ОСЕВОЙ МНОГОРЯДНЫЙ ПОДШИПНИК ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F16C19/10 

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к осевым многорядным опорам забойных двигателей.

Известны осевые многорядные подшипники гидравлических забойных двигателей, выполненные по типу стандартного шарикоподшипника с наружными и внутренними разъемными кольцами [1 с.70, рис.1] и включающие в себя 15 и более рядов. Известны осевые многорядные подшипники используются в независимых осевых опорах турбинных секций и в шпиндельных секциях.

Недостатком известного осевого многорядного подшипника является небольшая долговечность опор качения за счет неравномерного распределения осевой нагрузки по рядам таких подшипников. К неравномерному распределению осевой нагрузки по рядам подшипника приводит совместное влияние трех видов деформаций: деформации сжатия проставочных колец, деформации изгиба и контактные деформации шаров и рабочих колец. Причем контактные деформации шаров и рабочих колец имеют нелинейную зависимость от осевой нагрузки в отличие от других видов деформаций и являются определяющим фактором, отражающим неравномерное распределение осевой нагрузки по рядам.

Во ВНИИ подшипниковой промышленности был предложен способ комплектования многорядных подшипников [2], который заключается в подшлифовке торцов каждого ряда под определенной нагрузкой. При таком комплектовании каждый ряд подшипника будет воспринимать часть осевой нагрузки, но только при постоянном осевом усилии.

Известен также прием, заключающийся в установке между подшипниками дистанционных колец определенной высоты или подборе дистанционных колец подшипников [2]. Известны также осевые многорядные подшипники электробуров, состоящие из отдельных блоков, каждый из которых включает в себя стандартный шарикоподшипник упорный однорядный, оснащенный внутренней и внешней Г-образной обоймами, с расположенными по торцовым поверхностям обойм упругими элементами, причем каждый блок работает по параллельной схеме относительно всей осевой многорядной опоры и воспринимает действующую осевую нагрузку в одном направлении либо сверху вниз [3, 118 рис.58, с.123 рис.62] либо снизу вверх, если узел осевой опоры перевернуть на 180°. За счет изменения жесткости внешней Г-образной обоймы удается осуществить “равномерное” распределение общей осевой нагрузки по трем-четырем рядам-блокам, работающим по параллельной схеме, но обеспечить точного равномерного распределения осевой нагрузки по рядам не позволяют контактные деформации шаров и рабочих колец, которые имеют явно нелинейную зависимость [см. 1, стр.71].

Целью изобретения является равномерное распределение осевой нагрузки по блокам и повышение моторесурса осевого многорядного подшипника, а также восприятие значительных осевых нагрузок переменного направления.

Указанная цель достигается тем, что осевой многорядный подшипник забойного двигателя выполнен в виде блоков, в каждом из которых установлены два подшипника упорных симметрично, относительно внутренней обоймы, причем с одной стороны нижний подшипник опирается на внешнюю Г-образную обойму, оснащенную со стороны торцевой поверхности упругими элементами, а с другой стороны верхний подшипник закрыт подпятником, который также оснащен с торцевой поверхности упругими элементами и жестко зафиксирован относительно внешней обоймы, причем величина осевого усилия, при котором происходит фиксирование подпятника, различна и определяется с учетом получения равных осевых усилий в каждом ряду осевого многорядного подшипника и в соответствии с местом блока, которое он занимает в осевой многорядной опоре.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый осевой многорядный подшипник отличается от известного наличием новых связей. Во-первых, для восприятия значительных осевых нагрузок переменного направления в блоке установлено два подшипника. Нижний подшипник воспринимает нагрузку, действующую сверху вниз, а верхний подшипник снизу вверх. То есть образован блок, который воспринимает осевую нагрузку переменного направления. Во-вторых, включение подпятника в блок позволяет собирать этот блок под различными осевыми усилиями, что устраняет неравномерное распределение осевой нагрузки по блокам за счет контактных деформаций. Если обратить внимание на вид зависимости контактных деформаций от удельной осевой нагрузки:

где q - осевая нагрузка;

z - число шаров;

d - диаметр шара,

то несложно заметить, что отмеченная нелинейность данной зависимости имеет место только при небольших значениях q_i. По мере роста q_i, данная функция с высокой степенью точности апроксиммируется прямой линией. Поэтому величина осевого усилия должна быть больше определенной величины и тогда все виды деформаций становятся практически линейными.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что использование блоков собранных под различной предварительной осевой нагрузкой позволяет добиться равномерного распределения суммарного осевого усилия по всем рядам, обеспечить равномерную работу и износ осевой многорядной опоры и повысить срок ее службы. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию “существование отличия”.

На чертеже представлен осевой многорядный подшипник.

В блок осевого многорядного подшипника включены: два шарикоподшипника упорных 1, внутренняя Т-образная втулка 2, внешняя Г-образная втулка 3. По торцевой поверхности внешней Г-образной втулки 3 сделаны отверстия, в которые помещены упругие элементы 4, например виде резиновых шаров. С другого торца внешней Г-образной втулки 3 устанавливается подпятник 5, который снабжен упругими элементами 4. Подпятник 5 фиксируется относительно внешней Г-образной втулки 3, например штифтами 6.

Сборка блока осуществляется следующим образом. Нижняя и верхняя обойма подшипника упорного 1 напрессовываются на внутреннюю втулку 2 с двух сторон. Затем устанавливаются шарики и верхние и нижние обоймы подшипников упорных 1. На собранную систему одевается внешняя Г-образная втулка 3 и закрывается с другого торца подпятником 5, в котором предварительно установлены упругие элементы 4. В таком виде блок отправляется под пресс, где под определенной нагрузкой осуществляется совместное сверление отверстий под штифты во внешней Г-образной втулке 3 и подпятнике 5. Затем осевая нагрузка снимается и завершается доработка сделанных отверстий. После доработки отверстий блок снова устанавливается под пресс, и при той же осевой нагрузке производится штифтование подпятника 5 и внешней Г-образной втулки 3 штифтами 6.

Собранные под различными осевыми нагрузками, все блоки осевой многорядной опоры устанавливаются на магнитную плиту и торцы блоков шлифуются в сборе для создания общих опорных плоскостей, что позволяет устранить влияние допусков на работу осевой многорядной опоры в сборе. В этом случае все торцовые поверхности внешней Г-образной втулки 3 и подпятника 5 находятся в непосредственном контакте между собой.

Во втором варианте собранные под различными осевыми нагрузками все блоки осевой многорядной опоры устанавливаются на магнитную плиту и шлифуются торцы внешней Г-образной втулки с таким расчетом, чтобы на наименее нагруженном блоке, то есть том, который собирался при меньшей осевой нагрузке, обеспечивался определенный осевой зазор, например в 1 мм между торцевой поверхностью внешней Г-образной втулкой 2 и торцом подпятника 5. В этом случае все блоки могут иметь различную высоту осевого зазора, но во всех блоках устранено влияние допусков на работу осевой многорядной опоры в сборе. Кроме того, полученные в результате обработки внешние Г-образные втулки обладают различной жесткостью, что положительно отражается на равномерном распределение суммарной осевой нагрузки между блоками. Другими словами, осуществляется автоматическое получение “проставочных колец” разной высоты между блоками, то есть производится технологический подбор “проставочных колец”. Собранные таким образом блоки и прошедшие соответствующую технологическую обработку при сборке на валу, например, шпинделя устанавливаются в определенной последовательности согласно конкретной схеме. При установки блоков на валу между ними закладывают упругие элементы 4. Когда известно, что осевая нагрузка действует сверху-вниз, то происходит сработка осевой многорядной опоры от гидравлической нагрузки.

В этом случае блоки рекомендуется устанавливать таким образом, чтобы внешняя Г-образная втулка была обращена торцовой поверхностью вниз, а сами блоки, собранные под различными осевыми усилиями, собирались так, чтобы первым снизу (от долота) был бы установлен блок, который собирался под максимальным осевым усилием, затем под меньшим осевым усилием. Верхний блок - это блок, собранный под самым маленьким осевым усилием.

Если известно, что осевая нагрузка действует снизу-вверх, например в шпинделях, которые работают с турбинными секциями на независимых опорах, то в этом случае многорядную осевую опору шпинделя рекомендуется собирать в обратном порядке относительного первой схемы. Внешняя Г-образная втулка должна быть установлена так, чтобы торцовая поверхность была обращена вверх (от долота), и первым блоком от долота должен быть блок, собранный под самым маленьким осевым усилием, а последним - блок, собранный под самым большим осевым усилием.

Когда информация по направлению действия осевой нагрузки отсутствует, целесообразно осуществлять сборку осевой многорядной опоры по схеме, которая воспринимает знакопеременную нагрузку. Например, если используется семь блоков, то средний блок, относительно крайних блоков, должен быть собран под максимальным осевым усилием. При движении вверх и вниз от среднего блока используются блоки, собранные под меньшими осевыми усилиями, и при движении вверх внешняя Г-образная втулка устанавливается по первой схеме, а при движении вниз внешняя Г-образная втулка устанавливается по второй схеме.

В общем случае, схема установки блоков может отличаться от тех, что рассмотрены выше, сообразно с условиями работы осевой многорядной опоры. Работа осевой многорядной опоры осуществляется таким же образом, как и в известных осевых опорах забойных двигателей. Отличие заключается только в том, что в предлагаемой осевой многорядной опоре суммарная осевая нагрузка равномерно распределяется по всем блокам, которые образуют данную осевую многорядную опору. Упругие элементы 4, установленные между подшипниками, выполняют роль компенсатора осевых зазоров и способствуют равномерному распределению осевой нагрузки по торцовой поверхности. Следует отдельно указать, что подшипники упорные могут располагаться во внутренних и внешних втулках другой конфигурации.

При сборке блоков под предварительной нагрузкой очень важное значение имеет абсолютное значение величины этой нагрузки.

Согласно лабораторным исследованием при испытании четырехрядного подшипника суммарная осевая нагрузка распределяется следующим образом: первый ряд сверху воспринимает 0,332 Gд., второй 0,296 Gд., третий 0,212 Gд., а четвертый 0,220 Gд. Для трехрядного подшипника осевая нагрузка распределяется: в первом ряду 0,385 Gд, во втором 0,305Gд, в третьем 0,310Gд.

С учетом лабораторных данных [1] блоки необходимо собирать под различными предварительными усилиями и с таким расчетом, чтобы в процессе работы все блоки находились бы под равномерной нагрузкой. В соответствии с зависимостью, представленной в работе [1, рис.2], поясним, как производится определение предварительного осевого усилия.

При работе с долотом Д=215,9 мм. Максимально допустимая осевая нагрузка составляет 26000 кг. Осевой многорядный подшипник состоит из семи блоков. Причем каждый подшипник, например №8218 размером 90×90,2×135 по ГОСТ 6874-75, воспринимает динамическое усилие в 11200 кг.

Согласно усилиям, действующим в каждом блоке, имеем: в первом блоке – G_Бl=0,332×26000=8632 кг, во втором блоке – G_Б2=0,236×26000=6136 кг, в третьем блоке - G_Б3=5512 кг и в четвертом G_Б4=5720 кг.

Для того чтобы устранить нелинейную зависимость между контактными деформациями и осевой нагрузкой, достаточно создать предварительное усилие при сборке блока в 100 кг [см. 1, рис.2]. Принимаем величину предварительного усилия в первом блоке, равную 168 кг. В других блоках величина предварительного усилия рассчитывается.

В первом блоке усилие составит G_Бl=G_Б2+168=8800 кг. Эту величину нагрузки необходимо обеспечить в каждом блоке.

Второй блок необходимо собирать под нагрузкой:

Третий блок под предварительной нагрузкой:

Четвертый блок под усилием:

Согласно зависимости [1, рис.2] относительно минимальной осевой нагрузки имеется симметрия. Поэтому, чтобы включить в работу все семь рядов, а увеличение числа рядов весьма благоприятно отражается на долговечности всей осевой многорядной опоры, пятый блок собираем под осевой нагрузкой: кг, шестой блок под нагрузкой кг и седьмой блок под нагрузкой 168 кг. Тогда все семь блоков должны находиться под осевой нагрузкой в 61600 кг. Естественно, что осевая нагрузка на долото не может быть больше допустимой 26000 кг, поэтому пропорционально отношению произойдет уменьшение осевых усилий в каждом ряду - блоке до величины - 3714,286 кг=8800×0,422078.

Снова считаем, что все блоки будут работать под нагрузкой в 4000 кг. Тогда первый блок собирается под предварительной нагрузкой: =4000-3714,286=285,714 кг.

Второй блок работает под осевой нагрузкой 6136×0,422078=2589,17 кг, и в нем необходимо создать предварительную нагрузку:

Третий блок работает под нагрузкой 5512×0,422078=2326,49 кг, и в нем необходимо создать предварительное усилие в:

=4000-2326,49=1673,51 кг.

В четвертом блоке осевая нагрузка составит 5720×0,422078=2414,286 кг и соответственно величина осевого усилия равна:

=4000-2414,286=1585,714 кг.

В пятом блоке =1673,51 кг, в шестом =1410,13 кг, а в седьмом =285,714 кг.

В таблице представлены значение различных видов нагрузок.

Если взять соотношение осевых усилий в осевом многорядном подшипнике, то имеем:

Несложно убедится, что представленные в таблице значения осевых усилий в блоке от нагрузки имеют практически идентичные величины. Например:

Следует обратить внимание, что если вместо осевой нагрузки в 26000 кг взять другую величину, например 21000 кг, то изменяется значение осевых усилий в блоках, но сохраняется их отношение б₂₁, б₃₁, б₄₁ и т.д., а также изменится величина суммарной осевой нагрузки на блок, но абсолютное значение этой величины будет практически постоянной 3500 кг и максимальная погрешность в неравномерности распределения осевых усилий по блокам не превысит 10%.

Таким образом, можно констатировать, что осевая многорядная опора, составленная из предлагаемых блоков, обеспечит практически равномерную осевую нагрузку во всех блоках, даже при варьировании величиной осевой нагрузки в пределах 5000 кг.

Технико-экономическое обоснование, связанное с применением предлагаемой осевой многорядной опоры, может быть получено после проведения промышленных испытаний. Однако уже сейчас следует ожидать, что равномерное распределение осевой нагрузки по блокам приведет к более длительному сроку работы предлагаемой осевой многорядной опоры в забойных условиях, поскольку в известных осевых многорядных опорах из-за неравномерного нагружения рядов происходит интенсивный износ самого нагруженного ряда. Происходит разрушение цементированного слоя обоймы подшипника и работа осуществляется уже по материалу, который не подвергался термической обработки. Естественно, что этот процесс идет спонтанно и переходит с одного ряда на другой, что вызывает быстрый износ всех рядов, составляющих известную осевую многорядную опору.

При равномерном распределении осевой нагрузки по рядам вероятность разрушения цементированного слоя резко снижена, так как уменьшена величина осевого усилия на один ряд и следует ожидать более длительного времени, которое потребуется на его разрушение и переход к работе по материалу, который не подвергся термической обработке.

Источники информации

1. Труды ВНИИБТ, вып.XXII “Турбобуры с наклонной линией давления”. - М.: Недра, 1969.

2. Б.В.Ципкин. Сравнительная оценка методов в комплектовании параллельно сдвоенных и строенных шарикоподшипников с угловым контактом шариков. Вестник машиностроения, 1957, № 12.

3. Б.З.Султанов, Н.Х.Шаммсов. Забойные буровые машины и инструмент. - М.: Недра, 1976.

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин забойными двигателями. Осевой многорядный подшипник забойного двигателя выполнен в виде блоков, в каждом из которых установлены два подшипника упорных 1 симметрично относительно внутренней втулки 2, причем с одной стороны нижний подшипник 1 опирается на внешнюю Г-образную втулку 3, оснащенную со стороны торцевой поверхности упругими элементами 4, а с другой стороны верхний подшипник 1 закрыт подпятником 5, который также оснащен с торцевой поверхности упругими элементами 4 и жестко зафиксирован относительно внешней втулки 3 штифтами 6, причем величина осевого усилия, при котором происходит фиксирование подпятника 5, различна и определяется с учетом получения равных осевых усилий в каждом ряду осевого многорядного подшипника и в соответствии с местом блока, которое занимает в осевой многорядной опоре. Технический результат заключается в равномерном распределении осевой нагрузки по блокам, повышении моторесурса осевого многорядного подшипника и восприятии значительных осевых нагрузок переменного направления. 1 ил., 1 табл.

Осевой многорядный подшипник забойного двигателя, состоящий из отдельных блоков, который включает в себя один стандартный шарикоподшипник упорный однорядный, оснащенный внутренней и внешней Г-образной обоймами с расположенными по торцовым поверхностям обойм упругими элементами, причем каждый блок работает по параллельной схеме относительно всей осевой многорядной опоры и воспринимает действующую осевую нагрузку в одном направлении либо сверху-вниз, снизу-вверх, отличающийся тем, что, с целью равномерного распределения осевой нагрузки по блокам и повышения моторесурса осевого многорядного подшипника, а также восприятия значительных осевых нагрузок переменного направления, осевой многорядный подшипник забойного двигателя выполнен в виде блоков, в каждом из которых установлены по два подшипника упорных симметрично, относительно внутренней втулки, причем с одной стороны нижний подшипник опирается на внешнюю Г-образную втулку, оснащенную со стороны торцевой поверхности упругими элементами, а с другой стороны верхний подшипник закрыт подпятником, который также оснащен с торцевой поверхности упругими элементами и жестко зафиксирован относительно внешней втулки, причем величина осевого усилия, при котором происходит фиксирование подпятника, различна и определена с учетом получения равных осевых усилий в каждом ряду осевого многорядного подшипника и в соответствии с местом его расположения в осевой многорядной опоре.