карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем

Формула изобретения

1. Карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем, содержащий центральный вал и два корпуса, каждый из которых охватывает край центрального вала, а между каждым корпусом и краем центрального вала размещен ряд шариков, установленных одной стороной в полусферических впадинах, например, центрального вала, другой стороной - в продольных полуцилиндрических пазах, например, корпуса, при этом каждый ряд шариков образует между центральным валом и корпусом шарнирный механизм, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из шарнирных механизмов выполнен двухрядным, например, с суммарным четным числом равнорасположенных по окружности шариков в двух рядах, равным числу шариков однорядного шарнирного механизма, при этом вдоль оси центрального вала шарики двух рядов расположены между собой на определенном расстоянии, максимальная величина которого равна эксцентриситету ротора относительно статора винтовой героторной гидромашины.

2. Карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем по п.1, отличающийся тем, что расстояние L вдоль оси центрального вала между шариками двух смежных рядов, установленных одной стороной, например, в полусферических впадинах центрального вала, определяется соотношением

где е - эксцентриситет ротора относительно статора винтовой героторной гидромашины;

n_р - частота планетарного вращения ротора относительно статора винтовой героторной гидромашины;

=3,14159...;

Ф=1,61803... - число Фибоначчи;

Д_ш - диаметр шариков;

n_ш - частота вращения центрального вала.

3. Карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем по п.1, отличающийся тем, что глубина h полусферических впадин центрального вала, а также продольных полуцилиндрических пазов корпуса с радиусом R_ш и диаметром Д_ш шариков связана соотношением

h=R_ш-(0,015...0,085)Д_ш,

при этом диаметр вписанной окружности Д_вп в полусферических впадинах центрального вала, а также в продольных полуцилиндрических пазах корпуса с диаметром шариков Д_ш связан соотношением

Д_вп=(1,05...1,25)Д.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам приводов вращения, размещаемых в скважине, в частности, для соединения ротора винтовой героторной гидромашины (винтового забойного двигателя для бурения нефтяных и газовых скважин или винтового насоса для перекачивания жидкостей) с валом шпинделя.

Известна универсальная муфта для забойного двигателя, содержащая корпус с внутренними прямоугольными шпоночными пазами, размещенный в нем с возможностью кругового отклонения на острый угол вал с установленными на нем шпонками, помещенными в радиальные шпоночные отверстия, вкладыш с опорной поверхностью, установленный в корпусе для взаимодействия с шаром, и узел уплотнения, включающий уплотнительное кольцо с манжетой и гайку [1].

Недостатком известной конструкции является недостаточный ее ресурс и надежность вследствие того, что выполненные в валу сквозные радиальные отверстия для установки шпонок и осевое отверстие для установки шара уменьшают прочность вала, кроме того, являются концентраторами напряжений.

В результате в этом месте при передаче забойной нагрузки вал может разрушиться и привести к выходу из строя муфты.

Другими недостатками известной конструкции являются повышенный износ пальцев 84 в отверстиях 54, возможность заклинивания (прихвата) шпонок 88 в пазах 76, а также возможность разрушения резьбовых соединений корпуса 60 и втулки 70 при максимальных углах отклонения шарнирного узла из-за попадания (шламования) твердых частиц промывочного раствора в узел уплотнения между втулкой 134 и поверхностью 32 вала 12.

Известна универсальная муфта для забойного двигателя, содержащая корпус с радиальными отверстиями, установленный в нем с возможностью кругового отклонения на острый угол вал, размещенный между корпусом и валом ряд шариков, установленных одной стороной в полусферических впадинах вала, другой стороной - в радиальных отверстиях корпуса, а также шар, установленный в корпусе для взаимодействия с торцом вала [2].

Недостатком известной конструкции является недостаточная ее надежность и ресурс вследствие того, что края сквозных радиальных отверстий в корпусе для установки шариков, расположенные на минимальном радиальном удалении от продольной оси корпуса, из-за предельных контактных напряжений ограничивают передаваемый крутящий момент, являются концентраторами напряжений для отверстий и шариков, способствуют образованию в шариках усталостных трещин, приводят к увеличению люфтов и разрушению муфты.

Известен шарнир забойного двигателя, содержащий корпус с внутренними полуцилиндрическими пазами, установленный в нем с возможностью кругового отклонения на острый угол вал с заплечиком и установленными в нем шпонками, помещенными в расположенные на периферии полусферические шпоночные гнезда вала, включающий манжету, ниппель и гайку, при этом он содержит штуцер с выполненным внутри уступом и установленную в нем дополнительную опору для взаимодействия ее охватывающей поверхности с выполненной на заплечике вала охватываемой поверхностью, причем охватываемая поверхность заплечика вала и охватывающая поверхность дополнительной опоры, а также торец вала и взаимодействующая с ним опорная поверхность вкладыша выполнены сферическими с центром сфер в точке пересечения центральной оси вала и плоскости, проходящей через центры полусферических шпоночных гнезд вала [3].

В известном шарнире забойного двигателя шпонки выполнены в виде полуцилиндра-полушара, установлены во внутренние полуцилиндрические шпоночные пазы корпуса с возможностью осевого перемещения для взаимодействия с корпусом по полуцилиндрическим поверхностям.

Недостатком известного шарнира забойного двигателя является неполное использование возможности повышения его надежности и ресурса, а также демпфирования поперечных резонансных колебаний ротора винтового забойного двигателя при изменении осевой нагрузки на вал шпинделя (осевой нагрузки на долото).

Недостатком известного шарнира является также трудность обеспечения точности изготовления шпонок, выполненных в виде полуцилиндра-полушара, например, соизмеримой с точностью изготовления шариков для подшипников, а также равномерности контактных напряжений в каждом шарнирном механизме между центральным валом и корпусом, что повышает стоимость его изготовления.

Недостатком известного шарнира является также его малый ресурс из-за многократно большего износа полушаров 20 в полуцилиндрических шпонках 5 вследствие того, что в контакте шарнирных соединений полушаров 20 относительно полусферических гнезд 6 в валу 3 вместо трения качения осуществляется трение скольжение.

Известен героторный гидравлический двигатель, содержащий полый корпус, размещенный внутри него многозаходный героторный механизм, включающий соосно расположенный статор и установленный внутри статора ротор, а также шпиндель, включающий вал шпинделя, размещенный в опорах вращения в корпусе шпинделя и соединенный на входе приводным валом с ротором, а на выходе - с долотом, причем корпуса двигателя и шпинделя соединены изогнутым переводником [4].

В известной конструкции вал шпинделя и ротор соединены каждый с соответствующей секцией приводного вала при помощи карданно-шариковой муфты, допускающей угловой перекос, и содержит эластичный кожух и пару колец, коаксиально охватывающих изнутри и по наружной поверхности край кожуха и скрепленных посредством резьбовой втулки с муфтой, при этом, по меньшей мере, одно из колец ограничивает угловые перемещения муфты без нарушения герметичности кожуха.

Недостатком известного карданного вала, включающего две таких шарнирных муфты, является неполное использование возможности повышения его надежности и ресурса, например, за счет уменьшения контактных напряжений и износа шарнирных пар (шариков, полусферических впадин и полуцилиндрических пазов), а также демпфирования поперечных резонансных колебаний ротора винтового забойного двигателя при изменении осевой нагрузки на вал шпинделя (осевой нагрузки на долото).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем, содержащий центральный вал и два корпуса, каждый из которых охватывает край центрального вала, а между каждым корпусом и краем центрального вала размещен ряд шариков, установленных одной стороной в полусферических впадинах центрального вала, другой стороной - в продольных полуцилиндрических пазах корпуса, а также содержащий вкладыш с опорной поверхностью, установленный в корпусе для взаимодействия с торцом вала, и узел уплотнения, включающий манжету, уплотнительное кольцо и гайку [5].

Недостатком известного карданного вала является неполное использование возможности повышения его надежности и ресурса, например, за счет уменьшения контактных напряжений и износа шарнирных пар (шариков, полусферических впадин и полуцилиндрических пазов), повышения равномерности контактных напряжений в шарнирных механизмах.

Другим недостатком известного карданного вала является неполное использование возможности демпфирования поперечных резонансных колебаний ротора винтового забойного двигателя при изменении осевой нагрузки на вал шпинделя (осевой нагрузки на долото).

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности и ресурса карданного вала для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем, по существу - в повышении равномерности контактных напряжений в каждом шарнирном механизме между центральным валом и корпусом, снижении контактных напряжений, износа и люфтов шарнирных механизмов за счет выполнения, по меньшей мере, одного из шарнирных механизмов двухрядным, например, с суммарным четным числом равнорасположенных по окружности шариков в двух рядах, равным числу шариков однорядного шарнирного механизма, а также за счет того, что двойной ряд шариков образует между центральным валом и корпусом шарнирный механизм, близкий по своим функциональным действиям к шарниру равных угловых скоростей.

Другая техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в уменьшении амплитуды поперечных резонансных колебаний корпуса винтового забойного двигателя за счет расположения шариков двух рядов между собой вдоль оси центрального вала на определенном расстоянии, которое связано с эксцентриситетом ротора относительно статора винтовой героторной гидромашины определенным соотношением.

Сущность технического решения заключается в том, что в карданном валу для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем, содержащем центральный вал и два корпуса, каждый из которых охватывает край центрального вала, а между каждым корпусом и краем центрального вала размещен ряд шариков, установленных одной стороной в полусферических впадинах, например, центрального вала, другой стороной - в продольных полуцилиндрических пазах, например, корпуса, при этом каждый ряд шариков образует между центральным валом и корпусом шарнирный механизм, согласно изобретению, по меньшей мере, один из шарнирных механизмов выполнен двухрядным, например, с суммарным четным числом равнорасположенных по окружности шариков в двух рядах, равным числу шариков однорядного шарнирного механизма, при этом вдоль оси центрального вала шарики двух рядов расположены между собой на определенном расстоянии, максимальная величина которого равна эксцентриситету ротора относительно статора винтовой героторной гидромашины.

Расстояние L вдоль оси центрального вала между шариками двух смежных рядов, установленных одной стороной, например, в полусферических впадинах центрального вала, определяется соотношением:

где е - эксцентриситет ротора относительно статора винтовой героторной гидромашины, n_р - частота планетарного вращения ротора относительно статора винтовой героторной гидромашины, =3,14159..., Ф=1,61803... - число Фибоначчи, Д_ш - диаметр шариков, n_ш - частота вращения центрального вала.

Глубина h полусферических впадин центрального вала, а также продольных полуцилиндрических пазов корпуса с радиусом R_ш и диаметром Д_ш шариков связана соотношением: h=R_ш-(0,015...0,085)Д_ш, при этом диаметр вписанной окружности Д_вп в полусферических впадинах центрального вала, а также в продольных полуцилиндрических пазах корпуса с диаметром шариков Д_ш связан соотношением: Д_вп=(1,05...1,25)Д_ш.

Выполнение, по меньшей мере, одного из шарнирных механизмов карданного вала двухрядным, например, с суммарным четным числом равнорасположенных по окружности шариков в двух рядах, равным числу шариков однорядного шарнирного механизма, а также при расположении вдоль оси центрального вала шариков двух рядов между собой на определенном расстоянии, максимальная величина которого равна эксцентриситету ротора относительно статора винтовой героторной гидромашины, повышает надежность и ресурс карданного вала для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем за счет того, что двойной ряд шариков образует между центральным валом и корпусом шарнирный механизм, близкий по своим функциональным действиям к шарниру равных угловых скоростей, а также за счет увеличения числа контактирующих в зацеплении шариков (при том же их числе) с одинаковым уровнем контактных напряжений и повышения равномерности контактных напряжений в каждом шарнирном механизме между центральным валом и корпусом, что снижает контактные напряжения, износ и люфты шарнирных механизмов.

Так, например, известен привод переднего колеса, состоящий из двух шарниров равных угловых скоростей и вала [6].

Для обеспечения равных угловых скоростей и равномерности контактных напряжений в шарнирах предусмотрена обойма 3, в которой выполнены в продольной плоскости канавки по радиусу, что обеспечивает в любом окружном положении вала поперечное, под прямым углом к центральной оси центрального вала, расположение ряда шариков в сепараторе, а угол поворота наружного шарнира - до 42°, показано с.69, рис.3-20 [6].

Наиболее близкий к заявляемому изобретению карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем [5], по существу, не является шарниром равных угловых скоростей из-за отсутствия обоймы или другого механизма для центрирования (с поворотом) плоскости, проходящей через ряд шариков, в поперечное положение (под прямым углом к оси центрального вала) при каждом его обороте.

В заявляемом карданном валу для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем за счет выполнения, по меньшей мере, одного из шарнирных механизмов карданного вала двухрядным, например, с суммарным четным числом равнорасположенных по окружности шариков в двух рядах, равным числу шариков однорядного шарнирного механизма, двойной ряд шариков образует между центральным валом и корпусом шарнирный механизм, близкий по своим функциональным действиям к шарниру равных угловых скоростей.

Выполнение карданного вала для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем таким образом, что расстояние L вдоль оси центрального вала между шариками двух смежных рядов, установленных одной стороной, например, в полусферических впадинах центрального вала,

определяется соотношением: где е - эксцентриситет ротора относительно статора винтовой героторной гидромашины, n_р - частота планетарного вращения ротора относительно статора винтовой героторной гидромашины, =3,14159..., Ф=1,61803... - число Фибоначчи, Д_ш - диаметр шариков, n_ш - частота вращения центрального вала, обеспечивает наибольшее снижение амплитуды колебаний корпуса винтового забойного двигателя в условиях резонанса, обеспечивает наилучший эффект демпфирования поперечных колебаний ротора винтового забойного двигателя на других режимах работы.

Выполнение карданного вала для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем таким образом, что глубина h полусферических впадин центрального вала, а также продольных полуцилиндрических пазов корпуса с радиусом R_ш и диаметром Д_ш шариков связана соотношением:

h=R_ш-(0,015...0,085)Д _ш, при этом диаметр вписанной окружности Д_вп в полусферических впадинах центрального вала, а также в продольных полуцилиндрических пазах корпуса с диаметром шариков Д_ш связан соотношением: Д_вп=(1,05...1,25)Д_ш , дополнительно повышает равномерность контактных напряжений в каждом шарнирном механизме между центральным валом и корпусом, уменьшает износ и люфты в каждом шарнирном механизме между центральным валом и корпусом.

Одним из существенных факторов, определяющих нагрузки в шарнирных узлах карданного вала, соединенных с ротором винтового забойного двигателя и шпинделем, оказывающих влияние на стойкость и эффективность работы долота, являются интенсивные поперечные колебания, обусловленные отличиями конструкции винтовых забойных двигателей от других типов забойных двигателей, например турбобуров.

Ротор винтового забойного двигателя, расположенный в статоре эксцентрично, при работе двигателя совершает планетарное движение - вращение вокруг своей оси и обращение относительно оси статора с частотой в Z_p раз больше частоты вращения вала двигателя (карданного вала, вала шпинделя), где Z_p - число зубьев ротора.

Основными причинами поперечных колебаний винтового забойного двигателя, соединенного с валом шпинделя карданным валом, являются инерционные силы вращающегося с высокой частотой и значительным эксцентриситетом массивного ротора и действие больших по величине поперечных гидравлических сил (перекашивающего момента), изменяющих свое направление одновременно с вращением ротора.

Основная частота колебаний двигателя всегда совпадает с частотой вращения ротора, по существу, всегда в Z_p раз больше частоты вращения вала (ротора) двигателя. Качественных отличий характера резонансных режимов для всех типоразмеров гидравлических забойных двигателей нет.

Из результатов эксплуатации известно, что собственные частоты колебаний винтовых забойных двигателей находятся в области рабочих частот двигателя, а резонансные режимы возникают периодически при изменении (увеличении или уменьшении) осевой нагрузки (на долото) на 50...150 кН.

В процессе бурения скважин, с непрерывным контролем нагрузки на долото и механической скорости, получено, например, что при плавном увеличении или снижении нагрузки от 50 до 250 кН и обратно механическая скорость изменяется с резким чередованием экстремумов (максимумов и минимумов). Амплитуда колебаний корпуса винтового забойного двигателя в режиме поперечных резонансных колебаний ротора винтового забойного двигателя увеличивается многократно, при этом многократно увеличиваются потери мощности двигателя на поперечные колебания, а также многократно снижается механическая скорость проходки скважины.

В заявляемом карданном валу для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем за счет выполнения, по меньшей мере, одного из шарнирных механизмов карданного вала двухрядным, а также таким образом, что расстояние L вдоль оси центрального вала между шариками двух смежных рядов, установленных одной стороной в полусферических впадинах центрального вала, определяется определенным соотношением между эксцентриситетом ротора относительно статора винтовой героторной гидромашины, диаметром шариков, частотой вращения центрального вала, а также частотой планетарного вращения ротора относительно статора винтовой героторной гидромашины, обеспечивается снижение амплитуды поперечных резонансных колебаний, а также динамических нагрузок ротора винтового забойного двигателя на 200...300%, что повышает также энергетические характеристики, ресурс и надежность винтового забойного двигателя.

Ниже представлен вариант выполнения карданного вала для соединения ротора винтового забойного двигателя УД-195РС со шпинделем.

На фиг.1 изображен карданный вал, соединенный с ротором винтового забойного двигателя и шпинделем в продольном разрезе.

На фиг.2 изображен карданный вал в продольном разрезе.

На фиг.3 изображен разрез А-А на фиг.2 поперек одного из двух рядов шариков шарнирного механизма карданного вала (соседний ряд шариков условно не показан).

На фиг.4 изображен разрез Б-Б на фиг.2 поперек другого ряда шариков шарнирного механизма карданного вала (соседний ряд шариков условно не показан).

На фиг.5 изображен разрез В-В на фиг.1 поперек ротора и статора винтового забойного двигателя.

Карданный вал 1 для соединения ротора 2 винтового забойного двигателя 3 со шпинделем 4 содержит центральный вал 5 и два корпуса 6 и 7, каждый из которых охватывает край 8 и, соответственно, 9 центрального вала 5, между корпусом 6 и краем 8 центрального вала 5 размещен ряд шариков 10, между корпусом 7 и краем 9 центрального вала 5 размещен ряд шариков 11, шарики 10 установлены одной стороной в полусферических впадинах 12 центрального вала 5, другой стороной - в продольных полуцилиндрических пазах 13 корпуса 6, шарики 11 установлены одной стороной в полусферических впадинах 14 центрального вала 5, другой стороной - в продольных полуцилиндрических пазах 15 корпуса 7, при этом ряд шариков 10 между центральным валом 5 и корпусом 6, а также ряд шариков 11 между центральным валом 5 и корпусом 7 образуют шарнирные механизмы 16 и 17, соответственно, показано на фиг.1, 2.

Шарнирный механизм 16 выполнен двухрядным, с суммарным четным числом равнорасположенных по окружности шариков 10 в двух рядах 18 и 19, равным числу шариков 10 однорядного шарнирного механизма 16, при этом вдоль оси 20 центрального вала 5 шарики 10 двух рядов 18, 19 расположены между собой на определенном расстоянии 21, L, максимальная величина которого равна эксцентриситету 22, е ротора 2 относительно эластомерной обкладки 23 статора винтового забойного двигателя 3, показано на фиг.1, 2, 3.

Аналогичным образом выполнен шарнирный механизм 17 (не показан).

Расстояние 21, L вдоль оси 20 центрального вала 5 между шариками 10 двух смежных рядов 18, 19, установленных одной стороной в полусферических впадинах 12 центрального вала 5, определяется соотношением:

где поз.22, е - эксцентриситет ротора 2 относительно эластомерной обкладки 23 статора винтового забойного двигателя 3, n_р - частота планетарного вращения ротора 2 относительно эластомерной обкладки 23 статора винтового забойного двигателя 3, =3,14159..., Ф=1,61803... - число Фибоначчи, Д_ш , поз.10, 11 - диаметр шариков, n_ш - частота вращения центрального вала 5, показано на фиг.1, 2, 3, 4.

Например, для двигателя УД-195РС: расстояние 21, L=2,231 мм (е=6; =3,14159...; Ф=1,61803...; Д_ш=22,225 мм;

Например, для двигателя ДРУ-240РС: расстояние 21, L=2,126 мм (е=7; =3,14159...; Ф=1,61803...; Д_ш=31,75 мм;

Глубина 24, h полусферических впадин 12 центрального вала 5, а также глубина 25 продольных полуцилиндрических пазов корпуса 6 с радиусом R_ш и диаметром Д_ш шариков связана соотношением: h=R_ш-(0,015...0,085)Д _ш, показано на фиг.3.

Диаметр 26 вписанной окружности Д_вп в полусферических впадинах 12 (или 14) центрального вала 5, а также в продольных полуцилиндрических пазах 13 (или 15) корпуса 6 (или 7) с диаметром Д_ш шариков 10 (или 11) связан соотношением: Д_вп=(1,05...1,25)Д_ш , показано на фиг.3.

Кроме того, на фиг.5 показано: поз.27 - ось ротора 2; поз.28 - ось эластомерной обкладки 23 статора, поз.29 - винтовые зубья ротора 2; поз.30 - винтовые зубья эластомерной обкладки 23 статора; поз.31 - винтовые камеры между зубьями 29 ротора 2 и винтовыми зубьями 30 эластомерной обкладки 23 статора, а на фиг.1 показано: поз.32 - поток промывочной жидкости.

Карданный вал для соединения ротора винтовой героторной гидромашины со шпинделем работает следующим образом.

Поток промывочной жидкости 32 по давлением, например, 7...10 МПа по колонне бурильных труб подается в винтовые камеры 31 между зубьями 29 ротора 2 и зубьями 30 упругоэластичной обкладки 23 и образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 2 внутри упругоэластичной обкладки 23. Ротор 2 винтового забойного двигателя 3, расположенный в эластомерной обкладке 23 статора винтового забойного двигателя 3 эксцентрично с величиной е, 22, при работе двигателя совершает планетарное движение - вращение вокруг своей оси 27 и обращение относительно оси 28 эластомерной обкладки статора с частотой в Z_p раз больше частоты вращения ротора 2 двигателя, карданного вала 1, вала шпинделя 4, где Z_p - число зубьев ротора 2. Винтовые камеры 31 между зубьями 29 ротора 2 и зубьями 30 упругоэластичной обкладки 23 имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку 32 промывочной жидкости.

При работе винтового забойного двигателя 3, соединенного с валом шпинделя 4 карданным валом 1, возникают поперечные колебания, причинами которых являются инерционные силы вращающегося с частотой, например, 1,2...1,7 с^-1 и эксцентриситетом 22, е ротора 2, равным 6 мм, а также действие больших по величине поперечных гидравлических сил (перекашивающего момента), изменяющих свое направление одновременно с вращением ротора 2.

Передача крутящего момента от ротора 2 винтового забойного двигателя 3 на вал шпинделя 4 происходит при круговом отклонении центрального вала 5 на острый угол с обеспечением повышенной равномерности контактных напряжений в каждом шарнирном механизме между центральным валом 5 и корпусами 6 и 7, при снижении контактных напряжений, износа и люфтов шарнирных механизмов контактирующих пар: шариков 10, размещенных между корпусом 6 и краем 8 центрального вала 5, шариков 11, размещенных между корпусом 7 и краем 9 центрального вала 5, при этом шариков 10, установленных одной стороной в полусферических впадинах 12 центрального вала 5, другой стороной - в продольных полуцилиндрических пазах 13 корпуса 6, шариков 11, установленных одной стороной в полусферических впадинах 14 центрального вала 5, другой стороной - в продольных полуцилиндрических пазах 15 корпуса 7.

При этом каждый из двух рядов ряды шариков 10 между центральным валом 5 и корпусом 6, а также ряды шариков 11 между центральным валом 5 и корпусом 7 образуют шарнирные механизмы 16 и 17, соответственно, близкие по своим функциональным действиям к шарниру равных угловых скоростей.

При работе двигателя УД - 195РС при расходе промывочной жидкости 30 л/с и дифференциальном перепаде давления (разности между перепадами давления "долото над забоем - долото под нагрузкой") 100 кг/см² частота вращения вала шпинделя 4 составляет 240 об/мин, момент силы на валу шпинделя 4 составляет 10...12 кН·м, а резонансные режимы возникают при осевых нагрузках на долото 60, 110, 205 и 250 кН.

При выполнении каждого из шарнирных механизмов 16 (17) двухрядным, с суммарным четным числом равнорасположенных по окружности шариков 10 (11) в двух рядах 18 и 19, равным числу шариков 10 (11) однорядного шарнирного механизма 16 (17), а вдоль оси 20 центрального вала 5 шариков 10 (11) двух рядов 18, 19, расположенными между собой на определенном расстоянии 21, L, максимальная величина которого равна эксцентриситету 22, е ротора 2 относительно эластомерной обкладки 23 статора винтового забойного двигателя 3, двойной ряд шариков 10 (11) образует между центральным валом 5 и корпусом 6 (аналогично и между корпусом 7) шарнирный механизм, близкий по своим функциональным действиям к шарниру равных угловых скоростей, при этом повышается равномерность контактных напряжений в каждом шарнирном механизме между центральным валом 5 и корпусом 6, снижаются контактные напряжения, износ и люфты шарнирных механизмов 16 (17).

При выполнении в карданном валу в обоих шарнирных механизмах расстояния 21, L=2,231 мм (е=6; =3,14159...; Ф=1,61803...; Д_ш=22,225 мм; обеспечивается снижение амплитуды колебаний корпуса винтового забойного двигателя в условиях резонанса.

Например, в режиме максимальной мощности частота вращения вала шпинделя, с^-1=1,4...2; момент силы на выходном валу, кН·м=10...12; перепад давления, МПа=8...11; мощность, кВт=150; осевая нагрузка, кН=250, а при достижении частоты колебаний =75 рад/с наступает режим резонанса, амплитуда колебаний составляет 0,45 мм, при этом до использования заявляемого карданного вала амплитуда колебаний составляла 1,5 мм.

На других режимах работы также обеспечивается наилучший эффект демпфирования поперечных колебаний корпуса винтового забойного двигателя, повышается надежность и ресурс карданного вала, по существу - повышается равномерность контактных напряжений в каждом шарнирном механизме между центральным валом и корпусом, снижаются контактные напряжения, износ и люфты шарнирных механизмов.

Источники информации

1. US 4772246, F 16 D 3/50, 20.09.1988.

2. US 5000723, F 16 D 3/221, 19.03.1991.

3. RU 2206697, E 21 B 4/02, 20.06.2003.

4. RU 2162132, E 21 B 4/02, 7/08, 20.01.2001.

5. US 5267905, F 16 D 3/221, 7.12.1993 - прототип.

6. Косарев С.Н и др., Автомобили ВАЗ-2115-20, ВАЗ-2115-01. Руководство по ремонту, эксплуатации и техническому обслуживанию. Каталог запасных частей. М.: изд-во "Колесо", 2002, с.69-71, рис.3-20, 3-21.