УПЛОТНЕНИЕ ОПОРЫ ШАРОШКИ Российский патент 2007 года по МПК E21B10/24 

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

Известно радиальное уплотнение опоры шарошки в системе смазки подшипников в виде эластичного кольца круглого сечения, установленного в канавке прямоугольного сечения с радиальным натягом относительно цилиндрической поверхности шарошки (Каталог буровых долот. - Самара, изд-во ОАО "Волгабурмаш", 2003, с.20-21).

Недостатками этого уплотнения являются его высокая радиальная жесткость и высокий момент трения, который существенно увеличивается по мере одностороннего изнашивания радиальных подшипников и защемления уплотнения с нижней стороны цапфы. Следствием защемления уплотнения является недостаточная долговечность как уплотнения, так и опоры в целом, особенно при повышенных частотах вращения долота.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является уплотнение опоры шарошки в системе смазки подшипников, включающее эластичное кольцо круглого сечения и выполненную в теле шарошки прямоугольную канавку шириной 0,57...0,66 диаметра сечения кольца, глубина которой и снятые с боковых поверхностей расходящиеся под углом α=60...80° фаски постоянной ширины обеспечивают размещение в канавке эластичного кольца с заданным натягом Δ между поверхностями цапфы лапы и шарошки и с полостью между уплотнительным кольцом и дном канавки. Уравнительные каналы, просверленные в шарошке, сообщают полость между эластичным кольцом и дном канавки с окружающей средой (Пат. №2236541 РФ. Уплотнение опоры шарошечного долота (варианты) / Ю.Г.Матвеев, А.Н.Попов, А.И.Могучев и др. Опубл. 20.09.2004 // Изобретения. - 2004. - №26 (прототип)).

Такая конструкция уплотнения имеет существенно меньшую радиальную жесткость, благодаря чему возможен значительно больший радиальный натяг при существенно меньшем моменте трения в уплотнении по сравнению с аналогом.

Недостатками прототипа являются то, что канавка выполнена в нагруженной части шарошки и должна иметь значительную постоянную глубину, эластичное кольцо вращается вместе с шарошкой, а уравнительные каналы должны размещаться равномерно по окружности обратного конуса шарошки. Канавка в теле шарошки и уравнительные каналы существенно снижают ее прочность. Кроме того, наблюдается зашламовывание уравнительных каналов. По мере одностороннего изнашивания радиальных подшипников увеличивается эксцентриситет шарошки относительно цапфы. При наличии эксцентриситета при вращении шарошки каждое сечение эластичного кольца вдавливается в канавку при движении к нижней стороне цапфы, а затем после прохождения вертикали оно попадает в расширяющийся зазор между цапфой и шарошкой и за счет упругости частично выдавливается из канавки в радиальном направлении, обеспечивая герметичность зазора. В процессе вдавливания и выдавливания кольца наблюдается значительный износ его боковых поверхностей, а также гистерезис силы прижатия эластичного кольца к уплотняемой поверхности. Поэтому динамическое давление раскрытия уплотнения существенно ниже статического. Наличие существенного гистерезиса силы прижатия уплотнений с эластичными элементами в контакте трения при нагружении и разгрузке подтверждено экспериментально (см. Матвеев Ю.Г. Конструкции и системы смазки опор шарошечных долот: Учебное пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ. 1996. - С.21-45). При обосновании геометрических характеристик уплотнения прототипа были проведены стендовые испытания его вариантов применительно к долоту диаметром 215,9 мм с опорами типа ВУ. Испытания показали, что наибольшее влияние на давление раскрытия уплотнения оказывает произведение факторов ne, где n - частота вращения шарошки, об/мин, e - эксцентриситет шарошки относительно цапфы, мм. Например, для эластичного кольца d=5,3 мм, установленного в канавке с параметрами b=0,57d, α=60° и Δ=0,2d (b - ширина прямоугольной части канавки) давление раскрытия уплотнения уменьшилось от 0,9 МПа при ne=0 до 0,25 МПа при ne=330, т.е. более чем в три раза. Уравнение регрессии параметра ne на давление Р раскрытия этого уплотнения имеет вид

Р=0.86е_н ^-0,33ne,

где e_н - основание натуральных лагарифмов. Коэффициент корреляции составил около 0,99. На основании этих экспериментов был сделан вывод, что снижение давления раскрытия уплотнения обусловлено совместным влиянием эксцентриситета и частоты вращения из-за вдавливания-выдавливания эластичного кольца в течение каждого оборота шарошки.

Изобретение решает техническую задачу повышения долговечности уплотнения и опоры в целом при повышенных частотах вращения долота в условиях образования эксцентриситета шарошки относительно цапфы по мере изнашивания подшипников.

Указанная задача решается тем, что в уплотнении опоры шарошки в системе смазки подшипников, включающем эластичное кольцо круглого сечения, размещенное с радиальным натягом между поверхностями шарошки и цапфы лапы в прямоугольной канавке шириной 0,57...0,66 диаметра сечения кольца, глубина которой и снятые с боковых поверхностей расходящиеся под углом 60...80° фаски постоянной ширины, обеспечивающие размещение в канавке эластичного кольца с заданным радиальным натягом между поверхностями цапфы лапы и шарошки и с полостью между эластичным кольцом и дном канавки, и уравнительные каналы, сообщающие полость с окружающей средой, согласно изобретению взаимодействующая с эластичным кольцом поверхность шарошки выполнена цилиндрической, а канавка выполнена переменной глубины на бурте цапфы с образованием полостей между эластичным кольцом и дном канавки снизу и сверху цапфы, при этом полости сообщены между собой просверленным через цапфу уравнительным каналом, к которому выполнено сверление со стороны сбегающей грани лапы.

Такое выполнение уплотнения не приводит к ослаблению деталей долота, устраняет вдавливание-выдавливание эластичного кольца в канавке при каждом обороте шарошки и соответственно снижает его износ и гистерезис силы натяга при образовании эксцентриситета шарошки относительно цапфы и обеспечивает надежное выравнивание давления под эластичным кольцом с давлением в окружающей среде, что особенно важно при спуске долота в скважину и при бурении с повышенными частотами вращения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое уплотнение отличается от него тем, что взаимодействующая с эластичным кольцом поверхность шарошки выполнена цилиндрической, а канавка под эластичное кольцо выполнена в бурте цапфы с переменной глубиной с образованием полостей между дном канавки и эластичным кольцом внизу и вверху цапфы. Полости соединены уравнительным каналом, просверленным в цапфе и сообщенным с окружающей средой сверлением со стороны сбегающей грани лапы. Таким образом, заявляемое уплотнение соответствует критерию изобретения "новизна".

На фиг.1 приведено в разрезе предлагаемое уплотнение в составе системы смазки опоры с радиальным подшипником качения. На фиг.2 показан поперечный разрез плоскостью А-А (эластичное кольцо и шарошка сняты). На фиг.3 показан разрез цапфы и лапы плоскостью В-В.

Уплотнение (см. фиг.1) включает эластичное кольцо 7 круглого сечения диаметром d, установленное в канавке, выполненной в бурте у основания цапфы лапы 2, с радиальным натягом Δ по отношению к цилиндрической поверхности шарошки 3. В сверлении лапы и цапфы установлен палец 4, средняя часть которого обточена и образует кольцевую полость, сообщенную каналом 5 с компенсатором давления (на фиг.1 не показан) и каналом 6 с полостью опоры с ненагруженной стороны роликового подшипника 7. Нижняя часть канавки имеет прямоугольное сечение шириной b и переменную высоту h. Верхняя часть канавки образована путем снятия фасок постоянной ширины, расходящихся под углом α. На верхней половине цапфы (см. фиг.2) дно канавки выполнено диаметром D с центром в т. О, т.е. соосно с цапфой. На нижней половине цапфы дно 8 канавки выполнено радиусом R с центром в т. O₁, в результате чего между эластичным кольцом и дном канавки внизу цапфы образована серповидная полость.

Величина OO₁ определена в соответствии с предельно допустимым эксцентриситетом шарошки относительно цапфы в результате износа радиального подшипника, тогда

В верхней части цапфы полость между эластичным кольцом и дном канавки образована лыской 9. Полости гидравлически сообщены уравнительным каналом 10, к которому со стороны сбегающей грани лапы выполнено сверление 11 (см. фиг.3).

Уплотнение работает следующим образом. При заправке опоры долота смазкой создается избыточное давление в полости опоры до величины давления раскрытия уплотнения, которое составляет около 0,1 МПа. При этом эластичное кольцо 1 вдавливается в канавку 8 с образованием зазора между кольцом 1 и шарошкой 3 и дает возможность прокачать смазку через опору. После окончания операции и снижения избыточного давления за счет упругости эластичное кольцо выдавливается из канавки и закрывает зазор. В процессе бурения шарошка 3 вращается относительно цапфы лапы 2 и эластичного кольца 1. По мере увеличения износа радиальных подшипников возникает и растет эксцентриситет шарошки относительно цапфы за счет смещения шарошки вверх, но защемления кольца 1 и разгерметизации уплотнения не происходит, т.к. снизу цапфы кольцо 1 постепенно вдавливается в канавку 8, а вверху цапфы выдавливается из нее. Уравнительный канал 10 и сверление 11 обеспечивают выравнивание давления в полостях между эластичным кольцом и дном канавки с давлением в скважине и постепенное вдавливание эластичного кольца внизу канавки и выдавливание вверху канавки по мере износа подшипников независимо от частоты вращения шарошки.

Выполнение опор шарошек в соответствии с предложенным техническим решением позволит существенно облегчить режим работы уплотнения особенно при повышенных частотах вращения долот, исключить ослабление шарошки канавкой и дополнительными каналами и соответственно повысить долговечность опор и долота в целом, что обеспечит широкое применение изобретения при бурении скважин.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к шарошечным долотам и бурильным головкам для бурения скважин. Позволяет повысить долговечность уплотнения и опоры в целом при повышенных частотах вращения долота в условиях образования эксцентриситета шарошки относительно цапфы по мере изнашивания подшипников. Уплотнение опоры включает установленное с возможностью взаимодействия с цилиндрической поверхностью шарошки эластичное кольцо круглого сечения, размещенное с заданным радиальным натягом в канавке на бурте цапфы. Канавка выполнена прямоугольного сечения шириной 0,57-0,66 диаметра сечения эластичного кольца со снятыми с боковых поверхностей фасками постоянной ширины, расходящимися под углом 60-80°, и с переменной глубиной с образованием полостей между эластичным кольцом и дном канавки вверху и внизу цапфы. Полости сообщены между собой уравнительным каналом, просверленным в цапфе, и далее с окружающей средой сверлением от сбегающей грани лапы до уравнительного канала. 3 ил.

Уплотнение опоры шарошки в системе смазки подшипников, включающее эластичное кольцо круглого сечения, прямоугольную канавку шириной 0,57-0,66 диаметра сечения кольца, глубина которой и снятые с боковых поверхностей расходящиеся под углом 60-80° фаски постоянной ширины, обеспечивающие размещение в канавке эластичного кольца с заданным натягом между поверхностями цапфы лапы и шарошки и с полостью между уплотнительным кольцом и дном канавки, и уравнительные каналы, сообщающие полость с окружающей средой, отличающееся тем, что взаимодействующая с эластичным кольцом поверхность шарошки выполнена цилиндрической, а канавка выполнена переменной глубины на бурте цапфы с образованием полостей между эластичным кольцом и дном канавки снизу и сверху цапфы, при этом полости сообщены между собой просверленным через цапфу уравнительным каналом, к которому выполнено сверление со стороны сбегающей грани лапы.