Герметизированная опора бурового шарошечного долота

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К . АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

l«>927953 (61) Дополнительное к авт. с вид-ву (22)Заявлено 30.05.80 (21) 2931925/22-03 (51) М. Кл. с присоединением заявки №

Е 21 В 10/22

Государственный комитет (26) Приоритет

ССОР (53) УДК 622. 24. ,051.55(088.8). ао делам изобретений и открытий

Опубликовано 15. 05. 82. Бюллетень № 18

Дата опубликования описания 15. 05. 82 (72) Авторы изобретения Т.A Илык, С.И. Кантор, М.И. Пехньо, Б.П.

Цыхрн

Физико-механический институт АН Украи и Дрогобычский долотный завод Всесоюзног обьединения нефтепромыслового машиност (71) Заявители о,. (54) ГЕРМЕТИЗИРОВАННАЯ ОПОРА БУРОВОГО ШАРОШЕЧНОГО

ДОЛОТА

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

Известны опоры шарошечных долот, снабженные герметизирующими узлами, предназначенными для защиты опор от

5 загрязнения промывочным раствором с содержащимися в нем твердыми частицами горных пород. В конструкциях этих долот в пространство между тор10 цовыми поверхностями шарошки и цапфы лапы вводятся разного рода уплотнительные элементы $13.

Недостатком этих уплотнений является невысокая надежность герметиl5 зации 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 кар" касом в виде тарельчатой пружины с ободом по внешней периферии. Уплотняющая манжета своим ободом входит в кольцевую расточку шарошки. При сбор. ке 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 шарошки. Величина этого усилия определяется величиной осевой деформации каркаса и его жесткостью (2 1.

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

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

Статическое нагружение долота за счет деформации тел качения и шарош3 .92795

20

40 ки, а также имеющихся люфтов в соединении, 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. 10 мальном удалении шарошки от торца лапы приводят к уменьшению осевого вжатия каркаса уплотнения, т.е. к ослаблению силы прижатия обода каркаса к кольцевой расточке, что, в свою очередь, вызывает временную разгерметизацию опоры. Объемная деформация шарошки при ее бурении на забое, а также насосный эффект, возникающий 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 бурении за счет обеспечения самотормозящего 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 эластомврного материала, армированную упругим каркасом в виде тарельчатой пружины с пазами на внешней кромке, каркас уплотняющей манжеты имеет криволинейную кромку с профилем, выполненным, например, по спирали Архимеда, а манжета имеет два торцовых уплотияющих выступа со стороны лапы, расположенных эксцентрично относительно беговых дорожек шарашки, два уплотняющих выступа по кольцевой расточке шарошки, внешний из которых соответствует профилю криволинейной кромки каркаса, а часть манжеты, контактирующая с цапфой, вы55 полнена подпружиненной относительно нее, причем развертка линии контакта этой части манжеты с цапфой имеет форму кривой, например синусоиды.

3 4

Радиальная уплотняемая поверхность цапфы выполнена эксцентричной относительно поверхностей беговых 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 конструкция 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 манжеты, на фиг, 2 " конструкция армирующего упругого каркаса; на фиг.3конструкция уплотняемой поверхности лапы долота; на фиг. 4 - развертка радиальной уплотняющей кромки.

Герметизированная опора шарошечного долота содержит шарошку 1, лапу., 2 с цапфой 3, в беговых дорожках которых размещены тела качения 4 подшипников. Иежду торцом шарошки 1 и в поверхностью опорной части лапы 2 размещена уплотнительная манжета 5.

Со стороны козырька лапы 2 опора до лота уплотняется выступами A и Б ман" жеты и в радиальном направлении частью манжеты Э, 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 такwe имеет криволинейную профилированную кромку, выполненную по спирали

927953

35

Архимеда или по другой кривой, обеспечивающей при осевой деформации шайбы 7 самотормозящееся силовое замыкание между каркасом манжеты и кольцевой расточкой шарошки !. Диаметр тарельчатой шайбы 7 по внешней периферии выполнен, таким образом, чтобы в свободном состоянии обеспечивалась подвижная посадка манжеты в кольцевую расточку шарошки 1. 10

Два торцовых уплотняющих выступа

А и Ь со стороны козырька лапы выполнены эксцентричными .относительно поверхностей беговых дорожек шарошки.

Линия контакта части манжеты Dc цапфой лапы имеет форму кривой линии, например синусоиды.

Уплотняемая поверхность цапфы лапы (поверхность D) выполнена эксцентричной относительно поверхностей беге- z0 вых дорожек. Величина эксцентриситета несколько больше величины радиального зазора в опоре и направлена в сторону действия силы при бурении.

Кольцевая расточка в шарошке выпол- 25 нена конически сужающейся в направлении к козырьку лапы, причем угол наклона образующей выточки к оси шарошки меньше угла трения самоторможения.

В процессе сборки манжету 5 (совместно с пружиной 6) устанавливают уплотняемой поверхностью 0 на цапфу

3. При установке шарошки t на цапфу

3 происходит предварительная упругая деформация манжеты 5 вместе с армирующим каркасом, вследствие чего в собранном долоте уплотняющая манжета занимает вдоль оси цапфы место примерно на 20 меньше, чем в свободном состоянии.

При осевой деформации увеличивается наружный диаметр тарельчатой пружины и одновременно происходит noso рот профилированного участка относительно мгновенного центра вращения до силового замыкания с боковой поверхностью кольцевой расточки шарошки.

Так как угол подъема профиля криволинейного участка каркаса меньше угла трения, то происходит самозаклинивание указанных поверхностей, которое не устраняется даже при снятии oce" вой нагрузки, т.е. при возможных

° пульсационных перемещениях шарошки относительно цапфы лапы. Надежность

55 соединения увеличивается за счет того,, что боковая поверхность кольцевой расточки выполнена сужающейся в направлении к лапе долота.

Для предотвращения выдавливания смазки 1;з 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 вакуумированным смазывающим составом.

i3o время работы долота шарошка смещается относительно цапфы 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 эа 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

Ъ манжеты при вращении шарошки позволяет 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 пос" тоянное обновление слоя смазки на контактных поверхностях лапы. Этим такие достигается значительное увеличение поверхности теплоотвода, чтО уменьшает перегрев и износ контактирующих кромок манжеты.

92795

Выполнение герметизированной опоры) шарошечного долота в соответствии с описанной конструкцией придает ему ряд новых положительных качеств, а именно: 5

a)" повышенную надежность гермети зации узла, шарошки, так как скользящий контакт уплотняющей манжеты осуществляется по ее внутренней периферии с меньшей длиной контактной линии при меньшей линейной скорости скольженил; весьма существенным преимуществом конструкции уплотняЮщего устройства, влияющим на повышение его износостойкости, является то, что из. за вращения манжеты совместно с шарошкой, при перекосах последней, не возникает местного износа уплотняющего выступа (как это происходит в уплотнениях, неподвижных относительно zo цапФы); б) меньшую суммарную жесткость каркаса в осевом и радиальном направлениях без снижения его прочности, что во-первых, уменьшает износ высту- 25 пов уплотняющей манжеты, а, во-вторых способствует улучшению запуска шарошки пои бурении; в) способность обеспечивать надежную герметизацию при осевом или ра- 5О диальном сдвиге торца шарошки или при ее качении относительно осй 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 45 эластомерных слоев манжеты с армирую. щим каркасом, так как впадины между зубьями каркаса позволяют прочно соединиться 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 даже

S5 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, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью увеличения долговечности опоры при высокооборотном бурении за счет обеспечения самотормозящего силового замыкания уплотняющей манжеты с боковой поверхностью кольцевой расточки 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 и. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что радиальная уплотняемая поверхность цапфы выполнена эксцентричной относительно поверхностей беговых дорожек.

3. Опора по и, 1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что 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 шарашки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

8 597805, кл. Е 21 В 9/1О, 1975 °

2. Патент СЫА и 3370895, кл. 308-8.2, опублик. 1968 (прототип).

927953

Составитель С. Денисова

Редактор С. Тимохина Техред И, Гайду Корректор А.Ференц

Заказ 3193/41 Тираж 624 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.,Проектная, 4