ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 1997 года по МПК E21B10/22 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к шарошечным породоразрушающим инструментам для буровой скважины.

Известно буровое шарошечное долото с опорами типа АУ, уплотнения которых выполнены в виде резиновых колец, установленных в полости, образованной торцами большого подшипника скольжения и лапы и цилиндрическими поверхностями цапфы и шарошки [1]
Недостатком этого долота является низкая надежность уплотнения при повышенных частотах вращения и в условиях образования люфтов в результате износа подшипников опоры. При повышенных частотах вращения долота в контакте трения металл резина возникает высокая температура, вызывающая деструкцию резины и ее интенсивное изнашивание, которое приводит в конечном счете к разгерметизации опоры и ее отказу. Степенная зависимость скорости изнашивания рабочих поверхностей подшипников от удельной мощности трения обуславливает при повышенных частотах вращения ускоренный рост люфтов и локальный износ уплотнений, который ускоряет их отказ. Эти явления обусловили требования, согласно которым долота с опорами типа АУ можно экструдировать только при низких частотах вращения (см. РД-39-0148052-535-86, -М. ВНИИБТ, 1987).

Известно шарошечное долото, содержащее лапу с цапфой, шарошку, установленную на цапфе с помощью подшипников качения и скольжения, и узел герметизации, состоящий из установленной с натягом на царфе втулки между торцами подшипника скольжения и лапы с возможностью вращения относительно цапфы, и уплотнительного элемента, установленного в расточке шарошки между наружной поверхностью втулки и поверхностью расточки с возможностью взаимодействия с поверхностью лапы у основания цапфы [2] Такая установка уплотнительного элемента исключает его радиальное изнашивание. Оно изнашивается только по торцу.

Недостатком этого долота является то, что втулка установлена на цапфе с натягом и одновременно взаимодействует с торцовыми поверхностями радиального подшипника и лапы. Это приводит к значительному моменту трения о цапфу и торец лапы, к износу их поверхностей и нарушению герметичности. Кроме того, при изнашивании радиальных подшипников возникает и увеличивается эксцентриситет шарошки относительно оси цапфы и, соответственно, сила трения втулки относительно нижней стороны цапфы, что приводит к ее одностороннему износу и разгерметизации. Одновременно возрастает осевая сила и увеличивается трение и износ торцов втулки и лапы. При износе упорных и радиальных подшипников шарошка надвигается на цапфы и замещемляет не только втулку, но и уплотнительный элемент. Все это в совокупности приводит к низкой надежности долота.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности долота в условиях динамической работы его шарошек и образования шофтов в подшипниках его опор.

Указанная цель достигается тем, что в шарошечном долоте, содержащем лапу с цапфой, на которой с помощью подшипников, включающих радиальный и замковый подшипники, установлена шарошка с узлом герметизации в виде втулки, взаимодействующей с торцом радиального подшипника, и уплотнительного элемента, взаимодействующего с наружной поверхностью втулки и поверхностями расточки в шарошке и торца лапы, взаимодействующие с уплотнительным элементом поверхности втулки и расточки выполнены коническими с углом конуса втулки 25 35^o, который на 15 20^o превышает угол конуса расточки, а втулка изготовлена из антифрикционного материала с модулем упругости F_a, превышающим модуль упругости E материала уплотнительного элемента в 150 350 раз, и установлена на цапфе с предварительным радиальным зазором Δh не менее 0,10 мм, при этом основные параметры узла герметизации связаны выражением

где r радиус цапфы;
d диаметр уплотнительного элемента;
α и F угол конуса и площадь сечения втулки.

Обоснование углов конусов втулки, расточки, соотношение модулей упругости и зазора будет приведено ниже при описании работы устройства.

Такое выполнение долота позволит решить задачу надежной герметизации опор при повышенных частотах вращения в условиях образования значительных осевых и радиальных люфтов и создает новый эффект, который заключается в следующем. При сборке уплотнения часть радиальной нагрузки, создаваемой сжатием уплотнительного элемента, воспринимает на себя втулка за счет упругого ее деформирования в пределах радиального зазора, в результате чего существенно уменьшается трение в контакте втулка цапфа. При этом износ втулки компенсируется деформированием уплотнительного элемента в радиальном направлении. Кроме того, известно, что коэффициент трения пары антифрикционный материал на основе фторопласта сталь примерно в три раза ниже, чем коэффициент трения пары резина сталь. Все это существенно снижает нагрев и износ пары трения. Контактирование уплотнительного элемента с торцом лапы обеспечивает защиту пары трения втулка цапфа от попадания абразивной промывочной жидкости, что обуславливает незначительный износ пары трения. Предлагаемый углы конусов втулки и расточки в шарошке обеспечивают устойчивое вращение уплотнительного элемента и втулки вместе с шарошкой, необходимое прижатие уплотнительного элемента к торцу лапы и компенсацию его износа в пределах допустимого осевого износа опоры долота. При этом исключается возможность защемления уплотнения при осевом износе опоры и колебаниях шарошки относительно цапфы.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое долото отличается тем, что контактирующие с уплотнительным элементом поверхности втулки и расточки в шарошке выполнены коническими с обоснованными углами конусов, втулка выполнена из антифрикционного материала, модуль упругости которого превышает модуль упругости уплотнительного элемента в 150 350 раз и, наконец, тем, что втулка установлена на цапфе с предварительным зазором, который замыкается силовым воздействием уплотнительного элемента.

Таким образом, заявляемое уплотнение соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники (см. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник/ под общ. ред. А.И.Голубева и Л.А.Кондакова. М. Машиностроение, 1986, с. 171 175) показало, что углы герметизации, состоящие из силовых резиновых уплотнительных элементов и антифрикционных втулок успешно работают только при поступательном движении. Наши опыты с такими уплотнениями показали, что при вращательном движении наблюдается скольжение резинового элемента относительно втулки и катастрофическое изнашивание этой пары. Кроме того, в известных уплотнениях не предусмотрена защита пары трения металл втулка от контакта с абразивной средой. Решения, направленные на устранение этих явлений, и отличают предлагаемое решение от известных. Наиболее существенными отличительными признаками предлагаемого изобретения являются обоснованные величины конусности втулки и расточки в шарошке, а также установка втулки с предварительным зазором, обеспечивающие надежное вращение узла герметизации вместе с шарошкой и компенсацию износа трущихся поверхностей в условиях образования осевых и радиальных люфтов в опоре долота.

Такое выполнение узла герметизации долота и рациональный выбор его параметров обеспечивает высокую надежность опор в условиях повышенных частот вращения, что не обеспечивается существующими уплотнениями на основе пар трения сталь резина и сталь антифрикционный неметаллический материал. Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого долота критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена в разрезе часть шарошечного долота, где размещен узел герметизации его опоры и схема действия сил, создаваемых деформированным уплотнительным элементом, а на фиг. 2 показано положение втулки узла герметизации при снятом уплотнительном элементе.

Долото содержит лапу 1 с цапфой 2, шарошку 3, установленную на цапфе на подшипниках, включающих радиальный подшипник скольжения 4 и замковый подшипник 5. Узел герметизации состоит из втулки 6 и уплотнительного элемента 7 в виде резинового кольца круглого сечения. При сборке опоры в ней возникают за счет деформирования уплотнительного элемента 7 и втулки 6 следующие нагрузки: q_ш интенсивность силы, действующей на поверхность расточки в шарошке; q_л интенсивность силы, действующей на торец лапы; q_п - интенсивность силы, действующей на торце подшипника; q_ц интенсивность силы, действующей на поверхность цапфы. Интенсивность силы q внутренняя в узле герметизации. Она разложена на радиальную q_р и тангенциальную, составляющую q_т. На торце втулки 6 выполнены канавки А для гидравлического сообщения полости Б с внутренней полостью шарошки, где размещены подшипники. Подшипник скольжения 4 установлен на цапфе 2 с гарантированным зазором d. Для уменьшения момента трения на контакте цапфа 2 втулка 6 последняя выполнена из антифрикционного материала, например из фторопласта с наполнителем, и установлена с предварительным зазором Dh (см. фиг. 2), который замыкается интенсивностью силы q_ц, равной разности q_р q_у, где q_у интенсивность силы, обусловленная упругостью втулки при ее сжатии на величину зазора Δh.

Долото работает следующим образом.

При бурении за счет взаимодействия с забоем скважины шарошка 3 вращается относительно цапфы 2. Вместе с шарошкой за счет сил трения вращается уплотнительный элемент 7 и втулка 6, т.е. весь узел герметизации. За счет сжатия уплотнительного элемента 7 на величину Δd герметизируются контакты этого элемента с шарошкой 3 и с втулкой 6, а также втулки 6 с цапфой 2. За счет разности углов α и b уплотнительный элемент 7 прижимается к торцу лапы 1 и образует торцовое уплотнение, защищающее контакты втулки 6 с цапфой 2 и уплотнительным элементом 7 от абразивной промывочной жидкости. Вращение узла герметизации вместе с шарошкой обеспечивает равномерность изнашивания его элементов. В опорах типа АУ наиболее опасным является осевой износ опоры и появление осевых люфтов. При этом шарошка надвигается на цапфу, однако защемления уплотнительного элемента не произойдет, т.к. он будет смещаться в полость Б. Свободное смещение элемента обеспечивается гидравлическим сообщением канавками А полости Б с полостью опоры. К тому же, торцовый износ пары уплотнительный элемент торец лапы совпадают по направлению с осевым смещением, что в совокупности приводит лишь к незначительному увеличению момента трения по мере осевого износа опоры. При радиальном износе подшипников будет увеличиваться эксцентриситет оси вращения шарошки относительно цапфы. Этот эксцентриситет компенсируется натягом уплотнительного элемента Dd, как и в серийных опорах долот. Но в отличие от серийных долот момент трения при увеличении эксцентриситета возрастает незначительно, т.к. коэффициент трения сталь антифрикционный материал в 3 5 раз меньше, чем коэффициент трения сталь резина. Для исключения защемления уплотнения при осевом износе опоры длина втулки 6 выполняется не более ширины уплотнительного элемента (диаметра d кольца).

Для упрощения составления уравнений силы, действующие на элементы узла герметизации, шарошку, лапу и цапфу заменены их интенсивностями, т.е.

где q интенсивность силы;
P суммарная сила, приложенная к соответствующему элементу;
R_ср средний радиус узла герметизации

где R и r радиусы расточки в шарошке и цапфы соответственно (см. фиг. 2).

Зазор Δh должен с приемлемой надежностью обеспечить уменьшение трения втулки по цапфе. Его номинальная величина зависит от точности изготовления деталей. Принимаем ее равной точности изготовления подшипников скольжения. Гарантированный радиальный зазор δ для долот, выпускаемых АООТ "Волгабурмаш", имеет среднее квадратическое отклонение s 0,016 мм. Радиальный зазор Dh должен быть на порядок больше, чем среднее квадратическое отклонение, т.е.

Интервал возможных значений Δh составит

Принимаем Δh 0,10 0,20 мм, а его минимальное значение не менее 0,10 мм.

Задача 1. Обоснование угла α конуса втулки.

Из фиг. 1 нетрудно видеть, что вращение узла герметизации вместе с шарошкой будет обеспечено, если обеспечить вращение втулки 6 относительно оси цапфы. Наихудшие условия для такого вращения при q_л 0. Тогда условие вращения примет вид
M(q) + M(q_п) nM(q_ц),
где M(q), M(q_п) и М(q_ц) моменты трения, создаваемые интенсивностями сил q, q_п и q_ц соответственно;
n коэффициент запаса сцепления.

Принимаем n 3.

Различием радиуса действия сил и коэффициентов трения на поверхностях пренебрегаем, а интенсивность принимаем равной
q_ц q_р q_у,
где q_у интенсивность силы, возникающей при упругом деформировании втулки на величину Dh. Принимаем
q_у 0,5•q_р
тогда

Обозначим коэффициенты 0,5 и 0,66 буквой k. Тогда уравнение (1) примет окончательный вид с учетом, что q_п = q•sinα,
1 + sinα = k•n•cosα
решение уравнения (2) следующее

В соответствии с условием (2)
α = 23^°,
а в соответствии с условием (3)
α = 37^°.
Принимаем значения α в диапазоне 25 35^o.

Задача 2. Обоснование разности углов конусов втулки и расточки в шарошке.

Для обоснования устойчивого прижатия уплотнительного элемента к торцу лапы в соответствии со схемой действия сил на фиг. 2 необходимо, чтобы

где P_f меньшая сила трения уплотнительного элемента по шарошке или по втулке;
n₁ запас для обеспечения скольжения (n 1,25 1,50).

Решение уравнения (5) имеет вид
α-β = 2arctg(n₁•f).
Принимаем f 0,1, тогда
α-β = 14 ... 17^°.
Принимаем разность
α-β = 15 ... 20^°.
Задача 3. Обеспечение деформирования втулки на величину Δh и прижатия ее к цапфе, а также уточнение величины Δh.

Для прижатия втулки к цапфе и компенсации радиального износа этой пары трения принимаем

Тогда необходимый модуль упругости материала втулки Е определим по формуле (см. Расчет на прочность деталей машин. Справочник/ И.А.Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б.Иосилевич. М. Машиностроение, 1979, с. 391 397)

где F площадь сечения втулки (см. фиг. 2);

Для долот диаметром 215,9 мм: r 28 мм; F 5 мм² (из условия конструирования).

Сила интенсивности q создается резиновым уплотнительным элементом (кольцом) и может быть определена в соответствии с известными экспериментальными данными (см. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник/ Под общ. ред. А.И.Голубева и Л.А.Кондакова. М. Машиностроение, 1986, с. 112 115; Расчеты и конструирование резиновых изделий. В.А.Лепетов, Л.Н.Юрцев. Л. Химия, 1977, с. 236 237) по формуле

где в долотах принято ε 0,15;
E модуль упругости резины;
d диаметр сечения уплотнительного элемента.

После сборки долота величина q составит
q 0,091•d•E,
а формула (6) после преобразований примет вид

При средних значениях r 28 мм, d 5,33 мм, F 5 мм² и наименьших и наибольших значениях Δh 0,1 0,2 мм и α 25 35^o
E_а (150 350)•E.

В уплотнениях используются резины с модулем E 5 8 МПа, тогда
E_а 750 2800 МПа.

Эти значения E_а близки к модулям упругости композиционных материалов на основе фторопласта (см. кн. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник/ Под общ. ред. А.И.Голубева и Л.А.Кондакова. М. Машиностроение, 1986, с. 92).

После выбора материалов, a и сечения втулки следует рассчитать окончательную величину Dh

Предложенное выполнение узла герметизации шарошечного долота обеспечивает более надежную работу его опор при использовании недорогих материалов и простой технологии изготовления, что в конечном итоге не только увеличит долговечность долот, но и снизит стоимость бурения скважин.

Источники информации
1. Шарошечные долота и бурильные головки. Каталог. Изд. 5-е. П.И.Сопин, Р. М.Богомолов, Г.И.Матвеев, Ю.Г.Михайлин. М. ЦИНТИ химнефтемаш, 1985, с. 57 58.

2. А.с. СССР N 1298333, кл. E 21 B 10/22. Шарошечное долото. В.Н.Виноградов и др. Открытия. Изобретения, 1987, Бюл. N 11.

Использование: шарошечное долото относится к устройствам для бурения скважин. Сущность изобретения: в шарошечном долоте, содержащем лапу с цапфой, на которой с помощью подшипников, включающих радиальный и замковый подшипники, установлена шарошка с узлом герметизации в виде втулки, взаимодействующей с торцом радиального подшипника, и уплотнительного элемента, взаимодействующего с наружной поверхностью втулки и поверхностями расточки в шарошке и торца лапы; взаимодействующие с уплотнительным элементом поверхности втулки и расточки выполнены коническими с углом конуса втулки 25 - 35^o, который на 15 - 20^o превышает угол конуса расточки, а втулка изготовлена из антифрикционного материала с модулем упругости, превышающим модуль упругости из антифрикционного материала с модулем упругости, превышающим модуль упругости материала уплотнительного элемента, и установлена на цапфе с предварительным радиальным зазором не менее 0,1 мм, при этом основные параметры угла герметизации связаны аналитическим выражением. 2 ил.

Шарошечное долото, содержащее лапу с цапфой, на которой с помощью подшипников, включающих радиальный и замковый подшипники, установлена шарошка с узлом герметизации в виде втулки, взаимодействующей с торцом радиального подшипника, и уплотнительного элемента, взаимодействующего с наружной поверхностью втулки и поверхностями расточки в шарошке и торца лапы, отличающееся тем, что взаимодействующие с уплотнительным элементом поверхности втулки и расточки выполнены коническими с углом конуса втулки 25 35^o, который на 15 20^o превышает угол конуса расточки, а втулка выполнена из антифрикционного материала с модулем упругости Е_а, превышающим модуль упругости Е материала уплотнительного элемента в 150 350 раз, и установлена на цапфе с предварительным радиальным зазором Δh не менее 0,10 мм, при этом основные параметры узла герметизации связаны выражением

где r радиус цапфы, мм;
d диаметр уплотнительного элемента, мм;
α - угол конуса, град;
F площадь сечения втулки, мм².