ПОВОРОТНЫЙ КОМПОНЕНТ И МЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ КОМПОНЕНТ
ROTARY COMPONENT AND MECHANICAL SYSTEM CONTAINING SUCH COMPONENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к поворотному компоненту, содержащему по меньшей мере два концентрических кольца, которые являются подвижными относительно друг друга, и между которыми образована область трения. Настоящее изобретение также касается механической системы, содержащей такой компонент.
Область настоящего изобретения - это направляющие детали, обеспечивающие направляющую функцию при поступательном движении или при вращательном движении, при непрерывном или возвратно-поступательном движении.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обычно такая направляющая деталь содержит кольцо, предназначенное для установки с возможностью поворота и/или смещения такого элемента, как ось или стержень.
На практике такие механические системы подвергаются значительным эксплуатационным нагрузкам: высокому давлению, коррозии, истиранию, ударам. Для увеличения их срока службы между кольцом и осью предусмотрено смазочное вещество.
Кольцо может быть снабжено структурами, выступающими в качестве резервуара для консистентной смазки, как описано, например, в документах EP 0987456, WO 2014091123 и WO 2014091124 на имя заявителя.
Когда механическая система работает, консистентная смазка постепенно выходит из структур, чтобы смазывать область фрикционного контакта между кольцом и осью. Таким образом, структуры позволяют реализовать смазывание только во время сборки или альтернативно с длительными интервалами между смазываниями.
Заявитель имеет большой опыт в области направляющих деталей и постоянно стремится улучшить существующие системы.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является обеспечение поворотного компонента, в частности, с превосходной стойкостью к износу и образованию задиров и увеличенным сроком службы.
С этой целью настоящее изобретение относится к поворотному компоненту с одной степенью свободы, содержащему по меньшей мере два концентрических кольца, которые являются подвижными при вращательном движении относительно друг друга вокруг центральной оси, между которыми образована область трения, и которые включают: наружное кольцо, имеющее внутреннюю поверхность трения, и внутреннее кольцо, имеющее наружную поверхность трения и внутреннюю поверхность трения, предназначенную для вмещения подвижной детали, направляемой компонентом при вращательном движении, колебательном движении и/или поступательном движении.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет обеспечить компонент, который является стойким, компактным и простым в реализации. Компонент имеет увеличенный срок службы по сравнению с компонентом, который состоит из единственного кольца и который имеет подобные размеры и объем.
Компонент имеет три поверхности трения, формирующие три поверхности износа. В сравнении с компонентом, состоящим из единственного кольца, имеющего единственную внутреннюю поверхность трения, срок службы компонента согласно настоящему изобретению должен увеличиться в три раза. Неожиданно эксперименты показали, что его срок службы увеличился по меньшей мере в пять раз.
В случае единственного поворотного кольца, износ обычно сосредоточен на угловом секторе, простирающемся по 1/3 окружности. В случае настоящего изобретения, внутреннее кольцо вращается относительно наружного кольца, что значительно увеличивает потенциальную поверхность износа и, следовательно, срок службы компонента.
На практике можно увидеть, что область трения между двумя кольцами приобретает приоритетное значение. Противоположные поверхности трения выполняют функцию основных поверхностей износа. Когда в этой области контакта образуются задиры, внутренняя поверхность трения внутреннего кольца начинает выполнять функцию поверхности износа.
Преимущественно компонент имеет три поверхности трения, которые могут быть подвергнуты поверхностной обработке или снабжены покрытием и/или структурами, способными выступать в качестве запаса смазочного материала. Таким образом, настоящее изобретение предусматривает больший контроль при проектировании компонента, позволяя приспосабливать его износостойкость к любому применению.
Согласно другим преимущественным признакам настоящего изобретения, рассматриваемым отдельно или в сочетании:
- поверхности трения, устанавливающие границы области трения, являются цилиндрическими;
- поверхности трения, устанавливающие границы области трения, являются немного изогнутыми. Абсолютный радиус кривизны каждой поверхности трения строго больше, чем радиус рассматриваемой области трения;
- область трения между кольцами вмещает смазочный материал. Компонент содержит уплотняющее средство, предназначенное для предотвращения утечек смазочного материала из области трения;
- смазочный материал представляет собой консистентную смазку;
- компонент содержит боковые элементы, ограничивающие осевое и угловое перемещение внутреннего кольца относительно наружного кольца;
- уплотняющее средство содержит фланец на первой стороне области трения и закраину на второй стороне области  трения;
- уплотняющее средство содержит фланец на каждой стороне области трения;
- уплотняющее средство содержит прокладку, размещенную между внутренним кольцом, с одной стороны, и фланцем или закраиной, с другой стороны, на каждой стороне области трения;
- прокладка выполнена из PTFE;
- по меньшей мере одна из поверхностей трения предусматривает поверхностную обработку или покрытие с физическими свойствами, отличающимися от тех, которыми обладает основной материал кольца;
- поверхностная обработка или покрытие являются многослойными или однослойными;
- покрытие производится посредством физического осаждения из паровой фазы (PVD);
- покрытие производится посредством химического осаждения из паровой фазы (CVD);
- покрытие производится посредством термического напыления;
- покрытие производится посредством холодного напыления;
- покрытие распыляется в виде порошка;
- покрытие распыляется в виде капель;
- покрытие производится посредством термического напыления, такого как высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF);
- покрытие производится посредством лазерного плакирования;
- покрытие является противозадирным;
- покрытие содержит наружный слой аморфного углерода такого типа, как DLC («алмазоподобный углерод»), в частности, с толщиной от 1 до 5 мкм, например, 3 мкм;
- покрытие содержит наружный слой самосмазывающегося композита, в частности, на основе смолы и/или тканого или нетканого усиления, содержащего, например, PTFE, MoS2 или наполнители графитового типа;
- покрытие содержит полимерный лак;
- обработка представляет собой азотирование, и поверхность трения имеет слой химических соединений (оксидное покрытие), имеющий толщину, в частности, от 5 до 50 мкм, например, 20 мкм;
- обработка представляет собой закалку на толщину от 0,5 до 4 мм, например, 2 мм;
- по меньшей мере одна из поверхностей трения предусматривает структуры, способные выступать в качестве запаса смазочного материала;
- структуры содержат полости круглого или ячеистого сечения;
- полости представляют собой макрополости, каждая из которых имеет диаметр от 2 до 15 мм, например, 6 мм.
- полости представляют собой микрополости, каждая из которых имеет большую длину от 15 до 100 мкм и глубину от 50 нм до 100 мкм;
- структуры содержат круговые или спиральные пазы;
- структуры содержат решетку;
- структуры содержат шевроны;
- одна и та же поверхность может содержать структуры нескольких разных типов или только одного типа;
- структуры имеют поверхностную плотность от 5 до 65 %, причем поверхностная плотность определяется как отношение между общей площадью, покрываемой структурами, и общей площадью указанной площади, содержащей эти структуры;
- каждая поверхность трения предусматривает поверхностную обработку или покрытие, обладающие физическими свойствами, отличающимися от тех, которыми обладает основной материал кольца, и/или структуры, способные выступать в качестве запаса смазочного материала;
- по меньшей мере одна из поверхностей трения предусматривает одновременно поверхностную обработку или покрытие, обладающие физическими свойствами, отличающимися от тех, которыми обладает основной материал кольца, и структуры, способные выступать в качестве запаса смазочного материала;
- наружное кольцо и/или внутреннее кольцо являются металлическими, например, выполнены из стали, чугуна, алюминия, медного сплава и т.д.;
- наружное кольцо и/или внутреннее кольцо выполнены из композиционного материала;
- компонент исключительно содержит два концентрических кольца, причем область  трения образована непосредственно между внутренней поверхностью трения наружного кольца и наружной поверхностью трения внутреннего кольца;
- поворотный компонент содержит по меньшей мере три концентрических кольца;
- поворотный компонент содержит три кольца, причем единственная область трения образована между тремя кольцами. Другими словами, два кольца прикреплены друг к другу, например, посредством пайки, сварки или любой другой технологии;
- промежуточное кольцо является самосмазывающимся. Более конкретно, наружная поверхность трения и/или внутренняя поверхность трения промежуточного кольца являются самосмазывающимися;
- промежуточное кольцо содержит обмотку из тканевых полос и смолы, содержащей наполнители, смешанные таким образом, чтобы реализовать однородный продукт, причем полосы пересекаются в несколько слоев посредством намотки нитей;
- поворотный компонент содержит три кольца, причем область трения образована между каждой парой колец. Другими словами, три кольца являются подвижными относительно друг друга;
- промежуточное кольцо является металлическим;
- промежуточное кольцо выполнено из композиционного материала;
- поворотный компонент содержит четыре или более колец.
Настоящее изобретение также относится к механической системе, содержащей поворотный компонент, как упоминалось выше, и подвижную деталь, направляемую компонентом при вращательном движении, колебательном движении и/или поступательном движении.
Механическая система содержит четыре поверхности трения, а именно наружную поверхность оси и три поверхности поворотного компонента. В сравнении с осью, установленной внутри одного кольца, срок службы механической системы значительно увеличен.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение станет более понятным после прочтения следующего описания, представленного исключительно в качестве неограничивающего примера и выполненного со ссылкой на сопроводительные фигуры, на которых:
- фиг. 1 - покомпонентный перспективный вид механической системы согласно настоящему изобретению, содержащей ось и поворотный компонент, состоящий из двух колец и уплотняющего средства;
- фиг. 2 - вид сбоку компонента по фиг. 1;
- фиг. 3 - перспективный вид компонента по фиг. 1;
- фиг. 4 - поперечный разрез вдоль линии IV-IV на фиг. 2;
- фиг. 5 - вид в большем масштабе детали V на фиг. 4;
- фиг. 6 - покомпонентный перспективный вид еще одной механической системы согласно настоящему изобретению, содержащей ось и вариант поворотного компонента;
- фиг. 7-10 - виды, которые подобны фиг. 2-5, компонента по фиг. 6;
- фиг. 11 и фиг. 12 - виды, которые подобны фиг. 4 и фиг. 5, еще одного варианта компонента, содержащего три кольца, между которыми образованы две области трения; и
- фиг. 13 и фиг. 14 - виды, которые подобны фиг. 4 и фиг. 5, еще одного варианта компонента, содержащего три кольца, между которыми образована единственная область трения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1-5 показана механическая система согласно настоящему изобретению, содержащая поворотный компонент 1 также согласно настоящему изобретению и ось 2, установленную внутри компонента 1. Ось 2 направляется поворотным компонентом 1, при вращательном движении (поворачиваясь в одном направлении, обычно на несколько оборотов), колебательном движении (поворачиваясь в двух чередующихся направлениях, как правило, на часть поворота) и/или поступательном движении (перемещении в осевом направлении).
Поворотный компонент 1 содержит два концентрических кольца 10 и 20, которые являются подвижными при вращательном движении относительно друг друга вокруг центральной оси X1. Между двумя кольцами 10 и 20 образована область 40 трения, вмещающая смазочный материал L, предпочтительно консистентную смазку.
Два кольца 10 и 20 включают наружное кольцо 10 и внутреннее кольцо 20. Наружное кольцо 10 имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность 12 трения и наружную цилиндрическую опорную поверхность 14. Внутреннее кольцо 20 имеет наружную цилиндрическую поверхность 22 трения и внутреннюю цилиндрическую поверхность 24 трения.
Между поверхностями 12 и 22 образована область 40 трения, которая является радиальной относительно центральной оси X1. Поверхность 14 предусмотрена для установки наружного кольца 10 внутри буровой скважины. Канал 42 проходит радиально через кольцо 10 между поверхностями 12 и 14, чтобы обеспечить смазывание области 40 контакта. Поверхность 24 предусмотрена для вмещения оси 2, более точно наружной цилиндрической поверхности 4 оси 2. Таким образом, ось 2 направляется компонентом 1 при вращательном движении, колебательном движении и/или поступательном движении.
Компонент 1 содержит уплотняющее средство 60, предназначенное для предотвращения утечек смазочного материала L из области 40 трения. Компонент 1, таким образом, образует уплотненную, снабженную смазочным материалом конструкцию. Относительное вращательное движение между кольцами 10 и 20 значительно упрощается, и риск образования задиров уменьшается.
Уплотняющее средство 60 содержит латеральные детали 62, 64, 66 и 68, ограничивающие осевое смещение внутреннего кольца 20 относительно наружного кольца 10. Более конкретно, уплотняющее средство 60 содержит фланец 62 и прокладку 66 на первой стороне области 40 контакта и закраину 64 и прокладку 68 на второй стороне области 40 трения. Элементы 62, 64, 66 и 68 являются кольцеобразными и центрированы на оси X1. Закраина 64 является частью кольца 10. Элементы 62, 66 и 68 отделены от колец 10 и 20. Прокладка 68 установлена внутри паза 67, сформированного внутри кольца 10, у закраины 64. Элементы 62 и 66 установлены внутри углубления 61, предусмотренного для этой цели внутри кольца 10, напротив закраины 64.
Альтернативно уплотняющее средство 60 может содержать два съемных фланца, установленных на противоположных сторонах компонента 1.
Компонент 1 не является шарнирным, другими словами, он не образует сферический шарнир. Собранный компонент 1 имеет только одну степень свободы, а именно поворотное соединение между кольцами 10 и 20 вокруг центральной оси X1. Кольца 10 и 20 являются свободноподвижными относительно друг друга вокруг оси X1, но не являются свободноподвижными согласно другим степеням свободы при поступательном движении и вращательном движении.
Поверхности 12 и 22 трения могут быть цилиндрическими.
Альтернативно поверхности 12 и 22 могут быть немного изогнутыми. Другими словами, поверхности 12 и 22 представляют собой поверхности обращения с круглым сечением и эллиптической или параболической образующей. Изгиб каждой поверхности 12 и 22 (при рассмотрении внутри радиальной плоскости, содержащей ось X1) всегда имеет радиус, который больше, чем радиус (при рассмотрении внутри плоскости, поперечной оси X1) области 40 трения.
Предпочтительно по меньшей мере одна из поверхностей 12/22/24 трения предусматривает поверхностную обработку или покрытие, обладающие физическими свойствами, отличающимися от тех, которыми обладает основной материал соответствующего кольца 10/20.
Более предпочтительно по меньшей мере одна из поверхностей 12/22/24 трения предусматривает структуры, способные действовать как запас смазочного материала L.
Еще предпочтительнее каждая поверхность 12/22/24 трения предусматривает поверхностную обработку или покрытие, обладающие физическими свойствами, отличающимися от тех, которыми обладает основной материал кольца 10/20; и/или структуры, способные действовать как запас смазочного материала L.
В качестве неограничивающего примера:
- кольца 10 и 20 выполнены из стали;
- поверхность 12 подвергнута обработке азотированием и имеет наружный слой 16 из азотированной стали, причем слой химических соединений (оксидное покрытие) имеет толщину приблизительно 20 мкм;
- поверхность 12 содержит структуры 18 в форме полостей круглого сечения, равномерно распределенные вокруг центральной оси X1, способные действовать как запас смазочного материала L в области 40 контакта между кольцами 10 и 20;
- поверхность 22 покрыта наружным слоем 26 аморфного углерода такого типа, как DLC, имеющим толщину порядка 3 мкм, с подслоем (состоящим, например, из хрома или нитрида хрома) или без него; и
- поверхность 24 содержит структуры 28 в форме круговых пазов, проходящих в виде витков вокруг центральной оси X1 и расположенных с равными интервалами вдоль центральной оси X1, способные действовать как запас смазочного материала L в области контакта между кольцом 20 и осью 2.
Настоящее изобретение позволяет обеспечить поворотный компонент, который является стойким, компактным и простым в реализации. Компонент 1, содержащий два кольца 10 и 20, имеет увеличенный срок службы по сравнению с компонентом, который состоит из единственного кольца и имеет подобные размеры и объем.
В случае единственного поворотного кольца, износ обычно сосредоточен на угловом секторе, простирающемся по 1/3 окружности. В случае настоящего изобретения, внутреннее кольцо 10 вращается относительно наружного кольца 20, что значительно увеличивает потенциальную поверхность износа и, следовательно, срок службы компонента.
На практике можно увидеть, что область 40 трения между двумя кольцами 10 и 20 приобретает приоритетное значение. Противоположные поверхности 12 и 22 трения выполняют функцию основных поверхностей износа. Когда в этой области 40 трения образуются задиры, внутренняя поверхность 24 трения внутреннего кольца 20, находящаяся в контакте с поверхностью 4 оси 2, начинает выполнять функцию поверхности износа.
Компонент 1 имеет три поверхности 12, 22 и 24 трения, формирующие три поверхности износа, которые могут быть подвергнуты обработке, снабжены покрытием и/или структурами. Таким образом, настоящее изобретение предусматривает больший контроль при проектировании компонента 1, позволяя приспосабливать его износостойкость к любому применению.
Механическая система содержит четыре поверхности трения, т. е. наружную поверхность 4 оси 2 и три поверхности 12, 22 и 24 компонента 1. В сравнении с осью, установленной внутри единственного кольца, срок службы механической системы значительно увеличен.
Другие варианты осуществления поворотных компонентов 1 согласно настоящему изобретению показаны на фиг. 6-14. Некоторое элементы, которые формируют часть компонента 1, сравнимы с элементами первого варианта осуществления, описанного выше, и в целях упрощения имеют те же числовые обозначения.
На фиг. 6-10 показана еще одна механическая система согласно настоящему изобретению, содержащая вариант компонента 1 и оси 2, установленной внутри компонента 1. Поверхности 12/22/24 трения лишены поверхностной обработки или покрытия и структурных резервуаров со смазочным материалом L. Уплотняющее средство 60 содержит фланец 62 и закраину 64 на противоположных сторонах области 40 контакта. Таким образом, компонент 1 является более простым и менее дорогостоящим для изготовления, чем в первом варианте осуществления. Несмотря на отсутствие обработки, покрытия или структур, компонент 1, содержащий два кольца 10 и 20, имеет увеличенный срок службы по сравнению с компонентом, который состоит из единственного кольца и имеет подобные размеры и объем.
На фиг. 11 и фиг. 12 показан вариант поворотного компонента 1, который содержит три концентрических кольца 10, 20 и 30, которые являются подвижными относительно друг друга. Кольцо 30 расположено между кольцами 10 и 20. Первая область 40 трения образована между кольцами 10 и 30. Вторая область 50 трения образована между кольцами 20 и 30. Компонент 1 имеет пять поверхностей 12, 22, 24, 32 и 34 трения, формирующих пять поверхностей износа, которые могут быть подвергнуты обработке, снабжены покрытием и/или структурами.
На фиг. 13 и фиг. 14 показан вариант поворотного компонента 1, который содержит три концентрических кольца 10, 20 и 30. Кольцо 30 расположено между кольцами 10 и 20. Кольца 20 и 30 являются подвижными относительно друг друга, и между ними образована область 50 трения. Кольцо 30 прикреплено к кольцу 10, например, посредством пайки. Кольцо 30 может образовывать обмотку из тканевых полос и смолы, содержащей наполнители, смешанные таким образом, чтобы реализовать однородное кольцо, причем полосы пересекаются в несколько слоев посредством намотки нитей. Компонент 1 имеет три поверхности 22, 24 и 32 трения, формирующие три поверхности износа, которые могут быть подвергнуты обработке, снабжены покрытием и/или структурами.
На практике поворотный компонент 1 может быть выполнен отлично от фиг. 1-14, не выходя за пределы объема настоящего изобретения. Более того, технические характеристики различных вариантов осуществления, упомянутых выше, могут в целом или частично сочетаться друг с другом. Таким образом, компонент 1 может быть приспособлен с точки зрения стоимости, функциональных возможностей и эксплуатационных качеств.
В таблицах 1-5 ниже показан ряд испытаний, которые позволяют сравнить два образа колец (единственное кольцо, принимающее ось) и различные варианты осуществления настоящего изобретения.
Таблица 1 - Параметры и условия испытаний
Таблица 2 - Повышение давления на старте испытания
Таблица 3 - Улучшения, предусматриваемые в отношении поверхностей трения колец
Таблица 4 - Результаты испытаний - простые кольца
Таблица 5 - Результаты испытаний - Компоненты, соответствующие настоящему изобретению
Результаты ряда испытаний позволяют сделать следующие наблюдения:
- компонент C-BH1 завершил такое количество циклов, которое эквивалентно значению, в 4,6 раза превышающему количество циклов кольца B1;
- компонент C-BH2 завершил такое количество циклов, которое эквивалентно значению, в 3,6 раза превышающему количество циклов кольца B2;
- компонент C-BH3 завершил такое количество циклов, которое эквивалентно значению, в 4 раза превышающему количество циклов кольца B2;
- компонент C-BH4 завершил такое количество циклов, которое эквивалентно значению, в 4,6 раза превышающему количество циклов кольца B2;
- испытание, проводимое для компонента C-BH5, было по собственному желанию приостановлено на 500000 циклов. Его срок службы намного больше, чем у кольца B2.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет обеспечить поворотный компонент 1, который является стойким, компактным и простым в реализации. Компонент 1, содержащий несколько колец, имеет увеличенный срок службы по сравнению с компонентом, который состоит из единственного кольца и имеет подобные размеры и объем.