шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины

Формула изобретения

1. Шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины, содержащее обойму с глухим осевым отверстием, подпятник со сферической поверхностью, вал со сферической концевой частью для взаимодействия со сферической поверхностью пяты и палец, отличающееся тем, что палец запрессован средней частью в радиальном сквозном отверстии вала, перпендикулярном к его оси, и свободно проходит через окна обоймы концевыми частями, на концах пальца свободно установлены два сухаря, причем сухари выполнены с параллельными плоскостями скольжения и размещены в окнах обоймы, имеющих плоские стенки, параллельные оси обоймы и взаимодействующие с плоскими стенками сухарей, в глухом осевом отверстии обоймы установлены и закреплены два полувкладыша, образующие сферическое углубление, сопрягающееся с наружной сферической поверхностью концевой части вала.

2. Шарнирное устройство по п.1, отличающееся тем, что внешняя поверхность сухарей и внутренняя поверхность обоих полувкладышей выполнены конусными с углами отклонения от смежной поверхности, превышающими острый угол возможного кругового отклонения вала в обойме.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике строительства скважин, а именно - к шарнирным устройствам винтовых героторных гидромашин (винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин и винтовых насосов для перекачивания жидкости).

Известно шарнирное устройство винтового насоса (патент США №4907906, опубл. 13.03.1990 г.). Данное устройство включает обойму с осевым и радиальными отверстиями, вал со сквозным пазом, имеющим плоские стенки, параллельные оси вала, палец цилиндрической формы, установленный в радиальных отверстиях обоймы и проходящий через паз вала.

В этом устройстве имеется ряд недостатков. Недостатком такого устройства является то, что момент от вала к обойме передается через цилиндрический палец по линии контакта пальца с плоскими стенками паза. При больших моментах в линии контакта возникают большие контактные напряжения, что приводит к быстрому износу поверхностей паза и к разрушению пальца.

Другим недостатком данного устройства является то, что осевая нагрузка от вала к обойме воспринимается пальцем, и большие ее значения приводят к быстрому износу пальца и поверхностей паза.

Известно также синхронное шарнирное устройство для передачи крутящего момента от ротора винтового забойного двигателя на вал опорного узла, применяемое для наклонно-направленного бурения (патент РФ №2186189, М.кл.⁶ 7 Е 21 В 4/02, F 04 C 2/00 опубл. 27.07.02 г., Бюл. №21). Такое устройство является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и выбрано в качестве прототипа. Оно включает обойму с радиальными отверстиями и осевым глухим отверстием со сферическим дном; вал со сферической концевой частью (пятой), взаимодействующей со сферическим дном осевого отверстия обоймы, и сквозным пазом, имеющим плоские стенки, параллельные оси вала; палец, установленный в радиальных отверстиях обоймы и проходящий через паз вала; втулку, размещенную в пазу вала, в которой установлен палец. Втулка выполнена с лысками на наружной поверхности для взаимодействия с плоскими стенками сквозного радиального отверстия вала.

Известное шарнирное устройство имеет ряд недостатков, а именно:

- невозможность передачи достаточно больших крутящих моментов из-за малой величины плеча сил, возникающих при передаче вращения;

- конструкция имеет небольшую площадь контакта (работают по ¹/₂ площади лысок втулки с каждой стороны), которую трудно увеличить из-за возможного ослабления сечения вала, поэтому в нем возникают значительные напряжения смятия;

- вал может перемещаться в осевом направлении относительно обоймы в пределах длины паза, что при циклических нагрузках ведет к разрушению шарнира;

- конструкция неремонтопригодна, так как палец приварен к обойме.

Задачей настоящего изобретения является создание шарнирного устройства винтовой героторной гидромашины (винтового забойного двигателя или винтового насоса), в котором:

- увеличивается долговечность основных деталей за счет увеличения их прочности;

- уменьшается износ контактирующих поверхностей сухарей и площадок окон за счет снижения напряжений их смятия;

- увеличивается передаваемый крутящий момент при сохранении малых габаритов шарнирного устройства;

- обеспечивается возможность разборки шарнира с целью его ремонта.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом шарнирном устройстве, содержащем обойму с глухим осевым отверстием, пяту со сферической поверхностью, вал со сферической концевой частью для взаимодействия со сферической поверхностью пяты и палец, согласно изобретению палец запрессован средней частью в радиальном, сквозном отверстии вала, перпендикулярном к его оси, и свободно проходит через окна обоймы концевыми частями, на концах пальца свободно установлены два сухаря, причем сухари выполнены с параллельными плоскостями скольжения и размещены в окнах обоймы, имеющих плоские стенки, параллельные оси обоймы и взаимодействующие с плоскими стенками сухарей; в осевом отверстии обоймы установлены и закреплены два полувкладыша, образующих сферическое углубление, сопрягающееся с наружной сферической поверхностью концевой части вала. Кроме того, внешняя поверхность сухарей и внутренняя поверхность обоих полувкладышей выполнены конусными с углами отклонения от смежной поверхности, превышающими острый угол возможного кругового отклонения вала в обойме.

В прототипе вал имеет возможность осевого перемещения относительно обоймы, то есть жестко не закреплен. А в предлагаемом изобретении установка полувкладышей “запирает” сферический конец вала и, таким образом, получается сферический шарнир, в котором вал может свободно вращаться и передавать крутящий момент под углом преломления . При этом вал не может перемещаться вдоль оси, что повышает жесткость крепления и тем самым уменьшает износ контактирующих поверхностей пяты и подпятника и повышает их долговечность.

В конструкции прототипа площадки контакта втулки и стенок сквозного радиального паза расположены внутри вала. Поэтому площадь контакта между втулкой и стенками в валу недостаточно велика, а плечо действия силы мало. В предлагаемой конструкции площадки контакта вынесены наружу, в обойму, что позволяет увеличить плечо приложения нагрузки и, соответственно, увеличивает нагрузочную способность шарнира. При передаче момента от вала к обойме плоские стенки окон обоймы взаимодействуют с площадками скольжения сухарей, при этом количество площадок увеличивается в два раза по сравнению с прототипом, что увеличивает площадь контакта, а следовательно, уменьшает износ контактирующих поверхностей за счет уменьшения напряжений смятия.

Увеличение длины окон также позволяет увеличить площадь их контакта с сухарями, что приводит к уменьшению напряжений смятия по сравнению с прототипом, благодаря чему износ деталей шарнирного устройства также уменьшается.

В прототипе палец концевыми частями приварен к обойме, а средняя часть свободно вращается относительно втулки, при этом втулка имеет возможность скольжения внутри сквозного паза, перпендикулярного оси вала. В предлагаемом изобретении палец средней частью запрессован в сквозном радиальном отверстии вала, что, в отличие от прототипа, обеспечивает его ремонтопригодность.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид шарнирного устройства винтовой героторной гидромашины в продольном разрезе; на фиг.2 показан поперечный разрез шарнирного устройства в месте расположения оси и сухарей (сечение А–А на фиг.1); на фиг.3 показан продольный разрез шарнирного устройства в месте расположения оси и сухарей, совмещенный с видом сбоку (сечение Б-Б на фиг.1).

Шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины, показанное на фиг.1-3, содержит вал 1, обойму 2, пяту 3, полувкладыши 4, сухари 5, палец 6. В верхней части обоймы 2 выполнено осевое отверстие G и два симметричных продольных окна D, имеющих плоские стенки, параллельные оси обоймы O₂O₂. В осевом отверстии G обоймы 2 установлена пята 3, выполненная со сферической поверхностью В, и помещен вал 1. В нижней его части выполнено сквозное радиальное отверстие С, перпендикулярное оси вала O₁O₁, в котором запрессован палец 6. На концах пальца 6 установлены сухари 5, имеющие плоскости скольжения D для взаимодействия с плоскими стенками окон обоймы 2. Концевая часть вала 1 выполнена с наружной сферической поверхностью В для взаимодействия передней его частью со сферической поверхностью пяты 3, а задней - со сферическими поверхностями Е полувкладышей 4. Полувкладыши 4, препятствующие осевому перемещению вала 1, закреплены на обойме 2 при помощи винтов 7. Кроме того, полувкладыши 4 имеют внутреннюю коническую поверхность К, уклон которой превышает угол преломления . Верхняя часть вала 1 соединена с ведущим звеном (ротором) винтовой героторной гидромашины, двигателя или насоса (не показано) с помощью, например, резьбы. Шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины может быть закрыто манжетой 8 и уплотнено резиновым кольцом 9. Манжета 8 закреплена одним концом на втулке 10, а другим - на валу 1 при помощи хомута 11. Нижняя часть обоймы 2 соединена с ведомым звеном винтовой героторной гидромашины (на фиг. не показано) с помощью, например, резьбы.

Шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины работает следующим образом. Ведущее звено винтовой героторной гидромашины (на фиг. не показано) передает на вал 1 осевую нагрузку и крутящий момент. Осевая нагрузка передается от вала 1 к обойме 2 через пяту 3 и конец вала по сферической поверхности В. Крутящий момент передается от вала 1 к обойме 2 через стенки окон D, сухари 5 с площадками скольжения и палец 6. При прецессионном движении вала 1 по отношению к обойме 2 с углом преломления оси O₁O₁ относительно оси О₂O₂ происходит скольжение площадок сухарей 5 и пальца 6 по плоским стенкам окон D и поворот сухарей 5 и пальца 6 вокруг своей оси. Сферическая поверхность вала 1 скользит по сферической поверхности В пяты 3 и сферической поверхности Е полувкладышей 4. Таким образом, ось O₁O₁ вала 1 может отклоняться от оси О₂О₂ обоймы 2 на угол во всех плоскостях, проходящих через ось О₂О₂ обоймы 2.

Предлагаемое устройство имеет ряд преимуществ перед известным устройством, а именно:

- повышение нагрузочной способности (крутящего момента) за счет увеличения плеча момента сил;

- уменьшение напряжений смятия за счет увеличения площади контакта;

- повышение прочности соединения за счет применения полувкладышей;

- возможность разборки шарнира с целью его ремонта. Шарнирное устройство используется в винтовых героторных гидромашинах, например в винтовых забойных двигателях, при передаче движения от эксцентрично расположенного ротора (на фиг. не показан) к соосно размещенному валу опорного узла (на фиг. не показан). Ось O₁O₁ вала 1 повернута по отношению к оси О₂О₂ обоймы 2 на угол преломления . Как правило, соединяются между собой два шарнирных устройства, при этом угол преломления двузвенного шарнирного устройства увеличивается в два раза.

Таким образом, предложенное шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины позволяет уменьшить износ деталей и продлить срок службы шарнирного устройства. Это дает возможность повысить долговечность винтового забойного двигателя и успешно использовать его при бурении как прямых, так и наклонно направленных скважин.