ШАРНИРНЫЙ ПЕРЕВОДНИК

Устройство относится к буровой технике и может быть использовано при бурении наклонно-направленных скважин и боковых стволов в качестве шарнирного соединения бурильной колонны или забойного двигателя.
Известно гибкое соединение - шарнирная муфта, включающая корпус, полый вал, ниппель со сферической опорной пятой, установленной в полости полумуфты между сферическими подпятниками, и уплотнительный элемент - герметизирующее кольцо, расположенное между полумуфтой и сферической пятой (авт. св. СССР №1070294 Е 21 В 7/08, 1984).
Недостатком известного устройства является ненадежность уплотнительного элемента, контактирующего со сферической поверхностью пяты, совершающей максимальные перемещения при работе устройства и частично контактирующей с ответными поверхностями подпятника. При работе устройства уплотнительный элемент испытывает максимальные деформации, понижающие надежность уплотнения. Кроме того, крутящий момент в данном устройстве передается с полумуфты на ниппель через кулачковую муфту, связанную с ниппелем по диаметру, меньшему, чем диаметр сферы ниппеля, что приводит к возникновению максимальных окружных сил в этом соединении.
Наиболее близким техническим решением из известных является шарнирный переводник (патент РФ №2192535, Е 21 В 7/08, 11.10.02),
включающий корпус и полый вал со сферической опорной пятой, снабженные контактирующими элементами для передачи крутящего момента, сферические подпятники и полый шток с уплотнительным элементом. Хвостовик полого штока с уплотнительным элементом размещены в расточке на концевой части полого вала, причем уплотнительный элемент располагается в плоскости, перпендикулярной к оси полого вала и проходящей через центр сферической поверхности опорной пяты. Контактирующие элементы для передачи крутящего момента выполнены в виде шлицевого соединения с эвольвентным профилем зубьев.
Недостатками известного устройства является:
- низкая несущая способность при передаче крутящего момента в шарнирном переводнике в результате возникновения высоких контактных напряжений на кромках зубьев при искривлении осей, а также высоких напряжений среза в шлицевом соединении при недостаточной толщине основания зубьев,
- невозможность увеличения угла преломления осей из-за выкрашивания кромок зубьев.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения надежности и увеличения несущей способности шлицевого соединения шарнирного переводника, а также увеличение допустимого угла преломления осей до 5°-6° (а, при необходимости, до 12°-15°).
Технический результат, получаемый от использования полезной модели, заключается в повышении надежности и увеличении срока службы шарнирного переводника, в увеличении его несущей способности при передаче
большого крутящего момента за счет увеличения изгибной прочности контактирующих элементов, а также в расширении технологических возможностей предлагаемой полезной модели по сравнению с прототипом.
Для этого в шарнирном переводнике, содержащем корпус и полый вал со сферической опорной пятой, снабженные контактирующими элементами для передачи крутящего момента, сферические подпятники и полый шток, установленные в корпусе, причем хвостовик полого штока с уплотнительным элементом размещен в расточке на концевой части полого вала, согласно заявляемого технического решения контактирующие элементы для передачи крутящего момента выполнены в виде шлицевого соединения с циклоидальным профилем зубьев, наружные зубья полого вала имеют бочкообразную форму, а внутренние зубья корпуса-прямые.
Выполнение контактирующих элементов полого вала в виде бочкообразных зубьев обеспечивает увеличение угла преломления осей в шарнирном переводнике до 5°-6° (а, при необходимости, до 12°-15°), то есть расширяет технологические возможности предлагаемого шарнирного переводника, а также приводит к уменьшению контактных напряжений на кромках зубьев при искривлении осей, к отсутствию выкрашивания кромок зубьев, а следовательно, к увеличению срока службы шарнирного переводника.
Применение циклоидального профиля зубьев обеспечивает передачу большого крутящего момента шарнирным переводником за счет большой изгибной прочности контактирующих элементов.
На фиг.1 изображен шарнирный переводник в продольном разрезе;
На фиг.2 изображен шарнирный переводник сечении А-А.
Шарнирный переводник, показанный на фиг.1, включает корпус 1 с прямыми внутренними зубьями «d» и полый вал 2 со сферической пятой «а» и расточкой «b» на концевой части. Кроме того, наружный диаметр полого вала 2 снабжен бочкообразными зубьями «с», находящимися в зацеплении с прямыми, внутренними зубьями «d» корпуса 1. В корпусе 1 установлены сферические подпятники 3 и 4, имеющие сферические поверхности «е», контактирующие со сферической пятой «а» полого вала 2. Полый шток 5 с уплотнительным кольцом 6 установлен в корпусе 1 и имеет хвостовик «g», размещенный в расточке «b» полого вала 2, причем уплотнительный элемент 7, установлен на хвостовике «g» полого штока 5 таким образом, что зона контакта уплотнительного элемента 7 с поверхностью расточки «Ь» находится в плоскости А-А, проходящей через центр сферической пяты «а» перпендикулярно оси шарнирного переводника.
Работа устройства происходит следующим образом: корпус 1 и полый вал 2 соединяются с элементами бурильной колонны, например с забойным двигателем и бурильной трубой. Двигатель под действием установленного на его корпус центратора или другого технологического элемента отклоняется от оси бурильной трубы. При этом сферическая пята «а» полого вала 2 поворачивается вокруг своего центра на угол, определяемый углом отклонения двигателя. Осевая нагрузка с бурильной колонны передается от полого вала 2 через сферическую пяту «а» на сферический подпятник 4, установленный в корпусе 1 и далее на забойный двигатель и долото. Промывочная жидкость
через центральное отверстие полого вала 2 через канал «i» полого штока 5 попадает в забойный двигатель. При этом уплотнительный элемент 7 препятствует утечке промывочной жидкости в затрубное пространство. Передача крутящего момента под углом преломления осей осуществляется через шлицевое соединение бочкообразных зубьев «с» полого вала 2, находящихся в зацеплении с прямыми, внутренними зубьями «d» корпуса 1.
Технико-экономическая эффективность от внедрения полезной модели заключается в снижении затрат за счет увеличения срока службы шарнирного переводника, а также за счет повышения производительности работы двигателя при увеличении допустимого крутящего момента, передаваемого шарнирным переводником.
Таким образом, предложенная полезная модель шарнирного переводника позволяет успешно использовать его для бурения вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин.