ОПОРА ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА Российский патент 1998 года по МПК E21B10/22 

Изобретение относится к породоразрушающему буровому инструменту, а именно к шарошечным долотам для бурения скважин различного назначения, например нефтепромысловых или геологоразведочных.

Известна опора шарошечных долот с периферийным опорным подшипником скольжения, содержащим направленный на цапфу твердый сплав, и замковым шариковым подшипником. К недостатку данной конструкции можно отнести недостаточный подвод смазки к подшипникам опоры при длительной интенсивной нагрузке на долото.

Цель изобретения - повышение долговечности опоры за счет улучшения подвода смазочного материала к подшипникам опоры.

Указанная цель достигается тем, что опора шарошечного долота включает шарошку и цапфу лапы с замковым шариковым подшипником, твердосплавную пяту на торце цапфы и периферийный опорный подшипник скольжения, содержащий наплавленный на цапфу твердый сплав. Наплавление твердого сплава на опорный подшипник скольжения выполнено в виде сегментов, разделенных канавками. При этом сегмент, наплавленный между буртами лапы и замкового подшипника и расположенный на максимальном удалении от оси долота, имеет длину по дуге окружности цапфы в интервале 90 - 120^o, а общее число сегментов, расположенных на оставшейся длине окружности цапфы, составляет не менее трех. Данные сегменты прилегают поочередно к бурту лапы и бурту замкового подшипника с оставлением канавки у противоположного бурта. В бурте замкового подшипника выполнены пазы, являющиеся продолжением разделительных канавок между сегментами, а на пяте выполнена как минимум одна канавка, расположенная по хорде пяты.

На фиг. 1 изображен общий вид опоры; на фиг. 2 - узел А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - вид Г на фиг. 2; на фиг. 6 - разрез Д-Д на фиг. 5; на фиг. 7 - разрез Е-Е на фиг. 2.

Опора шарошечного долота имеет следующую конструкцию. На цапфе 1, составляющей единое целое с лапой 2, монтируется с помощью блока подшипников шарошка 3 с породоразрушающими зубками 4. Блок подшипников включает шариковый замковый подшипник 5, периферийный большой опорный подшипник скольжения 6 и малый подшипник скольжения 7.

Опора долота герметизирована. Смазка подается в опору из смазочного узла, включающего заполненный смазкой резервуар (лубликатор) 8, диафрагму 9, каналы 10, 11 для подвода смазки к подшипникам и сальниковое уплотнение 12.

Шариковый подшипник имеет беговую дорожку 13, ограниченную буртами 14 и 15. Большой опорный подшипник скольжения содержит наплавленный на цапфу слой твердого сплава (например, сплав 3В14К-Б, стеллит и др.). Твердый сплав наплавлен на цапфу между буртом 14 шарикового подшипника и буртом 16 лапы в виде сегментов. Наибольший по размерам сегмент распложен на максимальном удалении от оси долота и имеет длину по дуге окружности цапфы в интервале 90 - 120^o. При этом твердый сплав в данном сегменте 17 наплавлен на цапфу между буртами 14 и 16 сплошным слоем по всей длине окружности цапфы в интервале 90 - 120^o.

Число меньших по размеру сегментов 18, расположенных на оставшейся длине окружности цапфы, составляют не менее трех. Данные сегменты направляются на цапфу с прилеганием поочередно к бурту 14 подшипника и бурту 16 лапы и с оставлением канавок 19 вдоль противоположного бурта. Сегменты 17 и 18 на цапфе разделены поперечными канавками 20, являющимися продолжением канавок 19. В бурте 14 замкового подшипника выполнены пазы 21, являющиеся продолжение поперечных разделительных канавок 20 между сегментами 17 и 18.

На торцовую поверхность (пяту) 22 цапфы между буртом 15 замкового подшипника и малым подшипником скольжения 7 также наплавлен слой твердого сплава. При этом по хорде торцовой поверхности (пяты) 22 выполнена как минимум одна канавка 23, расположенная по хорде пяты.

Опора долота работает следующим образом. В процессе бурения скважины диафрагма 9 обеспечивает проталкивание смазки из резервуара 8 через каналы 10, 11 к опорному узлу долота, защищенному сальниковым уплотнением 12. Через канал 11, выходящий в разделительную канавку 20 между твердосплавными сегментами 18, смазочный материал подается в большой опорный подшипник в зазор между цапфой и внутренней стенкой шарошки.

Ввод смазки в разделительную канавку 20 с дальнейшим перетеканием в канавки 19 позволяет в любых условиях бурения обеспечить наличие смазочного материала в полости большого опорного подшипника скольжения 6, воспринимающего основное действие осевых нагрузок. Основным условием для повышения стойкости данного подшипника является уменьшение коэффициента трения скольжения за счет наличия пленки смазочного вещества между цапфой и внутренней поверхностью шарошки. При бурении происходит нагружение элементов опоры долота, смазка выжимается из опорного подшипника скольжения, возникают разрывы пленки смазочного вещества. Это крайне негативно сказывается на долговечности работы опоры и долота в целом.

Наличие смазки в продольных 19 и поперечных 20 канавках между твердосплавными сегментами опорного подшипника скольжения позволяет улучшить ее подвод к твердосплавным сегментам 18 и наиболее нагруженному сегменту 17. Длина сегмента 17 в интервале 90 - 120^o по дуге окружности цапфы основана на экспериментальных данных и определяется оптимизацией процессов нагружения и подвода смазочных материалов к данному сегменту. Наплавление твердого сплава на цапфу в данном наиболее нагруженном сегменту 17 производится сплошным слоем между буртами 14 и 16 по всей длине сегмента. Это позволяет уменьшить вероятность поломки и истирания буртов под действием критических нагрузок. Число сегментов 18, расположенных на оставшейся длине окружности (не менее трех), а также их расположение с прилеганием поочередно к бурту 16 лапы и бурту 14 замкового подшипника и с оставлением канавки у противоположного бурта, также определяется условиями равномерного распределения нагрузок и смазки в опорном подшипнике.

Далее смазочный материал из разделительных канавок в полости опорного подшипника 6 через пазы 21 в бурте попадает в полость замкового подшипника 5. Движение тел качения - шариков при вращении долота способствует перераспределению смазки в шариковом подшипнике, а наличие пазов 21 обеспечивает ее подвод в замковый подшипник и перенос обратно в опорный подшипник, т.е. циркуляцию в достаточном объеме. В дальнейшем при работе долота часть смазки через бурт 15 подводится к твердосплавной поверхности (пяте) 22 цапфы. Наличие на пяте как минимум одной канавки 23 расположенной по хорде пяты, способствует аккумулированию и лучшему подводу и распределению смазочного материала как по поверхности самой пяты, так и в малом подшипнике скольжения 7.

Выполнение опорного подшипника скольжения в виде сегментов, а также наличие системы каналов и пазов для подвода смазочного материала к фрикционным поверхностям позволяет обеспечить интенсивный подвод и циркуляцию смазки в опорном узле и обеспечить за счет этого повышение стойкости как самой герметизированной опоры, так и долота в целом.

Использование: в горной промышленности для бурения скважин различного назначения. Сущность изобретения: опора шарошечного долота включает шарошку и цапфу лапы с замковым шариковым подшипником, твердосплавной пятой на торце цапфы и периферийным опорным подшипником скольжения, содержащим направленный на цапфу твердый сплав. Наплавление твердого сплава на опорный подшипник скольжения выполнено в виде сегментов. Сегмент, наплавленный между буртами, имеет длину по дуге окружности цапфы в интервале 90 - 120^o. Общее число сегментов, расположенных на оставшейся длине окружности цапфы, составляет не менее трех. Сегменты прилегают поочередно к буртам с оставлением канавок у противоположных буртов. В бурте подшипника выполнены пазы как продолжение канавок. На пяте выполнена как минимум одна канавка, расположенная по хорде пяты. Конструкция опоры позволяет повысить полговечность опоры за счет улучшения подвода смазочного материала к подшипникам опоры. 7 ил.

Опора шарошечного долота, включающая шарошку и цапфу лапы с замковым шариковым подшипником, твердосплавной пятой на торце цапфы и периферийным опорным подшипником скольжения, содержащим наплавленный на цапфу твердый сплав, отличающаяся тем, что наплавление твердого сплава на опорный подшипник скольжения выполнено в виде сегментов, разделенных канавками, причем сегмент, наплавленный между буртами лапы и замкового подшипника и расположенный на максимальном удалении от оси долота, имеет длину по дуге окружности цапфы в интервале 90 - 120^o, а число сегментов, расположенных на оставшейся длине окружности цапфы составляет не менее трех, при этом данные сегменты прилегают поочередно к бурту лапы и бурту замкового подшипника с оставлением канавки у противоположного бурта, кроме того, в бурте замкового подшипника выполнены пазы, являющиеся продолжением разделительных канавок между сегментами, а на пяте выполнена как минимум одна канавка, расположенная по хорде пяты.