ГИБКИЙ ВАЛ (ВАРИАНТЫ)
FLEXIBLE SHAFT (VERSIONS)

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для использования в устройствах для глубокой перфорации пластов.
Известен гибкий вал (патент US №4362520, F16C 1/04, F16D 3/18, опубл. 07.12.1982), состоящий из отдельных звеньев, собранных внутри гибкой трубы и взаимодействующих между собой посредством зубьев и ответных им впадин на соседнем звене. Каждое звено имеет по четыре впадины и зуба с каждого из концов, которые передают крутящий момент от привода к сверлу. Изгиб вала осуществляется благодаря наличию зазоров соответствующей формы в соединении зуб - впадина.
Недостатками этого вала являются ограниченность угла поворота звена, т.к. изгиб осуществляется только за счет зазоров, а они не могут быть большими, малый передаваемый крутящий момент из-за наличия зазоров и, соответственно, возможность поломки при повышении крутящего момента, быстрый износ наружной гибкой трубы за счет трения о породу снаружи и звеньями изнутри.
Наиболее близок по своей технической сути к предлагаемому гибкий вал (патент РФ №2297558, F16C 01/02, Е21В 43/11, опубл. Бюл. №11 от 20.04.2007), содержащий оболочку, состоящую из отдельных звеньев, соединенных по концам выступами и пазами сложной формы, и проходящий внутри по центральному каналу сердечник в виде гибкого шланга.
Недостатками вала являются сложность в изготовлении конструкции его звена из-за сложной формы паза и ответного ему зуба, сложность сборки, т.к. звенья соединяют сначала между собой, а затем в них продевают сердечник, недостаточная гибкость вала из-за того, что изгиб осуществляется за счет зазора в соединении. К тому же поворот во взаимно перпендикулярных плоскостях между звеньями осуществляется на разных концах звена, что также ухудшает гибкость вала.
Техническими задачами, решаемыми предлагаемым гибким валом, являются придание натянутому упругому шлангу стремления возвратить вал к прямолинейному состоянию и упрощение конструкции звеньев.
Указанная задача решается предлагаемым гибким валом, оболочку в виде отдельных цилиндрических звеньев с центральным отверстием, контактирующих друг с другом концевыми частями посредством соединительного элемента, выполненного на одной из концевых частей звена, и гнезда, выполненного на другой его концевой части, с возможностью ограниченного пространственного перемещения при этом звеньев относительно друг друга в плоскости, проходящей через оси вала и симметрии соответствующего соединения выступ - гнездо, и сердечник, размещенный в центральном отверстии звеньев.
Новым является то, что соединительный элемент каждого звена выполнен в виде прямоугольного выступа, а гнездо - в виде расположенного перпендикулярно выступу этого звена паза под аналогичный выступ контактирующего звена, при этом сердечник выполнен в виде упругого шланга с наружным диаметром, равным диаметру центрального отверстия звена, и установленным в центральном отверстии с предварительным продольным натяжением.
Указанные задачи решаются также гибким валом, содержащим оболочку в виде отдельных цилиндрических звеньев с центральным отверстием, контактирующих друг с другом концевыми частями посредством соединительного элемента, выполненного из взаимодействующих с возможностью ограниченного пространственного перемещения звеньев  относительно друг друга на торцевых частях звеньев выступов и гнезд в плоскости, проходящей через оси вала и симметрии соответствующего соединения выступ - гнездо, и сердечник, размещенный в центральном отверстии звеньев.
Новым является то, что звенья выполнены двух чередующихся видов, одни из которых оснащены на торцах прямоугольными перпендикулярно размещенными выступами, а вторые - гнездами, выполненными в виде размешенных перпендикулярно пазов под выступы контактирующих звеньев, при этом сердечник выполнен в виде упругого шланга с наружным диаметром, равным диаметру центрального отверстия звена, и установлен в центральном отверстии с предварительным продольным натяжением.
На фиг. 1 изображен гибкий вал с одинаковыми звеньями в сборе.
На фиг. 2 изображено взаимодействие звеньев этого вала.
На фиг. 3 изображен гибкий вал с двумя видами звеньев в сборе.
На фиг. 4 изображено взаимодействие звеньев этого вала.
Гибкий вал (см. фиг. 1) содержит упругий шланг 1, на который центральными отверстиями 2 надеты звенья 3 с выступом 4 на одном конце и равным ему по ширине пазом 5 на другом конце. Причем выступ 4 одного звена 3 вставлен в паз 5 следующего и предыдущего звена 3.
Шланг 1 одним концом соединен со сверлом 6, а другим - с жестким полым валом 7, взаимодействующим через другие валы с приводом (на чертеже не показаны).
Шланг 1 выполнен упругим, например, из резины или полимера с кордом, и его соединение со сверлом 6 и валом 7 выполнено с растяжением. Сверло 6 снабжено отверстием 8, сообщенным со шлангом 1.
1
Выступ 4 каждого звена 3 (см. фиг. 2) имеет опорный торец 9 с наружной кромкой 10, а паз 5 - дно 11 с наружной кромкой 12. Расстояние между опорными торцами - l.
Гибкий вал (см. фиг. 3) по второму варианту также содержит упругий шланг 1, на который надеты два вида звеньев: звено 13 со взаимно перпендикулярными выступами 4 с обоих концов и звено 14 со взаимно перпендикулярными пазами 5 с обоих концов, которые размещены поочередно с взаимодействием выступов 4 звеньев 13 с пазами 5 звеньев 14.
В остальном конструкции валов на фиг. 1 и 3 не отличаются.
Выступ 4 каждого звена 13 (см. фиг. 4) также опорный торец 9 с наружной кромкой, а паз 5 звена 14 - дно 11 с наружной кромкой 12.
2
А расстояние между опорными торцами 9, которое, по сути, совпадает с расстоянием между дном 11 пазов 5 звена 14 - l.
Работает гибкий вал следующим образом.
При сборке вала (см. фиг. 1) упругий шланг 1 соединяют со сверлом 6, нанизывают отверстием 2 звенья 3 через свободный конец шланга 1 так, чтобы выступы 4 вошли в пазы 5, гибкий вал принимает прямое положение. Центрирование звеньев 3 между собой осуществляется при взаимодействии отверстий 2 со шлангом 1.
При сверлении отверстий в продуктивном пласте двигатель гидравлический или электрический (не показан) передает вращение на гибкий вал через жесткий полый вал 7. Через него же поступает внутрь шланга 1 жидкость для охлаждения сверла 6 и выноса шлама, образующегося при сверлении.
Двигатель размещен соосно со скважиной (не показана), а сверлить перфорационные каналы нужно перпендикулярно ее оси, поэтому применяют поворотный канал (показан), в котором гибкий вал поворачивает на 90°.
При прохождении гибкого вала через поворотный канал (на фигурах не показан) он изгибается, благодаря повороту выступов 4 в пазу 5. При этом изгиб в одной продольной относительного гибкого вала плоскости происходит по выступу 4, а в другой перпендикулярной плоскости - по пазу 5 одного и того же звена 3. Суммарный изгиб в двух плоскостях позволяет гибкому валу изгибаться в любой продольной валу плоскости и с вращением проходить через поворотный канал.
1
Поскольку звенья 3 не могут смещаться поперек шланга 1, поворот звеньев в обеих плоскостях происходит относительно кромок 10 и 11 (фиг. 2) выступа 4 и паза 5, соответственно, т.е. оси поворота в двух взаимно перпендикулярных продольных плоскостях удалены друг от друга на расстоянии l.
При повороте звеньев 3 происходит дополнительное натяжение упругого шланга 1, поэтому после выхода гибкого вала из поворотного канала упругий шланг 1 возвращает его в прямолинейное состояние, и сверло 6 сверлит прямое перпендикулярное оси скважины отверстие (не показано). Жидкость, закачиваемая через вал 7, проходит через шланг 1 и отверстие в сверле 6, вынося с собой шлам в скважину.
На прямолинейных участках вал вращается без зазора в соединениях пазов 5 и выступов 4. Зазоры появляются между торцами 9, выступов 4 и дном 11 пазов 5 при движении в поворотном канале, т.е. когда вал изогнут. Но зазоры между торцами 9, выступов 4 и дном 11 пазов 5 динамичные - в течение одного оборота они проходят стадии от максимально закрытого до открытого состояний, поэтому шлам в них не накапливается.
Для беспрепятственного выноса шлама и свободного вращения гибкого вала сверло 6 изготавливают большего диаметра, чем наружный диаметр звеньев 3.
Гибкий вал с двумя видами звеньев 13 (фиг. 3) и 14 собирают также как и со звеньями 3: нанизывая поочередно звенья 13 и 14 на соединенный со сверлом 6 шланг 1. При этом выступы 4 звена 12 вставляют в пазы 5 звена 13. Заканчивают сборку также натяжением шланга 1 и присоединением вала 7.
2
Дальнейшая работа гибкого шланга не отличается от работы предыдущего. Но обе оси поворота звеньев 12 (фиг. 4) и 13 находятся на звене 15 на расстоянии друг от друга l.
Таким образом, предлагаемый гибкий вал легко собирается нанизыванием звеньев 3 (фиг. 1) или 12 (фиг. 3) и 13 на шланг 1. Предлагаемый гибкий вал (работает без засорения, и легко может быть извлечен после окончания работ). Звенья 3 (фиг. 1) или 13 (фиг. 3) и 14 легко изготовить на токарном и фрезерном станках.
Поворот в каждом соединении звеньев 3 (фиг. 1) ограничен лишь глубиной пазов 5 и длиной соответствующих им выступов 4.
Преимуществом второго гибкого вала над первым является близость осей поворота во взаимно перпендикулярных продольных плоскостях звеньев 13 (фиг. 3) и 14 друг от друга, чем ближе эти оси, тем выше гибкость вала. Звенья 13 и 14 могут быть изготовлены так, что эти оси окажутся в одной поперечной валу плоскости, как в крестовине у шарнира Гука.
Предлагаемый гибкий вал за счет специфичной конструкции звеньев прост в изготовлении, сборке и гораздо гибче при работе по отношению к аналогичным устройствам.