Кулачковое соединение буровых штанг
Владельцы патента RU 2279533:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет" (Новочеркасский политехнический институт) (RU)
Изобретение относится к горной промышленности, а именно к бурению скважин, и может использоваться в других отраслях промышленности. Обеспечивается повышение надежности и долговечности кулачкового соединения буровых штанг при его использовании в сложных горно-геологических условиях. Соединение включает расположенные на концах штанг трехкулачковые полумуфты и хвостовик, закрепленный внутри одной из полумуфт. Он зафиксирован от продольного перемещения внутри другой полумуфты при помощи фиксатора, установленного в отверстия полумуфты и хвостовика. Отверстия выполнены перпендикулярно продольной оси кулачкового соединения. Хвостовик расположен соосно с полумуфтой имеет наружный диаметр меньше её внутреннего диаметра на величину не менее двойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих граней кулачков относительно их номинального положения. Отверстие в хвостовике выполнено продолговатым в его поперечной плоскости, с образованием боковых зазоров между наружным диаметром фиксатора и крайними точками внутренней поверхности продолговатого отверстия, лежащими на его горизонтальной оси. Величина этого бокового зазора равна величине зазора между наружным диаметром хвостовика и внутренним диаметром полумуфты, в которой последний зафиксирован от продольного перемещения, а ширина продолговатого отверстия равна диаметру фиксатора. 3 ил.
Изобретение относится к горной промышленности, а именно к бурению скважин, и может использоваться в других отраслях промышленности.
Известно кулачковое соединение буровых штанг, в котором 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 (см. рис.56, Фишман И.Д. и др., Буровой станок БСВ-3, М., Недра, 1968).
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 полумуфты к другой материал каждого из двух кулачков работает весьма неравномерно - возле рабочих граней в нем будут возникать большие напряжения, а возле противоположных они будут приближаться к нулю.
Другим недостатком этого технического решения является отсутствие указаний о величине зазора между внутренними стенками верхней полумуфты и наружным диаметром выступающей части хвостовика, т.к. при неточном изготовлении кулачков и малой величине указанного зазора при передаче Мкр возможна работа только одного кулачка.
Наиболее близким является кулачковое соединение буровых штанг, включающее расположенные на концах трехкулачковые полумуфты и хвостовик, закрепленный внутри одной из полумуфт, зафиксированный от продольного перемещения внутри другой полумуфты при помощи фиксатора, установленного в отверстия полумуфты и хвостовика, выполненные перпендикулярно продольной оси кулачкового соединения, соосно с ней расположенный и имеющий наружный диаметр меньше внутреннего диаметра полумуфты на величину не менее двойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих граней кулачков относительно их номинального положения (см. патент РФ №2061832, кл Е 21 В 17/04, 1996). Данное техническое решение позволяет обеспечить более равномерную работу материла по всей ширине кулачков за счет увеличения их количества до трех штук и обеспечения возможности относительного перемещения кулачков полумуфт до контакта рабочих поверхностей всех кулачков одновременно.
Недостаток данного технического решения заключается в необходимости увеличения диаметра отверстия в хвостовике под соединительный фиксатор или уменьшения диаметра последнего для образования большего зазора (исключающего деформирование фиксатора) с целью обеспечения беспрепятственного перемещения кулачков полумуфт при передаче крутящего момента до контакта рабочих граней всех кулачков одновременно. При бурении перемежающихся по крепости и трещиноватости пород, равно как и при "прошуровке" бурового става (вращение под нагрузкой с перемещением бурового става вверх-вниз), это будет приводить к разъединению кулачков в продольном направлении, уменьшению их площади контакта, увеличению нагрузок на них и, как следствие, к снижению надежности и долговечности кулачкового соединения буровых штанг.
Изобретение направлено на повышение надежности и долговечности кулачкового соединения буровых штанг при его использовании в сложных горно-геологических условиях.
Указанная цель достигается тем, что в кулачковом соединении буровых штанг, включающем расположенные на концах штанг трехкулачковые полумуфты и хвостовик, закрепленный внутри одной из полумуфты, зафиксированный от продольного перемещения внутри другой полумуфты при помощи фиксатора, установленного в отверстие полумуфты и хвостовика, выполненные перпендикулярно продольной оси кулачкового соединения, соосно с ней расположенный и имеющий наружный диаметр меньше внутреннего диаметра полумуфты на величину не менее двойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих граней кулачков относительно их номинального положения, отверстие в хвостовике выполнено продолговатым, в его поперечной плоскости, с образованием боковых зазоров между наружным диаметром фиксатора и крайними точками внутренней поверхности продолговатого отверстия, лежащими на его горизонтальной оси, при этом величина этого бокового зазора равна величине зазора между наружным диаметром хвостовика и внутренним диаметром полумуфты, в которой последний зафиксирован от продольного перемещения, а ширина продолговатого отверстия равна диаметру фиксатора.
На фиг.1 показан общий вид кулачкового соединения буровых штанг; на фиг.2 - разрез соединения по продольной оси; на фиг.3 - поперечный разрез кулачкового соединения в зоне кулачков.
Кулачковое соединение буровых штанг состоит из двух кольцевых полумуфт 1 и 2 (ведущей 1 и ведомой 2), хвостовика 3 и фиксатора 4. Полумуфта 1 соединена со штангой 5, а полумуфта 2 со штангой 6, например, сваркой. На каждой полумуфте выполнено по три кулачка 7, которые предназначены для передачи крутящего момента (Мкр) через рабочие грани 8 и осевых усилий через торцевые поверхности 9 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. Наружный диаметр хвостовика 3 меньше внутреннего диаметра полумуфты 1 на величину не менее двойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих граней кулачков 7 относительно их номинального положения, т.е. между ними образован зазор 10. Верхняя часть хвостовика 3 предназначена для соединения с полумуфтой 1 при помощи фиксатора 4, который размещается в отверстиях 11 полумуфты 1 и центре продолговатого (в поперечной плоскости хвостовика) отверстия 12, выполненных перпендикулярно продольной оси кулачкового соединения штанг. При этом ширина продолговатого отверстия 12 равна диаметру фиксатора 4, а между крайними точками внутренней поверхности продолговатого отверстия 12, лежащими на его горизонтальной оси, и наружным диаметром фиксатора образован боковой зазор 13, величина которого равна величине зазора 10. Хвостовик 3 с фиксатором 4 предназначен для удерживания штанг 5 и 6 в сомкнутом состоянии при подъеме бурового става из скважины или при его опускании в скважину.
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 - усилие подачи на полу муфту 2, т.е. на штангу 6.
Хвостовик 3 с фиксатором 4, на первый взгляд, работают только при спускоподъемных операциях с буровым ставом, фактически роль хвостовика 3 этим не ограничивается. Так как в соединении буровых штанг между внешним диаметром хвостовика 3 и внутренним диаметром полумуфты 1 выполнен зазор 10, а между наружным диаметром фиксатора 4 и крайними точками внутренней поверхности продолговатого отверстия 12 хвостовика 3 - зазор 13, при передаче Мкр после возникновения контакта между рабочими гранями 8 на одной или двух парах кулачков 7 начинается перемещение в поперечной плоскости ведущей полумуфты 1 вместе с фиксатором 4 относительно ведомой полумуфты 2 и хвостовика 3 до возникновения контакта рабочих граней 8 и в третьей паре кулачков 7.
При этом ввиду равенства ширины продолговатого отверстия 12 и диаметра фиксатора 4, взаимного перемещения полумуфт 1 и 2 в продольном направлении, приводящего к разъединению кулачков 7 и уменьшению площадей их, контакта не будет.
Данное техническое решение позволяет обеспечить надежный контакт всех рабочих граней кулачков и повысить тем самым надежность и долговечность всего кулачкового соединения буровых штанг при его использовании в сложных горно-геологических условиях.
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 при помощи фиксатора, установленного в отверстия, выполненные перпендикулярно продольной оси кулачкового соединения полумуфты и хвостовика, соосно с ней расположенного и имеющего наружный диаметр меньше внутреннего диаметра полумуфты на величину не менее двойной величины максимального допуска при изготовлении рабочих граней кулачков относительно их номинального положения, отличающееся тем, что отверстие в хвостовике выполнено продолговатым в его поперечной плоскости с образованием боковых зазоров между наружным диаметром фиксатора и крайними точками внутренней поверхности продолговатого отверстия, лежащими на его горизонтальной оси, при этом величина этого бокового зазора равна величине зазора между наружным диаметром хвостовика и внутренним диаметром полумуфты, в которой последний зафиксирован от продольного перемещения, а ширина продолговатого отверстия равна диаметру фиксатора.
