КРАН ШАРОВОЙ МЕХАНИЗИРОВАННЫЙ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к запорной арматуре, устанавливаемой в системе верхнего привода буровых установок, а именно к средствам, предназначенным для перекрытия каналов бурильной колонны при высоких давлениях рабочей среды.
Известна конструкция крана шарового механизированного, сведения о котором в виде чертежей представлены в каталоге: National Oilwell Varco, TDS-9SA Top Drive System, Owner's Manu al, Uralmash-Unit1, Volume 1 (в содержании каталога чертежи идентифицируются как «Upper IBOP 110103-500») [1]. Известная конструкция выбрана в качестве прототипа к заявляемому устройству по первому варианту. Кран шаровой механизированный содержащий вертикальный цилиндрический корпус с входным и выходным каналом, приводную рабочую втулку, охватывающую корпус. В корпусе установлен с упором в две седловые поверхности внутренних втулок шаровой запорный орган с проходным каналом, предназначенным для движения потока перетекающей среды. Рабочая втулка выполнена с фигурными прорезями, включающими продольный участок с глухими концами и поперечный участок минимум с одним глухим концом, в продольном участке прорези расположено направляющее средство, связанное со стенкой корпуса. Шаровой запорный орган связан с двумя шпинделями, установленными соосно относительно поперечной оси корпуса, причем конец каждого шпинделя, проходящего через стенку корпуса и направляющее средство, выходит через продольный участок прорези. Боковые поверхности продольного участка прорези взаимодействуют с соответствующими поверхностями направляющего средства с возможностью перемещения рабочей втулки из одного крайнего положения в другое. На конце каждого шпинделя установлен один конец соответствующего рычага, на другом конце каждого рычага установлен ролик, расположенный в поперечном участке прорези с возможностью с возможностью скользящего контакта с боковыми поверхностями данного участка при повороте рычага. Крайние положения рабочей втулки ограничены упором рабочего средства в выступ.
В известном устройстве выступ выполнен дугообразным и расположен вблизи одной из боковых поверхностей продольного участка прорези. В качестве рабочего средства используется рычаг, выполненный с выступом в виде шипа. Таким образом, в одном крайнем положении рабочей втулки - упор выступа-шипа на рычаге в выступ на направляющем элементе ограничивает перемещение втулки, в другом ее положении - упор самого рычага в выступ на направляющем элементе ограничивает перемещение данного элемента.
Направляющий элемент установлен на поверхности дополнительного (нижнего) элемента и взаимодействует с ним, при этом нижний элемент заглублен в стенку корпуса, а края направляющего элемента выступают за пределы нижнего элемента. Таким образом, боковые поверхности продольного участка прорези взаимодействуют с соответствующими поверхностями направляющего элемента при перемещении рабочей втулки.
Направляющий элемент выполнен с кольцеобразным с фигурными вырезами, расположенными рядом с головками крепежных элементов дополнительного элемента и предназначенными для беспрепятственного доступа к ним.
Известна конструкция крана шарового механизированного, сведения о котором в виде чертежей представлены в каталоге [1]. Данная конструкция выбрана в качестве прототипа к устройству по второму варианту полезной модели.
Кран шаровой механизированный содержащий цилиндрический корпус с входным и выходным каналом, приводную рабочую втулку, охватывающую корпус. В корпусе установлен с упором в две седловые поверхности внутренних втулок шаровой запорный орган с проходным каналом, предназначенным для движения потока перетекающей среды. Рабочая втулка выполнена с фигурными прорезями, включающими продольный участок с боковыми поверхностями и глухими концами и поперечный участок с боковыми поверхностями минимум с одним глухим концом, в продольном участке прорези расположено направляющее средство, связанное со стенкой корпуса. Шаровой запорный орган связан с двумя шпинделями, установленными соосно относительно поперечной оси корпуса, причем конец каждого шпинделя, проходящего через стенку корпуса, выходит через продольный участок прорези. Боковые поверхности продольного участка прорези взаимодействуют с соответствующими поверхностями направляющего элемента с возможностью перемещения рабочей втулки из одного крайнего положения в другое. На конце каждого шпинделя установлен один конец соответствующего рычага, на другом конце каждого рычага установлен ролик, расположенный в поперечном участке прорези с возможностью с возможностью скользящего контакта с боковыми поверхностями данного участка при повороте рычага. Крайние положения рабочей втулки ограничены упором рабочего средства в выступ.
Другие особенности вышеприведенного устройства, а именно форма выступа, его расположение, такие же, как и в прототипе по первому варианту полезной модели.
Известные устройства характеризуются отрицательными особенностями.
Направляющий элемент, установленный на поверхности дополнительного элемента, предусматривает необходимость их соединения, которое должно обладать свойством надежности. Наличие фигурных вырезов на направляющем элементе свидетельствует о сложности данного элемента.
Два выступа, один из которых выполнен заодно с рычагом, а другой - с направляющим элементом, являются концентраторами напряжений, вызывающих неравномерное распределение напряжений и деформаций и может привести к нарушению их целостности из-за усталостного излома при упоре данных элементов. Кроме того, «пятно» контакта взаимодействующих поверхностей выступов минимально, т.к. при ограничении поворота рычага контактирует ребро выступа-«шипа» с ребром выступа направляющего элемента. Следовательно, надежность работы шарового крана зависит от сохранения целостности данных элементов.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении надежности шарового крана и упрощении конструкции за счет объединения функции двух средств в одном.
Заявляемая полезная модель относится к группе технических решений, а именно к вариантам воплощения полезной модели, т.к. варианты относятся к устройствам одного назначения, обеспечивающих один и тот же технический результат.
В соответствии с первым вариантом полезной модели задача решается тем, что кран шаровой механизированный содержит цилиндрический корпус с входным и выходным каналом, приводную рабочую втулку, охватывающую корпус, в котором установлен с упором в две седловые поверхности внутренних втулок шаровой запорный орган с проходным каналом, рабочая втулка выполнена с фигурными прорезями, включающими продольный участок с боковыми поверхностями и глухими концами и поперечный участок с боковыми поверхностями и минимум с одним глухим концом, в продольном участке каждой прорези расположен выполненный заодно с выступом направляющий элемент, связанный со стенкой корпуса, шаровой запорный орган связан с двумя шпинделями, установленными соосно, причем конец каждого шпинделя, проходящего через стенку корпуса и направляющий элемент, выходит через продольный участок прорези, причем боковые поверхности продольного участка прорези взаимодействуют с соответствующими поверхностями направляющего элемента с возможностью перемещения рабочей втулки из одного крайнего положения в другое, на конце каждого шпинделя установлен один конец соответствующего рычага, на другом конце каждого рычага установлен ролик, расположенный в поперечном участке прорези с возможностью скользящего контакта с боковыми поверхностями данного участка при повороте рычага, при этом крайние положения рабочей втулки ограничены упором рабочего средства в выступ. Новым в кране шаровом механизированном является то, что направляющий элемент выполнен в виде призматической шпонки, заглубленной в шпоночный паз, выполненный в стенке корпуса, при этом выступом служит каждый из концевых участков шпонки, а рабочим средством служит сама рабочая втулка.
В соответствии со вторым вариантом полезной модели задача решается тем, что кран шаровой механизированный содержит цилиндрический корпус с входным и выходным каналом, приводную рабочую втулку, охватывающую корпус, в котором установлен с упором в две седловые поверхности внутренних втулок шаровой запорный орган с проходным каналом, рабочая втулка выполнена с фигурными прорезями, включающими продольный участок с боковыми поверхностями и глухими концами и поперечный участок с боковыми поверхностями и минимум с одним глухим концом, в продольном участке каждой прорези расположен выполненный заодно с упором направляющий элемент, связанный со стенкой корпуса, шаровой запорный орган связан с двумя шпинделями, установленными соосно, причем конец каждого шпинделя, проходящего через стенку корпуса, выходит через продольный участок прорези, причем боковые поверхности продольного участка прорези взаимодействуют с поверхностью направляющего элемента с возможностью перемещения рабочей втулки из одного крайнего положения в другое, на конце каждого шпинделя установлен один конец соответствующего рычага, на другом конце каждого рычага установлен ролик, расположенный в поперечном участке прорези с возможностью скользящего контакта с боковыми поверхностями данного участка при повороте рычага, при этом крайние положения рабочей втулки ограничены упором рабочего средства в выступ. Новым в кране шаровом механизированном является то, что направляющий элемент выполнен в виде заглубленных в стенку корпуса пары элементов, между которыми расположен конец шпинделя, при этом выступом служит участок каждого элементы пары, обращенный к глухому концу продольного участка прорези, а рабочим средством служит сама рабочая втулка.
По второму варианту полезной модели в кране шаровом механизированном пару элементов целесообразно выполнять в виде двух бобышек.
Сущность полезной модели поясняется следующим образом.
В соответствии с первым вариантом полезной модели призматическая шпонка выполняет функцию направляющего элемента. При выполнении шпоночного паза в стенке корпуса шарового крана появляется возможность установить шпонку с жестким креплением в стенке корпуса, следовательно, связь шпонки с корпусом исключает наличие дополнительных элементов.
Таким образом, шпонка, является элементом оптимальной формы с точки зрения возможности ее надежной установки в стенку корпуса и возможности обеспечения взаимодействия боковых поверхностей шпонки с боковыми поверхностями продольного участка прорези рабочей втулки.
В заявляемом устройстве крайнее положение рабочей втулки ограничивается упором самой втулки как рабочего средства в концевые участки шпонки, т.е. глухой конец продольного участка паза упирается в ответный конец шпонки, т.е. «пятно» контакта взаимодействующих поверхностей увеличивается по сравнению с устройством-прототипом. Упор втулки в шпонку предпочтительнее чем, например, упор рычага (или шипа рычага в выступ как в устройстве-прототипе), т.к. крайнее положение рабочей втулки как приводного элемента определяет фиксированное положение рычага, а не наоборот.
Кроме того, при упоре рабочей втулки в концевые участки шпонки нет необходимости в дополнительных средствах, предназначенных для этой цели, что свидетельствует об упрощении устройства.
Таким образом, шпонка выполняет также функцию упора, ограничивающего перемещение рабочей втулки для обеспечения ее крайнего положения и фиксированного положения рычага.
В соответствии со вторым вариантом полезной модели направляющее средство выполнено в виде пары элементов. Целесообразно выполнять пару элементов виде бобышек. Таким образом, функцию направляющего средства и упоров выполняют бобышки - элементы цилиндрической формы, каждая из которых установлена в углублении, выполненном в стенке корпуса.
Расположение выходящего через продольный участок каждой прорези соответствующего конца шпинделя между парами элементов в виде бобышек определяет возможность крайних положений рабочей втулки. Так, при перемещении рабочей втулки глухой конец продольного участка паза упирается в соответствующую бобышку, следовательно, сама втулка, являясь рабочим средством, упирается в бобышки. Преимущества упора рабочей втулки о бобышки такие же, как и перечисленные выше в отношении упора рабочей втулки о шпонку.
Кроме того, при расположении конца каждого шпинделя между бобышками последние распределяются вдоль продольного участка прорези, не располагаясь в непосредственной близости друг от друга, что является рациональным с точки зрения плавного перемещения рабочей втулки вдоль бобышек без отклонений и перекосов.
При выполнении углублений в стенке корпуса шарового крана появляется возможность установить бобышки с жестким креплением в стенке корпуса, т.е. связь бобышек с корпусом не предполагает наличия дополнительных элементов.
Выполнение бобышек в качестве направляющего элемента оптимально ввиду возможности их надежной установки в стенку корпуса, и с точки зрения обеспечения взаимодействия цилиндрической поверхности бобышек с боковой поверхностью продольного участка прорези рабочей втулки.
В отношении двух вариантов полезной модели шпонка или бобышки как элементы оптимальной формы позволяют в каждой фигурной прорези сохранить взаимное расположение выступающего конца шпинделя и рычага в фигурной прорези таким образом, чтобы перечисленные средства не выходили за пределы наружной поверхности рабочей втулки, т.е. конец шпинделя и рычаг находились бы в прорези как в нише, предохраняющей от повреждений.
Таким образом, по двум вариантам полезной модели обеспечивается один и тот же результат: упрощение конструкции шарового крана и повышение надежности за счет выполнения направляющего элемента без промежуточного элемента и, кроме того, за счет совмещения функции направляющего элемента и упора в одном средстве, которым в соответствии с первым вариантом полезной модели является шпонка, а по второму варианту - пара элементов, которые могут быть выполнены в виде бобышек.
Полезная модель подробнее поясняется на примере ее осуществления с иллюстрациями.
На фигурах 1 и 2 изображены продольный разрез и вид сверху крана шарового механизированного по первому варианту полезной модели.
На фигуре 3 изображен продольный разрез крана шарового механизированного по второму варианту полезной модели.
Кран шаровой механизированный для системы верхнего привода буровой установки содержит корпус 1, охватываемый приводной рабочей втулкой 2, выполненной с кольцевым пазом 3, предназначенным для захвата вилкой (на чертеже не показана) и приводимой в движение посредством гидроцилиндров (на чертеже не показаны).
Втулка 2 выполнена с двумя фигурными прорезями 4, имеющими общую ось симметрии.
Каждую прорезь 4 образуют продольный участок 5 и поперечный участок 6.
В соответствии с первым вариантом полезной модели в продольном участке 5 прорези 4 с заглублением в шпоночный паз установлена призматическая шпонка 7 (фиг.1, 2). Часть шпонки 7, выступающая над поверхностью корпуса 1, содержит боковые поверхности, взаимодействующие с боковыми поверхностями продольного участка 5 прорези 4.
Выбор шпонки в качестве призматической шпонки 7 диктует возможность выполнения глухих концов продольного участка 6 прорези 4 ответными концевым участкам шпонки 7.
Причем шпонка 7 расположена между глухими концами продольного участка 5 прорези 4 для обеспечения упора концов данного паза 5 в концы шпонки 7.
В корпусе 1 установлен шаровой запорный орган 8 с каналом, предназначенным для движения перетекающей среды в открытом положении данного запорного органа 8.
Шаровой запорный орган 8 установлен с упором в седловые поверхности 9 внутренних втулок 10.
Шаровой запорный орган 8 связан со шпинделями 11, установленными соосно в направлении поперечной оси корпуса 1 (фиг.1), через крестовину 12, служащую центрирующим элементом благодаря взаимодействию ответных поверхностей с пазом и выступом (на чертежах не обозначены).
Наружный конец каждого шпинделя 11 через стенку корпуса 1 и шпонку 7 выходит через продольный участок 5 прорези 4.
Для обеспечения поворота шарового запорного органа 8 устройство содержит два рычага 13, один конец каждого рычага 13 установлен на конце шпинделя 11, а второй конец с роликом 14 - в поперечном участке 6 прорези 4, причем ролик 14 установлен с возможностью скольжения вдоль боковой поверхности поперечного участка 6 прорези 4 при повороте рычага 13.
Для обеспечения беспрепятственного поворота рычага 13 в пределах фигурной прорези 4 служит выемка металла 15.
На внутренней поверхности втулки 2 выполнены кольцевые пазы, в которых вставлены кольца 16, выполненные из полимерного материала. Кольца 16 служат для облегчения скольжения втулки 2 по поверхности корпуса 1.
Второй вариант полезной модели характеризуется выполнением направляющего элемента в виде пары элементов, выполненными в виде двух бобышек 17 (фиг.3), при этом конец шпинделя 11, выходящий через продольный участок 5, расположен между бобышками 17.
Таким образом, бобышки 17 служат в качестве направляющего элемента и в качестве упора, взаимодействующего с глухими концами продольного участка 5 при скольжении втулки 2.
В крайних положениях втулки 2 рычаг 13 занимает крайнее положение, при котором продольная ось рычага 13 распложена под углом 45° к продольной оси корпуса 1.
Устройство работает следующим образом.
Шаровой запорный орган в положении «открыто» (как изображено на фигуре 1, 3) пропускает поток бурового раствора через его проходной канал.
Поворот шарового запорного органа 8 вокруг своей оси на угол 90° в положение «закрыто» обеспечивается посредством преобразования перемещения от действия гидроцилиндров рабочей втулки 2 через элементы в виде рычагов 13, шпинделей 11, крестовин 12, связанных с указанным шаровым органом 8. Крайние положения втулки 2 соответствуют положениям «открыто» или «закрыто» шарового запорного органа 8.
В соответствии с первым вариантом полезной модели при перемещении втулки из одного крайнего положения в другое боковые поверхности продольного участка 5 прорези 4 взаимодействуют с боковыми поверхностями шпонки 7, таким образом, шпонка 7 направляет движение рабочей втулки. 2.
При перемещении рабочей втулки 2 в каждой прорези 4 рычаг 13 поворачивается, при этом ролик 14 на одном из концов рычага 13 скользит вдоль боковой поверхности поперечного участка 6 прорези 4. При повороте рычаг 13 воздействует на шпиндель 11, также поворачивая данный элемент 11. Перемещение втулки 2 ограничено упором самой втулки 2 в шпонку 7, т.е. конец продольного участка 5 прорези 4 упирается в ответную поверхность конца шпонки 7. При достижении втулки 2 своего крайнего положения рычаг 13 поворачивается на угол 90°, при этом шаровой запорным органом 8 также поворачивается на угол 90°, перекрывая канал, через который проходит поток бурового раствора.
В соответствии со вторым вариантом полезной модели работа устройства аналогична работе устройства по первому варианту с тем отличием, что боковые поверхности продольного участка 5 прорези 4 скользят вдоль цилиндрической поверхности бобышек 17, а крайнее положение втулки 2 ограничено упором самой втулки 2 в ту или иную бобышку 17.