JPH10502156A

JPH10502156A - 段差付きベアリングレースを用いたスイベル管継手アセンブリ

Info

Publication number: JPH10502156A
Application number: JP8502404A
Authority: JP
Inventors: ウングチュスリ、テプ; カスティロ、サージョ・エイ
Original assignee: FMC Corp
Current assignee: FMC Corp
Priority date: 1994-06-15
Filing date: 1995-06-12
Publication date: 1998-02-24
Also published as: ATE215196T1; CA2192445A1; BR9507996A; AU681300B2; CN1054679C; EP0769116A1; EP0769116A4; NO965383D0; CN1150836A; EP0769116B1; WO1995034779A1; US6371527B1; DE69526081D1; US6164707A; MX9606426A; NZ288487A; CA2192445C; ES2174950T3; USRE39695E1; RU2154225C2

Abstract

(57)【要約】中心軸（１２６）、第１端部（番号は付けていない）、及び複数の外周環状溝（１２０）であって、それぞれの管状溝は円形断面を有しかつ前記中心軸に実質的に直交するそれぞれの平面内に存し、かつ、前記中心軸から測定された実質的に一定の半径を有し、前記管状溝（１２０）の半径は該環状溝に隣接し前記第１端部（番号は付けていない）に近い位置に存する管状溝の半径よりも大きい外周環状溝（１２０）を有する雄コネクタ（１１２）と、前記雄コネクタ（１１２）と同心円上に設けられて前記雄コネクタを受け該コネクタに嵌合される雌コネクタ（１１４）であって、第１端部番号は付けていない）及び複数の内周環状溝（１１８）であって、それぞれの溝は円形断面を有しかつ前記中心軸（１２６）に実質的に直交するそれぞれの平面内に存し、かつ、前記外周環状溝（１２０）の１つに対応して該外周環状溝と共に環状レースを形成する雌コネクタ（１１４）と、前記各レース内に配設され前記中心軸回りに前記雄及び雌コネクタの相対的な回転を容易にする複数のボールベアリング（３４、３５、３６）とを含んでなるスイベル管継手用ベアリングレースアセンブリ（１１０）。

Description

【発明の詳細な説明】段差付きベアリングレースを用いたスイベル管継手アセンブリ技術分野本発明は、ベアリングアセンブリに関し、特に、流体搬送用管あるいはコンジット同士を相互に回転自在に連結するスイベル管継手に関する。

背景技術スイベル管継手は、石油掘削その他の分野において流体搬送管を連結するために使用されている。スイベル管継手は、一般的に、ベアリングアセンブリによって相互に回転自在に連結された内側雄部材と、外側雌部材とを有する。典型的に、外周及び内周溝を雄及び雌部材に設けてベアリングレースを形成しており、このレースにボールベアリングを納めている。大きな流体圧、広範な温度範囲、腐蝕性の多様な化学物質に対する高度な耐久性が要求されるため、スイベル管継手は、１つではなく、多重（複数）のベアリングレースを備える。そのように複数のベアリングレースを用いた場合でさえ、ボールベアリングレースは、高圧によりときには変形し歪む。そういった歪みが生じることにより、押圧されているシールが解放されて移動し、スイベル管継手がスムーズに回転することを妨げ、レースの寿命を著しく減少させる。そういった条件下においてスイベル管継手にはその他の崩壊モードが生じる。

発明の開示本発明は、上記条件下においても耐久性を有する改良されたシールを与える多重レーススイベル管継手ベアリングアセンブリを与える。複数のベアリングレースに段差を設け、そして、隣のベアリングレースを次のレースの同心円上に設けかつ該次のレースの半径よりも大きくしている。この段差付きの形状により、各ベアリングレース部に等しく端部水圧荷重が分配され、最大トータル端部圧を与えることを可能とし、特定のレース部に荷重を集中させることを最小限にする。

端部荷重を減少させ優れたシールを与えるため、まっすぐな内腔タイプのシールを用いて軸方向の圧力を受ける表面の面積を減らしかつ従来のプレストレスを与えるエラストマー押圧シールに関して生じる回転摩擦を大きく減少させる。さらに、本発明は、オフセットさせて長い半径を与えるようにレース断面形状を構成して各ボールベアリングとレース間との接触面積を大きくし荷重の集中を減少させることにより、ボールベアリングレースの圧力による歪みを減少させる。本発明は、極限条件下においても優れた耐久性を有するように改良され、かつ、僅かな重量増加と僅かなコスト増を伴うだけで従来の公知のスイベル管継手が耐えうる圧力よりも大きな圧力によっても歪むことのないように改良されたシールを与える。

図面の簡単な説明図１は、従来技術の３重レーススイベル管継手ベアリングアセンブリの一部を示す断面図。

図２は、段差付き３重レースベアリングアセンブリ及びまっすぐな内腔シールを有する本発明の第１実施形態の一部を示す断面図。

図３は、図１に示す従来技術のアセンブリの断面の半分を、まっすぐな内腔シールを有する本発明の第２実施形態の断面の半分と並べて示す図。

図４ａは、従来のベアリングレースアセンブリ内のボールベアリングの拡大断面図。

図４ｂは、本発明のベアリングレースアセンブリ内のボールベアリングの拡大断面図。

図５は、両端段差付き２重レースベアリングアセンブリを有する本発明の第２実施形態の１部を示す断面図。

発明の実施形態図１は、雌コネクタ１４内に回転自在に受承される雄コネクタ１２を有する従来技術の公知のスイベル管継手１０を示す。シールされた流路１６は、各コネクタから延伸する流体搬送コンジット又は管（図示省略）に連通するように、コネクタ内に形成されている。各コネクタ１２、１４はそれぞれ、その表面に形成された複数の環状溝２０、１８を有する。コネクタ１２、１４が嵌合されると、溝１８、２０は互いに同じ位置で対面し複数の環状のベアリングレース２２を形成する。複数のボールベアリング２４は各レース２２内に納められコネクタ１２、１４を相互回転可能に支承する。レース２２と複数のボールベアリング２４は流路１６の中心軸２６を中心とする同心円上に配設されている。レース２２はすベて同一半径を有する。環状のエラストマー圧縮シール２８は、雄コネクタ１２と雌コネクタ１４の軸方向に延伸する面との間に設けられ雄コネクタ１２と雌コネクタ１４の間に流体が流れることを防止する。押圧シール２８にはプレストレスが作用する。

圧力下の流体が流路１６内に流入すると、雄コネクタと雌コネクタを軸方向に引き離すように端部水圧力がコネクタ端部に作用する。ボールベアリング２４は、ボールベアリング２４とレース２２との間の接触面を介して伝達される軸方向の合力を受ける。各ベアリングレース２２が受けるこの合力は各レースの相対位置に関係して分配される。例えば、シール２８に最も近い雌部材溝２０は第１荷重を受け、第２の溝は第１荷重その他が累積した第２荷重を受ける。このように、各連続するベアリングレース２２がシール２８から隔てるにつれ、雄部材溝２０に作用する力は増大する。雌コネクタ１４は同様な荷重を受け、シール２８に最も近いレースが最も大きい荷重を負担する。

図１に示す典型的な３重ベアリングアセンブリ１０において、各レース２２に分配される荷重はシール２８に最も近い順に、４７％、３１％、２２％である。

従って、ベアリングアセンブリ全体の耐荷重性能を減ずることなく荷重を均等にして第１レースに作用する荷重を減少させることが望まれる。本発明は、段差付き構造とすることでこれを達成する。

本発明の第１実施形態を図２に示す。スイベル管継手１１０は、雌コネクタ１１４の内部に回転自在に受承される雄コネクタ１１２を有する。各コネクタから延伸するコンジット又は管（図示省略）と連通するシールされた流路１１６がコネクタ内に形成されている。各コネクタ１１２、１１４はそれぞれその表面に形成された複数の環状溝１２０、１１８を有する。コネクタ１１２、１１４が嵌合されると、溝１１８、１２０は位置が合って環状ベアリングレース１２２を形成する。複数のボールベアリング３４、３５又は３６は各レース１２２内に収容され、コネクタ１１２、１１４を相互に回転可能に支承する。レース１２２とボールベアリング３４、３５、３６は流路１１６の中心軸１２６を中心とする同心円上に配設される。

本発明は、段差を設けた構成としており、連続するベアリングレース１２２の半径は、雌コネクタ１１４に接する雄コネクタ端部から離れる方向に遠ざかっているものほど大きくなる。この段差により、各ベアリングレース１２２における各ハブ部に均等に引っ張り応力を配分することによって荷重は各ボールベアリング１２４に均等に分配される。段差の数は２又はそれ以上とすることができ、また、各段差部分に１又はそれ以上のレースを設けることができる。レースの半径寸法は、各レース部におけるコネクタの断面積、端部荷重、ボールベアリングとレースの断面半径その他の変数の関数である。その寸法は、各ベアリングレースで端部荷重をできる限り均等に分割負担するように、計算される。ボールベアリング１２４はアセンブリ１１０を通して均一なサイズであり、それにより各レース１２２は異なる数のバールベアリングを含むことが望ましい。しかし、このことは必ずしも必要ではない。

本発明は、米国特許4,930,791に開示されるタイプの、例えば「テフロン」のような非金属化合物からなり、図１のシール２８のような従来のエラストマーシール材料とは異なる物性を有するまっすぐな内腔シール１２８を用いる。従来のエラストマーシール材料は、押出し、流体に対する適合性、温度範囲及び破壊に関して制限を受ける。雌雄コネクタ１１２、１１４の軸方向の端部は窪み部１３０、１３２をそれぞれ有し、これらの窪み部は、雌雄コネクタ１１２、１１４が図２に示すように嵌合されたときに、１つの窪んだ溝１３４を形成する。まっすぐな内腔シール１２８はこの溝に受けられ、シール１２８の内周面１３８は流路１１６の内面と面一になる。窪み部１３０、１３２は軸方向の端部１４０、１４２を有し、これらの端部は対面し、かつ、まっすぐな内腔シール１２８の軸方向端部を受ける。端部１４０、１４２はまっすぐな内腔シール１２８の軸方向端部１４４、１４６と係合する。シール１２８の外周面１４８は溝１３４の内周面に対してシールを形成する。まっすぐな内腔シール１３８の形状及び材質により、従来の性能のエラストマーシール２８のよりも実質的に小さな断面積とすることができ、水圧端部荷重と、従って、各バールベアリングとレース１２２の間の接触面積をかなり増大することができ、その結果、レース１２２の歪みを小さくすることができる。図２の実施形態のアセンブリ１１０はボールベリングポート１５０と２次エラストマーＯ（オー）・リング又はその他の適当なシール１５２とを含む。また、リーク（漏出）検出ポート１５４も設けられている。

本発明の新規性を図解するために、図１の従来のアセンブリ１０と本発明のアセンブリの第２実施形態２１０とを図３に中心線２００を境にして半々づつ示す。まっすぐな（薄くて軸方向に長く延伸する）内腔シール２２８は従来のシール２８と比較して背の低い断面形状を有する。本発明のシールの半径２５６は従来のシール２８の半径５６よりも小さい。これにより、水圧を受けるコネクタの面積が小さくなり、従って、端部水圧荷重は減少する。従来のシール２８は軸方向の圧縮応力であるプレストレスを受けるが、まっすぐな内腔シール２２８は軸方向の荷重を受けない。従って、コネクタとシール２２８の間の摩擦力はほとんど存在しない。一方、従来のシール２８は雌コネクタ１４の内周面及び軸方向に存在する面と、雄コネクタ１２の軸方向に存在する面とに接する。

図４ａは雌雄コネクタ溝１８、２０によって形成されたレース２２内にボールベアリングを受ける従来のベアリング装置であり、水圧荷重を受けるものである。図４ａに示すような典型的なベアリングレースは、一定の半径３２１を有する溝１８、２０を機械加工により形成することによって得られる。溝の半径３２１は、組立てを可能とするためにベアリング３２２の半径よりもある程度大きくなければならない。これにより、軸力が働いて両コネクタがずれるときに領域３１８、３２０に接触が集中することになる。このように荷重が集中すると、レースは歪むことになる。

上記の接触の集中を減らすために、本発明は図４ｂに示すオフセットした（ずれた）細長い半径を与える。図４ｂに示すごとく、溝４２０の中心点４２６をオフセット中心点４２８にオフセットさせることによって形成された直線部４２５が溝４２０の頂点４２２部分に存在することを除き、雌コネクタ溝４２０の半径はボールベアリング４２４と実質的に同じ半径である。雌コネクタ溝４１８はボールベアリング４２４と実質的に同じ曲率である。この設計により、アセンブリの組立てに十分なクリアランスを与えることができ、一方、それぞれの溝４１８、４２０に対するボールベアリング４２４の接触領域を最大にして、歪みを最少にすることができる。個々のレースのいずれか一方のコネクタ溝を上記オフセット半径とすることができ、あるいは両方の溝ともオフセット距離をもう少し小さくした半径とすることができる。

図５は、図２の実施形態に示す段差付き形状を用いた本発明の第３形態を示し、この形態においては、コネクタ５１２、５１４は実質的に端部と端部が突き合わされるように配設され、これらのコネクタの回りに嵌合するカラー５１３によって連結されている。各コネクタ５１２、５１４は、カラー５１３に段差をなして形成された複数の溝５２０、５２１に対応する複数の段差をなして配設された溝５１８、５１９を有する。１つのまっすぐな内腔シール５３８が用いられる。

この実施形態は図２に示す第１実施形態と基本的に同じ様に作動し、また、基本的に同じ特質を利用している。

本発明の実施に必要な最良の形態を示して説明したが、本発明の主題から逸脱することなく、変形及び変更が可能であることが理解される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ【要約の続き】手用ベアリングレースアセンブリ（１１０）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スイベル管継手に用いるベアリングレースアセンブリであって、中心軸、第１端部、及び複数の外周環状溝であって、前記それぞれの管状溝は円形断面を有しかつ前記中心軸に実質的に直交するそれぞれの平面内に存し、かつ、前記中心軸から測定された実質的に一定の半径を有し、前記管状溝の半径は該環状溝に隣接し前記第１端部に近い位置に存する管状溝の半径よりも大きい外周環状溝を有する雄コネクタと、前記雄コネクタと同心円上に設けられて前記雄コネクタを受け該コネクタに嵌合される雌コネクタであって、第１端部及び複数の内周環状溝であって、それぞれの溝は円形断面を有しかつ前記中心軸に実質的に直交するそれぞれの平面内に存し、かつ、前記外周環状溝の１つに対応して前記外周環状溝と共に環状レースを形成する雌コネクタと、前記各レース内に配設され前記中心軸回りに前記雄及び雌コネクタの相対的な回転を容易にする複数のボールベアリングとを、含んでなるベアリングレースアセンブリ。
【請求項２】前記雄及び雌コネクタは、前記中心軸回りに同軸でありかつ流路を形成する中央貫通開口を含んでなる請求項１ベアリングレースアセンブリ。
【請求項３】請求項２のベアリングレースアセンブリであって、前記雄コネクタ第１端部は窪んだ内周環状部を備え、前記雌コネクタは、前記雄コネクタが前記雌コネクタに受けられた際に、前記雄コネクタ第１端部の窪んだ内周環状部に隣接する窪んだ内周環状部を有し、前記雄及び雌コネクタの内周環状部は内周環状シール溝を形成し、前記アセンブリは、外週シール面と、前記流路と実質的に面一の内周面とを備えかつ前記内周環状シール溝に受けられる環状シールであって、前記雄及び雌コネクタの窪んだ内周環状部の面をシールするシールを有してなるベアリングレースアセンブリ。
【請求項４】前記シールは非金属材料からなる請求項３のベアリングレースアセンブリ。
【請求項５】前記シールは半径方向に押圧して取付け可能なシールである請求項４のベアリングレースアセンブリ。
【請求項６】スイベル管継手に用いるベアリングレースアセンブリであって、中心軸、第１端部、及び複数の外周環状溝であって、それぞれの溝は円形断面を有しかつ前記中心軸に実質的に直交するそれぞれの平面内に存し、かつ、前記中心軸から測定された実質的に一定の半径かつ同一の半径を有する雄コネクタと、前記雄コネクタと同心円上に設けられて前記雄コネクタを受け該コネクタに嵌合される雌コネクタであって、第１端部及び複数の内周環状溝であって、それぞれの溝は円形断面を有しかつ前記中心軸に実質的に直交するそれぞれの平面内に存し、かつ、前記外周環状溝の１つに対応して前記外周環状溝と共に環状レースを形成する雌コネクタと、前記各レース内に配設され前記中心軸回りに前記雄及び雌コネクタの相対的な回転を容易にする複数のボールベアリングとを含んでなり、前記雄及び雌コネクタは、前記中心軸回りに同軸でありかつ流路を形成する中央貫通開口を有し、前記雄コネクタ第１端部は窪んだ内周環状部を備え、前記雌コネクタは、前記雄コネクタが前記雌コネクタに受けられた際に、前記雄コネクタ第１端部の窪んだ内周環状部に隣接する窪んだ内周環状部であって、前記雄コネクタの内周環状部と共に内周環状シール溝を形成する内周環状部を有し、前記アセンブリは、外週シール面と、前記流路と実質的に面一の内周面とを備えかつ前記内周環状シール溝に受けられる環状シールであって、前記雄及び雌コネクタの窪んだ内周環状部の面をシールするシールを含んでなるベアリングレースアセンブリ。
【請求項７】前記シールは非金属材料からなる請求項６のベアリングレースアセンブリ。
【請求項８】前記シールは半径方向に押圧されて取付け可能なシールである請求項７のベアリングレースアセンブリ。
【請求項９】断面が第１半径を有する実質的に円形の外周環状溝を備える第１管状部材と、断面が前記第１半径を有する実質的に円形である内周環状溝を備える第２管状部材であって、前記内周環状溝は、前記実質的に円形の断面の頂点に位置する直線部を有し、前記第１管状部材は入れ子式に前記第２管状部材に受けられて前記外周及び内周溝が合わせられて実質的に環状のレースを形成する第２管状部材と、前記第１及び第２管状部材の相対的な回転を容易にするため前記レース内に配設される複数のボールベアリングであって、各ボールベアリングが前記第１半径と実質的に同じ半径を有する複数のボールベアリングとを含んでなるベアリングレースアセンブリ。
【請求項１０】前記外周溝は前記実質的に円形断面の頂点において直線部分を含んでなる請求項９のベアリングレースアセンブリ。
【請求項１１】断面が第１半径を有する実質的に円形の外周環状溝であって、前記実質的に円形断面の頂点において直線部分を備える外周環状溝を有する第１管状部材と、断面が前記第１半径を有する実質的に円形である内周環状溝を備える第２管状部材であって、前記第１管状部材は入れ子式に前記第２管状部材に受けられて前記外周及び内周溝が合わせられて実質的に環状のレースを形成する第２管状部材と、前記第１及び第２管状部材の相対的な回転を容易にするため前記レース内に配設される複数のボールベアリングであって、各ボールベアリングが前記第１半径と実質的に同じ半径を有する複数のボールベアリングとを、含んでなるベアリングレースアセンブリ。
【請求項１２】前記内周溝は前記実質的に円形断面の頂点において直線部分を含んでなる請求項１１のベアリングレースアセンブリ。
【請求項１３】１対の対抗する管状コネクタ部材であって、前記各コネクタ部材は、他方のコネクタと同一の中心軸と、複数の外周環状溝とを有し、かつ、それぞれの第１端部が隣接するように配設され、前記各外周環状溝は実質的に円形の断面形状を有しかつ前記中心軸に実質的に直交するそれぞれの平面内に存し、前記複数の外周環状溝はそれぞれ前記中心軸から測定して実質的に一定の半径を有し、前記管状溝の半径は該環状溝に隣接し前記それぞれの第１端部に近い位置に存する管状溝の半径よりも大きい１対の管状コネクタ部材と、前記管状コネクタと同心円上に配設され前記管状コネクタを受けかつこれらの管状コネクタの外周に嵌合されたカラーであって、実質的に円形の断面を有しかつ前記中心軸に直交するそれぞれの平面に存する複数の内周環状溝を備え、該内周環状溝はそれぞれ前記複数の外周環状溝の位置に対応して該外周環状溝とともに環状レースを形成するカラーと、前記管状コネクタ部材と前記カラーの前記中心軸回りの相対的な回転を容易にするため前記レース内に配設される複数のボールベアリングとを、含んでなるベアリングレースアセンブリ。
【請求項１４】前記各連結部材と前記カラーは、前記中心軸を中心とする同心円上に設けられ流路を形成する内部中央開口を有する請求項１３のベアリングレースアセンブリ。
【請求項１５】前記連結部材の各第１端部は窪んだ内部環状部を有し、これらの環状部が環状シール溝を形成する請求項１４のベアリングレースアセンブリ。
【請求項１６】前記シールは非金属材料からなる請求項１５のベアリングレースアセンブリ。
【請求項１７】前記シールは半径方向に圧縮されて整合するシールである請求項１６のベアリングレースアセンブリ。