ПОДШИПНИКОВАЯ ОПОРА ШАРОШКИ БУРОВОГО ДОЛОТА Российский патент 2011 года по МПК E21B10/22 

Изобретение относится к буровой технике, к конструкции шарошечного долота для бурения скважин, подшипниковым узлам, воспринимающим большие односторонние осевые и радиальные нагрузки.

Известны конструкции подшипниковых опор шарошки буровых долот, содержащих цапфу и установленные на ней радиально-упорные подшипники конусностью навстречу друг к другу (широкой стороной наружного кольца друг к другу) и закрепленную на них шарошку (RU 2136836 C1, 6 E21В 10/22). Решение обеспечивает жесткость опоры, но снижает несущую способность подшипникового узла, так осевая нагрузка от одного из подшипников дополнительно нагружает осевой силой другой подшипник, уже воспринимающий одновременно в том же направлении осевую нагрузку от воздействия шарошки.

Наиболее близким техническим решением является решение по а.с. SU 1170108 А (прототип), содержащее секции с цапфами, на каждой из которых установлены тандемом два радиально-упорных подшипника, соединенных с шарошкой, удерживаемой на цапфе замковым (фиксирующим) подшипником. Тандемная установка подшипников обеспечивает высокую осевую несущую способность подшипникового узла, снижение вибрации шарошки из-за наличия натяга подшипников, но уменьшает жесткость опоры из-за малой ее рабочей длины, а нерациональное расположение относительно действующих сил ведет к заклиниванию шарошки.

Задачей изобретения является повышение несущей способности подшипниковой опоры в условиях воздействия высоких радиальных и односторонних осевых сил, вибрационной стойкости и жесткости опоры при возникновении момента сил.

Указанная задача решается тем, что в известной подшипниковой опоре, содержащей цапфу, установленные на ней радиально-упорные подшипники с закрепленной на них посредством замкового (фиксирующего) подшипника шарошкой, увеличивают рабочую длину подшипниковой опоры с одновременным обеспечением работы подшипников в тандеме. Для этого радиально-упорные подшипники вершинами конусов, образованных касательными к точкам контакта, или продолжением линий контакта контактных поверхностей, направлены противоположно друг к другу, причем соединяют разноименные контактные поверхности - наружная контактная поверхность одного из подшипников соединена с внутренней контактной поверхностью другого подшипника, а внутренняя контактная поверхность первого подшипника соединена с наружной контактной поверхностью другого подшипника в блоки, а эти блоки соединены соответственно либо с цапфой, либо с шарошкой, а последние между собой соединены посредством замкового (фиксирующего) подшипника.

Фиг.1 - принципиальная схема подшипникового узла;

Фиг.2, фиг.3 - варианты технического решения подшипникового узла.

Подшипниковая опора шарошки буровых долот (фиг.1) содержит радиально-упорные подшипники 1 и 2, причем наружное кольцо одного из подшипников, например 1, соединено с внутренним кольцом другого подшипника, например 2, а внутреннее кольцо первого подшипника с наружными кольцами второго подшипника в блоки А и В, которые объединены соответственно либо с шарошкой 3 и с цапфой лапы 4 (фиг.2), либо блок А с цапфой 4 (фиг.3), а блок В с шарошкой 3. Во втором случае (фиг.3) появляется возможность взаимодействия части поверхности блока А с шарошкой в качестве подшипника С как вспомогательного при больших нагрузках. Цапфа 4 и шарошка 3 соединены между собой посредством замкового (фиксирующего) подшипника 5 и или оси 6, или тягой 7. Взаимное фиксированное положение шарошки и цапфы можно обеспечить стопорными кольцами и другими средствами, так как соединение не воспринимает нагрузок при работе.

Работа подшипниковой опоры осуществляется следующим образом. При работе долота возникает осевая нагрузка на долото. Это осевое усилие (фиг.1) вызывает в опоре осевые, вдоль оси вращения шарошки 3 (фиг.2, фиг.3), и радиальные, перпендикулярные оси вращения шарошки, усилия. Осевое усилие (Fa) воспринимается подшипниками 1 и 2 совместно, так как они установлены по силовой схеме «тандем», что увеличивает несущую способность подшипникового узла. Равная осевая жесткость подшипников достигается применением одинаковых углов контакта подшипников. Радиальная нагрузка () воспринимается обоими подшипниками. Увеличение жесткости подшипникового узла обеспечивается установкой подшипников вершинами конусов, образованных касательными к точкам контакта, или продолжением линий контакта контактных поверхностей (по схеме «0» - сопряжением двух широких торцов наружных колец) противоположно друг к другу, что увеличивает рабочую длину подшипникового узла - расстояния между точками A₁ и A₂ (фиг.1) для радиально-упорных подшипников. Увеличение жесткости опоры ведет к увеличению несущей способности к восприятию опрокидывающих (изгибающих) моментов. Соотношение осевой и радиальных сил, воздействующих на шарошку, предопределяет натяг в подшипниках и определяется углом отклонения (φ) оси шарошки от вертикали

Fa/F_r=Fcosφ/Fsinφ=ctgφ

Тогда углы контакта (α) радиально-упорных подшипников подшипникового узла должны быть близки или преимущественно равны и связаны с углом отклонения (φ) оси вращения шарошки от вертикали соотношением α=arctg1/(ktgφ),

где k - коэффициент натяга, равный 0,8÷1,9, преимущественно 0,8÷1,2 для подшипников скольжения; 1,2÷1,9 для подшипников качения.

Возникающий при работе натяг подшипников исключает зазор в подшипниках в этих условиях, перекос их колец и, тем самым, уменьшает уровень вибрации. Равенство углов контакта подшипников α₁ и α₂ также исключает перекос колец при взаимном осевом смещении шарошки и цапфы, т.к. лучи О₁ М и O₂ N параллельны.

Удержание шарошки 3 на цапфе 4 необходимо только в нерабочем состоянии, в рабочем состоянии замыкание силовое, силами Fa. Удержание шарошки производится замковым (фиксирующим) подшипником 5 посредством оси 6 или тяги 7, связывающих между собой шарошку 3 и цапфу 4. Фиксирующим подшипником может служить стопорное кольцо, связывающее шарошку и цапфу. Установка замыкающего подшипника в полой цапфе позволяет увеличить пространство для установки уплотнения на подшипниковый узел.

Изобретение относится к буровой технике, к конструкции шарошечного долота для бурения скважин, подшипниковым узлам, воспринимающим большие односторонние осевые и радиальные нагрузки. Технический результат - повышение несущей способности подшипниковой опоры, жесткости и вибрационной стойкости опоры. В подшипниковом узле шарошки радиально-упорные подшипники установлены конусностью навстречу друг другу, что обеспечивает увеличение рабочей длины опоры и ее жесткость, а соединение разноименных контактных поверхностей - наружных колец одного из подшипников с внутренним другого - обеспечивает их работу в «тандеме», что повышает несущую способность подшипникового узла в осевом направлении. Причем угол контакта подшипников, работающих в «тандеме», определяется углом отклонения оси вращения шарошки от вертикали и необходимым усилием натяга тандемных подшипников, создаваемого рабочей нагрузкой. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Подшипниковая опора шарошки бурового долота, содержащая цапфу секций, установленные на ней радиально-упорные подшипники, на которых закреплен корпус шарошки посредством замкового подшипника, отличающаяся тем, что подшипники вершинами конусов, образованных касательными к точкам контакта или продолжением линий контакта контактных поверхностей, направлены противоположно друг к другу, причем между собой в блоки соединены разноименные контактные поверхности - наружная контактная поверхность одного из подшипников соединена с внутренней контактной поверхностью другого подшипника, внутренняя контактная поверхность первого подшипника соединена с наружной контактной поверхностью другого подшипника, а блоки соответственно объединены либо с цапфой, либо с шарошкой, причем последние между собой взаимодействуют посредством замкового (фиксирующего) подшипника.

2. Подшипниковая опора шарошки бурового долота по п.1, отличающаяся тем, что углы контакта (α) тандемных подшипников преимущественно численно близки друг к другу и связаны с углом отклонения (φ) оси вращения шарошки от вертикали соотношением
α=arctg1/(ktgφ),
где k - коэффициент натяга, k=0,8÷1,9,
предпочтительно k=0,8÷,2 - для подшипника скольжения;
k=1,1÷1,9 - для подшипника качения.

3. Подшипниковая опора шарошки бурового долота п.1, отличающаяся тем, что замковый (фиксирующий) подшипник установлен в полых цапфе или шарошке и соединен с ответным элементом или осью, или тягой.