Способ сборки шарошечного долота

 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к буровым шарошечным долотам. Способ сборки шарошечного долота заключается в том, что предварительно собирают секции, состоящие из шарошек N типов (N>1), установленных на цапфах лап и закрепленных замковым подшипником, и затем секции соединяют между собой сваркой. Лапы и шарошки каждого типа нумеруют, в опорах лап и шарошек замеряют диаметральные и линейные размеры D, d, D_ш, d_ш, Н, h, Н_ш, h_ш, заносят их в ЭВМ и с помощью специально разработанной программы подбирают сначала для каждого типа и номера шарошек, используемых в долоте, лапу с наименьшей разностью радиальных и линейных зазоров ΔR и ΔH, а затем для каждого долота подбирают секции с минимальными отличиями по ΔR и ΔH, где D, d - диаметры большого и малого радиальных подшипников лапы; D_ш, d_ш - диаметры большого и малого радиальных подшипников шарошки; Н, h - расстояния от оси шариковой дорожки лапы до пяты и упорного бурта; Н_ш, h_ш - расстояния от оси шариковой дорожки шарошки до подпятника и упорного бурта. Полностью исключается случайная компоновка как отдельных секций, так и долот из этих секций. Способ сборки с оптимальной разностью зазоров в опорах и секциях долота обеспечивает практически одновременное вступление в контакт соответствующих рабочих поверхностей подшипников и более равномерное распределение контактных нагрузок, что значительно увеличивает стойкость опоры и проходку на долото. 5 ил.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к буровым долотам.

Известен способ сборки шарошечных долот со случайным подбором лап и шарошек и компоновкой долот из секций [1].

Недостатком этого способа является то, что размеры лап и шарошек подбираются случайно в пределах поля допуска. Это приводит к существенным отличиям величин зазоров как в радиальных, так и в упорных подшипниках опор, что обусловливает неодновременное вступление в контакт соответствующих рабочих поверхностей, значительное увеличение удельных нагрузок и преждевременный выход опоры из строя. Кроме того, случайная компоновка долот из секций приводит к значительным отличиям секций одного долота по качеству сборки, ограничивает ресурс долота наихудшей из подобранных секций.

Известен способ сборки опор долот [2] , при котором лапы и шарошки раскладывают в порядке возрастания разности диаметров радиальных подшипников скольжения и осуществляют последовательную сборку секций в порядке убывания разности радиальных зазоров, а в случае изготовления партии долот более 50 штук лапы и шарошки сортируют по этому параметру по размерным группам и в пределах размерных групп осуществляют случайную сборку.

Недостатком этого способа является то, что полностью не исключается случайная сборка секций, что снижает ее точность. Кроме того, не учитываются величины зазоров в упорных подшипниках скольжения, следствием чего является неравномерное распределение контактных нагрузок в опоре с преимущественным нагруженном радиальных подшипников. Последовательная сборка секций без учета номера шарошки (вершины) затрудняет компоновку долот из секций и не позволяет подобрать в одном долоте секции, близкие по качеству сборки.

Целью настоящего изобретения является повышение стойкости опоры долота, увеличение его проходки за счет снижения максимальных контактных нагрузок на основе обеспечения более равномерного распределения нагрузок по подшипникам как в пределах опоры отдельной секции, так и по всем секциям долота.

Указанная выше цель достигается тем, что при сборке шарошечного долота, включающей сборку отдельных секций из лап и шарошек и соединение секций между собой сваркой, лапы и шарошки каждого типа нумеруют, в опорах лап и шарошек замеряют диаметральные и линейные размеры D, d, D_ш, d_ш, Н, h, Н_ш, h_ш, заносят их в ЭВМ и с помощью специально разработанной программы подбирают сначала для каждого типа и номера шарошек, используемых в долоте, лапу с наименьшей разностью радиальных и линейных зазоров ΔR и ΔH, а затем для каждого долота подбирают секции с минимальными отличиями по ΔR и ΔH, где: D, d - диаметры большого и малого радиальных подшипников лапы; D_ш, d_ш - диаметры большого и малого радиальных подшипников шарошки; Н, h - расстояния от оси шариковой дорожки лапы до пяты и упорного бурта; Н_ш, h_ш - расстояния от оси шариковой дорожки шарошки до подпятника и упорного бурта.

Такая процедура сборки долот позволяет решить задачу повышения стойкости их опор и проходки путем распределения реакции забоя по возможно большему числу рабочих поверхностей подшипников опор и, таким образом, снижения максимальных удельных нагрузок в зонах контакта элементов опор. Секции долот подбирают с близкими параметрами ΔR и ΔH, что обеспечивает практически одинаковое качество их сборки и, как следствие, стойкость опор.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемый способ сборки отличается тем, что комплектация секций долот выполняется не по одному комплексному параметру ΔR, а по двум - ΔR и ΔH, определяющим рабочий контакт радиальных и упорных подшипников опоры, а при компоновке долот секции для одного долота подбираются с минимальными отличиями по ΔR и ΔH, обеспечивая близкое качество их сборки. Таким образом, заявляемый способ сборки долот соответствует критерию изобретения "новизна".

На фиг.1 показана цапфа лапы долота; на фиг.2 показана опора шарошки долота; на фиг.3 показан вариант контакта рабочих поверхностей цапфы и шарошки под действием реакции забоя G.

На цапфе 1 (фиг.1) имеются: радиальная поверхность большого подшипника скольжения 2 диаметром D, радиальная поверхность малого подшипника скольжения 3 диаметром d, упорный подшипник скольжения (упорный бурт) 4, торцевой подшипник скольжения (пята) 5 и шариковая беговая дорожка 6 замкового подшипника. Поверхности скольжения 4 и 5 расположены соответственно на расстоянии h и Н от оси шариковой беговой дорожки.

На шарошке 7 (фиг.2) имеются: радиальная поверхность большого подшипника скольжения 8 диаметром D_ш; радиальная поверхность малого подшипника скольжения 9 диаметром d_ш; упорный подшипник скольжения (упорный бурт) 10; торцевой подшипник скольжения 11. Поверхности 10 и 11 расположены от оси шариковой беговой дорожки соответственно на расстоянии _ш и Н_ш.

На шарошку (фиг.3) в процессе работы действует сила реакции забоя G, которая распределяется по радиальным и упорным подшипникам в зависимости от величины разности радиальных зазоров ΔR = (D_ш-D-d_ш+d)/2 (1) и линейных зазоров ΔH = H_ш-H-h_ш+h (2) При существующих допусках на диаметральные и линейные размеры эти комплексные параметры изменяются в широких пределах: разность радиальных зазоров ΔR=-0,1...+0,1,
разность линейных зазоров ΔH=-0,23...+0,23,
что не обеспечивает одновременного вступления в контакт рабочих поверхностей подшипников, приводит к перегрузке одного из них и выходу из строя опоры долота.

Если ΔR<0, то в контакт вступают поверхности 2 и 8 большого подшипника скольжения, а между поверхностями 3 и 9 малого подшипника скольжения имеет место зазор ΔR, вследствие чего вся радиальная составляющая нагрузки G воспринимается большим подшипником скольжения, если ΔR>0, то вся радиальная нагрузка распределяется по малому подшипнику скольжения, если ΔR=0, то радиальная нагрузка распределяется по обоим радиальным подшипникам, что позволяет снизить максимальные контактные нагрузки на рабочие поверхности цапфы 2 и 3, уменьшить угол поворота оси шарошки относительно оси цапфы и тем самым увеличить стойкость опоры.

При разности линейных зазоров ΔH<0 в контакт вступают поверхности 5 и 11 торцевого подшипника, а между поверхностями 4 и 10 имеется зазор величиной ΔH, поэтому вся осевая составляющая силы G воспринимается торцевым подшипником скольжения, при ΔH>0 вся осевая нагрузка приходится на упорный бурт 4, при ΔH= 0 осевая нагрузка распределяется по двум упорным подшипникам, что позволяет уменьшить максимальные контактные нагрузки на поверхности 4 и 5 цапфы, увеличить жесткость опоры, уменьшить угол перекоса и повысить стойкость опоры.

В процессе сборки долот по предлагаемой методике необходимо выполнять условия:
разность радиальных зазоров ΔR_→min, (3)
разность линейных зазоров ΔH_→min. (4)
Чем ближе значения разностей зазоров ΔR и ΔH к нулю, тем равномернее распределяется нагрузка G по подшипникам, тем выше жесткость опоры и, следовательно, ее стойкость. В пределах одного долота секции подбираются с минимальными отличиями по разностям радиальных и линейных зазоров.

Сборка долот по предлагаемому способу осуществляется в следующем порядке. Лапы и шарошки каждого из N типов нумеруют. На цапфах лап измеряют диаметры D, d, и линейные размеры Н, h (см. фиг.1), на шарошках измеряют диаметры d_ш, d_ш и линейные размеры Н_ш, h_ш, заносят эти параметры в ЭВМ в табличной форме и с помощью специально разработанной программы по формулам (1) и (2), вычисляют для всех возможных комбинаций лап и шарошек разности радиальных зазоров ΔR и линейных зазоров ΔH и последовательно для каждого долота подбирают комплекты шарошек ( 1, 2,..., N) и лап, удовлетворяющих условию (3), а при фиксированном уровне ΔR и условию (4), причем в пределах долота секции подбирают с минимальными отличиями по разностям зазоров ΔR и ΔH. По результатам расчетов формируется таблица, где для каждого номера собираемого долота указаны номера лап и шарошек для каждой из N секций. При этом долота в таблице располагаются в порядке возрастания значений разностей зазоров ΔR и ΔH и отличий секций по этим параметрам, т.е. в порядке снижения качества сборки долот. В соответствии с данными таблицы комплектуются отдельные секции и из секций собираются долота.

Для опор долот с роликовыми подшипниками разность радиальных зазоров ΔR вычисляется по формуле:
ΔR = (D_ш-D-2D_p-d_ш+d+2d_p)/2, (5)
где D_p, d_p - диаметры большого и малого роликов.

Описанная выше методика была проверена при сборке 30 долот диаметром 203,2 мм.

На фиг.4 представлена диаграмма распределения максимальных значений разности радиальных зазоров ΔR в долоте для двух способов сборки по 4-м диапазонам:
1) 0≤ΔR≤0,02, 2) 0,02<ΔR≤0,04,
3) 0,04<ΔR≤0,06, 4) 0,06<ΔR≤0,08.
Из анализа диаграммы следует, что в 1-й диапазон попадает 19 долот (63,3%) при селективной компьютерной сборке и 10 долот (33,3%) при случайной сборке, во 2-й диапазон попадает соответственно 11 долот (36,7%) и 17 долот (56,7%), в остальных двух дипазонах долота, собранные по предлагаемой методике, отсутствуют. Отсюда следует, что качество сборки по параметру разность радиальных зазоров ΔR для описанной методики существенно выше, чем для случайной сборки долот.

На фиг.5 показана диаграмма распределения максимальных значений разности линейных зазоров ΔH в долоте для двух способов сборки по следующим 4-м диапазонам:
1) 0≤ΔH≤0,04, 2) 0,04<ΔH≤0,08,
3) 0,08<ΔH≤0,12, 4) 0,12<ΔH≤0,16.
Из диаграммы следует, что как при селективной, так и при случайной сборке в два последних диапазона попадает 5 долот, что составляет 16,7%. В случае селективной сборки в 1-й диапазон попадает 11 долот (36,7%), во 2-й диапазон - 14 долот (46,7%), при случайной сборке в 1-й и 2-й диапазоны попадают соответственно 6 долот (20%) и 19 долот (63,4%). Следовательно качество сборки долот по параметру разность линейных зазоров ΔH с использованием предлагаемой методики выше, чем при случайной сборке секций и долот.

Таким образом, долота, собранные по предлагаемой методике, по сравнению с собранными случайным образом, имеют более высокое качество сборки по двум комплексным показателям - разностям радиальных и линейных зазоров ΔR и ΔH, что обеспечивает значительное увеличение стойкости опор долот и проходки.

Настоящее изобретение может быть использовано на предприятиях, выпускающих буровые шарошечные долота.

Источники информации
1. Сопин П.И., Богомолов P.M. и др. Шарошечные долота и бурильные головки: Каталог. - М.: ЦИНТИХИМНефтемаш, 1990, с. 54-56.

2. Патент РФ 2140517, Е 21 В 10/22 27.10.99 г. Бюл. 30.

Формула изобретения

Способ сборки шарошечного долота, заключающийся в том, что предварительно собирают секции, состоящие из шарошек N типов (N>1), установленных на цапфах лап и закрепленных замковым подшипником, и затем секции соединяют между собой сваркой, отличающийся тем, что лапы и шарошки каждого типа нумеруют, в опорах лап и шарошек замеряют диаметральные и линейные размеры D, d, D_ш, d_ш, Н, h, Н_ш, h_ш, заносят их в ЭВМ и с помощью специально разработанной программы подбирают сначала для каждого типа и номера шарошек, используемых в долоте, лапу с наименьшей разностью радиальных и линейных зазоров ΔR и ΔH, а затем для каждого долота подбирают секции с минимальными отличиями по ΔR и ΔH, где D, d - диаметры большого и малого радиальных подшипников лапы, D_ш, d_ш - диаметры большого и малого радиальных подшипников шарошки, Н, h - расстояния от оси шариковой дорожки лапы до пяты и упорного бурта, Н_ш, h_ш - расстояния от оси шариковой дорожки шарошки до подпятника и упорного бурта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5