УЗЕЛ ПЕРЕДАЧИ РАБОЧИХ НАГРУЗОК НА БУРОВОЙ ШНЕК Российский патент 1995 года по МПК E21C1/02 E21B3/02 

Изобретение относится к буровым станкам вращательного действия, а именно к узлам патронного типа для передачи рабочих нагрузок (крутящего момента и осевого усилия) на буровые шнеки.

Известен узел передачи крутящего момента и осевого усилия на шнековый буровой став с увеличенной толщиной спирали, включающий патрон вpащателя, кулачки которого выполнены в виде центрального выступа и имеют накладки с зубьями, размещены между соседними спиралями шнекового бурового става, для взаимодействия с зубьями, размещенными на торцевой поверхности спирали [1] Данное техническое решение позволяет существенно снизить усилие прижатия кулачков патрона за счет исключения передачи нагрузок трением. Недостаток этого технического решения заключается в большой металлоемкости его бурового става, сложности изготовления зубьев на винтовой поверхности и их интенсивное истирание о стенки скважины в процессе бурения.

Наиболее близким техническим решением является узел передачи рабочих нагрузок на шнековый буровой став с нормальной толщиной спирали, включающий патрон вращателя, кулачки которого выполнены в виде центрального выступа и имеют накладки с зубьями для взаимодействия с зубчатыми венцами, расположенными на нерабочей поверхности спирали шнека с образованием кольцевых выступов [2] Данное техническое решение позволяет заглубить зубья на шнеке за счет образования кольцевых выступов и предохранить их от преждевременного износа. Вместе с тем, технические возможности данного решения ограничены по осевому усилию и регламентируются прочностью зубчатых венцов (спиралей), расположенных в межвитковом пространстве и имеющих определенную толщину, увеличение которой недопустимо, т.к. это связано с уменьшением шага спирали и перекрытием межвиткового пространства, а следовательно, приводит к заштыбовке шнека, увеличению потребляемой мощности на вращение и снижению производительности. При этом кулачки патрона имеют большую металлоемкость из-за того, что их толщина практически равна шагу спирали, а выполнение зубьев на кулачках и винтовой спирали, спиральных опорных поверхностей существенно усложняет конструкцию.

Цель изобретения расширение технических возможностей и упрощение конструкции узла.

Указанная цель достигается тем, что опорные поверхности выполнены на трубе шнека перпендикулярно его продольной оси, а зубья шнека расположены между ними и связаны с последними обоими торцами, при этом длина зубьев на буровом шнеке и кулачках равна высоте захватной части кулачков.

Новыми существенными признаками являются:
1-й признак опорные поверхности выполнены на трубе шнека перпендикулярно его продольной оси применяется впервые.

У известных изобретений [1] и [2] опорные поверхности выполнены не на трубе шнека, а на утолщенных спиралях или зубчатых венцах и при этом они (опорные поверхности) не перпендикулярны продольной оси шнека. Предлагаемый признак позволяет существенно упростить изготовление опорных поверхностей на шнеке и кулачках, разгрузить спирали и избавиться от зубчатых венцов, перекрывающих межвитковое пространство на шнеке, что позволяет расширить технические возможности узла за счет использования последнего на станках с равными осевыми усилиями. Известно, что при одном и том же диаметре бурения разные станки имеют разные осевые усилия, а следовательно, при использовании известных решений на станках с большими осевыми усилиями необходимо существенно увеличивать толщину спиралей или зубчатых венцов. Например, для бурения скважин режущими долотами 160 мм применяются станок шнекового бурения СБР-160 с осевым усилием до 80 Кн, станки типа НВМ (ФРГ) с осевым усилием 185 Кн и более. Имеется отечественная практика бурения шнеками на шарошечных станках, которые при одном и том же диаметре скважины имеют в 2-3 раза большие осевые усилия, чем станки шнекового бурения (станок СБШ-160 имеет Р_ос 150 Кн). Общеизвестно, что рациональное отношение величины шага спирали шнека к его наружному диаметру находится в пределах 0,7-0,9. Серийный шнек самого перспективного на сегодняшний день отечественного станка шнекового бурения СБР-160 имеет рациональный шаг спирали в 130 мм при диаметре шнека 155 мм, т. к. 0,8. При использовании на станке СБР-160 изобретения-прототипа, т. е. зубчатых венцов толщиной 16 мм это соотношение будет равно 0,74, что является допустимым. Если же данное техническое решение использовать на станках типа СБШ-160, НВМ и др. с усилием 150 Кн и выше, то возникает необходимость увеличения толщины венцов минимум до 30 мм. Тогда соотношение фактического шага спирали к его наружному диаметру составит 0,64 и менее, что приведет к заштыбовке шнека, увеличению необходимой мощности на вращение става и снижению производительности.

2-й признак зубья шнека расположены между опорными поверхностями на трубе шнека и связаны с последними обоими торцами применяется впервые.

В отличие от известных изобретений [1] и [2] зубья для передачи крутящего момента расположены не на спиралях, а на трубе шнека, что позволяет исключить зубчатые венцы [2] или уменьшить толщину спирали [1] а следовательно, исключить заштыбовку шнека, снизить металлоемкость узла и упростить его конструкцию.

Расположение зубьев на трубе шнека между опорными поверхностями, которые перпендикулярны продольной оси бурового шнека позволяет значительно упростить изготовление зубьев как на шнеке, так и на кулачках патрона.

Поскольку целью изобретения является расширение технических возможностей узла, путем применения его на станках с разными осевыми усилиями, а следовательно, и со шнеками малого и большого диаметра необходимо отметить два варианта его конкретного выполнения. При использовании предлагаемого изобретения на шнеках малого диаметра, т.е. там, где из-за малого радиуса приложения сил возникают значительные изгибающие усилия, наиболее целесообразно и технологически просто (мелкий зуб) иметь жесткое соединение обоих торцов зубьев с опорными поверхностями. Это позволяет создать дополнительные опоры зубьев и увеличивает сопротивление "малых" зубьев шнека значительным изгибающим нагрузкам. При этом следует иметь ввиду, что зубья на шнеке-прототипе имеют жесткую связь зубьев с опорными поверхностями только одним торцом, что снижает их прочность. При использовании этого же признака на шнеках большого диаметра, зубья выполняют более массивными (большие диаметры труб), радиус приложения сил больше и поэтому необходимость в жесткой связи торцов с опорными поверхностями отпадает, причем в этом случае наиболее технологично выполнять зубья и опорные поверхности шнека на отдельных элементах с последующим их соединением между собой. При этом связь зубьев шнека с его опорными поверхностями также необходима, т.к. это позволяет исключить проскальзывание кулачков патрона при передаче осевых усилий, уменьшает металлоемкость узла, повышает технологичность и т.д.

3-й признак длина зубьев на буровом шнеке и кулачках равна высоте захватной части кулачков применяется впервые.

В известных изобретениях [1] и [2] накладки с зубьями в силу своих конструктивных особенностей разделены центральным выступом на всю длину шага спирали (для СБР 160 130 мм), хотя вполне достаточно иметь толщину центрального выступа, равную двойной толщине накладок с зубьями (32 мм). Это существенно увеличивает металлоемкость кулачков и усложняет конструкцию узла в целом, особенно при использовании его на шнеках с большим шагом спирали.

Новый признак позволяет избавиться от спирального центрального выступа, снизить металлоемкость и упростить конструкцию узла.

На фиг. 1 показан общий вид узла сбоку, нерабочее положение; на фиг. 2 то же, рабочее положение; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 2.

Узел передачи рабочих нагрузок на буровой шнек содержит патрон вращателя с кулачками 1, на захватной части 2 которых выполнены зубья 3 и опорные поверхности 4 для взаимодействия с опорными поверхностями 5 и зубьями 6, заглубленными на шнеке, состоящем из трубы 7 и спирали нормальной толщины 8. При этом опорные поверхности 5 выполнены на трубе 7 шнека перпендикулярно его продольной оси, а зубья 6 шнека заглублены в тело трубы 7, расположены между опорными поверхностями 5 и связаны с последними обоими торцами. Причем длина зубьев 3, 6 на буровом шнеке и кулачках 1 равна высоте захватной части 2 кулачков.

Работает узел следующим образом. Для осуществления процесса бурения шнеку передаются рабочие нагрузки, т.е. крутящий момент и осевые усилия. В начале этого процесса кулачки 1 патрона вращателя выдвигаются под действием привода и входят своими зубьями 3 в конгруэнтные им зубья 6 на трубе 7 шнека. При этом передача осевого усилия на шнек осуществляется через нижние опорные поверхности (торцы) 4 зубьев 3 кулачков 1, контактирующие с нижними опорными поверхностями 5 на трубе 7 бурового шнека. Для извлечения бурового шнека из скважины усилие подъема воздействует на шнек через верхние торцы 4 зубьев 3 кулачков 1, контактирующие с верхними опорными поверхностями 5 трубы 7 шнека. При этом разрушенная порода транспортируется по всему шнеку без образования пробок в межвитковом пространстве, т.к. при использовании данного решения на станках с любым осевым усилием уменьшения как шага спирали, так и всего межвиткового пространства не происходит.

Предлагаемое изобретение позволяет избавиться от зубчатых венцов, препятствующих проходу буровой мелочи при высоких осевых давлениях и существенно расширить технические возможности узла. Это же решение позволяет избавиться от массивных спиральных центральных выступов, существенно снизить металлоемкость узла и упростить его конструкцию.

Использование: изобретение относится к буровым станкам вращательного действия и может быть использовано в узлах патронного типа для передачи рабочих нагрузок на шнековый буровой став. Сущность изобретения: узел передачи рабочих нагрузок содержит патрон вращателя с кулачками, на захватной части которых выполнены зубья и опорные поверхности для взаимодействия с ответными им зубьями, выполненными на трубе бурового шнека, при этом на трубе шнека выполнены опорные поверхности перпендикулярно его продольной оси, а зубья на трубе шнека выполнены с заглублением и расположены между упомянутыми опорными поверхностями. 4 ил.

УЗЕЛ ПЕРЕДАЧИ РАБОЧИХ НАГРУЗОК НА БУРОВОЙ ШНЕК, включающий патрон вращателя с кулачками, захватная часть которых выполнена с зубьями и опорными поверхностями для взаимодействия с опорными поверхностями и зубьями, выполненными на шнеке с заглублением, отличающийся тем, что опорные поверхности выполнены на трубе шнека перпендикулярно к его продольной оси, при этом зубья шнека расположены между упомянутыми опорными поверхностями и связаны с последними обоими торцами, причем длина зубьев на трубе шнека и кулачках равна высоте захватной части кулачков патрона.