专利名称：具有卸载作用以减少因磨损而咬住的卡套的制作方法
技术领域：
本发明涉及卡套式管接头的技术。更具体地说，本发明涉及双卡套式管接头，其中设计后卡套以便减小转动相关螺母所需的扭矩，并且也减少后卡套与驱动螺母的内部表面之间的因磨损而咬住。本发明也可应用于单卡套管接头。
背景技术：
市上出售的和很成功地应用于管件上的双卡套管接头图示于图1及1A。图1显示的管接头元件处于最终拧紧之前的手拧紧位置，而图1A显示最终拧紧后的管接头。如图所示，管接头包括具有圆柱形开口12的管接头体10，开口12制有锥口孔用于容纳管子端部13。锥形的截头锥斜口14位于锥口孔的轴向外端部。具有平滑的圆柱形内壁18的前卡套16紧密地容纳于管子上。前卡套具有将被容纳于斜口内的截头锥外表面20。
与前卡套16连接并从前卡套16处轴向地向外布置的是后卡套22，如图所示被构造成带有锥形端头部分24和具有倾斜端面28的后突缘26。后卡套22的倾斜端面造成了作用在端面上的上紧力的径向分力及轴向分力，这对该领域普通技术人员将是很清楚的。锥形端头24进入前卡套的后表面的锥形斜面内。
卡套16、22被以螺纹拧在管接头体10上的驱动螺母件30所封套住。在拧紧和构造管接头期间，螺母的内端面，突缘或台肩32作用于后卡套的后壁端面28上以驱动卡套向前进入图1A所示的完全接合位置。
后卡套的小直径部分或端头的尺寸被造得使它在构造管接头期间塑性地变形。这是所希望的效应，因为它导致管子外壁的紧密夹握接合。端头部分的厚度不能减小到使后卡套变形太多的程度，并且只有后卡套能适当地夹握管子的外壁。这就是说，对已使这个双卡套组件成为商业上成功产品的夹握及密封性能，该双卡套组件需要前及后卡套两者具有所希望的变形。另一方面，后卡套端头的厚度不能加大到这种程度它导致组织结构刚性过大而不允许后卡套产生所希望的变形。
在颁发给Lennon等人的美国专利No.3,103,373中给出对于传统的双卡套相位控制的顺序夹握作用的更完整描述及理解，该夹握作用是由倾斜后表面和前及后卡套的互相作用造成的，上述专利的整个公开完全被结合入本文作参考。
因此，该领域普通技术人员将认识到后卡套的端头需要有预定的壁厚，它可实现对管子的所希望夹握，并且与前卡套以这种方式相配合，它可实现它所需的对管子夹握及密封的目的。
还要认识到液压系统的工作人员在生产运行之前通过对系统加压至适当倍数于额定的系统压力对系统进行试验。以这种方式，工作人员就能容易地检测出液压系统是否已密封好，即没有泄漏。根据这种认识，制造商可以提供在提高的试验压力下后卡套的端头没有任何额外的塑性变形的管接头。因此，用提高的试验压力确定后卡套端头部分的所需壁厚，以实现端头的所需变形量和允许前及后卡套对管子外壁恰当地夹握及密封。
还发现了驱动螺母的因磨损而咬住有时发生在驱动螺母的内端面与后卡套的后壁之间的接合驱动面区域内。分析之后，人们相信前后卡套之间的轴向推力或上紧力基本上平行于管接头的轴线。这个轴向推力引起后卡套的后尖角区域在螺母的驱动表面内部、特别是在局部区域局部地聚集了上紧应力而产生因磨损而咬住。这也显著地增大了构造(管接头)期间经受到的螺母扭转力，即使不存在因磨损而咬住。因此，非常希望提供一种设计，其推力不会产生引起因磨损而咬住及大扭转力的高局部负载。
发明内容
根据本发明的一个实施例，管接头含有具有用于容纳管子端部的圆柱形孔及在该孔的一个端部包含锥形口的管接头体；与管接头体具有螺纹接合和具有卡套驱动表面的驱动件；具有延伸入菅接头体的锥形口的锥形第一端部和具有第二端部的第一卡套，该第二端部具有轴向地朝第一端部延伸的锥形凹槽；和具有圆柱形内壁、锥形第一端部的第二卡套，锥形第一端部延伸入第一卡套的锥形凹槽内，并且在第二卡套的第二端部上具有成形面。该成形面与驱动件的卡套驱动表面接合；第二卡套内壁具有圆周形的凹槽，该凹槽位于第二卡套的第一及第二端部之间；当管接头被构成时，凹槽及成形面减小了驱动件驱动表面上的应力集中。
本发明的另一方面包括构造具有圆柱形内壁的后卡套，该圆柱形内壁在卡套的前部或端头具有第一直径而在卡套的后端部具有第二直径，其中第二直径大于第一直径，所以，例如可用单种工具制造圆周形凹槽及圆柱形壁。本发明仍有的另一个方面包括在卡套体的外部直径上制造凹口，该凹口连接着第二卡套的第一及第二端部。在本发明的另一个方面，成形驱动表面装设在驱动件上而不是在后卡套的第二端部上。本发明也可以用比先前的卡套硬的基底金属制成的卡套来实施。本发明也可以用或者在整个卡套表面上或者在有选择的卡套表面上已淬硬了的卡套来实施。一般情况下，本发明也可应用于单卡套管接头。
按照附图从优先实施例的下列描述，该领域普通技术人员将清楚本发明的这些及其它方面和优点。
本发明在某些零件及零件的结构中采用的实际形状，其优先实施例及方法将在本说明中详细描述和在构成本文的一部分的附图中图示，而其中图1是公知的现有技术的双卡套冷挤式管接头的纵向剖面图；图1A是图1的圈出区域的放大图，显示处于已构成(连接好)状态下的现有技术的管接头；图2是类似图1的视图，但显示的是含有改进的后卡套的管接头的优先实施例，该卡套的设计改善了传(递通)过后卡套的反作用力；图3是显示图2的圈出区域的大比例放大图；图4是后卡套的优选形式的详细的局部剖视图；图5是类似于图4的显示后卡套的第二优选形式的剖视图；图6是图1的管接头的剖视图，特别显示了位于前卡套与螺母之间的后卡套处于初始构造(连接)状态下(图示地画出了有限元分析的网格)；图7是处于已构成(连接好)状态下的图6的管接头的视图并图示了应力集中情况；图8是处于初始构造(连接)状态的管接头的剖视图，含有根据本发明技术的改进后卡套(图示地画出了有限元分析的网格)；图9是处于已构成(连接好)状态的图8的管接头的视图，并图示了应力集中情况；图10是处于初始构造(连接)状态的管接头的剖视图，含有根据本发明技术的改进后卡套(图示地画出了有限元分析的网格)；图11是处于已构成(连接好)状态的图10的管接头的视图，并图示了应力集中情况；图12是处于初始构造(连接)状态的管接头的剖视图，含有根据本发明技术的改进后卡套(图示地画出了有限元分析的网格)；图13是处于已构成(连接好)状态的图12的管接头的视图，并图示了应力集中情况；图14是后卡套结构的不同几何形状变化的表格；图15是双卡套管接头的替代实施例的剖视图；图16是图15实施例的卡套区域的放大视图；图17是根据本发明的一个方面具有成形面的后卡套的局部视图；图18是成形后卡套的局部视图，显示该卡套在上紧之前处于与前卡套及驱动螺母表面接合的位置；图19是处于上紧状态的图18实施例的视图，显示了应力分布情况；图20是本发明的另一个实施例；图21图示了没有应用成形后卡套的双卡套管接头的应力分布情况；图22图示了含有圆周形凹槽的后卡套设计的另一个实施例；图23A-F图示了各种替代的后卡套被驱动表面的轮廓；图24A-G图示了本发明的替代实施例，其中螺母的驱动表面设置有成形表面；图25图示了卡套的另一个替代的实施例，该卡套具有由两个不同直径构成的内圆柱形孔；图26图示了卡套的另一个替代的实施例，该卡套具有在卡套体上的外凹口或凹槽；图27图示了本发明的卡套的另一个替代实施例，该卡套具有带凹口的内孔，成形后表面，在卡套端头区域上的外凹口及隆起部分；和图28是图示本发明的一个方面-高摩擦力管子的夹握区域-的有限元分析，该夹握区域与产生于卡套端头的应力上升区有轴向间隔。
具体实施例方式
现在参考附图，其中各附图仅是图示说明本发明的优先实施例而不是对其的限制，图2～4图示了实施本发明的管接头的全部结构。应该注意为了清晰和便于理解，本文的卡套轮廓的许多图示中，显示的卡套是局部剖视，特别是对于卡套的几何形状及轮廓的视图，其中只需要在剖视图中图示整个卡套的一部分。图2～4的实施例有应用了与图1及图1A的现有技术装置的描述方面所用的相同标号作为标志的主要元件。图1的元件的描述被看作同样适用于图2～4的元件，它们用相应的标号，除非另有说明。特别是在图2～4的实施例中，后卡套22’已经被改进，其改进方式导致作用在从前卡套经后卡套至螺母之间的反作用力产生径向朝外的巨大分力。这点与图1及1A的实施例截然不同，后者在考虑中的分力是具有大的轴向分力的。特别是如图4所示，分力A通常在后卡套22’的轴向延伸，并导致作用在卡套表面28’的径向内面上及螺母的突缘32’上的负载增大。如先前已讨论过的，在这个区域的高局部负载或应力集中产生了大的扭矩及因磨损而咬住。
虽然本文具体参考双卡套系统描述了本发明，这种解释是示例性质的并不应解释为有限制意义。本发明的各个方面也可在单卡套管接头中得到应用。
在本发明的一个实施例中，反作用力的改变方向可通过在卡套22’的整个内表面设置圆周形的凹槽40来实现。注意凹槽40通常位于卡套22’的相对端部的中间并且这导致后卡套的内表面被减小成两块轴向上相对窄的基本是圆柱形的及连续的接触区域42及44。通过这样改进后卡套，从前卡套经后卡套传导至螺母表面或突缘32’的力必然会更偏向径向地指外向，如同用图4的作用力线B所作示意地解释那样。
在这个实施例中，通常平直的接触区域42及44具有基本相同的直径，但是在替代实施例中，这两个区域可有不同的直径，例如在某些应用中希望后平直区域42的直径稍大于前平直区域44的直径，例如，大千分之几英寸，更好是大千分之一至千分之三英寸。在还有的另一个替代实施例中，后平直区域42作为接触区域可通过在这个区域设置锥口孔而去除掉。特别是对于较大的卡套尺寸，后卡套的端头部分的单个平面足以在安装期间保持卡套在管子上的合适对正。这些替代实施例在本文后面将更充分地描述。
通过比较图1的后卡套2与图2～4的实施例的后卡套22’，本发明的另一个重要特点得到了最好的示范。特别是，后卡套22’的外径向壁50含有锥形部分，当锥形部分从前端头部分52延伸至后突缘26’时增大了径向尺寸，该前端头部分被容纳于前卡套的后倒角区域53之中。在现有技术结构(图1及图1A)中，后卡套具有圆柱形的通孔和外径向壁，该外径向壁在这个区域平行于构成该通孔的内表面延伸。换句话说，后卡套具有固定的环形壁厚“t”。在图2～4的实施例中，当改进的后卡套中含有凹槽时，外壁具有圆锥形的或锥形的轮廓，该轮廓具备足够的壁厚“t”和端头部分的受控变形。最好的是，当外壁50在已缩小尺寸的端头区域52与已扩大直径的后突缘26’之间延伸时，外壁50具有一般地均匀的角度或锥度，该端头区域52被容纳于前卡套的斜口中。再有，这提供了后卡套的受控变形，使得该区域52沿表面44径向朝内的塑性变形而形成与管子的外壁的夹握、密封接合。注意在图4中凹槽40的形状是这样构造的以显示尺寸“t”是固定的，虽然它不一定需要是如此。例如，如果凹槽40是例如在图14、17及18的许多图示中那样构成的，锥形的外壁50在后卡套端头52与后突缘26’之间提供非均匀的厚度“t”。
后卡套22’的壁厚“t”及几何形状和轮廓是为具体用途而选择的，以便为了平衡及使卡套22’在管子上合适地对正和保护后卡套22’与前卡套16’的配合，以在为保证管子的合适密封而上紧期间实现所需的相位控制的顺序夹握操作。在管接头上紧期间，后卡套22’对管子端部13的外表面施加具有轴向及径向分力两者的矢量力。径向分力能使管子表面上的轴向摩擦力实现极佳的夹握及密封作用。这个轴向摩擦力平衡来自管子13的轴向管子夹握反作用力。
锥形的外壁50与凹槽40的组合几何形状导致后卡套端头部分52的“铰接”效应。所选择的几何形状及轮廓将取决于这些因素，它包括但不需局限于管接头元件所使用的材料，管子材料及壁厚，管接头的工作压力，后卡套是否要表面淬硬，等等。在构造(连接)期间，为了保持合适的顺序夹握操作，后卡套22’端头部分52不过速地塌陷是重要的，否则，前卡套16在管壁上不会有足够的夹握力，或者在前卡套16与锥形的斜口14之间的密封力会不足。如果后卡套22’相对于前卡套塌陷得过迟，则后卡套22’在管子13壁上不会有足够的夹握力。
后卡套22’的铰接效应导致后卡套在端头部分52上施加的作用力从管子表面以相当大的径向矢量角作用在管壁上。这个卡套施加的作用力矢量B因此具有相当大的径向分力，同时产生巨大的轴向摩擦力。于是，与如图1及1A的现有技术中施加的作用力基本是轴向的相反，经驱动件30施加的较小轴向分力足以对抗轴向的管子夹握反作用力。管子13的后卡套22’夹握因此近似于曲拐状的铰接作用。对于实现相同的管子夹握，较小的轴向分力导致减小螺母30的上紧扭矩。
此外，在管接头上紧期间，这个铰接特性引导管子反作用力通过后卡套22’一般朝向后卡套被驱动表面28’的中央区域，表面28’的中央区域与螺母台肩32’的驱动表面接触。这导致反使用力跨过后卡套22’的被驱动表面28’更均匀地分布，以避免或减少大的应力集中，因此减少或消除因磨损而咬住和减小上紧扭矩而不损失管子夹握力。在许多情况下，最好是反作用力被导向通常垂直于后卡套的后表面28’的方向。由径向作用力引起的增大的夹握力也赋予了后卡套22’的端头部分更多的贯入或冷挤在管子13上。这样以较低的作用扭矩提供极佳的管子夹握和密封，并且通过提供高夹握压力的冷挤区域也提供对振动疲劳的较大抵御能力，该高夹握压力区域在管子应力上升区的背后(即轴向地向后)，该应力上升区产生于后卡套22’端头的前端部。图28图示了这个结果在端头穿入管子壁13的应力上升区区域400是在卡套端头与管壁之间(的)高摩擦接合的冷挤区域402的轴向前方。高摩擦区域或冷挤产生集中效应，该集中效应使卡套固定在管壁上并保护应力上升区400不受振动。后卡套端头部分的前平面部分44对管子的良好夹握作用对管接头的整体性能是重要的，这与后卡套后平面部分42之间的任何接触压力正相反。在许多情况下，在部分42与管子13之间无需接触。
本发明的减少咬住和减小上紧扭矩的另一个好处是使管接头的有利于重装。所谓“重装”简单的意思是指在某些应用中，使用者需要在安装之后分离管接头，可能是为了更换阀、管子或完成其它例行维护及修理，然后为重装同一管接头而不更换卡套和/或螺母或管接头体。如果后卡套及驱动螺母已变得被因磨损而咬住，则重装管接头所需的扭矩可能是不可达到的或不可能的，或者管接头不适于重新密封的。
应用本发明显著地减少或消除因磨损而咬住及减小上紧扭矩，就有助于重装。
虽然本发明可应用于许多不同的材料，当使不锈钢管接头及管子时它有特殊的优点，这些管子包括但不局限于316及316L不锈钢管子，此外还包括其它合金、耐蚀耐高温合金、铬镍铁合金、蒙乃尔合金400及500，254SM0及钢，以及例如SAF2507双炼不锈钢。按照需要本发明可应用或不用卡套的全部或部分表面上的表面淬硬工艺。
关于表面淬硬的长套或由实际上比316L不锈钢更硬的材料制成的卡套，本发明用所希望的管壁的相位控制顺序夹握能使管接头10被恰当地上紧。如果是传统的卡套，特别是后卡套进行了表面淬硬或由非常硬的材料制成，该卡套对于达到恰当的密封及夹握管壁将是过于刚硬。但是本发明有利于应用硬材料的或它们表面的部分或全部已淬硬的卡套。本文中的表面淬硬涉及以这种方式来处理卡套获得富碳或富氮表面，当该表面与底层的基底金属相比时它实际上使卡套体变得硬了，如该领域普通技术人员已熟知的。
图5图示了后卡套的另一个实施例，其中凹槽40由两个不同的角度(钝三角形)构成。例如，由内表面构成的较小的第一角度当它从表面44向后地朝后突缘26’延伸时，它增大了。较大的第二角度(近似为第一角度的角度尺寸的两倍)当它从表面42向前地朝端头区域延伸时，它增大了。于是这些角度相交于一轴向位置，该位置位于外壁50与后突缘交汇处的下面。因此，应力更均匀地分布在后端面28’上。
翻到图6及7，显示的是管接头构造(连接)之前及之后的图1(的)现有技术结构的后卡套。对该管接头进行了有限元分析，其结果在图7中表示得特别明显。此处，后卡套的后突缘及螺母的画阴影线区域表示因构造管接头而受到的力及应力集中。特别是高应力集中区域标示于区域60。逐渐增加的应力集中区域用标号62、64、66、68及70标明。因此，在后端面28’的径向内部位置处的大的应力集中导致构造(接头)期间的扭矩增大和螺母因磨损而咬住的可能。
图8及9显示了根据本发明的技术的另一个改进的后卡套。这个后卡套和图5中所示的一样。如图9中特别明显表示的，当与图7比较时，高应力集中区域实际上是尺寸减小了。这标示应力已更均匀地分散遍及后卡套突缘的后面。因此，减小了扭矩和因摩擦而咬住的潜在可能也减小了。
图10及11代表图4中所示及描述的后卡套。此处，有限元分析图示了在后面处应力集中区域基本上被除去并获得了更均匀的应力分布。再有，与构造(管接头)有关的扭转力因此随局部化的应力集中的相应减小而被减小。凹槽及圆锥形外壁对产生于管接头中的作用力提供径向分力并通过后卡套被传递而同时仍提供所需的管子夹握及密封。
图12及13的实施例也可实现这些相同的目的。该凹槽轮廓略为不同，即该凹槽更陡地构成于后卡套的内壁。它还稍为向前地移动，使得凹槽的最深部分位于后突缘的前部。然而，外壁仍是圆锥形轮廓并与凹槽一起使应力沿后卡套的后面分布。
如同已用上面描述的各种实施例所明示的，凹槽及锥形外壁不需要特别的结构来实现应力分布及减小构造管接头的扭矩。事实上，一些建议的替代实施例已图示于图14的表格中。例如，第一排几何形状具有标准的位置，该位置通常称为凹槽的后缘，该凹槽轴向地位于外壁与扩大的突缘交汇处下面。泪滴形、直角三角形、矩形、椭圆形、正方形、圆形、钝三角形、弧形及复合弧形是凹槽可采用的各种形状。再有，凹槽可被布置在靠前位置(第二排)；或者靠后位置，在该位置上凹槽的最深部分布置在扩大的突缘(第三排)的下面而同仍可采用各种轮廓。仍然有的是，形状的取向可以是反的，如第四排或第六排中推荐的各种几何形状，或者凹槽可由第五及第八排中所示的复合凹槽所构成。另一种方法是，凹槽可如第七及第八排所指示的加以扩大。因此，本发明不局限于图2～13的较早实施例所显示及描述的具体轮廓，但可以包含所选择的其它几何轮廓。
参考图15～20，图示了本发明的另一个实施例。如本文上面所指出的，在后卡套22中应用凹槽40，通过把径向分力加入到上紧力中而显著地减小了驱动螺母30的驱动表面32处的应力集中。锥形外壁50的构造还能影响径向分力和应力的分布以及上紧(管接头)期间的后卡大22的受控变形。根据图15～20的各实施例，后卡套制备有成形驱动表面，这进一步减小了驱动螺母30与后卡套22之间的接合区域中的应力集中。
图21以示例性方式图示了在驱动螺母驱动表面32及后卡套驱动表面28处的典型上紧应力分布，如本文以前描述过的后卡套中含有凹槽40式结构的典型情况。这些应力集中用箭头200表示。通过比较图21中的应力分布及图7中的应力集中(图7图示的后卡套不含凹槽或凹口结构40)，如本文以前指出的，很明显凹槽40原理的结构显著地及实际地减小了驱动螺母驱动表面32上的应力集中。这种应力集中的减小从比较图7与图9、11及13中变得更明显。
虽然图21不是FEA(有限元分析)的代表，它图示解释了要点应用凹槽40不能在所有情况下全部地消除后卡套的后表面处的应力集中(虽然应用凹槽凹口40，与不含凹口或凹槽的后卡套相比，很大地减小了应力集中)。在图21的简化了的表示中，应力集中可存在于例如后卡套突缘26的径向内及外部分(虽然不是必定发生但它们可能以应力集中的双区域存在，在本文中称为双峰应力集中)。这些稍高些的双峰应力集中在图21中以较粗的箭头表示。因此本发明被引向进一步减少这种应力集中，其结果图示于图19中，其中通过应用改进的后卡套驱动表面及凹向内的半径，箭头表示基本消除上紧力集中。
根据本发明的这个另一方面，显示了双卡套管接头具有后卡套，该后卡套已经改进，以便沿后表面充分地分配应力集中而进一步减少上紧应力集中，该后表面与驱动螺母30的驱动表面32接合。如图15～18中所示，相应的管接头元件被显示成处于最终拧紧前的手拧紧位置。
特别参考图15及16，管接头包括接头体110，接头体110具有用于容纳管子端部113的圆柱形开112，管子端部113到达锥口孔112a的底部上。锥形截头锥状斜口114位于开口112的轴向后端部或接纳端部。具有平滑的、圆柱形的径向内壁118的前卡套116被紧密地容纳于管子113上。前卡套116具有与接头体110的斜口114接合的锥形的外表面120。
后卡套122与前卡套116相连并布置成轴向邻接(即在向后方向上与管接头的纵轴线同心地对正)，后卡套122被构造成具有锥形的端头部分124，端头部分124具有向后的锥形表面127。后卡套122还含有径向延伸的后突缘126，后突缘126具有成形端面128。成形端面128含有面朝后的被驱动表面129，表面129与驱动螺母130的相应驱动表面132接合。
后卡套122的锥形端头表面127接合并可具有，但不是必须，基本上如同前卡套116后区域的锥形的斜表面125的相同角度。端头部分124通过优选的锥形外壁131与突缘126连接。在图示的实施例中，壁131在轴向向后方向上以逐渐增大的径向尺寸倾斜。外壁131也可能是圆柱形的，虽然它最好是锥形的以更容易减少后表面129上的应力集中。
卡套116及122被带螺纹的驱动螺母件130所包封，件130含有与后卡套122的成形面129接合的驱动表面132。螺母件130以螺纹与接头体110的螺纹部分接合。在拧紧及构造接头期间，螺母130的驱动表面132对后卡套122的成形面129施加上紧力以驱动两个卡套轴向向前(从图6中看是向右)进入如图19中所示的充分接合位置。后卡套被构造成使得由于与锥形的斜表面125的强制接合，端头部分124径向地向内变形。这个作用正是所希望的，因为它导致后卡套122的内圆柱形壁与管子113的壁外表面紧密的夹握接合。
在图15～20图示的实施例中，后卡套122的成形面128可能是圆形的、弧形的、弓形的或碗形的或其它曲线形状或这些种形状的组合。最好但不是必须的，端面128具有凸半径R形式的成形部分。该半径的中心例如可能是如图18中所示在卡套体的内部。然而，该领域普通技术人员将容易理解，弧形表面129的起点可能位于相对于用图18图示的后卡套结构的任何地方，图18仅是为图示目的而提供的。成形面128的一个方面是和凹半径形式的被驱动表面129一起，在突缘126的内及外径向部分之间的区域，起初与螺母驱动表面132形成线(性)接触129b(或缩小的端面对端面的径向接触)。后卡套最好也含有凹槽140，凹槽140可以是如同本文上面先前描述的任何轮廓的。另一种方法是成形后面128可与省略了凹槽140的后卡套轮廓一起使用如图20中所图示。
虽然希望成形表面128应用圆弧的或其它曲线的表面，但有个实际限制到底能制成多小的半径。如果曲率的半径做得过小，将有可能是不希望有的应力集中发生在成形表面128的中心区域。
成形的后卡套122的突出优点是在螺母驱动表面132与后卡套122的成形面128之间的上紧应力更均匀地遍及分布在后卡套的表面128上，因此减少了及基本上消除了应力集中。驱动螺母130上的应力集中的这种进一步减少从而减小了上紧扭矩及减少了因磨损而咬住，因此有利于管接头的重装。
指出这点是重要的虽然图示的实施例显示了后卡套122与驱动螺母130之间的初始接触例如一般是在成形面128的中间，但在每个应用中不需要这样。初始接触点将是整个管接头设计的函数，包括锥形壁131的几何形状、凹槽140、端头部分127、前卡套116的轮廓等等。但与本发明的一般方面相一致，成形面128在突缘126的径向的内及外部分之间的区域将是凸出的或轴向地变化的，以便使作用在驱动螺母132上的上紧力更加均匀地分布，以使当与具有基本平直的非成形被驱动表面128的传统后卡套设计相比较时减少了因磨损而咬住和上紧扭矩。
图20图示了本发明的一实施例，其中后卡套122’具有基本是圆柱形的内壁150’，但另外包含具有成形驱动表面128’的突缘126’及带前斜面127的端头部分124’，以及锥形的外壁131’。
图22图示了本发明的另一个实施例，其中后卡套22’的设计可以具有在轴向向后移动、通常在突缘26’的轴向尺寸内的凹槽40’。
参考图23A～F，我们图示出成形端面128的一些变化。在图23A中端面128制成椭圆形轮廓。在图23B中，端面128由弯曲的多半径部分构成，例如部分128a、128b及128c(图上的圆点标明各弧的交点而非端面的物理特征)。在图23C中，端面128包含具有第一半径轮廓的中央部分128a，和由第二半径轮廓构成的外部分128b。在图23D中，端面128包含中央部分128a，部分128a具有由圆弧构成的轮廓；和外部分128b及128c，外部分128b及128c被制成平直表面(在局部表面似乎是平直的，仍被理解成锥形表面)。在图23E中，端面128含有椭圆部分128a及平直部分128b。而在图23F中，端面128具有由椭圆128a、平直部分128b及弧形部分128c 3个几何形状构成的轮廓。在图23A～F的所有例子中，制作的要点是为成形端面128所选择的轮廓及几何形状，正如本文以前描述过的先前实施例那样，被设计成用来实现后卡套122铰接状端头所需的塑性变形，以达到管子的极佳夹握而同时保持与前卡套的恰当顺序上紧操作。
参考图24A～F，本发明也可通过在螺母130的驱动表面132上装设成形轮廓来实现。在这些实施例中，后被驱动表面128是圆锥形的。另一种情况是，驱动表面132与被驱动表面128两者都可以是成形的。在应用于驱动螺母表面132的成形形状上，图24A～F与图23A～F是对应的。因此，图24A图示了椭圆的轮廓；图24B图示了多圆轮廓；图24C图示了两个弧形表面；图24D图示了圆弧表面及两个平直部分；图24E图示了带有平直部分的椭圆轮廓；而图24F图示了圆弧、平直及椭圆部分的组合(轮廓)。在图24G还有的另一个实施例中，螺母驱动表面132可由连接于顶点129D的两个平面部分构成。
参考图25，在还有的实施例中，后卡套522含有内圆柱形壁上的凹槽540。然而，在这个实施例中，后平直部分542是由卡套体522上的较大直径孔构成的，该较大直径是与构成前平面544的孔的直径相比较来说的。由于用较大直径构成后表面542，可应用单种工具通过卡套体522去制造凹口540及中央孔。两个直径的差异在图25中用尺寸D来表示。注意凹口或凹槽540被布置在卡套体522的后面部分。这提供了轴向细长的前表面554，因为后部分542不是那么紧密地包围着管子表面554在装配期间帮助保持卡套对正(准)。但是，该领域普通技术人员将容易理解，扩大直径的后部分542可以和许多此处或别处图示的凹口40轮廓一起使用，包括复合凹口结构。后卡套522也可以含有成形的后壁，如本文描述的实施例中那样。
图26图示了后卡套22’的另一个实施例。在这个实施例中，除中央通孔上的双凹口40’外，卡套还含有在卡套的外直径表面50’上的凹口或凹槽300。这个凹口300可用作“铰接”设计部分以在上紧期间进一步控制卡套端头部分52’的塑性变形。图27图示了后卡套622的另一个例子，后卡套622含有装入中央凹槽640；具有外直径凹槽或凹口300’的锥形外直径(表面)650；以及较大直径的后部分或径向突缘642，突缘642具有成形的或弧形的被驱动表面628。后表面642具有的直径略大于前表面644的，如同在本文中的其它例子，用尺寸D”表示。可以选择所有的有效尺寸及轮廓，用作用于管子表面的所需负载引起卡套622塑性变形和减小对螺母驱动表面的负载集中并且还保证把合适的驱动力传入前卡套中。正如本文图示的各种其它后卡套设计一样，后卡套设计的各种原理可应用于单卡套接头中。
图示于图27的卡套含有外凹口300’。图28的有限元分析图示生动地显示了这个外凹口300’如何在后卡套的端头部分652处产生显著的铰接效应。外凹口300被径向延伸的隆起302所界定。这个隆起302的功能是当管子是薄壁的或另外在构造管接头期间容易变形时，防止后卡套22’的端头在前卡套下面滑动(例如，以套进伸缩的方式)。没有隆起302时，由于薄管壁塌陷，后卡套的端头可能被挤出前卡套的斜口并在前卡套下滑动，阻碍合适的顺序上紧并由于两卡套中任一个而造成不良夹握。最好是在上紧期间隆起302与前卡套的内斜口保持接触。
已参考优先实施例描述了本发明。很明显，其它人根据阅读和理解本说明书将可进行各种修改和替换。我们的意图是包括所有这样的修改及替换，因为它们落入附录的各项权利要求或其等同条款的范畴内。
权利要求
1.一种管接头包括管接头体，该管接头体具有用于容纳管子端部的圆柱形孔并含有在所述孔的一个端部处的锥形口；驱动件，该驱动件具有与所述管接头体的螺纹接合并具有卡套驱动表面；第一卡套，该第一卡套具有延伸入管接头体的所述锥形口内的锥形第一端部和具有带锥形凹槽的第二端部，该锥形凹槽轴向地朝所述第一端部延伸；和第二卡套，该第二卡套具有紧密地围绕管子端部的通常为大致连续的圆柱形内壁、延伸入所述第一卡套的所述锥形凹槽内的锥形鼻部以及在其后端部上的被驱动表面，该被驱动表面与所述卡套的驱动表面接合；其中的改进在于所述第二卡套围绕其整个表面进行表面硬化，所述第二卡套具有在管接头上紧时与管子端部径向隔开的所述圆柱形内壁的后部、穿过管子端部的外表面的所述锥形鼻部的前边缘以及所述大致连续的圆柱形内壁的夹头部分，所述夹头部分位于所述前边缘的轴向后部，并且在管接头上紧时贴靠管子端部的所述外表面径向变形以便夹紧管子端部。
2.如权利要求1所述的管接头，其特征在于，所述第二卡套在通过肘节式铰接动作将管接头上紧时变形。
3.如权利要求2所述的管接头，其特征在于，所述肘节式铰接动作是通过所述后部围绕将所述后部结合到所述卡头部分上的所述第二卡套的区域从管子端部的所述外表面径向向外运动而造成的。
4.如权利要求3所述的管接头，其特征在于，所述肘节式铰接动作在管接头上紧时造成所述卡头部分以很大的夹紧压力径向压靠管子端部的所述外表面。
5.如权利要求3所述的管接头，其特征在于，所述驱动件卡套驱动表面在所述第二卡套被驱动表面的至少中央部分的径向外部的位置处开始接触所述第二卡套的被驱动表面。
6.如权利要求1所述的管接头，其特征在于，所述被驱动表面是凸出的。
7.如权利要求1所述的管接头，其特征在于，所述卡套内部圆柱形壁包括位于所述前边缘和所述后端部之间的周向凹槽。
8.如权利要求1所述的管接头，其特征在于，所述第二卡套包括金属。
9.如权利要求8所述的管接头，其特征在于，所述金属包括不锈钢。
10.一种管接头包括管接头体，该管接头体具有用于容纳管子端部的圆柱形孔并含有在所述孔的一个端部处的锥形口；驱动件，该驱动件具有与所述管接头体的螺纹接合并具有卡套驱动表面；第一卡套，该第一卡套具有延伸入管接头体的所述锥形口内的锥形第一端部和具有带锥形凹槽的第二端部，该锥形凹槽轴向地朝所述第一端部延伸；和第二卡套，该第二卡套具有紧密地围绕管子端部的通常为大致连续的圆柱形内壁、延伸入所述第一卡套的所述锥形凹槽内的锥形鼻部以及在其后端部上的被驱动表面，该被驱动表面与所述卡套的驱动表面接合；其中的改进在于所述第二卡套具有在管接头上紧时与管子端部径向隔开的所述圆柱形内壁的后部、穿过管子端部的外表面的所述锥形鼻部的前边缘以及所述大致连续的圆柱形内壁的夹头部分，所述夹头部分位于所述前边缘的轴向后部，并且在管接头上紧时，通过肘节式铰接动作变形，所述肘节式铰接动作是通过所述后部围绕将所述后部结合到所述卡头部分上的所述第二卡套的区域从管子端部的所述外表面径向向外运动而造成的。
11.如权利要求10所述的管接头，其特征在于，所述卡头部分以很大的径向夹紧压力径向压靠管子端部的所述外表面，以便夹紧管子端部。
12.如权利要求10所述的管接头，其特征在于，所述第二卡套围绕其整个表面进行表面硬化。
13.如权利要求10所述的管接头，其特征在于，所述驱动件卡套驱动表面在所述第二卡套被驱动表面的至少中央部分的径向外部的位置处开始接触所述第二卡套的被驱动表面。
14.如权利要求10所述的管接头，其特征在于，所述第二卡套包括金属。
15.如权利要求10所述的管接头，其特征在于，所述金属包括不锈钢。
16.一种管接头包括管接头体，该管接头体具有用于容纳管子端部的圆柱形孔并含有在所述孔的一个端部处的锥形口；驱动件，该驱动件具有与所述管接头体的螺纹接合并具有卡套驱动表面；第一卡套，该第一卡套具有延伸入管接头体的所述锥形口内的锥形第一端部和具有带锥形凹槽的第二端部，该锥形凹槽轴向地朝所述第一端部延伸；和第二卡套，该第二卡套具有紧密地围绕管子端部的通常为大致连续的圆柱形内壁、延伸入所述第一卡套的所述锥形凹槽内的锥形鼻部以及在其后端部上的被驱动表面，该被驱动表面与所述卡套的驱动表面接合；其中的改进在于所述第二卡套具有大致凸出的轮廓、穿过管子端部的外表面的所述锥形鼻部的前边缘以及通过肘节式铰接动作径向压缩以便夹紧靠近所述前边缘的管子端部的所述大致连续的圆柱形内壁的部分。
17.如权利要求16所述的管接头，其特征在于，所述第二卡套围绕其整个表面进行表面硬化。
18.如权利要求16所述的管接头，其特征在于，所述第二卡套具有在管接头上紧时与管子端部径向隔开的所述圆柱形内壁的后部。
19.如权利要求16所述的管接头，其特征在于，所述第二卡套包括金属。
20.如权利要求16所述的管接头，其特征在于，所述金属包括不锈钢。
21.一种管接头包括管接头体，该管接头体具有用于容纳管子端部的圆柱形孔并含有在所述孔的一个端部处的锥形口；驱动件，该驱动件具有与所述管接头体的螺纹接合并具有卡套驱动表面；第一卡套，该第一卡套具有延伸入管接头体的所述锥形口内的锥形第一端部和具有带锥形凹槽的第二端部，该锥形凹槽轴向地朝所述第一端部延伸；和第二卡套，该第二卡套具有紧密地围绕管子端部的通常为大致连续的圆柱形内壁、延伸入所述第一卡套的所述锥形凹槽内的锥形鼻部以及在其后端部上的被驱动表面，该被驱动表面与所述卡套的驱动表面接合；其中的改进在于所述第二卡套具有大致凸出的轮廓、穿过管子端部的外表面的所述锥形鼻部的前边缘、被径向压靠以便在所述前边缘附近夹紧管子端部的所述大致连续的圆柱形内壁的部分以及在管接头上紧时与管子端部径向隔开的所述圆柱形内壁的后部。
22.如权利要求21所述的管接头，其特征在于，所述第二卡套围绕其整个表面进行表面硬化。
23.如权利要求21所述的管接头，其特征在于，所述第二卡套在通过肘节式铰接动作将管接头上紧时变形。
24.如权利要求23所述的管接头，其特征在于，所述肘节式铰接动作是通过所述后部围绕将所述后部结合到所述卡头部分上的所述第二卡套的区域从管子端部的所述外表面径向向外运动而造成的。
25.如权利要求24所述的管接头，其特征在于，所述第二卡套围绕其整个表面进行表面硬化。
26.如权利要求21所述的管接头，其特征在于，所述驱动件卡套驱动表面在所述第二卡套被驱动表面的至少中央部分的径向外部的位置处开始接触所述第二卡套的被驱动表面。
27.如权利要求21所述的管接头，其特征在于，所述卡套内部圆柱形壁包括位于所述前边缘和所述后端部之间的周向凹槽。
28.如权利要求21所述的管接头，其特征在于，所述第二卡套包括金属。
29.如权利要求21所述的管接头，其特征在于，所述金属包括不锈钢。
30.一种使用管接头密封和夹紧管子端部的方法，管接头具有可以连接并闭合管子端部的管接头体以及螺母、第一卡套和第二卡套，其中第二卡套具有接合第一卡套的前部和在管接头上紧时通过螺母驱动的后部，该方法包括以下步骤在管接头上紧期间变形第二卡套，以便在上紧时造成其后端与管子端部径向隔开；在管接头上紧期间变形第二卡套，以便在上紧时造成其前边缘缩入管子端部；在管接头上紧期间通过肘节式铰接动作变形第二卡套，使其卡头部分径向压靠管子端部。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述卡头部分位于所述缩入的前边缘的轴向后部，以便将所述缩入的前边缘与振动隔离。
32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，包括在组装到管接头内之前造成第二卡套在其整个表面上进行表面硬化的步骤。
33.如权利要求30所述的方法，其特征在于，包括在组装到管接头内之前在第二卡套的中央孔内形成周向凹槽的步骤。
34.如权利要求30所述的方法，其特征在于，包括在组装到管接头内之前在第二卡套的所述后端处形成凸出的被驱动表面的步骤。
35.一种管接头，包括管接头体，该管接头体具有用于容纳管子端部的圆柱形孔并含有在所述孔的一个端部处的锥形口；驱动件，该驱动件具有与所述管接头体的螺纹接合并具有卡套驱动表面；第一卡套，该第一卡套具有插入管接头体的所述锥形口内的锥形第一端部和具有带锥形凹槽的第二端部，该锥形凹槽轴向地朝所述第一端部延伸；以及第二卡套，该第二卡套具有在安装其上时紧密地围绕管子端部的通常为大致连续圆柱形的内壁、插入所述第一卡套的所述锥形凹槽内的锥形鼻部以及在其后端部上的被驱动表面，该被驱动表面在管接头上紧时与所述卡套的驱动表面接合；其中所述第二卡套围绕其整个表面进行表面硬化，并且所述第二卡套具有如下构造，使得在管接头上紧时第二卡套变形以便造成1)所述圆柱形内壁的后部与管子端部径向隔开，2)所述锥形鼻部的前边缘穿过管子端部的外表面；以及3)位于所述前边缘轴向后部的所述大致连续的圆柱形内壁的卡头部分贴靠管子端部的所述外表面径向变形以便夹紧管子端部。
36.一种管接头，包括管接头体，该管接头体具有用于容纳管子端部的圆柱形孔并含有在所述孔的一个端部处的锥形口；驱动件，该驱动件具有与所述管接头体的螺纹接合并具有卡套驱动表面；第一卡套，该第一卡套具有插入管接头体的所述锥形口内的锥形第一端部和具有带锥形凹槽的第二端部，该锥形凹槽轴向地朝所述第一端部延伸；以及第二卡套，该第二卡套具有在安装其上时紧密地围绕管子端部的通常为大致连续圆柱形的内壁、插入所述第一卡套的所述锥形凹槽内的锥形鼻部以及在其后端部上的被驱动表面，该被驱动表面在管接头上紧时与所述卡套的驱动表面接合；其中所述第二卡套围绕其整个表面进行表面硬化，并且所述第二卡套具有如下构造，使得在管接头上紧时第二卡通过肘节式铰接动作变形。
37.如权利要求7所述的管接头，其特征在于，在所述肘节式铰接动作过程中，所述第二卡扣塑性变形，使得1)所述圆柱形内壁的后部与管子端部径向隔开，2)所述锥形鼻部的前边缘穿过管子端部的外表面；以及3)位于所述前边缘轴向后部的所述大致连续的圆柱形内壁的卡头部分贴靠管子端部的所述外表面径向变形以便夹紧管子端部。
全文摘要
通过后卡套的恰当改进使作用在前卡套与驱动螺母之间的反作用力改变方向来使双卡套管接头组件的高局部负载、因磨损而咬住及大扭转力得到了基本消除或很大地减小。后卡套具有紧密地包围着管子端部的圆柱形内壁并在圆柱形内壁上设置了圆周形连续的径向凹槽，该径向凹槽位于后卡套的端头与后壁之间。后卡套还具有径向外壁，该外壁基本是圆锥形的并且外形又被构造成径向地向外朝后卡套的扩大直径部分或突缘延伸。后卡套还包含在卡套的后被驱动表面上的成形面和在锥形壁部分上的第二凹槽并可经过表面淬硬，上述成形面与驱动螺母的驱动表面接合。
文档编号F16L21/08GK1896577SQ20061010019
公开日2007年1月17日 申请日期2000年12月20日 优先权日1999年12月22日
发明者P·C·威廉斯, H·C·B·库恩斯 申请人:斯瓦戈洛克公司