УСТРОЙСТВО ШАРНИРНОЕ

Изобретение относится к технике строительства скважин, а именно, к шарнирным устройствам винтовых героторных гидромашин (винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин и винтовых насосов для перекачивания жидкости).
Известно устройство, которое описано в справочнике «Планетарные передачи» под редакцией д.т.н. В.Н.Кудрявцева, «Машиностроение», 1977 г. Оно включает зубчатую муфту с прямолинейной образующей зубьев и вал с бочкообразными зубьями, имеющими эвольвентный профиль с углом профиля 20°-30°. Осевая нагрузка передается через сферическую опору на торце вала и сферический подпятник внутри муфты. Это устройство позволяет осуществлять передачу крутящего момента под углом между осями муфты и вала, у которых в контакте почти одновременно находятся все зубья. Бочкообразные зубья позволяют избежать кромочного контакта. Бочкообразная форма зубьев получается за счет радиального смещения исходного контура при обработке венца вала червячной фрезой по копиру.
Такое устройство имеет ряд недостатков, а именно:
- оно предназначено для конструкций соединительных зубчатых муфт плавающих звеньев в планетарных передачах с параллельными осями звеньев, и не позволяет передавать крутящий момент под углом преломления осей устройства более 1° из-за контактных напряжений, превышающих предельно допустимое значение,
- толщина ножки эвольвентных зубьев при угле профиля 20° недостаточна при передаче больших крутящих моментов, действующих на зубья соединения, то есть существует вероятность их среза,
- вследствие малой толщины и высоты эвольвентных зубьев при термообработке происходит их прокаливание на всю глубину, поэтому отсутствие вязкой сердцевины приводит к их хрупкости и плохой работе зуба на изгиб и на срез,
- при угле профиля 30° толщина ножки увеличивается, но при этом высота зуба уменьшается приблизительно в два раза, что уменьшает площадь пятна контакта и приводит к увеличению напряжений смятия.
1
Аналогом также может быть известное шарнирное устройство, (RU 34195 от 11.04.2003 г., U1, МПК: 7 Е21В 4/00, F16D 31/22), которое в настоящее время наиболее часто применяется в винтовых забойных двигателях. Известное шарнирное устройство представляет собой карданный вал, который состоит из двух шарниров, жестко соединенных между собой. Каждый из шарниров содержит корпус с внутренними продольными цилиндрическими канавками, параллельными к оси корпуса, вал с наружными продольными цилиндрическими канавками, параллельными к оси вала, тела качения в виде роликов бочкообразной формы, имеющие кривизну в продольном сечении R≥(r+R) и длину L>2r, размещенные одновременно в продольных канавках вала и корпуса и передающие крутящий момент с вала на корпус. Осевая нагрузка передается через сферическую опору на торце вала и сферический подпятник, помещенный в центральное отверстие корпуса. При этом центр сферической опоры вала лежит в плоскости поперечного сечения шарнирного устройства, проходящей по среднему сечению бочкообразных роликов. Внутренняя полость между корпусом и валом шарнира заполнена смазкой и защищена от агрессивной среды уплотнением типа манжеты, выполненной из эластичного материала, закрепленной в корпусе и на валу шарнира.
Продольные канавки в корпусе и на валу выполняются на координатно-расточном станке, путем сверления по делительной головке равнорасположенных относительно оси детали отверстий с последующей
обточкой вала по наружному диаметру, либо расточкой центрального отверстия корпуса до диаметра, проходящего через оси продольных канавок.
Такое шарнирное устройство также имеет ряд существенных недостатков, а именно:
- смятие поверхностей в канавах корпуса и вала, разрушение стенок между продольными канавками, износ и разрушение роликов из-за возможности их заклинивания, происходящие в процессе работы шарнира, уменьшающие срок его службы,
- необходимость обеспечения точного позиционного допуска продольных канавок относительно осей корпуса и вала, сложность изготовления роликов, обуславливающие высокую трудоемкость изготовления, а, следовательно, и себестоимость шарнира,
- нетехнологичность выполнения продольных канавок в корпусе и на валу, вследствие большого отхода металла в стружку из-за необходимости предварительного сверления отверстий и последующей обточки для их вскрытия, также обуславливающие высокую себестоимость шарнира,
- невозможность применения конструкции такого типа в малогабаритных двигателях из-за сложности изготовления продольных канавок на валу и в корпусе малых размеров, а также снижения прочности и надежности работы такого шарнира,
- невозможность размещения в шарнире количества роликов более шести, приводящее к высоким контактным напряжениям и разрушению шарнира, уменьшающее срок его службы,
- сложность сборки, обусловленная многодетальностью конструкции и большим весом собранного шарнира (при большом габарите двигателя) увеличивающие трудоемкость сборочных работ двигателя.
Перечисленные недостатки выше приведенных аналогов устранены в известном шарнирном устройстве (RU 2235228 от 11.09.2002 г., С2, МПК:
7 F16D 3/18), которое является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и выбрано в качестве прототипа. Оно представляет собой карданный вал, состоящий из двух зубчатых шарниров, жестко соединенных между собой. Каждый зубчатый шарнир включает в себя зубчатую муфту с прямыми зубьями, имеющими циклоидальный профиль, в центральном отверстии муфты установлен сферический подпятник, вал с зубчатым венцом, имеющим зубья бочкообразной формы в продольном сечении. Передача крутящего момента обеспечивается посредством шлицевого соединения прямых зубьев муфты и бочкообразных зубьев вала. Торец вала снабжен сферической опорной поверхностью, взаимодействующей со сферической поверхностью подпятника при передаче осевой нагрузки. Для уменьшения трения взаимодействующих поверхностей шарнирного соединения внутренняя полость шарнира заполняется смазкой. Конструкция шарнирного устройства, работающая в агрессивной среде, так же, как и предыдущая конструкция, защищена при помощи уплотнения, например манжеты, закрепленной посредством хомута на валу и посредством ниппеля в муфте.
Недостатками такого устройства является:
- сложность сборки шарниров в крупногабаритном двигателе из-за их большого веса,
- ограничение передаваемого крутящего момента размером максимального диаметра зубчатого венца вала в горловом сечении из-за невозможности надевания уплотняющей манжеты иначе, чем через зубчатый венец вала.
Предлагаемым изобретением решается задача облегчения процесса сборки, повышение максимального, передаваемого крутящего момента, и повышение плавности работы шарнира.
Технический результат предлагаемого шарнирного устройства, состоящего из двух зубчатых шарниров, каждый из которых содержит корпус с прямыми внутренними зубьями, установленный в нем подпятник со сферическим дном, вал с зубчатым венцом, имеющим бочкообразные зубья в продольном сечении вала, и упорной сферической поверхностью, взаимодействующей со сферическим дном подпятника, и уплотнительный элемент, предохраняющий внутреннюю полость шарнира от агрессивной среды, согласно изобретения валы в верхнем и нижнем шарнирах выполнены одинаково короткими по длине и жестко соединены между собой посредством штанги, причем соединение валов со штангой выполнено по конусу.
Кроме того, соединение валов со штангой выполнено по резьбе.
Кроме того, зубчатые шарниры выполнены с эвольвентным профилем.
В предлагаемом устройстве:
- облегчается процесс сборки-разборки шарниров в крупногабаритных двигателях за счет укорочения длины валов в шарнирах и за счет уменьшения количества деталей в конструкции,
- возможность надевания уплотняющей манжеты через хвостовую часть вала позволяет увеличить передаваемый крутящий момент за счет увеличения диаметра зубчатого венца, что также повышает количество зубьев, находящихся в одновременном контакте, то есть плавность работы шарнирного устройства,
- повышается контактная прочность зубчатого венца.
Таким образом, технологические возможности предлагаемого шарнирного устройства по сравнению с прототипом расширяются.
Изобретение поясняется Фиг.1-Фиг.5.
На Фиг.1 показан общий вид зубчатого шарнира в продольном разрезе.
Зубчатый шарнир включает корпус 1 с прямыми внутренними зубьями «d» и вал 2 со сферической пятой «а», и конусом Морзе «b» на концевой части.
Кроме того, наружный диаметр вала 2 снабжен бочкообразными зубьями «с», находящимися в зацеплении с прямыми, внутренними зубьями «d» корпуса 1. В корпусе 1 установлен подпятник со сферическим дном 3, который имеет сферическую поверхность «е», контактирующую со сферической пятой «а» вала 2. На концевой части вала 2 с одновременным размещением в расточке ниппеля 5 надет и закреплен на валу посредством хомута 6 уплотнительный элемент 4.
На Фиг.2 и Фиг.3 показан поперечный разрез зубчатого шарнира в горловом сечении А-А: с циклоидальным профилем (Фиг.2) и с эвольвентным профилем (Фиг.3) вала с зубчатым венцом.
На Фиг.4 показано устройство шарнирное с конусным соединением валов со штангой, а на Фиг.5 - вариант шарнирного устройства с резьбовым соединением валов со штангой.
На Фиг.4 и Фиг.5 показано устройство шарнирное, состоящее из одинаковых верхнего 8 и нижнего 9 зубчатых шарниров (общий вид) и штанги 7. Применение его позволяет двукратно увеличить угол преломления осей и осуществить передачу крутящего момента между несоосными валами.
Работа устройства шарнирного происходит следующим образом:
Крутящий момент от ротора ВЗД передается на корпус 1 шарнирного устройства, от него на вал 2 через зубья «с» и «d» (Фиг.1). При постоянном изменении угла преломления осей между корпусом и валом происходит перемещение точек контакта зубьев вдоль осей вала и корпуса. Бочкообразная форма зубьев вала обеспечивает постоянный контакт всех зубьев венца, плавность работы шарнирного устройства.
Осевая нагрузка передается от ротора, соединенного с корпусом верхнего шарнира через подпятник на упорную сферическую поверхность вала верхнего шарнира, затем через штангу на вал нижнего шарнира, а от него
через подпятник на корпус нижнего шарнира, соединенный с валом шпиндельной секции.
Технико-экономическая эффективность от внедрения изобретения заключается в снижении затрат за счет облегчения процесса сборки- разборки шарнирного устройства, а также за счет повышения производительности работы двигателя при увеличении допустимого крутящего момента, передаваемого шарнирным устройством, повышения ресурса работы при повышении надежности уплотнения шарнира.
Таким образом, предлагаемое шарнирное устройство позволяет успешно использовать его для бурения вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин.