Многоступенчатый редуктор верхнего силового привода буровой установки
MULTISTAGE REDUCER OF POWERED DRIVE OF DRILLING UNIT

Область техники
Изобретение относится к установкам бурения с верхним силовым приводом вращения, которые используются на нефтяных и газовых скважинах.
Уровень техники
Известны верхние силовые приводы (ВСП) буровых установок, содержащие вертлюг с верхним приводом вращения - патенты RU 2237790, Е21В 3/00, приоритет 11.11.2003, RU 29551, Е21В 19/00, Е21В 3/00, приоритет 13.07.2003, RU 139159, Е21В 3/00, приоритет 12.11.2013.
Известна система верхнего электрического привода СВЭП-320, которая входит в состав буровой установки, предназначенной для вертикального, наклонно-направленного и горизонтального бурения нефтяных и газовых скважин, - патент RU 151650, Е21В 3/02, приоритет 23.10.2013.
Подвесная часть СВЭП-320 включает в себя верхний электрический привод (ВЭП) с двумя электродвигателями, расположенными симметрично относительно продольной плоскости (перпендикулярной фронтальной плоскости ВЭП), с которой совпадает ось вращения вертлюга, и установленными на корпусе редуктора, посредством которого каждый электродвигатель передает крутящий момент по своей приводной части на зубчатое колесо на выходном валу вертлюга, на котором происходит суммирование крутящих моментов от обоих двигателей. Далее, через шаровой кран крутящий момент от выходного вала вертлюга передается на бурильную колонну. Основные функции верхнего электрического силового привода:
- Вращение бурильной колонны в 2-х направлениях, торможение, остановка вращения и удержание бурильной колонны в заданном по углу поворота положении.
- Задание требуемых величин крутящего момента, частоты и направления вращения с контролем параметров по дисплею в СУП и на пульте бурильщика.
- Захват труб из укладки, подсвечника, подача на ось скважины и возврат труб в укладку, подсвечник.
- Свинчивание/развинчивание, докрепление/раскрепление бурильных труб в процессе наращивания/разборки бурильной колонны, а также рабочего переводника и шарового крана при их замене.
- Открытие/перекрытие канала ВЭП-320 с помощью шарового крана.
Электродвигатели ВЭП расположены на верхней крышке корпуса редуктора вертлюга и смонтированы в виде двух, вертикально установленных и симметрично расположенных относительно продольной плоскости вертлюга двигателей. Они снабжены гидравлическими тормозами, при этом валы каждого электродвигателя соединены через зубчатую компенсирующую муфту с входными быстроходными валами и посредством двухступенчатого зубчатого косозубого зацепления в редукторе связаны с зубчатым колесом на выходном валу вертлюга, который вращается с заданной скоростью и суммарным крутящим моментом в прямом или обратном направлениях. Электродвигатели связаны со станцией управления электроприводом с частотным регулированием.
Редуктор ВЭП выполнен в виде двух входных быстроходных валов-шестерен, находящихся в зацеплении с промежуточными зубчатыми колесами, закрепленными на промежуточных валах-шестернях, входящих в зацепление с суммирующей шестерней на выходном валу. Общие передаточные числа каждого из двух приводных частей редуктора (от каждого входного вала к выходному) одинаковы. Все зубчатые колеса и шестерни выполнены в косозубом исполнении, валы установлены в подшипниковых опорах, причем выходной вал имеет три подшипниковых узла: верхний радиально-упорный однорядный конический роликовый подшипник; нижний самоустанавливающийся сферический двухрядный роликовый подшипник, выдерживающий радиальные и двухсторонние осевые нагрузки; средний упорный сферический роликовый подшипник, предназначенный для восприятия основной весовой нагрузки привода. При работе два электродвигателя, через две двухступенчатые зубчатые цилиндрические передачи, смонтированные в едином корпусе, с одинаковым передаточным числом, обеспечивают вращение выходного вала вертлюга в прямом или обратном направлениях (за счет суммирования крутящих моментов на шестерне выходного вала). При этом за счет симметричной двухпоточной кинематической схемы редуктора и уравновешивания радиальных составляющих в зубчатом зацеплении выходного вала с двумя промежуточными валами передача крутящего момента на выходной вал сопровождается минимальными радиальными нагрузками и уменьшенными в два раза окружными усилиями в зубчатом зацеплении, что увеличивает ресурс работы подшипников грузового вала и редуктора в целом.
При необходимости, один из двигателей может быть отключен, и ВЭП будет работать с одним электродвигателем. Для отключения одного из двигателей ВЭП дополнительно снабжен муфтой, которая может отключать один из электродвигателей без разборки редуктора.
Техническое решение - верхний силовой привод буровой установки - патент RU 151650, Е21В 3/02, приоритет 23.10.2013, принято в качестве прототипа.
К недостаткам прототипа можно отнести:
- большие габаритные размеры редуктора в поперечной плоскости (параллельной фронтальной плоскости ВЭП) из-за применения двухдвигательного редукторного привода для вращения выходного вала вертлюга;
- большая стоимость двухдвигательного привода за счет двойной системы частотного векторного управления, двух двигателей, усложнение конструкции редуктора (двух входных валов с опорами качения, дополнительных корпусных деталей);
- возможные неточности синхронизации работы двух электродвигателей на один выходной вал в процессе эксплуатации или в результате ремонта изделия, приводящие к неравномерности нагружения в режиме "ведущий-ведомый" и сокращению технического ресурса редуктора.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании новой конструкции двухступенчатого редуктора, в приводе которого использован вместо двух один электродвигатель с такой же суммарной мощностью.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в уменьшении габаритных размеров редуктора, снижении стоимости, в повышении надежности его работы при той же передаваемой мощности ВЭП, что и в прототипе.
Раскрытие изобретения
Для достижения поставленных задач авторами предложено новое конструктивное выполнение редуктора ВЭП, в приводе которого использован один электродвигатель.
Многоступенчатый редуктор верхнего силового привода буровой установки, содержит размещенные в корпусных деталях тихоходный выходной вал, два промежуточных вала-шестерни, один быстроходный входной вал с зубчатым колесом, подшипниковые узлы. Редуктор отличается тем, что он дополнительно снабжен первичным промежуточным валом-шестерней, а зубчатые передачи смонтированы в виде трех ступеней редукции:
- первая ступень редукции представляет собой быстроходный входной вал, на котором расположена косозубая шестерня, входящая в зацепление с косозубым зубчатым колесом первичного промежуточного вала-шестерни,
- вторая ступень представляет собой первичный промежуточный вал-шестерню, на котором расположена шестерня, входящая в зацепление с двумя косозубыми зубчатыми колесами, установленными на двух вторичных промежуточных валах-шестернях,
- третья ступень представляет собой промежуточные валы-шестерни, на которых установлены прямозубые шестерни, входящие в зацепление с прямозубым зубчатым колесом тихоходного выходного вала.
Кроме того, вторичные промежуточные валы-шестерни снабжены регулировочными узлами и установлены с возможностью осевого перемещения вместе с нижними подшипниковыми опорами. Быстроходный входной вал, первичный промежуточный вал-шестерня и тихоходный выходной вал установлены параллельно и расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях с вторичными промежуточными валами-шестернями.
Осуществление изобретения
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен общий вид редуктора ВЭП в аксонометрии, на фиг. 2 - общий вид редуктора ВЭП в аксонометрии без корпусных деталей, на фиг. 3 - разрез редуктора по промежуточным валам, на фиг. 4 - вид снизу крышки подшипника регулировочного узла.
Редуктор (фиг. 1) состоит из следующих основных деталей и узлов: тихоходный выходной вал 1, первичный промежуточный вал-шестерня 2, два вторичных промежуточных вала-шестерни 3, один быстроходный входной вал 4, корпусные детали: корпус зубчатого редуктора 5 с крышкой 6. Основные подшипники тихоходного вала: роликовые радиально-упорные конические 7 и 8 (фиг. 1, 2), предназначены для восприятия осевых и радиальных нагрузок. Также на тихоходном выходном валу 1 установлен роликовый сферический двухрядный подшипник 9, предназначенный для восприятия радиальных нагрузок. На тихоходном выходном валу 1 на штифтах установлено прямозубое зубчатое колесо 10.
В зацеплении с тихоходным зубчатым колесом 10 находятся две прямозубые шестерни, нарезанные на вторичных промежуточных валах 3. Подшипники вторичных промежуточных валов - роликовые сферические двухрядные 11. На вторичных промежуточных валах-шестернях 3, на штифтах, установлены косозубые зубчатые колеса 12, входящие в зацепление с шестерней первичного промежуточного вала-шестерни 2. Опоры первичного промежуточного вала-шестерни 2 - роликовые радиально-упорные конические 13. На первичном промежуточном валу-шестерни 2 закреплено косозубое колесо 14, которое входит в зацепление с косозубой шестерней входного быстроходного вала-шестерни 4.
Быстроходный входной вал 4 установлен на однорядном роликовом коническом подшипнике (нижний 15 и верхний 16, предназначенных для восприятия радиальных и осевых нагрузок). В верхней части быстроходного вала нарезаны шлицы 17, предназначенные для соединения через промежуточную муфту с приводным электродвигателем.
С помощью частотного преобразователя электродвигатель обеспечивает регулируемое вращение входного быстроходного вала 4 с заданным крутящим моментом. Корпус электродвигателя крепится фланцевой поверхностью к крышке редуктора 6 вертлюга через тумбу (не показано).
Применение прямозубых шестерен на третьей ступени редуктора используют для обеспечения равномерности косозубого зацепления шестерни первичного промежуточного вала с двумя зубчатыми колесами вторичных промежуточных валов. Регулировка равномерности зацепления производится с помощью регулировочных узлов, расположенных в нижних подшипниковых узлах вторичных промежуточных валов.
Регулировочный узел (фиг. 2, 3, 4) представляет собой крышку подшипника 18 с центральным отверстием, в нижней части которого выполнена резьба, в которую вворачивается втулка 19 с пазами на торцевой поверхности в нижней части, торцевая поверхность верхней части которой упирается в стакан 20, который центрируется по нерезьбовой части отверстия в крышке и может совершать осевые перемещения при вращении втулки 19. Торцевая поверхность стакана 20 упирается в крышку 21, которая, в свою очередь, контактирует со стаканом 22, в котором установлена наружная обойма нижнего подшипника 11 вторичного промежуточного вала 3. Внутренняя обойма подшипника 11 упирается в буртик вторичного промежуточного вала 3. Втулка 19 фиксируется от проворота с помощью стопора 23, палец которого входит в один из пазов втулки 19, а стакан 22, имеющий боковой продольный паз, с этой же целью фиксируется стопорной планкой с шипом, перемещающимся внутри данного паза (не показан). Внутренняя обойма подшипника 11 через кольцо 24 упирается в торцевую часть вторичного промежуточного вала 3 на участке опоры под подшипник.
Регулировка точности косозубого зацепления и равномерности крутящего момента, передаваемого на вторичные промежуточные валы в редукторе, осуществляется путем осевого перемещения промежуточных валов 3 и поджатия косозубых колес 12 к шестерне 14 первичного промежуточного вала 2. Перемещение промежуточных валов возможно за счет применения прямозубого зацепления шестерен вторичных промежуточных валов 3 с зубчатым колесом 10 выходного вала 1 и обеспечивается вращением втулок 19 и осевым перемещением стаканов 20, крышек 21, стаканов 22, колец 24. При этом стаканы 22, подшипники 11 и кольца 24 вместе обеспечивают необходимый осевой зазор в нижних подшипниковых опорах вторичных промежуточных валов; осевой зазор в верхних подшипниковых узлах вторичных промежуточных валов регулируется штатным образом. После регулировки зазоров в зацеплении зубчатого редуктора фиксация осевого положения стаканов 20 осуществляется стопорами 23, пальцы которых входят в пазы втулок 19.
При передаче мощности электродвигателя через компенсирующую муфту и шлицевую поверхность 17 на входной быстроходный вал 4 редуктора крутящий момент передается на зубчатое колесо 14 первичного промежуточного вала-шестерни, а затем разделяется на два потока через зубчатые передачи 12 вторичных промежуточных валов-шестерен 3 и суммируется на выходном валу 1 на зубчатом колесе 10. Разделение на два потока мощности обеспечивает минимальное межосевое расстояние между входным 4 и выходным 1 валами в продольной плоскости ВЭП и снижает его габаритные размеры. При этом симметричность расположения валов в редукторе обеспечивает уравновешенность радиальных нагрузок, действующих в зубчатых зацеплениях. Использование одного электродвигателя, в сравнении с двумя, при сохранении передаваемой мощности обеспечивает экономию средств, включая дополнительно затраты на электропитание, системы электрокоммуникаций и управления электродвигателями.
Предлагаемая конструкция редуктора позволяет его использовать в ВЭП как с электрическим, так и с гидравлическим (гидрообъемным) двигателем.