[发明专利]用于改善夹头型机构内接触应力分布的装置和方法

说明书

一种用于可释放地夹持管状工件的外部或内部目标表面的夹头型机构，包括限定夹头接收器接触表面的夹头接收器，该夹头接收器接触表面构造为截头直圆锥的弯曲侧表面，以及包括多个夹头段的分段夹头组件。每个夹头段限定了工件接合表面和夹头段接触表面，工件接合表面构造为用于与工件目标表面夹持接合，夹头段接触表面构造为用于与夹头接收器接触表面至少部分接触接合。夹头段接触表面可以包括两个轴向邻接的区域，其中一个对应于倾斜圆柱或直圆柱的弯曲侧表面，而另一个对应于截头直圆锥的弯曲侧表面。

技术领域

本公开总体上涉及用于可释放地夹持物体或工件的夹头型和卡瓦型装置和机构，使得当轴向载荷在夹头和其接收套筒之间沿一个方向传递时，工件相对于夹头的位移被强烈地抵抗，并且当轴向载荷的方向相反时，夹头被推动以释放工件。

背景技术

一百多年来，夹头型机构已经被广泛用于各种装置和机构中。夹头型机构的示例可以在许多装置中找到，包括但不限于：

·铣床上用于保持工具的卡盘；

·用于保持钻头的多钻头螺丝刀上的卡盘；

·伸缩腿组件上的卡盘，用于锁定同心腿段相对于彼此的位置；

·钻机上用于保持管柱的卡瓦；和

·管状送入工具，例如美国专利号7,909,120(Slack)和美国专利号10,081,989(Slack)中描述的工具。

夹头型机构具有许多优点，包括以下：

·工件相对于夹头机构的自定心；

·工件相对于夹头机构的精确定心；

·工件的强力夹持；

·阻止工件被震松(即未拧紧)；和

·快速释放和更换被夹持工件的能力。

夹持工件外表面的夹头型机构通常称为外部夹头。夹住工件内表面的夹头型机构通常称为内夹头。

传统的夹头型机构通常包括两个接触部件：分段夹头组件(或者在此简称为“分段夹头”)和夹头接收器。夹头接收器的接触分段夹头的表面被构造为截头直圆锥的弯曲侧表面。接触夹头接收器的分段夹头的表面(即夹头段的表面)也构造为截头直圆锥的弯曲侧表面。分段夹头的各段用作夹头接收器和工件之间的楔形物(wedge)。

相对于夹头接收器在一个方向上向分段夹头施加轴向载荷将增加作用在工件上的夹持力。沿相反方向向分段夹头施加轴向载荷将促使夹头机构释放工件。轴向载荷可以通过工件施加到分段夹头上，就像普通钻机卡瓦那样(在这种情况下，工件是一段管子)。或者，轴向载荷可以主要通过独立于工件的方式施加到分段夹头上，如铣床上的普通卡盘一样。

如在本公开中所使用的，术语“夹头段”应理解为是指分段夹头的一段。给定分段夹头中的夹头段可以在物理上彼此分离，或者可以通过允许夹头段之间在一个或多个方向或指向上进行选定程度的相对运动的一些器件来联接。用于允许联接的夹头段之间相对运动的器件的非限制性示例包括提供一体的金属弹簧，以及使用两种或更多种具有不同弯曲刚度的材料形成夹头。

当夹头型机构用于夹持尺寸对应于夹头型机构的“标称”尺寸(通常对应于“标称”内径或外径)的工件时，当分段夹头位于沿夹头接收器长度的“标称”轴向参考位置时，夹头段将接触夹头接收器并开始夹持工件。在该标称参考位置，夹头段和夹头接收器的接触表面在沿着部件长度的每个轴向位置具有相同的半径，因此接触表面将重合。当轴向力施加到分段夹头上以增加夹持力时，夹头段和夹头接收器之间产生的接触应力分布将几乎均匀。出于本公开的目的，这种类型的接触状态将被称为“匹配接触”(如稍后参考图1A和2A进一步讨论的)。