Опора шарошечного долота и способ ее монтажа (варианты)
Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, преимущественно малого диаметра, а именно к опорам буровых шарошечных долот и способам ее монтажа. Позволяет повысить эксплуатационную стойкость опоры и упростить ее монтаж. Опора включает лапу с наклонной цапфой, установленную на ней шарошку с кольцевой расточкой и замковый узел в виде вкладышей, установленных в каналах цапфы с возможностью взаимодействия со стенками кольцевой расточки шарошки. Каналы в цапфе под стержни замкового узла расположены параллельно или под углом один к другому и симметрично относительно оси цапфы. При расположении каналов под стержни стопорного узла под углом один к другому вершина угла расположена со стороны верхней части цапфы. Установку стержней производят через один и тот же канал шарошки, который совмещают с одним из каналов цапфы, после этого канал шарошки совмещают со следующим каналом цапфы и устанавливают следующий стержень, при этом после установки последнего стержня их жестко фиксируют относительно цапфы в положении, при котором их торцевые поверхности не контактировали с кольцевой расточкой шарошки, а канал шарошки закрывают пробкой. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к опорам буровых шарошечных долот малого диаметра и способам их монтажа.
Известна опора бурового шарошечного долота, содержащая лапу с цапфой и шарошку, установленную на цапфе посредством подшипников, один из которых является замковым (см. Палий П.А. и Корнеев К.Е. Буровые долота. М.: Недра, 1971 г., с.168, рис.У1.15 и У1.16)
Недостатком данной опоры является ограниченная область применения. Такое выполнение опоры возможно только в буровых долотах большого диаметра, когда каналы под замковый палец мало влияют на прочность цапфы. В долотах малого диаметра (59-93 мм) такое выполнение опоры неприемлемо.
Наиболее близкой к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является опора шарошечного долота, включающая лапу с наклонной цапфой, установленную на ней шарошку с кольцевой расточкой и сквозным каналом и замковый узел для фиксации шарошки на цапфе, выполненный в виде стержней, установленных в кольцевой расточке шарошки (см. авт. св. РФ № 1023060, кл. Е21В 10/22, 1983 г.).
Недостатком данного долота является малая эксплуатационная стойкость опоры, связанная с возможностью выпадения стопорных зубков, и, как следствие этого, расфиксация шарошки с последующим снятием ее с цапфы, что может привести к созданию аварийной ситуации. Вероятность этого особо увеличивается при разбуривании трещиноватых пород. Бурение по таким породам сопровождается сильной вибрацией, способствующей ослаблению соединения стопорных зубков с корпусом шарошки, особенно с учетом того, что между стопорными зубками и вставными вкладышами всегда имеется небольшой зазор. Кроме того, наличие двух сквозных каналов в теле самой шарошки ведет к ослаблению корпуса шарошки, тем более что каналы расположены близко один к другому и тем самым создают опасную зону. Этот недостаток особо сильно сказывается в долотах малого диаметра, предназначенных для бурения твердых и крепких пород. Для эффективного разрушения таких пород необходимо создавать значительные осевые нагрузки, что предъявляет к прочности опоры долота повышенные требования. Поэтому ослабление шарошки каналами под стопорные вкладыши в таких долотах недопустимо. Ибо это ведет либо к снижению осевой нагрузки, а следовательно, и технико-экономических показателей долот, либо к расколу шарошки и оставлению элементов долота на забое скважины, что может привести к значительным непроизводительным затратам времени и материальных и трудовых средств. Другим серьезным недостатком прототипа является сложность конструкции и нетехнологичность изготовления, связанная с изготовлением фигурной цапфы и шарошки с ответной полостью и пазами под стопорные вкладыши. Все это ведет к удорожанию стоимости долота и делает его не конкурентоспособным.
В описанном авт. св. СССР №1023060, кл. Е21В 10/22 способ монтажа опоры включает установку шарошки на цапфе и фиксацию ее вкладышами, контактирующими с шарошкой и цапфой.
К недостаткам данного способа относится необходимость использования дополнительного канала в шарошке под стопорный вкладыш, что повышает затраты труда на изготовление и эксплуатацию долота, а также ослабляет саму шарошку. Другим недостатком данного способа является невозможность обеспечения надежной фиксации стопорных вкладышей зубками и, как следствие этого, малая эффективность данного способа.
В связи с изложенным технической задачей изобретения является повышение эксплуатационной стойкости опоры долота и упрощение способа ее монтажа при одновременном повышении надежности крепления стопорных вкладышей и, как следствие этого, снижение затрат и повышение производительности буровых работ за счет снижения вероятности возникновения аварийных ситуаций.
Поставленная техническая задача решается тем, что в опоре шарошечного долота, включающей лапу с наклонной цапфой, установленную на ней шарошку с кольцевой расточкой и сквозным каналом и замковый узел для фиксации шарошки на цапфе, выполненный в виде вкладышей, установленных в кольцевой расточке шарошки, согласно изобретению цапфа выполнена со сквозными каналами под стержни замкового узла, причем каналы расположены параллельно или под углом один к другому и симметрично относительно диаметральной плоскости цапфы, при этом торцевые участки стержней замкового узла установлены в кольцевой расточке шарошки без контакта с ее донной поверхностью.
Решению поставленной задачи также способствует и то, что:
- при расположении каналов под стержни замкового узла под углом один к другому вершина угла расположена со стороны верхней части цапфы;
- она выполнена с двумя подшипниками скольжения, каждый из которых снабжен замковым узлом;
- замковый узел каждого подшипника скольжения выполнен в виде одного вкладыша, установленного в сквозном канале цапфы, причем ось канала проходит через ось цапфы;
- вкладыши замкового узла и ответные им каналы в цапфе выполнены ступенчатой формы, причем головная часть вкладышей имеет меньший диаметр.
Решению задачи по снижению затрат на изготовление и эксплуатацию долота способствует реализация предложенного способа монтажа опоры бурового долота, включающего установку шарошки на цапфе и фиксацию ее вкладышами, взаимодействующими с шарошкой и цапфой, согласно изобретению установку вкладышей производят через сквозной канал шарошки, который совмещают с одним из каналов цапфы, после этого канал шарошки совмещают со следующим каналом цапфы и устанавливают следующий вкладыш, при этом после установки последнего вкладыша их жестко фиксируют с цапфой от радиального перемещения, а канал шарошки закрывают пробкой, при этом жесткую фиксацию вкладышей замкового узла относительно цапфы осуществляют запрессовкой их ступени большого диаметра в канале цапфы или посредством стержня, установленного через дополнительный канал в шарошке и совмещенный с ним канал в цапфе, пересекающего каналы под вкладыши замкового узла. В случае использования для каждого подшипника скольжения отдельного замкового узла в виде одного вкладыша (второй вариант) фиксацию последнего можно осуществлять стержнем, устанавливаемым через осевой канал цапфы.
Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг.1 изображает общий вид опоры шарошечного долота, фиг.2 и 3 - сечение А-А на фиг.1 (варианты выполнения опоры), фиг.4 - общий вид второго варианта опоры шарошечного долота, фиг.5 - сечение Б-Б на фиг 4.
Опора шарошечного долота включает лапу 8 с наклонной цапфой 1, на которой установлена шарошка 2 с кольцевой расточкой 4 под замковый узел в виде вкладышей 5, которые установлены в каналах 3 цапфы 1, расположенных перпендикулярно к оси цапфы 1, а концевые участки их расположены в кольцевой расточке 4 шарошки 2. При этом торцевые участки 10 вкладышей 5 установлены с зазором относительно кольцевой поверхности расточки 4 и зафиксированы в таком положении или прессовой посадкой вкладышей 5, или стержнем 11, пересекающим вкладыши 5, наружный торец которого утоплен в кольцевой расточке 4 шарошки 2. Для установки вкладышей 5 используется радиальный канал 6 в теле шарошки 2, просверленный через кольцевую расточку 4 перпендикулярно оси шарошки 2. Цапфа 1 может быть выполнена с дополнительной опорой скольжения 9, а шарошка 2 снабжена пробкой 7 для перекрытия радиального канала 6. Причем пробка 7 крепится в канале 6 или сваркой, или резьбой (не показана). Каналы 3 в цапфе 1 под стопорные вкладыши 5 могут быть выполнены как параллельно, так и под углом β один к другому, причем каналы 3 под них обязательно должны быть расположены симметрично относительно расположенной между ними плоскости, проходящей через ось цапфы 1. Другим обязательным условием выполнения опоры является жесткая фиксация вкладышей 5 относительно цапфы 1 таким образом, чтобы оба его торца не контактировали с кольцевой расточкой 4 шарошки. Фиксация вкладышей в таком положении исключает передачу на них осевых нагрузок от шарошки 2 и тем самым исключает вероятность их расшатывания и выпадения, повышая надежность работы всего долота. При выполнении замкового узла из двух наклонно расположенных вкладышей 5 максимальное смещение между каналами 3 под вкладыши 5 определяется углом α, составляющим не более 100° и выбираемым по прочностным характеристикам цапфы 1.
По второму варианту каждый подшипник скольжения выполнен с отдельным замковым узлом в виде одного вкладыша 5, проходящего через ось цапфы 1 и установленного в сквозном канале 3 цапфы 1. Каждый вкладыш 5 жестко крепится в канале 3 цапфы 1, при этом его торцевые поверхности должны быть расположены с зазором относительно соответствующей кольцевой расточки 4 шарошки 2. Фиксация вкладышей 5 в таком положении осуществляется или их запрессовкой в каналах 3, или дополнительным стержнем 12, проходящим через ось цапфы 1 и пересекающим оба вкладыша 5 опор скольжения.
Вкладыши 5 и ответные им каналы 3 могут быть выполнены ступенчатой формы, головная часть 13 которых имеет меньший диаметр. Такое выполнение обеспечивает точную установку вкладышей 5 и тем самым упрощает технологию сборки опоры с обеспечением гарантированного зазора между его торцевыми поверхностями и кольцевой расточкой 4 шарошки 2. При фиксации ступенчатых вкладышей 5 в каналах 3 цапфы 1 запрессовкой используется только ступень его большего диаметра. Использование для фиксации вкладышей 5 дополнительного стержня 12, проходящего через ось цапфы 1, минимизирует ослабление цапфы 1, а кроме того это упрощает и технологию сборки опоры за счет применения одного элемента для фиксации 2-х вкладышей 5. Возможен вариант крепления вкладышей 5 стержнями 14, расположенными примерно под прямым углом к вкладышам 5 и вводимыми, например, через дополнительный радиальный канал 15 в шарошке 2. При этом задний торец стержня 14 должен располагаться в кольцевой расточке 4 шарошки 2, а канал 15 закрываться пробкой 16.
Монтаж опоры осуществляется следующим образом. Один из каналов 3 цапфы 1 совмещают с каналом 6 шарошки 2 и через последний устанавливают вкладыш 5. После этого поворачивают шарошку 2 таким образом, чтобы канал 6 совпал со следующим каналом 3 цапфы 1 и вводят другой вкладыш 5, который фиксируют от выпадения пробкой 7 (фиг.2 и 3), фиксируемой в шарошке 2 посредством сварки или путем использования резьбового соединения. Расстояние между каналами 3, а также и угол между ними (фиг.3) выбираются с учетом прочностных характеристик цапфы 1. Выбор места расположения вершины угла β со стороны верхней части цапфы 1 также связан с учетом прочностного фактора. Верхняя часть цапфы 1 менее нагружена по сравнению с нижней частью, поэтому ослабление цапфы 1 в верхней части близким расположением каналов 3 не так сильно скажется на прочностных характеристиках цапфы 1.
Все это приводит к росту эксплуатационной стойкости всей опоры при одновременном упрощении технологии ее монтажа.
1. Опора бурового шарошечного долота, включающая лапу с наклонной цапфой, установленную на ней шарошку с кольцевой расточкой и сквозным каналом и замковый узел для фиксации шарошки на цапфе, выполненный в виде взаимодействующих с шарошкой и цапфой вкладышей, отличающаяся тем, что цапфа выполнена со сквозными каналами под вкладыши, расположенными перпендикулярно оси цапфы, причем каналы расположены параллельно или под углом один к другому и симметрично относительно осевой плоскости цапфы, при этом торцевые участки вкладышей замкового узла установлены в кольцевой расточке шарошки с зазором относительно нее и жестко зафиксированы в таком положении относительно цапфы.
2. Опора бурового шарошечного долота по п.1, отличающаяся тем, что при расположении каналов под вкладыши стопорного узла под углом один к другому вершина этого угла расположена со стороны верхней части цапфы.
3. Опора бурового шарошечного долота по п.1, отличающаяся тем, что стержни замкового узла и ответные им каналы в цапфе выполнены ступенчатой формы, причем головная часть стержней имеет меньший диаметр.
4. Опора бурового шарошечного долота по п.1, отличающаяся тем, что стержни замкового узла жестко зафиксированы относительно цапфы посредством прессовой посадки или стержнем, закрепленным в цапфе и пересекающим вкладыши.
5. Опора бурового шарошечного долота, включающая лапу с наклонной цапфой, установленную на ней шарошку с кольцевой расточкой и сквозным каналом и замковый узел для фиксации шарошки на цапфе, выполненный в виде вкладыша, взаимодействующего с шарошкой и цапфой, отличающаяся тем, что опора выполнена с двумя подшипниками скольжения разного диаметра, каждый из которых снабжен замковым узлом, при этом цапфа каждого подшипника скольжения выполнена со сквозным каналом, пересекающим ось цапфы, а замковый узел каждого подшипника скольжения выполнен в виде одного вкладыша, относительно цапфы установленного в сквозном канале цапфы с зазором его торцевых поверхностей относительно соответствующей кольцевой расточки шарошки и жестко зафиксированного в таком положении.
6. Опора бурового шарошечного долота по п.5, отличающаяся тем, что стержни замкового узла и ответные им каналы в цапфе выполнены ступенчатой формы, причем головная часть стержней имеет меньший диаметр.
7. Опора бурового шарошечного долота по п.5, отличающаяся тем, что стержни замкового узла жестко зафиксированы относительно цапфы посредством прессовой посадки или стержнем, закрепленным в цапфе и пересекающим вкладыши.
8. Способ монтажа опоры бурового долота, включающий установку шарошки на цапфе и фиксацию ее вкладышами, устанавливаемыми через канал шарошки с возможностью взаимодействия с цапфой, и запирание радиального канала шарошки пробкой, отличающийся тем, что установку стержней производят через сквозной канал цапфы, который совмещают с каналом шарошки, после этого канал шарошки совмещают со следующим каналом цапфы и устанавливают следующий стержень, при этом после установки последнего стержня их жестко фиксируют с цапфой от радиального перемещения, при этом жесткую фиксацию вкладышей замкового узла относительно цапфы осуществляют запрессовкой их ступени большого диаметра в канале цапфы или посредством стержня, установленного через дополнительный канал в шарошке и совмещенный с ним канал в цапфе и пересекающего каналы под стержни замкового узла.
