具有選擇控制密封件的旋轉接頭的製作方法

2023-06-29 01:31:11

專利名稱：具有選擇控制密封件的旋轉接頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及流體連接裝置例如旋轉接頭，特別是涉及一種改進的密封控制機構， 它在有潤滑和非潤滑介質以及在沒有介質的情況下操作。
背景技術：
流體連接裝置例如旋轉接頭用於工業用途中，例如金屬或塑料的機械加工、工件 保持、印刷、塑料薄膜製造、造紙、半導體晶片製造以及其它需要將流體介質從靜止源(例 如泵或儲存器)傳送至旋轉元件(例如機器工具心軸、工件夾持系統或者旋轉鼓筒或缸) 內的其它工業過程中。通常，這些用途需要相對較高的介質壓力、流速或較高的機器工具轉 速。用於這些用途中的旋轉接頭傳送由設備使用的流體介質，用於冷卻、加熱或者用 於驅動一個或多個旋轉元件。典型的流體介質包括基於水的液體、液壓或冷卻油、空氣等。 在某些實例中，例如當從流體通道排出介質時，旋轉接頭可以在真空下操作。使用旋轉接頭 的機器通常包括精確部件，例如軸承、齒輪、電部件等，它們很昂貴和/或在維護過程中很 難修理或更換。這些部件通常處於腐蝕性環境，或者當在操作過程中暴露於由旋轉接頭洩 露或排出的流體時受損。旋轉接頭通常包括靜止部件，有時稱為殼體，它有用於接收流體介質的進口孔。非 旋轉密封部件安裝在殼體內。旋轉部件(有時稱為轉子)包括旋轉密封部件和出口孔，用 於將流體傳送給旋轉部件。非旋轉密封部件的密封表面偏壓成與旋轉密封部件的密封表面 流體密封地接合，通常通過彈簧、介質壓力或其它方法，因此能夠在接頭的旋轉和非旋轉部 件之間形成密封。該密封允許流體介質通過接頭傳送，而沒有在非旋轉和旋轉部分之間的 明顯洩露。經過旋轉接頭的流體介質可以潤滑接合的密封表面，以便減小密封部件的磨損。 當旋轉接頭在非潤滑介質(例如幹空氣)或沒有任何介質的情況下使用時，接合的密封表 面經受「幹運行」狀態，這將由於缺乏足夠的潤滑而引起快速密封件磨損。延長幹運行的時 間可能引起密封部件的嚴重損壞，從而需要昂貴和花費時間地進行一個或兩個密封部件的 更換。高速機械加工設備例如計算機數控(CNC)銑床、鑽孔機、車床、傳送線等使用旋轉 接頭來將介質直接供給工具的切割刃，用於在通常稱為「穿過心軸冷卻劑」的結構中進行冷 卻和潤滑。穿過心軸冷卻劑的結構延長了昂貴的切割工具的使用壽命，通過允許高切割速 度而提高生產率，並衝洗材料碎屑，該材料碎屑可能在離開工具切割表面的位置處損壞工 件或切割工具。不同的工件材料通常需要不同介質，用於優化生產率和性能。例如，當機械 加工非常硬的材料時，空氣或氣霧劑介質可以提供更好的熱控制，而當機械加工較軟的材 料例如鋁時，液體冷卻劑可以提供更好的性能。此外，某些類型的加工可以在沒有穿過心軸 的介質的情況下更有效和更便宜地進行。已知多種設計用於避免在非潤滑介質或無介質的情況下的幹運行。例如，具有當 存在反向流體壓力時脫開的密封表面的旋轉接頭(例如在美國專利553擬92中所述的裝置)可能較複雜和製造昂貴。具有在沒有介質時自動脫開的密封表面的旋轉接頭(例如在 美國專利4976282中所述的裝置)製造並不複雜，並包含於機器中，但是當使用非潤滑介質 時容易使得密封表面接合。具有特定幾何形狀用於通過氣體進行非接觸操作的密封表面 (例如在美國專利4325380和67^913中所述)並不對液體介質提供有效密封。類似的，具 有特定幾何形狀用於均勻分配介質的密封表面(例如在美國專利6149160中所述的密封裝 置)在使用非潤滑介質時沒有提供優點。一直使密封表面接合(即使有減小的偏壓)的旋 轉接頭(例如在美國專利6擬9099中所述的接頭)在高轉速下容易由於幹運行而損壞。已知旋轉接頭的還一實例在美國專利5669636中公開。該接頭包括兩個介質進口 孔，這兩個介質進口孔與管路和閥相連，以便提供介質。當使用潤滑介質時，提供的介質使 得密封表面接合成密封關係，而當存在非潤滑介質時或當沒有介質時使得密封表面脫開。 該裝置可以防止幹運行，但是當密封表面脫開時也引起保留在接頭中的介質的溢出。這種 溢出(特別是在多軸機器中)並不能總是引導離開周圍部件，並可能損壞機器的敏感部件。

發明內容
在一個方面，本發明介紹了一種旋轉接頭，它包括殼體，該殼體有孔，該孔與介質 槽道開口流體連通；以及控制腔室，該控制腔室環繞孔布置，並與介質槽道開口流體隔離。 非旋轉密封部件可滑動地布置在殼體中的孔內，並有與該孔流體連通的介質槽道。第一滑 動密封件環繞非旋轉密封部件布置，以便使得控制腔室與大氣密封。兩個附加滑動密封件 環繞非旋轉密封部件並相互鄰近地布置為一對，以便使得控制腔室與介質槽道密封。在操 作過程中，不管介質槽道的增壓狀態如何，當在控制腔室中存在壓力下的流體時，非旋轉密 封部件布置成從殼體伸出。在另一方面，本發明介紹了一種用於使得通過旋轉和非旋轉機器部件的部分確定 的介質槽道選擇地相互流體連接的系統。該系統包括接收沉孔，該接收沉孔確定於非旋轉 機器部件中；介質槽道開口，該介質槽道開口與接收沉孔流體連通；以及控制槽道。布置在 接收沉孔內的殼體有孔，該孔與接收沉孔流體連通；以及控制腔室，該控制腔室與控制槽 道流體連通。非旋轉密封部件可滑動和密封地布置在殼體的孔中，並有與接收沉孔流體連 通的介質槽道。第一流體閥裝置操作成使得控制腔室與增壓不可壓縮介質源、真空儲槽和/ 或排出口選擇地流體連接，這樣，當在控制腔室中存在壓力下的流體時，非旋轉密封部件可 以相對於殼體伸出。在還一方面，本發明介紹了一種用於操作旋轉接頭的方法。旋轉接頭用於沿在旋 轉機器部件和非旋轉機器部件之間延伸的介質槽道提供機械面密封件。該方法包括通過 向控制腔室供給流體壓力來選擇地使得機械面密封件接合，該控制腔室與介質槽道流體隔 離，並確定於非旋轉密封部件和非旋轉機器部件之間。總的來說，這裡公開了旋轉接頭的各種實施例，該旋轉接頭能夠保持在密封表面 之間的接合，以便防止不希望的介質洩露，同時在可能導致幹運行和降低密封件壽命的狀 態中使得密封表面能夠脫開，而不會明顯增加用於控制密封接合的成本。這些旋轉接頭可 以保持在密封表面之間的接合，同時施加內部真空以便從流體槽道中除去介質，且即使當 在旋轉和非旋轉部件之間的距離在操作過程中變化時也能夠保持密封接觸，與在更換工具 過程中機械加工中心的拉杆相同。
而且，本發明的旋轉接頭能夠通過機器設計者或機器的控制程序利用普通的管路 部件而人工或選擇地控制密封接合，也能夠根據傳送的介質的特性而自動控制。這種能力 通過在有潤滑介質(例如基於水的冷卻劑或基於油的氣霧劑，例如「最少量潤滑」)、非潤滑 介質(例如幹空氣和惰性氣體)和沒有任何介質的情況下允許40000rpm或更高轉速而增 加了機器功能的柔性。


圖IA是本發明的旋轉接頭的分解圖。圖IB是圖IA中所示的旋轉接頭的剖視圖。圖2是當沒有介質時圖IA中所示的旋轉接頭在操作狀態中的剖視圖。圖3是當釋放介質壓力以便脫開密封件時本發明的旋轉接頭在操作過程中的剖 視圖；圖4是本發明的旋轉接頭在有空氣或類似非潤滑介質的情況下操作的過程中的 剖視圖。圖5是本發明的旋轉接頭在有潤滑介質的情況下操作的過程中的剖視圖。圖6是根據本發明在排出狀態下操作的過程中的剖視圖。圖7是根據本發明在真空狀態下操作的過程中的剖視圖。圖8和9是在根據本發明的旋轉接頭的旋轉和靜止部件的相對軸向運動過程中旋 轉接頭的可選實施例的剖視圖。圖10是根據本發明的旋轉接頭的還一可選實施例的剖視圖。
具體實施例方式在形成本說明書的一部分的附圖中，圖IA是旋轉接頭100的一個實施例的分解等 距視圖。旋轉接頭100包括旋轉密封部件102和非旋轉密封部件104，該非旋轉密封部件 104可相對於殼體106軸向運動。旋轉密封部件102與旋轉機器部件108相連，殼體106與 非旋轉機器部件110相連。分段導管或介質槽道112分別穿過非旋轉機器部件110、旋轉和 非旋轉密封部件102和104，以及旋轉機器部件108，最好如圖IB中所示，圖IB是穿過旋轉 接頭100的剖視圖。如圖IB中所示，介質槽道112的部分確定於旋轉接頭100的不同部件中，以便當 旋轉和非旋轉密封部件102和104接合時提供穿過旋轉和非旋轉機器部件108和110的流 體通道。介質槽道112可以選擇地布置成當旋轉和非旋轉密封部件102和104相互接合時 密封圍繞流體，並當旋轉和非旋轉密封部件102和104並不接合時打開以便向大氣排出，如 下面對於旋轉接頭100的操作和與圖3-6相對應的說明中更詳細介紹的。圖IA和IB中所示的旋轉機器部件108(它可以是任意類型的機器部件，例如在 CNC銑床上的心軸)支承旋轉密封部件102。當旋轉密封部件102與非旋轉密封部件104 接合時產生的機械面密封將密封用於使得流體介質從非旋轉機器部件110向旋轉機器部 件108傳送的介質槽道112，如本領域已知。旋轉機器部件108有孔，該孔確定了介質槽道 112的一部分，並進一步確定了用於密封接收旋轉密封部件102的特徵。非旋轉密封部件104可滑動和密封地布置在殼體106的孔128內。允許非旋轉密封部件104相對於非旋轉機器部件110滑動的結構裝置使得非旋轉密封部件104與旋轉密 封部件108選擇地接合和脫開，並補償可能在旋轉和非旋轉機器部件108和110之間存在 的軸向位移。非旋轉機器部件110有用於安裝殼體106和用於向它提供流體的通道和開口，用 於使得密封件選擇地接合。對於圖IB的剖視圖，非旋轉機器部件110有接收沉孔114，該接 收沉孔114匹配地接收殼體106的柱形本體部分116。控制槽道118形成於非旋轉機器部 件110中，並通過布置在部件110中並在控制槽道118和接收沉孔114之間的控制開口 120 而與該接收沉孔114流體連通。控制槽道118還與第一介質開口 122流體連通，該第一介 質開口 112在操作過程中可選擇地與流體源或儲槽連接。在操作過程中在控制槽道118內的流體壓力的選擇變化產生液壓力，該液壓力通 過形成於密封部件104和殼體106之間的控制槽道136而施加在活動的非旋轉密封部件 104上，如圖IB中所示。密封部件104相對於殼體106的延伸以及布置在旋轉和非旋轉密 封部件102和104上的相應密封環的接合產生了穿過旋轉和非旋轉機器部件108和110延 伸的流體通道或介質槽道112。殼體106與非旋轉密封部件104密封接合，並確定了用於在旋轉和非旋轉密封部 件102和104之間選擇接合的各種液壓腔室。更具體地說，殼體106包括鄰近柱形本體部分 116的凸緣部分124。在所示實施例中，凸緣部分124通過四個內六角螺釘126(圖IA ；圖 IB中只表示一個)而與非旋轉機器部件110連接，從而將殼體106剛性地安裝在部件110 上。還考慮可以使用任意其它數目的緊固件或任意其它緊固結構。殼體106還包括沿中心線130穿過該殼體106延伸的中心孔128。在所示實施例 中，孔128為大致柱形，並確定了在柱形本體部分116中的較小內徑132和在凸緣部分IM 中的較大內徑134。該較大內徑134大於該較小內徑132，這樣，關閉液壓表面133徑向確 定於該較小和較大內徑132和134之間，如圖IB中所示，從而與控制腔室136交疊。在可 選實施例中，較小和較大內徑132和134都可以確定在殼體106的一部分內。控制腔室136在與較小和較大內徑132和134之間的關閉液壓表面133交疊的軸 向位置處周圍環繞孔1 延伸。當殼體106與非旋轉機器部件110連接時，控制腔室進口 138和控制腔室環形通道140提供了在控制腔室136和控制腔室118之間的流體連接。在 所示實施例中，控制腔室環形通道140形成於接收沉孔114中，並周圍環繞柱形本體部分 116延伸，以便形成在沉孔114和本體部分116之間的腔室115。控制腔室環形通道140通 過多個控制腔室進口 138而與控制腔室136流體連接，這些控制腔室進口對稱環繞沉孔114 周邊布置，以便提供與控制槽道118的流體連接。當非旋轉密封部件104布置在孔128內時，各種密封件布置成使得控制槽道118 和控制腔室136與接收沉孔114和大氣流體隔離。在一個實施例中，接收沉孔114通過布 置在周向槽144中的兩個靜止密封件142中的一個而與控制腔室環形通道140流體隔離， 該周向槽144形成於柱形本體部分116的各端附近。兩個靜止密封件142中的第二個使得 控制腔室環形通道140與大氣隔離。而且，控制腔室136通過兩個密封件152和156而沿 孔1 與接收沉孔114流體隔離，這兩個密封件152和156中的每一個環繞孔1 布置和 沿中心線130軸向定位。控制腔室主滑動密封件146布置在確定於殼體106的凸緣部分124中的周向槽148內，並以靜止方式與周向槽148的外周表面150密封接合。主滑動密封件146與非旋轉 密封部件104的外部部分可滑動和密封地接合，以便使得控制槽道136與大氣密封。在類 似結構中，控制腔室次滑動密封件布置在周向槽154中與非旋轉密封部件104的外部部分 和殼體106密封接合，以便使得控制槽道136與接收沉孔114密封。另外的介質槽道滑動 密封件156密封和可滑動地布置在接收沉孔114和非旋轉密封部件104之間，這樣，控制腔 室次滑動密封件152位於控制腔室136和介質槽道滑動密封件156之間。介質槽道滑動密 封件156提供了用於使得控制腔室136與接收沉孔114(因此與介質槽道11 流體隔離的 附加和/或冗餘能力。當在控制腔室136和介質槽道112中存在不同壓力時，由兩個密封 件152和156提供的冗餘密封能力將保證各密封件通過只向它的一個軸向面施加流體壓力 而提供密封功能。在圖中，各控制腔室主滑動密封件146和次滑動密封件152以及介質槽道滑動密 封件156由陰影矩形截面表示。可以考慮，任意類型的徑向密封部件適用於在殼體106和 非旋轉密封部件104之間提供滑動密封接合功能。因此，在多個附圖中用於各滑動密封件 146、152、156的陰影矩形截面總體表示能夠在大致柱形或管形部件的外部部分和孔的內部 部分之間提供密封功能的任意類型的徑向密封件。包含在附圖總體表示的合適密封件的實 例包括0形環密封件、唇緣密封件、U形密封件、具有矩形截面的密封件、具有彈性部件的密 封件或者任意其它已知類型的徑向密封件。非旋轉密封部件104為確定了兩個部分的大致柱形形狀，各部分的外徑等於孔 128的較小內徑132和較大內徑134。特別是，非旋轉密封部件104包括布置在孔128的 較小內徑132內的較小直徑部分158以及布置在孔128的較大內徑134內的較大直徑部分 160。一段介質槽道112與形成於非旋轉密封部件104中的柱形孔162重合，該柱形孔162 穿過非旋轉密封部件104的整個長度延伸，並流體開口於接收沉孔114。非旋轉密封部件104包括非旋轉密封環164，該非旋轉密封環164連接在非旋轉密 封部件104的端部，它形成非旋轉密封表面166。在所示實施例中，非旋轉密封環164有梯 形截面，因為內部和外部斜面沿環繞密封表面的密封環的內周邊和外周邊延伸。斜面為可 選的，一個或兩個可以根據非旋轉密封部件104的合適平衡比而省略，如人們已知的。在相對端，非旋轉密封部件104包括布置成方便流體介質流過介質槽道112的結 構特徵。更具體地說，所示實施例的非旋轉密封部件104包括進口凸緣167，該進口凸緣167 包括引導部分168，該引導部分168布置在孔162的擴大部分中；以及凸緣部分170，該凸 緣部分170從較小直徑部分158徑向向外延伸。形成於引導部分168和凸緣部分170之間 的錐形斜面174有利於介質流過介質槽道112。為了防止非旋轉密封部件104相對於殼體106旋轉，凸緣部分170形成徑向延伸 凸起或鍵172，該凸起或鍵172與形成於殼體106中的開口或狹槽173接合。在鍵172和狹 槽173之間的滑動接合防止非旋轉密封部件104相對於非旋轉機器部件110旋轉，而不會 防礙在兩個部件之間的軸向滑動。非旋轉密封部件104的軸向運動通過打開彈簧176而偏壓向打開位置，這是沿朝 著圖IB右側的方向。如圖所示，凸緣部分170與套筒178配合，以便提供彈簧保持器結構， 該彈簧保持器結構保持彈簧176，並在殼體106(該殼體106與非旋轉機器部件110剛性連 接)和非旋轉密封部件104 (該非旋轉密封部件如前所述可滑動地布置在殼體106的孔1 中)之間傳遞打開彈簧力。在所示實施例中，旋轉機器部件108有接收部分179，該接收部分179有引導器 180和螺紋部分182。儘管引導器180和相關特徵可以用於在某些高速用途中合適對齊，但 是也可以使用其它特徵，或者也可選擇，對於在低速下操作的用途，這樣的對齊特徵可以省 略。旋轉密封部件102包括螺紋184，該螺紋184與螺紋部分182接合，以便將兩個部件保 持在一起，但是也可以使用其它安裝裝置。在旋轉密封部件102和非旋轉密封部件104之 間的偏心將通過使得確定於旋轉密封部件102上的引導部分186匹配至旋轉機器部件108 的引導器180中而減小。徑向密封件188布置在形成於引導部分186中的周向槽190內， 並與引導器180密封接合，以便使得介質槽道112內的介質與大氣流體隔離。旋轉密封部件102包括旋轉密封環192，該旋轉密封環192確定了在端部的旋轉密 封表面194，當旋轉接頭100處於關閉或接合位置時，該旋轉密封表面194與非旋轉密封表 面166接合，以便形成機械面密封件。在所示實施例中，旋轉密封環192布置成以與旋轉機 器部件108相同的轉速旋轉。當非旋轉密封部件104選擇地朝著旋轉密封部件102軸向運 動並與它接觸時，旋轉密封環192通過旋轉密封表面194而與非旋轉密封環164接合。圖2是表示根據本發明的密封控制裝置的方框圖。在圖2中以及在下面的附圖中， 為了簡單，與前面所述相同或類似的元件和/或結構由與前面相同的參考標號來表示。因 此，旋轉接頭100的截面表示為具有功能流體連接件，該功能流體連接件有介質供給、返回 和排出迴路200。迴路200以方框圖形式表示了示例實施例，以便表示它們相對於旋轉接頭 100的功能。應當知道，可以考慮使用與這裡所示不同的部件的類似裝置，只要它們的功能 在旋轉接頭100的操作中產生相同或類似的效果。在圖2所示的示例實施例中，迴路200包括第一和第二閥202和204。如圖所示， 第一和第二閥202和204都是具有電子促動器和彈簧偏壓裝置的流體閥，該電子促動器和 彈簧偏壓裝置可以選擇地使得閥元件(分別為203和20 運動至與各類閥口相互流體連 接的位置，如後面更詳細所述。而且，迴路200包括流體儲存器，該流體儲存器操作為其中 儲存流體介質的源或儲槽；以及內置式泵，該內置式泵用於傳送流體進出儲存器。最後，貯 槽或(通常如圖所示的)排出儲存器提供了通向大氣壓力的出口。更具體地說，迴路200包括第一流體閥202，該第一流體閥202在所示實施例中為 具有5個口的兩位置閥。第一流體閥202與第一流體儲存器206、第二流體儲存器208和排 出儲存器210流體連通，也與第二流體閥204以及旋轉接頭100的第一介質開口 122流體連 接。排出儲存器210可以選擇為真空儲槽710，如圖7的實施例中所示。第一線性泵212以 流體關係布置在第一流體閥202和第一流體儲存器206之間，第二線性泵214以流體關係 布置在第一流體閥202和第二流體儲存器208之間。各第一和第二線性泵212和214能夠 在可選擇確定的供給或返回壓力下將流體泵送成流入它的儲存器208或從它的儲存器208 流出。第二閥204在第一流體閥202、第一介質開口 122和旋轉接頭100的介質槽道112 之間流體連接。流體在迴路200的部件之間相互連接，且圖2的示例實施例中所示的各個 閥、泵和儲存器(可以包括附加部件)可以集成在單個模塊(該模塊是機器的一部分)中， 或者可以選擇地分布在多於一個位置，這些位置在機器上或在操作機器的設備中，例如機 加工設備。
在旋轉接頭100的操作過程中用於在旋轉和非旋轉密封表面194和166之間產生 面密封的、旋轉和非旋轉密封表面194和166的接合通過第一和第二流體閥202和204的 合適驅動來選擇地控制。根據操作模式和通過介質槽道112提供的介質的潤滑特性以及根 據在槽道112中是否存在介質，旋轉和非旋轉密封表面194和166可以接合或脫開。圖3-7 中表示了 5個不同的操作狀態，這些操作狀態實現在旋轉和非旋轉密封表面194和166之 間的接合。各操作狀態包括通過合適定位第一和第二閥202和204而使得旋轉接頭100的 控制和介質槽道118和112與第一、第二和/或排出儲存器206、208和/或210或者真空 儲槽710(圖7)選擇地流體連接。在下面的圖3-7中，實線箭頭用於表示根據所示操作狀 態，介質在連接器中的總體流動方向。更具體地說，圖3中表示了當介質槽道112中不存在介質時的操作狀態。應當知 道，當密封環在旋轉接頭的操作過程中接合時，沒有潤滑介質可能使得在旋轉和非旋轉密 封環192和164之間的密封交界面受損。因此，當在沒有介質的情況下操作時，非旋轉密封 部件104退回至非旋轉機器部件110中，從而使得非旋轉密封環164與旋轉密封環192脫 開。在所示實施例中，通過將第二流體閥合適定位在第一位置，介質槽道112保持在與控制 腔室136相同或類似的壓力，如圖3中所示。通過將第一流體閥202合適定位在第一位置， 使介質槽道112處和控制腔室136處的流體壓力與大氣或周圍環境壓力相同或大約相等， 以便使得介質槽道112和控制腔室136與排出儲存器或貯槽210流體連接。在所示實施例 中，打開彈簧176操作成使得非旋轉密封部件104退回至非旋轉機器部件110中。在這種 情況下，存在於介質槽道112中的介質通過排出儲存器210、在脫開的環164和192之間的 空間以及潛在地通過布置在旋轉機器部件108上的工作口(未示出)而排向大氣。圖4中表示了不同操作狀態，在該操作狀態中，空氣或其它可壓縮介質通過介質 槽道112從非旋轉機器部件110傳送給旋轉機器部件108。應當知道，空氣或某些其它可壓 縮介質沒有足以用於旋轉接頭中使用的面密封件的潤滑特徵。應當知道，氣霧劑溶液的可 壓縮介質可以有潤滑特徵，並在本發明中考慮，因為旋轉接頭在這裡所述狀態下的操作與 在有幹空氣或其它非潤滑可壓縮介質的情況下的操作沒有本質上的差別。當在有可壓縮介質的情況下操作時，旋轉接頭100在旋轉和非旋轉密封環192和 164之間有較小間隙的情況下操作。較小間隙(該較小間隙可以為大約千分之一或二英寸 (0. 03-0. 06mm)或者明顯更小，例如幾微米)保證可以避免在旋轉和非旋轉密封環192和 164處由於幹運行引起的損壞，同時降低介質的洩露速率。在所示實施例中，在旋轉和非旋轉密封環192和164處的較小間隙通過將第二流 體閥204定位在第二位置來實現，該第二位置使得介質槽道112與第二流體儲存器208流 體連接，在本例中該第二流體儲存器208包含壓力下的可壓縮介質。第一流體閥202處於第 一位置，如圖4中所示，該第一位置布置成使得控制腔室136與排出儲存器210流體連接。 應當知道，旋轉接頭100的合適平衡比可以布置成在非旋轉密封部件104上施加關閉力，該 關閉力逆著打開彈簧176的打開力來作用，以便使得非旋轉密封部件104朝著旋轉密封部 件102運動。在可壓縮介質包含潤滑組分(例如氣霧劑溶液)的情況下，潤滑劑薄膜可以 在操作過程中積累和保持在間隙中，從而降低介質洩露的洩露速率。圖5中表示了另一操作狀態，在該操作狀態中，基於潤滑劑的水或具有潤滑特性 的其它不可壓縮介質通過介質槽道112。在該操作狀態中，面密封件通過旋轉和非旋轉密封環192和164的接合而產生，這避免不可壓縮介質的洩露。當在該狀態下操作時，來自第 一流體儲存器206的、加壓的不可壓縮介質以平行結構供給介質槽道112和控制腔室136。 如圖5中所示，第一流體閥202布置在第二位置，以便使得第一流體儲存器206與流體開口 於控制腔室136中的控制槽道118相互流體連接。第二流體閥204布置在第一位置，以便 使得控制槽道118與介質槽道112相互流體連接。這樣定位第一和第二流體閥202和204 保證在控制腔室136和介質槽道112處都存在不可壓縮介質的壓力。應當知道，當控制腔室暴露於流體壓力時，旋轉接頭100可以布置成具有第二平 衡比。在圖5所示的操作狀態中，施加在非旋轉密封部件104上的合成液壓力通過克服彈簧 176的打開力而推動旋轉和非旋轉密封環192和164相互接合。第二平衡比可以合適選擇， 這樣，對於大部分用途，只要在控制腔室136處存在加壓流體，就可以有利地保持在旋轉和 非旋轉密封環192和164之間的接合，而不管在介質槽道112中是否存在流體壓力。當旋轉接頭100用於材料的精加工機器(例如CNC銑床)時，在機械加工操作過 程中可以有圖5中所示的操作狀態。不過，當流體從介質槽道排出時，或者當介質槽道以其 它方式排空流體時(例如當機器更換工具時，特別是當要避免流體溢出以便保護周圍機器 部件時)，希望接頭有附加操作能力。這樣的附加操作能力在圖6中表示，其中，保持在旋轉 和非旋轉密封環192和164之間的接合，以便維持介質槽道112周圍的密封，同時介質從介 質槽道112排出。如圖6中所示，第二流體閥204布置在第二位置，第一流體閥202布置在第二位 置。在這些閥位置，介質槽道112與排出儲存器210流體連接，且控制腔室136布置成與第 一流體儲存器206流體連接，該第一流體儲存器206裝有加壓的不可壓縮介質，與在圖5中 所示的操作狀態中所述相同。在該操作狀態中，介質槽道112的排出操作成使得其中的任 意介質減壓，同時保持在旋轉和非旋轉密封環192和164之間的可密封接合。在該操作狀 態中，在介質槽道112中的介質自由地朝著排出儲存器210排出，潛在地也從旋轉機器部件 108的工作口(未示出)向外排出，其在圖6的視圖中，應當知道，該工作口大致布置在旋轉 機器部件108的、離開左端的某個位置。在某些用途中，可能不希望介質通過介質槽道112的、確定於旋轉機器部件108中 的部分的開口或工作端排出。圖6中所示的操作狀態的變化形式在圖7中表示，其中，排出 儲存器210由真空儲槽710代替。真空儲槽710可以是能夠保持真空的密封儲罐或其它儲 存器。這裡使用的術語「真空」的意思是低於大氣壓力的任意壓力。如圖7中所示，真空儲 槽710從介質槽道112中吸取和排出流體，而不允許流體從旋轉機器部件108上的工作口 (未示出)或者在環164和192之間的接合交界面處排出。概括地說，旋轉接頭100可以根據使用的介質的類型和希望的介質排出類型而在 5個不同操作狀態中的任意一個狀態下操作，儘管還考慮其它操作結構。例如可以使用旋轉 接頭，旋轉接頭有彈簧，該彈簧布置成施加關閉力，而不是打開力。而且，儘管控制腔室表示 為與流體壓力源連接，但是在可選操作狀態中，控制腔室可以與具有比大氣壓力更低壓力 的流體儲槽連接。在本發明的一個總體方面，在旋轉和非旋轉密封環192和164之間的密封接合可 以在這樣的狀態下選擇地控制，這些狀態將以其它方式使得非旋轉密封部件104退回或伸 出。例如，當使得圖3中所示的操作狀態與圖6或圖7中所示的操作狀態比較時，介質槽道112的減壓將使得非旋轉密封部件104由於彈簧176的打開力而退回，除非控制腔室136 加壓，如圖6中所示。在圖6所示的操作狀態中，控制腔室136的加壓使得在非旋轉密封部 件104上施加關閉力，該關閉力可以克服彈簧176的打開力，並保持在旋轉和非旋轉密封環 192和164之間的接合。圖8和9中表示了旋轉接頭800的可選實施例。旋轉接頭800在結構上與圖1_7 中所示的旋轉接頭100在很多方面類似，但是並不包括在空氣802中的打開彈簧176(圖 1B)。旋轉接頭800的、與前面對於旋轉接頭100所述的相應部件相同或類似的其它部件將 在圖8和9中以與前面使用的參考標號相同的參考標號來表示。如圖8和9中所示，旋轉接頭800能夠沿中心線130在旋轉和非旋轉密封環192 和164之間的較寬軸向位移X範圍內實現在旋轉和非旋轉密封環192和164之間的可密封 接合。通過由滑動密封件146、152和156提供的、在非旋轉密封部件104和非旋轉機器部 件110之間的可滑動密封連接，旋轉接頭100和800在距離X上在旋轉和非旋轉密封環192 和164之間獲得可密封接合的能力成為可能。圖10中表示了旋轉接頭900的可選實施例。旋轉接頭900在結構上和功能上與 旋轉接頭100類似，但是有更緊湊的結構布置。與對於圖8和9中所示的旋轉接頭800的 介紹類似，旋轉接頭900的、與先前描述的旋轉接頭100和800的相應元件相同或類似的結 構元件在圖10中用與前面相同的參考標號來表示，儘管該部件的尺寸或比例可能不同。如圖10中所示，非旋轉密封部件104具有布置在端部並鄰近旋轉密封部件102的 旋轉密封環192的非旋轉密封環164。旋轉接頭900包括非旋轉機器部件110，該非旋轉機 器部件110以與對於旋轉接頭100(圖1B)所述類似的方式來形成與確定於非旋轉密封部 件104和殼體906之間的控制腔室136流體連通的控制槽道918。殼體906可通過螺紋部 分902而與非旋轉機器部件910螺紋接合，該螺紋部分902形成於殼體906的柱形本體部 分916的外部。螺紋部分902與沿接收沉孔914的內部部分確定的螺紋匹配，以便將殼體 906保持在非旋轉機器部件910中。與旋轉接頭100類似，旋轉接頭900包括兩個徑向密封 件942，這兩個徑向密封件941在所示實施例中為0形環密封件，以密封關係布置在控制腔 室136的各側，以便使它與接收沉孔914和與大氣流體隔離。這裡所述的所有參考資料(包括文獻、專利申請和專利)都通過參引而加入本申 請的內容，就象各參考資料通過參引而被加入所單獨和詳細示出的一樣且整個在本發明中
提出ο在介紹本發明的範圍時(特別是在下面的權利要求中的範圍)使用的術語「一」、 「一個」和「所述」和類似措辭將認為覆蓋單個或多個，除非這裡以其它方式表示或由上下文 清楚否認。術語「包括」、「具有」、「有」和「包含」將認為是開放端部術語(即意思是「包括 但不局限於」)，除非另外說明。這裡介紹的值的範圍只是用作落在該範圍內的各單獨值的 單個參考的縮寫方法，除非另外說明，且各單獨值包含在說明書中，就象這裡各個列舉。這 裡所述的全部方法可以以任意合適順序來進行，除非另外說明或以其它方式清楚否認。這 裡使用的任意和全部實例或示例語言(「例如」)只是為了更好地表示本發明，而不是對本 發明範圍的限制，除非權利要求另外說明。在說明書中沒有出現的語言被認為是表示作為 實施本發明的要點任意非要求的元件。這裡已經介紹了本發明的優選實施例，包括本發明人已知的、用於實現本發明的最佳模式。本領域技術人員通過閱讀前面的說明可以清楚這些優選實施例的變化形式。本 發明人預計技術人員將合適實施這些變化，且本發明人認為發明能夠以與這裡特別所述不 同的方式實施。因此，本發明包括適用法律允許的、在附加權利要求中所述的主題的所有變 化和等效物。而且，在所有可能變化形式中的上述元件的任意組合也包含在本發明中，除非 這裡明確表示或者由上下文以其它方式明顯否認。
權利要求
1.一種旋轉接頭，包括殼體，該殼體有孔，該孔與介質槽道開口流體連通；以及控制腔室，該控制腔室環繞 孔布置，並與介質槽道開口流體隔離；非旋轉密封部件，該非旋轉密封部件可滑動地布置在殼體中的孔內，並有與該孔流體 連通的介質槽道；第一滑動密封件，該第一滑動密封件環繞非旋轉密封部件布置，並布置成使得控制腔 室與大氣密封；以及兩個附加滑動密封件，這兩個附加滑動密封件環繞非旋轉密封部件並相互鄰近地布 置，這兩個附加滑動密封件在控制腔室和介質槽道開口之間布置為一對，以便使得控制腔 室與介質槽道密封；其中，非旋轉密封部件布置成當在控制腔室中存在壓力下的流體時相對於殼體伸出。
2.根據權利要求1所述的旋轉接頭，其中非旋轉密封部件有第一平衡比，該第一平衡 比布置成當在介質槽道開口處存在壓力下的流體時推動非旋轉密封部件以便從殼體伸出。
3.根據權利要求1所述的旋轉接頭，其中非旋轉密封部件有第二平衡比，該第二平衡 比布置成當在控制腔室處存在流體壓力以及在介質槽道處存在周圍環境壓力或真空中的 至少一個時推動非旋轉密封部件以便從殼體伸出。
4.根據權利要求1所述的旋轉接頭，還包括第一流體閥裝置，該第一流體閥裝置可操 作成使得控制腔室與加壓不可壓縮介質源、真空儲槽和排出口中的至少一個選擇地流體連 接。
5.根據權利要求4所述的旋轉接頭，還包括第二流體閥，該第二流體閥可操作成使得 介質槽道與加壓可壓縮介質源、加壓不可壓縮介質源、控制腔室、真空儲槽和排出口中的至 少一個選擇地流體連接。
6.根據權利要求1所述的旋轉接頭，還包括控制腔室進口和控制腔室環形通道，當殼 體與非旋轉機器部件連接時，該控制腔室進口和控制腔室環形通道使得控制腔室和控制槽 道相互流體連接。
7.根據權利要求1所述的旋轉接頭，還包括打開彈簧，該打開彈簧布置成提供打開 力，該打開力推壓非旋轉密封部件以便退回至殼體中。
8.根據權利要求1所述的旋轉接頭，還包括非旋轉機器部件，該非旋轉機器部件形成 接收沉孔，殼體布置在該接收沉孔中。
9.根據權利要求1所述的旋轉接頭，還包括旋轉密封部件，該旋轉密封部件布置在旋 轉機器部件上，這樣，當非旋轉密封部件從殼體充分伸出時，旋轉密封部件與非旋轉密封部 件接合。
10.根據權利要求9所述的旋轉接頭，還包括非旋轉密封環，該非旋轉密封環布置在 非旋轉密封部件的端部；以及旋轉密封環，該旋轉密封環布置在旋轉密封部件上，並與非旋 轉密封環成相面對的關係，這樣，旋轉密封環與非旋轉密封環的接合提供了沿介質槽道的 機械面密封件，該介質槽道與介質槽道開口流體連通，並穿過旋轉機器部件和殼體的部分 延伸。
11.一種用於使得通過旋轉和非旋轉機器部件的部分確定的介質槽道選擇地相互流體 連接的系統，包括接收沉孔，該接收沉孔確定於非旋轉機器部件中；介質槽道開口，該介質槽道開口與接 收沉孔流體連通；以及控制槽道；殼體，該殼體布置在接收沉孔內，具有孔，該孔與接收沉孔流體連通；以及控制腔室， 該控制腔室與控制槽道流體連通；非旋轉密封部件，該非旋轉密封部件可滑動和密封地布置在殼體的孔中，並有與接收 沉孔流體連通的介質槽道；第一滑動密封件，該第一滑動密封件環繞非旋轉密封部件布置，並布置成使得控制腔 室與大氣密封；以及兩個附加滑動密封件，這兩個附加滑動密封件環繞非旋轉密封部件並相互鄰近地布 置，這兩個附加滑動密封件布置為一對，以便使得控制腔室與介質槽道密封；以及第一流體閥裝置，該第一流體閥裝置操作成使得控制腔室與加壓不可壓縮介質源、真 空儲槽和排出口選擇地流體連接，這樣，非旋轉密封部件布置成當在控制腔室中存在壓力 下的流體時相對於殼體伸出。
12.根據權利要求11所述的系統，還包括第二流體閥，該第二流體閥可操作成使得介 質槽道與加壓可壓縮介質源、加壓不可壓縮介質源、控制腔室、真空儲槽和排出口中的至少 一個選擇地流體連接。
13.根據權利要求11所述的系統，還包括打開彈簧，該打開彈簧布置成提供打開力， 該打開力沿相對於殼體退回的方向推壓非旋轉密封部件。
14.根據權利要求11所述的系統，還包括旋轉密封部件，該旋轉密封部件布置在旋轉 機器部件上，這樣，當非旋轉密封部件相對於殼體充分伸出時，旋轉密封部件與非旋轉密封 部件接合。
15.根據權利要求14所述的系統，還包括非旋轉密封環，該非旋轉密封環布置在非旋 轉密封部件的端部；以及旋轉密封環，該旋轉密封環布置在旋轉密封部件上，並與非旋轉密 封環成相面對的關係，這樣，旋轉密封環與非旋轉密封環的接合提供了沿介質槽道的機械 面密封件。
16.一種用於操作旋轉接頭的方法，該旋轉接頭用於沿在旋轉機器部件和非旋轉機器 部件之間延伸的介質槽道提供機械面密封件，該方法包括通過向控制腔室供給流體壓力來 選擇地使得機械面密封件接合，該控制腔室與介質槽道流體隔離，並確定於非旋轉密封部 件和非旋轉機器部件之間。
17.根據權利要求16所述的方法，還包括由於在控制腔室中的流體壓力以第一平衡 比作用而在非旋轉密封部件上提供第一淨液壓力，該第一平衡比在結構上確定於非旋轉密 封部件上。
18.根據權利要求17所述的方法，還包括由於在介質槽道中的流體壓力以第二平衡 比作用而在非旋轉密封部件上提供第二淨液壓力，該第二平衡比在結構上確定於非旋轉密 封部件上。
19.根據權利要求16所述的方法，還包括在流體從介質槽道排出的過程中使得機械 面密封件保持在接合位置。
全文摘要
本發明公開了一種旋轉接頭，包括非旋轉機器部件，該非旋轉機器部件有接收沉孔、介質槽道開口和控制槽道。殼體裝入接收沉孔中，並具有孔和與控制槽道流體連通的控制腔室。非旋轉密封部件可滑動和密封地布置在殼體中的孔內，並有介質槽道，該介質槽道與介質槽道開口和接收沉孔流體連通。非旋轉密封部件可以選擇地在殼體的孔內伸出或退回，這樣，面密封件在旋轉接頭的不同操作狀態下實現選擇的接合。
文檔編號F16L27/08GK102080749SQ20101056821
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月1日 優先權日2009年12月1日
發明者D·伯勒斯, G·A·拉科魯瓦 申請人:杜布林公司