ДВУХШАРНИРНЫЙ КАРДАННЫЙ ВАЛ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ
TWO-JOINT DRIVE SHAFT OF BOTTOMHOLE MOTOR

Изобретение относится к комплектующим узлам забойных двигателей для бурения глубоких скважин, а именно к карданным валам.
Известен двухшарнирный карданный вал, соединяющий несоосные между собой ведомый и ведущий валы винтового насоса (см. Винтовые насосы в угольной промышленности, К.С.Осипов, Я.С.Хейфец, Углеиздат, 1957, стр.42, рис.31), включающий ведомый и ведущий шарниры (муфты), каждый из которых содержит корпус и полувал (цилиндрический стержень) с шаровой головкой на конце, упирающейся в сферическую поверхность полости корпуса шарнира (муфты). Крутящий момент в каждом шарнире передается посредством двух шариков, расположенных в лунках (гнездах) шаровых головок и пазах корпуса шарнира. Полувалы (цилиндрические стержни) ведомого и ведущего шарнира соединены (жестко скреплены) между собой резьбовой муфтой. Для сохранения смазки, находящейся внутри шарниров (муфт), и защиты от грязи и воды полости шарнирных сочленений закрыты резиновыми чехлами (Прототип).
Известен также ряд двухшарнирных карданных валов забойных двигателей (см. например патент США №4.772.246 от 20.09.1988, патент США №4.904.228 от 27.02.1990, рис.7).
Все эти двухшарнирные карданные валы имеют зеркально-симметричное расположение ведущего и ведомого шарниров (симметрия I рода, см. справочник по математике Бронштейн И.Н. и др.). Такое расположение, очевидно, представляется естественным, ставящим шарниры в одинаковые условия работы и неизменно используется во всех известных конструкциях. Однако при анализе становится очевидным, что такое расположение шарниров карданного вала забойного двигателя ставит их в неравные кинематические и гидравлические условия. Практика эксплуатации карданных валов показала, что при зеркально-симметричном расположении шарниров, во избежание ослабления и развинчивания, резьбовое соединение между корпусом ведомого шарнира и гайкой корпуса должно иметь левую нарезку, в то время как ведущего шарнира - правую нарезку, то есть эти резьбовые соединения должны быть также зеркально-симметричными, что приводит к невзаимозаменяемости ведущего и ведомого шарниров карданного вала, а как следствие, к увеличению количества оригинальных деталей в нем и усложнению технологии сборки карданного вала. Кроме того, имеет место неравностойкость гибких чехлов ведущего и ведомого шарниров из-за различного их обтекания промывочной жидкостью. Так, в результате атаки потоком жидкости гибкого чехла ведомого шарнира нарушается его прочность, что приводит к снижению моторесурса карданного вала в целом.
Изобретение направленно на устранение указанных недостатков. Это достигается тем, что в двухшарнирном карданном валу забойного двигателя, соединяющем несоосные между собой ротор и шпиндельный вал двигателя, включающем ведущий и ведомый шарниры, каждый из которых содержит корпус и полувал, фиксированные от взаимного проворота с возможностью перекоса их осей телами качения, расположенными в пазах и лунках соответственно корпуса и полувала, упорный подшипник скольжения, содержащий закрепленный в углублении корпуса подпятник и упор полувала, контактирующие поверхности скольжения которых выполнены как фрагменты сферы, центр которой расположен в плоскости центров тел качения, гибкий (эластичный) чехол, отграничивающий совместно с гайкой корпуса маслонаполненную полость шарнира, резьбу на корпусе ведущего шарнира для соосного присоединения к ротору двигателя, резьбу для присоединения к шпиндельному валу, полувал ведущего шарнира жестко скреплен с корпусом ведомого шарнира, полувал ведомого шарнира является выходным элементом кардана и снабжен резьбой для соосного присоединения к шпиндельному валу, причем в обоих шарнирах упорный подшипник скольжения занимает положение выше плоскости центров тел качения.
Таким путем достигается унификация ведущего и ведомого шарниров, в том числе в части выполнения соединения гаек и корпусов с однонаправленными резьбами, совпадающими с направлением вращения шпиндельного вала двигателя.
Полная унификация ведущего и ведомого шарниров обеспечивается выполнением полувала ведущего шарнира из двух частей: верхней - полувала, идентичного полувалу ведомого шарнира, и нижней - удлинительного вала.
Кроме того, в каждом шарнире предлагаемого карданного вала выполнен дополнительный упорный подшипник скольжения, расположенный ниже плоскости центров тел качения, контактирующие поверхности его упора и подпятника выполнены как фрагменты сферы, радиус которой больше радиуса сферических поверхностей вышележащего упорного подшипника скольжения, а центры сфер обоих подшипников скольжения совпадают, причем подпятник дополнительного подшипника скольжения закреплен в корпусе каждого шарнира гайкой корпуса, а упор выполнен на полувалу. Кроме того, на контактирующих поверхностях дополнительного упорного подшипника скольжения выполнено уплотнение, а маслонаполненная полость шарнира между упорным и дополнительным упорным подшипниками скольжения снабжена разделительным подвижным элементом, например мембраной или лубрикатором, выравнивающим гидравлическое давление в этой полости с давлением снаружи нее.
На фиг.1 показан продольный разрез варианта предлагаемого карданного вала согласно изобретению.
На фиг.2 показан шарнир кардана, в котором выполнен дополнительный упорный подшипник скольжения.
На фиг.3 изображен шарнир, в котором на контактирующих поверхностях дополнительного упорного подшипника скольжения выполнено уплотнение.
Карданный вал содержит ведущий шарнир 1 (фиг.1) и ведомый шарнир 2, каждый из которых содержит корпус и полувал, а именно корпус 3а ведущего шарнира 1, полувал 4а ведущего шарнира 1, корпус 3б ведомого шарнира 2, полувал 4б ведомого шарнира 2. Корпуса и полувалы шарниров 1 и 2 фиксированы от взаимного проворота с возможностью перекоса их осей телами качения 5, расположенными в пазах 6 и лунках 7 соответственно корпусов 3а, 3б и полувалов 4а, 4б. Телами качения могут быть шары, цилиндрические и бочкообразные ролики. В ведущем шарнире 1 и ведомом шарнире 2 выполнены упорные подшипники скольжения, содержащие закрепленные в углублении корпусов подпятники 8 и кинематически жестко скрепленные с полувалами 4а и 4б упоры 9. Под обобщенным признаком «кинематически жестко скрепленные» понимается, что упоры 9 жестко закреплены, например, на посадке с натягом на полувалах или выполнены заодно с полувалами. Рабочие поверхности скольжения 10 подпятников 8 и рабочие поверхности скольжения 11 упоров 9, контактирующие между собой, в обоих шарнирах - 1 и 2 выполнены как фрагменты сферы, например как сферическая лунка на подпятнике и шаровой сегмент на упоре. Центр 12 этих сфер находится в плоскости 13 центров 14 тел качения 5. Каждый шарнир 1 и 2 имеет замкнутую маслонаполненную полость 15, защищенную от окружающего их потока бурового раствора уплотнением, например гибким чехлом 16, закрепленным в корпусе гайкой корпуса 17, и на полувалу хомутом 18. Возможно применение других конструкций известных уплотнений. К корпусу 3а ведущего шарнира 1 кинематически жестко прикреплена (выполнена заодно или, например, соединена промежуточной резьбой) резьба 19 для соосного присоединения к ротору двигателя или к промежуточному элементу трансмиссии (на фигуре 1 не показаны). Как элемент конструкции, имеется также резьба 28 для соосного присоединения к валу шпинделя. Выполнение ее на ведомом полувалу 4б является отличительным признаком конструкции. Также отличительным конструктивным признаком является то, что полувал 4а ведущего шарнира 1 кинематически жестко скреплен с корпусом 3б ведомого шарнира 2. Отсюда следует, что основным отличительным признаком является однонаправленное последовательное расположение ведущего и ведомого шарниров, то есть детали в ведущем 1 и ведомом 2 шарнирах имеют одинаковое пространственное расположение и последовательность, при этом в обоих шарнирах упорный подшипник занимает положение выше плоскости 13 тел качения 5.
На фиг.2 показан вариант шарнира карданного вала, в котором выполнен дополнительный упорный подшипник скольжения, содержащий подпятник 21 и упор 22. Причем основной и дополнительный упорные подшипники скольжения расположены по разные стороны относительно плоскости центров 13 тел качения 5. Контактирующие поверхности подпятника 21 и упора 22 дополнительного подшипника скольжения выполнены как фрагменты сферы 29, радиус которой больше радиуса сферических поверхностей 30 основного упорного подшипника скольжения, а центры сфер обоих подшипников скольжения совпадают, причем подпятник 21 дополнительного упорного подшипника скольжения закреплен в корпусе каждого шарнира, например, гайкой корпуса 17, а упор 22 кинематически жестко выполнен на полувалу 4.
На фиг.3 изображен шарнир, в котором на контактирующих поверхностях дополнительного упорного подшипника скольжения выполнено уплотнение 23, например, в виде резинового кольца 31, расположенного в канавке, выполненной в упоре 22. Маслонаполненная полость 15 шарнира между основным и дополнительным упорными подшипниками скольжения снабжена разделительным подвижным элементом 32, например лубрикатором, выравнивающим гидравлическое давление в этой полости с давлением снаружи нее.
Преимущества и особенности работы двухшарнирного карданного вала согласно изобретению предопределены однонаправленным последовательным расположением ведущего 1 и ведомого 2 шарниров. А именно, кинематика работы обоих шарниров в предлагаемом карданном вале идентична, в отличие от варианта с зеркально-симметрично расположенными шарнирами.
В кардане с зеркально-симметричным расположением шарниров резьбовые соединения между корпусом и гайкой корпуса в ведущем и ведомом шарнирах, во избежание отворота одного из резьбовых соединений, выполняются разнонаправленными, например, при вращении ротора по часовой стрелке, на гайке корпуса и корпусе ведущего шарнира выполняется правая резьба, а на гайке корпуса и корпусе ведомого - левая. Это вызвано взаимодействием тел качения с гайкой корпуса.
При однонаправленном последовательном расположении шарниров 1 и 2 указанные резьбовые соединения 25 и 26 между корпусами 3а и 3б ведущего и ведомого шарниров 1 и 2 и их гайками 17 (фиг.1) оба работают «на заворот», если направление их винтовой нарезки совпадает с направлением вращения шпиндельного вала, что позволяет унифицировать ведущий и ведомый шарниры и карданный вал в целом.
Кроме того, в двухшарнирном карданном вале с зеркально-симметричным расположением шарниров надежность эластичного чехла ведомого шарнира значительно ниже, чем ведущего шарнира, вследствие различного их взаимодействия с потоком промывочной жидкости. Так, если эластичный чехол ведущего шарнира защищен от прямого воздействия потока промывочной жидкости, содержащей твердые частицы, корпусом, то в расположенном зеркально-симметрично ведомом шарнире эластичный чехол подвергается атаке промывочной жидкостью. Меньшая стойкость эластичного чехла ведомого шарнира приводит к снижению моторесурса карданного вала в целом.
В предлагаемом кардане с однонаправленным последовательным расположением шарниров 1 и 2 оба гибких чехла 16 защищены корпусами 3а и 3б шарниров от атаки потоком жидкости, направление которого указано стрелкой 27.
При этом возможно унифицировать корпусы 3а и 3б и другие элементы шарниров.
Настоящее изобретение позволяет упростить конструкцию карданного вала, максимально унифицировать детали и повысить его моторесурс и ремонтопригодность.