Разборное буровое шарошечное долото с равнонадежными опорными подшипниками

Полезная модель относится к буровой технике, а именно к конструкциям породоразрушающего инструмента - шарошечного долота, предназначенного для бурения скважин в нефтяной, газовой, геолого-разведочной, горно-рудной, угольной и других отраслях. Техническим результатом является повышение надежности и долговечности долота с прогнозируемым ресурсом его работоспособности. Разборное шарошечное долото содержит:

1. корпус;

2. шарошки;

3. цапфы;

4. штифты;

5. винты (масленки).

6. замковые шарикоподшипники;

7. фланцы;

8. ролики цилиндрические;

9. вкладыши подшипника скольжения;

10. заглушки.

Полезная модель относится к буровой технике, а именно к конструкциям породоразрушающего инструмента - шарошечного долота, предназначенного для бурения скважин в нефтяной, газовой, геолого-разведочной, горно-рудной, угольной и других отраслях.

Известны конструкции буровых шарошечных долот, где опоры шарошек различаются между собой по видам (В, Н, А, ВУ, НУ, АУ) ГОСТ 20692-2003. Во всех конструкциях шарошечных долот сборка замкового шарикоподшипника производится через специально высверленные технологические отверстия в секциях лап. В опорах шарошек, выполненных по схеме РШР (ролик-шарик-ролик) замковый шарикоподшипник размещен в центре рабочей зоны цапфы. Подобные схемы применяются и в других долотах. Недостатком подобных схем является быстрое изнашивание замкового шарикоподшипника из-за неравномерного распределения нагрузки на подшипники опоры.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является патент 2067150 от 27.09.96 г.- прототип, где авторы пытались получить равнонадежные и равнодолговечные показатели работы подшипников качения за счет их перестановки без изменения размеров объема полости шарошки (замковый шарикоподшипник установлен на место малого роликового подшипника, а малый роликовый размещен сразу за большим роликовым подшипником качения). Недостатком такой опоры является уменьшение размеров замкового шарикоподшипника, что ведет к его быстрому износу, т.е. к снижению долговечности опоры в целом.

Техническая задача заявленного изобретения заключается в создании разборной конструкции долота с прогнозируемым ресурсом работоспособности, ремонтопригодной, долговечной, надежной, менее трудоемкой в изготовлении, не требующей громоздкого прессово-штамповочного оборудования, в использовании простой технологической оснастки и минимума металлообрабатывающих станков и несложной метрологической подготовки производства, менее затратной, удобной для исследований, с минимально унифицированными, взаимозаменяемыми деталями и узлами, а также отказа от сварки еекций лап. За счет разборности сделать долото конструктивным, технологичным и перспективным для дальнейшего совершенствования, а также конкурентноспособным на зарубежном и внутреннем рынках. За счет увеличения размеров тел качения и уменьшения количество беговых дорожек сделать опору более надежной, увеличить долговечность опорных подшипников.

Техническая задача заявленной полезной модели достигается новыми конструктивными решениями. В отличие от прототипа (патент 2067150 от 27.09.96 г.) в предлагаемую конструкцию внесены следующие изменения:

- корпус цельный, в верхней части которого выполнена конусная замковая резьба по ГОСТ 5286-75, образующая ниппельную часть долота. Наружная поверхность нижней части корпуса выполнена в виде цилиндров. Внутренняя полость корпуса выполнена полой в виде усеченного конуса. Корпус имеет сквозное отверстие для промывки (продувки) скважины. Три боковые полуокружности на корпусе предназначены для выноса разбуренной породы из скважины;

- узлы в сборе содержат шарошки, цапфы, подшипники качения, подшипники скольжения и втулки антифрикционные, усилены верхним замковым шарикоподшипником, большим роликовым и подшипником скольжения;

- монтаж замкового шарикоподшипника производится непосредственно через тело шарошки, без повреждения вооружения и ослабления сечения секции лапы;

- соединение цапфы с корпусом долота осуществляется с помощью конусного хвостовика цапфы и сквозных вырезов (пазов) на корпусе долота;

- крепление хвостовика цапфы и корпуса осуществляется с помощью штифтов (количество штифтов определяется расчетом их на срез от возможного крутящего момента в случае заклинивания долота);

- сечение цапфы в наиболее опасных местах, в том числе посадочные размеры под подшипники качения выполнены по соотношению d/D=0.2, где d - диаметр цапфы в месте посадки подшипника, D - диаметр долота;

- замковый шарикоподшипник, воспринимающий значительные (до 60%) радиальные и аксиальные нагрузки от осевого усилия и реакции забоя перемещен в крайнее верхнее положение, что позволяет значительно увеличить его размеры, не уменьшая допустимую толщину стенок шарошек (до 7 мм);

- совмещение большого роликового подшипника с замковым шарикоподшипником в зоне стыка прямого и обратного конусов шарошек позволяет разгрузить большой роликовый подшипник от нагрузки на него от реакции забоя.

Поэтому заявленное изобретение соответствует критерию «НОВИЗНА».

Предлагаемое техническое решение дает следующие возможности:

- снизить затраты на изготовление за счет технологичности;

- упростить технологию сборки и контроля;

- повысить долговечность опоры за счет увеличения размеров подшипников;

- отказаться от случайной формы и большого количества беговых дорожек на цапфе и на шарошке;

- применять другие виды опор, кроме регламентированных ГОСТ 20692-2003;

- обеспечить равнонадежность опорных элементов и продлить жизненный цикл ниппеля, корпуса и секций лап за счет многократности использования и своевременной замены изношенных деталей;

- прогнозировать ресурс работоспособности долота и обеспечить равнопрочность опоры и вооружения;

- применять серийные стандартные металлообрабатывающие станки;

- уменьшить или сократить состав оборудования за счет отказа от энергозатратного прессово-штамповочного оборудования;

- выполнять сборку и разборку долот на заводах изготовителях и на местах эксплуатации;

- применять межпроизводственную кооперацию для изготовления отдельных деталей и узлов;

- обеспечить возможность смены шарошек по износу, по переводу на другой тип вооружения по назначению (с фрезерованного вооружения на твердосплавное);

- разработать методику проектирования долот с учетом их назначения;

- использовать корпус, секции лап, как многооборотные и многоцелевые детали;

- обеспечить ремонтопригодность долот;

- исследовать процессы изнашивания и отказа долот;

- разделить долота на низкооборотные и высокооборотные, на простые и сложные, по конструктивному исполнению (с масленкой и герметизированной опорой или более простые без масленок и герметизации), для горнодобывающей и других отраслей промышленности).

На фиг.1 показано буровое шарошечное долото в сборе, которое состоит из:

1. корпуса;

2. шарошек;

3. цапф;

4. штифтов;

5. винтов (масленок).

6. замкового шарикоподшипника;

7. фланцев;

8. роликов цилиндрических;

9. вкладышей подшипника скольжения;

10. заглушек.

На фиг.2 показан корпус 2.

На фиг.3 показана секция лап или узел в сборе.

Сборка долота осуществляется в следующей последовательности:

1. вкладыш 9 вставляется в шарошку 2;

2. на цапфу 3 надевается фланец 7;

3. затем цилиндрические ролики 8 размещаются внутри шарошки 2 или размещается на цапфе 3 (перевязываются ниткой);

4. цапфу 3 с фланцем 7 и с собранными (зафиксированными) на ней цилиндрическими роликами 8 опускают во внутреннюю полость шарошки 2;

5. через технологическое отверстие А вставляются тела качения замкового шарикоподшипника, после чего отверстие закрывается заглушкой 10, сборка узла в сборе закончена;

6. собранный узел в сборе вставляется в сквозное боковое отверстие корпуса 1 и фиксируется штифтами 4;

7. с помощью шприца нагнетается масло в отверстие цапфы Б, затем винтом 5 закрывается отверстие Б. После заправки маслом шарошку прокрутить рукой.

Предложенная конструкция имеет ту особенность, что секции лап не соединены между собой продольными сварными швами. Это исключает их разлом от разновысотности секций лап или постепенного разрушения сварных швов в результате эрозии. Осевое усилие на долото и реакция забоя направлены не на срез и разрыв сварных швов. Основная осевая нагрузка на долото направлена перпендикулярно осям секций лап, детали долота работают в этом случае на сжатие. В серийных долотах осевая нагрузка постепенно стремится срезать сварные швы, угрожая выпадением секций лап в забой.

Сближение большого шарикового подшипника с большим роликовым подшипником в зоне наибольших нагрузок от реакции забоя на стыке прямого и обратного конусов позволяет увеличить надежность и долговечность опоры шарошек и приблизить их к равнонадежности и равнодолговечности. Большой подшипник скольжения снижает скорость изнашиваемости торца цапфы, сохраняя определенное время аксиальные зазоры в допустимых пределах. Фиксация цапфы относительно корпуса позволяет удерживать узел в сборе от выпадения его в забой. Монтаж шарикоподшипника через поверхность шарошки уменьшает риск изгиба и сохраняет жесткость секций лап, уменьшая вибрацию продольных колебаний.

Шарошечное долото, состоящее из секций лап, опор шарошек и размещенных в них подшипников качения, отличаются от выпускаемых промышленностью тем, что корпус долота цельный с боковыми сквозными отверстиями для монтажа укороченных секций лап, со сквозным центральным отверстием для подачи воздуха, воды в забой, с тремя полуотверстиями для очистки забоя; шарошки смонтированы на укороченных цапфах, выполняющих роль секций лап; опора шарошек выполнена по схеме СРШ, скольжения-ролик-шарик, с антифрикционными деталями; монтаж шарикового замкового подшипника осуществляется через отверстие в теле шарошки; крепление секций лап к корпусу долота осуществляется штифтами, при необходимости сваркой; смазка подшипников осуществляется через центральное отверстие, которое перекрывается винтом, масленкой.