Внимание!
Предложения и заявки заказчиков

Размещение рекламных материалов

коммерческая реализация изобретений - ООО 'Адвансед Девелопмент Проджект' смотреть>>>

Требуются разработки по средствам контроля и ограничения по количеству дисковых операций производимых одним пользователемдля хостинг провайдера. смотреть>>>

Требуются разработки по использованию низкопотенциальной энергии смотреть >>>

ШАРНИР ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Шрус

 описание заявок на изобретение Полей Н.Л

Оптимизация вскрытия продуктивных нефтегазовых пластов для их последующего быстрого ввода в эксплуатацию и максимальной отдачи в течение длительного времени требует, как основополагающий фактор, минимизации воздействия промывочной жидкости на скважину. С этим связано повсеместное внедрение режимов бурения на депрессии (равновесии), увеличение мощности забойных двигателей (ЗД) и стойкости породоразрушающего инструмента для повышения скорости проходки продуктивного пласта. Особое значение эти мероприятия имеют для наклонно-направленных (горизонтальных) скважин.
Однако в цепочке передачи крутящего момента от забойного двигателя до породоразрушающего инструмента существует слабое звено — шарнир (торсион, кардан и пр.), недостаточный ресурс которого сдерживает процесс освоения производством винтовых забойных двигателей (ВЗД) с большим крутящим моментом. Прочностные характеристики шарнира объективным образом связаны с габаритами, а точнее, с диаметром бурильных труб. Разнообразие конструкций используемых шарнирных соединений лишь только подчеркивает важность проблемы и олицетворяет полет инженерной мысли в поисках простого и надежного решения.
В данной статье рассмотрена новая перспективная патентуемая конструкция шарнира ЗД на основе заявки на изобретение РФ № 2009129733. Изобретение относится к устройствам приводов вращения, в частности, к шарнирным устройствам передачи крутящего момента от винтовых героторных гидромашин и может быть использовано в винтовых забойных двигателях для бурения нефтяных и газовых скважин, а также в насосах для перекачивания жидкости в/из скважины и других механизмах с изменяемой осью вращения.
{multithumb enable_thumbs=1 thumb_height=100 }
  В настоящее время наметилась тенденция замещения шарниров гибкими торсионами, расположенными внутри вала забойного двигателя. Но вместе с ними появились и новые проблемы, которые определили и ограничили сферу применения торсионов: в компоновках низа буровой колонны (КНБК) с малым углом перегиба (малой интенсивностью набора угла) до 10/10м и ВЗД с небольшим крутящим моментом. Основным отличием данной компоновки является сокращение линейных габаритов КНБК. Знакопеременные нагрузки — главный бич торсионов (за 100 часов работы при частоте вращения 180об/мин набирается 1млн циклов изгиба!).
Шарниры Кардана и раззазоренные шлицевые (для возможности перекоса осей) также еще встречаются в патентной литературе, но все их преимущество перед остальными конструкциями — простота изготовления — нивелируется малой несущей способностью и ресурсом.
Наиболее широкое распространение на сегодняшний день получили шарниры с шариковыми и роликовыми подшипниками (сухарями). Встречаются даже двухрядные схемы размещения шариков в одной опоре, но при существующей схеме «шаровая опора внутри цилиндра» это действие может принести больше вреда, чем пользы: смещаются контактные точки и увеличиваются напряжения.
Основной недостаток данных конструкций: при наличии угла перегиба (для чего, в общем-то, и нужен шарнир) в любой интервал времени, крутящий момент передают только два противолежащих элемента-сухаря (шарика или ролика). Однако в отличие от сходного с ними шарнира Кардана, жесткость несущих валов выше и наличествует попеременная работа сухарей, что увеличивает срок службы. С другой стороны, в такой же степени увеличиваются требования к точности изготовления данных шарниров, и растет их стоимость.
Перед автором изобретения была поставлена задача создать шарнир забойного двигателя с высокой несущей способностью, длительным ресурсом, ремонтопригодный, технологически дешевый в изготовлении. Насколько удалось ему объединить зачастую эти противоположные качества, мы и увидим.
Поставленная цель достигается за счет того, что в шарнире забойного двигателя, содержащего корпус с продольными проточками, вал со сферической пятой-опорой и подпятником, и размещенными между корпусом и валом несущими элементами (сухарями), согласно изобретения, проточки в корпусе выполнены в виде частичных линейных или радиальных шпоночных пазов, несущие элементы выполнены в виде листовых шайб в общем случае, или с хотя бы одной выпуклой сферической поверхностью, и дополнительным отверстием, сквозным или глухим (выемкой), под эластомерную пружину; отверстие для заправки маслом с клапаном выполнено в центре (вдоль оси) вала, а в сферической головке вала выполнено поднутрение (для предотвращения контакта с увеличенным подпятником при качании вала) и в нем боковое отверстие для подвода масла.

Сущность изобретения шарнира забойного двигателя схематично поясняется на чертежах:
на Рис.2 представлен продольный разрез шарнира;
на Рис.3 представлен поперечный разрез шарнира по центру оси вращения шаровой опоры вала;
на Рис.1 представлен аксонометрический вид шарнира.

представлен продольный разрез шарнира 






Шарнир забойного двигателя состоит из корпуса шарнира 1, который с помощью резьбы (в данном случае ниппельной) крепится к валу шпиндельной опоры бурового забойного двигателя (БЗД) или его приводному элементу (на рисунках не показаны). В цилиндрическое отверстие корпуса 1 вставлена шаровая опора вала 2 со сферической головкой аналогичного диаметра. Другой конец вала 2 по конусной посадке и/или шлицевому соединению крепится к валу шпиндельной опоры бурового забойного двигателя (БЗД) или его приводному элементу. От выпадения из корпуса 1 вал 2 удерживает втулка-ограничитель 3, которая крепится к корпусу 1 винтом 4 с торцевыми прорезями, куда после завинчивания винта 5 зачеканивается кромка корпуса 1 для предотвращения откручивания в процессе эксплуатации. Эластомерные уплотнение 5 и чехол 6 предохраняют шарнир от попадания внутрь бурового раствора и утечки масла из шарнира для повышения его работоспособности.
Один конец эластомерного чехла 6 зажимается между втулкой-ограничителем 3 и винтом 4, а другой притягивается к валу 2 червячным (или аналогичным) хомутом 7. Осевое усилие от вала 2 на корпус 1 передается через сферические пяту 8 и подпятник 9, под который в валу 2 в сферической головке выполнено поднутрение Г.
Подпятник 9 удерживает от смещения заклепка-штифт 10. Заправку маслом осуществляют через отверстие в центре вала 2, которое затем герметизируется клапаном 11. Вращающий момент от вала 2 к корпусу 1 (и наоборот) передается через несущие элементы (сухари) 12 , которые размещены в цилиндрических лунках (глухих отверстиях) в валу 2 и в общем случае могут быть выполнены листовыми шайбами, но на чертежах показаны с выпуклой сферической поверхностью, которая контактирует с частичными шпоночными пазами корпуса 1.
При эксплуатации шарнира сухари 12 будут изнашиваться, как и контактирующие с ними поверхности корпуса 1 и вала 2, поэтому для сохранения контакта между сухарями 12 и корпусом 1 предусмотрены эластомерные пружины 13, которые будут перемещать сухари 12 в зону контакта.
Работа шарнира забойного двигателя основана на передаче вращающего момента от бурового забойного двигателя через шпиндельную опору на породоразрушающий инструмент. При этом ось вращения вала постоянно меняет свое положение вследствие применения механизма отклонения угла скважины (на рисунках не показан) и прецессии вращения вала героторного двигателя. Одновременно через шарнир проходит результирующее усилие от давления рабочей жидкости и веса колонны бурильных труб, приходящиеся на породоразрушающий инструмент.
Ввиду жестких габаритных ограничений увеличение наружного диаметра шарнира не представляется возможным и основным способом увеличения поперечного сечения корпуса 1 и вала 2 является уменьшение конструкционных вырезов в опасном сечении. С этим связан переход от шариков и роликов в противопоставляемых изобретению аналогах к листовым шайбам с возможной сферической поверхностью. Благодаря этому уменьшается глубина лунок в валу 2 и практически исключается основной недостаток прототипов, приводящий к преждевременному разрушению шарнира — расклинивающий эффект в контакте по боковым поверхностям корпуса 1 и вала 2 с несущими элементами в виде шариков и роликов.
Сухари 12 в виде листовых шайб в предлагаемой конструкции шарнира работают только на срез, и в валу 2 для них выполняют цилиндрические лунки с глубиной, близкой к половине толщины листовой шайбы 12. В корпусе 1 под оставшиеся ½ ...2/3 части сухарей 12 выполняют шпоночные пазы (по числу сухарей 12), линейные или радиальные, которые затем вскрывают цилиндрическим отверстием, равным по диаметру сферической головке вала 2, проходящим в общем случае через симметрично расположенные концентрические центры оконцовок шпоночных пазов. В результате в корпусе 1 получают продольные пазы в виде частичных шпоночных пазов, линейных или радиальных.
Различия между линейными и радиальными шпоночными пазами определяются в основном технологией их выполнения: концентрично оси корпуса 1 или тангенциально ей (с симметрией относительно центра паза). По прочностным и другим характеристикам они практически идентичны, так как основное усилие приходится на кромки пазов. Малая ширина шпоночного паза в корпусе 1 в совокупности с небольшой глубиной цилиндрической лунки в валу 2 под сухари 12 позволяют максимизировать диаметр вала 2 и шаровой головки на валу 2 с целью повысить максимальный крутящий момент, передаваемый шарниром.
Отверстие для заправки маслом в центре (вдоль оси) вала 2 позволяет отказаться от аналогичного отверстия в прототипах, выполненного сбоку в корпусе 1 шарнира. Это позволяет уменьшить линейные габариты корпуса 1 и устранить концентратор напряжений на его поверхности. Одновременно снижается вероятность разгерметизации клапана 11 из-за центробежных нагрузок при вращении шарнира. Отверстие в центре вала 2 в зоне нейтральной оси нагружения волокон, как известно из теории прочности, практически не ослабляет поперечного сечения.
При использовании сферической пяты 8 меньшего диаметра, чем сферическая головка вала 2 (для уменьшения габаритов корпуса 1) и равной ей по диаметру сферы подпятника 9 (для увеличения площади опоры и снижения износа) в сферической головке вала 2 выполняют поднутрение Г. С помощью него исключается контакт вала 2 с подпятником 9 при вращении (качании) вала 2 в шарнире.
Поднутрение Г находится вне зоны опасных нагрузок, поэтому ослабления сечения не произойдет. Дополнительное боковое отверстие в поднутрении Г для прохода масла может выполняться вместо осевого (на рисунках не показано) для снижения вероятности попадания абразива (грязи) в зону контакта сферической пяты 8 и подпятника 9 при заправке маслом внутренней полости шарнира и для облегчения данной заправки вязкими пластичными смазками.
Втулка-ограничитель 3 служит для обеспечения герметичности стыка в шарнире в совокупности с винтом 4 и чехлом 6 с одной стороны и корпусом 1, уплотнением 5 и винтом 4 — с другой, а так же для предотвращения самопроизвольного выхода из зацепления вала 2 из корпуса 1. Причем, втулка-ограничитель 3 не должна препятствовать свободному вращению (качанию) вала 2 в сферической опоре пяты 8 и подпятника 9.
Сухари 12 (как и подпятник 9) можно изготавливать как точением, так и вырубкой-формовкой в высокопроизводительных штампах из листа с хотя бы одной (наружной) полированной поверхностью. Причем, в последнем случае можно гораздо проще получить наружную сферическую форму нужного размера с высокой чистотой поверхности. Даже технологические утяжки кромок сухарей 12 при вырубке не будут являться дефектом (в этих местах как раз и предусмотрен радиусный переход между наружной сферической поверхностью и боковой цилиндрической).
При достаточной толщине сухаря 12 в нем выполняют выемку (глухое отверстие) для установки эластомерной пружины 13, которая отжимает сухарь 12 из лунки в валу 2 к корпусу 1. Этот вариант более предпочтителен, так как при износе наружной сферической поверхности сухаря 12, он будет постепенно выдвигаться из лунки на валу 2. Таким образом, в процессе эксплуатации в контакте между частичным шпоночным пазом (линейным или радиальным) корпуса 1 и сферической головкой вала 2 обеспечивается работа со свежей неизношенной боковой кромкой сухаря 12, чем снижаются люфт, биения и вибрации.
При плановом ремонте шарнира (если корпусные детали малоизношены) заменяют только сухари 12 и их эластомерные пружины 13, чем достигается высокая ремонтопригодность. И если шарнир сдвоенный (для обеспечения равного угла поворота), то корпуса 1 меняют местами для включения в работу противолежащих малоизношенных кромок частичных шпоночных пазов (линейных или радиальных) в корпусе 1 и в лунках вала 2.
Благодаря всем предлагаемым нововведениям удалось создать шарнир винтового забойного двигателя с высокой несущей способностью, длительным ресурсом, ремонтопригодный, технологически дешевый в изготовлении.
 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить