КАРДАННЫЙ ВАЛ ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНОЙ ГИДРОМАШИНЫ

Полезная модель относится к нефтепромысловой технике, а именно к карданным валам винтовых героторных гидромашин, а именно винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин и винтовых насосов объемного типа, способных перекачивать газожидкостные смеси широкого спектра вязкости, предназначенных для передачи крутящего момента и осевой нагрузки от планетарно движущего ротора к соосно вращающемуся валу опорного узла.
1
Известен карданный вал винтового забойного двигателя, включающий два шарнира (Патент RU №34195, МПК Е21В 4/00, опубл. 27.11.2003 г.). Каждый шарнир карданного вала содержит корпус с внутренними продольными цилиндрическими канавками, параллельными оси корпуса, вал с наружными продольными цилиндрическими канавками, параллельными оси вала, тела качения в виде роликов бочкообразной формы, имеющие кривизну в продольном сечении R≥(r+R) и длину L>2r, размещенные одновременно в продольных канавках вала и корпуса и передающие крутящий момент с вала на корпус. При этом центр сферической опоры вала лежит в плоскости поперечного сечения шарнирного устройства, проходящий по среднему сечению бочкообразных роликов. Внутренняя полость между корпусом и валом шарнира заполнена смазкой и защищена от агрессивной среды уплотнением типа манжеты, выполненной из эластично материала, закрепленной в корпусе и на валу шарнира.
Одним из основных недостатков указанного карданного вала является невозможность передачи больших крутящих моментов и недостаточная долговечность. Это объясняется тем, что контакт бочкообразных роликов с продольными цилиндрическими канавками корпуса и вала происходит по точкам, а не по линиям и поверхностям. Из-за этого при передаче больших крутящих моментов возникают высокие контактные напряжения, происходит смятие поверхностей в канавках корпуса и вала, разрушение стенок между продольными канавками, износ и разрушение роликов из-за возможности их заклинивания. Высокие контактные напряжения возникают также и потому, что из-за сложности обеспечения высокой точности изготовления канавок и роликов в передаче крутящего момента участвуют не более половины роликов шарнирного устройства.
Указанные недостатки частично устранены в карданном вале винтовой героторной машины, который является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и выбран в качестве прототипа (Патент RU №2230171, МПК Е21В 4/02, опубл. 10.06.2004 г.). Карданный вал включает два шарнира, каждый из которых содержит обойму с глухим осевым отверстием, подпятник со сферическим дном, вал с головкой, имеющей упорную сферическую поверхность для взаимодействия со сферическим дном подпятника, не менее одного пальца, запрессованного средней частью в радиальном сквозном отверстии вала и два сухаря, свободно установленные на концах пальца, уплотнительный элемент. Сухари выполнены с параллельными плоскостями скольжения и размещены в окнах обоймы, имеющих плоские стенки, параллельные оси обоймы и взаимодействующими с плоскими стенками сухарей. При передаче крутящего момента от вала к обойме плоские стенки обоймы взаимодействуют с площадками скольжения сухарей.
Недостатком карданного вала является недостаточная долговечность. Это объясняется тем, что крутящий момент от вала к обойме передается через палец к сухарю по линии контакта цилиндрического конца пальца с цилиндрическим отверстием в сухаре. При больших моментах в линии контакта возникают большие контактные напряжения, что приводит к быстрому износу конца пальца и отверстия в сухаре.
Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в уменьшении износа контактирующих поверхностей основных деталей карданного вала, за счет снижения напряжений их смятия, повышении долговечности карданного вала винтовой героторной гидромашины и увеличить крутящий момент при сохранении его малых габаритов.
Технический результат достигается за счет того, что в карданном вале винтовой героторной гидромашины, включающем два шарнира, каждый из которых содержит обойму с глухим осевым отверстием, подпятник со сферическим дном, вал с головкой, имеющей упорную сферическую поверхность, взаимодействующей со сферическим дном подпятника и уплотнительный элемент, не менее одного пальца, согласно полезной модели, обойма содержит две продольные канавки, выполненные в виде шпоночных пазов, боковые стенки которых выполнены в виде плоскостей скольжения, выполненных параллельно оси шарнира, обойма и вал соединены при помощи двух пальцев, у которых один конец выполнен в виде шпонки с плоскими сторонами скольжения с возможностью контактирования с плоскостями скольжения продольных канавок обоймы, а другой конец пальцев выполнен цилиндрическим с возможностью поворота вокруг своей оси.
Кроме того, торцы концов пальцев, выполненные в виде шпонок, содержат две плоскости, расположенные под углом α к оси обоймы, равным острому углу возможного кругового отклонения вала в обойме.
Кроме того, головка вала выполнена с двумя конусами, образующая которых наклонена под углом α к оси обоймы.
В предлагаемой полезной модели, обойма содержит две продольные канавки, выполненные в виде шпоночных пазов, боковые стенки которых выполнены в виде плоскостей скольжения, что упрощает изготовление и сборку карданного вала, увеличивает площадь контакта боковых стенок канавок обоймы с плоскостями скольжения пальцев, уменьшает износ контактирующих плоскостей, за счет уменьшения напряжений смятия и повышает долговечность карданного вала. В отличие от прототипа, крутящий момент от вала к обойме передается двумя пальцами, которые одновременно контактирует с плоскими стенками продольных канавок обоймы и цилиндрическим отверстием вала. Один из концов каждого пальца выполнен в виде шпонки с плоскими сторонами скольжения с возможностью контактирования с плоскостями скольжения продольных канавок обоймы, а другой конец пальцев выполнен цилиндрическим с возможностью поворота вокруг своей оси, Длина контактирующих цилиндрических поверхностей пальца и вала в предлагаемой полезной модели значительно больше длины контактирующих цилиндрических поверхностей пальца и сухаря в прототипе. Это позволяет снизить контактные напряжения в шарнире уменьшить износ деталей шарнира, что повышает срок службы карданного вала.
Кроме того, торцы концов пальцев, выполненные в виде шпонок, содержат две плоскости, расположенные под углом α к оси обоймы, что позволяет обеспечить отклонение вала относительно обоймы в плоскости параллельной боковым стенкам продольных канавок на угол α равный острому углу возможного кругового отклонения вала в обойме
Кроме того, головка вала выполнена с двумя конусами, образующая которых наклонена под углом α к оси обоймы, что позволяет обеспечить отклонение вала относительно обоймы в плоскости перпендикулярной оси цилиндрического отверстия вала на угол α, равный острому углу возможного кругового отклонения вала в обойме
На фиг. 1 показан общий вид карданного вала винтовой героторной гидромашины.
На фиг. 2 показан продольный разрез шарнира карданного вала.
На фиг. 3 показан поперечный разрез шарнира карданного вала.
На фиг. 4 показан продольный разрез (сечение Б-Б) шарнира карданного вала.
Карданный вал винтовой героторной машины (фиг. 1) содержит два шарнира 1, 2, соединенных между собой конусным соединением и манжету 3 из эластичного материала, например резины, закрепленную на шарнирах 1, 2 при помощи хомутов 4.
Каждый шарнир карданного вала (фиг. 2) содержит обойму 5 с глухим осевым отверстием, подпятник 6 со сферическим дном 7, вал 8 с головкой 9 с упорной сферической поверхностью 10, взаимодействующей со сферическим дном 7 подпятника 6 с возможностью кругового отклонения вала 8 на острый угол α, два пальца 11, 12, гайку 13 и уплотнительный элемент 14. Для закачки смазки в карданный вал в обойме 5 шарнира 1, 2 выполнено отверстие с резьбой, в которое завинчена пробка 15.
В обойме 5 каждого шарнира 1, 2 выполнены две внутренние продольные канавки 16 в виде шпоночного паза. Боковые стенки 17, 18 продольных канавок 16 обоймы 5 выполнены в виде плоскостей скольжения, выполненных параллельно оси шарнира 1, 2 (фиг. 3).
Крутящий момент от вала 8 к обойме 5 передается при помощи двух пальцев 11, 12. Один конец пальцев 11, 12 выполнен цилиндрическим 19 и с возможностью поворота вокруг своей оси. Другой конец пальцев 11, 12 выполнен в виде шпонки 20 и имеет плоские стороны скольжения 21, 22, которые контактируют с плоскостями скольжения боковых стенок 17, 18 продольных канавок 16 обоймы 5. Торцы пальцев 11, 12, расположенных во внутренних продольных канавках 16 обоймы 5 выполнены в виде двух плоскостей 23, 24, расположенных под углом α к оси обоймы 5, равным острому углу возможного кругового отклонения вала 8 в обойме 5. Головка вала 9 со сферической поверхностью 10 выполнена с двумя конусами 25, 26 (фиг. 4), образующая которых наклонена под углом α к оси обоймы 5, равным острому углу возможного кругового отклонения вала 8 в обойме 5.
Карданный вал винтовой героторной гидромашины работает следующим образом. Крутящий момент и осевая нагрузка передается от ведущего узла винтовой героторной гидромашины (на фиг. не показано) на вал 8 шарнира 1, 2. От конца вала 8 осевая нагрузка передается к обойме 5 через подпятник 6 по сферическим поверхностям 7, 10. Крутящий момент передается от вала 8 к обойме 5 через боковые стенки 17, 18 продольных канавок 16 обоймы 5, пальцы 11, 12 с плоскими сторонами скольжения 21, 22, цилиндрические концы 19 пальцев 11, 12 и цилиндрическое отверстие в вале 8, перпендикулярное его оси. При движении вала 8 по отношению к обойме 5 с углом преломления α происходит скольжение плоских сторон скольжения 21, 22 пальцев 11, 12 по боковым стенкам 17, 18 продольных канавок 16 обоймы 5 и поворот цилиндрических концов пальцев 11, 12 вокруг своей оси в цилиндрическом отверстии вала 8. Упорная сферическая поверхность 10 вала 8 скользит по сферическому дну 7 подпятника 6. Крутящий момент от вала 8 к обойме 5 передается двумя пальцами 11, 12, которые одновременно контактирует с боковыми стенками 17, 18 продольных канавок 16 обоймы 5 и цилиндрическим отверстием вала. Длина контактирующих цилиндрических поверхностей пальца 11, 12 и вала 8 в предлагаемой полезной модели значительно больше длины контактирующих цилиндрических поверхностей пальца и сухаря в прототипе.
Таким образом, выполнение предлагаемой полезной модели с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками позволяет снизить контактные напряжения в шарнире, уменьшить износ деталей шарнира, повысить срок службы карданного вала и успешно использовать его в винтовых забойных двигателях и мультифазных винтовых насосных установках.