ПАТРОН-ЭЛЕВАТОР

Полезная модель относится к бурению скважин и может быть применена для передачи вращения на буровую колонну и проведения спускоподъемных операций на буровых установках с подвижным вращателем, преимущественно в геологоразведке на мобильных буровых установках.
Известен элеватор для шнеков, применяемый в буровой установке шнекового бурения УШ-2Т4 (Руководство по эксплуатации УШ2Т4.00.00.000 РЭ, ОАО ″Геомаш″, г. Щигры, 2002 г., лист 19), состоящий из шпинделя (ведущее звено) и хвостовика (ведомое звено), связанных друг с другом с помощью хомута (вертлюга), обеспечивающего возможность их взаимного вращения, и штоков, обеспечивающих возможность взаимного осевого перемещения и поворота вокруг горизонтальной оси. Шпиндель и хвостовик на обращенных друг к другу торцах имеют кулачки, образующие муфту для передачи крутящего момента. На нижней части хвостовика в поперечной плоскости расположена поворотная подпружиненная защелка, взаимодействующая с кольцевыми проточками на штоках, предназначенная для фиксации верхнего положения хвостовика, в котором кулачки муфты сцеплены друг с другом и передают крутящий момент на буровую колонну.
Известный патрон-элеватор обеспечивает безопасность работ при проведении спускоподъемных операций, т.к. в выключенном положении обеспечивает механическое разъединение шпинделя и хвостовика с возможностью отклонения последнего от вертикали на необходимый угол.
Однако это устройство, решая проблему безопасной работы при проведении спускоподъемных операций, имеет достаточно сложную конструкцию, недолговечно и ненадежно в эксплуатации в результате того, что центрирующий элемент шпинделя выступает далеко вниз от оси шарниров, на которых подвешена к вертлюгу нижняя часть элеватора. Это приводит к несовпадению кулачков муфты даже при незначительном угловом смещении осей шпинделя и хвостовика. Это, в свою очередь, приводит к большим контактным напряжениям на сопрягаемых кромках муфты и их интенсивному износу в момент включения муфты, поскольку оно происходит под силовым воздействием опускающегося вращателя. Во-вторых, включение муфты происходит при жесткой осевой подаче вращателя. При этом на кромках кулачков, до момента их полного сцепления друг с другом, возникают большие контактные напряжения, приводящие к их быстрому износу.
Конструкция защелки, фиксирующей включенное положение муфты, сложна, чувствительна к загрязнениям и повреждениям, и поэтому ненадежна.
Наиболее близким по технической сущности является патрон-элеватор (см. патент RU №2278946, Е21В 19/06, дата публикации 27.06.2006 г.) содержащий шпиндель вращателя, ведущее и ведомое звенья, связанные друг с другом вертлюгом с возможностью взаимного вращения вокруг вертикальной оси и взаимного поворота вокруг горизонтальной оси, а также передающую вращение муфту, при этом ведущее звено выполнено в виде вала некруглого сечения с осевым отверстием, ведомое звено выполнено в виде вала с сечением, идентичным ведущему, вертлюг выполнен в виде круглого стержня, размещенного в отверстии ведущего звена и снабженного проушиной на нижнем конце, сопряженной поперечной осью с вилкой на верхнем конце ведомого звена, при этом муфта выполнена в виде гильзы, подвижной вдоль ведущего и ведомого звеньев и охватывающей их в нижнем положении, рабочие поверхности ведущего звена, ведомого звена и муфты имеют форму многогранника.
Известный патрон-элеватор по сравнению с известным аналогом позволяет за счет включения муфты путем ее опускания под собственным весом, снизить интенсивность износа рабочих поверхностей, передающих крутящий момент. Однако выполнение рабочих поверхностей ведомого и ведущего звена в виде многогранника или шлицев не обеспечивают в момент включения привода плавную передачу крутящего момента из-за возможных соударений на сопрягаемых кромках муфты, что приводит к большим контактным напряжениям на сопрягаемых кромках муфты и износу рабочих поверхностей.
Известная конструкция предопределяет значительную длину ведущего звена и муфты, что вероятность возникновения несоосности ведущего и ведомого звеньев, в результате чего даже при незначительном смещении осей увеличивается нагрузка на рабочие поверхности, передающие вращение, и происходит их износ.
Расположение рабочей поверхности ведущего звена открытой способствует попаданию различных загрязнений между рабочими поверхностями муфты и ведущего звена, что со временем будет затруднять свободное опускание муфты.
Кроме того, увеличение длины патрона-элеватора для буровых установок с нескладывающимися при транспортировке мачтами крайне нежелательно.
Фиксация муфты в верхнем положении в виде подпружиненных пальцев с ответными гнездами или выступов с байонетными пазами, расположенных с наружной стороны, подверженных постоянным загрязнениям, снижает надежность работы всей буровой установки. А наличие рукояток для расфиксации муфты создает при вращении патрона опасность травмирования работающих.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности и безопасности при эксплуатации патрона-элеватора.
Указанный технический результат достигается тем, что в патроне-элеваторе, содержащем шпиндель вращателя, ведущее и ведомое звенья, установленные с возможностью взаимного вращения вокруг вертикальной оси и взаимного поворота вокруг горизонтальной оси, муфту, установленную подвижно вдоль ведущего и ведомого звеньев и охватывающую их в нижнем положении, а также средство перемещения и фиксации муфты, согласно полезной модели, ведомое звено снабжено поворотной серьгой, ведущее и ведомое звенья установлены внутри шпинделя вращателя, выполненного в виде пустотелого цилиндра, снабженного направляющей втулкой, в которой установлено ведомое звено, средство перемещения и фиксации муфты выполнено в виде снабженного маховиком затвора, установленного с возможностью осевого перемещения между ведомым звеном и вращателем, затвор с наружной стороны снабжен фиксирующими подпружиненными шариками, а с внутренней - цилиндрической расточкой, муфта и сопрягаемые концы ведущего и ведомого звеньев выполнены зубчатыми, при этом маховик имеет свободу вращения относительно шпинделя вращателя.
Расположение ведущего и ведомого звеньев внутри шпинделя вращателя позволяет создать компактный малогабаритный патрон-элеватор, у которого все подвижные элементы находятся внутри шпинделя вращателя, что значительно повышает надежность и безопасность работы патрона-элеватора. Такое расположение всех подвижных элементов внутри шпинделя вращателя защищает их от попадания пыли, что значительно повышает надежность их работы.
Наличие направляющей втулки, расположенной внутри шпинделя вращателя, в которой расположено ведомое звено, позволяет увеличить точность центрирования ведомого и ведущего звеньев, что снижает нагрузку при включении привода вращения на контактные поверхности соединительной муфты и повышает надежность их работы.
Выполнение средства перемещения и фиксации муфты в виде затвора, установленного с возможностью осевого перемещения между ведомым звеном и шпинделем вращателя и снабженного маховиком, который имеет свободу вращения относительно шпинделя вращателя, позволяет безопасно перемещать и фиксировать соединительную муфту за счет того, что в случае непредвиденного включения привода вращения маховик в руках работающего остается неподвижным. Кроме того, наличие затвора, расположенного между шпинделем вращателя и ведомым звеном позволяет дополнительно фиксировать от несоосности ведомое и ведущее звенья, что уменьшает вибрацию и шум при работе патрона-элеватора.
Расположение фиксирующих подпружиненных шариков затвора также внутри шпинделя вращателя позволяет защитить их от попадания пыли и повысить надежность фиксирования муфты.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков полезной модели, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели условию патентоспособности «новизна».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного выполнения патрона-элеватора.
На фигуре 1 изображен патрон-элеватор в рабочем состоянии.
На фигуре 2 изображен патрон-элеватор в нерабочем состоянии.
Патрон-элеватор содержит выполненный в виде пустотелого цилиндра шпиндель вращателя 1 и установленные в нем с возможностью взаимного вращения вокруг вертикальной оси ведущее звено 2 и ведомое звено 3, муфту 4, установленную подвижно вдоль ведущего 2 и ведомого 3 звеньев и охватывающую их в нижнем положении, средство перемещения и фиксации муфты 4, выполненное в виде затвора 5, жестко соединенного посредством шпилек 6 с муфтой 4. На затворе 5 с возможностью свободного вращения относительно его расположен маховик 7, установленный с помощью пальцев 8 и винтов 9. Затвор 5, установлен с возможностью осевого перемещения между ведомым звеном 3 и вращателем 1. Затвор 5 снабжен фиксирующими подпружиненными шариками 10, которые располагаются при включенной муфте 4 в нижней проточке 11, а при выключенной муфте 4 в верхней проточке 11 шпинделя вращателя 1. Муфта 4 и сопрягаемые концы ведущего 2 и ведомого 3 звеньев снабжены зубьями 12. Ведомое звено 3 в верхней части снабжено кольцевым буртом 13. В шпинделе вращателя 1 закреплена втулка 14, на которую опирается буртом 13 ведомое звено 3. В нижней части ведомого звена 3 на оси 15 закреплена поворотная серьга 16 с ответной частью 17, которая соединена с верхней трубой буровой колонны или буровым инструментом (не показаны на чертеже). Ось 15 закреплена гайкой 18. Вверху шпинделя вращателя 1 расположено стопорное кольцо 19 для фиксации ведущего звена 2 в осевом направлении. Затвор 5 в нижней части выполнен с внутренней цилиндрической расточкой 20 для фиксации поворотной серьги 16 в рабочем положении. Шпиндель вращателя 1 установлен на шестернях привода (не показан).
Патрон-элеватор работает следующим образом. Для проведения спускоподъемных операций при наращивании буровой колонны муфту 4 сдвигают вручную при помощи маховика 7 и затвора 5 в верхнее положение. При этом фиксирующие подпружиненные шарики 10 располагаются в верхней проточке 11 шпинделя вращателя 1, и серьга 16 выходит из зацепления с цилиндрической расточкой 20 затвора 5. Серьгу 16 поворачивают на оси 15 в горизонтальное положение (фиг.2) для присоединения буровой трубы (не показана) к ответной части 17. При этом муфта 4 не имеет возможности включиться, так как отклоненная в сторону серьга 16 не дает затвору 5, а следовательно, и соединенной с ним муфте 4 переместиться в нижнее положение. В этом выключенном положении ведомое звено 3 можно поворачивать вокруг вертикальной оси и отклонять серьгу 16 с ответной частью 17 относительно горизонтальной оси 15. После присоединения буровой трубы к ответной части 17 производят подъем шпинделя вращателя 1 с буровой трубой, которая повисает вертикально над наращиваемой буровой колонной. При этом ведущее и ведомое звенья устанавливаются соосно. Затем при помощи маховика 7 опускают затвор 5 и муфту 4 вниз до контакта бурта 13 с втулкой 14. Муфта 4 зубьями 12 входит в зацепление с ведомым звеном 3 (фиг.1), и происходит соединение ведущего 2 и ведомого 3 звеньев для передачи крутящего момента. Далее производят соединение буровой трубы с буровой колонной и осуществляют процесс бурения.
При демонтаже буровой колонны поднимают шпиндель вращателя 1 вместе с буровой колонной в верхнее положение. Отсоединяют верхнюю буровую трубу от колонны. С верхней площадки оператор сдвигает муфту 4 вверх, освобождая зацепление муфты 4 с ведомым звеном 2. Затем отклоняют верхнюю буровую трубу вместе с серьгой 16 ведомого звена 3 от вертикали, тем самым, обеспечивая невозможность включения муфты 4. Опускают шпиндель вращателя 1 с трубой и отсоединяют ее от ведомого звена.
Безопасность при спускоподъемных операциях при наращивании или демонтаже буровой колонны обеспечивает свободно вращающийся на затворе 5 маховик 7, на который не передается крутящий момент от ведомого звена 3. Случайное включение привода вращения буровой установки и ведомого звена 3 в этом случае не приведет к опасному вращению отсоединенной от колонны буровой трубы.