ШАРНИР Российский патент 2003 года по МПК F16C11/06 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам шарнирных соединений, передающий крутящий момент, а также осевые сжимающие нагрузки и допускающих угловые смещения соединяемых элементов устройства. Оно может быть применено в буровой технике, например для разъемных соединений у глубинных нефтяных насосов, винтовых двигателей и т.д., испытывающих значительное внешнее давление в процессе работы.

Уровень техники
Известны шарнирные устройства [1], где манжета уплотнительная применяется при соединении трубчатых элементов. Манжета в шарнире выполнена с одной стороны ровной, гладкой, а с другой - воронкообразной утолщенной. Уплотнительная манжета ровной частью прикреплена к промежуточному соединителю с помощью кольцевых проставок, предназначенных для предотвращения проскальзывания или качания уплотнительной манжеты. Разъемные элементы соединены промежуточным соединителем, при этом воронкообразная утолщенная часть уплотнительной манжеты отогнута в направлении свободной части кольцевых канавок. Кольцевые проточки обеспечивают крепление параллельной части манжеты при установке кольцевых проставок.

Недостатками известного устройства являются: многоэлементность устройства и манжеты, обеспечивающей герметичность соединения, неприменимость манжеты при использовании в устройствах, подвергающихся значительному внешнему давлению из-за конструктивной особенности манжеты, рассчитанной на внутреннее давление среды.

Известны шарниры, где манжеты [2] защищают звенья универсального роликошарнира качения от внешних воздействий. Манжеты выполнены в виде гофрированных колпаков, жестко соединенных своими торцами элементами крепления с звеньями шарнира.

Недостатками известных манжет в шарнирах являются малая их долговечность при жестком режиме работы, то есть при частом и постоянном напряжении на изгиб и сжатие, а также невозможность их использования в устройствах буровой техники в связи с значительным внешним давлением закачиваемой жидкости, которое вдавило бы манжеты внутрь устройства и нарушило режим работы его.

В качестве прототипа выбрано техническое решение [3] как наиболее близкое к предлагаемому по технической сущности и положительному эффекту. Две головки жестко связаны между собой закрепленными в них деталями гибким тросом и разделены пустотелым стержнем с шаровыми головками, внутри которых пропущен этот трос. На выемки в головках шарниров опираются шаровые головки стержня, а наружная поверхность головок выполнена в виде звездочек, в выемках которых установлены ролики, охватываемые соединяющим обе головки трубчатым звеном, на концах которых находятся звездочки с внутренними впадинами под ролики. Концы шарниров соединены с ведущим и ведомым винтами (валами) конической резьбой. Ролики крепятся во впадинах двух головок и трубчатого звена шайбами и разрезными пружинными шайбами. Наклонные отверстия в головках предназначены для отвода от трущихся шаровых поверхностей металлических крошек, а также протока охлаждающей и смазывающей жидкости. На внешних торцах трубчатого звена жестко закреплены деталью эластичные резиновые манжеты, второй конец которых укреплен на соответствующем выходном валу деталью только на верхней манжете.

Недостатками известного устройства (сдвоенного универсального шарнира) являются многоэлементность и слабая защищенность шарнира от механических повреждений и воздействий агрессивных сред. Манжеты, закрепленные жестко с одного конца на внешней части одной детали и прижатые с другого конца к поверхности другой детали, являются наиболее уязвимыми, наиболее незащищенными элементами устройства, так как являются самой выступающей частью его и, следовательно, наиболее подверженной истирающему, абразивному воздействию механических примесей, находящихся в откачиваемом буровом растворе во время работы устройства. К тому же манжеты в устройстве защищаются дополнительными элементами - фильтрами тонкой очистки от повреждений при спуске под большое гидравлическое давление и подъеме из него при наличии в жидкости газов. Внутренняя полость и трущиеся поверхности деталей смазываются и охлаждаются откачиваемой жидкостью, которая, обладая агрессивными свойствами, способна одновременно с внутренней и внешней стороны разрушающе подействовать на манжеты. При использовании откачиваемой жидкости в качестве смазки трущихся частей, содержащей дисперсные и высокодисперсные частицы примесей в ней, фильтры или быстро засорятся и перестанут выполнять свою функцию, или будут пропускать высокодисперсные частицы, что повысит истирающее действие как манжет, так и трущихся поверхностей устройства. Шарнир не рассчитан на большие сжимающие осевые нагрузки, так как содержит пустотелый стержень с шаровыми головками, внутри которого пропущен трос эластичный, то есть возможно смещение стержня с оси и из-за изгибающих напряжений в тросе и деформация самого пустотелого стержня под действием этих напряжений. Из-за наличия гибкого троса, расположенного с зазором в стержне, создаются трудности при распределении осевых сжимающих напряжений по поверхностям головок стержня и деталей шарнира, контактирующих с головками стержня. С увеличением осевых сжимающих усилий превалирует напряжение на изгиб.

Сущность изобретения
Целью технической задачи является усиление защитных свойств манжеты, повышение надежности шарнирного соединения при работе с повышенными осевыми нагрузками.

Поставленная цель достигается тем, что шарнир, как и известный, содержит цилиндрический корпус, в котором размещены вращающиеся элементы, передающие крутящий момент и осевые сжимающие нагрузки, подвижный элемент, передающий осевые сжимающие нагрузки, цилиндрический корпус с подвижным элементом соединен манжетой, вращающиеся элементы расположены во внутренних впадинах, выполненных в цилиндрическом корпусе, имеются полости для протока смазывающей жидкости, но подвижный элемент и цилиндрический корпус выполнены в виде полумуфт, подвижный элемент имеет переменное сечение, осевую сжимающую нагрузку воспринимает шар, размещенный во впадине торцевой части подвижного элемента и впадине, выполненной в упоре, размещенном в цилиндрическом корпусе, в боковых впадинах торцевой части подвижного элемента и в пазах удлиненной формы, выполненных в цилиндрическом корпусе, размещены шарики, передающие крутящий момент от подвижного элемента к цилиндрическому корпусу, манжета выполнена гуммированием сырой резины с подвулканизированием в разъемной пресс-форме, нижняя часть манжеты формообразована непосредственно на поверхности подвижного элемента (полумуфты переменного сечения), верхняя часть манжеты расположена во внутренней торцевой части цилиндрического корпуса и закреплена гайкой, поджата полукольцами, между гайкой и торцевой поверхностью цилиндрического корпуса имеется уплотнительное кольцо, отверстие для смазывающей жидкости выполнено с заглушкой на поверхности цилиндрического корпуса.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов и их взаимосвязей: подвижный элемент и цилиндрический корпус выполнены в виде полумуфт, подвижный элемент имеет переменное сечение, имеется шар, расположенный в центре разъемных частей шарнира, который воспринимает заданную осевую сжимающую нагрузку. Он расположен во впадине торцевой части подвижного элемента и впадине, выполненной в упоре, размещенном в цилиндрическом корпусе; имеются шарики, расположенные в боковых впадинах торцевой части подвижного элемента и в пазах удлиненной формы, выполненных в цилиндрическом корпусе; шарики передают крутящий момент от подвижного элемента к цилиндрическому корпусу; имеется манжета, выполненная из сырой резины гуммированием с подвулканизацией в разъемной пресс-форме, причем нижняя часть манжеты формообразована таким образом непосредственно на поверхности подвижного элемента; верхняя часть манжеты расположена во внутренней части цилиндрического корпуса и закреплена гайкой, а также поджата полукольцами; между гайкой и торцевой поверхностью корпуса имеется уплотнительное кольцо; отверстия для смазывающей жидкости выполнены с заглушкой на поверхности цилиндрического корпуса.

Причинно-следственная связь
Шарнир содержит полумуфту переменного сечения, которая своей торцевой частью входит в цилиндрический корпус. В предлагаемом устройстве единственно возможным вариантом, гарантирующим высокое качество надежности в защите от неблагоприятных факторов внешней среды разъемных частей, является предложенная манжета, которая формообразуется непосредственно на поверхности подвижного элемента переменного сечения из сырой резины гуммированием с подвулканизацией. За счет этого нижняя часть манжеты совершенно не требует закрепления, а плотно держится на металлической поверхности подвижного элемента переменного сечения самоуплотнением после подвулканизации в результате усадки после отверждения резины. Верхняя часть манжеты в отличие от прототипа закреплена гайкой и поджата полукольцами внутри цилиндрического корпуса в торцевой части, а для герметизации резьбового соединения между гайкой и торцевой частью цилиндрического корпуса установлено уплотнительное кольцо. Таким образом манжета в отличие от прототипа расположена в углубленной части разъемного соединения и имеет значительные преимущества в перераспределении напряжений по ее поверхности, гарантирующем повышение надежности защитных свойств ее. Закачиваемая в скважину жидкость под давлением дополнительно прижимает нижнюю часть манжеты. Верхнюю часть манжеты прижимает давление смазочной жидкости с внутренней стороны, что также дополнительно усиливает защитные свойства ее. Переходная часть манжеты между верхней и нижней частью подвергается давлению смазочной жидкости изнутри и давлению закачиваемой жидкостью извне по касательной из-за вихревого движения ее в углубленном месте, где расположена манжета по отношению к разъемным частям шарнира. Такое перераспределение напряжений на манжету благоприятно сказывается на прочностных характеристиках, увеличивая долговечность манжеты и уменьшая агрессивное воздействие закачиваемой жидкости и примесей в ней до минимального. Наличие шара в центре, расположенного во впадине упора, придает системе устойчивость и позволяет шарниру выдерживать большие сжимающие осевые нагрузки, ограничивая смещение шара от оси вращения, в отличие от прототипа, в котором сосуществуют сложные напряжения в зоне сжатия - изгибающие в присутствии гибкого троса, сжимающие по толщине полого стержня, который расположен по отношению с тросу с зазором. При больших усилиях сжатия полый стержень должен деформироваться, сминаясь, или изогнуться под направляющим усилием изгиба гибкого троса.

В прототипе манжета по всей длине подвергается действию высокого давления. В предлагаемой технической задаче основная часть манжеты, где помещается смазка, и верхний конец манжеты расположены в цилиндрическом корпусе и надежно закреплены гайкой и полукольцами и не подвержены воздействию высокого давления, что значительно повышает выносливость манжеты, износостойкость ее, обеспечивая тем самым надежность защиты смазочного масла в шарнире от примесей, находящихся в закачиваемой жидкости во время вращения деталей насоса, вала и рабочих винтов. Дополнительно манжета при таком размещении в шарнире выполняет, в отличие от прототипа, роль амортизатора, что способствует бесшумной работе устройства и уменьшает трение контактных поверхностей его. Эффект защиты от загрязнений манжетного шарнира и смазки в предлагаемой задаче усилен тем, что нижний конец манжеты плотно охватывает поверхность подвижного элемента (полумуфту переменного сечения) без закрепления его деталями (как в прототипе) за счет усадки после гуммирования резины на гладкой цилиндрической поверхности и последующей подвулканизации ее. Такое закрепление усиливает адгезию контактных поверхностей и эта связь способна выдержать большие гидравлические давления, что и показали экспериментальные исследования на действующем шарнире.

Известны манжеты в шарнирных устройствах [4-7] для защиты от внешней среды и повышения надежности соединения. Манжеты, закрепляемые на соединяемых поверхностях, используют в виде готового изделия, а известно, что материал после вулканизации (резина) приобретает свойства сшитого полимера, то есть он становится менее эластичным, то есть малодеформирован и трудно поддается пластичным деформациям даже при нагреве до максимальной (размягчения) температуры [5, 7]. Поэтому известные устройства усложнены на контактных с резиной поверхностях предварительно выполняют канавки, впадины, сложной формы пазы, и под большим давлением размягченную резину вдавливают в эти отверстия. Но такие манжеты не рассчитаны на жесткие условия эксплуатации устройств, так как большие гидравлические внешние или внутренние давления приведут к отрыву манжеты от металлической поверхности, так как адгезионная прочность связи резины с металлом недостаточна. Для повышения адгезионной прочности манжеты, работающей в условиях высоких давлений, обязательным является дополнительное закрепление гайками, хомутами и т.д. обоих концов. В шарнирных соединениях такое закрепление на открытых поверхностях приводит к ослаблению крепления и срыву манжеты. Предлагаемый шарнир имеет манжету, существенно отличающуюся от ранее известных тем, что один конец манжеты плотно посажен на гладкую поверхность подвижного элемента (полумуфту переменного сечения) за счет того, что резина выполнена гуммированной на этой поверхности, а при последующей вулканизации дает усадку. К тому же в процессе гуммирования резина прочно приклеивается к контактной поверхности за счет высоко пластичных свойств. Экспериментальные данные подтвердили, что такое соединение выдерживает многоцикловый режим работы шарнира в условиях больших гидравлических давлений. Такое соединение значительно упрощает технологический процесс монтажа, а в реализации предложенного технического решения оно является единственно возможным потому, что готовую манжету (как в [3]), например, невозможно установить из-за сложной конфигурации деталей, особенно полумуфты переменного сечения. К тому же известные манжеты менее упруги, чем предлагаемые, так как при размягчении резины после сшивки макромолекул (после вулканизации) обладают меньшей прочностью и большей деформативностью, что отрицательно сказывается на защитных свойствах их в условиях эксплуатации шарниров, работающих под большим давлением. В предложенном шарнире сырая резина гуммирована на поверхности полумуфты переменного сечения, при этом она обладает высокой степенью пластичности, что позволяет использовать небольшое давление в процессе покрытия. Вулканизация этого покрытия приводит к сшивке макромолекул, упрочняя материал. Вместо упруго-пластичных свойств, как в известных [5, 7], манжета в предложенном шарнире приобретает упруго-эластичные свойства, что обеспечивает ей повышенную выносливость и, следовательно, долговечность, улучшая защитные свойства по сравнению с известными манжетами, работающими в жестких условиях больших давлений и сложных динамических нагрузок (вращение, перемещение, изгиб и т.д.).

Предлагаемое изобретение промышленно применимо. Прошло испытание в производственных условиях и готовится к внедрению в ООО "БИТТЕХНИКА", г. Пермь.

На фиг.1 представлено шарнирное соединение в разрезе, на фиг.2 представлен участок фиг.1 шарнира в сечении А-А.

Устройство содержит подвижный элемент (полумуфту переменного сечения) 1, цилиндрический корпус (полумуфту) 2, торцевая часть подвижного элемента 1 расположена в цилиндрическом корпусе 2, шар 3, воспринимающий осевую сжимающую нагрузку, размещенный во впадине 4 торцевой части полумуфты 1 и во впадине 5 упора 6, шарики 7, передающие крутящий момент от полумуфты 1 к полумуфте 2, расположены в боковых впадинах 8 торцевой части подвижного элемента полумуфты 1 и в пазах 9 удлиненной формы, выполненных в цилиндрическом корпусе - полумуфте 2, позволяющих шарнирному соединению осуществлять перемещение под большим углом, манжету 10, гуммированную из сырой резины и привулканизированную в разъемной пресс-форме. Нижняя часть манжеты 11 непосредственно формообразуется, таким образом, на поверхности полумуфты переменного сечения 1, обеспечивая плотную посадку нижней части 11 манжеты 10 к гладкой поверхности подвижного элемента 1. Манжета 10 в верхней части 12 расположена во внутренней торцевой части цилиндрического корпуса 2 и закреплена гайкой 13 и поджата полукольцами 14. Для герметизации резьбового соединения гайкой 13 и полумуфты 2 (цилиндрического корпуса шарнира) шарнир содержит уплотнительное кольцо 15. Отверстия 16 заполнены смазывающей жидкостью (маслом), а для предотвращения вытекания смазывающей жидкости через отверстия 16 в шарнире, из полости 17, образованной между верхней частью манжеты 12 и подвижным элементом 1, имеется заглушка 18. Возможность углового смещения полумуфты 1 относительно оси 19 полумуфты 2 обеспечивается расположением центров шариков 7 и центра шара 3 в одной плоскости, перпендикулярной оси 20. Диаметр шариков 7 выбирается из условия сохранения их прочностных свойств в зависимости от крутящего момента и диаметра расположения шариков относительно оси 20 подвижного элемента (полумуфты переменного сечения) 1. Диаметр шара 3 из стали (ШХ15) выбирается, исходя из условий сохранения прочностных свойств подобранного металла в зависимости от предельных осевых сжимающих нагрузок, допускаемых в процессе эксплуатации устройства и напряжений углового смещения полумуфты 1.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом эксплуатации шарнира открывается заглушка 18 и в отверстия 16 и полость 17 закачивают смазочную жидкость (масло). Заглушку 18 плотно закрывают. Помещают шарнир на заданную глубину в скважину и запускают двигатель. Во время вращения деталям вала 21 с эксцентрично расположенными осями 19 и 20 шарнир передает крутящий момент цилиндрическим корпусом 2 (в виде полумуфты) через шарики 7, расположенные во впадине 8 и пазу 9, а осевые сжимающиеся нагрузки вниз при этом воспринимаются шаром 3 через упор 6 в цилиндрическом корпусе 2 и передаются на подвижный элемент 1 (полумуфта переменного сечения). Шар удерживается на оси за счет того, что расположен во впадине 4 подвижного элемента 1 и в пазу 5 упора 6, усиливающего жесткость шарнирной связи подвижного элемента 1 и цилиндрического корпуса 2, выполненных в виде полумуфт. Паз 9 удлиненной формы позволяет шарнирному соединению реализовать перемещения элементов под большим углом. При этом полость 17 заполнена смазочной жидкостью, которая смазывает детали и трущиеся поверхности, уменьшая коэффициент трения между ними, а манжета 10, формообразованная непосредственно на поверхности подвижного элемента 1 гуммированием с подвулканизацией в разъемной пресс-форме, нижняя часть 11 которой самоуплотнена усадкой после подвулканизации, а верхняя часть 12 жестко закреплена внутри цилиндрического корпуса 2 гайкой 13 и поджата полукольцами 14, защищает смазывающую жидкость от закачиваемой или откачиваемой жидкости (в зависимости от цели эксплуатации шарнира) и примесей в ней, действующих на трущиеся поверхности как абразивный материал в случае попадания их в масло. Уплотнительное кольцо 15 обеспечивает надежную герметизацию резьбового соединения гайки 13 с цилиндрическим корпусом 2 (полумуфтой). В процессе работы шарнира нижняя часть манжеты 11 подвергается дополнительному напряжению сжатия за счет гидравлического давления при спуске или подъеме устройства из буровой скважины, а верхняя часть 12 манжеты подвержена только давлению, создаваемому смазочной жидкостью в полости 17 и усиливающему адгезионную связь этой части манжеты с гайкой 13 и цилиндрическим корпусом 2. Переходная часть манжеты 10 подвержена давлению закачиваемой жидкости и смазочной жидкости, которые снижают общее давление на манжету, обеспечивая самой деформируемой в эксплутационных условиях части манжеты 10 мягкие условия работы. Тем самым манжета 10 надежно обеспечивает защиту шарнирного соединения от агрессивного воздействия внешней среды. Закачиваемая жидкость, подаваемая в скважину под давлением в месте расположения манжеты 10, создает вихревой поток благодаря уменьшенному поперечному сечению подвижного элемента 1, и внешнее давление на деформируемую переходную часть манжеты будет осуществляться не перпендикулярно поверхности, а по касательной. Это также в значительной степени улучшает защитные свойства манжеты.

Технико-экономическая эффективность
По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение имеет преимущества:
- конструктивно шарнир значительно проще, а эффективность работы в условиях высоких давлений выше;
- шарнирное соединение расширяет возможности перемещения под углом;
- повышена надежность восприятия больших осевых сжимающих нагрузок, за счет наличия шара, и его крепления;
- манжета, соединяющая разъемные соединения шарнира, технологичнее в сборке, надежнее функционирует, самостоятельно защищает от загрязнения масло в шарнире, одновременно являясь амортизирующим элементом в шарнире, дополнительно смягчает работу трущихся поверхностей. Гуммированная на поверхности изделия манжета обладает заданными эксплутационными свойствами, более качественна, чем ранее применяемые готовые манжеты, так как может гарантировать плотность, прочность материала и бездефектность, в отличие от прототипа, где используют готовую манжету;
- манжета имеет оптимальное местоположение в устройстве, так как, в отличие от прототипа, находится в углубленном участке соединяемых деталей шарнира, поэтому закачиваемая жидкость и примеси в ней, совершая движение по касательной к ее поверхности, значительно снижают свое отрицательное воздействие на поверхность.

Источники информации
1. А.с. 645615, МКИ F 16 L 21/02 от 10.08.73 г. (аналог).

2. А.с. 1700296, МКИ F 16 С 11/06, от 29.06.89 г. (аналог).

3. А.с. 238351, МКИ F 16 С 11/06, от 09.08.62 г. (прототип).

4. А.с. 551454, МКИ F 16 С 11/06 (аналог).

5. А.с. 1645724, МКИ F 16 L 21/02, от 08.06.88 г. (аналог).

6. А.с. 225626, МКИ F 16 L 21/02, от 29.11.66 г. (аналог).

7. А.с. 503069, МКИ F 16 L 17/02, от 24.04.73 г. (аналог).

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам шарнирных соединений. Шарнир содержит подвижный элемент и цилиндрический корпус, которые выполнены в виде полумуфт. Подвижный элемент имеет поперечное сечение. Осевую сжимающую нагрузку воспринимает шар, размещенный во впадине торцевой части подвижного элемента и впадине, выполненной в упоре, размещенном в цилиндрическом корпусе. В боковых впадинах торцевой части подвижного элемента и в пазах удлиненной формы, выполненных в цилиндрическом корпусе, размещены шарики, передающие крутящий момент от подвижного элемента к цилиндрическому корпусу. Манжета выполнена гуммированием сырой резины с подвулканизацией в разъемной пресс-форме. Нижняя часть манжеты формообразована таким образом непосредственно на поверхности подвижного элемента. Верхняя часть манжеты расположена во внутренней торцевой части цилиндрического корпуса и закреплена гайкой, поджата полукольцами, между гайкой и торцевой поверхностью цилиндрического корпуса имеется уплотнительное кольцо. Отверстия для смазывающей жидкости выполнены с заглушкой на внешней поверхности цилиндрического корпуса. Технический результат - усиление защитных свойств манжеты, повышение надежности шарнирного соединения при работе с повышенными осевыми нагрузками. 2 ил.

Шарнир, содержащий цилиндрический корпус, в котором размещены вращающиеся элементы, передающие крутящий момент и осевые сжимающие нагрузки, подвижный элемент, передающий осевые сжимающие нагрузки, цилиндрический корпус с подвижным элементом соединен манжетой, вращающиеся элементы расположены во внутренних впадинах, выполненных в цилиндрическом корпусе, имеются полости для протока смазывающей жидкости, отличающийся тем, что подвижный элемент и цилиндрический корпус выполнены в виде полумуфт, подвижный элемент имеет переменное сечение, осевую сжимающуюся нагрузку воспринимает шар, размещенный во впадине торцевой части подвижного элемента и впадине, выполненной в упоре, размещенном в цилиндрическом корпусе, в боковых впадинах торцевой части подвижного элемента и в пазах удлиненной формы, выполненных в цилиндрическом корпусе, размещены шарики, передающие крутящий момент от подвижного элемента к цилиндрическому корпусу, манжета выполнена гуммированием сырой резины с подвулканизированием в разъемной пресс-форме, нижняя часть манжеты формообразована непосредственно на поверхности подвижного элемента (полумуфты переменного сечения), верхняя часть манжеты расположена во внутренней торцевой части цилиндрического корпуса и закреплена гайкой, поджата полукольцами, между гайкой и торцевой поверхностью цилиндрического корпуса имеется уплотнительное кольцо, отверстие для смазывающей жидкости выполнено с заглушкой на поверхности цилиндрического корпуса.