Герметизированная опора бурового шарошечного долота Советский патент 1982 года по МПК E21B10/22 

1

Изобоетение относится к буровой технике, а более конкретно к конструкции буровых шарошечных долот.

Известны опоры шарошечных долот, снабженные герметизирующими узлами, лредна;значенными для защиты опор от загрязнения промывочным раствором с содержащимися в нем твердыми частицами горных пород. Вконструкциях этих долот в пространство между торцовыми поверхностями шарошки и цапфы лапы вводятся разного рода уплотнительные элементы tl.

Недостатком этих уплотнений является невысокая надежность герметизации опоры вдоль скользящего контакта вследствие износа уплотняющих кромок в абразивной среде и образования зазора в уплотняемой паре под воздействием вибрации, возникающей при бурении.

Известна также герметизированная опора бурового шарошечного долота, снабженная эластичной уплотняющей

манжетой, армированной упругим каркасом в виде тарельчатой пружинь с ободом по внешней периферии. Уплотняющая манжета своим ободом входит в кольцевую расточку шарошки.. При сборке шарошки с лапой манжета образует неподвижное соединение с цапфой лапы и скользящий контакт с шарошкой за счет усилия прижатия обода упругого каркаса к кольцевой расточке .шарош10ки. Величина этого усилия определяется величиной осевой деформации каркаса и его жесткостью 2.

Такое уплотнение обладает рядом j положительных свойств при герметизации опоры в статическом состоянии долота.

К недостаткам этой манжеты- следует отнести ненадежность уплотнения при динамических нагружениях, а так20же при большой скорости вращения до- лота.

Статическое нагружение долота за счет деформации тел качения и шарош39также имеющихся люфтов в соеди нении, приводит к тому, что ось шарошки при работе эксцентрично смещена относительно оси цапфы. Кроме того, в процессе бурения от перекатывания зубьев шарошки по забою возникают пульсационные нагрузки, которые циклически смещают шарошку относительно цапфы в осевом и радиальном направлениях. Эти смещения при макси мальном удалении шарошки от торца лапы приводят к уменьшению осевого сжатия каркаса уплотнения, т.е. к ослаблению силы прижатия обода карка са к кольцевой расточке, что, в свою очередь, вызывает временную разгерметизацию опоры. Объемная деформация шарошки при ее бурении на забое, а также наЬосный эффект, возникаю-, щий при вращении шариков замкового подшипника, вызывают пульсации давления смазки, находящейся в опоре долота. Сила, созданная этой пульса,цией при недостаточном прижатии обода каркаса к кольцевой расточке шарошки, отгибает внешнюю периферию манжеты и разгерметизирует опору. Целью изобретения является увеличение долговечности опоры при высокооборотном бурениу за счет обеспечения самотормрзящего силового замыкания уплотняющей манжеты с боковой поверхностью кольцевой расточки шарошки . Указанная цель достигается тем, что в опоре бурового шарошечного долота, включающей шарошку с.беговыми дорожками и уплотняемой поверхностью в виде кольцевой расточки, цапфу лапы, тела качения, уплотняющую манжету из эластомерного материала, армированную упругим каркасом в виде тарельчатой пружины с пазами на внешней кромке, каркас уплотняющей манже ты имеет криволинейную кромку с профилем, выполненным, например, по спи рали Архимеда, а манжета имеет два торцовых уплотняющих выступа со стороны лапы, расположенных эксцентрично относительно беговых дорожек шарошки, два уплотняющих выступа по кольцевой расточке шарошки, внешний из которых соответствует профилю кри волинейной кромки каркаса, а часть манжеты, контактирующая с цапфой, вы полнена подпружиненной относительно нее, причем развертка линии контакта этой части манжеты с цапфой имеет форму кривой, например синусоиды. Радиальная уплотняемая поверхность цапфы выполнена эксцентричной относительно поверхностей бегобых дорожек. Кольцевая расточка в шарошке выполнена сужающейся в направлении к лапе, причем угол наклона образующей расточки к оси шарошки меньше угла трения самоторможения криволинейной кромки манжеты по кольцевой расточке шарошки. Такая крнструкция позволяет создать неподвижное герметизированное соединение упругого каркаса манжеты с шарошкой за счет самозаклинивания этих деталей в собранной опоре, а скользящий контакт осуществить по обработанной поверхности цапфы лапы при помощи независимого подпружинивания. Увеличение надежности герметизации по скользящему контакту при бурении достигается центрированием манжеты в собранной опоре за счет эксцентричного выполнения уплотняемой поверхности цапфы лапы, а также улучшения смазки уплотняющих кромок. На фиг. 1 изображена предлагаемая опора шарошечного долота в сборе с частичным вырезом корпуса шарошки и элементами конструкции уплотняющей манжетыJ на фиг. 2 - конструкция армирующего упругого каркаса; на фиг.З конструкция уплотняемой поверхности лапы долота-, на фиг. k - развертка радиальной уплотняющей кромки. Герметизированная опора шарошечного долота содержит шарошку 1, лапу, 2 с цапфой 3, в беговых дорожках которых размещены тела качения k подшипников. Между торцом шарошки 1 и« поверхностью опорной части лапы 2 размещена уплотнительная манжета 5. Со стороны козырька лапы 2 опора долота уплотняется выступами А и Б манжеты и в радиальном направлении частью манжеты D, с натягом обхватывающей цапфу 3 лапы 2 при помощи круговой спиральной пружины 6. Со стороны кольцевой расточки шарошки уплотнение достигается двумя концентрическими выступами В и Г, последний из которых прилегает к фаске на поверхности большой роликовой дорожки. Эластичная манжета армирована тарельчатой шайбой 7, на внешней периферии которой выполнены радиальные пазы. По внешней периферии шайба также имеет криволинейную профилированную кромку, выполненную по спирали 5 Архимеда или по другой кривой, обеспечивающей при осевой деформации шай бы 7 самотормозящееся силовое замыкание между каркасом манжеты и кольцевой расточкой шарошки 1. Диаметр . тарельчатой шайбы 7 по внешней периферии выполнен , таким образом, чтобы в свободном.состоянии обеспечивалась подвижная посадка манжеты в кольцевую расточку шарошки 1. Два торцовых уплотняющих выступа А и Ь со стороны козырька лапы выпол нены эксцентричными относительно поверхностей беговых дорожек шарошки. Линия контакта части манжеты DC цапфой лапы имеет форму кривой линии например синусоиды. Уплотняемая поверхность цапфы лап (поверхность D) выполнена эксцентрич ной относительно поверхностей беговых дорожек. Величина эксцентриситета несколько больше величины радиаль ного зазора в опоре и направлена в сторону действия силы при бурении. Кольцевая расточка в шарошке выпо нена конически сужающейся в направле нии к козырьку лапы, причем угол нак лона образующей выточки к оси шарошк меньше угла трения самоторможения. В процессе сборки манжету 5 (совместно с пружиной 6) устанавливают уплотняемой поверхностью D на цапфу 3. При установке шарошки 1 на цапфу 3 происходит предварительная упругая деформация манжеты 5 вместе с армирующим каркасом, вследствие чего в собранном долоте уплотняющая манже та занимает вдоль оси цапфы место примерно на 2Q% меньше, чем в свобод ном состоянии. При осевой деформации увеличивает ся наружный диаметр тарельчатой пружины и одновременно происходит пово рот профилированного участка относительно мгновенного центра вращения до силового замыкания с боковой поверхностью кольцевой расточки шарошк Так как угол подъема профиля криволи нейного участка каркаса меньше угла трения, то происходит самозаклинивание указанных поверхностей, которое не устраняется даже при снятии осевой нагрузки, т.е. при возможных пульсационных перемещениях шарошки относительно цапфы лапы. Надежность соединения увеличивается за счет того,, что боковая поверхность кольцевой расточки выполнена сужающ,ейся в направлении к лапе долота. 3 Для предотвращения выдавливания смазки опоры при осевых перемещениях шарошки, а также для выравнивания давления смазки с давлением промывочной жидкости в лапе долота установлен компенсационный узел в виде вялой эластичной мембраны. В окончательной стадии изготовления долота полости подшипниковых узлов шарошек и полости компенсаторного узла заполняются вакуумирозанным смазывающим составом. Зо время работы долота шарошка . смещается относительно лапы на величину радиального зазора в подшипниках так, что манжета устанавливается концентрично относительно уплотняемой поверхности цапфы лапы, вследствие чего создается разгруженный скользящий контакт между уплотняемой поверхностью цапфы лапы и манжетой, причем предварительная упругая деформация каркаса обеспечивает компенсацию износа манжеты. Дополнительная компенсация износа достигается также за счет прижатия манжеты круговой спиральной пружиной. При , люфтовых смещениях шарошки герметичность неподвижного соединения манжеты с шарошкой не нарушается, так как достигается самозаклинивание контактирующих поверхностей, а герметичность скользящего контакта также не нарушается, поскольку манжета обхватывает цапфу с натягом.и одновременно, благодаря прорезям тарельчатой шайбы и круговой спиральной пружине, обладает значительной радиальной податливостью при сохранении необходимой жесткости и механической прочности. Конструкция уплотняющих выступов манжеты при вращении шарошки Г1ОЗВоляет обеспечить надежную смазку поверхностей контакта за счет периодического изменения положения линии контакта, так как два торцовых уплотняющих выступа манжеты со стороны козырька лапы расположены эксцентрично беговым дорожкам подшипников, а часть манжеты, охватывающая цапфу лапы, имеет форму кривой, например синусоиды. Благодаря этому происходит постоянное обновление слоя смазки на контактных поверхностях лапы. Этим также достигается значительное увеличение поверхности теплоотвода, что уменьшает перегрев и износ контактирующих кромок манжеты. 7 Выполнение герметизированной опор шарошечного долота в соответствии с описанной конструкцией придает ему ряд новых положительных качеств, а именно: aj повышенную надежность гермети-зации узла, шарошки, так как скользя щий контакт уплотняющей манжеты осуществляется по ее внутренней периферии с меньшей длиной контактной лини при меньшей линейной скорости скольжения; весьма существенным преимуществом конструкции уплотнякзщего уст ройства, влияющим на повышение его износостойкости, является то, что изза вращения манжеты совместно с шарошкой, при перекосах последней, не возникает местного износа уплотняющего выступа (как это происходит в уплотнениях, неподвижных относительно цапфы)5 б)меньшую суммарную жесткость каркаса в осевом и радиальном направлениях без снижения его прочности, , что во-первых, уменьшает износ выступов уплотняющей манжеты, а, во-вторых способствует улучшению запуска шарошки при бурении-, в)способность обеспечивать надежную герметизацию при осевом или радиальном сдвиге торца шарошки или при ее качении относительно оси цапфы,так как-локальная деформация какого-либо участка уплотняющей манжеты вызовет упругую деформацию соответствующего участка армирующего каркаса без изменения состояния остальной его части, кроме того, шарошка неподвижно и плотно соединена с уплотняющей манжетой, а перекатывание происходит по периферии цапфы без проскальзывания, что обеспечивается положением мгновенного центра вращения при качании шарошки на образующей цапфы лапы. г)высокую надежность соединения эластомерных слоев манжеты с армирующим каркасом, так как впадины между зубьями каркаса позволяют прочно сое диниться между собой тем слоям эластомера, которые облегают армирующий каркас с обоих его торцов. Таким образом, зубья каркаса располагаются в карманах из эластомерного материала, благодаря чему уплотняющая манжета остается работоспособной даж в случае отслоения эластомера от армирующего каркаса. 3 8 Формула изобретения 1.Герметизированная опора бурового шарошечного долота, включающая ша- рошку с беговыми дорожками и уплотняемой поверхностью в виде кольцевой расточки, цапфу лапы, тела качения, уплотняющую манжету из эластомерного материала, армированную упругим каркасом в виде тарельчатой пружины с пазами на внешней кромке, отличающаяся тем, что, с целью увеличения долговечности опоры при высокооборотном бурении за счет обеспечения самотормозящего силового замыкания уплотняющей манжеты с боковой поверхностью кольцевой расточ си шарошки, каркас уплотняющей манжеты имеет криволинейную кромку с профилем, выполненным, например, по спирали Архимеда, а манжета имеет два торцовых уплотняющих выступа со стороны, лапы, расположенных эксцентрично относительно беговых дорожек шарошки, два уплотняющих выступа по кольцевой расточке шарошки, внешний из которых соответствует профилю криволинейной кромки каркаса, а часть манжеты, контактирующая с цапфой, выполнена подпружиненной относительно нее, причем развертка линии контакта этой части манжеты с цапфой имеет форму кривой, например синусоиды. 2.Опора по п. 1,отличающ а я с я тем, что радиальная уплотняемая поверхность цапфы выполнена эксцентричной относительно поверхностей беговых дорожек. 3.Опора по п. 1,отличающ а я с я тем, что кольцевая раст&чка в шарошке выполнена сужающейся в направлении к лапе, причем угол наклона образующей расточки к оси шарошки меньше угла трения самоторможения криволинейной кромки манжеты по кольцевой расточке шарошки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 597805, кл. Е 21 В 9/10. 19752. Патент США № 3370895, кл. 308-8.2, опублик. 1968 (прототип).

Фиг.г

sT