BRPI0822535B1 - Conjunto de eixo de acionamento, e, método para transferir uma carga de empuxo axial de um primeiro elemento rotativo alongado para um segundo elemento rotativo - Google Patents
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Abstract
conjunto de eixo de acionamento, e, método para transferir uma carga de empuxo axial de um primeiro elemento rotativo alongado para um segundo elemento rotativo é descrito um conjunto de eixo de acionamento para um motor de furo abaixo que inclui um eixo de acionamento formado com superfícies de apoio convexamente esféricas em cada extremidade, e alojamentos de extremidade com superfícies de apoio concavamente esféricas para contato casado com as superfícies de apoio esféricas do eixo de acionamento, facilitando assim a articulação unidirecional entre o eixo de acionamento e os alojamentos de extremidade durante a transferência de cargas de empuxo axial entre o eixo de acionamento e os alojamentos de extremidade através da interface das superfícies de apoio esféricas casadas. torque é transferido entre o eixo de acionamento e os alojamentos de extremidade através de dois ou, altemativamente, quatro chaves de acionamento articulado montadas em cada . extremidade do eixo de acionamento e encaixáveis com rasgos de chaveta de acionamento complementares nos alojamentos de extremidade. contato de transferência de torque constante é assim provido entre as chavetas de acionamento articulado e os alojamentos de extremidade independente de qualquer deslocamento angular entre o eixo de acionamento e o alojamento de extremidade, resultante da articulação unidirecional do eixo de acionamento em relação ao alojamento de extremidade. o centro de rotação unidirecional em cada extremidade do eixo de acionamento coincide com o ponto central geométrico da superficie de apoio convexamente esférica correspondente, que corresponde à interseção do eixo geométrico rotacional do eixo de acionamento, o eixo geométrico rotacional do alojamento de extremidade e o eixo geométrico de articulação da chaveta de acionamento.
Description
[001] A presente invenção diz respeito no geral a juntas universais para transmitir torque entre eixos rotativos com eixos geométricos rotacionais interceptantes, mas não coincidentes. Mais particularmente, a invenção diz respeito a juntas universais para eixos de acionamento associados com motores de furo abaixo usados na indústria de óleo e gás para perfurar furos de sondagem, especialmente em aplicações que exigem transferência de grande cargas de torque e empuxo axial através da junta.
[002] Na perfuração de um furo de sondagem (ou furo de poço) na terra, tal como para recuperação de hidrocarbonetos ou minerais de uma formação subsuperficial, é prática convencional conectar uma broca de perfuração na extremidade inferior de um conjunto de seções de tubos de perfuração conectadas extremidade a extremidade (normalmente referidas como “coluna de perfuração”) e então rotacionar a coluna de perfuração de forma que a broca de perfuração progrida para baixo na terra de forma a criar o furo de sondagem desejado. Além das seções de tubos de perfuração, a coluna de perfuração para operações de perfuração não horizontais tipicamente incorpora elementos tubulares mais pesados abaixo das seções de tubos, conhecidas como tubo de peso pesado ou colares de perfuração, dispostos próximos à extremidade da coluna de perfuração acima da broca de perfuração para aumentar a carga vertical na broca de perfuração e assim melhorar a eficiência operacional da broca. Outros acessórios normalmente incorporados em colunas de perfuração incluem estabilizadores para assistir na manutenção da direção desejada do furo de sondagem perfurado, e alargadores para garantir que o furo de sondagem perfurado seja mantido em uma bitola desejada (isto é, diâmetro). Em operações de perfuração de furo de sondagem vertical convencional, a coluna de perfuração e a broca são rotacionados por meio tanto de uma “mesa rotativa” quanto por um “acionamento de topo” associado com a plataforma de perfuração montada na superfície do terreno sobre o furo de sondagem (ou, em operações de perfuração ao largo, em uma plataforma de perfuração suportada no leito oceânico ou embarcação flutuante devidamente adaptada).
[003] Durante o processo de perfuração, um fluido de perfuração (também normalmente referido na indústria como “lama de perfuração”, ou simplesmente “lama”) é bombeado sob pressão para baixo a partir da superfície através da coluna de perfuração, para fora da broca de perfuração para dentro do furo de sondagem e então de volta para cima para a superfície através do espaço anular entre a coluna de perfuração e a furo de poço. O fluido de perfuração, que pode ser a base de água ou a base de óleo, é tipicamente viscoso para melhorar sua capacidade de carregar o cascalho do furo de sondagem para a superfície. O fluido de perfuração pode desempenhar várias outras funções valiosas, incluindo melhorar o desempenho da broca de perfuração (por exemplo, pela ejeção de fluido sob pressão através de orifícios na broca de perfuração, criando jatos de lama que colidem e enfraquecem a formação subjacente com o avanço da broca de perfuração), resfriamento da broca de perfuração e formação de uma torta protetora na parede do furo de sondagem (para estabilizar e selar a parede do furo de sondagem).
[004] Particularmente desde os meados da década de oitenta tem-se tornado cada vez mais comum e desejável na indústria de óleo e gás fazer furos de sondagem horizontais e outros não verticais (isto é, “perfuração direcional”) para facilitar acesso mais eficiente às maiores regiões de formações de hidrocarbonetos subsuperficiais, e sua produção, do que seria possível usando somente furos de sondagem verticais. Em perfuração direcional, componentes da coluna de perfuração e “conjuntos de furo abaixo” especializados são usados para induzir, monitorar e controlar desvios no caminho da broca de perfuração, de maneira a produzir um furo de sondagem de configuração não vertical desejada.
[005] Perfuração direcional é tipicamente realizada usando um “motor de furo de sondagem” (alternativamente referido como “motor de perfuração” ou “motor de lama”) incorporado na coluna de perfuração imediatamente acima da broca de perfuração. Um motor de furo abaixo típico inclui diversos componentes primários, como a seguir (em ordem, a começar a partir do topo do conjunto do motor): - um sub de topo adaptado para facilitar a conexão na extremidade inferior de uma coluna de perfuração (“sub” sendo o termo geral comum na indústria de óleo e gás para qualquer componente da coluna de perfuração pequeno ou secundário); - uma seção de potência; - um eixo de acionamento encerrado em um alojamento do eixo de acionamento, com a extremidade superior do eixo de acionamento sendo conectada operacionalmente no rotor da seção de energia; e - um conjunto de mancal (que inclui um mandril com uma extremidade superior acoplada na extremidade inferior do eixo de acionamento, mais uma extremidade inferior adaptada para receber uma broca de perfuração).
[006] Em processos de perfuração usando um motor de furo abaixo, fluido de perfuração é circulado sob pressão através da coluna de perfuração e de volta para a superfície como em métodos de perfuração convencionais. Como será descrito com mais detalhes a seguir, entretanto, o fluido de perfuração pressurizado que sai na extremidade inferior do tubo de perfuração é desviado através da seção de potência do motor de furo abaixo para gerar potência para girar a broca de perfuração.
[007] Os componentes principais da seção de potência são um estator alongado e no geral cilíndrico disposto dentro do alojamento do estator tubular, e um elemento rotor alongado rotacionável dentro do estator. A seção de potência no tipo mais comum de motor de furo abaixo é uma seção de potência de “deslocamento positivo”, que é essencialmente similar à bomba de cavidade progressiva (ou “Moineau”) bem conhecida na tecnologia, mas operando ao contrário. O rotor compreende um eixo formado com um uma ou mais paletas helicoidais ou lóbulos que circundam o eixo e estendem-se ao longo de seu comprimento. O estator é tipicamente na forma de um revestimento de elastômero ligado na parede cilíndrica interna do alojamento do estator, e define lóbulos helicoidais de uma configuração complementar à do lóbulo, ou lóbulos, do rotor, mas em tendo uma unidade a mais que o número de lóbulos do rotor. A extremidade inferior do rotor compreende ou é conectada a um eixo de saída que, por sua vez, é conectado na extremidade superior do eixo de acionamento.
[008] Durante operação do motor de furo abaixo, fluido de perfuração de alta pressão é forçado através da seção de potência, fazendo com que o rotor gire dentro do estator, e induzindo uma queda de pressão através da seção de potência (isto é, a pressão do fluido de perfuração sendo menor na base da seção de potência). A potência assim entregue ao eixo de saída do rotor é proporcional ao produto do volume de fluido que passa através da seção de potência multiplicado pela queda de pressão através da seção de potência (isto é, da entrada de fluido para a saída de fluido). Dessa maneira, uma maior taxa de circulação de fluido através a seção de potência resultará em uma maior velocidade rotacional do rotor dentro do estator, e correspondentemente maior saída de potência.
[009] Como previamente notado, o eixo de saída do rotor da seção de potência é acoplado na extremidade superior do eixo de acionamento, para transmissão do torque rotacional para girar a broca de perfuração. Entretanto, o movimento do rotor em um motor de furo abaixo tipo deslocamento positivo (ou “motor PD”) é excêntrico por natureza, ou “precessional” - isto é, em operação, a extremidade inferior do rotor (isto é, a extremidade de saída) gira em torno do eixo geométrico longitudinal centroidal do alojamento do estator, de maneira tal que o eixo geométrico longitudinal do rotor gire em um movimento excêntrico em torno do eixo geométrico do estator, definindo uma superfície cônica de rotação.
[0010] Em um tipo alternativo de seção de potência para um motor de furo abaixo, o rotor e o estator de uma seção de potência incorporam pás de turbina, com o estator compreendendo seções de pás estacionárias fixas no alojamento do estator tubular, e dentro dele, e com seções de pás do rotor fixas em um eixo do rotor. Fluido de perfuração é forçado através do estator sob pressão, induzindo rotação do rotor dentro do estator. Nesta seção de potência tipo turbina, o eixo geométrico do rotor permanece coincidente com o eixo geométrico do estator, de forma que não haja movimento excêntrico ou precessional, como no caso de uma seção de potência do motor PD, e a velocidade rotacional é muito mais alta. Embora a seção de potência tipo turbina não tenha as mesmas características de uma seção de potência de motor PD, ele desempenha a mesma função básica (isto é, produzir potência rotacional para girar a broca de perfuração) por meios essencialmente similares (isto é, a rotação do rotor é induzida pela passagem de fluido de perfuração pressurizado através do estator).
[0011] Independente do tipo particular de seção de potência usado no motor de furo abaixo, o eixo inferior ou de saída do rotor é acoplado operacionalmente na extremidade superior do eixo de acionamento por meio de uma primeira junta universal (ou superior), por meio do que o torque rotacional pode ser transferido do rotor para o eixo de acionamento, independente do fato de que o rotor e os eixos geométricos do eixo de acionamento podem ser não coincidentes, tal como quando necessário com propósitos de perfuração direcional (bem como por causa da rotação excêntrica do rotor no caso de uma seção de potência do motor PD). Quando uma seção de potência da turbina é empregada, e o alojamento do eixo de acionamento é um alojamento sólido em peça única sem curva, não é necessária uma junta universal.
[0012] O conjunto de mancal tipicamente incorpora um mandril tubular alongado com uma extremidade superior que é operacionalmente acoplado na extremidade inferior do eixo de acionamento por meio de uma segunda junta universal (ou inferior), e uma extremidade inferior na qual a broca de perfuração pode ser montada. O mandril é encamisado em um alojamento do mancal tubular que é conectado no alojamento do eixo de acionamento tubular. O mandril gira não excentricamente dentro do alojamento do mancal. Como outros componentes e detalhes de construção do conjunto de mancal típicos não são pertinentes à presente invenção, eles não serão discutidos aqui com detalhes; entretanto, eles serão bem conhecidos e entendidos pelos versados na técnica da invenção.
[0013] Em operação, o eixo de acionamento e o rotor da seção de potência em um motor de furo abaixo são sujeitos a altas cargas de compressão axial à medida que a broca de perfuração penetra em formações subsuperficiais para criar um furo de sondagem. A magnitude dessas cargas compressivas variará com a potência gerada pelo motor de furo abaixo, que, como previamente discutido, é proporcional à queda de pressão através da seção de potência. Para acomodar essas cargas compressivas, um mancal de empuxo de algum tipo é tipicamente incorporado nos conjuntos de juntas universais em cada extremidade do eixo de acionamento.
[0014] As dimensões transversais de uma junta universal para um eixo de acionamento de motor de furo abaixo são inerentemente limitadas pelo diâmetro interno do alojamento do eixo de acionamento. Portanto, uma junta universal do eixo de acionamento tem que incorporar estrutura suficiente para transferência efetiva de cargas de torque e empuxo em serviço, sendo ainda suficientemente compacto no tamanho para impedir interferência física com o alojamento do eixo de acionamento por causa de “oscilação” ou movimento precessional da extremidade de saída do rotor da seção de potência. Correspondentemente, o diâmetro interno do alojamento do eixo de acionamento constitui uma limitação de desenho fixa quando se deseja aumentar o torque e/ou capacidade de empuxo de uma junta universal do eixo de acionamento, ou aumentar a resistência a fadiga ou vida útil de uma junta universal para dadas cargas de torque e empuxo.
[0015] A tecnologia anterior revela inúmeros exemplos de juntas universais para uso em associação como eixos de acionamento de motor de furo abaixo. Por exemplo, a patente canadense 1.290.952 (Wenzel) e patente U.S. 4.772.246 correspondente revelam uma junta universal de eixo de acionamento que usa quatro chavetas de acionamento articuladas com hastes cilíndricas dispostas articuladamente dentro de soquetes radiais correspondente no lado do eixo de acionamento. Cada chaveta de acionamento tem uma porção de cabeça disposta de forma deslizante dentro de um rasgo longitudinal em um alojamento de extremidade que envolve a junta, com um par de superfícies laterais planas opostas em contato deslizante com as paredes laterais planas do rasgo longitudinal, para transferir torque para o alojamento de extremidade. As cabeças das chavetas de acionamento deslizarão dentro de seus rasgos correspondentes no alojamento em resposta a qualquer desvio angular entre os eixos geométricos do eixo de acionamento e o alojamento de extremidade, com todas quatro chavetas de acionamento permanecendo em contato com as paredes laterais do rasgo para transferência de torque. Um mancal de esfera que serve como um mancal de empuxo é colocado em uma sede de mancal localizada centralmente dentro do eixo central, e com os eixos geométricos das hastes das chavetas de acionamento passando pelo centro do mancal de empuxo.
[0016] A patente canadense 2.023.042 (Wenzel et al) e patente U.S. 5.267.905 correspondente revelam uma junta universal de eixo de acionamento que transfere torque por meio de mancais de esfera, cada qual disposto parcialmente dentro de uma bolsa semiesférica no lado do eixo de acionamento e parcialmente dentro de um rasgo longitudinal semicilíndrico em um alojamento de extremidade que envolve a junta. Os mancais de esfera são igualmente espaçados em um padrão circular em torno do eixo de acionamento, ficando dispostos em um plano perpendicular transversal ao eixo geométrico do eixo de acionamento. A junta universal inclui adicionalmente um mancal de empuxo de esfera posicionado centralmente dentro do eixo de acionamento, com o centro do mancal de empuxo alinhado com os centros dos mancais de esfera.
[0017] Na junta universal da CA 2.032.042, o único momento em que todos os mancais de esfera estão efetivamente encaixados para transferir torque é quando os eixos geométricos longitudinais do alojamento de extremidade e do eixo de acionamento são coincidentes, uma condição que não existe em um motor PD, por causa do movimento precessional do eixo de saída da seção de potência, como previamente discutido. Sempre que houver um desvio angular relativo entre os eixos geométricos do rotor da seção de potência e o eixo de acionamento, haverá no máximo duas esferas de transmissão de torque (diametralmente opostas) completamente encaixadas para transferência de torque efetiva. Isto se dá em virtude de o desvio angular fazer com que as esferas definam uma elipse, e não um círculo, quando vistas ao longo do eixo geométrico do alojamento de extremidade. Correspondentemente, algumas esferas serão deslocadas radialmente para dentro, para fora de seus rasgos no alojamento de extremidade, em resposta a qualquer desvio angular entre os eixos geométricos do rotor e do eixo de acionamento, de maneira tal que somente aquelas esferas dispostas no diâmetro maior, ou próximas a ele, da elipse ficarão em encaixe completamente efetivo com seus rasgos correspondentes no alojamento de extremidade. Além da ineficiência resultante de transferência de torque, a falta de contato de encaixe constante entre as esferas de acionamento e o alojamento aumenta o carregamento de choque no conjunto, induzindo tensões de fadiga que tendem diminuir a vida útil da junta universal.
[0018] A patente U.S. 5.704.838 (Teale) preceitua um exemplo adicional de uma junta universal de eixo de acionamento que usa mancais de esfera como dispositivo de transferência de torque. Entretanto, como na CA 2.023.042, a junta-U de Teale apresenta o inconveniente de que somente duas esferas de transmissão do torque ficarão completamente efetivas para transferência de torque a qualquer dado momento sempre que os eixos geométricos dos eixos de conexão não forem coincidentes.
[0019] Exemplos adicionais de juntas universais da tecnologia anterior podem ser encontrados nos seguintes: - Pedido de patente canadense 2.541.339 (Johnson et al.); - Patente U.S. 4.904.228 (Frear et al.); - Patente U.S. 4.982.801 (Zitka et al.); - Patente U.S. 5.000.723 (Livingstone); - Patente U.S. 5.048.622 (Ide); - Patente U.S. 5.078.650 (Foote); - Patente U.S. 5.228.271 (Nelson et al.); e - Patente U.S. 7.186.182 (Wenzel et al.).
[0020] As juntas universais da tecnologia anterior não conseguem abordar diversos problemas significantes, o primeiro dos quais é a transferência de torque não uniforme e ineficiente em juntas U usando elementos de transferência de torque em arranjo circular tais como as esferas de transferência de torque em CA 2.032.042 e U.S. 5.704.838, como anteriormente discutido. Este problema não ocorre na junta U da CA 1.290.952 (e U.S. 4.772.246), que incorpora chavetas de acionamento que permanecem em contato de encaixe deslizante com rasgos do alojamento de extremidade correspondentes em resposta a desvios angulares entre o eixo de acionamento e os eixos geométricos do alojamento de extremidade. Entretanto, todas as juntas U da tecnologia anterior, incluindo a junta U de CA 1.290.952, estão limitadas nas suas capacidades de transferência de torque tanto pela tensão de cisalhamento disponível pelos seus elementos de transferência de torque (por exemplo, esferas de acionamento ou chavetas de acionamento) quanto pela área de contato efetiva disponível para transferir forças induzidas por torque entre os elementos de transferência de torque e seus elementos resistivos correspondentes (por exemplo, bolsas ou rasgos nos eixos de acionamento ou alojamentos de extremidade). Tais limitações de transferência de torque restringem severamente a adequabilidade e operacionabilidade de juntas U conhecidas para uso com motores PD de maior potência que se encontram atualmente disponíveis no mercado.
[0021] Um problema adicional surge com juntas U conhecidas do tipo que usa um mancal de empuxo esférico disposto centralmente entre o eixo de acionamento e o alojamento de extremidade, como em CA 1.290.952, CA 2.032.042, CA 2.541.339 e U.S. 5.704.838. Seções de potência de motor PD moderno são capazes de produzir maior potência e, portanto, maior toque e maiores cargas de empuxo, sem aumentar o diâmetro geral do motor. Desenhos de junta U conhecidas não podem ser facilmente adaptados para suportar maiores cargas de empuxo associadas com seções de potência PD de alto torque e alta potência mais modernos em virtude de o tamanho do mancal de empuxo esférico estar limitado pelo diâmetro das juntas U de eixo de acionamento permissível.
[0022] Pelos motivos expostos, existe uma necessidade de um conjunto de eixo de acionamento e junta universal de motor PD melhorado que possa suportar tanto maiores cargas de torque quanto maiores cargas de empuxo axial do que conjuntos de junta universal conhecidos, sem necessitar um aumento no diâmetro do conjunto da junta universal geral, e garantindo ainda transferência uniforme de forças de torque, independente de desvios angulares entre os eixos geométricos do eixo de acionamento e do alojamento de extremidade do eixo de acionamento. A presente invenção está voltada para essas necessidades.
[0023] Em termos gerais, o aparelho da presente invenção é um conjunto de eixo de acionamento, particularmente, mas não exclusivamente, adequado para incorporação em um motor de furo abaixo, incorporando um eixo de acionamento formado com superfícies de mancal convexamente esféricas em cada extremidade, mais alojamentos de extremidade com superfícies de mancal concavamente esféricas para receber as superfícies de mancal esféricas do eixo de acionamento em encaixe casado deslizante, facilitando assim articulação unidirecional entre o eixo de acionamento e os alojamentos de extremidade, ainda transferindo cargas de empuxo axial entre o eixo de acionamento e os alojamentos de extremidade através das interfaces de mancal esféricas em cada extremidade do conjunto. Um par de chavetas de acionamento é montado articuladamente, em oposição diametral, em cada extremidade do eixo de acionamento, com os eixos de articulação de cada par de chavetas de acionamento passando através do ponto central geométrico da superfície de apoio convexamente esférica correspondente do eixo de acionamento. As chavetas de acionamento transmitem as cargas aos alojamentos através de faces de contato planas que apóiam-se em superfícies de mancal em rasgos de chaveta de acionamento complementares formadas nos alojamentos de extremidade. Contato de transferência de torque total e constante é assim provido entre as chavetas de acionamento de articulação e os alojamentos de extremidade independente de qualquer deslocamento angular entre o eixo de acionamento e os alojamentos de extremidade.
[0024] Pela incorporação dos mancais de empuxo no próprio eixo de acionamento, nas suas pontas extremas, a presente invenção torna desnecessário prover elemento de mancal de empuxo separados e discretos (por exemplo, mancais de esfera assentados nas extremidades do eixo de acionamento) como nos desenhos de juntas universais da tecnologia anterior. Este recurso de desenho também possibilita prover superfícies de contato de mancal de empuxo muito mais efetivas, aumentando assim a capacidade de carga de empuxo axial do conjunto do eixo de acionamento, sem aumentar o diâmetro do conjunto da junta universal do eixo de acionamento. Além disso, a formação dos mancais de empuxo nas extremidades do eixo de acionamento também possibilita prover elementos de transferência de torque com superfícies de contato efetivas consideravelmente maiores, aumentando assim a capacidade de carga de torque do conjunto do eixo de acionamento, sem aumentar o diâmetro do conjunto do eixo de acionamento geral.
[0025] Dessa maneira, em um primeiro aspecto, a presente invenção diz respeito a um conjunto de eixo de acionamento compreendendo: (a) um eixo de acionamento com uma primeira extremidade, uma segunda extremidade e um eixo geométrico rotacional longitudinal, a dita primeira extremidade sendo formada com uma superfície de apoio convexamente esférica integral; (b) um primeiro alojamento de extremidade com um eixo geométrico rotacional longitudinal e com uma superfície de apoio concavamente esférica configurada para encaixe casado deslizante com uma superfície de apoio convexamente esférica da primeira extremidade do eixo de acionamento; e (c) dispositivo para transferir torque do eixo de acionamento para o primeiro alojamento de extremidade quando a superfície de apoio convexa da primeira extremidade do eixo de acionamento estiver em encaixe casado com a superfície de apoio côncava do primeiro alojamento de extremidade, o dito dispositivo para transferir torque sendo operacionalmente efetivo independente de qualquer deslocamento angular relativo entre os eixos geométricos rotacionais do eixo de acionamento e do primeiro alojamento de extremidade, em uma faixa angular selecionada.
[0026] Em uma modalidade particularmente preferida, o conjunto do eixo de acionamento da presente invenção compreende: (a) um eixo de acionamento com uma primeira extremidade, uma segunda extremidade e um eixo geométrico rotacional longitudinal, com uma primeira superfície de apoio convexamente esférica sendo formada na dita primeira extremidade do eixo de acionamento, e com o ponto central geométrico da dita primeira superfície de apoio convexamente esférica disposto no eixo geométrico rotacional do eixo de acionamento; (b) um primeiro par de chavetas de acionamento primárias, montado na primeira extremidade do eixo de acionamento em seus lados opostos e articulável em torno de um eixo de articulação primário perpendicular e passando através do ponto central geométrico da primeira superfície de apoio convexamente esférica, com cada chaveta de acionamento primária compreendendo uma cabeça da chaveta de acionamento projetando- se para fora do eixo de acionamento; e (c) um primeiro alojamento de extremidade com um eixo geométrico rotacional longitudinal, e com uma superfície de apoio concavamente esférica com um ponto central geométrico no eixo geométrico rotacional do primeiro alojamento de extremidade, com o raio da dita primeira superfície de apoio concavamente esférica correspondendo ao raio da primeira superfície de apoio convexamente esférica do eixo de acionamento; em que: (d) cada cabeça de chaveta de acionamento primária tem uma face de extremidade primária plana, a dita face de extremidade primária plana sendo paralela ao eixo geométrico de articulação primário; (e) o primeiro alojamento de extremidade é configurado para receber a primeira extremidade do eixo de acionamento com a primeira superfície de apoio convexamente esférica do eixo de acionamento em encaixe casado deslizante com a superfície de apoio concavamente esférica do primeiro alojamento de extremidade; (f) o primeiro alojamento de extremidade tem um primeiro par de rasgos de chaveta de acionamento primário posicionado e configurado para receber as cabeças de chaveta de acionamento primárias quando a primeira superfície de apoio convexamente esférica do eixo de acionamento estiver em encaixe casado com a superfície de apoio concavamente esférica do primeiro alojamento de extremidade; (g) cada rasgo de chaveta de acionamento primário inclui uma face lateral primária plana, a dita face lateral primária sendo paralela ao eixo rotacional do primeiro alojamento de extremidade; e (h) o comprimento de cada rasgo de chaveta de acionamento primária na direção do eixo rotacional do primeiro alojamento de extremidade é maior que o comprimento da cabeça de chaveta de acionamento primária, de maneira tal que cada cabeça de chaveta de acionamento primária seja deslizável dentro de seu rasgo de chaveta de acionamento primária; de maneira tal que: (i) o eixo de acionamento possa ser articulado unidirecionalmente em relação ao segundo alojamento de extremidade; (j) a rotação do eixo de acionamento em uma primeira direção rotacional impelirá as faces de extremidade primárias para contato de transferência de força contra as faces laterais primárias dos rasgos de chaveta de acionamento primários correspondentes, transferindo assim torque rotacional entre o eixo de acionamento e o primeiro alojamento de extremidade, com cada cabeça de chaveta primária sendo deslizável dentro de seu rasgo de chaveta de acionamento primária correspondente para acomodar variações angulares entre os eixos geométricos longitudinais do eixo de acionamento e o primeiro alojamento de extremidade, em uma faixa angular selecionada; e (k) forças de empuxo axiais serão transferidas entre o eixo de acionamento e o primeiro alojamento de extremidade através da interface da primeira superfície convexamente esférica do eixo de acionamento e a superfície de apoio concavamente esférica do primeiro alojamento de extremidade, independente de variações angulares entre os eixos geométricos rotacionais do eixo de acionamento do primeiro alojamento de extremidade, em uma faixa angular selecionada.
[0027] Nas modalidades preferidas, o dispositivo para transferir torque compreende um par de chavetas de acionamento montado articuladamente em lados opostos do eixo de acionamento, com cabeças de chaveta de acionamento configuradas para transferir forças de torque rotacional pelo encaixe com rasgos de chaveta de acionamento correspondentes no primeiro alojamento de extremidade. Modalidades alternativas podem incluir um segundo par de tais chavetas de acionamento, orientado em ângulos retos com o primeiro par de chavetas de acionamento. Modalidades alternativas adicionais podem usar dispositivo de transferência de torque tais como as juntas universais da tecnologia anterior, tal como uma pluralidade de elementos de transferência de torque esféricos, como preceituado, por exemplo, em CA 2.032.042 e U.S. 5.267.905.
[0028] A superfície de apoio convexamente esférica do primeiro alojamento de extremidade pode ser usinada diretamente no material pai do primeiro alojamento de extremidade. Em modalidades preferidas, entretanto, a superfície de apoio convexamente esférica pode ser provida tanto completa quanto parcialmente na forma de um inserto de apoio feito de bronze, uma liga de bronze, poliuretano, ou Teflon®, ou um outro material redutor de atrito adequado.
[0029] Em modalidades alternativas, o conjunto do eixo de acionamento incorpora adicionalmente um segundo alojamento de extremidade, em associação com a segunda extremidade do eixo de acionamento, com a segunda extremidade do eixo de acionamento e o segundo alojamento de extremidade tendo superfícies de apoio de empuxo convexamente e concavamente esféricas, respectivamente, de forma geral tal como descrito com relação à primeira extremidade do eixo de acionamento.
[0030] Em um segundo aspecto, a presente invenção está voltada para um método para transferir uma carga de empuxo axial de um primeiro elemento rotativo alongado para um segundo elemento rotativo alongado, cada elemento rotativo tendo um eixo rotacional. Em uma modalidade geral, este método compreende as etapas de: (a) formar uma superfície convexamente esférica em uma primeira extremidade do primeiro elemento rotativo, com o ponto central geométrico da dita superfície convexamente esférica disposto no eixo geométrico rotacional do primeiro elemento rotativo; (b) formar o segundo elemento rotativo com uma superfície concavamente esférica, a dita superfície concavamente esférica tendo seu ponto central geométrico disposto no eixo geométrico rotacional do segundo elemento rotativo e tendo um raio correspondente ao raio da superfície convexamente esférica do primeiro elemento rotativo; (c) montar o primeiro e segundo elementos rotativos com a superfície convexamente esférica do primeiro elemento rotativo em encaixe casado deslizante com a superfície concavamente esférica do segundo elemento rotativo, com os pontos centrais geométricos das ditas superfícies convexamente esférica e concavamente esférica sendo coincidentes; e (d) prover dispositivo para manter as ditas superfícies convexamente e concavamente esféricas em encaixe casado deslizante independente de qualquer deslocamento angular entre os eixos geométricos rotacionais do primeiro e segundo elementos rotacionais, em uma faixa angular selecionada.
[0031] O método da invenção pode também compreender a etapa adicional de prover meios para transferir torque do primeiro elemento rotativo para o segundo elemento rotativo independente de qualquer deslocamento angular entre os eixos geométricos rotacionais do primeiro e segundo elementos rotacionais, dentro de uma faixa angular selecionada.
[0032] Modalidades da invenção serão agora descritas com referência às figuras anexas, em que referências iguais denotam partes iguais, e em que:
[0033] A figura 1 é uma vista lateral de um eixo de acionamento de acordo com uma modalidade da presente invenção, com alojamentos de extremidade em cada extremidade.
[0034] A figura 2 é uma seção transversal em uma primeira extremidade do eixo de acionamento da figura 1 e seu alojamento de extremidade correspondente, mostrado com o eixo de acionamento e o alojamento de extremidade em alinhamento coaxial.
[0035] A figura 3 é uma seção transversal como na figura 2, mas com o eixo de acionamento articulado em relação ao alojamento de extremidade.
[0036] A figura 4A é uma vista em perspectiva de uma extremidade do eixo de acionamento mostrado nas figuras 2 e 3, com a extremidade do eixo de acionamento tendo uma superfície de apoio esférica.
[0037] A figura 4B é uma vista em perspectiva de uma chaveta de acionamento articulada adaptada para inserção no rasgo de chaveta de acionamento do eixo de acionamento mostrado na figura 4B.
[0038] A figura 5 é uma vista em perspectiva do alojamento de extremidade mostrado na figura 2, ilustrando uma sede do mancal de empuxo e rasgos de chaveta de acionamento para encaixe com a superfície de apoio esférica do eixo de acionamento e chavetas de acionamento, respectivamente.
[0039] A figura 6 é uma vista em perspectiva recortada parcial do conjunto eixo de acionamento / alojamento de extremidade da figura 2.
[0040] A figura 7 é uma vista lateral recortada parcial do conjunto eixo de acionamento / alojamento de extremidade mostrado na figura 6.
[0041] A figura 8 é uma vista em perspectiva recortada parcial do conjunto eixo de acionamento / alojamento de extremidade da figura 2 rotacionado 90 graus em relação à vista da figura 6.
[0042] A figura 9 é uma vista lateral recortada parcial do conjunto eixo de acionamento / alojamento de extremidade mostrado na figura 8.
[0043] Referindo-se à figura 1, um conjunto de eixo de acionamento 10 de acordo com a presente invenção compreende um eixo de acionamento 20 com uma extremidade superior 22 e uma extremidade inferior 24, um alojamento de extremidade superior 30 e um alojamento de extremidade inferior 40. Quando montado em um motor de furo abaixo, o conjunto de eixo de acionamento 10 ficará encerrado em um alojamento do eixo de acionamento tubular indicado conceitualmente por linhas tracejadas 15 na figura 1, formando assim um espaço anular 16 entre o alojamento do eixo de acionamento 15 e o conjunto de eixo de acionamento 10.
[0044] O alojamento de extremidade superior 30 tem uma seção do conector 32, adaptada para conexão no eixo de saída (não mostrado) da seção de potência de um motor de furo abaixo, e uma seção de soquete coaxialmente contígua 34, adaptada para receber a extremidade superior 22 do eixo de acionamento 20 e acomodar rotação unidirecional do eixo de acionamento 20 nele, transferindo ainda cargas do torque rotacional e empuxo radial do eixo de saída ao eixo de acionamento 20. O alojamento de extremidade inferior 40 tem uma seção de conector 42, adaptada para conexão no mandril da seção de apoio (não mostrada) do motor de furo abaixo, e uma seção de soquete coaxialmente contígua 44, adaptada para receber a extremidade inferior 24 do eixo de acionamento 20 e acomodar articulação unidirecional do eixo de acionamento 20 nela, transferindo ainda cargas do torque rotacional e de empuxo axial do eixo de acionamento 20 para o mandril.
[0045] Como mostrado nas figuras, a seção do conector 42 do alojamento de extremidade inferior 40 define uma cavidade do conector 46 e um ou mais canais de lama 47, por meio do que a cavidade do conector 46 ficará em comunicação fluídica com o espaço anular 16. Conforme anteriormente percebido, fluido de perfuração (ou “lama”) tem que ser bombeado através da coluna de perfuração e do motor de furo abaixo e daí para a broca de perfuração. No conjunto de eixo de acionamento ilustrado 10, fluido de perfuração que se move para baixo no espaço anular 16 passa através de canais de lama 47 e para a cavidade do conector 46, daí é direcionado através da seção do mancal do motor de furo abaixo.
[0046] Os detalhes específicos das seções do conector 32 e 42 não são diretamente relevantes para a presente invenção. Entretanto, seções de soquete 34 e 44, que constituem componentes essenciais da invenção, tipicamente serão substancialmente similares ou idênticos entre si. Dessa maneira, a invenção pode ser efetivamente descrita e ilustrada com referência apenas a um alojamento de extremidade, como nas figuras 2, 3, 5 e 6 a 9, que ilustram apenas a extremidade inferior 24 da conexão do eixo de acionamento 20 no alojamento de extremidade inferior 40. Entretanto, deve-se entender que os princípios e recursos descritos e ilustrados da conexão do eixo de acionamento 20 na seção do soquete 44 do alojamento de extremidade inferior 40 serão igualmente relevantes para a conexão do eixo de acionamento 20 na seção do soquete 34 do alojamento de extremidade superior 30.
[0047] Como ilustrado na figura 4A, cada extremidade do eixo de acionamento 20 tem uma seção de extremidade 50 formada com uma superfície de apoio convexamente esférica 52 centralizada em um ponto central geométrico X disposto no eixo geométrico rotacional longitudinal A- 20 do eixo de acionamento 20. Deve-se notar que, no contexto deste documento de patente, o termo “superfície esférica” refere-se a uma superfície que forma parte da superfície de uma esfera, não estritamente em toda a superfície de uma esfera. A seção de extremidade 50 é também formada com um par de soquetes de chaveta de acionamento cilíndrica 54 em lados opostos da seção de extremidade 50 e centralizada em um eixo geométrico de articulação da chaveta de acionamento A-60 que passa pelo ponto central X, e perpendicular a ele.
[0048] A figura 4B ilustra uma modalidade de uma chaveta de acionamento 60 para inserção em um dos soquetes de chaveta de acionamento 54. Na modalidade ilustrada, a chaveta de acionamento 60 tem uma haste cilíndrica 62 dimensionada e adaptada para um encaixe firme, mas articulado, no soquete da haste 54, mas uma cabeça da chaveta de acionamento 64 que tem faces de apoio de extremidade planas opostas 66 para facilitar a transferência de torque entre o eixo de acionamento 20 e o alojamento de extremidade 40 (como explicado com mais detalhes a seguir), as ditas faces de apoio de extremidade 66 sendo paralelas entre si e paralelas ao eixo geométrico de articulação da chaveta de acionamento A-60. Entretanto, estritamente falando, cada cabeça de chaveta de acionamento 64 exige somente uma face de apoio de extremidade plana 66 para transferir torque resultante da rotação do eixo de acionamento 20 apenas em uma direção.
[0049] A figura 5 ilustra recursos de seção de soquete 44 do alojamento de extremidade inferior 40 (ou, alternativamente, seção do soquete 34 do alojamento de extremidade superior 30). O alojamento de extremidade inferior 40 tem um eixo geométrico rotacional longitudinal A-40. A seção do soquete 44 define uma cavidade 70 ligada por uma parede de base 71 e uma parede lateral no geral cilíndrica 72. A parede de base 71 é formada ou incorpora uma superfície de apoio concavamente esférica 74 configurada para casar rigorosamente e para encaixe rotacionalmente deslizante com a superfície de apoio 52 da seção 50 do eixo de acionamento 20. Em modalidades preferidas, a superfície de apoio esférica 74 é provida tanto completa quanto parcialmente na forma de um inserto de apoio 80, como ilustrado nas figuras e como descrito com mais detalhes adicionalmente neste documento de patente. Entretanto, a superfície de apoio 74 pode alternativamente ser diretamente usinada no material pai da parede de base 71.
[0050] A parede lateral 72 da seção do soquete 44 é formada com um par de rasgos de chaveta de acionamento postas 76, cada rasgo de chaveta de acionamento 76 tendo uma face externa 76A e, nas modalidades ilustradas, duas faces de apoio laterais planas opostas 76B, paralelas entre si e paralelas do eixo geométrico rotacional longitudinal A-40 do alojamento de extremidade inferior 40. Os rasgos de chaveta de acionamento 76 ficam localizados e configurados de maneira tal que cada bolsa 76 receba a cabeça do rasgo de chaveta 64 em contato firme, mas facilmente deslizável, contra as faces de apoio laterais correspondentes 76B dos rasgos de chaveta de acionamento 76, quando a seção de extremidade 50 do eixo de acionamento 20 (com chavetas de acionamento 60 posicionadas em soquetes de chaveta de acionamento 54) é inserida na cavidade 70 da seção de soquete 44 de maneira a levar a superfície de apoio esférica convexa 52 da seção de extremidade 50 para contato com a superfície de apoio esférica côncava na parede de base 71 da seção de soquete 44.
[0051] Embora os rasgos de chaveta de acionamento 76 na modalidade mostrada na figura 5 tenham duas faces de apoio laterais 76B e, embora este arranjo possa ser conveniente com propósitos de fabricação, percebe-se que cada rasgo de chaveta de acionamento 76 exige somente uma face de apoio lateral 76B com propósitos de transferir o torque resultante da rotação do eixo de acionamento 20 somente em uma direção.
[0052] Referindo-se novamente às figuras 2 e 3, percebe-se que, quando a seção de extremidade 50 do eixo de acionamento 20 é inserida na cavidade 70, como supradescrito, o eixo geométrico A-20 do eixo de acionamento 20, eixo geométrico A-40 do alojamento de extremidade 40, e eixo geométrico de articulação da chaveta de acionamento A-60 interceptação no ponto central X, independente de qualquer deslocamento angular relativo θ entre os eixos geométricos A-20 e A-40, em uma faixa angular selecionada consistente com limites operacionais normais de motores de furo abaixo (tipicamente, mas não necessariamente limitado a um deslocamento angular máximo θ de três graus). Esta coincidência de eixos geométricos A-20, A-40 e A-60 é benéfica para impedir ou inibir o desenvolvimento de momentos de dobramento secundários no alojamento de extremidade 40 e outros componentes de motor de furo abaixo.
[0053] Com referência às figuras 6-9, percebe-se também prontamente que as faces de apoio de extremidade 66 de cabeças de chaveta de acionamento 64 permanecerão em contato jutos contra as faces de apoio laterais correspondentes 76B dos rasgos de chaveta de acionamento 76 independente de qualquer deslocamento angular θ (em uma faixa angular selecionada), como hastes 72 de chavetas de acionamento 60 rotacionarão dentro de seu respectivo soquete da haste 54 em resposta a tal deslocamento angular. Em decorrência disto, quando o eixo de acionamento 20 é rotacionado, o torque associado é transferido para o alojamento de extremidade 40 diretamente, continuamente e sem carga de choque, independente se os eixos geométricos A-20 e A-40 são coincidentes ou angularmente deslocados. Ao mesmo tempo, cargas de empuxo axial são transferidas diretamente do eixo de acionamento 20 para o alojamento de extremidade 40 - independente do ângulo entre os eixos geométricos A-20 e A-40 - através da interface de apoio esférica entre a superfície de apoio esférica convexa 52 e a superfície de apoio esférica côncava 74, sem exigir um mancal de empuxo esférico separado e discreto, como nos conjuntos de junta universal da tecnologia anterior.
[0054] Percebe-se facilmente que a presente invenção facilita a transferência de carregamentos de torque e empuxo significativamente maiores do que é possível com conjuntos de junta universal de eixo de acionamento da tecnologia anterior, sem aumento no diâmetro do alojamento do eixo de acionamento. A invenção atinge este resultado altamente benéfico primeiramente em virtude de incorporar integralmente um mancal de empuxo em cada extremidade do eixo de acionamento, eliminando assim o mancal de empuxo esférico discreto das juntas U da tecnologia anterior, e possibilitando prover uma área de contato do mancal de empuxo efetiva muito maior do que pode ser provida com um mancal de empuxo esférico discreto com as mesmas restrições dimensionais. Isto possibilita a transmissão de maiores cargas de empuxo axial com crescentes pressões de contato do mancal de empuxo.
[0055] Em segundo lugar, a configuração inovativa do eixo de acionamento e das chavetas de acionamento de transferência de torque da presente invenção possibilita prover uma maior área superficial de contato de transferência de torque total (isto é, o dobro da área de uma face de apoio da chaveta de acionamento 66) do que em conjuntos de junta U da tecnologia anterior. Além disso, os componentes de força resultantes líquidos das faces de apoio da chaveta de acionamento 66 agem em um braço de torque (isto é, a distância radial do eixo geométrico A-20 até o centro efetivo da face de apoio 66) significativamente maior que o braço de torque efetivo dos elementos de transmissão do torque em conjuntos da tecnologia anterior. Isto significa que as pressões de contato de transmissão do torque serão menores para uma dada carga de torque, ou maiores cargas de torque podem ser suportadas para uma dada pressão de contato de transmissão de torque. A configuração preceituada pela presente invenção facilita ainda mais a transferência de maiores carregamentos de torque em virtude de hastes da chaveta de acionamento 62 poderem ser facilmente dimensionadas para minimizar tensões de cisalhamento transversais que agem nelas, eliminando assim tais tensões de cisalhamento como um ponto de fraqueza potencial no conjunto.
[0056] Pelos motivos expostos, modalidades preferidas incorporarão precisamente duas chavetas de acionamento do tipo ilustrado nas figuras, em qualquer extremidade do eixo de acionamento. Entretanto, versados na técnica percebem facilmente que o escopo da presente invenção não está limitado ao uso de nenhum número ou tipo particular de elementos de transferência de torque. Modalidades alternativas podem usar quatro chavetas de acionamento do tipo ilustrado em cada extremidade do eixo de acionamento, com os eixos de articulação de cada par opostos de chavetas de acionamento sendo em ângulos retos uns com os outros e interceptando nos eixos geométricos longitudinais do eixo de acionamento. Pode-se demonstrar facilmente usando modelamento tridimensional que em ambas as variantes de duas chavetas e quatro chavetas, e as faces de extremidade de todas as cabeças de chaveta de acionamento permanecerão em contato de transferência de força efetivo com as faces laterais correspondentes dos rasgos de chaveta de acionamento nos alojamentos de extremidade, independente de qualquer ângulo entre os eixos geométricos longitudinais do eixo de acionamento e dos alojamentos de extremidade.
[0057] Em modalidades alternativas, embora menos preferidas, a transferência de torque pode ser provida por meio de elementos de transferência de torque esféricos como em juntas universais da tecnologia anterior. Embora a transferência de torque possa ser aquém da idealmente efetiva em tais modalidades, por motivos discutidos com relação a juntas universais da tecnologia anterior, essas modalidades alternativas, no entanto incorporarão os recursos benéficos da construção de mancal de empuxo preceituada pela presente invenção.
[0058] Em modalidades preferidas, um inserto de mancal concavamente esférico 80 pode ser incorporado na superfície de apoio esférica 74, mostrada nas figuras 2, 3 e 5, com o inserto de apoio 80 disposto e preso da maneira apropriada em uma bolsa de inserto correspondente 82 formada na parede de base 71 da seção de soquete 44 do alojamento de extremidade 40. O inserto de apoio 80 pode ser feito de um material diferente do corpo principal do alojamento de extremidade 40, para permitir o uso de um material particularmente adequado ou desejável em áreas sujeitas às maiores pressões de contato compressivas resultantes de cargas de empuxo axial, sem necessitar fazer o alojamento de extremidade completo desse material particular. O inserto de apoio 80 preferivelmente é feito ou incorpora um material que efetivamente reduzirá o coeficiente de atrito entre superfícies de apoio 52 e 74, e versados na técnica perceberão facilmente que muitos materiais conhecidos podem ser adequados com este propósito. Exemplos não limitantes de tais materiais incluiriam bronze, ligas de bronze, poliuretano e PTFE (isto é, politetrafluoretileno / politetrafluoreteno, ou Teflon®).
[0059] No conjunto do eixo de acionamento montado 10, o espaço nos rasgos de chaveta de acionamento 76 envolvendo cabeças de chaveta de acionamento 64 tipicamente e preferivelmente será empacotado com um lubrificante adequado para facilitar a articulação das hastes de chaveta de acionamento 62 nos seus respectivos soquetes de chaveta de acionamento 54 e facilitar o movimento de deslizamento das faces de extremidade da chaveta de acionamento 66 ao longo das faces laterais 76B dos rasgos de chaveta de acionamento 76. Preferivelmente, e como pode-se ver nas figuras 2 e 3, uma bota de fechamento no geral cilíndrica 90 (feita de borracha, neoprene ou outro material convenientemente flexível e quimicamente resistente) fica disposta em torno da junta de articulação entre o eixo de acionamento 20 e a seção do soquete 44 do alojamento de extremidade 40 para impedir que fluido de perfuração penetre nos rasgos de chaveta de acionamento 76 e contaminem o lubrificante aí presente. As extremidades da bota de fechamento 90 podem ser presas ou ancoradas no eixo de acionamento 20 e na seção do soquete 44, da maneira apropriada, usando qualquer dispositivo ou técnica conhecida pelos versados na técnica. A bota de fechamento 90 preferivelmente tem corrugações circunferenciais ou é de outra forma adaptada para facilitar a flexão da bota de fechamento 90 em resposta ao movimento de articulação do eixo de acionamento 20 em relação ao alojamento de extremidade 40, mantendo ainda uma vedação adequada para impedir a entrada de fluido de perfuração nos rasgos de chaveta de acionamento 76. Embora não ilustrado ou descrito com detalhes aqui, dispositivos de retenção também serão providos em associação com a junta de articulação entre o eixo de acionamento 20 e a seção do soquete 44 para impedir separação entre eles depois da montagem inicial e durante operação. Tal dispositivo de retenção pode ser provido em várias formas usando tecnologias conhecidas sem fugir do escopo da presente invenção.
[0060] Embora modalidades preferidas do conjunto de eixo de acionamento da presente invenção incorporem recursos de desenho e construção de junta universal de acordo com as descrições apresentadas em ambas extremidades do eixo de acionamento 20, modalidades alternativas podem incorporar tais recursos em apenas uma extremidade do eixo de acionamento 20, sem fugir do escopo da invenção.
[0061] Versados na técnica percebem facilmente que várias modificações da presente invenção podem ser concebidas sem fugir do conceito essencial da invenção, e todas tais modificações devem se enquadrar no escopo da presente invenção e das reivindicações anexas. Deve-se entender especialmente que a invenção não deve ser limitada às modalidades ilustradas, e que a substituição de uma variante de um elemento ou recurso reivindicado, sem nenhuma mudança resultante substancial no funcionamento da invenção, não constituirão um desvio do escopo da invenção.
[0062] Neste documento de patente, a palavra “compreendendo” é usada no seu sentido não limitante para significar que itens seguindo essa palavra são incluídos, mas itens não especificamente mencionados não são excluídos. Uma referência a um elemento pelo artigo indefinido “um” e “uma” não exclui a possibilidade de que mais de um elemento esteja presente, a menos que o contexto exija claramente que haja um e somente um tal elemento.
[0063] Na forma usada neste documento de patente, termos e frases relacionais tais como “paralelo”, “perpendicular”, “coincidente”, “interceptante”, “equidistante” e “correspondente a” não visam denotar ou exigir precisão matemática ou geométrica absoluta. Dessa maneira, tais termos devem ser entendidos denotando ou exigindo precisão substancial (por exemplo, “substancialmente paralelo”) a menos que o contexto exija claramente de outra forma.
Claims (7)
1. Conjunto de eixo de acionamento (10), compreendendo: (a) um eixo de acionamento (20) com uma primeira extremidade (24), uma segunda extremidade (22) e um eixo geométrico rotacional longitudinal (A-20), a primeira extremidade (24) sendo formada com uma superfície de apoio convexamente esférica integral (52); (b) um primeiro alojamento de extremidade (40) com um eixo geométrico rotacional longitudinal (A-40) e com uma superfície de apoio concavamente esférica (74), em que a superfície de apoio concavamente esférica casa e encaixa de forma deslizante com a superfície de apoio convexamente esférica (52) da primeira extremidade (24) do eixo de acionamento (20); e, (c) dispositivo para transferir torque do eixo de acionamento (20) para o primeiro alojamento de extremidade (40) quando a superfície de apoio convexamente esférica integral (52) da primeira extremidade (24) do eixo de acionamento (20) estiver em encaixe casado com a superfície de apoio concavamente esférica (74) do primeiro alojamento de extremidade (40), o dispositivo para transferir torque configurado para ser operacionalmente efetivo independente de qualquer deslocamento angular entre os eixos geométricos rotacionais (A-20, A-40) do eixo de acionamento (20) e do primeiro alojamento de extremidade (40), em uma faixa angular selecionada; em que: (d) o dispositivo para transferir torque compreende um par de primeiras chavetas de acionamento (60), cada uma das chavetas de acionamento (60) tendo uma cabeça da chaveta de acionamento (64); (e) cada primeira cabeça de chaveta de acionamento (64) tem uma face de extremidade plana (66); (f) o primeiro alojamento de extremidade (40) tem um par de primeiros rasgos de chaveta de acionamento (76), cada um dos primeiros rasgos de chaveta de acionamento (76) tendo uma face lateral (76B) orientada paralela ao eixo geométrico rotacional (A-40) do primeiro alojamento de extremidade (40); e, (g) cada primeira cabeça de chaveta de acionamento (64) fica disposta dentro de um dos primeiros rasgos de chaveta de acionamento (76), de maneira tal que a rotação do eixo de acionamento (20) em uma primeira direção rotacional impulsione a face de extremidade (66) de cada primeira cabeça de chaveta de acionamento (64) para contato de transferência de força contra a face lateral (76B) do primeiro rasgo de chaveta de acionamento (76) correspondente, com cada primeira cabeça de chaveta de acionamento (64) sendo deslizável dentro de seu primeiro rasgo de chaveta de acionamento (76) correspondente para acomodar variâncias angulares entre os eixos geométricos rotacionais (A-20, A-40) do eixo de acionamento (20) e o primeiro alojamento de extremidade (40), caracterizado pelo fato de que: (h) superfície de apoio convexamente esférica integral (52) se estende radialmente para dentro na primeira extremidade (24) do eixo de acionamento (20) para o eixo geométrico rotacional longitudinal (A-20) do eixo de acionamento (20); (i) superfície de apoio concavamente esférica (74) se estende radialmente para dentro para o eixo geométrico rotacional longitudinal (A-40) do primeiro alojamento de extremidade (40); e, as primeiras chavetas de acionamento (60) são montadas no eixo de acionamento (20) em seus lados opostos e são articuláveis em torno de um primeiro eixo geométrico de articulação (A-60) perpendicular e passando através do eixo geométrico rotacional (A-20) do eixo de acionamento (20).
2. Conjunto de eixo de acionamento (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada chaveta de acionamento (60) incorpora uma haste cilíndrica (62) disposta articuladamente dentro de um soquete da haste cilíndrica (54) correspondente no eixo de acionamento (20).
3. Conjunto de eixo de acionamento (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a superfície de apoio concavamente esférica (74) do primeiro alojamento de extremidade (40) incorpora um inserto de apoio (80).
4. Conjunto de eixo de acionamento (10) de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o inserto de apoio (80) compreende um material selecionado do grupo que consiste em bronze, ligas de bronze, poliuretano e PFTE.
5. Conjunto de eixo de acionamento (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: (a) o dispositivo para transferir torque compreende adicionalmente um par de segundas chavetas de acionamento (60), cada qual tendo uma cabeça da chaveta de acionamento (64), as segundas chavetas de acionamento (60) sendo montadas no eixo de acionamento (20) em seus lados opostos e em ângulos retos com o par de primeiras chavetas de acionamento (60), de maneira a ser articulável em torno de um segundo eixo geométrico de articulação (A-60) perpendicular e passando através do eixo geométrico rotacional (A-20) do eixo de acionamento (20); (b) cada segunda cabeça de chaveta de acionamento (64) tem uma face de extremidade plana (66); (c) o primeiro alojamento de extremidade (40) tem um par de segundos rasgos de chaveta de acionamento (76), cada qual tendo uma face lateral (76B) orientada paralela ao eixo geométrico rotacional (A-40) do primeiro alojamento (40); e, (d) cada segunda cabeça de chaveta de acionamento (64) fica disposta dentro de um dos segundos rasgos de chaveta de acionamento (76), de maneira tal que a rotação do eixo de acionamento (20) na primeira direção rotacional impulsiona a face de extremidade (66) de cada segunda cabeça de rasgo de chaveta de acionamento (64) para contato de transferência de força contra a face lateral (76B) do segundo rasgo de chaveta de acionamento (76) correspondente, com cada segunda cabeça de chaveta de acionamento (64) sendo deslizável dentro de seu segundo rasgo de chaveta de acionamento (76) correspondente para acomodar variações angulares entre os eixos geométricos rotacionais (A-20, A-40) do eixo de acionamento (20) e o primeiro alojamento de extremidade (40).
6. Conjunto de eixo de acionamento (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda extremidade (22) do eixo de acionamento (20) é formada com uma superfície de apoio convexamente esférica integral (52), e compreende adicionalmente: (a) um segundo alojamento (30) com um eixo geométrico rotacional longitudinal, e com uma superfície de apoio concavamente esférica configurada para encaixe casado deslizante com a superfície de apoio convexamente esférica (52) da segunda extremidade (22) do eixo de acionamento (20); e, (b) dispositivo para transferir torque do eixo de acionamento (20) para o segundo alojamento de extremidade (30) quando a superfície de apoio convexa (52) da segunda extremidade (22) do eixo de acionamento (20) estiver em encaixe casado com a superfície de apoio côncava do segundo alojamento de extremidade (30), o dispositivo para transferir torque sendo operacionalmente efetivo independente de qualquer deslocamento angular relativo entre os eixos geométricos rotacionais do eixo de acionamento (20) e o segundo alojamento de extremidade (30), em uma faixa angular selecionada.
7. Método para transferir uma carga de empuxo axial de um primeiro elemento rotativo alongado (20) para um segundo elemento rotativo (40), cada elemento rotativo (20, 40) tendo um eixo geométrico rotacional (A- 20, A-40), o método compreendendo as etapas de: (a) formar uma superfície convexamente esférica (52) em uma primeira extremidade (24) do primeiro elemento rotativo (20), com o ponto central geométrico da superfície convexamente esférica (52) disposto no eixo geométrico rotacional (A-20) do primeiro elemento rotativo (20); (b) formar o segundo elemento rotativo (40) com uma superfície concavamente esférica (74), a superfície concavamente esférica (74) tendo seu ponto central geométrico disposto no eixo geométrico rotacional (A-40) do segundo elemento rotativo (40) e tendo um raio correspondente ao raio da superfície convexamente esférica (52) do primeiro elemento rotativo (20), quando a superfície concavamente esférica (74) do segundo elemento rotativo (40) casa e encaixa de forma deslizante a superfície de apoio convexamente esférica (52) da primeira extremidade (24) do primeiro elemento rotativo (20); (c) montar o primeiro e segundo elementos rotativos (20, 40) com a superfície convexamente esférica (52) do primeiro elemento rotativo (20) em encaixe casado deslizante com a superfície concavamente esférica (74) do segundo elemento rotativo (40), e com os pontos centrais geométricos das superfícies convexamente esférica e concavamente esférica (52, 74) sendo coincidentes; (d) prover dispositivo para manter as superfícies convexamente e concavamente esféricas (52, 74) em encaixe casado deslizante independente de qualquer deslocamento angular entre os eixos geométricos rotacionais (A-20, A-40) do primeiro e segundo elementos rotativos (20, 40), em uma faixa angular selecionada; e, (e) prover dispositivo para transferir torque do primeiro elemento rotativo (20) para o segundo elemento rotativo (40) independentemente de qualquer deslocamento angular entre os eixos geométricos rotacionais (A-20, A-40) do primeiro e segundo elementos rotativos (20, 40); em que: (f) o dispositivo para transferir torque compreende um par de primeiras chavetas de acionamento (60) cada uma tendo uma cabeça de chaveta de acionamento (64); (g) cada primeira cabeça da chaveta de acionamento (64) tem uma face de extremidade planar (66); e, (h) o segundo elemento rotativo (40) tem um par de primeiros rasgos de chaveta de acionamento (76); (i) cada primeira cabeça de chaveta (64) está disposta dentro de um dos primeiros rasgos de chaveta de acionamento (76), de modo que a rotação do primeiro elemento rotativo (20) em uma primeira direção rotacional irá urgir a extremidade final (66) de cada primeira cabeça de chaveta de acionamento (64) em uma transferência de força em contato contra a face lateral (76B) do correspondente primeiro rasgo de chaveta de acionamento (76), com cada primeira cabeça de chaveta de acionamento (64) sendo deslizável dentro de seu correspondente primeiro rasgo de chaveta de acionamento (76) para acomodar variâncias angulares entre os eixos rotacionais (A-20, A-40) do primeiro e segundo elementos rotativos (20, 40); caracterizado pelo fato de que: o eixo rotacional (A-20) do primeiro elemento rotativo (20) intercepta a superfície convexamente esférica (52) da primeira extremidade (24) do primeiro elemento rotativo (20); e, o eixo rotacional (A-40) do segundo elemento rotativo (40) intercepta a superfície concavamente esférica (74) do segundo elemento rotativo (40).
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