УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ КАНАВКИ НА ТРУБЕ
A DEVICE FOR FORMING A GROOVE ON A PIPE

Перекрестные ссылки на родственные заявки
Настоящая заявка основана и испрашивает приоритет по Предварительной Заявке на Патент США № 62/607,340, поданной 19 декабря 2017, и Предварительной Заявке на Патент США № 62/717,086, поданной 10 августа 2018, и содержание обеих этих заявок, таким образом, полностью включено в настоящий документ по ссылке.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к машинам, использующим кулачки для холодной обработки трубчатых элементов.
Предпосылки создания изобретения
Холодная обработка трубчатых элементов, например, вдавливание окружной канавки на трубчатом элементе для обеспечения механического соединения труб, преимущественно выполняется с использованием роликовых машин для образования канавки, имеющих внутренний ролик, который зацепляется с внутренней поверхностью трубчатого элемента, и наружный ролик, который одновременно зацепляется с наружной поверхностью трубчатого элемента напротив внутреннего ролика. По мере вращения трубы вокруг ее продольной оси, обычно посредством приведения внутреннего ролика, наружный ролик постепенно прижимается к внутреннему ролику. Ролики имеют профили поверхности, которые вдавливаются в окружность трубчатого элемента по мере его вращения, посредством этого обеспечивая формование окружной канавки.
В случае необходимости обеспечения требуемых допусков точности при выполнении холодной обработки трубчатых элементов, данная технология сталкивается с различными трудностями. Наиболее значимыми являются сложности, связанные с изготовлением канавки с требуемым радиусом (измеряемом от центра внутреннего канала трубчатого элемента до дна канавки), лежащем в заданном диапазоне допустимых значений. К тому же, вдавливание окружной канавки рядом с концом трубчатого элемента часто приводит к увеличению диаметра конца трубчатого элемента, представляющему собой феномен, известный как “развальцовывание”. Развальцовывание и допуски трубчатого элемента следует учитывать при конструировании механических соединений и уплотнений, и это усложняет их конструирование и изготовление. Эти соображения привели к возникновению сложных устройств предшествующего уровня техники, которые, например, требуют приводов для прижимания роликов в зацепление с трубчатым элементом и требуют регулировки хода роликов оператором для достижения требуемого радиуса канавки. К тому же, роликовые машины для образования канавки предшествующего уровня техники отличаются приложением значительного крутящего момента к трубчатому элементу и имеют низкую производительность, зачастую требуя множества оборотов трубчатого элемента для достижения законченной окружной канавки. Существует очевидная потребность в устройствах, например, использующих кулачки, для точной холодной обработки трубчатых элементов, которые являются простыми и в то же время более производительными с меньшим привлечением оператора.
Краткое изложение сущности изобретения
Изобретение относится к устройству для формования окружной канавки в трубчатом элементе. В одном иллюстративном варианте осуществления устройство содержит шестерню, закрепленную без возможности вращения вокруг оси шестерни, расположенной соосно с шестерней. Расширяемая матрица расположена вблизи от шестерни и концентрично с осью шестерни. Расширяемая матрица имеет множество сегментов матрицы, выполненных с возможностью перемещения в радиальном направлении к оси шестерни и от нее. Каждый сегмент матрицы имеет   поверхность матрицы, обращенную от оси шестерни и выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью трубчатого элемента при перемещении от него. Приводное устройство соединено с расширяемой матрицей для перемещения сегментов матрицы к оси шестерни и от нее. Водило окружает расширяемую матрицу. Водило выполнено с возможностью вращения вокруг оси шестерни. Водило определяет отверстие, расположенное соосно с осью шестерни, для вставления трубчатого элемента. Множество зубчатых колес установлено на водиле. Каждое зубчатое колесо выполнено с возможностью вращения относительно водила вокруг соответствующей оси зубчатого колеса. Каждое зубчатое колесо находится в зацеплении с шестерней. Каждое из множества кулачковых тел установлено на соответствующем одном из зубчатых колес. Одна из множества первых кулачковых поверхностей проходит вокруг соответствующего одного из кулачковых тел. Каждая из первых кулачковых поверхностей содержит область с увеличивающимся радиусом и нарушение непрерывности. Трубчатый элемент расположен между   поверхностями матрицы и первыми кулачковыми поверхностями, когда трубчатый элемент вставлен в отверстие.
В иллюстративном варианте осуществления приводное устройство содержит тяговый стержень, расположенный соосно с расширяемой матрицей и выполненный с возможностью перемещения вдоль оси шестерни. Перемещение тягового стержня приводит в перемещение сегменты матрицы к оси шестерни и от нее. Цилиндр имеет поршень, соединенный с тяговым стержнем, для перемещения тягового стержня вдоль оси шестерни.
В качестве примера, каждое зубчатое колесо имеет одинаковый диаметр делительной окружности. По меньшей мере одна тяговая поверхность может проходит вокруг одного из кулачковых тел. По меньшей мере одна тяговая поверхность выполнена с возможностью взаимодействия с трубчатым элементом. В качестве дополнительного примера, шестерня может иметь диаметр делительной окружности, равный наружному диаметру трубчатого элемента.
В иллюстративном варианте осуществления, по меньшей мере одна тяговая поверхность проходит вокруг одного из кулачковых тел. По меньшей мере одна тяговая поверхность выполнена с возможностью взаимодействия с трубчатым элементом. По меньшей мере одна тяговая поверхность имеет диаметр делительной окружности, равный диаметру делительной окружности одного из зубчатых колес.
В примере, каждая из первых кулачковых поверхностей дополнительно содержит область с постоянным радиусом, расположенную вблизи от соответствующего одного из нарушений непрерывности.
В качестве примера, по меньшей мере одна тяговая поверхность имеет в себе зазор, причем зазор совмещен в осевом направлении с нарушением непрерывности первой кулачковой поверхности, окружающей одно кулачковое тело. К тому же, Вв качестве примера, по меньшей мере одна тяговая поверхность имеет в себе зазор, причем зазор совмещен в осевом направлении с нарушением непрерывности первой кулачковой поверхности, окружающей одно кулачковое тело.
Иллюстративный вариант осуществления дополнительно содержит множество тяговых поверхностей. Каждая из тяговых поверхностей проходит вокруг соответствующего одного из кулачковых тел. Каждая из тяговых поверхностей имеет в себе зазор. Каждый зазор совмещен в осевом направлении с соответствующим одним из нарушений непрерывности первых кулачковых поверхностей на каждом из кулачковых тел. В примере, по меньшей мере одна тяговая поверхность расположена на одном кулачковом теле на расстоянии от первой кулачковой поверхности, проходящей вокруг одного кулачкового тела. В дополнительном примере, по меньшей мере одна тяговая поверхность расположена на одном кулачковом теле на расстоянии от первой кулачковой поверхности, проходящей вокруг одного кулачкового тела.
Иллюстративный вариант осуществления может содержать по меньшей мере три зубчатых колеса. Другой иллюстративный вариант осуществления может содержать по меньшей мере четыре зубчатых колеса. К тому же, в качестве примера, одна из первых кулачковых поверхностей расположена между зубчатым колесом и по меньшей мере одной тяговой поверхностью. В другом примере, одна из первых кулачковых поверхностей расположена вблизи от по меньшей мере одной тяговой поверхности. В иллюстративном варианте осуществления, по меньшей мере одна тяговая поверхность содержит множество выступов, проходящих наружу от нее.
Иллюстративный вариант осуществления дополнительно содержит множество вторых кулачковых поверхностей. Каждая из вторых кулачковых поверхностей проходит вокруг соответствующего одного из кулачковых тел и расположена на расстоянии от соответствующей одной из первых кулачковых поверхностей. Каждая из вторых кулачковых поверхностей может содержать область с увеличивающимся радиусом и нарушение непрерывности. Каждое нарушение непрерывности вторых кулачковых поверхностей совмещено с соответствующим одним из нарушений непрерывности первых кулачковых поверхностей. К тому же, в качестве примера, каждая из вторых кулачковых поверхностей может содержать область с постоянным радиусом, расположенную вблизи от соответствующего одного из нарушений непрерывности вторых кулачковых поверхностей. В другом иллюстративном варианте осуществления, каждая из вторых кулачковых поверхностей имеет постоянный радиус.
Иллюстративный вариант осуществления дополнительно содержит по меньшей мере одну тяговую поверхность, проходящую вокруг одного из кулачковых тел. По меньшей мере одна тяговая поверхность имеет в себе зазор. Зазор совмещен в осевом направлении с нарушением непрерывности первой кулачковой поверхности, окружающей одно кулачковое тело. В дополнительном примере, по меньшей мере одна тяговая поверхность содержит множество выступов, проходящих наружу от нее. В иллюстративном варианте осуществления, первая кулачковая поверхность, окружающая одно кулачковое тело, расположена между по меньшей мере одной тяговой поверхностью и второй кулачковой поверхностью, окружающей одно кулачковое тело.
В иллюстративном варианте осуществления, первая и вторая кулачковые поверхности, окружающие одно кулачковое тело, расположены между по меньшей мере одной тяговой поверхностью и одним из зубчатых колес, на котором установлено одно кулачковое тело. В дополнительном примере, первая кулачковая поверхность, окружающая первое кулачковое тело, расположена вблизи от по меньшей мере одной тяговой поверхности. По меньшей мере одна тяговая поверхность может иметь диаметр делительной окружности, равный диаметру делительной окружности одного из зубчатых колес. Пример дополнительно содержит множество тяговых поверхностей. Каждая из тяговых поверхностей проходит вокруг соответствующего одного из кулачковых тел. Каждая из тяговых поверхностей имеет в себе зазор. Каждый зазор совмещен в осевом направлении с соответствующим одним из нарушений непрерывности первых кулачковых поверхностей на каждом из кулачковых тел. Каждая из тяговых поверхностей может содержать множество выступов, проходящих наружу от нее.
В другом иллюстративном варианте осуществления, каждая из первых кулачковых поверхностей расположена между соответствующей одной из тяговых поверхностей и соответствующей одной из вторых кулачковых поверхностей на каждом кулачковом теле. Первые и вторые кулачковые поверхности могут быть расположены между тяговой поверхностью и зубчатым колесом на каждом кулачковом теле. Первая кулачковая поверхность может быть расположена вблизи от тяговой поверхности на каждом кулачковом теле.
Изобретение также относится к другому иллюстративному устройству для формования окружной канавки в трубчатом элементе. В этом примере устройство содержит шестерню, закрепленную без возможности вращения вокруг оси шестерни, расположенной соосно с шестерней. Водило окружает шестерню. Водило выполнено с возможностью вращения вокруг оси шестерни и образует отверстие, расположенное соосно с осью шестерни, для вставления трубчатого элемента. Множество зубчатых колес установлено на водиле. Каждое зубчатое колесо выполнено с возможностью вращения относительно водила вокруг соответствующей оси зубчатого колеса. Каждое зубчатое колесо находится в зацеплении с шестерней. Множество кулачковых тел, каждое из которых установлено на соответствующем одном из зубчатых колес, включает в себя множество первых кулачковых поверхностей. Каждая из первых кулачковых поверхностей проходит вокруг соответствующего одного из кулачковых тел и выполнена с возможностью взаимодействия с трубчатым элементом, вставленным в отверстие. Каждая из первых кулачковых поверхностей содержит область с увеличивающимся радиусом. Каждая из первых кулачковых поверхностей содержит первое нарушение непрерывности первой кулачковой поверхности. В примере, каждое зубчатое колесо имеет одинаковый диаметр делительной окружности. Иллюстративный вариант осуществления может дополнительно содержать множество вторых кулачковых поверхностей. Каждая из вторых кулачковых поверхностей проходит вокруг соответствующего одного из кулачковых тел и расположена на расстоянии от одной из первых кулачковых поверхностей.
В иллюстративном варианте осуществления, каждая из вторых кулачковых поверхностей содержит вторую область с увеличивающимся радиусом. Каждая из вторых кулачковых поверхностей содержит второе нарушение непрерывности второй кулачковой поверхности. Второе нарушение непрерывности совмещено с первым нарушением непрерывности на каждом кулачковом теле. В качестве примера, каждая из первых кулачковых поверхностей содержит область с постоянным радиусом, расположенную вблизи от соответствующего одного из первых нарушений непрерывности. В дополнительном примере, каждая из вторых кулачковых поверхностей содержит область с постоянным радиусом, расположенную вблизи от соответствующего одного из вторых нарушений непрерывности. Каждая из вторых кулачковых поверхностей может иметь постоянный радиус. Иллюстративный вариант осуществления дополнительно содержит по меньшей мере одну тяговую поверхность, проходящую вокруг одного из кулачковых тел. По меньшей мере одна тяговая поверхность имеет в себе зазор. Зазор совмещен в осевом направлении с первым нарушением непрерывности первой кулачковой поверхности, окружающей одно кулачковое тело.
В иллюстративном варианте осуществления, по меньшей мере одна тяговая поверхность содержит множество выступов, проходящих наружу от нее. К тому же, в качестве примера, по меньшей мере одна тяговая поверхность может быть расположена вблизи от первой кулачковой поверхности, окружающей одно кулачковое тело. В другом примере, шестерня имеет диаметр делительной окружности, равный наружному диаметру трубчатого элемента. В дополнительном примере, по меньшей мере одна тяговая поверхность может иметь диаметр делительной окружности, равный диаметру делительной окружности одного из зубчатых колес.
Иллюстративный вариант осуществления может дополнительно содержать множество тяговых поверхностей. Каждая из тяговых поверхностей проходит вокруг соответствующего одного из кулачковых тел. Каждая из тяговых поверхностей имеет в себе зазор. Каждый зазор совмещен в осевом направлении с соответствующим одним из нарушений непрерывности первых кулачковых поверхностей на каждом из кулачковых тел. Каждая из тяговых поверхностей имеет диаметр делительной окружности, равный диаметрам делительной окружности зубчатых колес. В качестве примера, по меньшей мере одна тяговую поверхность проходит вокруг одного из кулачковых тел. По меньшей мере одна тяговая поверхность имеет в себе зазор. Зазор совмещен в осевом направлении с первым нарушением непрерывности первой кулачковой поверхности, окружающей одно кулачковое тело. В качестве примера, шестерня имеет диаметр делительной окружности, равный наружному диаметру трубчатого элемента. Также, например, по меньшей мере одна тяговая поверхность может иметь диаметр делительной окружности, равный диаметру делительной окружности одного из зубчатых колес. В иллюстративном варианте осуществления, первая кулачковая поверхность может быть расположена между по меньшей мере одной тяговой поверхностью и второй кулачковой поверхностью, окружающей одно кулачковое тело. К тому же, в качестве примера, первые и вторые кулачковые поверхности могут быть расположены между по меньшей мере одной тяговой поверхностью и зубчатым колесом, на котором установлено одно кулачковое тело.
Другой иллюстративный вариант осуществления дополнительно содержит множество тяговых поверхностей. Каждая из тяговых поверхностей проходит вокруг соответствующего одного из кулачковых тел. Каждая из тяговых поверхностей имеет в себе зазор. Каждый зазор совмещен в осевом направлении с соответствующим одним из нарушений непрерывности первых кулачковых поверхностей на каждом из кулачковых тел. Каждая из тяговых поверхностей имеет диаметр делительной окружности, равный диаметрам делительной окружности зубчатых колес. В качестве примера, каждая из первых кулачковых поверхностей может быть расположена между соответствующей одной из тяговых поверхностей и соответствующей одной из вторых кулачковых поверхностей на каждом кулачковом теле. В дополнительном примере, каждая из первых и вторых кулачковых поверхностей может быть расположена между соответствующей одной из тяговых поверхностей и соответствующей одной из зубчатых колес на каждом кулачковом теле. Также, в качестве примера, каждая из первых кулачковых поверхностей может быть расположена вблизи от соответствующей одной из тяговых поверхностей на каждом кулачковом теле.
Иллюстративный вариант осуществления может содержать по меньшей мере три зубчатых колеса. Иллюстративный вариант осуществления может содержать по меньшей мере четыре зубчатых колеса. Иллюстративный вариант осуществления может дополнительно содержать стакан, расположенный вблизи от шестерни и обращенный к отверстию. Трубчатый элемент упирается в стакан.
Изобретение также относится к множеству кулачков для холодной обработки трубчатого элемента. Кулачки вращаются по окружности вокруг трубчатого элемента. Каждый кулачок содержит кулачковое тело, имеющее ось вращения. Первая кулачковая поверхность проходит вокруг кулачкового тела. Первая кулачковая поверхность содержит первую область с увеличивающимся радиусом и первое нарушение непрерывности первой кулачковой поверхности. Вторая кулачковая поверхность проходит вокруг кулачкового тела и расположена на расстоянии вдоль оси вращения от первой кулачковой поверхности. В качестве примера, вторая кулачковая поверхность может содержать вторую область с увеличивающимся радиусом и второе нарушение непрерывности второй кулачковой поверхности. Второе нарушение непрерывности совмещено с первым нарушением непрерывности. Первая кулачковая поверхность может иметь область с постоянным радиусом, расположенную вблизи от первого нарушения непрерывности. Вторая кулачковая поверхность может иметь область с постоянным радиусом, расположенную вблизи от второго нарушения непрерывности. В иллюстративном варианте осуществления, вторая кулачковая поверхность может иметь постоянный радиус.
Иллюстративный вариант осуществления может дополнительно содержать тяговую поверхность, проходящую вокруг кулачкового тела. Тяговая поверхность имеет в себе зазор. Зазор совмещен в осевом направлении с первым нарушением непрерывности. В примере, тяговая поверхность содержит множество выступов, проходящих наружу от нее. В качестве примера, первая кулачковая поверхность может быть расположена между тяговой поверхностью и второй кулачковой поверхностью. Другой иллюстративный вариант осуществления содержит зубчатое колесо, установленное на кулачковом теле. Зубчатое колесо расположено соосно с осью вращения. В иллюстративном варианте осуществления, первая и вторая кулачковые поверхности могут быть расположены между тяговой поверхностью и зубчатым колесом.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой вид в продольном разрезе иллюстративного устройства для образования окружных канавок на трубчатых элементах;
Фиг. 1A представляет собой вид в продольном разрезе в увеличенном масштабе части устройства, показанного на Фиг. 1;
Фиг. 2 представляет собой вид в продольном разрезе устройства, показанного на Фиг. 1, образующего окружную канавку на трубчатом элементе;
Фиг. 2A представляет собой вид в продольном разрезе в увеличенном масштабе части устройства, показанного на Фиг. 2;
Фиг. 3 и 3A представляют собой виды в изометрии в разобранном состоянии выбранных компонентов устройства, показанного на Фиг. 1;
Фиг. 4 представляет собой вид в изометрии иллюстративного кулачка, используемого в устройстве, показанном на Фиг. 1 в увеличенном масштабе;
Фиг. 5 представляет собой вид с торца иллюстративного кулачка, используемого в устройстве, показанном на Фиг. 1 в увеличенном масштабе;
Фиг. 6 представляет собой вид сбоку иллюстративного кулачка, используемого в устройстве, показанном на Фиг. 1 в увеличенном масштабе;
Фиг. 7 представляет собой вид в изометрии редуктора в сборе, используемого в устройстве, показанном на Фиг. 1;
Фиг. 8 представляет собой вид с торца выбранных компонентов в устройстве, показанном на Фиг. 1;
Фиг. 9 представляет собой вид в продольном разрезе иллюстративного устройства для образования окружных канавок на трубчатых элементах;
Фиг. 9A представляет собой вид в продольном разрезе в увеличенном масштабе части устройства, показанного на Фиг. 9;
Фиг. 10 представляет собой вид в продольном разрезе устройства, показанного на Фиг. 9, образующего окружную канавку в трубчатом элементе;
Фиг. 10A представляет собой вид в продольном разрезе в увеличенном масштабе части устройства, показанного на Фиг. 10;
Фиг. 11 представляет собой вид в изометрии в разобранном состоянии выбранных компонентов устройства, показанного на Фиг. 9;
Фиг. 12 представляет собой вид сбоку иллюстративного кулачка, используемого в устройстве, показанном на Фиг. 9, в увеличенном масштабе;
Фиг. 13 представляет собой вид с торца иллюстративного кулачка, используемого в устройстве, показанном на Фиг. 9, в увеличенном масштабе; и
Фиг. 14 представляет собой вид с торца выбранных компонентов устройства, показанного на Фиг. 9.
Подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения
На Фиг. 1 и 1A показано иллюстративное устройство 10 для формования окружной канавки на трубчатом элементе. Устройство 10 является преимущественным для образования канавки на трубчатых элементах, имеющий номинальный диаметр 31,75 мм (1,25 дюйма) или более. Устройство 10 содержит шестерню 12, установленную на промежуточном вале 14 (смотри также Фиг. 3). Шестерня 12 и промежуточный вал 14 установлены неподвижно без возможности вращения вокруг оси 16 шестерни, расположенной соосно с шестерней и валом. Неподвижность по вращению шестерни 12 обеспечена посредством использования шпонки 18 между шестерней и промежуточным валом 14, а также зацепления части 14a промежуточного вала 14 с фиксирующей опорой 20. Фиксирующая опора 20 неподвижно установлена на основании 22. Часть 14a промежуточного вала 14 имеет многоугольный профиль поперечного сечения, который зацепляется с отверстием 24, которое проходит через фиксирующую опору 20. Форма отверстия 24 совпадает с формой части 14a промежуточного вала 14 и посредством этого предотвращает вращение вала вокруг оси 16 шестерни, но обеспечивает осевое перемещение вала. В этом иллюстративном варианте осуществления, часть 14a имеет квадратный профиль поперечного сечения, и отверстие 24 имеет по существу такую же квадратную форму.
Водило 26 окружает шестерню 12. Водило 26 установлено на фланце 28 наружного вала 30. Наружный вал 30 является полым, окружает промежуточный вал 14 и расположен соосно с ним. Подшипники 32, расположенные между наружным валом 30 и промежуточным валом 14, обеспечивают вращение наружного вала, и, следовательно, прикрепленного к нему водила 26, вокруг оси 16 шестерни относительно промежуточного вала 14. Водило 26 образует отверстие 34 для вставления трубчатого элемента, в котором должна быть образована канавка. Отверстие 34 расположено соосно с осью 16 шестерни. На промежуточном вале 14 через шестерню 12 установлена стопорная пластина 36. Стопорная пластина 36 выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении вдоль оси 16 шестерни с промежуточным валом 14 и шестерней 12. Стопорная пластина 36, промежуточный вал 14 и шестерня 12 поджимаются к отверстию 34 посредством пружин 38, действующих между шестерней и наружным валом 30 через фланец 28 вала. Поскольку промежуточный вал 14 зафиксирован по вращению относительно основания 22, упорные подшипники 40 могут быть использованы между шестерней 12 и пружинами 40 для защиты пружин 38, которые вращаются с фланцем 28 и наружным валом 30, и уменьшения трения между шестерней 12 и фланцем 28. Стопорная пластина 36 взаимодействует с шестерней 12 и упорными подшипниками 40 с обеспечением принудительного упора, который обеспечивает положение трубчатого элемента для правильного позиционирования канавки.
На водиле 26 установлено множество зубчатых колес 42. В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, 2 и 3, водило имеет 4 зубчатых колеса, расположенных под углами 90° друг к другу. Каждое зубчатое колесо 42 выполнено с возможностью вращения вокруг соответствующей оси 44 зубчатого колеса. В практическом варианте осуществления, каждое зубчатое колесо установлено на вале 46 зубчатого колеса, зафиксированном между передней и задней пластинами 48 и 50, содержащими водило 26. Подшипники 52, расположенные между каждым зубчатым колесом 42 и его соответствующим валом 46, обеспечивают вращение с малым трением зубчатых колес в водиле 26. Каждое зубчатое колесо 42 зацепляется с шестерней 12.
Как видно на Фиг. 4, на каждом зубчатом колесе 42 установлено кулачковое тело 54. Первая кулачковая поверхность 56 проходит вокруг каждого кулачкового тела 54. Первые кулачковые поверхности 56 выполнены с возможностью зацепления с трубчатым элементом, вставленным через отверстие 34. Как видно на Фиг. 5, первая кулачковая поверхность 56 содержит область 58 с увеличивающимся радиусом и нарушение 60 непрерывности кулачковой поверхности. Нарушение 60 непрерывности представляет собой положение на кулачковом теле 54, в котором кулачковая поверхность 56 не соприкасается с трубчатым элементом. В качестве части каждой первой кулачковой поверхности 56, дополнительно преимущественно предусмотрена область 62 с постоянным радиусом, расположенная вблизи от нарушения 60 непрерывности. По меньшей мере одна тяговая поверхность 64 может проходить вокруг одного из кулачковых тел 54. В примере, показанном на Фиг. 3, соответствующая тяговая поверхность 64 проходит вокруг каждого кулачкового тела 54. Тяговые поверхности 64 также выполнены с возможностью зацепления с трубчатым элементом, вставленным в водило 26, но каждая тяговая поверхность имеет зазор 66, совмещенный в осевом направлении (то есть, в направлении вдоль оси 44 зубчатого колеса) с нарушением 60 непрерывности в первой кулачковой поверхности 56 на каждом кулачковом теле 54. Как видно на Фиг. 4, тяговая поверхность 64 может содержать множество выступов 68, проходящих наружу от нее. Выступы обеспечивают захват между трубчатым элементом и тяговой поверхностью 64 во время работы устройства и могут быть образованы, например, посредством накатывания на тяговой поверхности. Тяговая поверхность имеет делительную окружность с диаметром 128. Когда на тяговой поверхности 64 присутствуют выступы 68, диаметр 128 делительной окружности тяговой поверхности определяется посредством взаимодействия выступов 68 с трубчатым элементом 79, включая вдавливание, выполняемое выступами 68 на трубчатом элементе 79. Если выступы 68 отсутствуют, диаметр 127 делительной окружности тяговой поверхности 64 равен диаметру тяговой поверхности. Как дополнительно показано на Фиг. 4, первая кулачковая поверхность 56 расположена между зубчатым колесом 42 и тяговой поверхностью 64, на расстоянии от тяговой поверхности, но вблизи от нее по сравнению с зубчатым колесом.
Как видно на Фиг. 1 и 4, вторая кулачковая поверхность 70 также расположена на кулачковом теле 54 и проходит вокруг него. Вторая кулачковая поверхность 70 представляет собой поверхность управляемого развальцовывания. Развальцовывание представляет собой радиальное расширение конца трубчатого элемента, которое, как правило, образуется, когда около этого конца происходит образование окружной канавки. Вторая кулачковая поверхность 70 (поверхность управляемого развальцовывания) расположена вблизи от зубчатого колеса 42, в результате чего она соприкасается с трубчатым элементом вблизи от его конца, где в результате образования канавки развальцовывание является наиболее ярко выраженным. Как видно на Фиг. 4 и 6, за исключением ее нарушения 70a непрерывности, вторая кулачковая поверхность 70 имеет постоянный радиус 72, выполненный по размеру с возможностью зацепления с трубчатым элементом для управления развальцовыванием и, например, сохранения изначального номинального диаметра трубчатого элемента у его конца во время и после образования канавки. Нарушение 70a непрерывности совмещено с нарушением 60 непрерывности в первой кулачковой поверхности 56 и представляет собой положение на кулачковом теле 54, в котором кулачковая поверхность 70 не соприкасается с трубчатым элементом. В альтернативных вариантах осуществления, вторая кулачковая поверхность 70 может иметь область с увеличивающимся радиусом и конечную область с постоянным радиусом, или вторая кулачковая поверхность 70 может иметь увеличивающийся радиус по всей длине ее дуги.
Как видно на Фиг. 1, 3 и 3A, устройство 10 дополнительно содержит расширяемую матрицу 74, расположенную вблизи от шестерни 12. В этом примере, матрица 74 содержит четыре сегмента 76, установленных с возможностью скольжения в радиальном направлении на шестерне 12 и соединенных с приводным устройством. В этом примере, приводное устройство содержит тяговый стержень 78, который проходит через полый внутренний канал 80 промежуточного вала 14. Тяговый стержень 78 имеет конический, многогранный конец 82, который зацепляется с поверхностями 84 сопрягаемой грани на каждом сегменте 76 матрицы. Тяговый стержень 78 выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении во внутреннем канале 80 относительно промежуточного вала 14, и сегменты 76 матрицы выполнены с возможностью приближения и удаления в радиальном направлении от оси 16 шестерни относительно шестерни 12. Радиальное перемещение сегментов 76 матрицы осуществляется посредством осевого перемещения тягового стержня 78. На Фиг. 1 и 1A показаны тяговый стержень 78 и сегменты 76 матрицы во втянутом положении, а на Фиг. 2 и 2A показаны тяговый стержень и сегменты матрицы в расширенном положении. Когда тяговый стержень 78 выдвинут к отверстию 34 водила 26 (Фиг. 1, 1A), сегменты 76 матрицы расположены на меньшей части конического конца 82 тягового стержня 78, и сегменты матрицы находятся в их втянутом положении. Матрица 74 дополнительно содержит окружные пружины 86 (смотри Фиг. 3A), которые окружают и поджимают сегменты 76 матрицы во втянутое положение. Когда тяговый стержень 78 втягивается в направлении от отверстия 34 водила 26 (Фиг. 2, 2A), сегменты 76 матрицы, являясь зафиксированными в осевом направлении на шестерне 12, раздвигаются наружу в радиальном направлении посредством взаимодействия между поверхностями 84 на каждом сегменте 76 и коническим, многогранным концом 82 тягового стержня 78. Когда тяговый стержень 78 возвращается к отверстию 34 водила 26, сегменты 76 матрицы перемещаются радиально вовнутрь под действием окружных пружин 86 и возвращаются во втянутое положение.
Как дополнительно показано на Фиг. 1A и 3A, сегмент 76 матрицы имеет   поверхность 88 матрицы, которая обращена радиально от оси 16 шестерни с обеспечением зацепления с внутренней поверхностью трубчатого элемента, вставленного в водило 26.   Поверхности 88 матрицы имеют форму профиля, которая согласована с формой первых кулачковых поверхностей 56 на кулачковых телах 54. Как описано далее, первые кулачковые поверхности 56 и   поверхности 88 матрицы взаимодействуют с обеспечением образования окружной канавки требуемой формы на трубчатом элементе (смотри Фиг. 2, 2A). Для трубчатых элементов, имеющих номинальный диаметр 31,75 мм (1,25 дюйма) или более, может быть преимущественным использование матрицы 74 совместно с первыми кулачковыми поверхностями 56 для более точного управления конечной формой канавки и размерами трубчатого элемента. От использования матрицы 74 ожидается изготовление более качественно образованных окружных канавок, чем это возможно с использованием только кулачковых поверхностей. Следует заметить, что   поверхности 88 матрицы имеют коническую поверхность 88a (Фиг. 1A, 2A и 3A), которая обеспечивает свободное пространство для вторых кулачковых поверхностей 70 (управляемого развальцовывания) для формования конца трубчатого элемента, когда он превышает номинальный диаметр. Поверхности 88a также являются полезными, когда поверхности 70 управляемого развальцовывания используются для уменьшения наружного диаметра трубчатого элемента.
Как видно на Фиг. 1 и 2, приводное устройство, которое перемещает тяговый стержень 78 в осевом направлении для расширения и втягивания матрицы 74, дополнительно содержит узел 90 цилиндра и поршня. В этом иллюстративном варианте осуществления, узел 90 цилиндра и поршня содержит пневматический цилиндр 92 двойного действия, имеющий поршень 94, соединенный с тяговым стержнем 78. Пневматический цилиндр 92 установлен на раме 96, которая прикреплена к промежуточному валу 14 и выполнена с возможностью перемещения относительно основания 22. Таким образом, пневматический цилиндр 92 перемещается в осевом направлении с промежуточным валом 14, но его поршень 94 может перемещать тяговый стержень 78 относительно промежуточного вала 14. Датчик 98 положения используется для определения положения сборки, которая включает в себя тяговый стержень 78, матрицу 74, шестерню 12, промежуточный вал 14 и пневматический цилиндр 92 и его раму 96. Датчик 98 положения может, например, содержать датчик приближения или микровыключатель. Датчик 100 давления используется для определения состояния давления пневматического цилиндра 92. Как датчик 98 положения, так и датчик 100 давления находятся в сообщении с контроллером 102, который может содержать, например, программируемый логический контроллер или другой микропроцессор. Контроллер 102 использует информацию от датчика 98 положения и датчика 100 давления для управления работой устройства 10, как описано далее.
Как видно на Фиг. 1 и 7, редукторная передача 104 используется для вращения наружного вала 30 вокруг оси 16 шестерни. В этом иллюстративном варианте осуществления редукторная передача 104 содержит червячный винт 106, приводимый от серводвигателя (не показан), управляемого посредством контроллера 102. Серводвигатель выполняет функцию делительного привода и имеет аналого-цифровой преобразователь, который предоставляет точную информацию о положении вала двигателя, посредством этого обеспечивая точное управление вращением червячного винта 106.
Червячный винт 106 находится в зацеплении с червячным колесом 108. Как видно на Фиг. 1 и 7, червячное колесо 108 установлено на выходном вале 110, установленном с возможностью вращения вокруг оси 16 шестерни на подшипниках 112 между выходным валом 110 и корпусом 114 редуктора, который прикреплен к основанию 22. Выходной вал 110 соединен с наружным валом 30 посредством шпонки 116, обеспечивающей вращение наружного вала 30, когда выходной вал 110 приводится во вращение посредством червячного винта 106 и червячного колеса 108.
Работа устройства 10 начинается с кулачковых тел 54, расположенных, как показано на Фиг. 8, с нарушениями 60 и 70a непрерывности в их соответствующих первых и вторых кулачковых поверхностях 56 и 70 (не видны), обращенных к оси 16 шестерни, и зазорами 66 в их соответствующих тяговых поверхностях 64 (если они присутствуют), также обращенных к оси 16 шестерни. Эта ориентация кулачковых тел 54 устанавливается при сборке зубчатых колес 42 с шестерней 12 в водиле 26 и задается как начальное положение посредством контроллера 102 (Фиг. 1) и серводвигателя (не показан), действующего через червячный винт 106 и червячное колесо 108. Сегменты 76 матрицы находятся в их втянутом положении (Фиг. 1A).
Как видно на Фиг. 1 и 1A, когда кулачковые тела 54 находятся в начальном положении и сегменты 76 матрицы втянуты, трубчатый элемент 118, на котором требуется образование канавки, вставляется через отверстие 34 в водиле 26 и упирается в стопорную пластину 36. Совмещение зазоров 66 в тяговых поверхностях 64 (если они присутствуют) и соответствующие нарушения 60, 70a непрерывности в первых и вторых кулачковых поверхностях 56, 70, а также втянутое положение сегментов 76 матрицы обеспечивают просвет для вставления трубы. Трубчатый элемент 118 упирается дальше в стопорную пластину 36, сжимая пружины 38 и перемещая сборку, содержащую матрицу 74, шестерню 12, тяговый стержень 78, упорный подшипник 40 и пневматический цилиндр 92, в осевом направлении относительно основания 22 и прикрепленной к нему фиксирующей опоры 20, посредством этого достигая состояния принудительного упора, в котором упорный подшипник 40 упирается во фланец 28. Положение сборки определяется посредством датчика 98 положения, который передает сигнал, содержащий информацию о положении сборки, контроллеру 102. При получении сигнала о положении, контроллер 102 выдает команду пневматическому цилиндру 92 на оттягивание тягового стержня 78 от отверстия 34 водила 26. В результате этого сегменты 76 матрицы перемещаются радиально наружу в расширенное положение (Фиг. 2, 2A) и посредством этого зацепляют   поверхности 88 матрицы с внутренней поверхностью 120 трубчатого элемента 118. Расширенное положение сегментов 76 матрицы изменяется в зависимости от внутреннего диаметра трубчатого элемента. Пневматический цилиндр 92 поддерживает усилие, приложенное к тяговому стержню 78, посредством этого блокируя матрицы 76 в положении, в котором они прижаты к внутренней поверхности трубчатого элемента. Когда датчик 100 давления обнаруживает пороговое пониженное давление на втягивающей стороне пневматического цилиндра 92, означающее то, что к тяговому стержню 78 приложена тянущая сила, он посылает контроллеру 102 сигнал о том, что сегменты 76 матрицы являются расширенными. По получении сигнала о состоянии матрицы от датчика 100 давления контроллер 102 выдает серводвигателю команду на вращение червячного винта 106, который вращает червячное колесо 108. В этом примере, вращение червячного колеса 108 приводит к вращению выходного вала 110 против часовой стрелки (на виде на Фиг. 8), который приводит во вращение наружный вал 30, с которым он соединен посредством шпонки (шпонка 116, смотри Фиг. 2A) с обеспечением вращения. Вращение наружного вала 30 приводит во вращение водило 26 против часовой стрелки вокруг оси 16 шестерни. (Направление вращения водила 26 предустановлено посредством расположения первых кулачковых поверхностей 56 на кулачковых телах 54.) В результате этого зубчатые колеса 42 и их соответствующие кулачковые тела 54 перемещаются по орбите вокруг оси 16 шестерни. Тем не менее, шестерня 12 зафиксирована без возможности вращения, поскольку промежуточный вал 14 прикреплен к фиксирующей опоре 20 посредством взаимодействия между частью 14a промежуточного вала и отверстием 24 фиксирующей опоры. Поскольку зубчатые колеса 42 зацепляются с (неподвижной) шестерней 12, относительное вращение водила 26 вокруг оси 16 шестерни приводит к вращению зубчатых колес 42 и их соответствующих кулачковых тел 54 вокруг их соответствующих осей 44 зубчатого колеса (смотри Фиг. 2, 2A и 8). Вращение кулачковых тел 54 приводит тяговые поверхности 64 и первые кулачковые поверхности 56 в соприкосновение с наружной поверхностью 124 трубчатого элемента 118. Тяговые поверхности 64 захватывают трубчатый элемент, в то время как первые кулачковые поверхности 56 вдавливают канавку в наружной поверхности 124 трубчатого элемента, по мере того, как область 58 с увеличивающимся радиусом и область 62 с постоянным радиусом каждой первой кулачковой поверхности 56 перемещаются по трубчатому элементу 118. Сегменты 76 матрицы зацеплены с внутренней поверхностью 120 трубчатого элемента 118 и поддерживают ее, и   поверхности 88 матрицы взаимодействуют с первыми кулачковыми поверхностями 56 для образования окружной канавки.
Расположения первых кулачковых поверхностей 56 и вторых кулачковых поверхностей 70 (управляемого развальцовывания) на кулачковых телах 54 согласованы с положением трубчатого элемента 118, вставленного в водило 26, в результате чего канавка образуется на требуемом расстоянии от конца трубчатого элемента 118 и развальцовывание у конца трубчатого элемента является управляемым, то есть, ограниченным или уменьшенным приблизительно до его номинального диаметра или меньше. Контроллер 102 вращает водило 26 на такое количество оборотов, которое является необходимым (в зависимости от передаточного отношения между зубчатыми колесами 42 и шестерней 12) для образования окружной канавки по существу постоянной глубины для трубчатых элементов, имеющих однородную толщину стенки. В этом иллюстративном варианте осуществления для образования готовой окружной канавки с постоянной глубиной требуется только один оборот водила. При завершении образования канавки контроллер 102, действующий через серводвигатель и передачу 104, возвращает водило 26 в положение, в котором зазоры 66 в тяговых поверхностях 64 и нарушения 60 и 70a непрерывности в первых и вторых кулачковых поверхностях 56 и 70 снова обращены к оси 16 шестерни (Фиг. 8). Затем контроллер 102 выдает пневматическому цилиндру 92 команду на перемещение тягового стержня 78 к отверстию 34 с обеспечением перемещения сегментов 76 матрицы радиально вовнутрь в их втянутое положение и их отцеплением от трубчатого элемента 118 под действием поджимающей силы окружных пружин 86 (Фиг. 1 и 3A). Это положение кулачковых тел 54 и матрицы 74 обеспечивает извлечение трубчатого элемента 118 из водила 26. По мере извлечения трубчатого элемента 118, пружины 38 толкают сборку, содержащую тяговый стержень 78, шестерню 12, упорный подшипник 40, промежуточный вал 14, пневматический цилиндр 92 и матрицу 74, обратно в ее исходное положение, и устройство 10 снова готово к образованию канавки на другом трубчатом элементе.
Устройство 10 обеспечивает достижение значительного преимущества, поскольку оно прилагает к трубчатому элементу минимальный крутящий момент в ходе процесса образования канавки, в это же время обеспечивая образование канавки с постоянным диаметром. Как видно на Фиг. 8 и 5, это состояние достигается, когда: 1) диаметр 126 делительной окружности шестерни 12 по существу равен наружному диаметру трубчатого элемента (Фиг. 8); и, 2) диаметр 128 делительной окружности тяговых поверхностей 64 по существу равен диаметру 130 делительной окружности зубчатых колес 42 (Фиг. 5). При соблюдении этих условий, тяговые поверхности 64 ограничены прохождением по наружной поверхности трубчатого элемента, почти или совсем не принуждая трубу к вращению, и посредством этого прилагая лишь минимальный крутящий момент к трубчатому элементу. Термины “равно” и “по существу равно” в контексте данного документа в отношении взаимоотношения между диаметрами делительной окружности шестерней, зубчатых колес и тяговых поверхностей и наружным диаметром трубчатого элемента означают, что диаметр делительной окружности шестерни достаточно близок к наружному диаметру трубчатого элемента, и диаметр делительной окружности тяговой поверхности достаточно близок к диаметру делительной окружности зубчатых колес, в результате чего к трубчатому элементу приложен минимальный крутящий момент. Для удобства диаметр делительной окружности шестерни можно рассматривать как “равный” или “по существу равный” наружному диаметру трубчатого элемента, если разность между этими величинами составляет порядка сотых дюйма. Поскольку фактические трубы имеют значительные допуски на отклонение диаметра от номинала, на взаимоотношение между диаметром делительной окружности тяговых поверхностей и наружным диаметром трубчатого элемента может ожидаемо влиять отклонение диаметра трубы, в результате чего происходит приложение крутящего момента к трубчатому элементу, и в этих случаях становится преимущественным использование наружного зажима. В устройстве 10, функцию зажима может выполнять матрица 74, поскольку она установлена на шестерне 12, которая зафиксирована по вращению.
В осуществленной на практике иллюстративной конструкции, устройство 10, подходящее для образования канавки на трубчатых элементах, имеющих номинальный размер трубы 63,5 мм (2,5 дюйма), использует четыре зубчатых колеса 42 и кулачковых тела 54, как показано на чертежах. Наружный диаметр трубы номиналом 63,5 мм (2,5 дюйма) составляет 73,02 мм (2,875 дюйма). Шестерня 12, имеющая 36 зубьев и диаметр делительной окружности 72 мм (2,835 дюйма), является достаточно близкой (разность составляет 63,5 мм (2,5 дюйма)), в результате чего происходит приложение минимального крутящего момента, когда диаметры делительной окружности зубчатых колес и диаметры делительной окружности тяговых поверхностей также по существу равны друг другу. Этот иллюстративный вариант осуществления использует зубчатые колеса 42, имеющие 36 зубьев, с диаметром делительной окружности 72 мм (2,835 дюйма). Тяговые поверхности 64, в случае, если они накатаны или подготовлены иным образом, несмотря на то, что они не являются зубчатыми колесами, имеют по существу эквивалентный диаметр делительной окружности (то есть, диаметр цилиндра, который обеспечивает такое же перемещение, как и фактическое зубчатое колесо), который вдавливается в трубу по мере прохождения тяговой поверхности по ней. В практических применениях разности между диаметром делительной окружности тяговых поверхностей и диаметром делительной окружности зубчатых колес порядка сотых дюйма удовлетворяют данному определению “равно” или “эквивалентно”. Учитывая, что в этом примере передаточные отношения между шестерней 12 и зубчатыми колесами 42 являются одинаковыми, будет понятно, что водило 26 осуществляет один оборот для образования готовой окружной канавки вокруг трубчатого элемента.
В другой иллюстративной конструкции, подходящей для трубы с номинальным размером 101,6 мм (4 дюйма), имеющей наружный диаметр 114,3 мм (4,5 дюйма), может быть использована шестерня, имеющая 72 зуба с диаметром делительной окружности 114,3 мм (4,5 дюйма). Эта конструкция использует 4 зубчатых колеса, причем каждое зубчатое колесо имеет 72 зуба и диаметр делительной окружности 114,3 мм (4,5 дюйма). Отношение 1:1 между шестерней и зубчатым колесом означает, что для образования готовой канавки нужен один оборот водила. Другие отношения между шестерней и зубчатым колесом приводят к множеству оборотов водила или неполному обороту водила для образования готовой канавки.
Устройство 10 выполнено таким образом, что водило 26 и его соответствующие зубчатые колеса 42, кулачковые тела 54, шестерня 12, наружный вал 30, промежуточный вал 14 и матрица 74 вместе с другими соответствующими компонентами составляют сборку 132, взаимозаменяемую с передачей 104, для обеспечения легкого приспосабливания устройства под образование канавки на диапазоне труб, имеющих разные диаметры и толщины стенки. Взаимозаменяемость обеспечена благодаря использованию съемного зажима 134 для прикрепления наружного вала 30 к корпусу 114 редуктора 114 и шпонки 116 между наружным валом 30 и выходным валом 110 червячного колеса 108, а также прикрепления промежуточного вала 14 к раме 96 пневматического цилиндра 92 посредством зацепления рамы с щелями 136 на промежуточном вале и прикрепления поршня 94 к тяговому стержню 78 также посредством взаимного зацепления щелей и плеч 138. Сборка 132 может быть удалена посредством поднимания пневматического цилиндра 92, в результате чего рама 96 отцепляется от промежуточного вала 14 и поршень 94 отцепляется от тягового стержня 78, и затем удаления удерживающего зажима 134 (в результате чего обеспечивается отцепление наружного вала 30 от червячного колеса 108) и сдвигания сборки вдоль оси 16 шестерни. Затем может быть установлено новое водило в сборе, подходящее для образования канавки на других трубчатых элементах.
От устройств 10 согласно изобретению ожидается увеличение эффективности операций по образованию канавки на трубе, поскольку они точно и быстро работают с широким диапазоном размеров и сортаментов трубчатых элементов без потребности в опорах как для поддерживания трубчатого элемента, так и для компенсации его вращения и обеспечения выравнивания. Устройство 10 также может быть использовано для образования канавки на изогнутых трубчатых элементах и трубах в сборе, имеющих коленчатые соединения, без возникновения проблем, связанных с вращательным перемещением поперечного трубчатого элемента.
На Фиг. 9 показано другое устройство 11 для формования окружной канавки на трубчатом элементе. Устройство 11 содержит шестерню 13, неподвижно установленную без возможности вращения вокруг оси 15 шестерни, расположенной соосно с шестерней. Неподвижность по вращению шестерни 13 обеспечена посредством ее установки на одном конце 17 вала 19 шестерни, тогда как противоположный конец 21 вала шестерни прикреплен к стойке 23 посредством шпонки 25. Стойка установлена на основании 27.
Водило 29 окружает шестерню 13. Водило 29 установлено на фланце 31 ведущего вала 33. Ведущий вал 33 является полым, окружает вал 19 шестерни и расположен соосно с ним. Подшипники 35, расположенные между ведущим валом 33 и валом 19 шестерни, обеспечивают вращение ведущего вала, и, следовательно, прикрепленного к нему водила 29, вокруг оси 15 шестерни. Водило 29 образует отверстие 37 для вставления трубчатого элемента, в котором должна быть образована канавка. Отверстие 37 расположено соосно с осью 15 шестерни. Как видно на Фиг. 9 и 11, стакан 39 установлен соосно с шестерней 13. Трубчатый элемент упирается в стакан 39 и в этом примере установлен на вале 41 стакана, который проходит соосно через внутренний канал 43 в полом вале 19 шестерни. Вал 41 стакана выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении вдоль оси 15 шестерни и поджимается к отверстию 37 посредством пружины 45, действующей между валом 19 шестерни и стаканом 39. Конец 47 вала 41 стакана, противоположный стакану 39, используется совместно с выключателем 49, установленным вблизи от стойки 23, для приведения устройства в действие, как описано далее. В этом иллюстративном варианте осуществления выключатель содержит датчик приближения, но также может представлять собой контактный выключатель, такой как микровыключатель.
На водиле 29 установлено множество зубчатых колес 51. В иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 9 и 11, водило имеет 3 зубчатых колеса 51, расположенных под углами 120° друг к другу. Каждое зубчатое колесо 51 выполнено с возможностью вращения вокруг соответствующей оси 53 зубчатого колеса. В практическом варианте осуществления, каждое зубчатое колесо установлено на вале 55 зубчатого колеса, зафиксированном между передней и задней пластинами 57 и 59, содержащими водило 29. Подшипники 61, расположенные между каждым зубчатым колесом 51 и его соответствующим валом 55, обеспечивают вращение с малым трением зубчатых колес в водиле 29. Каждое зубчатое колесо 51 зацепляется с шестерней 13.
Как видно на Фиг. 12, на каждом зубчатом колесе 51 установлено соответствующее кулачковое тело 63. Соответствующая кулачковая поверхность 65 проходит вокруг каждого кулачкового тела 63. Кулачковые поверхности 65 выполнены с возможностью зацепления с трубчатым элементом, вставленным через отверстие 37 и упирающимся в стакан 39. Как видно на Фиг. 13, каждая кулачковая поверхность 65 содержит область 67 с увеличивающимся радиусом и нарушение 69 непрерывности кулачковой поверхности. Нарушение 69 непрерывности представляет собой положение на кулачковом теле 63, в котором кулачковая поверхность 65 не соприкасается с трубчатым элемент. В качестве части каждой кулачковой поверхности 65, дополнительно преимущественно предусмотрена область 71 с постоянным радиусом, расположенная вблизи от нарушения 69 непрерывности. Тяговая поверхность 73 (смотри Фиг. 12) проходит вокруг по меньшей мере одного из кулачковых тел 63. В примере, показанном на Фиг. 11, соответствующая тяговая поверхность 73 проходит вокруг каждого кулачкового тела 63. Тяговые поверхности 73 также выполнены с возможностью зацепления с трубчатым элементом, вставленным в водило 29, но каждая тяговая поверхность имеет зазор 75, совмещенный в осевом направлении (то есть, в направлении вдоль оси 53 зубчатого колеса) с нарушением 69 непрерывности в кулачковой поверхности 65 на каждом кулачковом теле 63. Как видно на Фиг. 12, тяговая поверхность 73 может содержать множество выступов 77, проходящих наружу от нее. Выступы обеспечивают дополнительный захват между трубчатым элементом и тяговой поверхностью 73 во время работы устройства и могут быть образованы, например, посредством накатывания на тяговой поверхности. Тяговая поверхность имеет делительную окружность с диаметром 87. Когда на тяговой поверхности 64 присутствуют выступы 68, диаметр 87 делительной окружности тяговой поверхности определяется посредством взаимодействия выступов 87 с трубчатым элементом 79, включая вдавливание, выполняемое выступами 87 на трубчатом элементе 79. Если выступы 68 отсутствуют, диаметр 87 делительной окружности тяговой поверхности 64 равен диаметру тяговой поверхности. Как дополнительно показано на Фиг. 12, кулачковая поверхность 65 расположена между зубчатым колесом 51 и тяговой поверхностю 73, на расстоянии от тяговой поверхности, но вблизи от нее по сравнению с зубчатым колесом.
Как видно на Фиг. 9 и 7, редукторная передача 104 используется для вращения ведущего вала 33 вокруг оси 15 шестерни. В этом иллюстративном варианте осуществления редукторная передача 104 содержит червячный винт 106, приводимый от серводвигателя (не показан), управляемого посредством микропроцессора, такого как программируемый логический контроллер (не показан). Серводвигатель выполняет функцию делительного привода и имеет аналого-цифровой преобразователь, который предоставляет точную информацию о положении вала двигателя, посредством этого обеспечивая точное управление вращением червячного винта 106.
Червячный винт 106 находится в зацеплении с червячным колесом 108. Червячное колесо 108 установлено на полом выходном вале 110, установленном с возможностью вращения вокруг оси 15 шестерни на подшипниках 112 между выходным валом 110 и корпусом 114 редуктора. Выходной вал 110 соединен с ведущим валом 33 посредством шпонки 95, обеспечивающей вращение ведущего вала 33, когда выходной вал 110 приводится во вращение посредством червячного винта 106 и червячного колеса 108.
Работа устройства 11 начинается с кулачковых тел 63, расположенных, как показано на Фиг. 14, с нарушениями 69 непрерывности в их соответствующих кулачковых поверхностях 65, обращенных к оси 15 шестерни, и зазорами 75 (смотри Фиг. 11) в их соответствующих тяговых поверхностях 73, также обращенными к оси 15 шестерни. Эта ориентация кулачковых тел 63 устанавливается при сборке зубчатых колес 51 с шестерней 13 в водиле 29 и задается как начальное положение посредством системы управления и серводвигателя (не показан), действующего через червячный винт 106 и червячное колесо 108.
Когда кулачковые тела 63 находятся в начальном положении, показанном на Фиг. 14, трубчатый элемент 79, на котором требуется образование канавки, вставляется через отверстие 37 в водиле 29 и упирается в стакан 39 (смотри Фиг. 9). Совмещение зазоров 75 в тяговых поверхностях 73 и нарушений 69 непрерывности в кулачковых поверхностях 63 (смотри Фиг. 11) обеспечивают просвет для вставления трубы. Трубчатый элемент упирается дальше в стакан 39, сжимая пружину 45 и упирая стакан 39 в принудительный упор (в этом примере, поверхность вала 19 шестерни), в результате чего конец 47 вала 41 стакана взаимодействует с выключателем 49, в этом примере, бесконтактным выключателем. Замыкание выключателя 49 приводит к отправке сигнала системе управления, которая выдает серводвигателю команду на вращение червячного винта 106, который вращает червячное колесо 108. В этом примере, вращение червячного колеса 108 приводит к вращению выходного вала 110 против часовой стрелки (на виде на Фиг. 14), который приводит во вращение ведущий вал 33, с которым он соединен посредством шпонки (шпонка 95). Вращение ведущего вала 33 приводит во вращение водило 29 против часовой стрелки вокруг оси 15 шестерни. (Направление вращения водила 29 задано посредством расположения кулачковых поверхностей 65 на кулачковых телах 63.) В результате этого зубчатые колеса 51 и их соответствующие кулачковые тела 63 перемещаются по орбите вокруг оси 15 шестерни. Тем не менее, шестерня 13 зафиксирована без возможности вращения, поскольку вал 19 шестерни находится в шпоночном соединении со стойкой 23 посредством шпонки 25. Поскольку зубчатые колеса 51 зацепляются с шестерней 13, относительное вращение водила 29 вокруг оси 15 шестерни приводит к вращению зубчатых колес 51 и их соответствующих кулачковых тел 63 вокруг их соответствующих осей 53 зубчатого колеса. Вращение кулачковых тел 63 приводит тяговые поверхности 73 и кулачковые поверхности 65 в соприкосновение с наружной поверхностью 83 трубчатого элемента 79. Тяговые поверхности 73 захватывают трубчатый элемент 79, в то время как кулачковые поверхности 65 вдавливают канавку в его наружной поверхности 83, по мере того, как область 67 с увеличивающимся радиусом и область 71 с постоянным радиусом каждой кулачковой поверхности 65 перемещаются по трубчатому элементу. Расположение кулачковых поверхностей 65 на кулачковых телах 63 согласовано с положением трубчатого элемента, когда он вставляется достаточно для достижения принудительного упора и переключает выключатель 49, в результате чего канавка образуется на требуемом расстоянии от конца трубчатого элемента. Контроллер вращает водило 29 на такое количество оборотов, которое является необходимым (в зависимости от передаточного отношения между зубчатыми колесами 51 и шестерней 13) для образования на трубчатом элементе окружной канавки по существу постоянной глубины. При завершении образования канавки контроллер возвращает водило 29 в положение, в котором зазоры 75 в тяговых поверхностях 73 и нарушения 69 непрерывности в кулачковых поверхностях 65 снова обращены к оси 15 шестерни (смотри Фиг. 14). Это положение кулачковых тел 63 обеспечивает извлечение трубчатого элемента 79 из водила 29, и устройство 11 снова готово к образованию канавки на другом трубчатом элементе.
Устройство 11 обеспечивает достижение значительного преимущества, поскольку оно прилагает к трубчатому элементу минимальный крутящий момент в ходе процесса образования канавки, в это же время обеспечивая образование канавки с постоянным диаметром. Это состояние достигается, когда: 1) диаметр 85 делительной окружности шестерни 13 (Фиг. 11) равен наружному диаметру трубчатого элемента 79; и 2) диаметр 87 делительной окружности тяговых поверхностей 73 равен диаметру 89 делительной окружности зубчатых колес 51 (Фиг. 12). При соблюдении этих условий, тяговые поверхности 73 ограничены прохождением по наружной поверхности трубчатого элемента, почти или совсем не принуждая трубу к вращению, и посредством этого прилагая лишь минимальный крутящий момент к трубчатому элементу. Термин “равно” в контексте данного документа в отношении взаимосвязи между диаметром делительной окружности шестерни и наружным диаметром трубы означает, что диаметр делительной окружности достаточно близок к наружному диаметру, в результате чего к трубчатому элементу приложен минимальный крутящий момент. В практических применениях разности между диаметром делительной окружности и наружным диаметром трубчатого элемента порядка сотых дюйма удовлетворяют данному определению “равно”. Поскольку фактические трубчатые элементы имеют значительные допуски на отклонение диаметра от номинала, на взаимоотношение между диаметром делительной окружности тяговой поверхности и наружным диаметром трубчатого элемента может ожидаемо влиять отклонение диаметра трубы, в результате чего происходит приложение крутящего момента к трубчатому элементу, и в этих случаях становится преимущественным использование наружного зажима 99 (смотри Фиг. 9).
В осуществленной на практике иллюстративной конструкции, устройство 11, подходящее для образования канавки на трубе номинальным диаметром 25,4 мм (1 дюйм), использует три зубчатых колеса 51 и кулачковых тела 63, как показано на чертежах. Наружный диаметр трубы номиналом 25,4 мм (1 дюйм) составляет 33,4 мм (1,315 дюйма). Шестерня 13, имеющая 21 зуб и диаметр делительной окружности 33,35 мм (1,3125 дюйма), является достаточно близкой (разность составляет 0,0635 мм (0,0025 дюйма)), в результате чего происходит приложение минимального крутящего момента, когда диаметры делительной окружности зубчатых колес и тяговых поверхностей также по существу равны друг другу. Этот иллюстративный вариант осуществления использует зубчатые колеса 51, имеющие 42 зуба, с диаметром делительной окружности 66,67 мм (2,625 дюйма). Тяговые поверхности 73, в случае, если они накатаны или подготовлены иным образом, несмотря на то, что они не являются зубчатыми колесами, имеют эквивалентный диаметр делительной окружности (то есть, диаметр цилиндра, который обеспечивает такое же перемещение, как и фактическое зубчатое колесо), который вдавливается в трубу по мере прохождения тяговой поверхности по ней. В практических применениях разности между диаметром делительной окружности тяговых поверхностей и диаметром делительной окружности зубчатых колес порядка сотых дюйма удовлетворяют данному определению “равно” или “эквивалентно”. Учитывая передаточное отношение между шестерней 13 и зубчатыми колесами 51 в этом примере, будет понятно, что водило 29 осуществляет два оборота для образования готовой окружной канавки вокруг трубчатого элемента.
В другой иллюстративной конструкции, подходящей для трубы номиналом 76,2 мм (2 дюйма), имеющей наружный диаметр 60,32 мм (2,375 дюйма), может быть использована шестерня, имеющая 30 зубьев с диаметром делительной окружности 59,99 мм (2,362 дюйма) (разность составляет 0,3302 мм (0,013 дюйма)). Эта конструкция использует 5 зубчатых колес, причем каждое зубчатое колесо имеет 30 зубьев и диаметр делительной окружности 59,99 мм (2,362 дюйма). Отношение 1:1 между шестерней и зубчатым колесом означает, что для образования готовой канавки нужен один оборот водила. Конструкции, имеющие более трех зубчатых колес, являются преимущественными при образовании канавки на трубчатых элементах, имеющих тонкие стенки или более крупные диаметры, поскольку такие трубы имеют склонность к упругому образованию выпуклостей в областях между кулачками при сдавливании между тремя кулачковыми поверхностями, расположенными под углом 120° друг к другу. Это упругое поведение приводит к увеличенному обратному пружинению трубчатых элементов к их номинальной форме и усложняет образование канавки. Тем не менее, увеличение количества зубчатых колес означает, что больше кулачков прилагают силу в большем количестве точек вокруг трубчатого элемента для улучшенного поддерживания трубчатого элемента и, следовательно, значительного уменьшения упругого образования выпуклостей. Увеличение количества ограничений, расположенных на меньших интервалах вокруг трубчатого элемента, обеспечивает протекание деформации в основном в пластичном режиме, в котором обратное пружинение уменьшено или компенсировано.
Другая иллюстративная конструкция использует 4 зубчатых колеса и кулачка для трубчатых элементов с номинальным диаметром 31,75 и 38,1 мм (1,25 и 1,5 дюйма). Для этой конструкции также могут быть использованы зубчатые колеса, обеспечивающее передаточные отношения 1.5:1 и 1:1.
Устройство 11 выполнено таким образом, что водило 29 и его соответствующие зубчатые колеса 51, кулачковые тела 63, шестерня 13, вал 41 стакана, стакан 39, пружина 45, ведущий вал 33 и вал 19 шестерни составляют сборку 91, взаимозаменяемую с передачей 104, для обеспечения легкого приспосабливания устройства под образование канавки на диапазоне труб, имеющих разные диаметры и толщины стенки. Взаимозаменяемость обеспечена благодаря использованию шпонки 25 между валом 19 шестерни и стойкой 23 и шпонки 95 между ведущим валом 33 и выходным валом 110, соединенной с удерживающей гайкой 97, завинченной в ведущий вал 33 и упирающейся в выходной вал 110. Сборка 91 может быть удалена посредством ее сдвигания вдоль оси 15 шестерни, когда удерживающая гайка 97 вывинчена из ведущего вала 33. Затем может быть установлено другое водило в сборе, подходящее для образования канавки на другом трубчатом элементе.
От устройств 11 согласно изобретению ожидается увеличение эффективности операций по образованию канавки на трубе, поскольку они точно и быстро работают с широким диапазоном размеров и сортаментов трубчатых элементов без потребности в опорах для поддерживания трубчатого элемента и для компенсации его вращения и обеспечения выравнивания. Устройство 11 также может быть использовано для образования канавки на трубах в сборе, имеющих коленчатые соединения, без возникновения проблем, связанных с вращательным перемещением поперечного трубчатого элемента.