受高温流体而直接增大时，该力施加在中间圆周表面150上。由于中间肋142的圆柱表面148的直径小于开孔机下部构架24的圆柱形孔28的直径(见图3)，所以轴承向外挠曲(在弹性限度内)以补偿镗杆增大的外径。中间圆周表面150的长度优选地大约为圆周肋144和146之间间距的1/3。

因此，可以看出轴承130被独特地设计为适应热膨胀的镗杆。

图6和图7表示了第一可选原理，包括提供了仅延伸穿过轴承130A中的圆柱形肋144、142和146的深度浅的全长槽164A-164E。如果该技术应用在图10所示的轴承实施例中，这些深度浅的槽164A-164E将延伸穿过宽的中间肋142A的全部宽度。这些深度浅的槽使得提高了轴承在其弹性限度内的挠度以促进温度补偿。

图8和图9示出了本发明的第二可选原理。在该实施例中，轴承130B中形成了三个槽166A-166C。槽166A-166C没有延伸到轴承的全部长度，也没有延伸穿过第一和第二圆柱形肋144和146，但是，槽166A-166C延伸于轴承的全部深度。这些全深槽166A-166C增加了轴承在其弹性限度内的挠曲。

在此图示和说明的独特的轴承具有以下优点：1)纵向缝156(可选)允许轴承在其整个长度上随着温度变化(例如随着镗杆的外径变化)而沿周向收缩和膨胀；2)中间肋142(可选)的减小的外径允许轴承的中间部分随着镗杆温度的升高而挠曲；3)轴承外表面的圆周槽138和140减小了轴承的刚性；4)圆周槽138和140允许一种中间径向弹簧效果(在弹性限度内)，使得轴承可以补偿其可旋转地支撑的镗杆的温度变化；5)与轴承的总长相比，中间肋142长度相对较窄，这能允许轴承中间部分进行径向膨胀，以适应轴承外径随着温度变化而增大；6)中间肋142的宽度和厚度与连接板139和141的宽度和厚度一起限定了轴承的弹性系数。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.一种用于在构架的内圆柱形支撑表面内可旋转地支撑圆柱形轴的轴承，其中所述轴的外径为A，并且承受热膨胀，所述构架的内圆柱形支撑表面的内径为B，所述轴承包括：

管形构件，具有相隔距离为D的相对的端部，并具有穿过其中的轴向通道，所述构件的外表面在靠近每个所述端部处具有外肋，每个肋的外径为B，所述管形构件可滑动地定位在所述构架的内圆柱形支撑表面内，所述轴向通道由内径为A并且可旋转地容纳所述轴的中间轴承面所限定，所述轴承面的轴向长度小于D并小于所述肋之间的间隔，所述管形构件上具有纵向缝，所述缝从所述外表面延伸到所述轴向通道，所述轴承在其弹性限度内变形，允许所述轴承面的内径扩张以承受所述轴的热膨胀并允许圆周膨胀或收缩。

2.根据权利要求1所述的轴承，其中所述轴承面的轴向长度大约为1/3D。

3.根据权利要求1所述的轴承，其中所述构件具有外中间肋，其位于靠近所述构件的端部的所述肋之间，所述中间肋具有外径小于B的外圆周表面。

4.根据权利要求1所述的轴承，在每个所述外肋中包括至少一个深度浅的附加槽。

5.根据权利要求4所述的轴承，其中每个附加槽的深度大致上等于所述外肋的高度。

6.根据权利要求4所述的轴承，在每个所述外肋中包括多个深度浅的附加缝，所述附加缝间隔分布在所述构件的沿管轴的径向平面内。

7.根据权利要求1所述的轴承，其中所述轴向通道进一步由侧部内圆周表面限定，所述侧部内圆周表面从所述中间轴承面的相对端部延伸到所述构件的相对端部，每个侧部内圆周表面的内径大于A。

8.根据权利要求3所述的轴承，其中所述中间肋的所述外圆周表面上具有圆周凹槽。

9.根据权利要求1所述的轴承，其中包括至少一个长度小于D的全深槽，所述全深槽从所述外圆周表面延伸到所述轴向通道。

10.根据权利要求9所述的轴承，其中每个所述全深槽的长度约为所述外肋之间的间隔。

11.根据权利要求1所述的轴承，包括至少一个径向润滑孔，所述润滑孔从所述外表面延伸至所述轴承面。

12.一种用于支撑承受热膨胀的旋转轴的轴承，其包括：

细长的管形构件，由间隔开的径向延伸的圆周肋支撑，并且具有从中贯穿的容纳轴的轴向通道，所述通道内具有位于所述肋之间的圆柱形的轴承面，所述轴承面的轴向长度与所述肋之间的间隔相比较短，所述轴承面在所述管形构件的弹性限度内可沿径向向外膨胀，并且其中具有纵向缝，从而当承受温度变化时允许所述管形构件圆周膨胀或收缩。

13.一种用于支撑承受热膨胀的圆柱形旋转轴的轴承，所述轴承包括：

细长的管形构件，支撑在间隔开的外部位置上，具有从中贯穿的容纳轴的轴向通道，所述通道内具有长度较短并且内径减小的圆柱形轴承面，所述圆柱形轴承面位于每个所述支撑位置之间，并且向内与每个所述支撑位置间隔开，所述轴承面随着所述旋转轴的直径的变化，在所述管形构件的弹性限度内可径向挠曲，并且所述管形构件中在轴向平面内具有纵向缝，从而当所述旋转轴的直径变化时允许所述管形构件圆周膨胀或收缩。

14.根据权利要求13所述的轴承，其中所述轴承面的轴向长度约为所述间隔开的外部位置之间距离的1/3。

15.根据权利要求13所述的轴承，在每个所述间隔开的外部位置上包括外圆周肋。

16.根据权利要求15所述的轴承，其中所述管形构件具有中间外肋，所述中间外肋位于靠近所述相隔开位置的所述肋之间，并与之间隔开，该中间肋的外径小于每个第一次提到的所述外圆周肋的外径。

17.根据权利要求15所述的轴承，在每个所述外肋中具有至少一个深度浅的缝。

18.根据权利要求17所述的轴承，其中每个所述缝的深度大致上等于所述外圆周肋的高度。

19.根据权利要求15所述的轴承，在每个所述外肋中包括多个深度浅的附加槽，所述附加槽间隔分布在沿所述构件的管轴的径向平面上。

20.根据权利要求16所述的轴承，其中所述中间肋的外圆周面上具有圆周凹槽。

21.根据权利要求13所述的轴承，包括至少一个径向润滑孔，该润滑孔从所述管形构件的外部延伸至所述轴承面。

Claims (23)

1.一种用于在构架的内圆柱形支撑表面内可旋转地支撑圆柱形轴的轴承，其中所述轴的外径为A，并且承受热膨胀，所述构架的内圆柱形支撑表面的内径为B，所述轴承包括：

管形构件，具有相隔距离为D的相对的端部，并具有穿过其中的轴向通道，所述构件的外表面在靠近每个所述端部处具有外肋，每个肋的外径为B，所述管形构件可滑动地定位在所述构架的内圆柱形支撑表面内，所述轴向通道由内径为A并且可旋转地容纳所述轴的中间轴承面所限定，所述轴承面的轴向长度小于D并小于所述肋之间的间隔，所述轴承在其弹性限度内变形，允许所述轴承面的内径扩张以承受所述轴的热膨胀。

2.根据权利要求1所述的轴承，其中所述构件上具有纵向缝，所述缝从所述外表面延伸至所述轴向通道。

3.根据权利要求1所述的轴承，其中所述轴承面的轴向长度大约为1/3D。

4.根据权利要求2所述的轴承，其中所述构件具有外中间肋，其位于靠近所述构件的端部的所述肋之间，所述中间肋具有外径小于B的外圆周表面。

5.根据权利要求2所述的轴承，在每个所述外肋中包括至少一个深度浅的附加槽。

6.根据权利要求5所述的轴承，其中每个附加槽的深度大致上等于所述外肋的高度。

7.根据权利要求5所述的轴承，在每个所述外肋中包括多个深度浅的附加缝，所述附加缝间隔分布在所述构件的沿管轴的径向平面内。

8.根据权利要求1所述的轴承，其中所述轴向通道进一步由侧部内圆周表面限定，所述侧部内圆周表面从所述中间轴承面的相对端部延伸到所述构件的相对端部，每个侧部内圆周表面的内径大于A。

9.根据权利要求4所述的轴承，其中所述中间肋的所述外圆周表面上具有圆周凹槽。

10.根据权利要求1所述的轴承，其中包括至少一个长度小于D的全深槽，所述全深槽从所述外圆周表面延伸到所述轴向通道。

11.根据权利要求10所述的轴承，其中每个所述全深槽的长度约为所述外肋之间的间隔。

12.根据权利要求1所述的轴承，包括至少一个径向润滑孔，所述润滑孔从所述外表面延伸至所述轴承面。

13.一种用于支撑承受热膨胀的旋转轴的轴承，其包括：

细长的管形构件，由间隔开的径向延伸的圆周肋支撑，并且具有从中贯穿的容纳轴的轴向通道，所述通道内具有位于所述肋之间的圆柱形的轴承面，所述轴承面的轴向长度与所述肋之间的间隔相比较短，所述轴承面在所述管形构件的弹性限度内可沿径向向外膨胀。

14.一种用于支撑承受热膨胀的圆柱形旋转轴的轴承，所述轴承包括：

细长的管形构件，支撑在间隔开的外部位置上，具有从中贯穿的容纳轴的轴向通道，所述通道内具有长度较短并且内径减小的圆柱形轴承面，所述圆柱形轴承面位于每个所述支撑位置之间，并且向内与每个所述支撑位置间隔开，所述轴承面随着所述旋转轴的直径的变化，在所述管形构件的弹性限度内可径向挠曲。

15.根据权利要求14所述的轴承，其中所述管形构件上具有位于轴向平面内的纵向缝。

16.根据权利要求14所述的轴承，其中所述轴承面的轴向长度约为所述间隔开的外部位置之间距离的1/3。

17.根据权利要求14所述的轴承，在每个所述间隔开的外部位置上包括外圆周肋。

18.根据权利要求17所述的轴承，其中所述管形构件具有中间外肋，所述中间外肋位于靠近所述相隔开位置的所述肋之间，并与之间隔开，该中间肋的外径小于每个第一次提到的所述外圆周肋的外径。

19.根据权利要求17所述的轴承，在每个所述外肋中具有至少一个深度浅的缝。

20.根据权利要求19所述的轴承，其中每个所述缝的深度大致上等于所述外圆周肋的高度。

21.根据权利要求17所述的轴承，在每个所述外肋中包括多个深度浅的附加槽，所述附加槽间隔分布在沿所述构件的管轴的径向平面上。

22.根据权利要求18所述的轴承，其中所述中间肋的外圆周面上具有圆周凹槽。

23.根据权利要求14所述的轴承，包括至少一个径向润滑孔，该润滑孔从所述管形构件的外部延伸至所述轴承面。

Images