ОПОРА БУРОВОГО ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА Российский патент 2008 года по МПК E21B10/22 

Изобретение относится к конструкциям породоразрушающего инструмента, в частности к опорам буровых шарошечных долот, и может быть использовано в нефтяной, газовой и горнорудной отраслях промышленности.

Известна конструкция опоры бурового долота [1], которая состоит из цапфы лапы, шарошки, больших и малых роликов, а также ряда шариков, которые служат в опоре замковым подшипником, сущность которой состоит в том, что ролики выполнены в виде тонкостенных оболочек, в которых расположены вкладыши из эластичного материала. Вкладыши могут быть выполнены из резины и могут иметь длину больше или меньше длины оболочки. Толщина стенки оболочки может находиться в пределах 0,1-0,2 диаметра ролика.

Известна конструкция опоры бурового долота [2], состоящая из цапфы лапы, шарошки, больших и малых роликов, а также ряда шариков, которые служат в опоре замковым подшипником, сущность которой состоит в том, что малый роликовый подшипник расположен за большим роликовым подшипником на расстоянии 1.

Недостатком данных конструкций опор буровых шарошечных долот является то, что при бурении в месте контакта торцовых поверхностей больших и малых роликов с цапфой лапы и шарошкой создается крутящий момент, что может привести к повороту ролика на 90° (Фиг.1). В результате этого ролик займет положение вдоль образующей роликовой дорожки и, как следствие, произойдет заклинивание опоры и выход из строя всего долота.

Кроме того, при вращении ролики контактируют между собой. По линии контакта роликов векторы скорости направлены в противоположные стороны. При высоких нагрузках создается условие повышенных напряжений в зонах контакта парных взаимодействий роликов между собой. Такие условия взаимодействия создают предельные силы трения в зоне контакта роликов между собой и оказывают отрицательное воздействие на процесс их износа.

Этого недостатка лишен прототип [3] заявленной конструкции опоры бурового долота, включающий роликовые радиальные подшипники, снабженные сепараторами, выполненными в виде плавающих прокладок с боковыми цилиндрическими поверхностями, соответствующими поверхностям тел качения, размещенных между телами качения, изготовленных из эластичного материала и упрочненных арматурой с полками, направленными в разные стороны относительно стенки арматуры так, что каждая полка усиливает тело сепаратора. Арматура сепараторов роликовых подшипников имеет форму двутавра с полками по всей длине сепаратора, равной длине ролика

Недостатком данной конструкции опоры долота является то, что плавающие эластичные прокладки, упрочненные арматурой в условиях высоких нагрузок более 100 кН, теряют свойства демпфирования, а также в процессе работы, изнашиваясь и разрушаясь, могут послужить причиной заклинивания опоры.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение долговечности опоры долота.

Технический результат достигается тем, что в опору бурового шарошечного долота, включающую цапфу лапы, шарошку, ряды больших и малых роликов, ряд шариков, служащих замковым подшипником, на подвижную часть опоры устанавливают бронзовые втулки, имеющие сквозные сегментные пазы на внешних цилиндрических поверхностях по количеству роликов в соединении и меняющие свои геометрические параметры внутренних поверхностей под воздействием внешних сил, обеспечивая условие стабильного положения роликов в опоре, что увеличивает долговечность опоры.

На Фиг.2 показана конструкция опоры шарошечного долота, состоящая из цапфы лапы 1, шарошки 2, больших и малых роликов 3, 4 соответственно, а также ряда шариков 5, служащих в опоре замковым подшипником, в которую вводятся две втулки 6, 7 с переменными толщинами, полученными за счет сквозных сегментных пазов вдоль внешних сторон образующих цилиндров.

Конструкция работает следующим образом (см. Фиг.2). В результате приложения эксплуатационных нагрузок на долото происходит неравномерная пластическая деформация внутренних поверхностей втулок 6 и 7 - большая там, где меньшая толщина стенки. Поскольку усилие Р на внутреннюю поверхность втулки передается через контактное взаимодействие с роликами 3 и 4, то под воздействием внешних сил происходит деформация, которая при условии σ_сж>[σ_сж] приводит к смятию на величину Δ гладкой внутренней поверхности втулок в зоне с меньшей толщиной стенки. На Фиг.3 показана конструкция после приложения усилия. В результате деформаций по периметру втулки на внутренней поверхности останутся следы в виде отпечатков цилиндрических профилей роликов. Полученные таким образом деформационные следы меняют геометрические параметры втулки, которые компенсируют погрешности изготовления опор и служат направляющими поверхностями для роликов. Кроме того, деформационные следы роликов на внутренней поверхности втулок исполняют роль сепараторов, уменьшающих контактирование роликов между собой, и повышают их эксплуатационную устойчивость, сохраняя относительное положение роликов в опоре.

Сравнение с прототипом показывает, что заявленная конструкция опоры шарошечного долота отличается тем, что лишена вышеуказанных недостатков.

Втулки выполняются из цветного сплава марки БР ОЦС6-6-3 с угловыми шагами сегментных пазов α₁=22°30' и α₂=27°42' и количеством пазов по количеству роликов в опоре 16 и 13 большой и малой втулок соответственно (Фиг.4 и 5). Диаметральные и линейные размеры втулок представлены в таблице.

ТаблицаТип втулкиДлина, мм L, 1Радиус паза, мм R, rВнутренний диаметр, мм D_вн, d_внНаружный диаметр, мм D_пар, d_парГлубина паза, мм H, hБольшая17,7857,763,7 n61,5Малая11531,235,2 n61

Предлагаемая конструкция роликовой опоры с двумя втулками специальной геометрии обладает свойством саморегуляции. Это свойство конструкции определяется тем, что ролики под воздействием внешней силы деформируют локальные зоны втулок в местах их минимальных толщин. При этом каждый ролик оставит свой индивидуальный след на поверхности втулки, компенсирующий погрешности размеров, формы и расположения подвижных деталей опоры.

В целях проверки достоверности процессов, которые происходят при взаимодействии роликов с втулкой переменной толщины, выполнено численное моделирование этой части сопряжения. Моделирование выполнялось с помощью конечно-элементной расчетной системы ANSYS. Так как задача являлась симметричной, то достаточно было смоделировать лишь один рабочий сектор опоры. Как видно из Фиг.6, под действием приложенной нагрузки Р=120 кН к бронзовой втулке с геометрией (см. таблицу) характер изменения напряженно-деформационного состояния в начале и конце процесса смятия объясняет процессы, происходящие в зонах контакта роликов с втулкой переменной толщины в опоре безсепараторного типа.

Предлагаемое устройство препятствует повороту роликов вдоль образующих роликовых дорожек относительно собственной оси симметрии, сохраняя их устойчивое первоначальное положение в процессе эксплуатации

Источники информации

1. Патент РФ, 2023857, Россия. Опора шарошечного долота / Попов А.Н., Липатов В.И., Гриненко Л.В. Опубл. 1994.

2. Патент РФ, 2067150. Россия. Опора бурового долота / Сусликов А.В., Торгашев А.В., Логинов А.А., Балабашин Б.П. Опубл. 1996.

3. Патент РФ, 2115795, Россия. Опора шарошечного долота / Комм Э.Л., Опубл. 1998.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к опорам буровых шарошечных долот. Техническим результатом является увеличение долговечности опоры шарошечного долота. Опора долота включает цапфу, шарошку, ряды больших и малых роликов и ряд шариков, служащих замковым подшипником. При этом на подвижную часть опоры устанавливают бронзовые втулки, имеющие сквозные сегментные пазы на внешних цилиндрических поверхностях по количеству роликов в соединении и меняющие свои геометрические параметры внутренних поверхностей под воздействием внешних сил, обеспечивая условие стабильного положения роликов в опоре, что увеличивает ее долговечность. 6 ил.

Опора бурового шарошечного долота, включающая цапфу лапы, шарошку, ряды больших и малых роликов, ряд шариков, служащих замковым подшипником, отличающаяся тем, что на подвижную часть опоры устанавливают бронзовые втулки, имеющие сквозные сегментные пазы на внешних цилиндрических поверхностях по количеству роликов в соединении и меняющие свои геометрические параметры внутренних поверхностей под воздействием внешних сил.