NO177687B

NO177687B - Trykkutlignende dreieledd

Info

Publication number: NO177687B
Application number: NO883938A
Authority: NO
Inventors: Rene T Nuytten
Original assignee: Hard Suits Inc; Int Hard Suits Inc
Priority date: 1987-09-04
Filing date: 1988-09-02
Publication date: 1995-07-24
Also published as: AU614765B2; EP0305989A1; EP0305989B1; AU2171588A; CA1296032C; NO177687C; US4903941A; JPH0257713A; NO883938L; DE3869021D1; NO883938D0

Description

Oppfinnelsen angår et avtettet dreieledd for bruk mellom et omgivende område med høyt trykk og et omgivende område med lavt trykk, hvilket ledd ikke får en vesentlig øket motstand mot rotasjonsbevegelse når et høyt trykk utøves mot leddet, omfattende

a) et første, ringformet element som er innrettet til å bli forbundet med enden av en første, rørlignende gjenstand; b) et annet, ringformet element som er innrettet til å bli forbundet med enden av en annen, rørlignende gjenstand; c) et mellomliggende element som er anordnet mellom det første, ringformede element og det annet, ringformede

element, og som er bevegbart uavhengig av det første og annet, ringformede element, idet det mellomliggende element avgrenser et første kammer mellom det mellomliggende element og det første, ringformede element, og et annet kammer mellom det mellomliggende element og det

annet, ringformede element;

d) en første tetningsinnretning som er tilknyttet det første, ringformede element og det mellomliggende element, og som

avtetter det første kammer i forhold til innsiden og

utsiden av leddet;

e) en annen tetningsinnretning som er tilknyttet det annet, ringformede element og det mellomliggende element, og som

avtetter det annet kammer i forhold til innsiden og utsiden av leddet.

Ved mange anvendelser hvor det utøves et uensartet trykk mot

et ledd, har leddet tilbøyelighet til å sette seg fast og bli tyngre å dreie. Ved slike anvendelser og spesielt i forbindelse med drakter for dykking på store dyp er det ønskelig å benytte ledd som lett kan dreies, og som kan bøyes og strekkes. Et problem er at slike ledd har en tilbøyelighet til å få en sterkt øket friksjon når det utvendige trykk på leddet, øker, noe som vil inntreffe f.eks. når en dykkerdrakt senkes til store dyp. Det er tidligere blitt beskrevet eller fremstilt en rekke ledd som har skullet gi løsninger på dette problem. Det er blitt beskrevet ledd som er elastiske i lengde-retningen, og som har et fluidfylt kammer i et forsøk på å gjøre friksjonsøkningen så liten som mulig. For eksempel viser

US-PS nr. 3 579 550 et fleksibelt ledd med et ringformet, delvis sfærisk hanelement som er bevegelig anordnet i et ringformet, delvis sfærisk hunelement. Det kammer som dannes mellom han- og hunelementene, er fylt med et egnet fluid. En tetningsinnretning er anordnet på hunelementets vegg. Selv om en slik utformning bidrar til å redusere virkningen av et øket utvendig trykk, har den flere ulemper. En ulempe er at veggene av sylinderen i et stempel/sylinderinnretning har tilbøyelig-het til å deformeres som følge av høye endelaster, slik at veggene er tilbøyelige til å bevege seg bort fra stempelet. Dette medfører utetthet, tap av olje og etterfølgende blok-kering. I løpet av en bruksperiode går med andre ord en liten væskemengde tapt fra kammeret, hvorved han- og hunelementene ikke lenger flukter og begge elementer setter seg fast når det gjøres forsøk på å bøye leddet. Med dette ledd må det videre utøves stor forsiktighet for å sikre at det ikke finnes noen små gjenværende luftbobler i fluidet i kammeret. Ved høye utvendige trykk er luften tilbøyelig til å bli komprimert, noe som resulterer i en reduksjon av kammerets volum, hvorved han- og hunelementene ikke lenger flukter og leddet låses fast.

Dette kan også bli resultatet når et ledd som inneholder et fluid, utsettes for et meget høyt utvendig trykk, fordi selv væsker i noen grad er kompressible under høye trykk. I slik tilfeller må tetningene på hunelementet presses hardt mot hanelementet for unngåelse av oljelekkasje inn i de hule rør som er innbyrdes forbundet ved hjelp av leddet. En slik stor kraft kan i seg selv forårsake stor friksjon ved dreining.

I US-PS nr. 3 057 646 er der beskrevet en avkjølt dreietetning mellom et stasjonært og et roterende rør av en roterovn. Rør-endene står i avstand fra hverandre, og en roterende tetning er fastholdt mellom statorringer av bronse eller karbon anordnet rundt enden av det stasjonære rør og rotorringer av et hardt materiale, f.eks. wolframkarbid eller keramisk materiale. Disse er anordnet glidbart i en ringformet flens rundt enden av det roterende rør og er fjærbelastet mot stator-ringene. Det kan innføres et flytende kjølemiddel.

Det er tidligere beskrevet andre ledd hvor det er benyttet

et fluidfylt kammer mellom de to forbindelsespartier. Slike ledd er vist f.eks. i US-PS nr. 2 557 140, US-PS nr. 3 754 779, US-PS nr. 1 888 026 og US-PS nr. 4 549 753. Slike ledd er imidlertid tilbøyelige til å oppvise en eller flere av de ovennevnte ulemper eller være forholdsvis kompliserte eller lekke når de utsettes for høye utvendige trykk.

Man er oppmerksom på andre leddkonstruksjoner som i større eller mindre grad angår oppfinnelsen. Disse er oppført neden-for .

Oppfinnelsen går ut på et spesielt trykkutlignende dreieledd, hvor det for å danne et bøye/strekkledd kan benyttes en rekke slike ledd. Bøye/strekkleddet er spesielt anvendelig i forbindelse med dykking på store dyp. En fordel er at hvert ledds dreiefriksjon ikke øker vesentlig ved stor økning av det utvendige trykk. Leddet opprettholder god tetning til tross for store trykkøkninger, men er likevel forholdsvis enkelt å sette sammen.

Det karakteristiske ved dreieleddet ifølge oppfinnelsen fremgår av de i kravene angitte, kjennetegnende trekk.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningen, som viser en foretrukket utførelsesform

av et dreieledd ifølge oppfinnelsen, hvor den eneste figur viser et snitt gjennom et trykkutlignende ledd.

Selv om bare den ene side er vist, skal det forstås at dreieleddet er sirkulært, idet de forskjellige komponenter er anordnet i et ringmønster i forhold til hverandre. Som vist på fig. 1, består leddet først og fremst av et nedre, ringformet element 2, et midtre eller mellomliggende element 12 og et øvre, ringformet element 14. Det nedre element 2 og det mellomliggende element 12 avgrenser et nedre kammer 4. Det mellomliggende element 12 og det øvre element 14 avgrenser et øvre kammer 6. Fugene mellom det nedre element 2 og det mellomliggende element 12 er tettet ved hjelp av O-ring-pakninger 34 og 36.

En fjærbelastet tilførselsventil 8 tillater overføring av olje mellom det nedre kammer 4 og det øvre kammer 6. En skruefjær 3 8 omgir et parti av ventilen 8 og tvinger den i angitt retning. Det nedre element 2 er glidbart forbundet i et mot-taksparti av det mellomliggende element 12.

Det øvre kammer 6 er avtettet ved hjelp av indre og ytre, øvre tetninger 16 og 20 resp. elastiske, indre og ytre, nedre tetninger 18 og 22. De nedre tetninger 18 og 22 blir holdt på plass i forhold til det mellomliggende element 12 ved hjelp av O-ringer henholdsvis 40 og 42. Polymerfjærer 30 og 32 utøver

en nedadrettet kraft mot tetningene 16 og 20.

Et ytre sikringselement 24 er ved hjelp av gjenger forbundet med det øvre element 14 ved 44, mens et indre sikringselement 46 står i gjengeinngrep med det mellomliggende parti 12 ved 48. Sikringselementene 24 og 46 fastholder mellom seg et kulelager

2 6 som tillater det øvre element 14 og det mellomliggende element 12 å holdes innbyrdes orientert under lave eller neglisjerbare trykkforskjeller. Andre innretninger, f.eks. en stanginnsats av TEFLON, kan benyttes.

Virkemåten av dreieleddet vil i det følgende bli forklart under henvisning til figuren. Når en endelast frembragt av et høyt utvendig trykk og et lavt innvendig trykk utøves mot en ledning eller et rør som omfatter dreielageret (f.eks. ermet av en dykkerdrakt), blir det utøvet en kraft mot det ringformede element 2. Denne kraft trykker oljen eller fluidet som er inneholdt i det nedre kammer 4, sammen og bevirker en økning av trykket på oljen eller fluidet som inneholdes i dette kammer, til en verdi som er høyere enn trykket på den uavhengige olje eller det uavhengige fluid i det øvre kammer 6 på grunn av det mindre tverrsnittsareal av kammeret 4.

Fluidet i'det nedre kammer 4 kan ikke unnslippe til det øvre kammer 6 fordi det hindres i dette av tilbakeslagsventilen 8 og dennes O-ringpakning 10. Endekraften blir således overført via fluidet i det nedre kammer 4 til det mellomliggende element 12. Fra det mellomliggende element 12 blir kraften overført videre via fluidet i det øvre kammer 6 til det øvre, ringformede element 14, som er stivt fastholdt, f.eks. på kropps-stykket eller torsoen av en dykkerdrakt. Så lenge intet fluid tapes fra kammeret 6 gjennom de samvirkende tegninger 16 og 18 eller 20 og 22 eller fluidets volum ikke blir redusert ved sammentrykning av den gass som er innesluttet i fluidet, eller ved termisk kontraksjon av væsken, vil endelasten eller -kraften bli overført gjennom hele den dreibare lager/tetnings-anordning, samtidig som det øvre element 14 fortsatt lett kan dreies i forhold til det mellomliggende element 12.

Dersom selv en meget liten fluidmengde skulle unnslippe fra det øvre kammer 6, ville det imidlertid ha den virkning at dette kammer faller sammen eller at dets volum blir redusert, hvorved anleggskantene på de øvre tetninger 16 og 20 graver seg dypere inn i de nedre, deformerbare tetninger 18 og 22, noe som i sin tur resulterer i en ufordelaktig økning av frik-sjonen og det dreiemoment som er nødvendig for å dreie tetning/lagermontasjen. Denne mulige inngraving blir for-hindret av sikringselementet 24, som reagerer på enhver liten fluidvolumreduksjon i det øvre kammer 6 ved at det trykker på tilbakeslagsventilen 8 og derved bringer denne bort fra O-ring-pakningen 10 og tillater fluid å strømme inn under trykk fra kammeret 4 forbi kulelageret 2 6 og inn i kammeret 6. Denne innstrømning av trykkfluid i det øvre kammer 6 vil tvinge det øvre element og det mellomliggende element 12 bort fra hverandre til sine opprinnelige posisjoner. Sikringselementet 24 vil løfte seg sammen med det øvre element 14 og tillate tilbakeslagsventilen 8 på ny å legge seg an mot O-ringtetningen 10.

I den opprinnelige dreieleddkonstruksjon ifølge CA-PS

1 171 601 (se fig. 2 i dette skrift) var idéen å utligne arealene av kammeret 24 (med tetningene 44 og 46) og kammeret 4 8 for å styre graden av volumreduksjon av kammeret under forhold med endelast (eller skyvkraft) og tvinge tetnings-elementene fra hverandre med den samme kraft som endelasten tvinger dem sammen. For at denne utførelse skal gi full virkning er det en forutsetning at kamrene og tetningene har like store arealer, slik det er beskrevet på side 4, linjene 10-25, i patentskriftet.

Anordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse beror ikke

på like store arealer av tetningene eller kamrene. Det nedre kammer 4 tjener som et reservoar for fluid som står under trykk (skaffet av endelasten på det glidbare, stempellignende, nedre element 2). Tilbakeslagsventilen 8 skaffer en styrt strøm av trykkfluid til det øvre kammer 6 gjennom forskyvning av sikringselementet 24. Da det effektive kraftoverførings-areal av det nedre kammer 4 er mindre enn det effektive kraft-overføringsareal av det øvre kammer 6, vil trykket i det nedre kammer 4 alltid være tilsvarende høyere enn trykket i det øvre kammer 6. Når det er nødvendig å tilføre fluid til det øvre kammer 6 på grunn av fluidlekkasje eller volumreduksjon, mot-tar det automatisk fluid via forbruksventilen 8 med det trykk som er nødvendig for å tvinge det mellomliggende element 12 og det øvre element 14 bort fra hverandre til sine opprinnelige

stillinger, hvoretter tilbakeslagsventilen 8 stenger og dreieleddmontasjen blir tilpasset til endelasten.

Det kan sees at konstruksjonen ifølge den foreliggende oppfinnelse istedenfor å være en modifikasjon av det ledd som er gjenstand for CA-PS 1 171 601, gjør bruk av et prinsipp eller en virkemåte som er motsatt det prinsipp eller den virkemåte som er benyttet i henhold til dette patentskrift.

Fluidtap eller volumreduksjoner vil fortsette å bli kompensert ved tilførsel fra det nedre kammer 4 inntil den øvre overflate av det rinqformede stempelelement 2 bunner ved at den berører den tilsvarende overforliggende overflate av det mellomliggende element 12, slik det vil kunne ses fra fig. 1.

I leddkonstruksjonen ifølge CA-PS 1 171 601 finnes det ingen tilbakeslagsventil 8. Fluid overføres fra kammeret 24 til kammeret 48 via et overføringshull 50. Dersom kammeret 24 er mindre enn kammeret 48, vil den resulterende økning av trykket i kammeret 48 løfte elementet 44, og alt fluid vil da øyeblik-kelig være tapt. Av det foregående vil det forstås at trykkene i kamrene ifølge CA-PS 1 171 601 nødvendigvis er bestemt av endelasten. I den nye leddkonstruksjon er trykkene i kamrene 4 og 6 variable og styrt av tilbakeslagsventilen 8.

Det finnes ytterligere forskjeller mellom leddkonstruksjonen ifølge den foreliggende oppfinnelse og det ledd som er vist i CA-PS 1 171 601. Ifølge dette skrift er lagertetningsmontasjen holdt sammen av en ytre krave 60. I konstruksjonen ifølge den foreliggende oppfinnelse er hele montasjen holdt sammen av innvendig gjengede holdeelementer 24 og 4 6 som mellom seg holder et kulelagersett 26. Kulelagrene 26 tillater rotasjon under alle forhold, dvs. selv når ledningen ikke står under trykk (f.eks. når dykkerdrakten befinner seg over vannet).

Et annet avvikende trekk er at de i tverrsnitt parabolske stempel/knivegger 30 og 46 som er vist i CA-PS 1 171 601,

ikke er benyttet ved den foreliggende konstruksjon. Det er

fastslått at det er vanskelig å fremstille kniveggen/stempelet 30 i ett stykke, fordi berøringsflatene av eggene 44 og 46

er forskjellige i kraft av sine ulike diametre. Med et fast stempel og en enkelt rekke fjærer 52 ble det funnet at det faste trykk som ble utøvet av de forspente fjærer 52, var høyere på den innvendige egg 46 enn på den utvendige egg 44

av leddet. Av denne grunn kan lagerfluid ikke tilbakeholdes under en gitt endelast med mindre hele fjærlasten overskrider det trykk som er nødvendig for å tette den ytre egg 44. Dette resulterer i en meget høy forspenningskraft på den innvendige egg 46 og en så stor økning av dreiemomentet/friksjonen at det ikke er akseptabelt. Leddkonstruksjonen ifølge oppfinnelsen har intet stempel som tilsvarer det midtre element 30 som er beskrevet i CA-PS 1 171 601. Den foreliggende leddkonstruksjon har indre og ytre kniveggtetninger 16 og 20 som med sin øvre overflate (som vist på figuren) ligger an mot hver sin "polymerfjær" henholdsvis 30 og 32. Det forspenningstrykk som er nødvendig for at tetningene 16 og 20 skal grave seg inn i de deformerbare nedre tetninger 18 resp. 22 kan varieres ved at det benyttes polymerfjærer 30 og 32 med ulik hardhet eller ulike tykkelser.

Polymerfjærene 30 og 32 tjener ikke bare til å skaffe en for-håndsbestemt fjærvirkning, men virker også som membraner som tetter oversiden av kniveggtetningene 16 og 20 mot de ringformede sidevegger og det øvre parti av det øvre element 14. Ved at det benyttes den samme tykkelse eller hardhet for begge polymerfjærene 30 og 32, blir den O-ringkraft som utøves pr. løpende meter av diameteren av eggene av tetningene 16 og 20, den samme, selv om de har ulike diametre.

Et ytterligere trekk som skiller leddet ifølge CA-PS 1 171 601 fra leddet ifølge den foreliggende oppfinnelse, er at det nedre element 2 og dets tilhørende sylinder (det mellomliggende element 12) i tillegg til å virke som et utligningsstempel samvirker for å funksjonere som et bøyeledd som tillater en viss akseptabel grad av forhåndsbøyning bort fra midtaksen av rota-sjonstetningen. En rekke slike lagermontasjer som samvirker i en ledning (f.eks. et erme eller et ben av en lufttett dykkerdrakt), vil tillate en betydelig grad av samlet bøyning bort fra midtaksen tilsvarende summen av vippingen av hvert nedre reservoarstempel (elementet 2). Dette gir større total bevegel-sesfrihet for hele røret enn den som er mulig bare ved bruk av kileformede avstandsstykker ifølge den leddkonstruksjon som er vist i CA-PS 1 171 601 (se fig. 3).

Graden av bøyning bort fra senteraksen ved det foreliggende ledd er diameteravhengig og varierer fra tilnærmet 1,5 til 3 grader med et gjennomsnitt på tilnærmet 2,5 grader. Avhengig av diameteren vil en ledning med en serie på syv ledd gjennom-snittlig samlet kunne bøyes 18 grader i tillegg til den store grad av bøyning som utgjøres av den kumulative bøyning av dreielagrene.

Claims

1. Avtettet dreieledd for bruk mellom et omgivende område med høyt trykk og et omgivende område med lavt trykk, hvilket ledd ikke får en vesentlig øket motstand mot rotasjonsbevegelse når et høyt trykk utøves mot leddet, omfattende a) et første, ringformet element (2) som er innrettet til å bli forbundet med enden av en første, rørliknende gjenstand; b) et annet, ringformet element (14) som er innrettet til å bli forbundet med enden av en annen, rørliknende gjenstand; c) et mellomliggende element (12) som er anordnet mellom det første, ringformede element (2) og det annet, ringformede elemenet (14) , og som er bevegbart uavhengig av det første (2) og annet (14), ringformede element, idet det mellomliggende element (12) avgrenser et første kammer (4) mellom det mellomliggende element (12) og det første, ringformede element (2) , og et annet kammer (6) mellom det mellomliggende element (12) og det annet, ringformede element (14); d) en første tetningsinnretning (34,36) som er tilknyttet det første, ringformede element (2) og det mellomliggende element (12), og som avtetter det første kammer (4) i forhold til innsiden og utsiden av leddet; e) en annen tetningsinnretning (16,18,20,22) som er tilknyttet det annet, ringformede element (14) og det mellomliggende element (12), og som avtetter det annet kammer (6) i forhold til innsiden og utsiden av leddet; karakterisert ved at kamrene (4, 6) er innbyrdes forbundet ved hjelp av en fjærende forspent ventilanordning (8) som muliggjør utligning av trykket i det første kammer (4) og trykket i det annet kammer (6) når de respektive trykk er ulike.

2. Dreieledd ifølge krav 1, karakterisert ved at den første tetningsinnretning (34,36) befinner seg mellom det første ringformede element (2) og det mellomliggende element (12) og muliggjør glidning av det ene element i forhold til det annet.

3. Dreieledd ifølge krav 1, karakterisert ved at den annen tetningsinnretning (16, 18,20,22) befinner seg mellom det annet, ringformede element (14) og det mellomliggende element (12) og muliggjør rotasjon av det ene element i forhold til det annet.

4. Dreieledd ifølge krav 3, karakterisert ved at den annen tetningsinnretning (16, 18, 20, 22) er regulert av en trykkbevirkende, fjærende innretning (3 0, 32) .

5. Dreieledd ifølge krav 4, karakterisert ved at stabiliseringsinnretninger (26) er anbrakt mellom eller rundt det annet, ringformede element (14) og det mellomliggende element (12) for å bidra til å holde de to elementer (12,14) i en viss innbyrdes posisjon ved lave eller neglisjerbare trykkforskj eller.

6. Dreieledd ifølge krav 5, karakterisert ved at tetningsinnretningen (16,20) er et lager av typen knivegg-fjærende sete.

7. Dreieledd ifølge kravl, karakterisert ved at frontarealet av det første kammer (4) er tilnærmet likt frontarealet av det annet kammer (6).

8. Dreieledd ifølge krav 1, karakterisert ved at a) det første, ringformede element (2) har en tetningsende med et ringformet, aksialt vendende' tetningsoverflateparti; b) det annet, ringformede element (14) har en tetningsende med et ringformet, aksialt vendende tetningsoverflateparti; c) det mellomliggende element (12) er innrettet til å være konsentrisk med og vende aksialt mot tetningsoverflatepartiet av det første element (2) , og å være innrettet til å være konsentrisk med og aksialt vende mot tetningsoverflatepartiet av det annet element (14), idet det mellomliggende element (12) har:

1) en ringformet, første ende som er dimensjonstilpasset og aksialt glidbart kan oppta det første element (2) for således å avgrense et første, avtettet kammer (4) med variabelt volum mellom det mellomliggende element (12) og det første, ringformede element (2) ,- og

2) en ringformet, annen ende som er motsatt den første ende, idet den annen tetningsinnretning (18,22) er konsentrisk med og nor-malt dreibart ligger an mot tetningsoverflatepartiet, for således å avgrense et annet avtettet kammer (6) med variabelt volum mellom den annen ende og det annet, ringformede element, hvilket annet kammer (6) er forbundet med det første kammer (4).

9. Dreieledd ifølge krav 8, karakterisert ved at det mellomliggende element (12) har en første overflate som aksialt vender mot tetningsenden av det første element (2) og en annen, motsatt overflate som aksialt vender mot tetningsenden av det annet element (14) , idet det samlede tversgående areal av den første overflate er tilnærmet likt det samlede tversgående areal av den annen overflate.

10. Dreieledd ifølge krav 8, karakterisert ved at den første tetningsinnretning (34,36) er tildannet av et fjærende materiale og forløper mellom det første, ringformede element (2) og det mellomliggende element (12) for å utøve et tetningstrykk mot tetningsoverflatepartiet.

11. Dreieledd ifølge et av kravene 8, 9 eller 10, karaktertisert ved at det første (4) og det annet kammer (6) er innbyrdes forbundet via en åpning gjennom det mellomliggende kammer (12).

12. Dreieledd ifølge et av kravene 8, 9 eller 10, karakterisert ved at en ende av det første element (2) er glidbart anordnet i en ringformet utsparing i en første holde-ende av det mellomliggende element (12) for det første element (2) , idet det første (4) og det annet kammer (6) har den samme gjennom-snittlige diameter og er innbyrdes forbundet via en åpning gjennom det mellomliggende element (12) , tetningsinnretningen mellom det mellomliggende element (12) og det annet element (14) tillater rotasjon, tetningsoverflatepartiene av tetningsinnretningen ligger i et felles, tversgående plan, og lagerelementene forløper hovedsakelig vinkelrett fra respektive tetningsoverflatepartier i leddet.

13. Dreieledd ifølge et av kravene 8, 9 eller 10, karakterisert ved at det første (4) og det annet kammer (6) og en passasje gjennom det mellomliggende element (12) er fylt med et fluid som er adskilt fra og avtettet fra fluid som kan finnes i og utenfor leddet.

14. Dreieledd ifølge et av kravene 1,2 eller 8, karakterisert ved at kamrene (4,6) er fylt med olje og deretter avtettet.

15. Dreieledd ifølge krav 1, karakterisert ved at en fjærende innretning (38) presser den fjærende ventilinnretning (8) til anlegg mot tetningeele-menter (10) i det mellomliggende element (12).