кулачковое соединение буровых штанг

Формула изобретения

1. Кулачковое соединение буровых штанг, включающее расположенные на концах штанг трехкулачковые ведущую и ведомую полумуфты и хвостовик с упорным буртиком, закрепленный внутри ведомой полумуфты, зафиксированный от продольного перемещения внутри ведущей полумуфты при помощи фиксатора, установленного в отверстия хвостовика и ведущей полумуфты, выполненные перпендикулярно продольной оси кулачкового соединения, соосно с ней расположенный и имеющий наружный диаметр меньше внутреннего диаметра ведущей полумуфты на величину не менее двойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих граней кулачков относительно их номинального положения, отличающееся тем, что хвостовик шарнирно связан с ведомой полумуфтой посредством упорного буртика, контактирующего с торцевой поверхностью ведомой полумуфты, и пружинного упорного кольца, установленного в кольцевые канавки, выполненные на наружном диаметре хвостовика и внутреннем диаметре ведомой полумуфты с образованием зазора между внутренним диаметром пружинного упорного кольца и диаметром кольцевой канавки на хвостовике, причем величина этого зазора не менее величины зазора между наружным диаметром хвостовика и внутренним диаметром полумуфт, а высота упорного буртика хвостовика и глубина посадки пружинного упорного кольца в кольцевую канавку ведомой полумуфты, соответственно, более величины указанного зазора.

2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что внутренний диаметр ведомой полумуфты выполнен равным внутреннему диаметру ведущей полумуфты, а хвостовик имеет постоянный наружный диаметр по всей длине.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к бурению скважин, и может использоваться в других отраслях промышленности.

Известно кулачковое соединение буровых штанг, в котором хвостовик закреплен на одной из полумуфт так, что их продольные оси совпадают, а его выступающая часть входит внутрь другой полумуфты, и соединяется с ней с помощью фиксатора (см. рис.56, Фишман И.Д. и др. Буровой станок БСВ-3. М., Недра, 1968).

Недостатком данного технического решения является наличие на каждой полумуфте всего двух кулачков. При этом кулачки имеют большую ширину - четверть от длины окружности описывающей внешний диаметр полумуфт. В процессе передачи крутящего момента (М_кр) от одной полумуфты к другой материал каждого из двух кулачков работает весьма неравномерно - возле рабочих граней в нем будут возникать большие напряжение, а возле противоположных они будут приближаться к нулю.

Другим недостатком этого технического решения является отсутствие указаний о величине зазора между внутренними стенками верхней полумуфты и наружным диаметром выступающей части хвостовика, т.к. при неточном изготовлении кулачков и малой величине указанного зазора при передаче М_кр возможна работа только одного кулачка.

Наиболее близким является кулачковое соединение буровых штанг, включающее расположенные на концах трехкулачковые ведущую и ведомую полумуфты и хвостовик с упорным буртиком, закрепленный внутри ведомой полумуфты, зафиксированный от продольного перемещения внутри ведущей полумуфты при помощи фиксатора, установленного в отверстия хвостовика и ведущей полумуфты, выполненные перпендикулярно продольной оси кулачкового соединения, соосно с ней расположенный и имеющий наружный диаметр меньше внутреннего диаметра ведущей полумуфты на величину не менее двойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих граней кулачков относительно их номинального положения (см. патент РФ № 2061832, кл Е 21 В 17/04, 1996). Данное техническое решение позволяет обеспечить более равномерную работу материла по всей ширине кулачков за счет увеличения их количества до трех штук, и обеспечения возможности относительного перемещения кулачков полумуфт до контакта рабочих поверхностей всех кулачков одновременно.

Недостаток данного технического решения заключается в необходимости увеличения диаметра отверстия в хвостовике под соединительный фиксатор, или уменьшения диаметра последнего для образования большего зазора (исключающего деформирование фиксатора), с целью обеспечения беспрепятственного перемещения кулачков полумуфт при передаче крутящего момента до контакта рабочих граней всех кулачков одновременно. При бурении перемежающихся по крепости и трещиноватости пород, равно как и при "прошуровке" бурового става (вращение под нагрузкой с перемещением бурового става вверх-вниз), это будет приводить к разъединению кулачков в продольном направлении, уменьшению их площади контакта, увеличению нагрузок на них и, как следствие, к снижению надежности и долговечности кулачкового соединения буровых штанг.

Изобретение направлено на повышение надежности и долговечности кулачкового соединения буровых штанг при его использование в сложных горно-геологических условиях.

Указанная цель достигается тем, что в кулачковом соединении буровых штанг, включающем расположенные на концах штанг трехкулачковые ведущую и ведомую полумуфты и хвостовик с упорным буртиком, закрепленный внутри ведомой полумуфты, зафиксированный от продольного перемещения внутри ведущей полумуфты при помощи фиксатора, установленного в отверстия хвостовика и ведущей полумуфты, выполненные перпендикулярно продольной оси кулачкового соединения, соосно с ней расположенный и имеющий наружный диаметр меньше внутреннего диаметра ведущей полумуфты на величину не менее двойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих граней кулачков относительно их номинального положения, хвостовик шарнирно связан с ведомой полумуфтой посредством упорного буртика, контактирующего с торцевой поверхностью ведомой полумуфты, и пружинного упорного кольца, установленного в кольцевые канавки, выполненные на наружном диаметре хвостовика и внутреннем диаметре ведомой полумуфты с образованием зазора между внутренним диаметром пружинного упорного кольца и диаметром кольцевой канавки на хвостовике, причем величина этого зазора не менее величины зазора между наружным диаметром хвостовика и внутренним диаметром полумуфт, а высота упорного буртика хвостовика и глубина посадки пружинного упорного кольца в кольцевую канавку ведомой полумуфты, соответственно, более величины указанного зазора. При этом внутренний диаметр ведомой полумуфты выполнен равным внутреннему диаметру ведущей полумуфты, а хвостовик имеет постоянный диаметр по всей длине.

На фиг.1 показан общий вид кулачкового соединения буровых штанг; на фиг.2 - разрез соединения по продольной оси; на фиг.3 - поперечный разрез кулачкового соединения в зоне кулачков.

Кулачковое соединение буровых штанг состоит из двух кольцевых полумуфт (ведущая 1 и ведомая 2), имеющих одинаковый внутренний диаметр, хвостовика 3 и фиксатора 4.

Ведущая полумуфта 1 соединена со штангой 5, а ведомая полумуфта 2 - со штангой 6, например, сваркой. На каждой полумуфте выполнено по три кулачка 7, которые предназначены для передачи крутящего момента (М_кр) через рабочие грани 8 и осевых усилий через торцевые поверхности 9 от ведущей полумуфты 1 к ведомой 2, т.е. от штанги 5 к штанге 6. Хвостовик 3 с фиксатором 4 предназначен для удержания штанг 5 и 6 в сомкнутом состоянии при спускоподъемных операциях бурового става и бурении сложных забоев. Хвостовик 3 имеет постоянный наружный диаметр по всей длине и размещен внутри полумуфт так, что их продольные оси совпадают, т.е. соосно. При этом наружный диаметр хвостовика 3 выполнен меньше внутреннего диаметра полумуфт на величину не менее двойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих граней 8, т.е. между ними образован гарантированный зазор 10. Верхняя часть хвостовика 3 предназначена для соединения с ведущей полумуфтой 1 при помощи фиксатора 4, который размещается (без образования дополнительного зазора) в отверстиях 11 ведущей полумуфты 1 и отверстии 12 хвостовика 3, выполненных перпендикулярно продольной оси кулачкового соединения буровых штанг. Нижняя часть хвостовика 3 шарнирно связана с ведомой полумуфтой 2 посредством упорного буртика 13, контактирующего с торцевой поверхностью ведомой полумуфты 2, и пружинного упорного кольца 14, установленного в кольцевые канавки 15, выполненные на наружном диаметре хвостовика 3 и внутреннем диаметре ведомой полумуфты 2 с образованием зазора 16 между внутренним диаметром пружинного упорного кольца 14 и диаметром кольцевой канавки 15 на хвостовике 3. При этом величина образовавшегося зазора 16 не менее величины зазора 10 между наружным диаметром хвостовика 3 и внутренним диаметром полумуфт 1, 2, а высота упорного буртика 13 хвостовика 3 и глубина посадки пружинного упорного кольца 14 в кольцевую канавку 15 ведомой полумуфты 2 более величины зазора 10. Внутренний диаметр ведомой полумуфты 2 выполнен равным внутреннему диаметру ведущей полумуфты 1, а хвостовик 3 имеет постоянный наружный диаметр по всей длине.

Работает кулачковое соединение следующим образом.

В процессе бурения скважин механизмы вращения и подачи станка (на чертежах не показаны) передают на штангу 5 М_кр и осевые усилия. От штанги 5 эти нагрузки передаются полумуфте 1, кулачки 7 которой через рабочие грани 8 передают М_кр, а через торцевые поверхности 9 - усилие подачи на полумуфту 2, т.е. на штангу 6. Так как хвостовик 3 шарнирно связан при помощи пружинного упорного кольца 14 и упорного буртика 13 с ведомой полумуфтой 2 и имеет возможность относительного перемещения в поперечной плоскости кулачкового соединения, за счет наличия зазора 16, то при передаче М_кр, после возникновения контакта между рабочими гранями 8 на одной или двух парах кулачков 7, начинается перемещение в поперечной плоскости ведущей полумуфты 1 вместе с фиксатором 4 и хвостовиком 3 (поворот последнего вокруг собственной оси, поступательное перемещение и т.п.) относительно ведомой полумуфты 2 и пружинного упорного кольца 14 до возникновения контакта рабочих граней 8 и в третьей паре кулачков 7, после чего, собственно, и начинается процесс бурения скважины. При этом ввиду отсутствия дополнительного зазора (помимо технологического) между наружным диаметром фиксатора 4 и внутренними диаметрами отверстий 11 и ведущей полумуфты 1 и отверстия 12 хвостовика 3, взаимного перемещения полумуфт 1 и 2 в продольном направлении кулачкового соединения, приводящего к разъединению кулачков 7 и уменьшению площадей их контакта, не будет.

Данное техническое решение позволяет обеспечить надежный контакт всех рабочих граней кулачков одновременно и повысить тем самым надежность и долговечность всего кулачкового соединения буровых штанг при его использовании в сложных горно-геологических условиях.