ШАРНИРНОЕ УСТРОЙСТВО ВИНТОВОЙ ГЕРОТОРНОЙ ГИДРОМАШИНЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК E21B4/02 F04C2/00 

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 для соединения ротора с валом опорного узла винтового забойного двигателя для наклонно-направленного бурения (патент РФ 2081986, М. кл. ⁶ Е 21 В 4/00, опубл. 20.06.97 г., БИ 17), включающее муфту, размещенную верхней частью в осевом отверстии, выполненном в торсионе, обойму с осевым отверстием, в котором размещена нижняя часть муфты, и два размещенных во взаимно перпендикулярных плоскостях пальца, установленных в радиальных отверстиях, выполненных в торсионе, муфте и полумуфте. Осевые отверстия торсиона и обоймы, в которых размещена муфта, и концы муфты выполнены с коническими участками.

Недостатком известного шарнирного устройства является то, что пальцы устройства находятся в разных плоскостях. Такая конструкция не обеспечивает равномерной передачи вращения, а при больших углах изгиба происходит заклинивание, что приводит к понижению КПД винтового забойного двигателя и быстрой поломке устройства.

Известно также 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 устранена неравномерность передачи момента, но имеется ряд недостатков. Недостатком известного 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 приводит к быстрому износу пальца и поверхностей паза.

Указанные недостатки частично устранены в шарнирном устройстве винтового насоса, которое является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и выбрано в качестве прототипа (патент США 3307486, опубл. 07.03.1967 г.). Шарнирное устройство винтового насоса включает обойму с радиальными отверстиями и осевым отверстием со сферическим дном, вал со сферической концевой частью для взаимодействия со сферическим дном осевого отверстия обоймы, сквозным, перпендикулярным оси вала отверстием с коническими участками с двух сторон, палец цилиндрической формы, установленный в отверстии вала и закрепленный в радиальных отверстиях обоймы.

В этом устройстве осевая нагрузка передается от вала к обойме через сферические поверхности дна обоймы и концевой части вала, тем самым снимается нагрузка с пальца от осевого усилия. При передаче момента от вала к обойме цилиндрическая поверхность пальца взаимодействует с коническими участками отверстия вала по полосе контакта. Контактные напряжения в полосе контакта этого устройства меньше, чем в линии контакта при взаимодействии пальца с плоскими стенками паза в вышеописанном техническом решении. Однако при передаче больших моментов эти напряжения значительно превышают допустимые, происходит интенсивный износ и разрушение контактирующих поверхностей.

Задачей настоящего изобретения является создание шарнирного устройства винтовой героторной гидромашины (винтового забойного двигателя или винтового насоса), в котором уменьшена величина контактных напряжений, в связи с этим уменьшается износ деталей устройства и увеличивается долговечность узла.

Указанная задача решается тем, что в известном шарнирном устройстве винтовой героторной гидромашины, содержащем обойму с радиальными отверстиями и осевым отверстием со сферическим дном, вал со сферической концевой частью для взаимодействия со сферическим дном осевого отверстия обоймы и сквозным пазом, имеющим плоские стенки, параллельные оси вала и палец, установленный в радиальных отверстиях обоймы и проходящий через паз вала, согласно изобретению оно содержит втулку, размешенную в пазу вала, в которой установлен пален, причем втулка выполнена с лысками на наружной поверхности для взаимодействия с плоскими стенками паза.

При передаче момента от вала к обойме плоские стенки паза вала взаимодействуют с плоскими лысками втулки, при этом контактные напряжения в площадке контакта значительно уменьшаются. Благодаря меньшим контактным напряжениям износ деталей шарнирного устройства также уменьшается.

Поставленная задача решается также вариантом, при котором в известном шарнирном устройстве винтовой героторной гидромашины, содержащем обойму с радиальными отверстиями и осевым отверстием со сферическим дном, вал со сферической концевой частью для взаимодействия со сферическим дном осевого отверстия обоймы и сквозным пазом, имеющим плоские стенки, параллельные оси вала, и палец, установленный в радиальных отверстиях обоймы и проходящий через паз вала, согласно изобретению палец снабжен лысками для взаимодействия со стенками паза, цилиндрическая поверхность пальца имеет ступенчатую форму, а, по меньшей мере, одна концевая часть пальца имеет диаметр меньше, чем расстояние между плоскими стенками паза вала.

Такие же преимущества, как описано выше, достигаются в варианте шарнирного устройства, так как при передаче момента от вала к обойме плоские стенки паза вала взаимодействуют с плоскими лысками пальца, при этом контактные напряжения в площадке контакта значительно меньше, чем в полосе контакта при одинаковых нагрузках. Благодаря меньшим контактным напряжениям износ деталей шарнирного устройства также уменьшается. Так как поверхность пальца имеет ступенчатую форму и хотя бы одна концевая часть пальца имеет диаметр меньше, чем расстояние между плоскими стенками паза вала, возможно разместить лыски пальца между плоскими стенками паза, а концевые цилиндрические части пальца в обойме.

На фиг. 1 показан общий вид шарнирного устройства винтовой героторной гидромашины в продольном разрезе;
на фиг. 2 показан поперечный разрез шарнирного устройства в увеличенном масштабе в месте расположения пальца и втулки (сечение А-А на фиг.1);
на фиг. 3 показан продольный разрез шарнирного устройства в увеличенном масштабе в месте расположения пальца и втулки (сечение Б-Б на фиг.1);
на фиг.4 показан общий вид варианта шарнирного устройства винтовой героторной гидромашины в продольном разрезе;
на фиг. 5 показан поперечный разрез варианта шарнирного устройства в увеличенном масштабе в месте расположения пальца (сечение В-В на фиг.4);
на фиг. 6 показан продольный разрез варианта шарнирного устройства в увеличенном масштабе в месте расположения пальца (сечение Г-Г на фиг.4).

Шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины (фиг.1-3) содержит обойму 1, вал 2, палец 3 и втулку 4. В верхней части обоймы 1 выполнены радиальные отверстия 5 и осевое отверстие 6. Дно осевого отверстия 6 обоймы 1 выполнено со сферической поверхностью 7. В осевом отверстии 6 обоймы 1 установлен вал 2. В нижней его части выполнен сквозной паз 8 с плоскими стенками 9. Концевая часть вала 6 выполнена со сферической поверхностью 10 для взаимодействия со сферической поверхностью 7 дна осевого отверстия 6 обоймы 1. В паз 8 вала 2 установлена втулка 4, имеющая на наружной поверхности лыски 11 для взаимодействия с плоскими стенками 9 вала 2.

Вал 2 и обойма 1 соединены между собой цилиндрическим пальцем 3, который установлен во втулке 4 и радиальных отверстиях 5 обоймы 1. Снаружи обоймы 1 установлен кожух 12 для фиксации пальца 3 от осевого перемещения.

Шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины может быть уплотнено посредством, например, манжеты 13 и кольца 14, выполненных из упругоэластичного материала, например из резины. Манжета 13 закреплена одним концом на верхней части обоймы 1 при помощи кожуха 12, а другим - на валу 2 при помощи, например, хомута 15.

Верхняя часть вала 2 соединена с ведущим звеном (ротором) винтовой героторной гидромашины, двигателя или насоса (на фиг. не показано) с помощью, например, резьбы 16.

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). Как правило, соединяются между собой два шарнирных устройства, при этом ось О₂О₂ вала 2 повернута по отношению к оси O₁O₁ обоймы 1 на угол α.
Нижняя часть обоймы 1 соединена с ведомым звеном винтовой героторной гидромашины (на фиг. не показано) с помощью, например, резьбы 17.

Вариант шарнирного устройства винтовой героторной гидромашины показан на фиг.4-6. Этот вариант отличается от вышеописанного технического решения тем, что шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины содержит цилиндрический палец 18, установленный в сквозном пазу 8 вала 2. Палец 18 снабжен лысками 19 в средней части для взаимодействия с плоскими стенками 9 паза 8. По меньшей мере, одна концевая часть 20 пальца 18 выполнена цилиндрической формы, при этом диаметр D выполнен меньше, чем расстояние H между плоскими стенками 9 паза 8. Это позволяет разместить лыски 19 пальца 18 между плоскими стенками 9 паза 8, а концевую цилиндрическую часть 20 пальца 18 в обойме 1.

Шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины работает следующим образом. Ведущее звено винтовой героторной гидромашины (на фиг.не показано) передает на вал 2 осевую нагрузку и крутящий момент. Осевая нагрузка передается от вала 2 к обойме 1 через сферическую поверхность 10 и 7. Крутящий момент передается от вала 2 к обойме 1 через стенки паза 9, втулку 4 с лысками 11 и цилиндрический палец 3. При прецессионном движении вала 2 по отношению к обойме 1 с углом перекоса α оси O₂O₂ относительно оси O₁O₁ происходит скольжение лысок 11 по плоским стенкам 9 паза 8 вала 2 и поворот вала 2 вместе с втулкой 4 вокруг оси пальца 3. Сферическая поверхность 10 вала 2 скользит по сферической поверхности 7 дна осевого отверстия 6 обоймы 1. Таким образом, ось О₂О₂ вала 2 может отклоняться от оси О₁О₁ обоймы 1 на угол α во всех плоскостях, проходящих через ось O₁O₁ обоймы 1.

Особенностью работы шарнирного устройства винтовой героторной гидромашины является то, что благодаря контакту плоских лысок 11 втулки 4 с плоскими стенками 9 паза 8 передача крутящего момента происходит по площадкам при пониженных контактных напряжениях, что способствует уменьшению износа взаимодействующих поверхностей стенок 9 паза 8 вала 2 и лысок 11 втулки 4.

Работа варианта шарнирного устройства винтовой героторной гидромашины аналогична вышеописанной. Крутящий момент передается от вала 2 к обойме 1 через палец 18. При прецессионном движении вала 2 по отношению к обойме 1 с углом перекоса α оси О₂O₂ относительно оси О₁О₁ происходит скольжение лысок 19 по плоским стенкам 9 паза 8 вала 2 и поворот вала 2 вместе с пальцем 18 вокруг оси пальца 18 в радиальных отверстиях 5 обоймы 1. Сферическая поверхность 10 вала 2 скользит по сферической поверхности 7 дна осевого отверстия 6 обоймы 1. Таким образом, ось О₂О₂ вала 2 может отклоняться от оси O₁O₁ обоймы 1 на угол α во всех плоскостях, проходящих через ось О₁О₁ обоймы 1.

Технические преимущества шарнирного устройства, описанные выше, присущи и варианту шарнирного устройства. Особенностью работы варианта шарнирного устройства винтовой героторной гидромашины является то, что благодаря контакту плоских лысок 19 пальца 18 с плоскими стенками 9 паза 8 передача крутящего момента происходит по площадкам при пониженных контактных напряжениях, при этом уменьшается износ взаимодействующих поверхностей стенок 9 паза 8 вала 2 и лысок 19 пальца 18.

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, а также повысить долговечность винтового насоса.

Описанное шарнирное устройство может быть также использовано для соединения валов с перекашивающимися осями в общем машиностроении.

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). Сущность изобретения заключается в том, что шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины содержит обойму, вал, палец и втулку. В верхней части обоймы выполнены радиальные отверстия и осевое отверстие. Дно осевого отверстия обоймы выполнено со сферической поверхностью. В осевом отверстии обоймы установлен вал. В нижней его части выполнен сквозной паз с плоскими стенками. Концевая часть вала выполнена со сферической поверхностью для взаимодействия со сферической поверхностью дна осевого отверстия обоймы. В паз вала установлена втулка, имеющая на наружной поверхности лыски для взаимодействия с плоскими стенками вала. Вал и обойма соединены между собой цилиндрическим пальцем, который установлен во втулке и радиальных отверстиях обоймы. Вариант шарнирного устройства винтовой героторной гидромашины отличается от вышеописанного технического решения тем, что оно содержит цилиндрический палец, установленный в сквозном пазу вала. Палец снабжен лысками в средней части для взаимодействия с плоскими стенками паза. Одна концевая часть пальца выполнена цилиндрической формы диаметром меньшим, чем расстояние между плоскими стенками паза. Это позволяет разместить лыски пальца между плоскими стенками паза, а концевые цилиндрические части пальца - в обойме. Изобретение позволяет уменьшить величину контактных напряжений в устройстве и как следствие уменьшить износ деталей и увеличить долговечность узла. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

1. Шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины, содержащее обойму с радиальными отверстиями и осевым отверстием со сферическим дном, вал со сферической концевой частью для взаимодействия со сферическим дном осевого отверстия обоймы и сквозным пазом, имеющим плоские стенки, параллельные оси вала, и палец, установленный в радиальных отверстиях обоймы и проходящий через паз вала, отличающееся тем, что оно содержит втулку, размещенную в пазу вала, в которой установлен палец, причем втулка выполнена с лысками на наружной поверхности для взаимодействия с плоскими стенками паза. 2. Шарнирное устройство винтовой героторной гидромашины, содержащее обойму с радиальными отверстиями и осевым отверстием со сферическим дном, вал со сферической концевой частью для взаимодействия со сферическим дном осевого отверстия обоймы и сквозным пазом, имеющим плоские стенки, параллельные оси вала, и палец, установленный в радиальных отверстиях обоймы и проходящий через паз вала, отличающееся тем, что палец снабжен лысками для взаимодействия со стенками паза, поверхность пальца имеет ступенчатую форму, а, по меньшей мере, одна концевая часть пальца имеет диаметр меньше, чем расстояние между плоскими стенками паза вала.