NO842566L - Fremgangsmaate for aa beskytte et mekanisk system med begrensede bevegelser mot et agressivt miljoe - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å beskytte et mekanisk system med begrensede bevegelser mot et aggresivt miljø.

Utrykket "mekanisk system" benyttes her om en anordning som omfatter flere innbyrdes bevegelige deler som har harde slite-flater. Slike deler kan f.eks. være laget av stål. Sliteflatene kan samvirke ved rulling, glidning, anslag eller lignende, slik at det overføres krefter mellom de harde flater i kontaktperioder som kan være midlertidige. Samvirkende tann-hjul eller et kulelager danner et slikt mekanisk system, mens et enkelt fjæroppheng ikke danner noe slikt mekanisk system.

Med begrenset bevegelse menes det avstander som tilbakelegges av forskjellige pumper på de operative deler i forhold til hverandre og fra en gitt utgangsstilling; som aldri overstiger en maksimal lineær amplityde som hovedsakelig er lik størrel-sen til systemet. En slik begrenset bevegelse kan utgjøres av frem- og tilbakegående bevegelse av en del i systemet eller av bevegelse i en enkelt retning og med liten amplityde som iritreffer bare en gang i løpet av brukstiden til systemet. Kontinuerlig rotasjon av en aksel om sin akse utgjør ingen slik begrenset bevegelse.

Det aggresive medium kan være kjemisk aggresivt eller det kan inneholde slipende partikler som kan skade sliteflatene i det mekaniske system. Slike tilstander finnes f.eks. i et borehull som bores av en boreanordning i bakken. Motoren utgjøres av en turbin som drives av boreslam. Boreslammet innsprøytes under trykk ovenfra ned gjennom en streng av rør, og returnerer deretter oppover ved å strømme rundt utsiden av rørene. Slammet inneholder partikler av kisel. Mekaniske systemer med begrenset bevegelse kan befinne seg i bunnen av borehullet, slik at de må beskyttes mot erosjon på grunn av slammet.

Et eksempel på et slikt system er beskrevet mere detaljert i det følgende.

Uansett hva slags aggresivt medium det mekaniske system skal benyttes i omfatter det mekaniske system på konvensjonell måte et beskyttende kammer som omgir de operative flater og har tilstrekkelig innvendig rom for at disse kan utføre sine bevegelse. Kammert må ha i det minste en utløpsåpning for anbringelse av et overføringselement som er festet til en operativ del inne i kammeret og tjener til å overføre bevegelse av den operative del til utsiden av kammeret. Det må være en viss grad av klaring rundt overføringselementet for å muliggjøre bevegelse av dette.

Det beskyttende kammer kan være dannet av yttersiden til en operativ del, eller det kan være dannet av et hylster som er særlig utformet for å gi beskyttelse.

Det beskyttende kammer gir effektiv beskyttelse mot noen typer aggresive med.ier, og særlig beskytter det operative flater mot å eroderes av partikler som er for store til å passere gjennom den nevnte klaring. Det beskyttende kammer gir imidlertid ofte utilstrekkelig beskyttelse mot kjemiske angrep (f. eks. oksydasjon) eller mot erosjon av fine, slipende partikler. Dette er grunnen til at det finnes flere velkjente metoder for å gi ekstra beskyttelse av de operative flater.

En slik kjent metode består i at det beskyttende kammer fylles med et material som muliggjør de nødvendige innbyrdes bevegelser av de operative deler mens det hindrer at det utvendige medium kommer i kontakt med de operative flater.

Et slikt fyllmaterial er et fett med tilstrekkelig tykkelse til å hindre at det forsvinner fra klaringsrommet. Erfaringen viser imidlertid at under vanskelige forhold, f.eks. store temperaturvariasjoner ved høye trykk, forsvinner fettet progressivt, slik at det progressivt gis adkomst for det aggresive medium, f.eks. slipende partikler.

Et annet kjent fyllmaterial er olje, og fortrinnsvis en høy-viskes olje. Det benyttes da en fleksibel tetningsring for å lukke klaringsrommet ved utløpet. Uheldigvis nedbrytes kjente tetningsringer hurtig under påvirkning av temperaturvariasjoner og slipende partikler.

Den foreliggende oppfinnelse medfører at et mekanisk system med begrensede bevegelser beskyttes mot et aggresivt medium på en enkel og varig måte, og pålitelig, også når det aggresive medium utsettes for store variasjoner i trykk og temperatur og fører med seg slipende partikler.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det kommet frem til en fremgangsmåte for å beskytte et slikt mekanisk system mot et omgivende, aggresivt medium, idet det mekaniske system omfatter operative deler som samvirker med hverandre via operative flater som kommer i kontakt for direkte overføring av krefter for således å bevirke at systemet fungerer, og i det minste et overføringselement som er festet til en operativ del for å overføre bevegelse til utsiden av systemet, samt et beskyttende kammer som omgir de operative flater og har et indre rom som muliggjør bevegelse av disse flater, hvilket kammer har i det minste en utløpsåpning for anbringelse av overføringselementet fra innsiden av kammeret til utsiden av kammeret, hvilken utløpsåpning danner tilstrekkelig klaring rundt overføringselementet til å muliggjøre bevegelse av dette, og fremgangsmåten omfatter en fylleoperasjon, i hvilken det beskyttende kammer fylles med et fyllmaterial,som mulig-gjør bevegelse av de operative flater og hindrer at det omgivende, aggresive medium kommer i kontakt med disse, og fremgangsmåten kjennetegnes ved at fyllmaterialet er en myk, fjærende høypolymer dannet ved størkning av et utgangsmaterial i væskeform, idet størkningen bevirker kjemiske bindinger uten å bevirke noen vesentlig volumendring, hvilken høypolymer har en strekkstyrke på 3 til 30 N/mm 2, en skjær-

tyrke på idet minste 20 N/cm, og en elastisitetsgrense på

i det minste 250% slik at den deformasjon som materialet utsettes for under drift av systemet er reversibel, og slik at materialets motstand mot deformasjonen ikke vesentlig påvirker driften av systemet, at fylleoperasjonen skjer med utgangsmaterialet i flytende tilstand, og at størkningen skjer etter fyllingen, og fylleoperasjonen etterfølges av en overflatebehandling der innsiden av kammeret og overflaten av overføringselementet inne i kammeret, idet minste i nærheten av utløpsåpningen, påføres et abherende belegg som sikrer at fyllmaterialet fester seg til flatene med en strekkstyrke på i det minste 3 N/mm , og idet klaringen er tilstrekkelig stor til å muliggjøre bevegelser av overførings-elementet uten å overskride den elastiske grense for fyllmaterialet i nærheten av utløpsåpningen.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere, under hen-visning til de vedføyde tegninger. Fig. 1 viser et aksialsnitt gjennom en halvdel av et første mekaniske system som er beskyttet ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, idet snittplanet går etter linjen I - I i fig. 2.

Fig. 2 viser et tverrsnitt etter linjen II - II i fig. 1.

Fig. 3 viser i større målestokk området III i fig. 2.

Fig. 4 viser et aksialsnitt gjennom en halvdel av et annet mekanisk system som er beskyttet ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Det første eksempel på et mekanisk system som skal beskrives er beregnet til å overføre aksiale krefter til akselen i en turbodrill for boring i bakken. Det omfatter en første enhet av roterende deler som kan rotere i forhold til et ytre hus 13 og som drives av en aksel 2 rundt en aksel 22, sammen med en annen enhet med ikke-roterende deler som er tilkoblet det ytre hus på en slik måte at de hindres i å rotere om aksen, mens det muliggjøres at de kan overføre aksiale krefter til det ytre hus.

Den første enhet omfatter flere friksjonsringer 1 anordnet etter hverandre langs akselen, og hver av disse har to innbyrdes motsatt rette friksjonsflater (bare en av disse er vist) som hver arbeider mot en enkelt friksjonsflate på en samvirkende friksjonsring 6 som utgjør en del av den annen enhet. Den annen enhet omfatter også fjærende trykkelementer 17 som trykker mot de bakre flater på friksjonsringene 6

for å påvirke disse i retning aksialt forover, for å opprett-holde permanent kraft mot friksjonsringene'1 i den første enhet, samtidig med at det muliggjøres små aksiale bevegelser av friksjonsringene. Trykkelementene 17 trykker også mot rammer 12. Den annen enhet omfatter dessuten faststående styrehylse 30 som er festet i forhold til rammen 12 og bevelige styrehyler 28 som er bevegelige i forhold til rammen 12 og koaksiale med akselen 2. Hver av de bevegelige styre-hylser 28 ligger mot en av friksjonsringene 6. Bevelige spor 30 og faststående spor 32 rager aksialt i de innbyrdes mot-hverandre vendende flater av de bevegelige hylser og de faststående hylser. En kule 31 er anordnet i hvert part mot hverandre vendende spor.

Kulene har tilstrekkelig klaring til å muliggjøre en viss aksial bevegelse av de bevegelige hylser i forhold til de faststående hylser. Selv om klaringen ikke er stor nok til å muliggjøre at de bevegelige hylser kan beveges i rotasjon rundt akselens akse, muliggjør den at den bevegelige hylse kan utføre en vippebevegelse, slik at f riks jonsringen?- kan holdes i nær kontakt for overføring av en aksialkraft over hele sin friksjonsflate, til tross for uunngåelige, små feil i den rette vinkel mellom disse flater og akselens akse.

Med andre ord kan friksjonsringen 6, selv om friksjonsringen

1 er litt ute av stilling, holdes i nær kontakt med friksjons ringen 1 på grunn av at den bevegelige hylse 28 kan utføre en vippebevegelse. Slike feil kan oppstå under fremstillingen av motoren, eller de kan oppstå ved sporing i et buet borehull. Uansett kan den ujevne friksjon medføre hurtig øde-leggelse av friksjonsflåtene under bruk.

Rammen 12 som er festet til det ytre hus 13 er i form av en ringformet plate som har åpninger 2 3 for gjennomstrømning av boreslam som benyttes for å drive turbinen.

Sporene i den bevegelige hylse omfatter fremre og bakre endestoppere for å hindre at kulene beveger seg ut av sporene. Anordningen er beregnet for en maksimalt forventet vinkel mellom friksjonsringen 1 og et plan vinkelrett på akselens akse som er mindre enn 1 hundredel radian. Med kovensjonelle turbodriller er faren for at et buet borehull bevirker større avvik meget liten.

Det fjærende trykkelement 17 kan f.eks. være dannet av en stålskive med form som en avkortet kjegle, av den type som kalles en tallerkenfjær. Den er komprimert mellom den bakre flate på den bevegelige hylse 28 og rammen 12.

Bevegelsen til kulene 31 er bare begrenset av bakre endestoppere i de faststående spor 32. Dette betyr at kulene først kan føres radialt inn i sporene på den bevegelige hylse før denne skyves helt på plass i den faststående hylse,mot kraften fra skiven 17. Kulen kan deretter føres aksialt inn i de mot hverandre vendende par av spor, og den bevegelige hylse kan deretter skyves på plass, idet kulene fritt faller til de bakre endestoppere i sporet.

Det mekaniske system som trenger beskyttelse er således dannet av følgende komponenter: kammeret dannet av den faststående hylse 33, som også utgjør en av de operative deler, overføringselementet dannet av den bevegelige hylse 28, som også utgjør en av de operative deler, andre operative deler dannet av kulene 31 og den fjærende skive 17, samt ut-løpsåpningen OS, i form av en ringformet åpning i den faststående hylse 33, i det tverrgående kontaktplan mellom den bevegelige hylse 28 og ringen 6.

Kompansasjonsåpninger OC er også dannet gjennom den bakre ende av den faststående hylse 33.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse, og f.eks. etter at kulene 31 er innført, fylles det indre rom i styrehylsen med en væske, som deretter følges ut, og etterlater et adherende belegg på veggene i rommet. Væsken er naturligvis valgt slik at den er kontatibel med de materialer som benyttes .

Væsken kan alternativt være anbragt på delene som danner mekanismen på forhånd (f.eks. ved sprøyting eller pensling), slik at det muliggjøres nødvendig tørking.

Den ovenfor nevnte fylleoperasjon utføres deretter. For å utføre denne lukkes kompansasjonsåpningen OC, og aksen 22 anbringes vertikalt med utløpsåpningene rettet oppover, og kulene 31 beveger seg under påvirkning av tyngdekraften til de nedre ender av sporene 30, idet de bevegelige hylser er øverst i sin bevegelsesbane og befinner seg inntil skivene 17.

Den opprinnelig lettflytende væsken helles sakte inn i ut-løpsåpningene OS inntil disse er fylt. Bobler kan fjernes fra væsken ved vakuumpumping, hvoretter det på nytt opp-rettes atmosfæretrykk.

Det fjærende fyllmaterialet polymeriseres deretter ved om- givelsestemperatur (eller ved en høyere temperatur for at operasjonen skal skje hurtigere). Det polymeriserte material er betegnet med PR i figurene.

I motsetning til hva som rimeligvis kan fryktes viser erfa-ring at det fjærende material ikke hindrer driften av systemet. Nærmere bestemt ser det ut til at ved starten av driften av systemet oppbrytes mange kjemiske bindinger inne i materialet i soner der kulene 31 beveger seg i kontakt med sidene av sporene 30 og 32, og der det er høye spenninger (f.eks. høyere enn 100 N/mm 2). Filmmaterialet oppfører seg nærmest som en væske, mens det i alle andre soner inne i kammeret opprettholdes som et fast stoff.

Fyllmaterialet hindrer ikke driften av det ovenfor beskrevne system, men bidrar snarere til driften. Det utgjør midler for sentrering, for å holde kulene 31 i et bestemt plan, det vil si i stillinger fordelt rundt en sirkel som er koaksial med de faststående og bevegelige hylser når hylsene er koaksiale. Dette er utgangsstillingen, fra hvilken den bevegelige hylse kan utføre vippebevegelser om hvilken som helst vippeakse.

Videre muliggjøres variasjoner av volumet til materialet

PR inne i hylsteret 33 på grunn av bevegelser av de arbeidende deler, ved hjelp av elastisk deformasjon av materialet som er støpt gjennom kompansasjonsåpningene OC, uten at materialet brister eller løsner fra metallveggene.

Et annet mekanisk system som er beskyttet i henhold til den foreliggende oppfinnelse er vist i fig. 4.

Det omfatter et lager for en aksel 100 som utfører rotasjoner frem og tilbake med begrenset amplityde, f.eks. 10°.

Akselen 100 er i tverr-retningen understøttet av et kule lager med en indre ring 102, kuler 104 og en ytre ring 106, montert i et hus 108. Huset er delvis lukket av en tykk skive 110 som er skrudd inn i huset. Alle de ovenfor nevnte deler er laget av stål. Resten av huset er fylt med beskyttende fyllmaterial PR.

De operative deler består i dette tilfelle av den indre og ytre lagerring 102, 106 og kulene 104. Forbindelseselementet er dannet av akselen 100, og det beskyttende kammer er dannet av huset 108 og skiven 110. Utløpsåpningen er dannet av det mindtre hull 112 og skiven 110.

Klaringen i utløpen kan minskes ved å lage skiven 110 av gummi, for deretter å feste skiven med lim.

Generelt bød fyllmaterialet i det minste tilfredsstille de følgende betingelser: 1) materialet bød feste seg utmerket til veggmaterialet if^eks.. metall) i det beskyttende hus og overf øringsele-mentet, og viss mulig bør adhesjonen være i det minste like sterk som den indre styrke (med hensyn til skjær eller sprekk) i selve materialet, det vil si omtrent 3

til 30 N/mm 2 (for strekk), og

2) fordi materialet vil utsettes for indre strekk og strekk-spenninger på grunn av bevegelsene i systemet, bør materialet kunne tilpasse seg disse indre bevegelser ved hjelp av høy strekkstyrke, f.eks. mellom 20 og 200 N/cm, og bør ha meget stor forlengelse (f.eks. 150 til 700%.

Det indre mekaniske arbeid som utføres av materialet vil danne varme som materialet lett må kunne bortlede. Den termiske ledningsevne må derfor være så høy som mulig, f.eks. 0,23

W/m Kelvin, og generelt høyere enn 0,1 W/m° Kelvin..

Under noen arbeidsforhold trengs det særlig et slikt be skyttende fyllmaterial, f.eks. under forhold der systemet utsettes for et medium som er fullt av sand eller slipende støv. Slike slipende stoffer krever at fyllmaterialet er motstandsdyktig mot slik slipende påvirkning. Materialer av elastomertypen funnet å har meget høy motstand mot slik sli-tasje når hardheten er i området 20 - 70 etter shore A-skalaen.

Bevegelsene i det.mekaniske system deformerer fyllmaterialet, som følgelig virker med krefter som virker mot kreftene i systemet. Disse krefter bør være så små som mulig, og dette kan oppnås ved å benytte materialer med en elastisitetsmodul som ligger i et foretrukket området på 0,5 til 20 N/mm 2. Materialet kan velges blandt de spesielle klorsilaner eller siloksaner som selges av det franske firmaet Rhone-Poulenc under varebenevnelsen Rhodorsil EVF.

Derimot er, til tross for at de har passende mekaniske egen-skaper og adhesjon, naturgummi og kunstige elastomerer slik som polybutadien vanskeligere å bruke, og kan kreve meget kostbart utstyr for å anbringes.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for å beskytte et mekanisk system med/ begrensede bevegelser mot et omgivende, aggresivt medium, hvilket system omfatter operative deler som samvirker med hverandre via operative flater som kommer i kontakt for direkte overføring av arbeidskrefter for å bevirke driften av systemet, og i det minste et overføringselement som er festet til en operativ del for å overføre bevegelse til utsiden av systemet, et beskyttende kammer som omgir de operative flater og har et indre rom som muliggjør bevegelse av disse flater, hvilket kammer har i det minste en utløpsåpning for anbringelse av overføringselementet mellom innsiden og utsiden av kammeret, hvilken utløpsåpning har tilstrekkelig klaring rundt overføringselementet til å muliggjøre bevegelse av dette, idet det beskyttende kammer fylles med et fyllmaterial som muliggjør bevegelse av de operative flater og hindrer at det omgivende, aggresive medium kommer i kontakt med disse, karakterisert ved at fyllmaterialet er en myk, fjærende høypolymer dannet ved størkning av et flytende utgangsmaterial, idet størkningen bevirker at det dannes kjemiske bindinger uten å bevirke noen vesentlig volumendring, hvilken høypolymer har en strekkstyrke på 3 - 30 N/mm 2, en skjærstyrke på i det minste 20 N/cm og en elastisitesgrense på i det minste 150%, idet deformasjon som materialet utsettes for under drift av systemet er reversibelt, og idet motstanden som materialet gir mot slik deformasjon ikke i vesentlig grad påvirker driften av systemet, at fylleoperasjonen skjer med utgangsmaterialet i flytende tilstand og at størkningen skjer etter fyllingen, at fylleoperasjonen etter-følges av en overflatebehandling, der i det minste den indre flate i kammeret og overflaten av overføringselementet inne i kammeret, i det minste i nærheten av utløpsåpningen, på-føres et adherende belegg, for å sikre at fyllmaterialet fester seg til flatene med en strekkstyrke på i det minste 3 N/mm 2, og at klaringen er tilstrekkelig stor til å mulig-gjøre bevegelser av overføringselementet uten at elastisitets- . grensen til fyllmaterialet overskrides i nærheten av utløps-åpningen .

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at fyllmaterialet har en termisk ledningsevne som er større enn 0,1 W/m° Kelvin.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at fyllmaterialet har en hardhet som ligger i området 20 - 70 på shore A-skalaen.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at fyllmaterialet har en elastisitetsmodul i området 0,5 til 20 N/mm 2.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at fyllmaterialet er valgt fra den gruppe som utgjøres av klorsilaner og siloksaner, for derved å sikre god motstand mot kjemiske angrep.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at de operative deler er laget av et metall som motstår spenninger som er større enn 100 N/mm 2 i sonene som er nærmest de operative flater som er i kontakt med andre operative flater.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det beskyttende kammer er perforert med i det minste en kompensasjonsåpning for å øke variasjonsområdet for det indre volum i kammeret, ved å muliggjøre at fyllmaterialet kan deformeres elastisk gjennom åpningen.