КАРДАННЫЙ ВАЛ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ РОТОРА ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНОЙ ГИДРОМАШИНЫ СО ШПИНДЕЛЕМ

Предлагаемая полезная модель относится к области буровой техники и может быть использована в винтовых героторных гидромашинах для бурения нефтяных и газовых скважин.
Известен универсальный карданный вал забойного двигателя (US 5267905, F16D 3/221, 1993.12.07), содержащий центральный вал и два корпуса, каждый из которых взаимодействует с центральным валом посредством ряда шариков, расположенных одновременно в продольных полуцилиндрических пазах корпусов и полусферических гнездах по краям центрального вала, а также содержащий узел уплотнения и подпятник в виде шарика, расположенного в гнездах, имеющихся на торцах корпуса и центрального вала.
Недостатком известного универсального карданного вала забойного двигателя, включающего два шарнирных механизма, соединяющих ротор и выходной вал шпинделя, является недостаточная их надежность и ресурс при передаче радиальных нагрузок в связи с тем, что при круговом отклонении центрального вала на острый угол относительно корпуса шарики контактируют с продольными полуцилиндрическими пазами корпуса поочередно и, следовательно, прерывисто, так как секущая плоскость, проходящая через центры шариков, установленных в полусферических гнездах центрального вала, находится под острым углом к секущей плоскости, перпендикулярной оси корпуса, поэтому при работе происходит кромочный контакт отдельных шариков с корпусом со скольжением и, следовательно, шарнирные механизмы, испытывая повышенную нагрузку, ускоренно изнашиваются и преждевременно приходят в негодность.
Таким образом, при передаче повышенных радиальных нагрузок и кромочном контакте отдельных шариков с продольным полуцилиндрическим пазом корпуса и краем полусферического гнезда центрального вала в случае углового перекоса шарнирного механизма возникают предельные контактные напряжения, следовательно, происходит неполное использование возможности повышения его работоспособности путем уменьшения контактных напряжений и повышения равномерности контактных напряжений в шарнирных механизмах.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем (RU 2285781, Е21В 4/02, 2006.10.20 - прототип), содержащий центральный вал и два корпуса, каждый из которых охватывает край центрального вала, а между каждым корпусом и краем центрального вала размещен ряд шаров, установленных одной стороной в полусферических гнездах центрального вала, а другой стороной в продольных полуцилиндрических пазах корпусов, образуя шарнирный механизм, причем хотя бы один из шарнирных механизмов может быть выполнен с двухрядным расположением шариков на крае центрального вала, с заданным расстоянием между этими рядами и числом шариков таким же, как у однорядного шарнира. Кроме того, глубина полусферических гнезд центрального вала и продольных полуцилиндрических пазов корпусов, а также их диаметральные размеры связаны определенными соотношениями с диаметром шариков.
Недостатком прототипа является неполное использование возможности повышения его надежности и ресурса за счет уменьшения контактных напряжений, повышения равномерности контактных напряжений в шарнирных механизмах.
При передаче радиальных нагрузок с двухрядным расположением шариков в полусферических гнездах центрального вала и кромочном контакте отдельных шариков каждого ряда с продольными полуцилиндрическими пазами корпуса и полусферическим гнездом центрального вала шарнирного механизма возникают предельные контактные напряжения при недостаточной площади взаимодействия шариков с корпусами шарнирных механизмов. Кроме того, при двухрядном расположении шариков с повышенными зазорами в полусферических гнездах центрального вала и продольных полуцилиндрических пазах каждого корпуса в шарнирных механизмах, при работе возникают ударные нагрузки, так как происходит поочередный контакт меньшего количества шариков с корпусом распределенных в двух секущих плоскостях с окружным смещением шариков по полусферическим гнездам центрального вала. Это приводит к повышенному износу и разрушению продольных полуцилиндрических пазов корпуса и выходу из строя шарнирных механизмов.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является устранение имеющихся недостатков известного карданного вала для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем и снижение контактных напряжений во взаимодействующих деталях, по существу - в повышении равномерности контактных напряжений во всех деталях шарнирного узла за счет выполнения на торцах продольных полуцилиндрических пазов каждого корпуса вогнутых сферических или конусных поверхностей, на которые будут опираться шарики, расположенные в полусферических гнездах по краям центрального вала, что позволяет предотвратить преждевременный износ корпуса, центрального вала и шариков, обеспечив сохранение работоспособного состояния карданного вала на более длительный период и, в конечном счете, повышение надежности и долговечности карданного вала.
Другой задачей предлагаемой полезной модели является применение карданного вала для соединения ротора со шпинделем в винтовых героторных гидромашинах малого диаметра.
Поставленная задача решается за счет того, что известный карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем, содержащий центральный вал с установленными на его краях корпусами, каждый из которых взаимодействует с центральным валом посредством ряда шариков, расположенных одновременно в продольных полуцилиндрических пазах корпусов и полусферических гнездах по краям центрального вала, а также расположенных в полости каждого корпуса упора, манжеты и резьбового ниппеля, при этом торцы центрального вала опираются на подпятники, установленные внутри корпусов, согласно полезной модели на центральном валу с упором в буртик установлена обойма, на которой выполнена торообразная дорожка для взаимодействия с шариками, установленными в полусферических гнездах по краю центрального вала, а торцы продольных полуцилиндрических пазов на каждом корпусе выполнены с вогнутыми сферическими или конусными поверхностями, на которые опираются шарики, расположенные в полусферических гнездах по краям центрального вала, причем вогнутая сферическая или конусная поверхность сопряжена с продольным полуцилиндрическим пазом, а их оси совмещены в каждом корпусе, кроме того, торец подпятника выполнен плоским, а торец центрального вала выполнен выпуклым с радиусом сферы
R=0,5(L+D),
где L - длина между центрами полусферических гнезд центрального вала;
D - диаметр по центрам полусферических гнезд центрального вала.
В предлагаемом карданном вале для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем в связи с установкой на центральном валу с упором в буртик обоймы, на которой выполнена торообразная дорожка для взаимодействия с шариками, установленными в полусферических гнездах центрального вала, выполнением торцов продольных полуцилиндрических пазов на каждом корпусе с вогнутыми сферическими или конусными поверхностями, на которые опираются шарики, расположенные в полусферических гнездах по краям центрального вала, сопряжением вогнутой сферической или конусной поверхности с продольным полуцилиндрическим пазом, совмещением их осей в каждом корпусе, выполнением торца подпятника плоским, выполнением торца центрального вала выпуклым с радиусом сферы R=0,5(L+D), создана новая совокупность признаков, позволяющая получить по сравнению с прототипом новый технический результат - снижение контактных напряжений и предотвращение преждевременного истирания, износа или разрушения шарнирных механизмов карданного вала, снижение возможности жестких соударений, повышение равномерности распределения контактных напряжений, повышение надежности.
На фиг.1 изображен карданный вал с резьбами на его краях для соединения с ротором винтовой героторной гидромашины и валом шпинделя.
На фиг.2 изображен продольный разрез А-А верхнего шарнирного механизма карданного вала.
Карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем, показанный на фиг.1, содержит верхний шарнирный механизм 1 с резьбой 2 для присоединения ротора и нижний шарнирный механизм 3 с резьбой 4 для присоединения вала шпинделя. Шарнирный механизм 1, показанный на фиг.2, содержит центральный вал 5 и корпус 6, охватывающий край центрального вала 5. Между корпусом 6 и краем центрального вала 5 размещен ряд шариков 7, которые одной стороной установлены в продольных полуцилиндрических пазах 8 корпуса 6, другой стороной в полусферических гнездах 9 центрального вала 5. Кроме того, в полости корпуса 6 установлены упор 10, манжета 11 и резьбовой ниппель 12, а торцы продольных полуцилиндрических пазов 8 на корпусе выполнены с вогнутыми сферическими поверхностями 13. В шарнирном механизме 1 осевая нагрузка с корпуса 6 посредством шариков 7, опирающихся на вогнутые сферические поверхности 13 продольных полуцилиндрических пазов 8 корпуса 6, передается на центральный вал 5. На центральном валу 5 с упором в буртик 14 установлена обойма 15. Торообразная дорожка 16 и паз 17 выполнены на торце обоймы 15, который обращен в сторону шариков 3, установленных в полусферических гнездах 9 на краю центрального вала 5. Центральный вал 5 под осевой нагрузкой может опираться сферическим торцом на размещенный в полости корпуса 6 подпятник 18 с плоским торцом. Торцы центрального вала 5 выполнены выпуклыми с радиусом сферы R=0,5(L+D), где L - длина между центрами полусферических гнезд центрального вала; D - диаметр по центрам полусферических гнезд центрального вала. Длина центрального вала устанавливается равной 2 R.
Центральный вал 5 может быть выполнен составным из двух секций 5.1 и 5.2, соединенных посредством конусных поверхностей вращения или муфтовым телескопическим соединением. Исполнение продольных полуцилиндрических пазов 8 на корпусе 6 с вогнутыми конусными поверхностями на торцах 19 предпочтительно для карданного вала винтовой героторной гидромашины малого диаметра.
Аналогичным образом выполнен шарнирный механизм 2.
Карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем работает следующим образом.
В составе винтовой героторной гидромашины карданный вал используется для преобразования планетарного обращения ротора вокруг оси статора во вращательное движение вала шпинделя с передачей вращающего момента и осевой силы через карданный вал на выходной вал шпинделя (не показано) с круговым отклонением на острый угол центрального вала относительно оси каждого корпуса в шарнирном механизме. Предлагаемый карданный вал винтовой героторной гидромашины для передачи силовой нагрузки присоединяется на резьбе к ротору гидромашины, а другим краем на резьбе присоединяется к муфте вала шпинделя. Вращающий момент с ротора, осуществляющего планетарное движение, передается на верхний шарнирный механизм, который выполняет круговое обращение с отклонением его оси на острый угол, передавая через центральный вал осевую и радиальную нагрузки на нижний шарнирный механизм. Снижение контактных напряжений, износа и люфтов в шарнирных механизмах и обеспечивается путем повышения равномерности распределения контактных напряжений в каждом шарнирном механизме между центральным валом, шариками и корпусами за счет одновременного размещения шариков в полусферических гнездах центрального вала и вогнутых сферических поверхностях, выполненных на торцах продольных полуцилиндрических пазов корпуса. При выполнении торцов продольных полуцилиндрических пазов на каждом корпусе с вогнутыми сферическими поверхностями, на которые одной стороной опираются шарики, расположенные (другой стороной) в полусферических гнездах по краям центрального вала и подвижно установленной на нем обоймы с упором в буртик центрального вала, образован шарнирный механизм, в котором силовые нагрузки воспринимаются рабочими поверхностями, имеющими сферические формы, что повышает равномерность контактных напряжений в контактирующих парах каждого шарнирного механизма со снижением контактных напряжений, уменьшению износа и люфтов в шарнирных механизмах. При этом в каждом корпусе вогнутая сферическая поверхность, выполненная на торце продольного полуцилиндрического паза, сопряжена с продольным полуцилиндрическим пазом с кривизной одного радиуса, а их оси совмещены. Создаются благоприятные условия для повышения площадей взаимодействия деталей, передающих силовые нагрузки. Торец продольного цилиндрического паза на корпусе шарнирного механизма может быть выполнен конусным.
Осевая нагрузка (сжимающая) с корпуса через вогнутую сферическую поверхность и шарики передается на центральный вал. Кроме того, осевая нагрузка с торца центрального вала в отдельных случаях может передаваться частично на плоский торец подпятника, расположенного в полости корпуса.
Подпятник выполняется из антифрикционных материалов с высокой пластичностью, например из латуни, и является при этом компенсатором продольных перемещений центрального вала. При растягивающей осевой нагрузке подвижную обойму прижимает к упору, и шарики при контакте с торообразной дорожкой также образуют шарнирный механизм, при этом манжета не подвергается излишней деформации, сохраняя свою работоспособность, надежно удерживает смазку, что способствует длительной безаварийной работе шарнирного механизма.
Таким образом, реализация совокупности существенных признаков предлагаемого карданного вала для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем позволяет обеспечить:
- снижение контактных напряжений и предотвращение преждевременного истирания, износа или разрушения шарнирных механизмов карданного вала путем снижения возможности жестких соударений и повышения площади взаимодействующих деталей, передающих силовую нагрузку;
- повышение равномерности распределения контактных напряжений в контактирующих парах каждого шарнирного механизма со снижением контактных напряжений путем выполнения рабочих поверхностей центрального вала и корпуса сферической формы для взаимодействия с шариками;
- сохранение на более длительный период в работоспособном состоянии карданного вала, соединяющего ротор винтовой героторной гидромашины со шпинделем.
Таким образом, предлагаемый карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидравлической машины со шпинделем может эффективно работать при передаче вращающего момента и осевой силы с ротора на вал шпинделя с долотом, а также обеспечить повышение надежности и долговечности винтовой героторной гидромашины при бурении скважин.