ДВУХШАРНИРНЫЙ КАРДАННЫЙ ВАЛ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ
DOWNHOLE MOTOR TWO-HINGE PROPELLER SHAFT

Изобретение относится к комплектующим узлам забойных двигателей для бурения глубоких скважин, а именно карданным валам.
Известен двухшарнирный карданный вал, соединяющий несоосные между собой ведомый и ведущий валы винтового насоса (см. "Винтовые насосы в угольной промышленности", К.С.Осипов, Я.С.Хейфец, Углеиздат, 1957, стр.42, рис.31), включающий ведомый и ведущий шарниры (муфты), каждый из которых содержит корпус и полувал (цилиндрический стержень) с шаровой головкой на конце, упирающейся в сферическую поверхность полости корпуса шарнира (муфты). Крутящий момент в каждом шарнире передается посредством двух шариков, расположенных в лунках (гнездах) шаровых головок и пазах корпуса шарнира. Полувалы (цилиндрические стержни) ведомого и ведущего шарниров соединены (жестко скреплены) между собой резьбовой муфтой. Для сохранения смазки, находящейся внутри шарниров (муфт), и защиты от грязи и воды полости шарнирных сочленений закрыты резиновыми чехлами. Недостатком данного кардана является то, что каждый его шарнир имеет осевой люфт из-за отсутствия элементов конструкции, регламентирующих положение полувала относительно корпуса шарнира.
Такой же недостаток имеют карданные валы по патенту США №4,772,246 от 20.09.1988, в шарнирах которых необходимы осевые зазоры между передающими момент элементами, корпусом и полувалом, что приводит к их быстрому выходу из строя при работе, особенно при наличии вибраций.
Известен также патент США №4,904,228 от 27.02.1990, стр.18, фиг.7, согласно которому в шарнирах карданного вала выполнен дополнительный упорный подшипник. Недостатком данного карданного вала является низкая стойкость дополнительного упорного подшипника из-за недостаточной площади его опорной рабочей поверхности, недостаточной прочности полувала и узла передачи момента, обусловленных малым размером сферических поверхностей скольжения дополнительного кольцевого упорного подшипника скольжения (прототип).
Изобретение направленно на устранение указанных недостатков и повышение стойкости карданного вала.
Это достигается тем, что двухшарнирный карданный вал забойного двигателя для соединения несоосных между собой ротора и шпиндельного вала двигателя включает скрепленные между собой ведущий и ведомый шарниры, каждый из которых содержит корпус и полувал, фиксированные от взаимного проворота с возможностью перекоса их осей телами качения, расположенными в пазах корпуса и лунках полувала, основной упорный подшипник скольжения, содержащий закрепленный в углублении корпуса подпятник и скрепленный с полувалом упор, контактирующие поверхности скольжения которых выполнены как фрагменты сферы, центр которой расположен в плоскости центров тел качения, дополнительный упорный подшипник скольжения, содержащий закрепленный в корпусе кольцевой подпятник и скрепленный с полувалом кольцевой упор, контактирующие рабочие поверхности скольжения которых также выполнены как фрагменты сферы, гибкий чехол, отграничивающий совместно с гайкой корпуса маслонаполненную полость шарнира, резьбы для присоединения к ротору и шпиндельному валу двигателя, при этом контактирующие поверхности кольцевых подпятника и упора дополнительного упорного подшипника выполнены как фрагменты сферы, концентричной упомянутой сфере основного подшипника, причем радиус сферы дополнительного подшипника больше радиуса сферы основного подшипника.
Кроме того, на контактирующих поверхностях дополнительного упорного подшипника скольжения выполнено уплотнение, а маслонаполненная полость шарнира между основным упорным и дополнительным упорным подшипниками скольжения снабжена разделительным подвижным элементом, например мембраной или поршневой парой, выравнивающим гидравлическое давление в этой полости и давление снаружи нее.
На фиг.1 показан продольный разрез варианта предлагаемого карданного вала согласно изобретению.
На фиг.2 изображен шарнир карданного вала, в котором на контактирующих поверхностях дополнительного упорного подшипника скольжения выполнено уплотнение, а в теле корпуса выполнен элемент, выравнивающий гидравлическое давление в полости шарнира и давление снаружи нее.
Карданный вал содержит ведущий шарнир 1 (фиг.1) и ведомый шарнир 2, каждый из которых содержит корпус и полувал, а именно корпус 3а и полувал 4а ведущего шарнира 1, корпус 3б и полувал 4б ведомого шарнира 2.
На корпусе 3a ведущего шарнира 1 выполнена резьба 19 для соосного присоединения к ротору двигателя или к промежуточному элементу трансмиссии (не показаны). На корпусе ведомого шарнира 3б выполнена резьба 28 для соосного присоединения к валу шпинделя. Полувалы 4а и 4б ведущего 1 и ведомого 2 шарниров скреплены между собой, например, посредством конусно-шлицевого соединения 38 или, как вариант, могут быть выполнены как одна деталь.
Каждый шарнир 1 и 2 имеет замкнутую маслонаполненную полость 15, защищенную от потока бурового раствора уплотнением, например, гибким чехлом 16, закрепленным в корпусе гайкой корпуса 17, и на полувалу - хомутом 18. Возможно применение других конструкций известных уплотнений.
Корпуса и полувалы шарниров 1 и 2 фиксированы от взаимного проворота с возможностью перекоса их осей телами качения 5, расположенными в пазах 6 и лунках 7 соответственно корпусов 3a, 3б и полувалов 4а, 4б. Телами качения могут быть шары, цилиндрические и конические ролики.
В ведущем шарнире 1 и ведомом шарнире 2 выполнены основные упорные подшипники скольжения, содержащие закрепленные в углублении корпусов 3a и 3б подпятники 8 и кинематически жестко скрепленные с полувалами 4а и 4б упоры 9 (Под обобщенным признаком «кинематически жестко скрепленные» понимается, что упоры 9 жестко закреплены, например, на посадке с натягом на полувалах 4а и 4б посредством стержней 12 или выполнены заодно с ними).
В шарнирах 1 и 2 выполнены дополнительные упорные подшипники скольжения, содержащие подпятники 30, закрепленные в корпусах 3a и 3б, и упоры 31, кинематически жестко скрепленные с полувалами 4а и 4б.
Рабочие поверхности скольжения 10 и 32 подпятников 8 и 30 и рабочие поверхности скольжения 11 и 33 упоров 9 и 31, контактирующие между собой, в обоих шарнирах - 1 и 2 выполнены как фрагменты сфер, а именно как сферическая лунка на подпятнике и шаровой сегмент на упоре.
2
1
Отличительной особенностью кардана является то, что рабочие поверхности скольжения 10, 11 основного подшипника и рабочие поверхности скольжения 32, 33 дополнительного подшипника принадлежат разным сферам, радиус R сферы 34 дополнительного упорного подшипника больше радиуса R сферы 35 основного упорного подшипника, при этом центры сфер 34 и 35 совпадают и находятся в плоскости 13 центров 14 тел качения 5.
При этом благодаря концентричности сфер 34 и 35 вогнутые сферические рабочие поверхности 10, 32 подпятников 9, 31 и контактирующие с ними выпуклые сферические рабочие поверхности 11, 33 упоров 9, 31 образуют своеобразный ступенчатый шарнир (кинематически идентичный обычному шаровому шарниру) с возможностью осуществления необходимого перекоса осей полувалов 4а, 4б и корпусов 3a, 3б шарниров 1 и 2.
2
1
Благодаря тому что радиус R сферы 34 дополнительного упорного подшипника больше радиуса R сферы 35 основного упорного подшипника, рабочая поверхность дополнительного упорного подшипника может быть конструктивно увеличена по сравнению с прототипом. При этом появляется возможность оптимизировать ширину и площадь контакта рабочих сферических поверхностей 32, 33 дополнительного подшипника и их угол наклона.
2
Кроме того, увеличенный радиус R позволяет увеличить внутренний диаметр кольцеобразного подпятника 30 и выполнить полувал большего диаметра, при этом использовать тела качения 5 большего размера.
Кроме того, увеличение кольцевой рабочей поверхности 33 упоров 31 обеспечивает возможность размещения на ней уплотнения 23 (см. фиг.2).
На фиг.2 изображен шарнир кардана, в котором на контактирующих поверхностях дополнительного упорного подшипника скольжения выполнено уплотнение 23, например, в виде резинового кольца 3б, расположенного в канавке, выполненной в упоре 22. Маслонаполненная полость 15 шарнира между основным и дополнительным упорными подшипниками скольжения снабжена разделительным подвижным элементом, например поршневой парой 37, выравнивающим гидравлическое давление в этой полости с давлением снаружи нее.
Работает двухшарнирный карданный вал следующим образом. С ротора двигателя карданный вал передает вращение и момент силы на несоосный с ним вал шпинделя и далее на долото. Несоосность ротора и вала шпинделя как линейная, вызванная движением оси ротора одновинтового двигателя по окружности, так и угловая, обусловленная, например, возможным наличием между двигателем и шпинделем кривого переводника (не показаны) компенсируется перекосом осей корпусов 3a, 3б и полувалов 4а, 4б ведущего 1 и ведомого 2 шарниров. Наличие в шарнирах 1 и 2 дополнительных подшипников скольжения, включающих подпятники 30 и упоры 31, предотвращает нежелательное излишнее проскальзывание (осевое перемещение) тел качения 5 в пазах 6 и соответствующий дополнительный их износ.
При этом, в отличие от прототипа, рабочие поверхности 10, 11 и 32, 33 основного и дополнительного подшипников скольжения расположены на разных сферах 35 и 34, однако, благодаря их концентричности, эти поверхности образуют оригинальный ступенчатый шарнир, кинематически идентичный обычному шаровому шарниру, за счет чего осуществляется перекос осей полувалов 4а, 4б и корпусов 3a, 3б и компенсация несоосности ротора двигателя и вала шпинделя.
Эта особенность конструкции и работы кардана согласно предлагаемому изобретению позволяет повысить стойкость кардана за счет увеличения площади рабочих сферических поверхностей 32, 33 дополнительного упорного подшипника и, как следствие, уменьшения контактных напряжений в нем, применения полувала большего диаметра и тел качения большего размера повышенной прочности.
Кроме того, увеличению стойкости двухшарнирного карданного вала способствует возможность размещения на рабочей поверхности дополнительного упорного подшипника уплотнения, предотвращающего потерю смазки в случае выхода из строя гибкого чехла 16.