Замковое соединение шнеков

Замковое соединение шнеков применяется в геологоразведке при соединении шнеков в шнековые буровые колонны. Содержит муфту и ниппель, соединяемые цилиндрической резьбой, и взаимодействующие друг с другом упоры, выполненные в виде торцевых зубьев. Наибольшая высота зубьев определяется отношением хода резьбы к числу зубьев. Рабочая поверхность зубьев расположена в плоскости оси шнека, а угол наклона спинки зуба меньше угла подъема резьбы. Торцевые зубья могут быть образованы на кольцевых элементах, привариваемых к муфте и ниппелю. Применение от двух до четырех торцевых зубьев позволяет распределить нагрузку от крутящего момента и уменьшить радиальные размеры упоров. В результате повышается производительность, связанная с устранением сужения транспортного пространства шнека.

Полезная модель относится к буровой технике и касается соединения шнеков в шнековых буровых колоннах. Преимущественная область применения - геологоразведка с помощью мобильных буровых установок.

Известно замковое соединение полых шнеков с прямоугольной однозаходной цилиндрической резьбой (Е.И.Танов, В.Я.Площадный. Шнековый буровой инструмент // М. Недра, 1985, стр.12, 27). Здесь используется однозаходная прямоугольная резьба с шагом 32 мм в замках диаметром 140 и 150 мм. Соединение выполнено в виде резьбовой пары ниппель-муфта с упором в торцевый стык. Это соединение передает осевые нагрузки и крутящий момент.

К достоинствам такого соединения относятся простота и технологичность изготовления, надежность в эксплуатации, хороший вынос на поверхность земли бурового шлама, что обеспечивает высокую производительность бурения.

Однако недостатком такого соединения является чрезмерное заклинивание резьбы под действием крутящего момента вращателя при бурении. Следствием этого является трудоемкость демонтажа шнековой колонны из-за необходимости приложения больших крутящих моментов для развинчивания замка.

Этот недостаток привел к появлению замкового соединения полых шнеков с прямоугольной однозаходной цилиндрической резьбой, имеющего одиночные накладные упоры, приваренные к боковой поверхности муфты и ниппеля каждого шнека, взаимодействующие друг с другом и исключающие заклинивание резьбовых соединений (Комплект инструмента для бурения полыми шнеками с уменьшенным диаметром 901-000. Альбом // Западно-Сибирский научно исследовательский и проектно-конструкторский институт нефтяного машиностроения, 1988). Соединение шнеков производится свинчиванием по резьбе муфты одного шнека с ниппелем другого до касания упоров друг с другом. Крутящий момент в этом соединении передают упоры, а осевые нагрузки - резьба.

Данный аналог принят в качестве прототипа, т.к. является наиболее близким к заявленному по технической сущности.

Достоинством такого соединения является отсутствие заклинивания резьбы при бурении и, следовательно, простота демонтажа шнековой колонны.

Недостатком замкового соединения с накладными упорами является то, что последние перекрывают транспортное пространство, образуемое соседними витками реборды шнека, поверхностью его трубчатого стержня и наружным диаметром, значительно ухудшая

вынос бурового шлама и уменьшая тем самым производительность бурения. Эта проблема особенно актуальна для полых шнеков, применяющихся для погружения зарядов в сейсмоскважину через внутреннюю полость шнека. В этом случае высота реборды шнека, определяющая транспортное пространство, особенно мала, т.к. эти шнеки имеют невыгодное отношение между наружным диаметром шнека и диаметром его трубчатого стержня.

Попытки уменьшить этот недостаток в рамках известной конструкции возможны только за счет уменьшения толщины упоров в радиальном направлении. Однако техническое противоречие заключается в том, что при этом уменьшается их прочность за счет увеличения контактных напряжений на рабочей поверхности упоров.

Таким образом, на практике, используя известную конструкцию, приходится идти на компромисс, частично жертвуя прочностью упоров во имя увеличения производительности, либо, наоборот, частично жертвуя производительностью шнека ради прочности упоров и соответствующего продления срока их службы.

Задачей предполагаемой полезной модели является устранение описанного технического противоречия, т.е. увеличение производительности шнека устранением сужения его транспортного пространства, но без снижения прочности упоров.

Поставленная задача решается тем, что замковое соединение шнеков, содержащее муфту и ниппель, соединяемые цилиндрической резьбой, снабженные упорами, взаимодействующими друг с другом и обеспечивающими осевой зазор между торцами муфты и ниппеля, отличается тем, что упоры выполнены в виде торцевых зубьев, при этом высота зубьев не превышает отношения: h=t/z, где h - высота зубьев; t - ход резьбы; z - число зубьев. Высота зубьев определяет возможность сборки буровой колонны. При большей, чем указано в выражении, высоте зубьев невозможно полное свинчивание муфты с ниппелем из-за утыкания зубьев муфты в спинки зубьев ниппеля. Меньшая высота невыгодна из-за уменьшения площади рабочих поверхностей зубьев и соответствующего снижения их прочности.

Использование торцевых зубьев на муфте и ниппеле вместо накладных упоров, выступающих над поверхностью трубчатого стержня, позволяет освободить транспортное пространство шнека и повысить его производительность.

Наиболее целесообразной является рабочая поверхность зубьев, расположенная в плоскости оси шнека, т.к. в этом случае силы от крутящего момента при бурении нормальны к рабочей поверхности зубьев и не вызывают клинового эффекта, увеличивающего износ упоров. При этом, угол наклона спинки зуба должен быть не меньше угла подъема

резьбы, иначе контакт при свинчивают муфты с ниппелем будет происходить по спинке, а не по рабочим поверхностям зубьев.

Упоры на торцевых поверхностях муфты и ниппеля в массовом и крупносерийном производстве могут быть образованы одним из методов обработки металлов давлением. Но в мелко- и среднесерийном производстве технологически целесообразнее упоры выполнять в виде отдельных колец или кольцевых элементов с равномерно расположенными по окружности торцевыми зубьями, соосно и неподвижно соединенных (например, сваркой) соответственно с муфтой и ниппелем.

Количество торцевых зубьев в замке не может быть менее двух для симметричного относительно его оси нагружения замка. Однако, с учетом того, что по условиям свинчивания, осевая высота рабочих поверхностей торцевых зубьев не должна превышать отношения величины хода резьбы к числу зубьев, увеличение числа торцевых зубьев более четырех нецелесообразно, т.к. приводит к неоправданному увеличению трудоемкости. Кроме того, для обеспечения одновременной работы всех зубьев необходимо выдерживать окружной шаг с достаточно высокой точностью, а это труднее обеспечить при большом количестве зубьев, особенно в мелко- и среднесерийном производстве.

Техническим эффектом, обеспечивающим решение поставленной задачи, является устранение сужений транспортного пространства шнековой колонны в месте замкового соединения шнеков.

На фиг.1 изображено замковое соединение двух шнеков с 4-зубыми упорами, выполненными на ниппеле и муфте, перед свинчиванием; на фиг.2 - замковое соединение двух шнеков с 4-зубыми упорами, выполненными на ниппеле и муфте, свинченных до контакта рабочих поверхностей зубьев; на фиг.3 - замковое соединение двух шнеков с 4-зубыми кольцевыми упорами, приваренными к ниппелю и муфте, перед свинчиванием; на фиг.4 - вид кольцевых упоров в аксонометрии.

Замковое соединение полых шнеков состоит из охватываемой детали (ниппеля) 1 шнека 2, соединяемого с охватывающей деталью (муфтой) 3 другого аналогичного шнека 4 цилиндрической резьбой 5 (фиг.1...3) при свинчивании шнековой колонны. На ниппеле и муфте выполнены торцевые зубья 6, имеющие боковые (рабочие) поверхности 7, являющиеся ограничителями при свинчивании шнеков, и спинки 8. Угловое расположение торцевых зубьев 6 относительно резьбы 5 определяет минимальный осевой зазор между торцами муфты и ниппеля в свинченном состоянии. Высота рабочих поверхностей 7 зубьев 6 по условиям свинчивания ограничена отношением хода резьбы к числу зубьев, т.е. чем больше число зубьев, тем меньше их высота в осевом направлении.

Шнеки имеют реборды 9, транспортирующие выбуренную породу (шлам) на поверхность земли.

Торцевые зубья 6 на ниппеле 1 и муфте 3 могут быть выполнены за одно целое с их телом методами обработки материалов давлением, что целесообразно в массовом и крупносерийном производстве (фиг.1 и 2). Однако в мелко- и среднесерийном производстве дешевле выполнить их в виде кольцевых элементов 10 и 11 (фиг.3), приваренных круговым швом к ниппелю 1 и муфте 3. Круговой сварной шов обеспечивает необходимую прочность крепления упора для передачи крутящего момента при бурении.

Предлагаемое замковое соединение шнеков используют при разведочном бурении скважин. При наращивании шнековой колонны производят свинчивание последующего шнека с предыдущим до соприкосновения рабочих поверхностей упоров. Упоры воспринимают крутящий момент, возникающий при бурении, а резьба - осевые нагрузки, возникающие от давления на забой и при подъеме шнековой колонны. Так как в сопряжении ниппеля и муфты имеется осевой зазор, а рабочие поверхности зубьев расположены в плоскости оси шнека, затяжки резьбы не происходит, что облегчает демонтаж колонны.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет достигнуть увеличения производительности шнека за счет устранения сужений транспортного пространства шнековой колонны в местах соединения шнеков. При этом обеспечивается ресурс упоров не меньший, чем ресурс самого шнека.

Изготовление упоров может быть осуществлено на универсальном или специальном оборудовании. Следовательно, предлагаемое техническое решение обеспечивает технический эффект и обладает промышленной применимостью.

1. Замковое соединение шнеков, содержащее муфту и ниппель, соединяемые цилиндрической резьбой, снабженные упорами, взаимодействующими друг с другом и обеспечивающими осевой зазор между торцами муфты и ниппеля, отличающееся тем, что упоры выполнены в виде торцевых зубьев, при этом высота зубьев не превышает отношения

h=t/z,

где h - высота зубьев;

t - ход резьбы;

z - число зубьев.

2. Замковое соединение шнеков по п.1, отличающееся тем, что рабочая поверхность зубьев расположена в плоскости оси шнека, а угол наклона спинки зуба не меньше угла подъема резьбы.

3. Замковое соединение шнеков по п.1, отличающееся тем, что зубья образованы на торцевой поверхности кольцевых элементов, неподвижно соединенных соответственно с муфтой и ниппелем.