无垫圈的高压连接件的制作方法
【专利摘要】一种用于高压泵的密封系统，其中泵具有容器，容器限定容器内孔并且具有端部，容器内孔具有第一接合面并且限定中心纵向轴线，并且其中泵还包括：柱塞，柱塞与容器合作以增加内孔内的流体压力；包括密封构件，其至少部分地接纳于内孔内并且限定第二接合面。密封系统还包括固持构件，其与密封构件操作性接触以使第一接合面与第二接合面配合来阻止来自内孔的流体泄漏。第一接合面包括第一接触表面，第一接触表面具有非线性截面。第二接合面包括与第一接触表面接触的第二接触表面，第二接触表面具有非线性截面。
【专利说明】无垫圈的高压连接件
[0001]相关申请数据
根据35 U.S.C.§ 119，本申请要求保护在2011年10月10日提交的临时专利申请N0.61/545, 236的优先权，该申请的公开以引用的方式并入到本文中。
【技术领域】
[0002]本发明涉及用于超高压流体泵的无垫圈的高压连接件。
【背景技术】
[0003]用于工业和商业目的的精密切割常常通过使用水射流系统来实现，水射流系统在待切割的材料表面上导向高速水流。水射流系统将水加压到约30，000 psi并且将压力转换为以超过2马赫速度行进的流体流。这种高速流常常与磨料混合，能够切穿硬材料诸如厚度超过一英尺的金属和花岗岩。
【发明内容】
[0004]在水射流系统内操作的泵需要能够耐受所生成的高压的密封连接件。在这种环境中定位于密封表面之间的密封垫圈通常由比周围部件的材料更软的材料构成并且倾向于快速地损毁，需要频繁替换。用于这些目的的密封组件因此应有效地密封隔离高压侧与低压侧而不会出现过早损坏或者需要不合理的维护。
[0005]在一种用于高压泵的密封系统的一实施例中，泵包括有容器，容器限定容器内孔并且具有端部。容器内孔具有第一接合面并且限定中心纵向轴线。泵还包括柱塞，柱塞与容器合作以增加内孔内的流体压力。密封系统包括:密封构件，其至少部分地接纳于内孔内并且限定第二接合面；以及，固持构件，其与密封构件操作性接触以使第一接合面与第二接合面配合来阻止来自内孔的流体泄漏。第一接合面包括第一接触表面，第一接触表面具有非线性截面。第二接合面包括与第一接触表面接触的第二接触表面，第二接触表面具有非线性截面。
[0006]一种用于超过15，000 psi的流体的高压泵送系统限定纵向轴线。第一部件包括第一接合面，第一接合面具有第一接触表面，第一接触表面具有外凸的第一非线性截面。第二部件包括第二接合面，第二接合面具有第二接触表面，第二接触表面具有内凹的第二非线性截面。固持构件联接到第一部件和第二部件之一以将第一接合面密封地连接到第二接合面来阻止它们之间的流体泄漏。
[0007]—种用于产生超过15，000 psi的流体压力的高压泵，其包括容器，容器具有端部，端部具有第一接合面。容器包括容器内孔，容器内孔限定中心纵向轴线并且与流体源连通。柱塞与容器合作以增加在内孔内的流体压力。密封构件至少部分地接纳于内孔内并且限定第二接合面。固持构件与密封构件和容器成操作性接触以使第一接合面与第二接合面配合来阻止来自内孔的流体泄漏。第一接合面包括外凸接触表面，外凸接触表面具有随着离纵向轴线的距离增加而连续增加的可变半径。
[0008]通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将会变得显然。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为示出磨料水射流切割系统的透视图。
[0010]图2为图1的磨料水射流切割系统的增压泵的透视图。
[0011]图3为沿着线3-3所截取的增压泵的截面图。
[0012]图4为图3的增压泵的端部的局部截面图。
[0013]图5为图4的端部的局部截面图，示出了接合着圆柱形容器的密封头的一部分。
[0014]图6为图4的端部的另一实施例的局部截面图，示出了接合着圆柱形容器的密封头的一部分。
[0015]图7为图4的端部的另一实施例的局部截面图，示出了接合着圆柱形容器的密封头的一部分。
[0016]图8为图4的端部的另一实施例的局部截面图，示出了接合着圆柱形容器的密封头的一部分。
【具体实施方式】
[0017]在详细地解释本发明的任何实施例之前，应了解本发明的应用并不限于在下文的描述中所陈述或附图所示部件的构造和布置的细节。本发明能有其它实施例且能以各种方式来实践和执行。而且，应了解本文所用的措辞和术语是出于描述目的且不应认为具有限制意义。在本文中使用“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”和其变型意在涵盖之后列出的项目和其等效物以及额外项目。并且如在本文和所附权利要求中所用的术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”和“后”和其它方向术语并非旨在要求任何特定方位，而是替代地仅用于描述目的。
[0018]应当指出的是如在本文中使用的“超高”或“高压”指超过15，000 psi的流体压力。本领域普通技术人员将认识到在这些高压会出现独特问题。因此，常用于较低压力泵的解决方案未必适用于在超过30，000 psi压力操作的系统，并且实际上可能产生与低压操作的那些结果相反的结果。
[0019]图1示出了利用与磨料混合的高压水流来切割特定材料的磨料水射流切割系统
10。切割系统10包括切割台20，切割台20具有材料支承表面22和切割头组件30，切割头组件30包括切割头40。切割头组件30通过计算机50受到控制并且可以用本领域技术人员已知的方式在功能上经由臂24、26移动以在表面22上任何所需的可操作位置处提供切害I]。泵送系统60生成高压流体，通常为水，用于切割过程并且通过高压管(未图示)向切割头组件30提供这样的水。进给系统70供应磨料材料，诸如石榴石，其在切割头40处与水流组合。磨料移除系统80过滤在过程中产生的废水以回收磨料供进一步使用。废水可以通过排水管而被处置或者被再循环以最小化总水用量。
[0020]图2和图3示出了泵送系统60的双作用/双动式高压泵100。如本领域技术人员熟知那样，这种类型的泵，也被称作增压泵，包括动力缸110，动力缸110限定液压流体腔室114。联接到相对柱塞112的双侧活塞118响应于被导向进出腔室114的加压液压流体而在腔室114内交替来回移动。一个或多个接近开关126检测所述活塞118并且当检测到时向诸如PLC的控制器发送信号以接通在液压泵上的4-通阀，因此将液压油通过动力缸110底部处的端口 128导向至活塞118的另一侧。活塞/柱塞组件充当压力倍增器来增加抽吸到两个相对圆柱形容器134的内孔130内的流体诸如水的压力。容器134通过液压缸盖138而联接到动力缸110。泵头/泵的压头140安置于每个圆柱形容器134的端部142、144上。泵头140包括部分地安置于端帽150内侧的密封头146。每个端部142、144基本上相同并且能够向水射流切割系统递送高压流体。
[0021]如图3和图4所示，密封头组件146包括入口止回阀154和出口止回阀158，当柱塞122缩回时，入口止回阀154被配置成允许低压水进入内孔130，并且当柱塞122在内孔130内前移时，出口止回阀158将高压流体导向至出口 162。参考图4，在图示实施例中，端帽150包括用于与空心螺柱174的外表面上的阳螺纹170配合的阴螺纹166。在其它实施例中，可以利用替代可移除的连接件将端帽150固连到空心螺柱174。例如，系杆(未图示)可以延伸容器134的长度并且将液压缸盖138联接到端帽150。拧入到端帽150孔口 184内的多个定位螺栓180各自包括端面190，端面190接合密封头146的肩部194并且提供压缩力来将密封头146压为与圆柱形容器134的端部200成密封关系。如在下文中进一步描述，密封头146包括与圆柱形容器134端部200的接合面212靠近的接合面208。固连的圆柱形容器134、密封头146和端帽150全都与穿过内孔130中心的纵向轴线215同心。
[0022]参考图5，接合面208包括大体上弯曲的接触表面216。在图示实施例中，弯曲接触表面216为内凹的并且具有大约0.5〃(17.8 mm)的半径R1，但其它半径也是可能的。在图示构造中，表面216由连续圆曲线界定，连续圆曲线延伸表面208的全长，其它曲线诸如椭圆形、卵形、可变半径曲线等也是可能的。
[0023]接合面212包括基本上线性表面218和形成于线性表面218与内孔130之间的倒圆部/转接半径部(blend radius) 220。因此，接合面212部分地由线性表面218和外凸倒圆部220限定。在优选构造中，倒圆部220具有约0.08〃 (2.0 mm)的半径R2，并且更大和更小的半径也是可能的。
[0024]内凹表面216与倒圆部220的接合提供比若内凹表面216为线性的情况将会实现的密封面积更宽的密封面积。在操作期间，缸在径向扩展，这可允许密封头146和内凹表面216相对于倒圆部220略微向内移动。在这个循环过程期间，外凸倒圆部220能在表面216上摇晃从而减小在表面之间的滑动量。滑动减小可以降低表面损坏的可能性，从而改进部件的寿命。表面216与220的接合，当抵紧彼此而强制施加时表现为可变的接触角，因为它们形成压力紧密/压接(press-tight)的密封。当零件首先配合时接触角相对于纵向轴线215提供略浅的接触角α，这允许密封头146楔入到缸134的内孔130内，从而以相对较低的定位螺栓力来快速形成压力紧密的密封。随着定位螺栓180被进一步拧紧以在接合部上施加适当预载荷，接触角α变化使得减小在缸134内孔130上的楔入作用，这减缓了额外拉伸周向应力在内孔中的引入，并且在缸134端部上的密封头146的接触加载变得更接近轴向。
[0025]在其它构造中，接合面212包括外凸弯曲表面224，外凸弯曲表面224沿着接合面212的至少一部分延伸并且可以或可不转变为线性表面，如图6所示。表面224可以由简单曲线诸如圆形、椭圆形、卵形等限定。替代地，表面224由复合曲线限定，复合曲线限定了根据离纵向轴线215的距离而变化的半径。表面224的半径可以从具有指定半径R3的点连续变化到具有指定半径R4的另一点，或者可以从R3至R4不连续地变化。具体而言，表面224的半径可以连续变化使得无限数目的半径存在于R3与R4之间。替代地，表面224的半径可以不连续地变化使得离散数目的不同半径(例如，一个、两个、三个等)存在于R3与R4之间，并且在某些构造中，表面224可以限于线性地连接的离散数目的不同半径。在图6的构造中，曲线半径R3靠近轴线最小，例如大约0.060〃(1.5 mm)并且随着离轴线的距离增加而增加。如图所示，沿着表面224的半径从R3平滑地过渡到更大半径R4,半径R4在大约1/4" (6.4 mm)至大约3/8" (9.5 mm)的范围。此外，在此实施例中，内凹接触表面216可以具有在大约1/3〃 (8.5 mm)至大约1/2〃(12.7 mm)范围的半径内凹表面216可以类似地布置使得其能由简单曲线或者由复合曲线限定，简单曲线或复合曲线可以用如先前关于R3和R4所描述的相同方式从R5连续地或不连续地变为R1。
[0026]在另一实施例中，接合面208包括延伸了所述表面208全长的大体上外凸的弯曲表面228。参考图7，外凸弯曲表面228被示出靠近图5所示的构造的接合面212的倒圆部220和线性表面218。在此构造中，弯曲表面228接触着倒圆部220以在它们之间形成密封。在替代构造中，线性表面218和倒圆部220被外凸弯曲表面替换，以包括图6的前述表面224中的任何表面。
[0027]外凸表面228与倒圆部220 (或弯曲表面)的接合提供比若外凸表面228为线性的情况将会实现的密封面积更窄的密封面积。当与其它设计相比时，更窄的密封增加了每单位长度的接触压力。在操作期间，缸在径向扩展，这可允许密封头146和外凸表面228相对于倒圆部220略微向内移动。在这个循环过程期间，外凸倒圆部220能在表面228上摇晃从而减小在表面之间的滑动量。滑动减小可以降低表面损坏的可能性，从而改进部件的寿命。
[0028]参考图8，另一构造包括形成于由连续内凹弯曲表面232限定的接合面212与先前确定的外凸弯曲表面228之间的密封件。
[0029]并非利用简单曲线诸如圆形、椭圆形、卵形等而限定表面232，表面232由复合曲线限定。具体而言，复合曲线限定根据离纵向轴线215的距离而变化的半径。在图示构造中，曲线半径在靠近轴线处最大并且随着离轴线的距离增加而连续地减小。因此，在表面232的点236处的曲线的半径大于在点240处的曲线的半径。
[0030]图8的构造提供与上文关于图5的构造所描述的那些益处类似的益处。此外，使用可变半径的曲线或螺旋来限定表面232改进了接合部的密封。由于密封头146组装到缸13内，发生楔入作用。楔入作用倾向于加宽在缸的端部处的开口并且是在表面之间的接触角α的函数。随着该角变得更小，楔入作用增加。但是，图8的布置使得随着密封头146向缸134内移动更远，接触角α略微增加，由此随着密封头146上的力增加而减小了楔入作用。楔入减少可以产生下面这样的接合部:其以比另外的布置将会需要的力更小的力来提供充分密封。
[0031]在其它构造中，可以采用其它曲线或曲线的组合来形成接合面208、212的表面。例如，卵形、椭圆形、其它圆锥形部段等可以单独地或组合地使用以限定接合面208、212。在另外的构造中，接合面208、212的表面可以采用其它复杂或复曲线。还应当指出的是，本文示出的示例可以被组合或改变使得一个图示的构造的方面可以应用于本文所图示或描述的其它构造。
[0032]当通过将端帽150紧固到空心螺柱174和通过定位螺栓180的作用而推压在一起时，图5至图8所示的接合面208、212的前述表面在接触点250处彼此接合，其切线相对于纵向轴线215形成接触角α (也在图5至图8的接触点250处的局部而示出)。在某些构造中，接触角α在大约30°至大约60°的徂围。在一种构造中，接触角α可以为约37°。在另一构造中，接触角α可以是约45°。在另一构造中，接触角α可以是约55°。
[0033]在操作中，端帽150被紧固到空心螺柱174以适当对准并且在密封头146与圆柱形容器134的端部200之间提供第一压缩力量。在图3和图4构造的情况下，端帽150被紧固到空心螺柱174，空心螺柱174被锚固于液压缸盖138中。定位螺栓180旋转以使端面190与密封头组件146的肩部194接合直到获得所希望的最终的压缩力量。当定位螺栓180旋转时，空心螺柱174被张紧而放置并且由于轴向载荷，圆柱形容器134被压缩而放置。在定位螺栓180旋转期间，端面190将密封头146和接合面208、212推在一起。接合面208、212如先前所描述在接触点250处成界面以形成密封，密封在泵送循环的整个操作压力波动中阻止来自内孔130的不希望的流动泄漏。在其它设计中，空心螺柱174和圆柱形容器134组合为单件并且采用另一张紧方法诸如系杆以在圆柱形容器134与密封头146之间提供必需的压缩。在又一设计中，使用配合的阴螺纹和阳螺纹将端帽150直接紧固到圆柱形容器134上，而不需要空心螺柱174。
[0034]已意外地确定图示和描述的密封接合配置在密封头146与圆柱形容器134之间得到比具有替代几何形状的先前接合配置中所验明的更有效的密封。作为示例，图5至图8的配置的接触点250比先前的配置更靠近纵向轴线215。因此被密封的高压流体作用于密封头146的更小表面积上，导致更低的力倾向于分离开所述密封头与缸134。因此和由于其它原因，如图5至图8中任何图所示和在本文中进一步描述，已发现密封头146与圆柱形容器134的接合以较低的必需压缩力值提供令人满意的密封连接，同时减小了在接触表面之间的磨损和散裂/剥落的发生。减小的磨损和散裂增加了部件的可再密封能力，从而延长了部件寿命。
[0035]在所有上文提到的实施例中，应了解如本文所描述，在两个弯曲表面之间发生缸134与密封头146的全部操作密封接触。
[0036]本发明的各种特点和优点在所附权利要求中陈述。
【权利要求】
1.一种用于高压泵的密封系统，所述泵具有容器，所述容器限定容器内孔并且具有端部，所述容器内孔具有第一接合面并且限定中心纵向轴线，所述泵还包括柱塞，所述柱塞与所述容器合作以增加所述内孔内的流体的压力，所述密封系统包括: 密封构件，其至少部分地接纳于所述内孔内并且限定第二接合面；以及 固持构件，其与所述密封构件成操作性接触以使所述第一接合面与所述第二接合面配合来阻止来自所述内孔的流体泄漏，其中所述第一接合面包括第一接触表面，所述第一接触表面具有非线性截面，并且其中所述第二接合面包括与所述第一接触表面接触的第二接触表面，所述第二接触表面具有非线性截面。
2.根据权利要求1所述的密封系统，其特征在于，所述第一接触表面的非线性截面为外凸的并且所述第二接触表面的非线性截面为外凸的。
3.根据权利要求1所述的密封系统，其特征在于，所述第一接触表面的非线性截面为内凹的并且所述第二接触表面的非线性截面为外凸的。
4.(优选)根据权利要求1所述的密封系统，其特征在于，所述第一接触表面的非线性截面为外凸的并且所述第二接触表面的非线性截面为内凹的。
5.根据权利要求4所述的密封系统，其特征在于，所述第二接触表面的所述非线性截面包括具有第一半径的第一内凹截面和与所述第一内凹截面相邻具有不同于第一半径的第二半径的第二内凹截面。
6.根据权利要求5所述的密封系统，其特征在于，所述第一半径比所述第二半径更靠近所述纵向轴线安置，并且另外其中所述第一半径小于所述第二半径。
7.根据权利要求4所述的密封系统，其特征在于，所述第二接触表面的所述非线性截面包括第一半径和不同于所述第一半径的第二半径，并且其中在所述第一半径与所述第二半径之间的所述第二接触表面的所述非线性截面的半径是连续可变的。
8.根据权利要求7所述的密封系统，其特征在于，所述第一半径比所述第二半径更靠近所述纵向轴线安置，并且另外其中所述第一半径小于所述第二半径。
9.根据权利要求4所述的密封系统，其特征在于，所述第一接触表面的非线性截面包括具有第一半径的最内部分和具有不同于第一半径的第二半径的最外部分，并且其中在所述最内部分与所述最外部分之间的所述半径可在所述第一半径与所述第二半径之间连续地变化。
10.根据权利要求4所述的密封系统，其特征在于，所述第一接触表面和所述第二接触表面在初始接触点处接触，并且其中在所述初始接触点处所述第一接触表面的切线相对于所述纵向轴线成约45度的角度。
11.一种用于超过15，000 psi的流体的高压泵送系统，所述泵送系统限定纵向轴线并且包括: 第一部件，其包括第一接合面，所述第一接合面具有第一接触表面，所述第一接触表面具有外凸的第一非线性截面； 第二部件，其包括第二接合面，所述第二接合面具有第二接触表面，所述第二接触表面具有内凹的第二非线性截面；以及 固持构件，其联接到所述第一部件和第二部件之一以将所述第一接合面密封地连接到所述第二接合面来阻止它们之间的流体泄漏。
12.根据权利要求11所述的泵送系统，其特征在于，所述第一非线性截面包括在所述第一接触表面的最内部分处具有第一半径的第一外凸截面和邻近所述第一外凸截面并且具有不同于所述第一半径的第二半径的第二外凸截面。
13.根据权利要求12所述的泵送系统，其特征在于，所述第一半径小于所述第二半径。
14.根据权利要求12所述的泵送系统，其特征在于，所述第二非线性截面包括在所述第二接触表面的最内部分处具有第三半径的第一内凹截面和邻近所述第一内凹截面并且具有不同于所述第三半径的第四半径的第二内凹截面。
15.根据权利要求14所述的泵送系统，其特征在于，所述第三半径小于所述第四半径。
16.根据权利要求11所述的泵送系统，其特征在于，所述第一非线性截面包括具有第一半径的最内部分和具有不同于第一半径的第二半径的最外部分，并且其中在所述最内部分与所述最外部分之间的所述半径可在所述第一半径与所述第二半径之间连续地变化。
17.根据权利要求16所述的泵送系统，其特征在于，所述第二非线性截面包括具有第三半径的最内部分和具有不同于第三半径的第四半径的最外部分，并且其中在所述最内部分与所述最外部分之间的所述半径可在所述第三半径与所述第四半径之间连续地变化。
18.根据权利要求11所述的密封系统，其特征在于，所述第一接合面和所述第二接合面在初始接触点处接触，并且其中在所述初始接触点处所述第一接合面的切线相对于所述纵向轴线成约45度的角。
19.根据权利要求11所述的密封系统，其特征在于，所述第一部件包括大小被设计为接纳柱塞的纵向内孔。
20.一种用于产生超过15，000 psi的流体压力的高压泵，所述泵包括: 容器，其包括具有第一接合面的端部，所述容器包括容器内孔，所述容器内孔限定中心纵向轴线并且与流体源相连通； 柱塞，其与所述容器合作以增加在所述内孔内的流体的压力； 密封构件，其至少部分地接纳于所述内孔内并且限定第二接合面；以及 固持构件，其与所述密封构件和与所述容器成操作性接触以使所述第一接合面与所述第二接合面配合来阻止来自所述内孔的流体泄漏，其中所述第一接合面包括外凸接触表面，所述外凸接触表面具有随着离所述纵向轴线的距离增加而连续增加的可变半径。
21.根据权利要求20所述的高压泵，其特征在于，所述外凸接触表面包括具有第一半径的第一外凸截面和邻近所述第一外凸截面并且具有不同于所述第一半径的第二半径的第二外凸截面，其中所述第一半径小于所述第二半径。
22.根据权利要求20所述的高压泵，其特征在于，所述第二接合面包括内凹接触表面，所述内凹接触表面具有随着离所述纵向轴线的距离增加而连续增加的可变半径，并且其中所述内凹接触表面包括具有第三半径的第一内凹截面和邻近所述第一内凹截面并且具有不同于所述第三半径的第四半径的第二内凹截面。
23.根据权利要求22所述的高压泵，其特征在于，所述第三半径小于所述第四半径。
24.根据权利要求22所述的高压泵，其特征在于，所述第一接合面和所述第二接合面在初始接触点处接触，并且其中在所述初始接触点处所述第一接合面的切线相对于所述纵向轴线成约45度的角。
25.根据权利要求22所述的高压泵，其特征在于，所述第一接合面和所述第二接合面在初始接触点处接触，并且其中在所述初始接触点处所述第一接合面的切线相对于所述纵向轴线成约55度的角。
【文档编号】F16J15/00GK104145143SQ201280060849
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2012年10月9日 优先权日:2011年10月10日
【发明者】E.D.罗尔 申请人:Kmt 水喷射系统公司