RU153645U1

RU153645U1 - SCREW SHAFT SCREW GEROTOR HYDRAULIC MACHINE

Info

Publication number: RU153645U1
Application number: RU2014146403/03U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Анатольевич Голдобин; Юрий Арсеньевич Коротаев; Михаил Николаевич Корнев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ВНИИБТ - Буровой инструмент"
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2015-07-27

Abstract

1. Карданный вал винтовой героторной гидромашины, включающий два шарнира, каждый из которых содержит обойму с глухим осевым отверстием, подпятник со сферическим дном, вал с головкой, имеющей упорную сферическую поверхность, взаимодействующую со сферическим дном подпятника, и уплотнительный элемент, не менее одного пальца, отличающийся тем, что обойма содержит две продольные канавки, выполненные в виде шпоночных пазов, боковые стенки которых выполнены в виде плоскостей скольжения, выполненных параллельно оси шарниров, обойма и вал соединены при помощи двух пальцев, у которых один конец выполнен в виде шпонки с плоскими сторонами скольжения с возможностью контактирования с плоскостями скольжения продольных канавок обоймы, а другой конец пальцев выполнен цилиндрическим с возможностью поворота вокруг своей оси.2. Карданный вал винтовой героторной гидромашины по п. 1, отличающийся тем, что торцы концов пальцев, выполненных в виде шпонок, содержат две плоскости, расположенные под углом α к оси обоймы, равным острому углу возможного кругового отклонения вала в обойме,3. Карданный вал винтовой героторной гидромашины по п. 1, отличающийся тем, что головка вала выполнена с двумя конусами, образующая которых наклонена под углом α к оси обоймы.1. The propeller shaft of a screw gerotor hydraulic machine, including two joints, each of which contains a cage with a blind axial hole, a thrust bearing with a spherical bottom, a shaft with a head having a persistent spherical surface that interacts with the spherical bottom of the thrust bearing, and a sealing element, at least one finger characterized in that the cage contains two longitudinal grooves made in the form of keyways, the side walls of which are made in the form of sliding planes made parallel to the axis of the hinges, the cage and the shaft are connected us with two fingers, one end of which is designed as a flat key sides, with sliding contact with the slip planes of longitudinal grooves holder and the other end is cylindrical finger rotatable around its osi.2. The propeller shaft of a screw gerotor hydraulic machine according to claim 1, characterized in that the ends of the ends of the fingers, made in the form of dowels, contain two planes located at an angle α to the axis of the cage, equal to the acute angle of the possible circular deflection of the shaft in the cage, 3. The propeller shaft of a screw gerotor hydraulic machine according to claim 1, characterized in that the shaft head is made with two cones, the generatrix of which is inclined at an angle α to the axis of the cage.

Description

Полезная модель относится к нефтепромысловой технике, а именно к карданным валам винтовых героторных гидромашин, а именно винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин и винтовых насосов объемного типа, способных перекачивать газожидкостные смеси широкого спектра вязкости, предназначенных для передачи крутящего момента и осевой нагрузки от планетарно движущего ротора к соосно вращающемуся валу опорного узла.The invention relates to oilfield technology, namely, propeller shafts of screw gerotor hydraulic machines, namely, downhole screw motors for drilling oil and gas wells and volumetric screw pumps capable of pumping gas-liquid mixtures of a wide range of viscosities designed to transmit torque and axial load from planetary moving rotor to the coaxially rotating shaft of the support node.

Известен карданный вал винтового забойного двигателя, включающий два шарнира (Патент RU №34195, МПК Е21В 4/00, опубл. 27.11.2003 г.). Каждый шарнир карданного вала содержит корпус с внутренними продольными цилиндрическими канавками, параллельными оси корпуса, вал с наружными продольными цилиндрическими канавками, параллельными оси вала, тела качения в виде роликов бочкообразной формы, имеющие кривизну в продольном сечении R₁≥(r+R) и длину L>2r, размещенные одновременно в продольных канавках вала и корпуса и передающие крутящий момент с вала на корпус. При этом центр сферической опоры вала лежит в плоскости поперечного сечения шарнирного устройства, проходящий по среднему сечению бочкообразных роликов. Внутренняя полость между корпусом и валом шарнира заполнена смазкой и защищена от агрессивной среды уплотнением типа манжеты, выполненной из эластично материала, закрепленной в корпусе и на валу шарнира.Known for the propeller shaft of a downhole screw motor, including two hinges (Patent RU No. 34195, IPC ЕВВ 4/00, publ. November 27, 2003). Each hinge of the driveshaft contains a housing with internal longitudinal cylindrical grooves parallel to the axis of the housing, a shaft with external longitudinal cylindrical grooves parallel to the axis of the shaft, rolling elements in the form of barrel-shaped rollers having a curvature in the longitudinal section R ₁ ≥ (r + R) and length L> 2r, placed simultaneously in the longitudinal grooves of the shaft and the housing and transmitting torque from the shaft to the housing. In this case, the center of the spherical shaft support lies in the plane of the cross section of the hinge device, passing through the middle section of the barrel-shaped rollers. The internal cavity between the body and the hinge shaft is filled with grease and protected from aggressive media by a cuff type seal made of an elastic material, fixed in the body and on the hinge shaft.

Одним из основных недостатков указанного карданного вала является невозможность передачи больших крутящих моментов и недостаточная долговечность. Это объясняется тем, что контакт бочкообразных роликов с продольными цилиндрическими канавками корпуса и вала происходит по точкам, а не по линиям и поверхностям. Из-за этого при передаче больших крутящих моментов возникают высокие контактные напряжения, происходит смятие поверхностей в канавках корпуса и вала, разрушение стенок между продольными канавками, износ и разрушение роликов из-за возможности их заклинивания. Высокие контактные напряжения возникают также и потому, что из-за сложности обеспечения высокой точности изготовления канавок и роликов в передаче крутящего момента участвуют не более половины роликов шарнирного устройства.One of the main disadvantages of this driveshaft is the inability to transmit large torques and insufficient durability. This is due to the fact that the barrel-shaped rollers contact with the longitudinal cylindrical grooves of the housing and shaft occurs at points, and not along lines and surfaces. Because of this, when transmitting large torques, high contact stresses arise, surfaces are crushed in the grooves of the housing and the shaft, the walls between the longitudinal grooves are destroyed, the rollers are worn and destroyed due to the possibility of jamming. High contact stresses also arise because, due to the complexity of ensuring high precision manufacturing of grooves and rollers, no more than half of the rollers of the hinge device participate in the transmission of torque.

Указанные недостатки частично устранены в карданном вале винтовой героторной машины, который является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и выбран в качестве прототипа (Патент RU №2230171, МПК Е21В 4/02, опубл. 10.06.2004 г.). Карданный вал включает два шарнира, каждый из которых содержит обойму с глухим осевым отверстием, подпятник со сферическим дном, вал с головкой, имеющей упорную сферическую поверхность для взаимодействия со сферическим дном подпятника, не менее одного пальца, запрессованного средней частью в радиальном сквозном отверстии вала и два сухаря, свободно установленные на концах пальца, уплотнительный элемент. Сухари выполнены с параллельными плоскостями скольжения и размещены в окнах обоймы, имеющих плоские стенки, параллельные оси обоймы и взаимодействующими с плоскими стенками сухарей. При передаче крутящего момента от вала к обойме плоские стенки обоймы взаимодействуют с площадками скольжения сухарей.These shortcomings were partially eliminated in the propeller shaft of the screw gerotor machine, which is the closest analogue to the claimed technical solution and is selected as a prototype (Patent RU No. 2230171, IPC Е21В 4/02, published on 06/10/2004). The driveshaft includes two hinges, each of which contains a cage with a blind axial hole, a thrust bearing with a spherical bottom, a shaft with a head having a persistent spherical surface for engaging with the spherical bottom of the thrust bearing, at least one finger pressed into the middle part in the radial through hole of the shaft and two crackers, loosely mounted on the ends of the finger, a sealing element. The crackers are made with parallel sliding planes and are placed in the windows of the holder having flat walls parallel to the axis of the holder and interacting with the flat walls of the crackers. When transmitting torque from the shaft to the cage, the flat walls of the cage interact with the sliding platforms of the crackers.

Недостатком карданного вала является недостаточная долговечность. Это объясняется тем, что крутящий момент от вала к обойме передается через палец к сухарю по линии контакта цилиндрического конца пальца с цилиндрическим отверстием в сухаре. При больших моментах в линии контакта возникают большие контактные напряжения, что приводит к быстрому износу конца пальца и отверстия в сухаре.The disadvantage of the driveshaft is insufficient durability. This is because the torque from the shaft to the cage is transmitted through the finger to the cracker along the line of contact of the cylindrical end of the finger with the cylindrical hole in the cracker. At large moments, large contact stresses arise in the contact line, which leads to rapid wear of the end of the finger and the hole in the cracker.

Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в уменьшении износа контактирующих поверхностей основных деталей карданного вала, за счет снижения напряжений их смятия, повышении долговечности карданного вала винтовой героторной гидромашины и увеличить крутящий момент при сохранении его малых габаритов.The technical problem to which the utility model is directed is to reduce the wear of the contacting surfaces of the main parts of the driveshaft by reducing the stresses of crushing them, increasing the durability of the driveshaft of a screw gerotor hydraulic machine and increase the torque while maintaining its small dimensions.

Технический результат достигается за счет того, что в карданном вале винтовой героторной гидромашины, включающем два шарнира, каждый из которых содержит обойму с глухим осевым отверстием, подпятник со сферическим дном, вал с головкой, имеющей упорную сферическую поверхность, взаимодействующей со сферическим дном подпятника и уплотнительный элемент, не менее одного пальца, согласно полезной модели, обойма содержит две продольные канавки, выполненные в виде шпоночных пазов, боковые стенки которых выполнены в виде плоскостей скольжения, выполненных параллельно оси шарнира, обойма и вал соединены при помощи двух пальцев, у которых один конец выполнен в виде шпонки с плоскими сторонами скольжения с возможностью контактирования с плоскостями скольжения продольных канавок обоймы, а другой конец пальцев выполнен цилиндрическим с возможностью поворота вокруг своей оси.The technical result is achieved due to the fact that in the propeller shaft of a screw gerotor hydraulic machine, including two hinges, each of which contains a cage with a blind axial hole, a thrust bearing with a spherical bottom, a shaft with a head having a persistent spherical surface, interacting with the spherical bottom of the thrust bearing and sealing an element of at least one finger, according to the utility model, the clip contains two longitudinal grooves made in the form of keyways, the side walls of which are made in the form of sliding planes, in made parallel to the hinge axis, the cage and the shaft are connected using two fingers, in which one end is made in the form of a dowel with flat sliding sides with the possibility of contacting the longitudinal grooves of the cage with the sliding planes, and the other end of the fingers is made cylindrical with the possibility of rotation around its axis.

Кроме того, торцы концов пальцев, выполненные в виде шпонок, содержат две плоскости, расположенные под углом α к оси обоймы, равным острому углу возможного кругового отклонения вала в обойме.In addition, the ends of the fingers, made in the form of dowels, contain two planes located at an angle α to the axis of the cage, equal to the acute angle of a possible circular deflection of the shaft in the cage.

Кроме того, головка вала выполнена с двумя конусами, образующая которых наклонена под углом α к оси обоймы.In addition, the shaft head is made with two cones, the generatrix of which is inclined at an angle α to the axis of the cage.

В предлагаемой полезной модели, обойма содержит две продольные канавки, выполненные в виде шпоночных пазов, боковые стенки которых выполнены в виде плоскостей скольжения, что упрощает изготовление и сборку карданного вала, увеличивает площадь контакта боковых стенок канавок обоймы с плоскостями скольжения пальцев, уменьшает износ контактирующих плоскостей, за счет уменьшения напряжений смятия и повышает долговечность карданного вала. В отличие от прототипа, крутящий момент от вала к обойме передается двумя пальцами, которые одновременно контактирует с плоскими стенками продольных канавок обоймы и цилиндрическим отверстием вала. Один из концов каждого пальца выполнен в виде шпонки с плоскими сторонами скольжения с возможностью контактирования с плоскостями скольжения продольных канавок обоймы, а другой конец пальцев выполнен цилиндрическим с возможностью поворота вокруг своей оси, Длина контактирующих цилиндрических поверхностей пальца и вала в предлагаемой полезной модели значительно больше длины контактирующих цилиндрических поверхностей пальца и сухаря в прототипе. Это позволяет снизить контактные напряжения в шарнире уменьшить износ деталей шарнира, что повышает срок службы карданного вала.In the proposed utility model, the clip contains two longitudinal grooves made in the form of keyways, the side walls of which are made in the form of sliding planes, which simplifies the manufacture and assembly of the driveshaft, increases the contact area of the side walls of the clip grooves with the sliding planes of the fingers, reduces the wear of the contacting planes , by reducing shear stress and increases the durability of the driveshaft. Unlike the prototype, the torque from the shaft to the cage is transmitted by two fingers, which are in contact with the flat walls of the longitudinal grooves of the cage and the cylindrical bore of the shaft. One of the ends of each finger is made in the form of a dowel with flat sliding sides with the possibility of contacting with the sliding planes of the longitudinal grooves of the cage, and the other end of the fingers is made cylindrical with the possibility of rotation around its axis. The length of the contacting cylindrical surfaces of the finger and shaft in the proposed utility model is much greater than the length contacting cylindrical surfaces of the finger and cracker in the prototype. This allows you to reduce contact stress in the hinge to reduce wear of the parts of the hinge, which increases the service life of the driveshaft.

Кроме того, торцы концов пальцев, выполненные в виде шпонок, содержат две плоскости, расположенные под углом α к оси обоймы, что позволяет обеспечить отклонение вала относительно обоймы в плоскости параллельной боковым стенкам продольных канавок на угол α равный острому углу возможного кругового отклонения вала в обоймеIn addition, the ends of the fingers, made in the form of dowels, contain two planes located at an angle α to the axis of the cage, which allows the shaft to deviate relative to the cage in a plane parallel to the side walls of the longitudinal grooves by an angle α equal to the acute angle of the possible circular deflection of the shaft in the cage

Кроме того, головка вала выполнена с двумя конусами, образующая которых наклонена под углом α к оси обоймы, что позволяет обеспечить отклонение вала относительно обоймы в плоскости перпендикулярной оси цилиндрического отверстия вала на угол α, равный острому углу возможного кругового отклонения вала в обоймеIn addition, the shaft head is made with two cones, the generatrix of which is inclined at an angle α to the axis of the cage, which allows the shaft to deviate relative to the cage in the plane perpendicular to the axis of the cylindrical shaft bore by an angle α equal to the acute angle of the possible circular deflection of the shaft in the cage

На фиг. 1 показан общий вид карданного вала винтовой героторной гидромашины.In FIG. 1 shows a general view of the propeller shaft of a screw gerotor hydraulic machine.

На фиг. 2 показан продольный разрез шарнира карданного вала.In FIG. 2 shows a longitudinal section through a cardan shaft hinge.

На фиг. 3 показан поперечный разрез шарнира карданного вала.In FIG. 3 shows a cross-section through a cardan shaft hinge.

На фиг. 4 показан продольный разрез (сечение Б-Б) шарнира карданного вала.In FIG. 4 shows a longitudinal section (section BB) of the joint of the driveshaft.

Карданный вал винтовой героторной машины (фиг. 1) содержит два шарнира 1, 2, соединенных между собой конусным соединением и манжету 3 из эластичного материала, например резины, закрепленную на шарнирах 1, 2 при помощи хомутов 4.The propeller shaft of a screw gerotor machine (Fig. 1) contains two hinges 1, 2, interconnected by a conical connection and a sleeve 3 of elastic material, such as rubber, mounted on the hinges 1, 2 with clamps 4.

Каждый шарнир карданного вала (фиг. 2) содержит обойму 5 с глухим осевым отверстием, подпятник 6 со сферическим дном 7, вал 8 с головкой 9 с упорной сферической поверхностью 10, взаимодействующей со сферическим дном 7 подпятника 6 с возможностью кругового отклонения вала 8 на острый угол α, два пальца 11, 12, гайку 13 и уплотнительный элемент 14. Для закачки смазки в карданный вал в обойме 5 шарнира 1, 2 выполнено отверстие с резьбой, в которое завинчена пробка 15.Each hinge of the driveshaft (Fig. 2) contains a cage 5 with a blind axial hole, a thrust bearing 6 with a spherical bottom 7, a shaft 8 with a head 9 with a persistent spherical surface 10, interacting with the spherical bottom 7 of the thrust bearing 6 with the possibility of circular deflection of the shaft 8 to sharp angle α, two fingers 11, 12, nut 13 and sealing element 14. For injection of lubricant into the driveshaft in the holder 5 of the hinge 1, 2, a hole with a thread is made into which the plug 15 is screwed.

В обойме 5 каждого шарнира 1, 2 выполнены две внутренние продольные канавки 16 в виде шпоночного паза. Боковые стенки 17, 18 продольных канавок 16 обоймы 5 выполнены в виде плоскостей скольжения, выполненных параллельно оси шарнира 1, 2 (фиг. 3).In the clip 5 of each hinge 1, 2, two internal longitudinal grooves 16 are made in the form of a keyway. The side walls 17, 18 of the longitudinal grooves 16 of the cage 5 are made in the form of sliding planes made parallel to the axis of the hinge 1, 2 (Fig. 3).

Крутящий момент от вала 8 к обойме 5 передается при помощи двух пальцев 11, 12. Один конец пальцев 11, 12 выполнен цилиндрическим 19 и с возможностью поворота вокруг своей оси. Другой конец пальцев 11, 12 выполнен в виде шпонки 20 и имеет плоские стороны скольжения 21, 22, которые контактируют с плоскостями скольжения боковых стенок 17, 18 продольных канавок 16 обоймы 5. Торцы пальцев 11, 12, расположенных во внутренних продольных канавках 16 обоймы 5 выполнены в виде двух плоскостей 23, 24, расположенных под углом α к оси обоймы 5, равным острому углу возможного кругового отклонения вала 8 в обойме 5. Головка вала 9 со сферической поверхностью 10 выполнена с двумя конусами 25, 26 (фиг. 4), образующая которых наклонена под углом α к оси обоймы 5, равным острому углу возможного кругового отклонения вала 8 в обойме 5.The torque from the shaft 8 to the yoke 5 is transmitted using two fingers 11, 12. One end of the fingers 11, 12 is made cylindrical 19 and can be rotated around its axis. The other end of the fingers 11, 12 is made in the form of a key 20 and has flat sliding sides 21, 22 that are in contact with the sliding planes of the side walls 17, 18 of the longitudinal grooves 16 of the holder 5. The ends of the fingers 11, 12 located in the inner longitudinal grooves 16 of the holder 5 made in the form of two planes 23, 24 located at an angle α to the axis of the holder 5, equal to the acute angle of a possible circular deflection of the shaft 8 in the holder 5. The head of the shaft 9 with a spherical surface 10 is made with two cones 25, 26 (Fig. 4), whose generatrix is inclined at an angle α to the axis of we have 5 equal to the acute angle of possible circular shaft deflection 8 of the cage 5.

Карданный вал винтовой героторной гидромашины работает следующим образом. Крутящий момент и осевая нагрузка передается от ведущего узла винтовой героторной гидромашины (на фиг. не показано) на вал 8 шарнира 1, 2. От конца вала 8 осевая нагрузка передается к обойме 5 через подпятник 6 по сферическим поверхностям 7, 10. Крутящий момент передается от вала 8 к обойме 5 через боковые стенки 17, 18 продольных канавок 16 обоймы 5, пальцы 11, 12 с плоскими сторонами скольжения 21, 22, цилиндрические концы 19 пальцев 11, 12 и цилиндрическое отверстие в вале 8, перпендикулярное его оси. При движении вала 8 по отношению к обойме 5 с углом преломления α происходит скольжение плоских сторон скольжения 21, 22 пальцев 11, 12 по боковым стенкам 17, 18 продольных канавок 16 обоймы 5 и поворот цилиндрических концов пальцев 11, 12 вокруг своей оси в цилиндрическом отверстии вала 8. Упорная сферическая поверхность 10 вала 8 скользит по сферическому дну 7 подпятника 6. Крутящий момент от вала 8 к обойме 5 передается двумя пальцами 11, 12, которые одновременно контактирует с боковыми стенками 17, 18 продольных канавок 16 обоймы 5 и цилиндрическим отверстием вала. Длина контактирующих цилиндрических поверхностей пальца 11, 12 и вала 8 в предлагаемой полезной модели значительно больше длины контактирующих цилиндрических поверхностей пальца и сухаря в прототипе.The driveshaft of a screw gerotor hydraulic machine operates as follows. Torque and axial load are transmitted from the driving unit of the screw gerotor hydraulic machine (not shown in Fig.) To the shaft 8 of the hinge 1, 2. From the end of the shaft 8, the axial load is transmitted to the yoke 5 through the thrust bearing 6 along the spherical surfaces 7, 10. The torque is transmitted from the shaft 8 to the yoke 5 through the side walls 17, 18 of the longitudinal grooves 16 of the yoke 5, fingers 11, 12 with flat sliding sides 21, 22, cylindrical ends 19 of the fingers 11, 12 and a cylindrical hole in the shaft 8, perpendicular to its axis. When the shaft 8 moves with respect to the yoke 5 with a refraction angle α, the flat sliding sides 21, 22 of the fingers 11, 12 slide along the side walls 17, 18 of the longitudinal grooves 16 of the yoke 5 and the cylindrical ends of the fingers 11, 12 rotate about their axis in the cylindrical hole the shaft 8. The persistent spherical surface 10 of the shaft 8 slides along the spherical bottom 7 of the thrust bearing 6. The torque from the shaft 8 to the yoke 5 is transmitted by two fingers 11, 12, which simultaneously contact with the side walls 17, 18 of the longitudinal grooves 16 of the yoke 5 and a cylindrical hole shaft. The length of the contacting cylindrical surfaces of the finger 11, 12 and shaft 8 in the proposed utility model is significantly greater than the length of the contacting cylindrical surfaces of the finger and cracker in the prototype.

Таким образом, выполнение предлагаемой полезной модели с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками позволяет снизить контактные напряжения в шарнире, уменьшить износ деталей шарнира, повысить срок службы карданного вала и успешно использовать его в винтовых забойных двигателях и мультифазных винтовых насосных установках.Thus, the implementation of the proposed utility model with the above distinguishing features, together with the known features, allows to reduce contact stresses in the hinge, reduce the wear of the hinge parts, increase the service life of the driveshaft and successfully use it in downhole screw motors and multiphase screw pump units.

Claims

1. The propeller shaft of a screw gerotor hydraulic machine, including two joints, each of which contains a cage with a blind axial hole, a thrust bearing with a spherical bottom, a shaft with a head having a persistent spherical surface that interacts with the spherical bottom of the thrust bearing, and a sealing element, at least one finger characterized in that the cage contains two longitudinal grooves made in the form of keyways, the side walls of which are made in the form of sliding planes made parallel to the axis of the hinges, the cage and the shaft are connected us with two fingers, one end of which is designed as a key with the flat sides, with sliding contact with the slip planes of longitudinal grooves holder and the other end is cylindrical finger rotatable around its axis.

2. The propeller shaft of a screw gerotor hydraulic machine according to claim 1, characterized in that the ends of the ends of the fingers, made in the form of dowels, contain two planes located at an angle α to the axis of the cage, equal to the acute angle of a possible circular deflection of the shaft in the cage,

3. The driveshaft of a screw gerotor hydraulic machine according to claim 1, characterized in that the shaft head is made with two cones, the generatrix of which is inclined at an angle α to the axis of the cage.