ОПОРА ОСЕВАЯ ШПИНДЕЛЯ ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ И ТУРБОБУРА Российский патент 2005 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к подшипникам шариковым радиально-упорным и применяется в качестве осевой опоры в буровой технике, в частности в винтовых забойных двигателях и турбобурах для бурения нефтяных и газовых скважин.

Известна осевая опора (Д.Ф.Балденко, Ф.Д.Балденко, А.Н.Гноевых. Справочное пособие “Винтовые забойные двигатели”, М.: Недра, 1999 г., с.60, рис.3.8а), содержащая ряды внутренних и наружных колец с помещенными между каждым рядом внутренним и наружным распорными кольцами и шарики, расположенные в полости каждого ряда, образованного кольцами. В процессе работы шарики в каждом ряду подшипника находятся в контакте с поверхностью беговой дорожки, выполненной в виде конуса на наружной поверхности внутреннего кольца с каждой стороны и внутренней поверхности наружного кольца с каждой стороны. Недостатком такой конструкции является то, что вследствие малой зоны контакта в точке контакта при эксплуатации возникают большие напряжения, что приводит к наработке канавки на беговой дорожке шарика и быстрому образованию осевого люфта.

Указанный недостаток устранен в известной опоре осевой шпинделя забойных винтовых двигателей (М.Т.Гусман и др. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. М.: Недра, 1981, с.21, рис.9), которая является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и выбрана в качестве прототипа. Опора осевая шпинделя забойных винтовых двигателей состоит из шарикового радиально-упорного подшипника, содержащего ряды внутренних и наружных колец и шарики, расположенные в полости каждого ряда, образованного кольцами. Осевая опора шпинделя забойных винтовых двигателей не содержит промежуточных распорных колец. Площадь зоны контакта значительно увеличена за счет того, что дорожки качения на наружных и внутренних кольцах выполнены по радиусу, близкому к величине радиуса шарика, вследствие этого интенсивность наработки канавки на дорожке качения шарика и образования осевого люфта снижена.

Недостатками известной осевой опоры шпинделя забойных винтовых двигателей являются проскальзывание шариков и более низкая несущая способность в осевом направлении, так как угол контакта в осевой опоре забойных винтовых двигателей составляет 45°. Другим недостатком этой конструкции является то, что по причине малой площади упорного торца колец подшипника крайние кольца опоры вдавливаются в сопряженные детали эксплуатируемого изделия, которые имеют более низкую твердость, что приводит к преждевременному выходу из строя изделия. Также недостатком является то, что осевой люфт осевой опоры забойных винтовых двигателей, необходимый для обеспечения собираемости осевой опоры шпинделя забойных винтовых двигателей, реализован за счет смещения центров радиуса беговых дорожек относительно плоскости торца как по наружным, так и по внутренним кольцам, вследствие этого при сжатии пакета деталей вала, например при сборке шпинделя винтового забойного двигателя, происходит блокировка шаров и наружных обойм в крайних рядах подшипника, что ведет к нарушению соосности наружных колец подшипника и снижению ресурса работы.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Техническим результатом, достижимым при использовании предложенного изобретения, является увеличение несущей способности в осевом направлении, повышение надежности и срока эксплуатации опоры осевой шпинделя винтового забойного двигателя и турбобура (далее - осевой опоры).

Указанная задача решается тем, что в опоре осевой шпинделя винтового забойного двигателя и турбобура, состоящей из шарикового радиально-упорного подшипника, содержащего ряды внутренних и наружных колец и шарики, расположенные в сферической полости, являющейся дорожками качения каждого ряда, образованного кольцами, шарики установлены с каждой стороны внутренних и наружных колец, каждое внутреннее и наружное кольцо включает упорный торец, согласно изобретению дорожки качения на крайних внутренних и наружных кольцах выполнены с одной стороны, дорожки качения на внутренних и наружных кольцах выполнены с возможностью обеспечения контакта шариков с дорожками качения внутренних и наружных колец под углом, большим 45°, угол образован линией, проходящей через точки контакта шаров с дорожками качения внутренних и наружных колец, и линией, перпендикулярной продольной оси подшипника, профиль дорожек качения на внутренних и наружных кольцах выполнен из условия неравенства D1>(Dвн+Dнap)/2, где D1 - диаметр окружности, проходящей через центры шариков в собранном подшипнике, Dвн - внутренний диаметр внутреннего кольца, Dнар - наружный диаметр наружного кольца, твердость внутренних и наружных колец более 48 HRC, точка приложения радиуса профиля дорожек качения на внутренних кольцах расположена в плоскости упорного торца внутреннего кольца.

В отличие от прототипа в предлагаемом изобретении профиль дорожек качения на внутренних и наружных кольцах выполнен из условия неравенства Dl>(Dвн+Dнар)/2, при этом площадь упорного торца внутреннего кольца максимально приближена к площади упорного торца наружного кольца, что приводит к выравниванию напряжений и деформаций в наружных и внутренних кольцах, возникающих при установке осевой опоры в эксплуатируемое изделие (например, при сборке шпинделя винтового забойного двигателя пакет деталей с осевой опорой зажимается по корпусу и по валу) и, следовательно, обеспечивается повышение надежности.

Другим отличием от прототипа является то, что дорожки качения на внутренних и наружных кольцах выполнены с возможностью обеспечения контакта шариков с дорожками качения внутренних и наружных колец под углом, большим 45°, что приводит к увеличению грузоподъемности осевой опоры в целом, и уменьшается проскальзывание шариков, что обеспечивает увеличение несущей способности в осевом направлении, повышение надежности и срока эксплуатации осевой опоры.

Другим отличием от прототипа является то, что осевая опора содержит с каждой стороны боковое внутреннее и боковое наружное кольцо, на которых дорожка качения выполнена с одной стороны, благодаря этому на другой, внешней относительно осевой опоры стороне колец площадь упорного торца больше, следовательно, напряжения в зоне контакта с другими деталями эксплуатируемого изделия меньше.

Другим отличием от прототипа является то, что твердость колец осевой опоры составляет не менее 48 HRC. Благодаря этому износ и интенсивность образования осевого люфта снижены.

Другим отличием от прототипа является то, что точка приложения радиуса профиля дорожек качения на внутренних кольцах расположена в плоскости упорного торца внутреннего кольца, что позволяет при сохранении величины общего осевого люфта в подшипнике увеличить люфт, образованный внутренними кольцами, и избежать заклинивания шаров при сборке, это позволяет избежать несоосности наружных обойм и увеличить общий ресурс работы эксплуатируемого изделия, что совместно с вышеуказанными признаками обеспечивает технический результат.

На фиг.1 показан общий вид осевой опоры в продольном разрезе, на фиг.2а - один ряд осевой опоры с внутренним и наружным кольцом, боковым внутренним и боковым наружным кольцом, в контакте с шариком в продольном разрезе, на фиг.2б - увеличенный вид фигуры 2а, на фиг.3 - осевая опора, установленная в шпинделе винтового забойного двигателя.

Осевая опора (фиг.1-3) содержит ряды наружных колец 1, внутренних колец 2, шарики 3, расположенные в полости каждого ряда, образованного кольцами 1 и 2, и боковое внутреннее кольцо 4, и боковое наружное кольцо 5 с каждой стороны подшипника. Осевая опора при установке в эксплуатируемое изделие, например в шпиндель винтового забойного двигателя (фиг.3), сжимается пакетом деталей по валу 6 и по корпусу 7.

В процессе работы вал 6 с пакетом деталей, в том числе с внутренними кольцами 2, 4, свободно вращается относительно корпуса 7 с пакетом деталей, в том числе относительно наружных колец 1, 5. Осевая опора служит для передачи осевой нагрузки от вала 6 на корпус 7, шарики 3 при этом находятся в постоянном контакте с наружными и внутренними кольцами 1, 2, 4, 5 (фиг.2а), а, б - точки контакта, α - угол контакта.

В отличие от прототипа при работе предлагаемой опоры все отличительные признаки предлагаемого изобретения в совокупности с известными приводят к увеличению несущей способности в осевом направлении, повышают грузоподъемность, что влияет на снижение удельных нагрузок, что обеспечивает уменьшение износа, повышение надежности и срока эксплуатации осевой опоры.

Изобретение относится к подшипникам шариковым радиально-упорным и применяется в качестве осевой опоры в буровой технике, в частности в винтовых забойных двигателях и турбобурах для бурения нефтяных и газовых скважин. Задача настоящего изобретения заключается в увеличении несущей способности в осевом направлении, повышении надежности и срока эксплуатации осевой опоры. Новым в устройстве является то, что дорожки качения на крайних внутренних и наружных кольцах выполнены с одной стороны, дорожки качения на внутренних и наружных кольцах выполнены с возможностью обеспечения контакта шариков с дорожками качения внутренних и наружных колец под углом, большим 45°, угол образован линией, проходящей через точки контакта шаров с дорожками качения внутренних и наружных колец, и линией, перпендикулярной продольной оси подшипника, профиль дорожек качения на внутренних и наружных кольцах выполнен из условия неравенства D1>(Dвн+Dнap)/2, где D1 - диаметр окружности, проходящей через центры шариков в собранном подшипнике, Dвн - внутренний диаметр внутреннего кольца, Dнap — наружный диаметр наружного кольца, твердость внутренних и наружных колец более 48 HRC, точка приложения радиуса профиля дорожек качения на внутренних кольцах расположена в плоскости упорного торца внутреннего кольца. 3 ил.

Осевая опора шпинделя винтового забойного двигателя и турбобура, состоящая из шарикового радиально-упорного подшипника, содержащего ряды внутренних и наружных колец и шарики, расположенные в сферической полости, являющейся дорожками качения каждого ряда, образованного кольцами, шарики установлены с каждой стороны внутренних и наружных колец, каждое внутреннее и наружное кольцо включает упорный торец, отличающаяся тем, что дорожки качения на крайних внутренних и наружных кольцах выполнены с одной стороны, дорожки качения на внутренних и наружных кольцах выполнены с возможностью обеспечения контакта шариков с дорожками качения внутренних и наружных колец под углом, большим 45°, угол образован линией, проходящей через точки контакта шаров с дорожками качения внутренних и наружных колец и линией, перпендикулярной продольной оси подшипника, профиль дорожек качения на внутренних и наружных кольцах выполнен из условия неравенства:

D₁>(D_вн+D_нар)/2,

где D₁ - диаметр окружности, проходящей через центры шариков в собранном подшипнике,

D_вн - внутренний диаметр внутреннего кольца,

D_нap - наружный диаметр наружного кольца,

твердость внутренних и наружных колец составляет более 48 HRC, точка приложения радиуса профиля дорожек качения на внутренних кольцах расположена в плоскости упорного торца внутреннего кольца.