WO2019076672A1 - Dispositif de forme spherique et muni de cannelures bombees pour former une liaison rotule a doigt, et pompe a barillet muni d'un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de forme spherique et muni de cannelures bombees pour former une liaison rotule a doigt, et pompe a barillet muni d'un tel dispositif Download PDF

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WO2019076672A1
WO2019076672A1 PCT/EP2018/077340 EP2018077340W WO2019076672A1 WO 2019076672 A1 WO2019076672 A1 WO 2019076672A1 EP 2018077340 W EP2018077340 W EP 2018077340W WO 2019076672 A1 WO2019076672 A1 WO 2019076672A1
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WO
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finger
connection
groove
shaft
forming
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/077340
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Inventor
Jean Tricard
Julien TROST
Philippe Pagnier
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
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Publication date
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Priority to EP18785580.4A priority patent/EP3698062A1/fr
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D3/00—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/16—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts
    • F16D3/18—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts the coupling parts (1) having slidably-interengaging teeth
    • F16D3/185—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts the coupling parts (1) having slidably-interengaging teeth radial teeth connecting concentric inner and outer coupling parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/12—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
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    • F04B1/146—Swash plates; Actuating elements
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    • F04B1/20—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having rotary cylinder block
    • F04B1/2092—Means for connecting rotating cylinder barrels and rotating inclined swash plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16D3/00—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/16—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts
    • F16D3/20—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members
    • F16D3/22—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members the rolling members being balls, rollers, or the like, guided in grooves or sockets in both coupling parts
    • F16D3/223—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members the rolling members being balls, rollers, or the like, guided in grooves or sockets in both coupling parts the rolling members being guided in grooves in both coupling parts
    • F16D3/224—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members the rolling members being balls, rollers, or the like, guided in grooves or sockets in both coupling parts the rolling members being guided in grooves in both coupling parts the groove centre-lines in each coupling part lying on a sphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/12—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B1/122—Details or component parts, e.g. valves, sealings or lubrication means
    • F04B1/124—Pistons

Definitions

  • the present invention relates to the field of finger ball joint connections, in particular for use in a barrel pump. .
  • a finger ball joint (also called spherical finger connection) is a connection between two mechanical elements, which has four degrees of connection and two degrees of relative movement; only two relative rotations are possible, the three translations and the last rotation being linked. In general, it is a ball with a finger impeding rotation.
  • the operating principle of this type of connection is to ensure the transmission of torque between two rotating assemblies whose axes are not collinear. For example, in the case of a barrel pump, it may be a connection between the drive shaft and the turntable.
  • the universal joints (figure 1) allow very strong torque transmissions but with a relatively low angular movement (around 20 degrees). They are also relatively bulky.
  • the universal joint is the most used finger joint mechanism in mechanical systems, for example in the automotive field.
  • Figure 1 illustrates an example of a double universal joint in two distinct positions.
  • the universal joint comprises two sleeves 1 and 3 at its ends, and a shaft 2 arranged between the sleeves 1 and 3.
  • a hinge 4 is assembled between the sleeve 1 and the shaft 2.
  • a hinge 5 is assembled between the shaft 2 and the sleeve 3.
  • Each joint 4 and 5 comprises two forks and a spider (not shown), to allow the relative movements of the parts.
  • the angular deflection a is low of the order of 20 °.
  • Ball joints are very compact and offer angular deflection exceeding 50 degrees. However, transmissible torques are lower than for universal joints, and in addition, their assembly and their implementation (lubrication for example) are relatively complex.
  • Figure 2 illustrates an example of a ball joint.
  • the ball-and-socket joint allows the connection between a shaft 6 and a shaft 8.
  • the ball-and-socket joint comprises a substantially spherical raceway 7, in which balls 9 circulate.
  • Patent application WO 2017051710 also discloses a finger-ball joint having an interesting angular amplitude. However, the complexity of the mechanism is important, and the transmittable torque relatively low. Furthermore, there are other examples of this type of connection for applications with low rotational speed and low torque, and which are not suitable for high torques and / or high speeds.
  • the present invention relates to a device for forming a finger joint connection.
  • the device includes a cylindrical inner surface for mounting on a shaft.
  • the device has an outer surface having a truncated sphere shape at its ends.
  • the inner surface has at least one groove or groove for inserting a key to transmit the torque between a shaft and the device.
  • the outer surface has at least one domed groove to transmit the torque between the device and a component, including a tray or disk.
  • This specific shape (spherical with at least one groove) provides the finger joint connection, and allows the transmission of high torque, as well as a large angular movement.
  • the invention relates to a device for forming a finger-ball joint connection in the form of a hollow revolution piece comprising a substantially cylindrical inner surface and an outer surface having substantially the shape of a truncated sphere at its two ends.
  • Said inner surface comprises at least one groove
  • said outer surface comprises at least one curved groove.
  • said outer surface comprises a plurality of curved splines regularly distributed.
  • said outer surface comprises between five and nineteen curved flutes, preferably between seven and thirteen curved flutes.
  • said curved grooves have a substantially square, rectangular or trapezoidal section.
  • said device is formed of a one-piece piece.
  • said device is made of metal, in particular of ferrous alloy, preferably of steel.
  • the angle ⁇ formed by two ends of said outer surface of said device and the center of said sphere is between 60 and 120 °, in particular between 80 and 100 °, and preferably the angle ⁇ is substantially 90 °.
  • the invention relates to a connection between a shaft and a tray.
  • a device for forming a finger ball joint according to one of the preceding features is mounted on said shaft by means of at least one key or splined shaft, and said plate is mounted on said outer surface of said device to form a finger ball joint connection by means of at least one groove cooperating with said at least one curved groove.
  • said plate comprises at least one means forming an angular stop.
  • the invention relates to a barrel pump with turntable comprising a connection according to one of the preceding characteristics for the connection between a drive shaft and said turntable.
  • the invention also relates to a use of said barrel pump according to one of the preceding features, for a drilling operation, in particular for the injection of a drilling mud.
  • Figure 1 already described, illustrates a universal joint according to the prior art.
  • Figure 2 already described, illustrates a ball joint according to the prior art.
  • FIG. 3 illustrates a device for forming a finger-joint connection according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 4 illustrates a sectional view of a device for forming a finger-joint connection according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 5 illustrates a finger-to-finger connection between a shaft and a plate according to one embodiment of the invention. Detailed description of the invention
  • a finger-jointed connection is a connection between two mechanical elements, which has four degrees of connection and two degrees of relative movement; only two relative rotations are possible, the three translations and the last rotation being linked. In general, it is a ball with a finger impeding rotation.
  • the operating principle of this type of connection is to ensure the transmission of torque between two rotating assemblies whose axes are not collinear.
  • the term device is used in the following description to designate the device to form a finger joint connection.
  • the device for forming the finger ball is a piece of hollow revolution.
  • a piece of revolution is a piece generated by a closed flat surface rotating around an axis located in the same plane as it and not having in common with it any point or only points on its border .
  • the device for forming the finger ball comprises a substantially cylindrical inner surface.
  • the hollow of the device is substantially cylindrical.
  • the device is adapted to be mounted on a cylindrical shaft.
  • the inner surface includes at least one groove for insertion of a key or splined shaft (in the case of a plurality of splines), for the purpose of transmitting the torque between a shaft and the device.
  • a transmission key or splines allows the transmission of significant torque.
  • the device according to the invention comprises an outer surface having substantially the shape of a truncated sphere at its ends.
  • the sphere is truncated by two planes perpendicular to the axis of revolution of the device.
  • This partially spherical shape of the outer surface allows a ball joint connection.
  • the outer surface has at least one curved groove.
  • the convex groove makes it possible on the one hand to form the finger of the finger ball joint, and on the other hand allows the transmission of significant torque between the device and an element positioned on the external surface of the device (for example a plate or a disk).
  • This design of the device to form a finger joint connection allows high compactness, large angular movement, and ease of implementation.
  • the groove and the groove or grooves are parallel to the axis of revolution of the device.
  • the groove or grooves have a curved shape parallel to the generally spherical shape of the outer surface of the device.
  • the outer surface has a plurality of curved splines regularly distributed over the circumference of the spherical surface. In this way, a larger torque can be transmitted between the device according to the invention, and the element positioned on the outer surface of the device.
  • the grooves are preferably parallel to each other.
  • the outer surface of the device may comprise between five and nineteen corrugated grooves, preferably between seven and thirteen, in order to optimize the manufacturing and the torque transmissible by the device, as well as to optimize the distribution of forces in the fluting.
  • the grooves may have a substantially rectangular section, substantially square or substantially trapezoidal. Flutes may have fillet radii to avoid stress concentrations.
  • the device according to the invention may be symmetrical with respect to a plane perpendicular to its axis of revolution.
  • the device is simple to manufacture.
  • the groove may have a substantially rectangular section. In this way, it is possible to use, in an easy manner, a substantially parallelepipedal key to transmit the torque.
  • the device may consist of a single piece.
  • the device according to the invention can be made of metal, in particular of ferrous metal alloy, for example steel, in order to have sufficient strength to transmit high torques.
  • the device according to the invention can be obtained by machining, molding, additive manufacturing, or any similar method.
  • the device according to the invention may have at least one of the following dimensions: the ratio of the diameter of the sphere to the length of the device along the axis of revolution may be between 1 and 2, preferably between 1.4 and 1.6, and may be for example 1.45,
  • the sections of the groove and the key can depend on the diameter of the internal surface and the torque to be transmitted,
  • the section of the curved grooves may have dimensions of between 300 and 1000 mm 2 and more specifically between 500 and 700 mm 2 .
  • FIG. 3 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, a device for forming a finger-joint connection according to one embodiment of the invention.
  • the device 10 is a piece of revolution about the axis XX.
  • the device 10 is hollow, and has a cylindrical inner surface 1 1.
  • the inner surface 1 1 has a groove 14.
  • the section of the groove 14 is substantially rectangular.
  • the device 10 comprises an outer surface 12 having the shape of substantially a truncated sphere at its two ends, the truncation being carried out at two planes perpendicular to the axis XX.
  • the outer surface 12 has a plurality of curved splines 13, in the case shown nine curved splines 13.
  • the curved splines 13 have an outer surface substantially parallel to the outer surface 12 of the device. It is about 13 involute flutes of circle.
  • the angle ⁇ formed by two ends of the outer surface of the device according to the invention and the center the sphere (corresponding to the outer surface) may be between 60 ° and 120 °, more specifically between 80 ° and 100 °, and preferably is substantially 90 °. This angle ensures a large patella surface, and therefore allows a large angular deflection, for example of the order of 40 °.
  • FIG. 4 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, the assembly of a shaft 15 with a device 10 to form a finger-joint connection according to one embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a sectional view along an axial sectional plane (plane comprising the axis of revolution XX) of this assembly. In this figure, only a curved groove 13 is shown.
  • the shaft 15 is mounted in the device 10 by means of a key 17.
  • the point E1 corresponds to a first end of the outer surface 12 of the device 10
  • the point E2 corresponds to a second end (opposite to the first end) of the outer surface 12 of the device 10
  • the point O corresponds to the center of the sphere of the outer surface 12.
  • the angle ⁇ formed by the points E1, O and E2 is substantially 90 °.
  • the invention relates to a connection between a tree and a plate (or disk) for example.
  • This connection is a finger-joint connection.
  • the connection is implemented by the device to form a finger-joint connection according to any combination of features described above.
  • the device for forming a finger ball is mounted on the shaft by means of at least one key.
  • the plate is mounted on the outer surface of the device to form a connection finger ball joint by means of at least one curved groove cooperating with the curved groove or grooves.
  • a finger ball joint is formed between the shaft and the plate: the plate can rotate by means of the spherical outer surface of the device, and the torque can be transmitted from the shaft to the plate by the key and by the curved groove or grooves.
  • the connection allows a finger-to-finger connection having a high compactness, a large angular displacement, and a simplicity of implementation.
  • the plate may comprise a substantially spherical inner surface.
  • the plate may consist of two half-shells.
  • the tray can be made in one piece.
  • the plate may comprise means forming an angular stop. It may be a surface coming into contact with the shaft, for example, the plate may comprise a conical inner surface coming into contact with the shaft for the maximum deflection angle.
  • Figure 5 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, the connection of a shaft 15 to a plate 16 by means of the device 10 to form a finger joint connection as defined above.
  • the device 10 shown corresponds to the embodiment of Figure 3.
  • the shaft 15 is mounted in the device 10 by means of a key 17.
  • the plate 16 is mounted on the device 10 by means of grooves (grooves females) cooperating with the curved grooves 13 of the outer surface of the device 10.
  • the invention relates to a barrel pump with a turntable comprising a connection as defined above, between a drive shaft and the turntable.
  • the purpose of the barrel pump is to pump a fluid (eg water, oil, gas, drilling muds, etc.) by means of a linear displacement of several pistons.
  • a fluid eg water, oil, gas, drilling muds, etc.
  • This type of pump has the advantage of being compact, having interesting mechanical and volumetric efficiencies, an excellent weight / power ratio.
  • barrel pumps with a turntable are suitable for high pressure pumping.
  • the barrel pump according to the invention comprises a housing and comprises within a housing:
  • a drive shaft it is driven in rotation, relative to the housing by an external energy source, including a driving machine (for example thermal or electrical), in particular by means of a transmission (for example a gearbox),
  • a driving machine for example thermal or electrical
  • a transmission for example a gearbox
  • the turntable is inclined with respect to the drive shaft; the inclination of the turntable generates an oscillation movement of the turntable; the turntable has a rotational movement and an oscillation movement with respect to the housing,
  • a cylinder block (called a barrel), comprising at least two compression chambers (also called jackets) distributed circumferentially (in other words the compression chambers are distributed in a circle), and
  • the pistons are driven by the rotary plate by means of rods (the rods connect, by means of ball joints, the turntable and the pistons so as to transform the movement of the piston. oscillation in translational movement of the pistons), and the translation of the pistons within the compression chambers realize the pumping of the fluid.
  • the rotary plate is driven by the drive shaft by means of a finger ball joint according to the invention, the position of the finger ball joint determining the inclination of the rotary plate relative to the shaft. drive.
  • the finger of the ball joint allows the adjustment of the inclination of the plates relative to the drive shaft.
  • the pump comprises means for controlling the finger ball, and thus the inclination of the turntable relative to the drive shaft.
  • the inclination of the turntable is continuously adjustable, which allows a variable displacement.
  • the inclination of the plate affects the stroke of the pistons.
  • the pump according to the invention allows good flexibility thanks to the continuous variation of the unit cubic capacity.
  • the pump according to the invention allows a good reliability thanks to the possibility of progressive operation of the pump: for example, during start-up, the angle of inclination may be low, and subsequently, it may be increased depending on the desired conditions (flow and fluid pressure). This reliability can not be obtained with a pump whose inclination of the plate is fixed, or for which the inclination can not vary continuously.
  • the tray may be substantially disk-shaped. However, the tray can have any shape. Only the compression chambers (and the pistons) are distributed on a circle.
  • the pump according to the invention may comprise a number of pistons of between three and fifteen, preferably between five and eleven.
  • a large number of pistons provides a continuous flow upstream and downstream of the pump.
  • the pump further comprises an inlet and an outlet of the fluid to be pumped.
  • the fluid passes through the inlet of the pump, enters a compression chamber, is compressed, and is discharged from the pump through the outlet by means of the piston.
  • pivot links are formed by bearings or bearings, favoring the relative movement of the elements.
  • the cylinder block (or barrel) can be fixed relative to the housing.
  • the supply of energy to perform the pumping is performed at the drive shaft only, by the rotation thereof; the number of rotating parts is thus restricted.
  • the cylinder block can also be rotatable relative to the housing.
  • the invention also relates to the use of the pump according to the invention for a drilling operation, in particular for the injection of drilling muds into a wellbore.
  • the pump according to the invention is well suited to this use, for its flexibility, compactness, and resistance to high pressures.
  • the pump according to the invention can be sized to operate up to pressures of the order of 1500 bars, that is to say 150 MPa.
  • the pump according to the invention can be sized to operate at flow rates ranging from 30 to 600 m 3 / h.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Reciprocating Pumps (AREA)
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Abstract

La présente invention concerne un dispositif pour former une liaison rotule à doigt. Le dispositif (10) comprend une surface interne cylindrique (11). Le dispositif comporte une surface externe (12) ayant une forme de sphère tronquée à ses extrémités. Selon l'invention, la surface interne (11) comporte au moins une rainure (14) ou une cannelure. En outre, la surface externe (12) comporte au moins une cannelure bombée (13). L'invention concerne également une connexion entre un arbre et un plateau avec un tel dispositif, ainsi qu'une pompe à barillet équipé d'un tel dispositif.

Description

DISPOSITIF DE FORME SPHERIQUE ET MUNI DE CANNELURES BOMBEES POUR FORMER UNE LIAISON ROTULE A DOIGT, ET POMPE A BARILLET MUNI D'UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne le domaine des liaisons rotule à doigt, en particulier pour l'utilisation dans une pompe à barillet.
Une liaison rotule à doigt (également appelée liaison sphérique à doigt) est une liaison entre deux éléments mécaniques, qui dispose de quatre degrés de liaisons et deux degrés de mouvements relatifs ; seulement deux rotations relatives sont possibles, les trois translations et la dernière rotation étant liées. D'une manière générale, il s'agit d'une rotule dotée d'un doigt faisant obstacle à une rotation. Le principe de fonctionnement de ce type de liaison est d'assurer la transmission de couple entre deux ensembles en rotation dont les axes ne sont pas colinéaires. Par exemple, dans le cas d'une pompe à barillet, il peut s'agir d'une liaison entre l'arbre d'entraînement et le plateau rotatif.
Aujourd'hui, on trouve deux grands types de liaisons sphériques à doigt :
• Les joints de cardan (figure 1 ) permettent des transmissions de couple très importantes mais avec un débattement angulaire relativement faible (autour de 20 degrés). Ils sont également relativement encombrants. Le joint de cardan est le mécanisme de rotule à doigt le plus utilisé dans les systèmes mécaniques, par exemple dans le domaine automobile. La figure 1 illustre un exemple de joint de cardan double dans deux positions distinctes. Le joint de cardan comprend deux manchons 1 et 3 à ses extrémités, et un arbre 2 agencé entre les manchons 1 et 3. Une articulation 4 est assemblée entre le manchon 1 et l'arbre 2. De la même manière, une articulation 5 est assemblée entre l'arbre 2 et le manchon 3. Chaque articulation 4 et 5 comprend deux fourches et un croisillon (non représentés), afin de permettre les mouvements relatifs des pièces. Le débattement angulaire a est faible de l'ordre de 20°.
• Les rotules à billes (figure 2) sont très compactes et offrent des débattements angulaires dépassant les 50 degrés. Cependant, les couples transmissibles sont plus faibles que pour les joints de cardan, et en outre, leur montage et leur mise en œuvre (lubrification par exemple) sont relativement complexes. La figure 2 illustre un exemple de rotule à billes. La rotule à bille permet la connexion entre un arbre 6 et un arbre 8. La rotule à billes comprend un chemin de roulement 7 sensiblement sphérique, dans lequel circulent des billes 9. On connaît également de la demande de brevet WO 2017051710 une liaison rotule à doigt ayant une amplitude angulaire intéressante. Toutefois, la complexité du mécanisme est importante, et le couple transmissible relativement faible. Par ailleurs, il existe d'autres exemples de ce type de liaison pour des applications à faible vitesse de rotation et faible couple, et qui ne sont pas adaptés aux couples élevés et/ou aux vitesses de rotation élevées.
Pour pallier ces inconvénients, la présente invention concerne un dispositif pour former une liaison rotule à doigt. Le dispositif comprend une surface interne cylindrique permettant le montage sur un arbre. Le dispositif comporte une surface externe ayant une forme de sphère tronquée à ses extrémités. Selon l'invention, la surface interne comporte au moins une rainure ou une cannelure pour l'insertion d'une clavette pour transmettre le couple entre un arbre et le dispositif. En outre, la surface externe comporte au moins une cannelure bombée pour transmettre le couple entre le dispositif et un composant, notamment un plateau ou un disque. Cette forme spécifique (sphérique avec au moins une cannelure) assure la liaison rotule à doigt, et permet la transmission de couple élevé, ainsi qu'un débattement angulaire important. Le dispositif selon l'invention
L'invention concerne un dispositif pour former une liaison rotule à doigt sous forme d'une pièce de révolution creuse comprenant une surface interne sensiblement cylindrique et une surface externe ayant sensiblement la forme d'une sphère tronquée à ses deux extrémités. Ladite surface interne comporte au moins une rainure, et en ce que ladite surface externe comporte au moins une cannelure bombée.
Selon un mode de réalisation, ladite surface externe comporte une pluralité de cannelures bombées régulièrement réparties.
Avantageusement, ladite surface externe comporte entre cinq et dix-neuf cannelures bombées, de préférence entre sept et treize cannelures bombées.
Conformément à une mise en œuvre, lesdites cannelures bombées ont une section sensiblement carrée, rectangulaire ou trapézoïdale.
Selon un aspect, ledit dispositif est formé d'une pièce monobloc.
Conformément à une caractéristique, ledit dispositif est en métal, notamment en alliage ferreux, de préférence en acier. De manière avantageuse, selon un plan de coupe axial dudit dispositif, l'angle β formé par deux extrémités de ladite surface externe dudit dispositif et le centre de ladite sphère est compris entre 60 et 120°, notamment entre 80 et 100°, et de préférence l'angle β vaut sensiblement 90°.
De plus, l'invention concerne une connexion entre un arbre et un plateau. Un dispositif pour former une liaison rotule à doigt selon l'une des caractéristiques précédentes est monté sur ledit arbre au moyen d'au moins une clavette ou d'un arbre cannelé, et ledit plateau est monté sur ladite surface externe dudit dispositif pour former une liaison rotule à doigt au moyen d'au moins une rainure coopérant avec ladite au moins une cannelure bombée.
Avantageusement, ledit plateau comporte au moins un moyen formant une butée angulaire.
En outre, l'invention concerne une pompe à barillet avec plateau tournant comprenant une connexion selon l'une des caractéristiques précédentes pour la liaison entre un arbre d'entraînement et ledit plateau tournant.
L'invention concerne également une utilisation de ladite pompe à barillet selon l'une des caractéristiques précédentes, pour une opération de forage, en particulier pour l'injection d'une boue de forage.
Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 , déjà décrite, illustre un joint de cardan selon l'art antérieur.
La figure 2, déjà décrite, illustre une rotule à billes selon l'art antérieur.
La figure 3 illustre un dispositif pour former une liaison rotule à doigt selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 4 illustre une vue en coupe d'un dispositif pour former une liaison rotule à doigt selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 5 illustre une liaison rotule à doigt entre un arbre et un plateau selon un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de l'invention
La présente invention concerne un dispositif pour former une liaison rotule à doigt. Une liaison rotule à doigt est une liaison entre deux éléments mécaniques, qui dispose de quatre degrés de liaisons et deux degrés de mouvements relatifs ; seulement deux rotations relatives sont possibles, les trois translations et la dernière rotation étant liées. D'une manière générale, il s'agit d'une rotule dotée d'un doigt faisant obstacle à une rotation. Le principe de fonctionnement de ce type de liaison est d'assurer la transmission de couple entre deux ensembles en rotation dont les axes ne sont pas colinéaires.
Pour des raisons de clarté de la description, le terme dispositif est utilisé dans la suite de la description pour désigner le dispositif pour former une liaison rotule à doigt.
Selon l'invention, le dispositif pour former la rotule à doigt est une pièce de révolution creuse. On rappelle qu'en géométrie, une pièce de révolution est une pièce engendrée par une surface plane fermée tournant autour d'un axe situé dans le même plan qu'elle et ne possédant en commun avec elle aucun point ou seulement des points de sa frontière.
Le dispositif pour former la rotule à doigt comprend une surface interne sensiblement cylindrique. Ainsi, le creux du dispositif est sensiblement cylindrique. De cette manière, le dispositif est adapté pour être monté sur un arbre cylindrique. La surface interne comprend au moins une rainure pour l'insertion d'une clavette ou d'un arbre cannelé (cas d'une pluralité de cannelures), dans le but de transmettre le couple entre un arbre et le dispositif. L'utilisation d'une transmission par clavette ou par cannelures permet la transmission de couple important.
Le dispositif selon l'invention comprend une surface externe ayant sensiblement la forme d'une sphère tronquée à ses extrémités. La sphère est tronquée par deux plans perpendiculaires à l'axe de révolution du dispositif. Cette forme partiellement sphérique de la surface externe permet une liaison rotule. De plus, la surface externe comporte au moins une cannelure bombée. La cannelure bombée permet d'une part de former le doigt de la rotule à doigt, et d'autre part permet la transmission de couple important, entre le dispositif et un élément positionné sur la surface externe du dispositif (par exemple un plateau ou un disque).
Cette conception du dispositif pour former une liaison rotule à doigt permet une compacité élevée, un débattement angulaire important, et une simplicité de mise en œuvre.
De manière avantageuse, la rainure et la ou les cannelures sont parallèles à l'axe de révolution du dispositif. De préférence, la ou les cannelures ont une forme bombée parallèle à la forme globalement sphérique de la surface externe du dispositif. Ainsi, il peut s'agir de cannelures à développantes de cercle afin d'avoir le plus grand couple transmissible. Selon un aspect de l'invention, la surface externe comporte une pluralité de cannelures bombées régulièrement réparties sur la circonférence de la surface sphérique. De cette manière, un couple plus important peut être transmis entre le dispositif selon l'invention, et l'élément positionné sur la surface externe du dispositif. Les cannelures sont de préférence parallèles entre elles. Par exemple, la surface externe du dispositif peut comprendre entre cinq et dix-neuf cannelures bombées, de préférence entre sept et treize, afin d'optimiser la fabrication et le couple transmissible par le dispositif, ainsi que pour optimiser la répartition des efforts dans les cannelures.
Afin d'avoir une bonne résistance mécanique des cannelures bombées, les cannelures peuvent avoir une section sensiblement rectangulaire, sensiblement carrée ou sensiblement trapézoïdale. Les cannelures peuvent présenter des rayons de congés pour éviter les concentrations de contraintes.
Avantageusement, le dispositif selon l'invention peut être symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à son axe de révolution. Ainsi, le dispositif est simple à fabriquer.
Selon une caractéristique de l'invention, la rainure peut avoir une section sensiblement rectangulaire. De cette manière, il est possible d'utiliser, de manière aisée, une clavette sensiblement parallélépipédique pour transmettre le couple.
De manière à simplifier le montage et la fabrication du dispositif selon l'invention, le dispositif peut être constitué d'une pièce monobloc.
Avantageusement, le dispositif selon l'invention peut être réalisé en métal, notamment en alliage métallique ferreux, par exemple en acier, afin de posséder la résistance suffisante pour transmettre des couples élevés.
Le dispositif selon l'invention peut être obtenu par usinage, moulage, fabrication additive, ou toute méthode analogue.
Selon un exemple non limitatif de réalisation, le dispositif selon l'invention peut avoir au moins une des dimensions suivantes : - le ratio du diamètre de la sphère sur la longueur du dispositif selon l'axe de révolution peut être compris entre 1 et 2, de préférence entre 1 .4 et 1 .6, et peut valoir par exemple 1 .45,
- les sections de la rainure et de la clavette peuvent dépendre du diamètre de la surface interne et du couple à transmettre,
- le section des cannelures bombées peut avoir des dimensions comprises entre 300 et 1000 mm2 et plus spécifiquement entre 500 et 700 mm2.
La figure 3 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un dispositif pour former une liaison rotule à doigt selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 10 est une pièce de révolution autour de l'axe XX. Le dispositif 10 est creux, et comporte une surface interne 1 1 cylindrique. La surface interne 1 1 comporte une rainure 14. La section de la rainure 14 est sensiblement rectangulaire. Le dispositif 10 comporte une surface externe 12 ayant la forme sensiblement d'une sphère tronquée à ses deux extrémités, la troncature étant réalisée au niveau de deux plans perpendiculaires à l'axe XX. La surface externe 12 comporte une pluralité de cannelures bombées 13, dans le cas illustré neuf cannelures bombées 13. Les cannelures bombées 13 ont une surface externe sensiblement parallèle à la surface externe 12 du dispositif. Il s'agit de cannelures 13 à développantes de cercle.
Conformément à un mode de réalisation de l'invention, selon un plan de coupe axial dudit dispositif (plan comprenant l'axe de révolution), l'angle β formé par deux extrémités de la surface externe du dispositif selon l'invention et le centre de la sphère (correspondant à la surface externe) peut être compris entre 60° et 120°, plus spécifiquement entre 80° et 100°, et de préférence vaut sensiblement 90°. Cet angle permet d'assurer une grande surface de rotule, et par conséquent permet un débattement angulaire important, par exemple de l'ordre de 40°.
La figure 4 illustre, schématiquement et de manière non limitative, l'assemblage d'un arbre 15 avec un dispositif 10 pour former une liaison rotule à doigt selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 4 est une vue en coupe selon un plan de coupe axial (plan comprenant l'axe de révolution XX) de cet assemblage. Sur cette figure, seule une cannelure bombée 13 est représentée. L'arbre 15 est monté dans le dispositif 10 au moyen d'une clavette 17. Sur cette figure, le point E1 correspond à une première extrémité de la surface externe 12 du dispositif 10, le point E2 correspond à une deuxième extrémité (opposée à la première extrémité) de la surface externe 12 du dispositif 10, et le point O correspond au centre de la sphère de la surface externe 12. L'angle β formé par les points E1 , O et E2 vaut sensiblement 90°. De plus, l'invention concerne une connexion entre un arbre et un plateau (ou disque) par exemple. Cette connexion est une liaison rotule à doigt. La connexion est mise en œuvre par le dispositif pour former une liaison rotule à doigt selon l'une quelconque des combinaisons de caractéristiques précédemment décrites. Ainsi, pour cette connexion, le dispositif pour former une rotule à doigt est monté sur l'arbre au moyen d'au moins une clavette. De plus, le plateau est monté sur la surface externe du dispositif pour former une liaison une rotule à doigt au moyen d'au moins une rainure bombée coopérant avec la ou les cannelures bombées.
Grâce à l'invention, une liaison rotule à doigt est formée entre l'arbre et le plateau : le plateau peut tourner au moyen de la surface externe sphérique du dispositif, et le couple peut être transmis de l'arbre au plateau par la clavette et par la ou les cannelures bombées.
Il s'agit ici d'une liaison sphérique à doigt à vitesse constante sans glissement. Cela signifie que la vitesse de rotation en entrée de la liaison est identique à la vitesse de rotation en sortie de la liaison, et que, cette liaison se fait sans glissement mais par un entraînement mécanique direct.
Cette conception de la connexion permet une liaison rotule à doigt ayant une compacité élevée, un débattement angulaire important, et une simplicité de mise en œuvre. Pour réaliser la liaison rotule à doigt, le plateau peut comporter une surface interne sensiblement sphérique.
Afin de faciliter l'assemblage de la connexion, le plateau peut être constitué de deux demi-coquilles. Alternativement, le plateau peut être réalisé en une seule pièce.
Selon un aspect de l'invention, le plateau (ou disque) peut comprendre un moyen formant une butée angulaire. Il peut s'agir d'une surface venant en contact avec l'arbre, par exemple, le plateau peut comprendre une surface interne conique venant en contact avec l'arbre pour l'angle de débattement maximal.
La figure 5 illustre, schématiquement et de manière non limitative, la connexion d'un arbre 15 à un plateau 16 au moyen du dispositif 10 pour former une liaison rotule à doigt telle que définie précédemment. Le dispositif 10 représenté correspond au mode de réalisation de la figure 3. L'arbre 15 est monté dans le dispositif 10 au moyen d'une clavette 17. De plus, le plateau 16 est monté sur le dispositif 10 au moyen de rainures (cannelures femelles) coopérant avec les cannelures bombées 13 de la surface externe du dispositif 10. En outre, l'invention concerne une pompe à barillet avec plateau tournant comprenant une connexion telle que définie ci-dessus, entre un arbre d'entraînement et le plateau tournant.
La pompe à barillet a pour but de pomper un fluide (par exemple : eau, huile, gaz, boues de forage, etc.) au moyen d'un déplacement linéaire de plusieurs pistons. Ce type de pompe présente l'avantage d'être compacte, d'avoir des rendements mécaniques et volumétriques intéressants, un excellent rapport poids/puissance. De plus, les pompes à barillet avec un plateau tournant sont adaptées au pompage haute pression.
La pompe à barillet selon l'invention comporte un carter et comporte au sein d'un carter :
- un arbre d'entraînement : celui-ci est entraîné en rotation, par rapport au carter par une source d'énergie extérieure, notamment une machine motrice (par exemple thermique ou électrique), en particulier au moyen d'une transmission (par exemple une boîte de vitesses),
- un plateau rotatif entraîné par l'arbre d'entraînement : le plateau rotatif est incliné par rapport à l'arbre d'entraînement ; l'inclinaison du plateau rotatif génère un mouvement d'oscillation du plateau rotatif ; le plateau rotatif possède un mouvement de rotation et un mouvement d'oscillation par rapport au carter,
- un bloc cylindre (appelé barillet), comportant au moins deux chambres de compression (appelés également chemises) réparties circonférentiellement (en d'autres termes les chambres de compression sont réparties selon un cercle), et
- au moins deux pistons en translation respectivement dans les chambres de compression, les pistons sont entraînés par le plateau rotatif au moyen de bielles (les bielles relient, au moyen de liaisons rotules, le plateau rotatif et les pistons de manière à transformer le mouvement d'oscillation en mouvement de translation des pistons), et la translation des pistons au sein des chambres de compression réalisent le pompage du fluide.
Selon l'invention, le plateau rotatif est entraîné par l'arbre d'entraînement au moyen d'une rotule à doigt selon l'invention, la position de la rotule à doigt déterminant l'inclinaison du plateau rotatif par rapport à l'arbre d'entraînement. Pour l'invention, le doigt de la liaison rotule permet le réglage de l'inclinaison des plateaux par rapport à l'arbre d'entraînement. En effet, la pompe comprend des moyens pour commander la rotule à doigt, et donc l'inclinaison du plateau rotatif par rapport à l'arbre d'entraînement.
Ainsi, l'inclinaison du plateau rotatif est réglable de manière continue, ce qui permet une cylindrée variable. En effet, l'inclinaison du plateau influe sur la course des pistons. De plus, la pompe selon l'invention permet une bonne flexibilité grâce à la variation continue de la cylindrée unitaire. En outre, la pompe selon l'invention permet une bonne fiabilité grâce à la possibilité de mise en fonctionnement progressive de la pompe : par exemple, lors du démarrage, l'angle d'inclinaison peut être faible, et par la suite, il peut être augmenté en fonction des conditions souhaitées (débit et pression du fluide). Cette fiabilité ne peut pas être obtenue avec une pompe dont l'inclinaison du plateau est fixe, ou pour laquelle l'inclinaison ne peut pas varier de manière continue.
Le plateau peut avoir sensiblement la forme de disque. Toutefois, le plateau peut avoir n'importe quelle forme. Seules les chambres de compression (et les pistons) sont réparties sur un cercle.
Avantageusement, la pompe selon l'invention peut comporter un nombre de pistons compris entre trois et quinze, de préférence entre cinq et onze. Ainsi, un nombre élevé de pistons offre un flux continu en amont et en aval de la pompe.
De manière classique, la pompe comporte en outre une entrée et une sortie du fluide à pomper. Le fluide passe par l'entrée de la pompe, entre dans une chambre de compression, est comprimé, puis refoulé de la pompe par la sortie au moyen du piston.
De plus, classiquement, les liaisons pivots sont formées par des paliers ou des roulements, favorisant le mouvement relatif des éléments.
De préférence, le bloc cylindre (ou barillet) peut être fixe par rapport au carter. Ainsi, l'apport d'énergie pour réaliser le pompage est réalisé au niveau de l'arbre d'entraînement uniquement, par la rotation de celui-ci ; le nombre de pièces en rotation est ainsi restreint.
Alternativement, le bloc cylindre peut être aussi rotatif par rapport au carter.
L'avantage de cette architecture est que l'on peut aisément rendre le plateau réglable en inclinaison et ainsi avoir la possibilité de cylindrée variable.
L'invention concerne également l'utilisation de la pompe selon l'invention pour une opération de forage, en particulier pour l'injection de boues de forage dans un puits de forage. En effet, la pompe selon l'invention est bien adaptée à cette utilisation, par sa flexibilité, sa compacité, et sa résistance aux hautes pressions.
Par exemple la pompe selon l'invention peut être dimensionnée pour fonctionner jusqu'à des pressions de l'ordre de 1500 bars, c'est-à-dire 150 MPa. En outre, la pompe selon l'invention peut être dimensionnée pour fonctionner à des débits variant de 30 à 600 m3/h.

Claims

Revendications
1 ) Dispositif pour former une liaison rotule à doigt sous forme d'une pièce de révolution creuse comprenant une surface interne (1 1 ) sensiblement cylindrique et une surface externe (12) ayant sensiblement la forme d'une sphère tronquée à ses deux extrémités, caractérisé en ce que ladite surface interne (1 1 ) comporte au moins une rainure (14) ou au moins une cannelure, et en ce que ladite surface externe (12) comporte au moins une cannelure bombée (13).
2) Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel ladite surface externe (12) comporte une pluralité de cannelures bombées régulièrement réparties (13).
3) Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ladite surface externe (12) comporte entre cinq et dix-neuf cannelures bombées (13), de préférence entre sept et treize cannelures bombées (13).
4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites cannelures bombées (13) ont une section sensiblement carrée, rectangulaire ou trapézoïdale.
5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif (10) est formé d'une pièce monobloc.
6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif (10) est en métal, notamment en alliage ferreux, de préférence en acier. 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel selon un plan de coupe axial dudit dispositif (10), l'angle β formé par deux extrémités de ladite surface externe (12) dudit dispositif (10) et le centre (O) de ladite sphère est compris entre 60 et 120°, notamment entre 80 et 100°, et de préférence l'angle β vaut sensiblement 90°. 8) Connexion entre un arbre (15) et un plateau (16), caractérisé en ce qu'un dispositif (10) pour former une liaison rotule à doigt selon l'une des revendications précédentes est monté sur ledit arbre (15) au moyen d'au moins une clavette (17) ou d'un arbre cannelé, et en ce que ledit plateau (16) est monté sur ladite surface externe (12) dudit dispositif (10) pour former une liaison rotule à doigt au moyen d'au moins une rainure coopérant avec ladite au moins une cannelure bombée (13). 9) Connexion selon la revendication 8, dans laquelle ledit plateau comporte au moins un moyen formant une butée angulaire.
10) Pompe à barillet avec plateau tournant comprenant une connexion selon l'une des revendications 8 ou 9 pour la liaison entre un arbre d'entraînement (15) et ledit plateau tournant (16).
1 1 ) Utilisation de ladite pompe à barillet selon la revendication 10, pour une opération de forage, en particulier pour l'injection d'une boue de forage.
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