УПЛОТНЕНИЕ ОПОРЫ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА Российский патент 1997 года по МПК E21B10/24 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к шарошечным долотам и бурильным головкам для бурения скважин.

Известно торцовое уплотнение опоры в виде резинометаллической манжеты, установленное с осевым натягом в полости, образованной расточкой в шарошке, цилиндрической поверхностью упорного бурта лапы и ее торцовой поверхностью [1]
Недостатками этого уплотнения являются его большой радиальный размер, обуславливающий применение подшипников уменьшенного диаметра по сравнению с негерметизированными долотами, и возможность его нерасчетного вращения вместе с шарошкой, которое в условиях образования люфтов и перекоса оси шарошки относительно оси цапфы приводит к разрушению металлического остова, к нарушению герметизации и отказу опоры. Все это обусловливает недостаточную долговечность уплотнения и опоры в целом (см. Жулаев В.П. Попов А.Н. Влияние перекоса шарошки на работоспособность уплотнительной манжеты опоры долота. - Изв. вузов. Нефть и газ, 1983. N 9. С. 75 78).

Известно торцовое уплотнение опоры шарошечного долота, включающее взаимодействующее с упорным торцом бурта лапы эластичное кольцо, размещенное с натягом в полости, образованной расточкой в шарошке и жесткой втулкой, установленной с радиальными зазорами относительно цапфы и шарошки и с осевым зазором относительно торца подшипника опоры [2] Радиальный размер сечения этого уплотнения в 1,8 раза меньше, чем радиальный размер сечения резинометаллической манжеты (для долот диаметром 215,9 мм), в расчетном режиме работы оно вращается вместе с шарошкой и нечувствительно к перекосам и радиальным перемещениям оси шарошки относительно оси цапфы.

Недостатком этого уплотнения является недостаточная его долговечность из-за его высокой жесткости в осевом направлении, не обеспечивающей безотказную работу уплотнения при осевых перемещениях шарошки относительно цапфы, из-за наличия острых кромок на периферии упорного бурта лапы, из-за повреждения втулкой его контактной поверхности, а также из-за попадания в полость размещения эластичного кольца продуктов износа опоры, особенно опоры с радиальными подшипниками качения.

Целью настоящего изобретения является повышение долговечности уплотнения и опоры в целом в условиях образования осевых и радиальных люфтов и перекоса оси шарошки относительно оси цапфы по мере износа подшипников.

Указанная цель достигается тем, что в уплотнении опоры шарошечного долота, включающем взаимодействующее с торцом упорного бурта лапы эластичное кольцо, размещенное с натягом в полости, образованной расточкой в шарошке и жесткой втулкой, установленной с радиальными зазорами относительно цапфы и шарошки и с осевым зазором относительно торца подшипника опоры, эластичное кольцо установлено с предварительным радиальным натягом 0,08 и основным осевым натягом до 0,30 диаметра его сечения в полости, суженной за счет двухступенчатой расточки в шарошке с уступом между ступенями в виде фаски под углом 35-55^o и с отношением ширины полости против второй и первой ступеней расточки от 0,5 до 0,8, кромка прилегающего к эластичному кольцу бурта лапы скруглены радиусом r, равным r (10-14)•s², где s радиальный зазор между упорным буртом лапы и шарошкой, а наружная поверхность втулки снабжена бортами высотой, равной предварительному радиальному натягу эластичного кольца, охватывающими его без зазора в состоянии предварительного радиального натяга, и ребордой, отделяющей полость размещения эластичного кольца от полости опоры, при этом длина цилиндрической поверхности втулки выполнена из условия равенства площадей сечения эластичного кольца номинального диаметра минус допуск на его изготовление и этого же кольца в рабом состоянии при условии касания его с торцом реборды.

Выполнением поверхности расточки в шарошке двухступенчатой и подбором угла наклона ступени и соотношения поперечных размеров полости против ступеней достигается кратно большее осевое перемещение шарошки относительно цапфы, чем деформация эластичного кольца. Скругление кромки упорного бурта лапы исключает подрезание эластичного кольца и его защемление при радиальных и угловых перемещениях шарошки относительно цапфы. Наличие бортов на наружной поверхности втулки обеспечивает ее фиксированное положение относительно эластичного кольца и не допускает контакта торца втулки с торцом упорного бурта лапы при осевом смешении шарошки от лапы. Наличие реборды на втулке и подбор длины ее цилиндрической части позволяют защитить эластичное кольцо от продуктов износа подшипников и исключить прижатие торца втулки к торцу упорного бурта при осевом смещении шарошки к лапе.

Предложенные угол фаски и соотношение поперечных размеров полости зависят от твердости резины или другого эластичного материала кольца. С увеличением твердости угол фаски уменьшается, а соотношение размеров полости увеличивается.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое уплотнение отличается от него тем, что взаимодействующая с эластичным кольцом поверхность расточки в шарошке выполнена двухступенчатой с уступом между ступенями в виде фаски, образующей промежуточную коническую поверхность, кромка упорного бурта лапы скруглена обоснованным радиусом, а наружная поверхность втулки снабжена двумя бортами и ребордой. 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 показало, что существенными отличиями предлагаемого изобретения являются двухступенчатое выполнение полости размещения эластичного кольца торцового уплотнения с промежуточным уступом в виде фаски с обоснованными геометрическими параметрами, скругление кромки поверхности, взаимодействующей с эластичным кольцом обоснованным радиусом и выполнение втулки с двумя бортами и ребордой. Такая конструкция уплотнения обеспечивает его высокую долговечность не только в условиях радиальных и угловых перемещений вращающейся детали относительно неподвижной, но и в условиях их относительных осевых перемещений в пределах допустимого износа подшипников, что не обеспечивается существующими уплотнениями. Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого уплотнения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведено в разрезе предлагаемое уплотнение для опор с радиальными подшипниками качения. На фиг. 2 показано положение уплотнения в шарошке перед установкой его на цапфу при сборке опоры. На фиг. 3 приведен упрощенный вариант уплотнения для опор с радиальными подшипниками скольжения. На фиг. 4 показаны деформированные характеристики прототипа (кривые 1 и 1'), резинометаллической манжеты (кривые 2 и 2') и предлагаемого уплотнения (кривые 3 и 3') для долот диаметром 215,9 мм при использовании серийных резинометаллической манжеты и резинового кольца круглого сечения диаметром d 5,33 мм. Кривые 1, 2, 3 получены при нагружении уплотнения, а кривые 1', 2', 3' при разгрузке уплотнения. На фиг. 5 показаны зависимости силы прижатия F предлагаемого уплотнения к торцу упорного бурта лампы от относительной ширины полости b₀ против второй ступени расточки при двух постоянных значениях h и при Φ 45^o.

Уплотнение (см. фиг. 1) включает эластичное кольцо 1 круглого сечения диаметром d и металлическую втулку 2, установленные в полости между торцами упорного бурта лапы 3 и подшипника 4, образованной двухступенчатой расточкой в шарошке 5 и поверхностью цапфы 6. Металлическая втулка 2 установлена с радиальными зазорами s₁ относительно цапфы и s₂ относительно шарошки и с осевыми зазорами c₁ относительно торца подшипника и c₂ относительно торца упорного бурта лапы и удерживается от осевого смещения эластичным кольцом, взаимодействующим с бортами высотой k, ограничивающими поверхность длиной l на втулке. Эластичное кольцо установлено в полости между поверхностями расточки в шарошке и втулкой с предварительным радиальным натягом Dd (см. фиг. 1) и с осевым натягом h (см. фиг. 2). Поверхность расточки в шарошке двухступенчатая. Первая ступень длиной a₁, вторая ступень длиной a₃. Уступ между ступенями выполнен в виде фаски длиной a₂ под углом Φ. Между упорным буртом лапы и шарошкой имеется радиальный зазор s, а кромка бурта скруглена радиусом r. Зазор s₁ может быть получен как за счет проточки на цапфе (см. фиг. 1), так и за счет соответствующего увеличения диаметра втулки (см. фиг. 3).

Уплотнение работает следующим образом. В процессе бурения шарошка 5 вместе с эластичным кольцом 1 и втулкой 2 вращаются относительно цапфы 6, при этом шарошка совершает радиальные, угловые и осевые колебания относительно цапфы. Наличие зазоров s₁ и s обеспечивают радиальное смещение шарошки, а так как s₁>s, то эластичное кольцо 1 при этом практически не деформируется. При угловых колебаниях шарошки происходит неравномерная деформация эластичного кольца в осевом направлении, которая компенсируется возможностью перемещения втулки относительно шарошки в пределах зазоров c₁ и s₂. В нормальных условиях работы имеет место постепенное надвигание шарошки на цапфу из-за износа подшипников и торцовых поверхностей трения пары эластичное кольцо 1 и торцы упорного бурта 3, что приводит к взаимной компенсации и к незначительному изменению натяга h (см. фиг. 2). В случае возникновения осевых колебаний шарошки, которые обусловлены также износом подшипников и поперечными колебаниями долота из-за его плохого центрирования в скважине, герметизация опоры обеспечивается в пределах допустимого для данного типоразмера долота осевого люфта, который определяет выбор натяга h и зазора c₁. А это, в свою очередь, предупреждает защемление уплотнения в осевом направлении. При радиальном смещении шарошки изменяется ширина зазора s₃ и периферийная часть эластичного кольца 1 перемещается относительно кромки упорного бурта 3. Для предупреждения защемления этой части эластичного кольца в зазоре s₃ и его подрезания названной кромкой последняя скруглена радиусом r (см. фиг. 1). Реборда на втулке 2 и ее цилиндрическая часть отделяют плотность установки эластичного кольца от полости опоры и защищают эластичное кольцо от крупных частиц продуктов износа опоры. В случае использования уплотнения в опорах с радиальным подшипником скольжения 4 (см. фиг. 3) реборда на втулке 2 может отсутствовать. При этом зазор c₂ обеспечивается только взаимодействием буртов втулки с эластичным кольцом. При значительных осевых колебаниях шарошки относительно цапфы от расчетного среднего положения возможен кратковременный контакт втулки с торцом упорного бурта лапы, а потому на торце втулки 2 следует выполнить смазочные канавки 7 (см. фиг. 3).

Геометрические характеристики уплотнения получены следующим образом. Из условия сборки назначаются глубины DR проточки в шарошке, не менее 0,06 d, и предварительный натяг Δd из условия начального радиального сжатия кольца, равного Δd 0,05 d (см. Лепетов В.А. Юрцев Л.Н. Расчеты и конструирование резиновых изделий. -Л. Химия, 1977. С. 236 238). В этой же работе приведена формула для расчета площадей контакта кольца, из которой следует что величина
l = (2•Δd + 0,15d). (1)
Высота буртов h принята нами равной Δd, тогда касательные к огибающей сечения кольца пройдут под углом около 30^o (см. фиг. 2). Собранный узел герметизации (кольцо 1 и втулка 2) вписываются в полости первой ступени расточки что, огибающая сечения кольца касается конической поверхности (фаски) уступа, выполненного под углом Φ (см. фиг. 2). В прототипе этот угол 90^o, а b₂ c₂. В этом случае уплотнение в осевом направлении весьма жесткое (см. фиг. 4, кривые 1 и 1'). В качестве базовой принята деформационная характеристика серийного торцового уплотнения - резинометаллической манжеты (см. фиг. 4, кривые 3 и 3'). Область гарантированного натяга показана штриховкой. Из фиг. 4 видно, что эта область шире, чем область деформирования, обеспечиваемая уплотнением прототипа. А это значит, что в существенных конструкциях опор это уплотнение не обеспечивает их работу даже при отсутствии износа.

Минимально необходимая сила прижатия уплотнения F_min определяется из условия предупреждения раскрытия уплотнения при спуске долота в скважину и минимального значения гарантированного натяга, как показано на фиг. 4, т.е. по величине h_бmin находим F_бmin (б индекс базового уплотнения). Сопротивление раскрытию уплотнения тем больше, чем больше ширина сечения уплотнения, т.е.

где b ширина сечения предлагаемого уплотнения, равная диаметру эластичного кольца;
b_б ширина сечения базового уплотнения. Для рассматриваемого примера 1,8 тогда

По величине F_min находится величина минимального натяга h_min. Величина h_min не должна быть меньше ожидаемого перемещения шарошки от цапфы в пределах допустимого износа подшипников. Приняв ширину области гарантированного натяга Δh такой же, как и для базового уплотнения, найдет величину h_max. Величина h_max составляет 0,2-0,3 диаметра сечения эластичного кольца. Области гарантированных натягов базового и предлагаемого уплотнений показаны штриховкой (см. фиг. 4). Области правее и левее заштрихованных представляют собой запас на увеличение осевого люфта опор при их износе.

Уменьшая угол Φ от 90^o и менее добиваемся, чтобы кривая 3 предлагаемого уплотнения прошла через точку M (h_min, F_min). Этому условию удовлетворяет угол в диапазоне 35-55^o в зависимости от h_min и твердости резины. В рассматриваемом случае v 45^o. Но при этом зависимость F от h вогнутая, тогда как эта зависимость у базового уплотнения выпуклая. Для преобразования зависимости F от h предлагается выполнить вторую ступень расточки, а в качестве характеристики принять ее относительную величину b₀

где b₁ ширина полости против первой ступени расточки, мм;
b₂ ширина полости против второй ступени расточки, мм (см. фиг. 1).

Зависимость F от b₀ при h h_min (кривая 1) и при h h_max (кривая 2) приведены на фиг. 5, из которой видно, что при h const сила F сначала не зависит от b₀, а затем монотонно уменьшается. По величинам F_min и F_max определяем диапазон желаемого значения b₀. Для конкретного уплотнения принимаем среднее значение диапазона b_0c. Величины сил F_min и F_max при этом значении b₀ b_0c показаны точками. А полные зависимости F от h приведены на фиг. 4 (кривые 3 и 3'). Следует отметить, что при увеличении b₀ быстро растет гистерезис зависимостей F от h. В целом же для эластичных колец различного диаметра и твердости резины b_0c находится в интервале 0,5-0,8.

Длину цилиндрической части втулки 2 (размер А) (см. фиг. 1) предлагается определять из условия равенства площадей сечения эластичного недеформированного кольца и деформированного кольца при минимальной величине натяга и при условии c₂ 0. При этом диаметр кольца принят равным номинальному минус допуск на его изготовление, и в деформированном состоянии кольцо касается торца реборды, как показано на фиг. 1.

Испытания уплотнений на износ показывают, что имеет место подрезание эластичного кольца кромкой упорного бурта. Скругление кромки существенно снижает этот эффект.

При поступательном движении шарошки относительно цапфы и наличии избыточного давления в полости шарошки уплотнение увлекается в зазор s (см. фиг. 1). При этом максимальные напряжения τ имеют место на кромке упорного торца

где k коэффициент пропорциональности. Формула (2) записана на основании данных, приведенных в справочнике (см. Кондаков Л.А. и др. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник. М. Машиностроение, 1986. С. 112 - 127). При этом оптимальными являются зазоры s 0,10-0,12 мм, а радиусы скругления r 0,1-0,2 мм. В долотах применяются зазоры, кратно большие, что требует соответствующей корректировки радиуса скругления. Приняв приведенные выше данные в качестве базовых можно записать

тогда

Подставив базовые значения r_б, s_б и приняв d d_б, получим
r (10-14)•s².

Источники информации
1. Спивак А.И. Попов А.Н. Разрушение горных пород при бурении скважин: Учебник для вузов. М. Недра, 1994. С. 191 196.

2. А. с. СССР N 1808969, кл. E 21 B 10/24. Уплотнение опоры шарошечного долота. А.Н.Попов и др. Открытия, Изобретения, 1993, Бюл. N 14 (прототип).

Использование: уплотнение опоры шарошечного долота относится к породоразрушающему инструменту, а именно к шарошечным долотам и бурильным головкам для бурения скважин. Сущность изобретения: уплотнение опоры шарошечного долота включает взаимодействующее с торцом упорного бурта лапы эластичное кольцо, размещенное с натягом в полости, образованной расточкой в шарошке и жесткой втулкой, установленной с радиальными зазорами относительно цапфы и шарошки и с осевым зазором относительно торца подшипника опоры. Эластичное кольцо установлено с предварительным радиальным натягом 0,08 и основным осевым натягом до 0,3 диаметра его сечения в полости, суженной за счет двухступенчатой расточки в шарошке с уступом между ступенями в виде фаски под углом 35-55^o и с отношением ширины полости против второй и первой ступеней расточки от 0,5 до 0,8. Кромка прилегающего к эластичному кольцу бурта лапы скруглены радиусом r, равным r = (10-14)•s², где s - радиальный зазор между упорным буртом лапы и шарошкой, а наружная поверхность втулки снабжена бортами высотой, равной предварительному радиальному натягу эластичного кольца, охватывающими его без зазора в состоянии предварительного радиального натяга, и ребордой, отделяющей полость размещения эластичного кольца от полости опоры. Длина цилиндрической поверхности втулки выполнена из условия равенства площадей сечения эластичного кольца номинального диаметра минус допуск на его изготовление и этого же кольца в рабочем состоянии при условии касания его с торцом реборды. 5 ил.

Уплотнение опоры шарошечного долота, включающее взаимодействующее с торцом упорного бурта лапы эластичное кольцо, размещенное с натягом в полости, образованной расточкой в шарошке и жесткой втулкой, установленной с радиальными зазорами относительно цапфы и шарошки и с осевым зазором относительно торца подшипника опоры, отличающееся тем, что эластичное кольцо установлено с предварительным радиальным натягом 0,08 и основным осевым натягом до 0,30 диаметра его сечения в полости, суженной за счет двухступенчатой расточки в шарошке с уступом между ступенями в виде фаски под углом 35 55^o и с отношением ширины полости против второй и первой ступеней расточки 0,5 0,8, кромка прилегающего к эластичному кольцу бурта лапы скруглена радиусом r, равным r (10 14) • S², где S - радиальный зазор между упорным буртом лапы и шарошкой, а наружная поверхность втулки снабжена бортами высотой, равной предварительному радиальному натягу эластичного кольца, охватывающими его без зазора в состоянии предварительного радиального натяга, и ребордой, отделяющей полость размещения эластичного кольца от полости опоры, при этом длина цилиндрической поверхности втулки выполнена из условия равенства площадей сечения эластичного кольца номинального диаметра минус допуск на его изготовление и этого же кольца в рабочем состоянии при условии касания его с торцом реборды.