RU34195U1

RU34195U1 - Шарнир винтового забойного двигателя

Info

Publication number: RU34195U1
Application number: RU2003109815/20U
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Захаров; А.М. Кочнев; С.Г. Трапезников
Original assignee: Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Буровая техника"
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2003-11-27

Description

в&и ,,. ,„4 iBMf И111 IhHil Шарнир винтового забойного двигателя

Полезная модель относится к буровой технике, а именно - к шарнирам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, предназначенным для передачи крутящего момента и осевой нагрузки от планетарно движущегося ротора к соосно вращающемуся валу опорного узла.

Известен шарнир забойной героторной гидравлической мащины (см. а. с. СССР JM2 543730, М. кл. Е21В 4/00, опубл. 25.01.1977 г.), содержащий корпус с внутренними зубьями, муфты с наружными зубьями для передачи крутящего момента и центральный шар для передачи осевой нагрузки, размещенный в сферических лунках на торцах муфт. В забойной героторной гидравлической машине обычно используются два шарнира, соединенные между собой.

Известен также шарнир винтового забойного двигателя (см. патент США № 5267905. М. кл. F16D 3/221, опубл. 07.12.1993 г.), содержащий корпус, вал. тела качения, средства для передачи осевой нагрузки и уплотнение. Корпус содержит на внутренней поверхности продольные канавки цилиндрической формы, вал имеет на наружной поверхности лунки сферической формы. Тела качения выполнены в виде щариков и установлены в лунках вала и в продольных канавках корпуса для передачи крутящего момента. Средства для передачи осевой нагрузки выполнены в виде центрального шара, взаимодействующего с торцовыми углублениями сферической формы, выполненными на торцах вала и корпуса.

Недостатком известного шарнира является то, что при перекосе шарнира в процессе работы винтового забойного двигателя шарики перемещаются в канавках корпуМ. кл7Е21В 4/00

F16D 3/22

са без вращения, поскольку они размещены в лунках вала и имеют большую поверхность соприкосновения с ними. При этом в результате проскальзывания шариков по стенкам канавок корпуса происходит интенсивный износ взаимодействующих поверхностей. Кроме того, при передаче крутящего момента в контакте шариков со стенками цилиндрических канавок корпуса возникают значительные контактные напряжения, приводящие к смятию поверхностей канавок, что также приводит к дополнительному проскальзыванию взаимодействующих поверхностей, а, следовательно, к повышенному их износу и снижению долговечности шарнира винтового забойного двигателя.

Указанные недостатки частично устранены в другом известном шарнире винтового забойного двигателя (см. патент США № 5704838, М. кл. F16D 3/221, опубл. 06.12.1998 г.), содержащем корпус, вал, тела качения, средства для передачи осевой нагрузки и уплотнение. Корпус имеет внутренние продольные канавки цилиндрической формы, оси которых параллельны оси корпуса. Вал имеет наружные продольные канавки цилиндрической формы, оси которых параллельны оси вала. Тела качения выполнены в виде шариков и установлены во внутренних продольных канавках корпуса и наружных продольных канавках вала для передачи крутящего момента. Средства для передачи осевой нагрузки выполнены в виде центрального щара, взаимодействующего с торцовыми сферическими лунками корпуса и вала. В винтовом забойном двигателе обычно устанавливаются два шарнира, соединенные между собой, образуя шарнирное соединение для передачи крутящего момента между несоосными деталями (ротором и валом опорного узла).

В этом шарнире устранено проскальзывание тел качения (шариков) относительно канавок корпуса и вала, однако, ввиду малого приведенного радиуса кривизны в контакте шариков со стенками цилиндрических канавок корпуса и вала происходит смятие стенок канавок с появлением условий для проскальзывания щариков. Это

ухудшает условия передачи крутящего момента и приводит к снижению долговечности и надежности шарнира.

Задачей настоящего изобретения является создание щарнира винтового забойного двигателя, в котором уменьщены контактные нагрузки, в связи с чем улучшаются условия передачи крутящего момента, уменьшается износ деталей шарнира и увеличивается его долговечность.

Указанная задача решается тем, что в известном шарнире винтового забойного двигателя, содержашем корпус с внутренними продольными канавками цилиндрической формы, вал с наружными продольными канавками цилиндрической формы, тела качения, установленные в продольных канавках корпуса и вала, и средства для передачи осевой нагрузки, согласно полезной модели, тела качения выполнены в виде роликов, имеющих бочкообразную наружную поверхность.

За счет этого обеспечивается снижение контактных напряжений при передаче крутящего момента, поскольку увеличивается приведенный радиус кривизны в контакте цилиндрических канавок вала и корпуса с поверхностью ролика в его осевом сечении, уменьшается износ и повышается долговечность.

Другим отличием является то, что в шарнире винтового забойного двигателя радиус кривизны RI наружной бочкообразной поверхности роликов в осевом сечении выполнен в соответствии с соотношением: Ri(r + R),

где г - наибольший радиус ноперечного сечения ролика;

R - радиус окружности, проходящей через оси роликов, центр которой расположен на оси шарнира.

При выполнении соотношения RI (г + R) бочкообразный ролик приближается к щарообразной форме, происходит уменьшение приведенного радиуса

кривизны в контакте цилиндрических канавок вала и корпуса с наружной поверхностью ролика и увеличиваются контактные напряжения.

Следующим отличием является то, что длина L роликов выполнена в соответствии с соотношением:

.

При выполнении L 2г появляется опасность кромочного контакта концевой части ролика с поверхностью цилиндрических канавок вала и корпуса при угловых перемещениях вала по отношению к корпусу. При этом пятно контакта (эллипс контакта) выходит на торец ролика с появлением кромочного контакта, что приводит условиям, способствующим заклиниванию ролика.

Па фиг. 1 показан общий вид щарнира винтового забойного двигателя в продольном разрезе;

на фиг. 2 приведено поперечное сечение щарнира по линии А-А на фиг. 1;

на фиг. 3 показан поперечный разрез щарнира в увеличенном масщтабе в месте расположения ролика, корпуса и вала;

на фиг. 4 показаны два щарнира, соединенные между собой, образующие щарнирное соединение винтового забойного двигателя.

Шарнир винтового забойного двигателя (фиг. 1, 2) содержит корпус 1, вал 2, тела качения 3, средства 4 для передачи осевой нагрузки и уплотнение 5. Корпус 1 имеет внутренние продольные канавки 6 цилиндрической формы, оси которых параллельны оси корпуса 1. Вал 2 содержит наружные продольные канавки 7 цилиндрической формы, оси которых параллельны оси вала 2. Тела качения 3 выполнены в виде роликов 8 и установлены в продольных канавках 6 корпуса 1 и в продольных канавках 7 вала 2. Ролики 8 (фиг. 3) имеют бочкообразную нарул ную поверхность 9 с радиусом кривизны в осевом сечении, равным RI, который выполнен в соответствии с соотнощением:

Ri(r + RX

где г - наибольший радиус поперечного сечения ролика;

Длина L роликов выполнена в соответствии с соотношением: L 2г.

Средства 4 для передачи осевой нагрузки выполнены в виде сферического выступа 10 на валу 2 для взаимодействия с торцовой сферической лункой 11 вкладыша 12 корнуса 1. Центр О сферического выступа 10 находится в плоскости, проходяшей посередине роликов 8.

Уплотнение 5 содержит втулку 13, на внутренней поверхности которой закреплена одним концом манжета 14 из упруго-эластичного материала, например, из резины, а другой конец манжеты 14 закреплен на наружной поверхности вала 2. Внутренняя полость между корпусом 1 и валом 2 заполнена смазкой, для введения которой в корпусе 1 выполнено отверстие 15, в котором установлена пробка 16.

Обычно в винтовом забойном двигателе устанавливаются два шарнира (фиг. 4) - верхний 17 и нижний 18, соединенные между собой, для передачи вращения между несоосными ротором и валом опорного узла (последние на фиг. 4 не показаны). Верхний шарнир 17 имеет резьбу 19 для присоединения к ротору, а нижний шарнир 18 снабжен резьбой 20 для присоединения к валу опорного узла винтового забойного двигателя.

Возможно также использование предложенного шарнира в винтовых забойных двигателях совместно с гибким валом (на фигурах не показан).

Шарнир винтового забойного двигателя работает следующим образом. Осевая нагрузка и крутящий момент от ротора винтового забойного двигателя передаются на

корпус 1 шарнира. Крутящий момент передается от корпуса 1 к валу 2 через ролики 8, имеющие бочкообразную наружную поверхность 9. При прецессионном движении вала 2 по отношению к корпусу 1 с углом перекоса их осей, равным а, происходит поворот осей роликов 8 и самоустановка роликов в продольных канавках 7 вала 2 и в продольных канавках 6 корпуса 1 с перекатыванием наружной поверхности 9 роликов 8 по поверхности канавок б и 7. Поскольку ролики 8 имеют бочкообразную наружную поверхность 9 радиуса RI, величина которого значительно превышает величину наибольшего радиуса г поперечного сечения ролика 8, то приведенный радиус кривизны в контакте тела качения (ролика 8) с поверхностью продольных канавок 6 и 7 соответственно корпуса 1 и вала 2 значительно увеличен, а контактные напряжения в шарнире соответственно снижены по сравнению с прототипом.

Осевая нагрузка передается от корпуса 1 к валу 2 через сферический выступ 10 на валу 2 и торцовую сферическую лунку 11 вкладыша 12. За счет сферической формы взаимодействующих деталей обеспечивается постоянное месторасположение центра шарнира при его перекосе и прецессионном движении.

Описанный шарнир может быть использован в винтовых героторных насосах для перекачивания жидкости, а также для соединения валов с перекашивающимися осями в обшем машиностроении.

Claims

Шарнир винтового забойного двигателя, содержащий корпус с внутренними продольными канавками цилиндрической формы, вал с наружными продольными канавками цилиндрической формы, тела качения в виде роликов, имеющих бочкообразную наружную поверхность, установленные в продольных канавках корпуса и вала, и средства для передачи осевой нагрузки, отличающийся тем, что радиус кривизны R₁ наружной бочкообразной поверхности роликов в осевом сечении выполнен в соответствии с соотношением

R_1≥(r+R),

где r - наибольший радиус поперечного сечения ролика;

R - радиус окружности, проходящей через оси роликов, центр которой расположен на оси шарнира, а длина роликов L выполнена в соответствии с соотношением

L>2r.