БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
ROLLING DRILLING BIT

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к шарошечным долотам, преимущественно для бурения твердых и крепких пород.
Известно буровое шарошечное долото, включающее лапы с цапфами, на которых установлены шарошки, смонтированные посредством замкового шарикового подшипника и бронзовой втулки со сквозными сегментными пазами на наружной поверхности (см. патент РФ №2332552, кл. Е21В 10/22, 2008 г.).
Недостатком этого долота является сравнительно быстрый выход опоры, что связано с пластической деформацией бронзовой втулки, вплоть до ее разрушения. Это объясняется тем, что втулка должна воспринимать значительные осевые нагрузки (до 1 кН/мм диаметра долота) в течение длительного времени (нескольких десятков часов). За это время каждая шарошка совершает несколько сот тысяч круговых циклов. В результате многоцикличного нагружения и пластической деформации бронзовой втулки высока вероятность заклинивания тел качения и их перемещения вокруг цапфы без вращения вокруг своих продольных осей. В результате этого будет происходить односторонний износ роликов и быстрый выход их из строя. Другим недостатком данного долота является неблагоприятное распределение нагрузок между подшипниками, т.к. при наличии трех подшипников уже после небольшого износа, который для каждого подшипника различен, возникает неопределенность базирования шарошки, что ведет к возникновению значительных вибраций в процессе работы долота и снижению его технико-экономических показателей.
Наиболее близким к предложенному долоту по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, включающее лапы с цапфами, на которых установлены шарошки, смонтированные посредством двух конических роликоподшипников, внутренние обоймы которых запрессованы на цапфе, установленные между роликоподшипниками тарельчатую пружину и регулирующее кольцо с радиальными отверстиями под штифты для фиксации регулировочного кольца относительно цапфы, и установленный со стороны основания цапфы узел герметизации опоры (см. патент РФ №2136836, кл. Е21В 10/22, 1999 г.).
В данном долоте в качестве подшипников качения используются два конических роликоподшипника, что значительно улучшает распределение нагрузок между подшипниками и снижает вибрацию. Однако по мере износа роликоподшипников увеличивается вероятность попадания шлама в опору долота и под действием осевого усилия происходит силовое защемление тел качения между обоймами и корпусом шарошки. Как следствие этого, наблюдается усиленный износ тел качения, снижающий как работоспособность опоры, так и долота в целом.
В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы долота за счет повышения ресурса работы его опоры.
Поставленный технический результат достигается тем, что в буровом шарошечном долоте, включающем лапы с цапфами, на которых установлены шарошки, смонтированные посредством двух конических роликоподшипников, внутренние обоймы которых запрессованы на цапфе, установленные между роликоподшипниками тарельчатую пружину и регулирующее кольцо с радиальными отверстиями под штифты для фиксации регулировочного кольца относительно цапфы, и установленный со стороны основания цапфы узел герметизации опоры, согласно изобретению внутренние обоймы роликоподшипников в зоне нагруженной части цапфы расположены с зазором относительно наружной поверхности цапфы, причем зазор в поперечном сечении имеет сегментообразную форму.
Достижению указанного технического результата способствует также и то, что:
- сегментообразный зазор между цапфой и обоймой образован выемкой, выполненной на внутренней поверхности обоймы;
- сегментообразный зазор между цапфой и обоймой образован выполнением цапфы в нагруженной части с радиусом, превышающим радиус внутренней поверхности обоймы;
ц
- максимальная величина зазора - Н между цапфой и обоймой определяется по формуле Н=(0.02-0.03) Д,
ц
где Д - наружный диаметр цапфы соответствующего роликоподшипника.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен общий вид долота в продольном разрезе; на фиг.2 и 3 - фрагмент сечения А-А на фиг.1 (два варианта).
1
2
ц
ц
Буровое шарошечное долото включает лапы 7, на цапфах 1 которых посредством конических роликоподшипников 2 и 3 установлены шарошки 4, армированные породоразрушающими элементами 12. Внутренние обоймы подшипников 2 и 3 запрессованы на цапфе 1. Между роликоподшипниками 2 и 3 установлены тарельчатая пружина 5 и регулирующее кольцо 6 с коническими радиальными отверстиями под штифты 8 для фиксации регулировочного кольца 6 относительно цапфы 1. Со стороны торца цапфы 1 закреплена резьбовая втулка 13, а со стороны основания цапфы 1 установлен узел герметизации опоры, который включает защитную шайбу 9 и кольцо 10, выполненные из антифрикционного материала, и упругое кольцо 11, размещенное в пазу торца цапфы 1 и прижимающее защитную шайбу 9 к торцу обоймы роликоподшипника 2. В предложенном долоте внутренние обоймы роликоподшипников 2 и 3 в зоне нагруженной части цапфы 1 установлены с зазором 14 относительно наружной поверхности цапфы 1. Причем зазор 14 в поперечном сечении имеет сегментообразную форму, обеспечивающую плавное изменение эластичности обойм роликоподшипников 2 и 3. Сегментообразный зазор 14 между цапфой 1 и обоймой роликоподшипников 2 и 3 может быть образован выемкой, выполненной на внутренней поверхности обойм 2 и 3 (фиг.3). Возможен также вариант образования зазора 14 выполнением цапфы 1 в нагруженной части с радиусом Ř, превышающим радиус Řвнутренней обоймы роликоподшипников 2 и 3 (фиг.2). При этом величина зазора (стрелы прогиба) - Н между цапфой 1 и обоймой 2 или 3 определяется по формуле Н=(0.02-0.03) Д, где Д - наружный диаметр цапфы 1 соответствующего роликоподшипника с учетом осевой нагрузки на долото.
Принцип работы долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие элементы 12 шарошек 4, вращающихся вокруг цапф 1 и продольной оси долота O-O, осуществляют разрушение забоя и калибровку стенок скважины. При этом благодаря использованию в каждой опоре шарошки 4 двух роликоподшипников 2 и 3 обеспечивается равномерное распределение нагрузок между подшипниками и тем самым снижается вибрация долота, что благоприятно сказывается на работоспособности как самой опоры, так и долота в целом. В процессе нагружения долота осевая нагрузка, действующая в сторону оси вращения долота (центра), воспринимается роликоподшипником 3 через штифты 8, регулировочное кольцо 6, тарельчатую пружину 5 и резьбовую втулку 13, а осевая нагрузка, действующая со стороны оси вращения долота, воспринимается роликоподшипником 2. При этом радиальная нагрузка воспринимается обоими подшипниками 2 и 3, причем благодаря наличию сегментообразного зазора 14 при совмещении тел качения (роликов) с указанными зазорами 14 в одной вертикальной плоскости обеспечивается разгрузка тел качения от радиальной нагрузки благодаря повышению модуля упругости обойм 2 и 3 в нагруженной зоне цапфы 1. Это в свою очередь уменьшает вероятность защемления тел качения и односторонний их износ и повышает ресурс их работы.
Таким образом, предложенная конструкция долота повышает эффективность его работы за счет повышения ресурса работы его опоры.