Элементы конструкций двигателей и их компоновок

Рабочие элементы. Несмотря на многообразие типоразмеров винтовых двигателей их рабочие органы имеют общие особенности.

РО выполняются по одной кинематической схеме: неподвижный ста­тор и находящийся внутри него планетарно движущийся ротор.

Направление винтовой поверхности РО — левое, что обеспечивает за­ворачивание реактивным моментом корпусных резьб ВЗД и резьб буриль­ных труб.

В зависимости от заданных характеристик двигателя РО выполняются как с однозаходным, так и многозаходным роторами.

Роторы изготавливаются из нержавеющей или легированной стали с износостойким покрытием, а обкладка статора — из эластомера (преиму-


щественно резины), обладающего сопротивляемостью абразивному изна­шиванию и работоспособностью в среде бурового раствора.

В отечественных двигателях первого поколения (Д1-172, Д2-172, Д2-172 м), выпускаемых в 70-х годах, РО имели незначительную длину, не превышающую 1 — 1,5 шага винтовой поверхности статора. В двигателях второго поколения, выпускаемых с начала 80-х годов длина РО составляет 2 — 3 шага статора. Наиболее перспективна монолитная конструкции РО, обеспечивающая простоту и малодетальность машин.

Рабочие органы ВЗД комплектуются с натягом. Величина натяга зави­сит от диаметральных и осевых размеров РО, свойств промывочной жид­кости и материала обкладки статора и существенно влияет на характери­стики и долговечность двигателя.

Шпиндель. Все отечественные винтовые двигатели, начиная с первых образцов, выпускаются в шпиндельном исполнении.

Под термином «шпиндель» подразумевается автономный узел двигате­ля с выходным валом с осевыми и радиальными подшипниками.

В большинстве случаев шпиндель может быть отсоединен без демон­тажа силовой секции, при необходимости и на буровой.

Шпиндели отечественных ВЗД выполняются немаслонаполненными. Все узлы трения смазываются и охлаждаются буровым раствором. Отказ от использования маслонаполненных и герметизированных шпинделей объяс­няется как традиционным подходом к конструированию забойных двигате­лей, так и практической целесообразностью иметь гидромашину, обладаю­щую примерно равным ресурсом отдельных узлов.

Шпиндель является одним из главных узлов двигателя. Он передает осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент, воспринимает реак­цию забоя и гидравлическую осевую нагрузку, действующую в РО, а также радиальные нагрузки от долот и шарнирного соединения (гибкого вала).

В ряде случаев, при использовании породоразрушающих инструментов с насадками (гидромониторное бурение), шпиндель должен выполнять функции уплотнения выходного вала, позволяя создавать необходимый пе­репад давления в насадках долота.

Наиболее распространенная конструкция шпинделя включает моно­литный полый вал, соединенный посредством наддолотного переводника в нижней части с долотом, а с помощью муфты в верхней части — с шар­ниром.

Для восприятия осевых нагрузок используются как радиально-упорные, так и упорные подшипники. Подшипники выполняются много­рядными и сохраняют свою работоспособность при выработке зазора (люфта) до 5 — 7 мм.

В отечественных двигателях используются радиально-упорные под­шипники качения:

с коническими дорожками качения (серия 128700), используемые в двигателях с наружными диаметрами 105, 108, 195 и 240 мм;

с тороидными дорожками качения (серия 296000), используемые в дви­гателях с наружными диаметрами 85, 88 и 127 мм;

с тороидными дорожками качения и резиновым компенсатором типа ШШО (серия 538900), используются в некоторых модификациях двигателей диаметром 172 мм;

с комбинированными дорожками качения, используемые в двигателях Д-48, Д1-54, ДГ-95, ДГ-108. Для увеличения нагрузочной способности при

одновременном упрощении конструкции тороидные дорожки для шаров этих опор располагают непосредственно на валу.

Детали подшипников качения выполняются из специальной подшип­никовой стали 55СМА или 55СМА5ФА (ТУ 14-1-3189-81) с пределом твер­дости ат = 1100 МПа и ударной вязкостью а = 800 кДж/м2. Твердость ко­лец, контактирующих с шарами — 45 — 47 ед. HRC, а самих шаров — 58 — 62 åä. HRC.

В некоторых моделях ВЗД используются непроточные многорядные подшипники скольжения (подпятник-диск). Выбор типа осевых подшипни­ков зависит от условий эксплуатации ВЗД.

Многолетние стендовые и промысловые испытания подтвердили пре­имущества упорных подшипников скольжения при эксплуатации двигате­лей в абразивной среде и при высоких нагрузках. Недостаток подшипни­ков скольжения — повышенные механические потери, особенно при невы­соких частотах вращения.

В подпятниках используется резина марки ИРП-1226, а рабочие по­верхности контактирующих с ними дисков выполняются из цементируемой стали, закаленной до твердости 45 — 48 ед. HRC.

Радиальные подшипники шпинделя в большинстве случаев представ­лены парой трения скольжения «резина — металл». Неподвижный элемент выполняется в виде резинометаллической детали, рабочая эластичная по­верхность которой имеет профильные канавки. Ответственная деталь — металлическая, ее рабочая поверхность подвержена упрочнению.

В двигателях для наклонно направленного и горизонтального бурения радиальные подшипники выполняются в виде пары трения «металл — ме­талл». Однако из-за повышенных радиальных нагрузок, присущих ВЗД это­го класса (вследствие действия отклоняющей силы на долоте), данный узел является одним из самых недолговечных, определяющих межремонтный период двигателя в целом.

Соединение ротора ВЗД и вала шпинделя. Это один из основных уз­лов двигателя, определяющий долговечность и надежность гидромашины в целом.

Механизм, соединяющий планетарно движущийся ротор с концен-трично вращающимся валом, работает в тяжелых условиях. Помимо пере­дачи крутящего момента и осевой силы, этот узел должен воспринимать сложную систему сил в РО, характеризующуюся непостоянной ориентаци­ей ротора.

В отличие от известных в технике соединений, передающих вращение между двумя несоосными концентрическими вращающимися валами, рас­сматриваемое соединение в ВЗД является связующим звеном с ротором, совершающим планетарное движение, причем за один оборот выходного вала ротор Zt поворачивается вокруг своей оси, соответственно совершая Z\ циклов переменных напряжений.

Эти обстоятельства предопределяют повышенные требования к цикли­ческой прочности соединения, особенно при использовании многозаход-ных ВЗД.

Своеобразные условия работы соединения и невозможность переноса напрямую из других отраслей техники готового технического решения предопределили многообразие компоновок этого узла. Принципиально мо­гут быть использованы четыре типа соединений на базе:

деформации одного или нескольких элементов конструкции;

обеспечения свободы перемещения ротора за счет введения элементов с относительно большим люфтом;

шарнирных соединений;

гибкого вала (торсиона).

Первый и второй тип соединения из-за существенных удельных на­грузок в ВЗД не нашли применения.

Шарнирные соединения ВЗД. Они прошли эволюцию от пальцевых шарниров (аналогичных автомобильным) до специальных конструкций, наиболее приспособленных для передачи динамических осевой нагрузки и крутящего момента.

В первом поколении отечественных ВЗД применялись двухшарнирные соединения зубчатого типа с центральным шаром. Оно использовалось для передачи крутящих моментов до 700 кгс-м (68600 Н-м) при частоте враще­ния до 200 об/мин. Эксцентриситет соединения доходил до 5 мм.

Шарнирные соединения ВЗД работают, как правило, в среде абразив­ных жидкостей. Поэтому надежная герметизация шарниров является од­ним из основных направлений повышения их работоспособности. Пробле­ма герметизации осложняется тем, что полости, которые требуется изоли­ровать, вращаются вокруг смещенных осей в условиях вибрации и значи­тельного гидростатического давления. Поэтому герметизирующие элементы должны быть гибкими и прочными при циклической нагрузке, а устройст­во для герметизации — в целом простым и надежным.

Сначала в шарнирах использовались простейшие резиновые уплотне­ния, в дальнейшем стали применять уплотнения сильфонного и манжетного типов (ðèñ. 4.12).

Гибкие валы. Существенный шаг, оказавший влияние на подходы к конструированию ВЗД в целом был сделан в середине 70-х годов, когда ВНИИБТ выполнил комплекс научно-исследовательских работ и впервые в практике проектирования ВЗД предложил конструкцию гибкого вала, за­щищенную патентами СССР и других стран.

К началу 90-х годов в большинстве типоразмеров ВЗД, выпускаемых в России, для соединения ротора и выходного вала применяются гибкие ва­лы. В двигателях с наружным диаметром 88 мм и более гибкий вал разме­щается в расточке ротора, а в малогабаритных двигателях ниже ротора.

Элементы конструкций двигателей и их компоновок

Рис. 4.12. Уплотнение сильфонного и манжетного типов

В большинстве случаев гибкий вал ВЗД представляет собой металличе­ский стержень круглого сечения с утолщенными концами. На концах вы­полняются присоединительные элементы: гладкий конус или коническая резьба. Иногда гибкий вал выполняется полым со сквозным цилиндриче­ским каналом для подвода рабочей жидкости высокого давления непосред­ственно к долоту. Для повышения циклической прочности в месте перехода от заделки к рабочей части вала имеется конус с утлом 5—15° или галтель с отношением радиуса галтели к диаметру вала в пределах от 0,1 до 0,2. Ти­пичные конструкции гибких валов приведены на рис. 4.13.

Элементы конструкций двигателей и их компоновокЭлементы конструкций двигателей и их компоновокРис. 4.13. Конструкция гибких валов

Преимущества использования гибких валов заключаются в простоте конструкции и высокой технологичности, большом сроке службы, соизме­римом с ресурсом корпусных деталей двигателя, а также возможностью реализации различных компоновок двигателей.

Опыт эксплуатации двигателей в наклонно направленном и горизон­тальном бурении выявил недостаточную стойкость гибких валов при углах перекоса секций более 1°30′. В связи с этим в последних конструкциях двигатели типа ДГ стали оснащать шарнирно-торсионными соединениями.

Обратите внимание: