МНОГОРЯДНАЯ ШАРИКОВАЯ ОПОРА Российский патент 2004 года по МПК E21B4/02 

Настоящее изобретение относится к техническим средствам, которые используются для бурения нефтяных и газовых скважин, точнее к узлам и деталям забойных двигателей, которые приводят во вращение буровые долота, углубляющие забои скважины.

Дальним аналогом нашего изобретения является многорядный шариковый подшипник (см. источник ″ Турбинное бурение нефтяных скважин″ , М.Т.Гусман, Москва, 1952 г., Гостоптехиздат, стр.55-56.). Конструкция этого подшипника была очень сложной и нетехнологичной в изготовлении, вследствие чего не нашла промышленного применения.

Ближайшим аналогом нашего изобретения является ″ Шариковая опора" согласно описанию по А.С. СССР №166627, 25.08.62. В этом авторском свидетельстве описана многорядная шариковая опора, состоящая из шаров и упорных колец (обойм). Шары каждого ряда опоры заключены между цилиндрическими роторными проставочными кольцами, которые отделяют друг от друга роторные упорные обоймы, и цилиндрическими статорными проставочными кольцами, которые отделяют друг от друга статорные упорные обоймы. Разница диаметров между наружной цилиндрической поверхностью роторных проставочных колец и внутренней цилиндрической поверхностью статорных проставочных колец равна удвоенному диаметру установленных между ними шаров. Роторные и статорные упорные обоймы имеют рабочие поверхности, контактирующие с шарами, выполненные в виде конических поверхностей, наклоненных к плоскости, перпендикулярной продольной оси шариковой опоры, под углом 30° .

Работая в среде бурового раствора, содержащего мелкий и достаточно крупный абразив, шары накатывают на упорных обоймах сферические дорожки, вследствие чего в опоре образуется осевой люфт.

Величина люфта в 6-7 мм лимитирует отказную стойкость подшипника, которая колеблется в пределах 60-120 ч. Работа многорядной шариковой опоры в среде бурового раствора характеризуется одной особенностью, которая присуща только подшипникам этого типа.

Желание сделать шариковую опору в максимальной степени грузоподъемной приводит к тому, что, увеличивая диаметр шаров, конструкторы вынуждены утонять проставочные кольца. Сегодня их толщина колеблется в пределах от 4,7 до 5,5 мм. При этом длины контактных окружностей (точки контакта шаров с роторными и статорными упорными обоймами) отличаются на 15-20%. Вследствие этого роторные упорные обоймы вырабатываются всегда быстрее, чем статорные обоймы. Появляется распорная составляющая осевого усилия, которое, суммируясь с центробежной силой, действующей на каждый шар, все интенсивнее начинает изнашивать статорные проставочные кольца. Принимая во внимание, что особенности монтажа многорядных шариковых опор в шпинделях турбобуров предусматривают их фиксацию в корпусе шпинделя осевым усилием в 600-800 кН, напряжения в каждом из статорных проставочных колец близки к пределу текучести даже очень качественного металла. Износ проставочных колец приводит к их выпучиванию и заклинке в корпусе шпинделя. Приходится либо недорабатывать опоры до максимально возможного осевого люфта, сокращая их возможный моторесурс, либо выпрессовывать подшипник из корпуса шпинделя, что удается далеко не всегда. В этом случае весь шпиндель превращается в металлолом.

Изобретение позволяет освободить многорядную шариковую опору от износа проставочных колец и тем самым поднять ресурс работы опоры до 250-300 ч, так как при этом становится возможным дорабатывать опоры до осевого люфта в 10-12 мм.

Сущность изобретения заключается в создании многорядной шариковой опоры, состоящей из нескольких рядов шаров, роторных упорных обойм, между которыми устанавливаются роторные проставочные кольца; статорных упорных обойм, между которыми устанавливаются статорные проставочные кольца, при этом разность между внутренним диаметром статорных проставочных колец и наружным диаметром роторных проставочных колец равна удвоенному диаметру установленных между ними шаров. Каждая из статорных и роторных упорных обойм имеет конические поверхности, контактирующие с шарами, при этом наклон конических поверхностей статорных упорных обойм к плоскости, перпендикулярной продольной оси многорядной шариковой опоры, всегда на 5-15° больше, чем наклон конических поверхностей к той же плоскости роторных упорных обойм.

Такое конструктивное исполнение многорядных шариковых опор забойных двигателей позволяет, как минимум, удвоить отказной срок службы их шпинделей.

Изобретение поясняется тремя фигурами.

На фиг.1 приведен в поперечном разрезе общий вид многорядной шариковой опоры.

На фиг.2 приведен поперечный разрез одной роторной обоймы многорядной шариковой опоры.

На фиг.3 приведен поперечный разрез одной статорной обоймы многорядной шариковой опоры.

В большинстве случаев шариковая опора состоит из 12-15 рядов шаров 1, которые опираются на конические поверхности 2 статорных обойм 3 и на конические поверхности 4 роторных обойм 5. Положение каждого ряда шаров 1 на обоймах 3 и 5 определяется диаметральными и осевыми размерами роторных 6 и статорных 7 проставочных колец. Разница между внутренним диаметром ″ D_в″_{каждого статорного проставочного кольца 7 и наружным диаметром ″ dн″каждого роторного проставочного кольца 6 равна удвоенному диаметру шаров ″ dш″. Осевая высота ″ hoc″роторных 6 и статорных 7 проставочных колец определяется из условия обеспечения гарантированного осевого люфта каждого ряда шаров 1 относительно конических поверхностей 2 и 4 статорных обойм 3 и роторных обойм 5 в пределах 0,1-0,5 мм.}

Наклон конических поверхностей 4 роторных обойм 5 к плоскости, перпендикулярной продольной оси многорядной шариковой опоры (обозначен индексом ″ α ″ ), выбирается в пределах 15-35° в зависимости от габаритного диаметра шариковой опоры и диаметра шаров ″ d_ш″_{, устанавливаемых в каждом из ее рядов.}

Наклон конических поверхностей 2 статорных обойм 3 к плоскости, перпендикулярной продольной оси многорядной шариковой опоры (обозначен индексом ″ β ″ ), на 5-15° больше, чем наклон к той же плоскости конических поверхностей 4 роторных обойм 5. Разница в углах наклона тем больше, чем больше диаметр шаров ″ d_ш″_{, устанавливаемых в каждом ряду многорядной шариковой опоры.}

РАБОТА МНОГОРЯДНОЙ ШАРИКОВОЙ ОПОРЫ В ШПИНДЕЛЕ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Новая многорядная шариковая опора монтируется на валу шпинделя забойного двигателя так же, как монтируются серийные шариковые опоры (ближайший аналог).

Собранный шпиндель с многорядной шариковой опорой крепится в цеху или на буровой к рабочей секции двигателя. К валу шпинделя крепится долото, после чего начинается спуск забойного двигателя на бурильных трубах в ствол бурящейся скважины. Забойная компоновка на 8-12 м не доводится до ″ старого″ забоя бурящейся скважины, после чего включаются в работу буровые насосы. В течение 10-15 мин новая многорядная шариковая опора при минимальной подаче бурового раствора ″ прикатывается″ над старым забоем, после чего подача насосов выводится на нормальный режим работы и начинается процесс расширки, а затем и бурения скважины.

В процессе прикатки под действием гидравлической нагрузки на роторные элементы шариковой опоры и соответствующей им реакции на ее статорных элементах происходит осевая выработка конических упорных поверхностей обойм и выравнивание осевой нагрузки по рядам шариковой опоры. Соответствующая разница в углах ″ α ″ и ″ β ″ конических поверхностей роторных 5 и статорных 3 обойм многорядной шариковой опоры позволила ликвидировать поперечный износ проставочных колец 6 и 7 и, таким образом, полный ресурс опоры (наработка на отказ опоры, а следовательно, и шпинделя) стала определяться только величиной выработанного осевого люфта в опоре, то есть осевой высотой ее обойм и осевым люфтом рабочих органов двигателя.

Изобретение относится к области бурения скважин на нефть или газ, в частности к конструкциям узлов забойных двигателей. Многорядная шариковая опора состоит из 12-15 рядов шаров, опирающихся на конические поверхности статорных обойм и на конические поверхности роторных обойм. Положение каждого ряда шаров на обоймах определяется диаметральными и осевыми размерами роторных и статорных проставочных колец. Наклон конических поверхностей роторных обойм к плоскости, перпендикулярной продольной оси многорядной шариковой опоры, выбирается в пределах от 15 до 35°. Наклон конических поверхностей статорных обойм к плоскости, перпендикулярной продольной оси многорядной шариковой опоры, на 5-15° больше, чем наклон к той же плоскости конических поверхностей роторных обойм. Изобретение обеспечивает повышение надежности эксплуатации забойных двигателей, увеличивает срок службы их шпинделей. 3 ил.

Многорядная шариковая опора, состоящая из нескольких рядов шаров, роторных упорных обойм, между которыми установлены роторные проставочные кольца, статорных упорных обойм, между которыми установлены статорные проставочные кольца, при этом разность между внутренним диаметром статорных проставочных колец и наружным диаметром роторных проставочных колец равна удвоенному диаметру установленных между ними шаров, при этом каждая из статорных и роторных упорных обойм имеет конические поверхности, контактирующие с шарами, отличающаяся тем, что наклон конических поверхностей статорных упорных обойм к плоскости, перпендикулярной продольной оси многорядной шариковой опоры, на 5-15° больше, чем наклон конических поверхностей к той же плоскости роторных упорных обойм.