Устройство измерения крутящего момента роторной буровой установки

Полезная модель относится к буровой технике, а именно к устройствам проверки максимального крутящего момента, создаваемого приводом буровой установки.
Известен аналог – устройство измерения крутящего момента роторной буровой установки – RU183741, 27.07.2018, содержащее силоизмерительный датчик реактивного момента на столе ротора буровой установки, связанный со столом ротора, имеются соединенные между собой двухсторонняя проушина для жесткого крепления датчика к основанию буровой установки, тензометрический датчик силы с блоком электроники, талреп с воротком для натяжения цепи привода и двухстороннюю проушину для жесткого крепления к столу ротора буровой установки.
Устройство-аналог позволяет замерять крутящий момент буровой установки с приводом от роторного стола, который расположен внизу на поверхности земли. Такие буровые установки используют в основном при глубинном бурении нефтяных, геологоразведочных или артезианских скважин.
Недостатком аналога является невозможность использования устройства для измерения крутящего момента более мощных буровых установок, на которых для передачи момента применяется келли-штанга. Буровые установки вращательного бурения с келли-штангой применяют в строительстве для бурения скважин, для устройства буронабивных и прочих свай в основаниях фундаментов и прочих строительных конструкциях. Они требуют большей мощности привода.
Известен аналог – устройство измерения крутящего момента роторной буровой установки  – US20120103083, 2.11.2011, принятое в качестве прототипа, содержащее опору, зафиксированную от вращения, средство измерения силы, которое закреплено одним концом к опоре, а другим концом связано с ротором буровой установки, причем опора в виде кронштейна зафиксирована от вращения путем закрепления к плите, на которой стоит буровая установка, колонна буровой установки имеет два рычага, закрепленные к кронштейну через тензодатчики, кронштейн выполнен из двух плит, закрепленных друг к другу под углом 90 градусов.
Недостатком прототипа является невозможность измерения крутящего момента мощных буровых установок, то есть низкая степень унификации конструкции и технологии изготовления устройств измерения крутящего момента. Низкая степень унификации обусловлена следующими причинами. Для передачи крутящего момента на буровой инструмент на буровых установках, имеющих большую мощность, применяется келли-штанга, которая имеет наконечник с квадратным сечением. В прототипе отсутствует возможность присоединения келли-штанги. В более мощных установках либо отсутствует возможность фиксации плиты путем установки на нее буровой установки из-за отсутствия транспортных колес или гусениц для передвижения буровой установки, либо такая фиксация становится неэффективной по причине большой мощности привода вращательного движения – плита в таком случае будет проскальзывать. Опора в виде кронштейна, состоящего из двух закрепленных плит, является недостаточно жесткой и надежной в случае использования устройства для измерения момента буровых установок большой мощности.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в создании универсального устройства измерения крутящего момента буровых установок, позволяющего безопасно измерять крутящий момент, в том числе мощных буровых установок.
Технический результат достигается в устройстве измерения крутящего момента роторной буровой установки, содержащей опору, средство измерения силы, которое закреплено одним концом к опоре, имеется переходник с профильным отверстием для присоединения штанги привода буровой установки, переходник закреплен к опоре с возможностью вращения относительно неё и имеет две опорные точки, между опорными точками переходника к нему закреплен рычаг, к концу которого закреплено средство измерения силы, которое своим вторым концом закреплено к опоре, опора имеет элемент для присоединения тяги, предназначенной для фиксации устройства от вращения.
Опора может быть выполнена из двух плит, размещённых на расстоянии друг от друга, которые соединены обечайкой, сбоку к опоре приварена проушина для присоединения тяги в виде троса, предназначенного для фиксации устройства от вращения.
Переходник может иметь корпус с профильным отверстием, имеющим сечение квадрата для присоединения квадратного наконечника келли-штанги, фланец для опирания на опору, присоединенный перпендикулярно оси вращения переходника, ребра жесткости, соединенные с фланцем и корпусом переходника, в нижней части переходника расположен цилиндрический выступ, который сопряжен с отверстием втулки подшипника скольжения, закрепленной в опоре, с образованием одной из опорных точек переходника в опоре.
Рычаг может быть выполнен в виде плоской детали, имеющей большую ширину в месте присоединения к наконечнику и меньшую ширину в месте соединения с средством измерения силы.
В качестве средства измерения силы может быть применен тензометрический датчик измерения нагрузки на растяжение и сжатие.
На фиг.1 изображен общий вид устройства измерения крутящего момента роторной буровой установки.
На фиг.2 изображено поперечное сечение устройства измерения крутящего момента роторной буровой установки.
На фиг.3 изображен вид сверху устройства измерения крутящего момента роторной буровой установки.
На фиг.4 изображен пример применения устройства измерения крутящего момента роторной буровой установки.
Устройство измерения крутящего момента роторной буровой установки содержит опору 1, как показано на фиг.1, средство измерения силы, которое закреплено одним концом к опоре, а другим концом связано с ротором буровой установки, имеется переходник 2 с профильным отверстием 3 для присоединения штанги привода буровой установки, переходник 2 закреплен к опоре 1 с возможностью вращения относительно неё и имеет две опорные точки 4, 5, как показано на фиг.2, между опорными точками 4, 5 переходника 2 внутри опоры 1 к нему закреплен рычаг 6, к концу 7 которого закреплено средство 8 измерения силы, как показано на фиг.3, которое своим вторым концом 9 закреплено к опоре 1, опора 1 имеет элемент 10 для присоединения тяги, предназначенной для фиксации устройства от вращения.
Рассмотрим пример конкретной реализации устройства измерения крутящего момента роторной буровой установки. Техническое решение не ограничивается приведенным ниже примером реализации, пример предоставлен лишь для доказательства промышленной реализуемости устройства.
Опора 1 и переходник 2 изготовлены из листовой стали толщиной 10 мм, рычаг 6 изготовлен из стали толщиной 40мм. Опора 1 выполнена из двух плит 11 в виде круглых дисков, размещённых на расстоянии друг от друга, как показано на фиг.2, между которых размещена обечайка 12, перечисленные детали соединены сваркой. Опора 1 может быть изготовлена из профильного или трубного проката в виде пространственной рамы. Сбоку к опоре 1 по касательной к направлению ее возможного вращения относительно оси вращения переходника и привода буровой установки от передаваемого момента вращения, приварена проушина 13 для присоединения тяги в виде троса или цепи, предназначенного для фиксации устройства от вращения. Тяга – элемент, который работает на растяжение, что важно для измерения крутящего момента мощных буровых установок. В качестве тяги может выступать цепь или трос. Переходник 2 состоит из корпуса 14 с профильным отверстием 3, который собран из пяти прямоугольных пластин из листовой стали сваркой. Профильное отверстие 3 имеет сечение квадрата, как показано на фиг.3, для присоединения квадратного наконечника келли-штанги. Применение переходника 2 с квадратным профильным отверстием 3 позволяет измерять крутящий момент различных буровых установок. Возможность присоединения келли-штанги обеспечивает возможность измерения крутящего момента мощных буровых установок, так как на них применяется в качестве передающего момент элемента келли-штанга. Переходник 2 имеет фланец 15 для опирания на опору 1, присоединенный перпендикулярно оси 16 вращения переходника 2, а также ребра жесткости 17, соединенные с фланцем 15 и корпусом 14 переходника 2. В нижней части переходника 2 расположен цилиндрический выступ 18 в виде валика, который сопряжен с отверстием втулки 19 подшипника скольжения, закрепленной в опоре 1, с образованием первой опорной точки 5 переходника 2 в опоре 1, как показано на фиг.2. Рычаг 6 выполнен в виде плоской детали, он имеет большую ширину 20 в месте присоединения к наконечнику 2 и меньшую 21 ширину в месте соединения с средством измерения силы 8. Рычаг 6 закреплен к подшипнику 22, как показано на фиг.2. К переходнику 2 приварен фланец 23, через который переходник 2 жестко соединен с рычагом 6 и с подшипником 22. Благодаря этому переходник 2 имеет вторую опорную точку 5 в опоре 1, этой опорной точкой является подшипник 22. Переходник 2 может быть напрямую закреплен к подшипнику 22. Базирование переходника 2 на двух опорных точках 4 и 5 на опоре 1 и расположение рычага 6 между указанными опорными точками обеспечивает наиболее рациональное распределение напряжений в переходнике 2 и опоре 1 от создаваемого буровой установкой крутящего момента, что является важным при измерении крутящего момента мощных буровых установок. В качестве средства измерения силы 8 применен тензометрический датчик измерения нагрузки на растяжение и сжатие. Его конец 24 с проушиной закреплен осью 25 с возможность поворота к концу 7 рычага 6. Другой конец 9 с проушиной закреплен аналогичным образом к опоре 1. Размещение тензометрического датчика 8 между двумя плитами 11 защищает его от возможного негативного воздействия на площадке бурения, такого как удары инструментом или камнями, а также от загрязнений. Наличие проушины 13 обеспечивает возможность зацепления устройства тросом или цепью за буровую установку или внешний неподвижный объект для надежной фиксации устройства от вращения, что необходимо для измерения крутящего момента мощных буровых установок. При таком методе фиксации не применяются элементы, подверженные изгибу, как в прототипе, а тяга работает только на растяжение, поэтому конструкция выдерживает значительно большие нагрузки.  Элементом 10 для присоединения тяги является отверстие, хотя им может быть штырь или другой конструктивный элемент, позволяющий зацепить трос или цепь. Указанная конструкция обеспечивает экономию материала и низкий вес за счет рационального распределения напряжений от нагрузки, что является дополнительным преимуществом.
Рассмотрим пример работы устройства измерения крутящего момента роторной буровой установки.
Устройство 26 устанавливают на поверхность земли 27 перед буровой установкой 28, как показано на фиг.4. Посредством келли-штанги 29 наконечник 2 соединяют с приводом 30 буровой установки 28.  Устройство 26 фиксируют от поворота цепью 31, зацепляя один конец цепи за отверстие 10 проушины 13, а второй за буровую установку 28. Келли штангу фиксируют пальцем, который устанавливают в отверстие 32 (фиг.2). Оператор буровой установки включает привод 30 бура. Момент вращения от привода 30 через келли-штангу 29 и наконечник 2 передают на рычаг 6. На рычаге 6 момент вращения преобразуют в усилие растяжения тензодатчика 8, сигнал с которого трансформируют в значение усилия. Получаемое усилие пересчитывают в значение крутящего момента, зная размер плеча – размера от оси вращения 16 до конца 7 рычага 6.