АВТОМАТИЧЕСКИЙ ТРУБНЫЙ КЛЮЧ

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано на буровых установках для механизации спускоподъемных операций при сборке или разборке бурильных, обсадных колонн и насосно-компрессорных труб.

Известен автоматический стационарный буровой ключ (см. патент РФ на изобретение №2143051, МПК Е21В 19/16, 1998 г.), содержащий корпус, смонтированные в нем верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, приводный двигатель и моментомер. Коробка передач с быстроходным и тихоходным валами размещена над редуктором и оснащена маховиком, смонтированным на ее быстроходном валу. Моментомер ключа включает пружинный узел настройки величины крутящего момента и реверсивный гидравлический датчик.

Недостатками приведенного технического решения являются:

- использование инерционного маховика для создания высокого крутящего момента, что приводит к появлению ударных нагрузок на детали коробки передач и редуктора;

- схема измерения крутящего момента одним датчиком приводит к тому, что усилие, передаваемое на гидравлический датчик от корпуса коробки передач, уравновешивается равным по значению усилием, передаваемым корпусом коробки передач на подшипник тихоходного вала, перегружая его.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является автоматический стационарный буровой ключ (см. патент РФ на изобретение №2188297, МПК Е21В 19/16, 2000 г.), который содержит корпус, смонтированное в нем верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, приводной двигатель, планетарный редуктор и моментомер.

Коробка передач расположена над редуктором, а соосно с тихоходным валом коробки передач смонтирован планетарный редуктор, корпус которого выполнен плавающим относительно оси тихоходного вала. Моментомер ключа имеет рычажный механизм, передвижной упор настройки крутящего момента и систему клапанов для автоматического отключения приводного двигателя после достижения установленного крутящего момента свинчивания.

Недостатками приведенного технического решения являются:

- к снижению точности работы мономентра приводит наличие крутящего момента от силы трения скольжения между корпусом планетарного редуктора и корпусом, в котором он расположен, так как усилие, передаваемое на упор, уравновешивается равной по значению силой, возникающей между корпусами;

- отсутствует визуальный контроль текущего значения крутящего момента;

- использование зубчатых колес, валов и подшипников коробки передач усложняет конструкцию устройства;

- коробка передач прототипа не обладает достаточным передаточным отношением между медленной и быстрой скоростями, а именно не позволяет обеспечить одновременно производительность на высокой скорости и большой крутящий момент на медленной скорости;

- устройство имеет большие габариты и массу.

Задачей заявляемого технического решения является упрощение конструкции, обеспечение более высокой производительности и точной работы моментомера, уменьшение массы и габаритов.

Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в исполнении коробки передач в виде находящихся в цилиндрическом корпусе и установленных соосно дифференциального редуктора и переключателя скоростей, состоящего из зубчатых полумуфт быстрой и медленной скорости, связанных соответственно с быстроходным и тихоходным валами дифференциального редуктора, взаимодействующей с ними подвижной зубчатой полумуфты, силового цилиндра с подпружиненным поршнем, установленного коаксиально подвижной зубчатой полумуфте и взаимодействующего с ней. Корпус дифференциального редуктора жестко соединен с подвижным опорным диском и выполнен плавающим относительно коробки передач. Моментомер состоит из датчиков, установленных на неподвижный корпус коробки передач, а взаимодействующие с ними упоры установлены на подвижный опорный диск. Датчики могут быть гидравлическими или тензометрическими. Кроме того, использование датчиков (не менее двух), расположенных симметрично относительно продольного сечения корпуса коробки передач и расположенных в одной плоскости, позволяет осуществить более точную регулировку крутящего момента.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами:

Фиг.1 - автоматический трубный ключ;

Фиг.2 - продольный разрез коробки передач автоматического трубного ключа;

Фиг.3 - моментомер автоматического трубного ключа.

Автоматический трубный ключ показан на фиг.1, состоит из верхнего 1 и нижнего 2 трубозажимного устройств, корпуса 3, коробки передач 4, приводного двигателя 5, моментомера 6 и пульта управления со встроенным манометром 7 (на фиг.1 не показан).

В свою очередь, корпус 3 содержит промежуточный редуктор 8, связывающий верхнее трубозажимное устройство 1 и выходной вал 9.

Коробка передач 4 показана на Фиг.2 и состоит из установленных соосно дифференциального редуктора 10, переключателя скоростей, состоящего из зубчатой полумуфты быстрой скорости 11, зубчатой полумуфты медленной скорости 12, связанных соответственно с быстроходным валом 13 и тихоходным валом (на фиг.2 не показан) дифференциального редуктора 10 подвижной зубчатой полумуфты 14, силового цилиндра 15, поршня 16, выполненного в виде ступенчатой втулки, возвратной пружины 17, штуцера для подвода давления 18 и крышки силового цилиндра 19.

Причем дифференциальный редуктор 10 жестко соединен с подвижным опорным диском 20, который выполнен плавающим относительно корпуса коробки передач 4.

В состав моментомера 6, показанного на Фиг.3, входят гидродатчики 21, установленные на корпусе коробки передач 4, взаимодействующие с упорами 22, установленными на подвижном опорном диске 20, гидравлические трубки 23, тройник 24 и пульт управления со встроенным манометром 7.

Работа автоматического трубного ключа осуществляется следующим образом. Нижнее (неподвижное) трубозажимное устройство 2 зажимает нижнюю трубу, а верхнее трубозажимное устройство 1 обеспечивает вращение захватной части вокруг верхней трубы.

При свинчивании резьбового трубного соединения верхнее 1 и нижнее 2 трубозажимные устройства захватывают верхнюю и нижнюю трубы соответственно. Оператор включает приводной двигатель 5, соединенный с входным валом дифференциального редуктора 10, что приводит в движение быстроходный вал 13 и тихоходный вал дифференциального редуктора 10 и соответственно зубчатые полумуфты быстрой 11 и медленной скорости 12. Свинчивание производится на быстрой скорости, при этом подвижная зубчатая полумуфта 15 находится в нижнем положении и связана с зубчатой полумуфтой быстрой скорости 11, кроме того, подвижная зубчатая муфта 14 соединена с выходным валом коробки передач 9, передающим вращение через промежуточный редуктор 8 на верхнее трубозажимное устройство 1, до полной остановки вращения верхней трубы. Момент, развиваемый ключом на быстрой скорости, незначителен и не требует ограничения. После прекращения вращения верхней трубы отключается приводной двигатель 5, подается давление на штуцер 18, между поршнем 16 и силовым цилиндром 15 создается избыточное давление и происходит перемещение поршня 16 относительно силового цилиндра 15 с одновременным перемещением вверх подвижной зубчатой полумуфты 14 до ее соединения с зубчатой полумуфтой медленной скорости 12. Включается приводной двигатель 5, ключ вращает трубу на медленной скорости и происходит докрепление трубы до отключения приводного двигателя.

При вращении трубозажимного устройства 1 в сторону свинчивания на медленной скорости возрастает момент сопротивления в резьбе и, как следствие, на дифференциальном редукторе 10 и жестко соединенном с ним подвижном опорном диске 20 возникает реактивный крутящий момент, который передается упорами 22, установленными на подвижном опорном диске 20, на штоки гидродатчиков 21, установленных на стационарном корпусе коробки передач 4. Давление масла моментомера 6 пропорционально величине реактивного крутящего момента и отображается на манометре, вторая шкала которого отображает текущее значение крутящего момента трубозажимного устройства. При развинчивании гидродатчики 21 не нагружаются и отображение крутящего момента не происходит.

Процесс развинчивания происходит в обратном порядке. На штуцер 18 подается давление, подвижная зубчатая полумуфта 14 соединяется с зубчатой полумуфтой медленной скорости 12, включается приводной двигатель 5, причем его вращение направлено в обратную сторону и происходит перемещение верхней трубы относительно нижней на 1/4-1/2 оборота. Оператор выключает приводной двигатель 5, сбрасывает давление, подаваемое на штуцер 18, возвратная пружина 17 перемещает подвижную зубчатую полумуфту 14 в нижнее положение до соединения с зубчатой полумуфтой быстрой скорости 11, включается приводной двигатель 5 и происходит развинчивание верхней трубы на быстрой скорости.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить эксплуатационную надежность и упростить конструкцию за счет исполнения всех элементов коробки передач на одной оси, уменьшить габаритные размеры и вес ключа и повысить производительность. За счет использования двух гидродатчиков, расположенных симметрично относительно продольного сечения корпуса коробки передач и расположенных в одной плоскости, осуществить более точную регулировку крутящего момента.

Кроме того, диапазон передаточных отношений может быть расширен за счет использования дифференциальных редукторов с различным передаточным отношением.

Целесообразно использовать в качестве дифференциального редуктора редукторы с высоким передаточным отношением, например, выпускаемые за рубежом под названиями «CYCLO», «Twinspin», а в России известные под названием планетарно-цевочные редукторы. Также можно использовать волновые редукторы с промежуточными звеньями, например, производимые НТО «Приборсервис» и «Сибирской машиностроительной компанией», г.Томск, информация на сайтах www.neftegaz.ru, www.smc.tomsk.ru.