Результат интеллектуальной деятельности: Опора бурового долота

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к опорам буровых шарошечных долот.

Известна опора бурового долота, содержащая подшипник скольжения, включающий плавающую втулку, установленную между цапфой лапы и шарошкой (см. авторское свидетельство СССР №233571, кл. Е21В 10/22, 1969 г.

Основным недостатком данной опоры является сравнительно невысокий ресурс ее работы. Это связано с быстрым выходом из строя замкового узла.

Наиболее близкой к предложенной по технической сущности и достигаемому результату является опора бурового долота, содержащая цапфу, на которой посредством пакета плавающих втулок и замкового подшипника установлена шарошка (см. патент РФ №2580540, кл. Е21В, 2014 г).

К недостаткам прототипа следует отнести сравнительно быстрый выход втулок из строя из-за усиленного износа их рабочих поверхностей.

В связи с изложенным техническим результатом изобретения является увеличение срока службы опоры шарошечного бурового долота путем обеспечения равномерного износа всех трущихся поверхностей подшипника скольжения.

Указанный технический результат достигается тем, что в опоре бурового долота, содержащей цапфу, на которой посредством пакета плавающих втулок и замкового подшипника установлена шарошка, согласно изобретению плавающий пакет выполнен из нескольких, не менее трех, втулок, выполненных из материала с разными коэффициентами трения, при этом для всех втулок в зонах максимального нагружения при их проскальзывании относительно шарошки, цапфы и друг относительно друга должно соблюдаться следующее условие:

где: V_III линейная скорость вершины вооружения шарошки, связанная с ее вращением вокруг цапфы долота; V₁ - линейная скорость точки контакта внешней образующей первой плавающей втулки с внутренней поверхностью шарошки; V₂ - линейная скорость точки контакта внешней образующей второй плавающей втулки с внутренней поверхностью первой втулки; V₃ - линейная скорость точки контакта внешней образующей третьей плавающей втулки с внутренней поверхностью второй втулки; R_III - внешний радиус шарошки; R₁, R₂ и R₃ внешние радиусы первой, второй и третьей втулок соответственно.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 и 2 представлены варианты выполнения опоры, а на фиг. 3 - сечение «А-А» на (фиг. 2) в увеличенном масштабе.

Опора предложенного бурового долота содержит цапфу 1, на которой посредством пакета плавающих втулок 4 и 5, не менее трех в каждом пакете, и замкового подшипника 3 установлена шарошка 2. Плавающие втулки 6₁, 6₂, 6₃ выполнены таким образом, чтобы при их проскальзывании относительно шарошки 2, цапфы 1 и друг относительно друга в зонах максимального нагружения соблюдалось следующее условие:

где: V_III линейная скорость вершины вооружения шарошки; V₁ - линейная скорость точки контакта внешней образующей первой плавающей втулки с внутренней поверхностью шарошки; V₂ - линейная скорость точки контакта внешней образующей второй плавающей втулки с внутренней поверхностью первой втулки; V₃ - линейная скорость точки контакта внешней образующей третьей плавающей втулки с внутренней поверхностью второй втулки; R_III - внешний радиус шарошки; R₁, R₂ и R₃ внешние радиусы первой, второй и третьей втулок соответственно.

Втулки 6₁, 6₂, 6₃ изготавливаются из специальных многослойных композитов, обладающих высокой износостойкостью и позволяющих обеспечить различные коэффициенты трения между основными рабочими поверхностями кассетной втулки 4.

Принцип работы опоры шарошечного долота заключается в следующем. После спуска на колонне труб бурового долота на него прикладывают осевую нагрузку Q и крутящий момент. Под действием этих сил породоразрушающие элементы шарошечного долота внедряются в породу и разрушают ее. Разрушенная порода выносится на поверхность промывочной жидкостью, прокачиваемой через колонну бурильных труб. При вращении бурового долота шарошки 2 совершают вращательное движение вокруг оси цапфы 1 с угловой скоростью ω_III (фиг. 3). При этом внешняя поверхность первой плавающей втулки 6₁ осуществляет частичное проскальзывание относительно внутренней поверхности шарошки 2 со скоростью S₁. В свою очередь, внешняя поверхность второй плавающей втулки 6₂ частично скользит по внутренней поверхности первой втулки 6₁ со скоростью S₂, а внешняя поверхность третьей плавающей втулки 6₃ частично скользит по внутренней поверхности второй втулки 6₂ со скоростью S₃ (фиг. 3).

В предложенной опоре, благодаря указанному соотношению между линейными скоростями точек контакта, расположенных на внешних образующих плавающих втулок в местах их максимального нагружения и линейной относительной скоростью вершины вооружения шарошки, достигается пятидесяти процентное подтормаживание каждой последующей втулки, относительно предыдущей. Это достигается за счет подбора плавающих втулок 6 с различными коэффициентами трения между всеми трущимися рабочими поверхностями кассетной втулки. В результате достигается равномерное проскальзывание всех втулок друг относительно друга, а так же относительно шарошки и цапфы лапы. При этом обеспечивается двух кратная редукция (снижение скоростей скольжения) на каждой ступени подшипника, а следовательно и минимизация износа трущихся поверхностей.

Это позволяет одновременно и существенно снизить проскальзывания для всех трущихся рабочих поверхностей кассетного подшипника скольжения 4, и тем самым обеспечить минимальный и равномерный износ всех элементов подшипника скольжения, что в конечном итоге дает возможность значительно увеличить срок службы как отдельных втулок 6, так и опоры долота в целом.

На основе экспериментальных исследований было установлено, что при величине подтормаживания более 50 процентов, существенно увеличивается износ втулок. Так же, не обеспечение одновременного и одинакового, в процентном отношении, подтормаживания всеми втулками кассетного подшипника, приводит к негативному перераспределению истирающих нагрузок между различными поверхностями трения и как следствие неравномерному и более интенсивному износу отдельных элементов подшипникового узла. Все это самым отрицательным образом сказывается на работоспособности и долговечности опорного узла шарошечного бурового долота. Так при величине V₁<0,9⋅R₁⋅V_III/2R_III увеличивается сопротивление скольжению внешней поверхности первой втулки относительно внутренней поверхности шарошки, что приводит к увеличению скольжения последующей втулки. При V₁>1,1⋅R₁⋅V_III/2R_III, соответственно уменьшается сопротивление скольжению внешней поверхности первой втулки относительно внутренней поверхности шарошки, что приводит к соответствующему уменьшению скольжения последующей втулки, и так далее.

При этом необходимо учитывать, что ввиду меньших радиусов, а соответственно, и величин площадей трения втулки, расположенные ближе к цапфе лапы должны иметь более узкий диапазон интервала изменения их относительных скоростей, обеспечивающих оптимальные режимы проскальзывания между соседними трущимися поверхностями.

Таким образом, выполнение опоры с предложенными параметрами позволит максимально использовать ресурс работы втулок и тем самым повысить эффективность работы долота в целом.