УЗЕЛ РОТОРА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО КЛЮЧА

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к техническому оборудованию для капитального ремонта скважин, к устройствам для свинчивания и развинчивания насосно-компрессорных труб.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ключ трубный, выбранный в качестве прототипа, описанный в патенте на изобретение №2475619, опубликованном 20.02.2013 г. «Узел ротора гидравлического ключа». В патенте узел содержит расположенный в корпусе ключа, приводной ротор, имеющий разъем, ролики, контактирующие с приводным ротором и с разрезной втулкой с установленными в ней челюстями с плашками, узел снабжен двумя подвижными челюстями с плашками, зеркально расположенными симметрично относительно оси разрезной втулки с неподвижной челюстью, причем подвижные челюсти имеют профильные криволинейные выгнутые и вогнутые поверхности, контактирующие с роликами.
Работа ключа трубного осуществляется через ролики с приводным ротором, перемещающимися по профильным криволинейным выгнутым и вогнутым поверхностям. При их контакте с криволинейными выгнутыми поверхностями происходит свинчивание и развинчивание колонны труб без остановки устройства, без переустановки челюстей для изменения вращения, что повышает производительность.
Для захвата и свинчивания, для развинчивания колонны труб важно не только, чтобы криволинейные выгнутые и вогнутые поверхности были зеркально-симметричны относительно неподвижной челюсти, но и важна сама форма профильной выгнутой кривой, так как сила, с которой две симметричные челюсти давят на обжимаемую трубу должна быть одинаковой и постоянной, а она в свою очередь зависит от угла между профильной выгнутой поверхностью, по которой, вращаясь, перемещаются ролики и направлением скорости вращения роликов, который в любой точке кривой должен быть постоянным.
Недостатками конструкции прототипа являются недостаточная надежность зацепления трубы, возможность несогласованного зажима челюстями и как следствие недостаточно надежный зажим трубы челюстями ключа при свинчивании и развинчивании колонны труб, при выполнении криволинейных выгнутых поверхностей различной формы с непостоянным углом между профильной выгнутой поверхностью в каждой точке кривой.
Задачей полезной модели является повышение надежности работы устройства, за счет надежного зацепление плашек с трубой и надежного свинчивания и развинчивания насосно-компрессорных труб.
Техническая задача достигается за счет того, что узел ротора гидравлического ключа, содержащий расположенный в корпусе ключа приводной ротор, имеющий разъем, ролики, контактирующие с приводным ротором и с разрезной втулкой с установленными в ней челюстями с плашками, две из которых подвижные, зеркально расположенные симметрично относительно оси разрезной втулки с неподвижной челюстью, причем подвижные челюсти имеют профильные криволинейные выгнутые и вогнутые поверхности, контактирующие с роликами, согласно полезной модели, контактирующие с роликами профильные криволинейные выгнутые поверхности подвижных челюстей выполнены по дуге логарифмической спирали, при этом логарифмическая спираль пересекает свои радиус-вектора под постоянным углом из интервала 30÷40°.
За счет того, что контактирующие с роликами профильные криволинейные выгнутые поверхности подвижных челюстей выполнены по дуге логарифмической спирали, при этом логарифмическая спираль пересекает свои радиус-вектора под постоянным углом из интервала 30÷40°, повышается надежность работы устройства, за счет надежного зацепления плашек с трубой и надежного свинчивания и развинчивания колонны труб.
Приведенные выше отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому полезная модель соответствует критерию «новизна».
Данное техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
На фиг. 1 - узел ротора гидравлического ключа в разрезе;
На фиг. 2 - то же, подвижная челюсть.
Узел ротора гидравлического ключа содержит приводной ротор 1, ролики 2, 3, 4, 5, разрезную втулку 6 и установленные в нем неподвижную челюсть 7 с плашками 8 и подвижные челюсти 9 левая и 10 правая с плашками 8. Приводной ротор 1 имеет разъем и взаимодействует с роликами 2, 3, 4, 5, которые взаимодействуют с другой стороны с разрезной втулкой 6. Подвижные челюсти 9 и 10 установлены зеркально-симметрично относительно оси разрезной втулки 6 и неподвижной челюсти 7. Подвижные челюсти 9 и 10 имеют профильные криволинейные выгнутые 11 и 12 поверхности и вогнутые 13 и 14 поверхности, контактирующие с роликами 2, 3, 4, 5.
Конструкция ключа с челюстями с логарифмической поверхностью представляет собой ключ с челюстями, у которых рабочая поверхность - профильная выгнутая поверхность по длине логарифмической спирали приблизительно 50 мм (от точки А до точки С) (описанная по дуге окружности радиуса R в прототипе №2475619) заменяется логарифмической кривой (ориентировочно с углом из интервала 30÷40 градусов). Сила, с которой две симметричные челюсти давят на обжимаемую трубу зависит от угла между профильной выгнутой поверхностью, по которой, вращаясь, перемещаются ролики и направлением скорости вращения.
Для постоянного давления на колонну труб при захвате и свинчивании и развинчивании нужно, чтобы этот угол сохранял постоянное значение, а это будет в том случае, если профильная выгнутая поверхность очерчена по логарифмической спирали. Логарифмическая спираль пересекает свои радиус-вектора под постоянным углом в примере исполнения может быть угол 30 градусов.
Устройство работает следующим образом.
Гидравлический ключ подвешивается над устьем скважины и подводится к колонне труб. Поданная в гидромотор гидравлическая энергия преобразуется в механическую энергию, которая кинематически передается на приводной ротор 1, роликам 2, 3, 4, 5, разрезной втулке 6, подвижным челюстям 9 и 10. Ролики 2, 3, 4, 5, перемещаясь по криволинейным поверхностям подвижных челюстей 9 и 10, поворачивают их до соприкосновения с трубой. При развинчивании челюсть правая 10 поворачивается в результате взаимодействия ролика 3 с поверхностью 12, а челюсть левая 9 в результате взаимодействия ролика 2 с поверхностью 13. При свинчивании ролик 4 взаимодействует с поверхностью 11 челюсти левой 9, а ролик 5 с поверхностью 14 челюсти правой 10. Таким образом, при развинчивании и свинчивании колонны труб работают разные поверхности подвижных челюстей. Наличие двух подвижных челюстей и неподвижной челюсти обеспечивает захват трубы парами плашек.
Расчетные точки логарифмической спирали могут быть получены различными способами,
- по формуле заданной в полярных координатах, либо декартовых координатах -инженерными расчетами с различной степенью точности
-непосредственно прорисовкой кривой с обеспечением постоянного угла спирали.
Профильную выгнутую поверхность по логарифмической спирали получили вращением дуги радиусом R вокруг оси с координатами а, b.
Величины a, b и R определили методом конструктивных расчетов и конструктивного прочерчивания (см. фиг. 2).
Определили координаты 3-х точек А, В, С на фиг. 2.
Формула логарифмической спирали задается в полярных координатах. Это значит, что для определения месторасположения точки используется не обычная декартовая система (координата X, координата Y), а полярная система (Расстояние от точки до начала координат Ро1_R, Угол точки от нулевого угла - pol_ug). Таким образом мы задали точку в полярных координатах используя не пару (х,у), а пару (ugol,R). Задавая логарифмическую спираль в полярных координатах удобнее потому, что меняя угол, у нас меняется радиус. И если найти закономерность (зависимость) того, как изменяется радиус с изменением угла, то можно будет записать формулу логарифмической спирали.
Формула логарифмической спирали в полярных координатах: pol_R=mashtab*exp(tang_k*pol_ug), где:
pol_R: радиус - расстояние текущей точки от начала координат. pol_Ug: угол - текущий угол точки (пара (радиус, угол) задает нашу точку), tang_k: константа, задающая тангенс так называемого начального угла k. На деле это степень плотности витков спирали.
mashtab: константа - масштаб.
Спираль может быть сильно большой или сильно маленькой. А умножая радиус на масштабное число можно менять масштаб спирали.
1
1
2
2
3
3
Паскаль рисует в обычных декартовых координатах, нужна команда, которая нарисовала бы точку, заданную в полярных координатах. Полярные координаты преобразовывают в декартовые. Если мы знаем угол и радиус, то легко построить прямоугольный треугольник. Из него очень просто вычислить Координату X и координату Y точки, заданой углом и радиусом. Координата X=Cos(ugol)*R, а координата Y=Sin(ugol)*R.. Используя эти координаты мы можем нарисовать нужную нам точку. Таким образом получим точки логарифмической спирали, например три А(Х; Y); В(Х; Y); С(Х; Y), либо большее произвольное число точек. (...)
Логарифмическую спираль можно построить подобно спирали Архимеда как траекторию точки, перемещающейся по радиусу-вектору, в то время как сам радиус-вектор вращается вокруг неподвижной точки. При этом, если угол поворота радиуса-вектора изменяется в арифметической прогрессии, то радиус-вектор изменяется в геометрической прогрессии.
Особенностью логарифмической спирали является то, что угол, образованный касательной k любой точке кривой с радиусом-вектором, есть величина постоянная. Этим свойством обладает также окружность, у которой этот угол составляет 45°. Следовательно, при одинаковых углах между радиус-векторами хорды, соединяющие концы их, образуют с соответственными радиусами равные углы.
Рассмотрим построение логарифмической спирали на примере. Пусть дан полюс О и отрезок прямой, равный OA, причем точка А принадлежит спирали. Требуется построить логарифмическую спираль (фиг. 87приложения). Через полюс О проводим под равными углами друг к другу радиусы-векторы. В примере они проведены под углом 45°. Из точки А под углом к радиусу-вектору OA строим хорду А1. Угол должен быть задан как параметр, характеризующий данную спираль, в примере исполнения этот угол а=30°, т.е. логарифмическая спираль пересекает свои радиус-вектора под постоянным углом 30°. Построенная хорда пересечет смежный радиус-вектор в точке 1, также принадлежащей спирали. Проведя из точки 1 хорду под тем же углом, получим на радиусе-векторе 02 точку 2, принадлежащую этой спирали. Следующие точки находятся таким же образом. Получив точки первого оборота спирали, строим дальше в таком же порядке точки, принадлежащие второму, третьему и т.д. оборотам. Число оборотов для этой спирали бесконечно. Полюс О в этом случае является асимптотической точкой.
(geometriches…)
Кроме того, для расчета точек логарифмической спирали можно воспользоваться компьютерными программами, приведенными в книге «Инженерные расчеты в EXCEL» Рональда У. Ларсена, стр. 190.
1
1
2
2
3
3
Таким образом получим точки логарифмической спирали, например три А(Х; Y); В(Х; Y); С(Х; Y), либо большее произвольное число точек.
В заявляемом техническом решении повышается надежность работы устройства, надежное зацепление плашек с трубой и надежное свинчивания насосно-компрессорных труб, за счет того, что контактирующие с роликами профильные криволинейные выгнутые поверхности подвижных челюстей выполнены по дуге логарифмической спирали, при этом логарифмическая спираль пересекает свои радиус-вектора под постоянным углом из интервала 30÷40°.