Кулачковое соединение буровых штанг

 

Использование: в соединениях буровых штанг при бурении скважин. Сущность изобретения: кулачковое соединение буровых штанг /КСБШ/ состоит из двух трехкулачковых полумуфт, хвостовика и фиксатора. Хвостовик соединен с одной из полумуфт и его конец входит внутрь другой полумуфты, образуя зазор, величина которого не менее дойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих поверхностей кулачков относительно номинального их положения. Крутящий момент от одной штанги к другой передается путем контакта рабочих поверхностей всех кулачков. Это обеспечит увеличение надежности соединения и передачи крутящего момента. 3 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, а именно, к бурению скважин и может использоваться в других отраслях промышленности.

Кулачковое соединение буровых штанг в длинный буровой став известны (см. например, рис. 56, Фишман И.Д. и др. "Буровой станок БСВ-З, Недра, М. 1968). В этом соединении хвостовик закреплен на одной из полумуфт так, что их продольные оси совпадают, а его выступающая часть входит внутрь другой полумуфты и соединяется с ней с помощью фиксатора.

Недостатком данного технического решения является наличие на каждой полумуфте всего двух кулачков. При этом кулачки имеют большую ширину - четверть от длины окружности, описывающей внешний диаметр полумуфт. В процессе передачи крутящего момента (Мкр) от одной муфты к другой материал кулачков работает весьма неравномерно возле рабочих поверхностей в нем будут вовникать большие напряжения, а возле противоположных поверхностей они будут приближаться к нулю.

Другим недостатком этого технического решения является отсутствие указаний о величине зазора между внутренними стенками верхней полумуфты и внешним диаметром выступающей части хвостовика, так как при неточном изготовлении кулачков и малой величине указанного зазора при передаче Мкр возможна работа только одного кулачка.

Чтобы обеспечить более равномерную работу материала по всей ширине кулачков увеличивают их количество до трех и более штук (см. например, патент США, N 2671682, кл.287 103, 1954 г.) общим недостатком такого технического решения является то, что из за не точности изготовления кулачков на полумуфтах ( в пределах допустимых отклонений от номинальных размеров) фактически при передаче Мкр работает только часть кулачков. Например, при трехкулачковом соединении фактически работает не более двух кулачков на каждой полумуфте. При этом в материале кулачков возникают высокие напряжения, для снижения которых приходится уменьшать величину Мкр или увеличивать размеры кулачков.

Целью изобретения является повышение надежности соединения буровых штанг и увеличение крутящего момента, передаваемого кулачковым соединением, за счет обеспечения одновременного контакта рабочих поверхностей всех трех кулачков.

Эта цель достигается тем, что хвостовик трехкулачкового соединения штанг выполняется меньшего диаметра, чем внутренний диаметр в зоне кулачков той полумуфты, в которой он закреплен, и внутренний диаметр другой полумуфты на величину не менее двойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих поверхностей кулачков относительно их номинального положения.

Существенным признаком предлагаемого изобретения является выполнение хвостовика у трехкулачкового соединения штанг меньшего диаметра, чем внутренний диаметр в зоне кулачков той полумуфты, в которой он закреплен, и внутренний диаметр другой полумуфты на величину не менее двойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих поверхностей кулачков относительно их номинального положения.

Этот признак частично известен, так как для работы кулачкового соединения штанг с любым числом кулачков диаметр хвостовика должен иметь меньшую величину, чем внутренний диаметр полумуфт. Новым с этом признаке является соотношение диаметра хвостовика и внутреннего диаметра полумуфт.

Предлагаемое соотношение диаметров хвостовика и внутреннего диаметра полумуфт при передаче Мкр позволяет одной полумуфте смещаться относительно другой полумуфты и хвостовика до тех пор, пока рабочие поверхности всех трех ее кулачков не войдут в соприкосновение с рабочими поверхностями кулачков другой полумуфты. При меньшей величине зазора между диаметром хвостовика и внутренним диаметром полумуфт рабочие поверхности, как минимум, одного из трех кулачков не будут контактировать друг с другом, а следовательно, эти кулачки не будут участвовать в передаче Мкр и вся нагрузка распределяется на два кулачка. Большую величину зазора делать не целесообразно, так как это снижает точность и прочность соединения штанг.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны общий вид соединения штанг, на фиг.2 разрез соединения по продольной оси, на фиг. 3 поперечный разрез соединения в зоне кулачнов.

Кулачковое соединение буровых штанг состоит из двух кольцевых полумуфт 1 и 2 (ведущей 1 и ведомой 2), хвостовика 3 и фиксатора 4. Выдущая полумуфта 1 соединена со штангой 5, а ведомая полумуфта 2 со штангой 6, например, сваркой. На каждой полумуфте выполнено по три кулачка 7, которые предназначены для передачи Мкр и осевых усилий от полумуфты 1 к полумуфте 2, а следовательно, от штанги 5 к штанге 6.

Хвостовик 3 размещен внутри полумуфты 2 так, что их продольные оси совпадают, и жестко соединен с ней, например, сваркой. Верхняя часть хвостовика 3 предназначена для соединения с ведущей полумуфтой 1 при помощи фиксатора 4 в виде соединительного пальца или защелки, которые размещаются в отверстиях, выполненных в полумуфте 1 и в верхней части хвостовика.

Хвостовик 3 с фиксатором 4 предназначены для удерживания штанг 5 и 6 в сомкнутом состоянии при подъеме бурового става из скважины или при его опускании в скважину. В передаче Мкр они участия не должны принимать.

Работает кулачковое соединение буровых штанг следующим образом.

В процессе бурения скважин механизмы вращения и подачи станка (на чертежах не показаны) передают на штангу 5 Мкр и осевые усилия. От штанги 5 эти нагрузки передаются полумуфте 1, кулачки 7 которой через рабочие грани 8 передают Мкр, а через торцевые поверхности 9 усилия подачи на полумуфту 2, то есть на штангу 6.

Хвостовик 3 с фиксатором 4, на первый взгляд, работают только при спуско-подъемных операциях с буровым ставом, фактически роль хвостовика этим не ограничивается.

В действительности весьма трудно, а практически невозможно, при массовом производстве полумуфт выполнить рабочие поверхности на шести кулачках без отклонения от их номинального положения. Их положение будет отстоять от номинального как в одну, так и в другую сторону на расстояниях в пределах принятых допусков при изготовлении.

Учитывая это и приняв, что в соединении буровых штанг между внешним диаметром хвостовика 3 и внутренним диаметром полумуфт нет зазора 10, можно утверждать, что все рабочие поверхности 8 трех пар кулачков будут контактировать друг с другом. Очевидно, что в этом случае будут контактировать не более двух пар кулачков, а третья пара при передаче Мкр работать не будет.

Другое дело, когда в соединении буровых штанг между внешним диаметром хвостовика и внутренним диаметром полумуфт будет выполнен зазор 10. В этом случае при передаче Мкр после возникновения контакта между рабочими поверхностями 8 на одной или двух парах кулачков начнется перемещение ведущей полумуфты относительно ведомой и хвостовика до возникновения контакта поверхностей 8 и в третьей паре кулачков. Как показали экспериментальные исследования такое явление происходит при величине зазора не менее двукратной величины максимального допуска при изготовлении рабочих поверхностей кулачков на полумуфтах.

Экспериментальные образцы буровых шнеков к станкам СВБ-2м с предлагаемыми трехкулачковыми соединениями были испытаны на разрезе "Волганский" П.О. "Вахрушев-уголь" (г. Карпинск, Свердловской обл.) и показали в шесть раз большую долговечность, чем шнеки с серийными соединениями.

В настоящее время Карпинский машиностроительный завод ведет работы по подготовке испытаний промышленных партий шнеков к станкам СВБ-2м с предлагаемыми трехкулачковыми соединениями.

Формула изобретения

Кулачковое соединение буровых штанг, включающее расположенные на концах штанг трехкулачковые полумуфты и хвостовик, закрепленный внутри одной из полумуфт, зафиксированный от продольного перемещения внутри другой полумуфты, соосно с ним расположенный и имеющий наружный диаметр меньше внутреннего диаметра полумуфт, отличающееся тем, что наружный диаметр хвостовика выполнен меньше внутреннего диаметра полумуфты на величину не менее двойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих поверхностей кулачков относительно их номинального положения для обеспечения возможности относительного перемещения кулачков полумуфт до контакта рабочих поверхностей всех кулачков одновременно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3