Подшипниковая опора шарошки бурового долота
DRILLING BIT ROLLER CUTTER BEARING SUPPORT

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам, в частности к подшипниковым опорам шарошек, установленных на лапах, цапфы которых наклонены к оси долота на угол 50-60°. Такое положение цапф обусловливает в подшипниковой опоре наличие преимущественно радиальной нагрузки на подшипниковую опору, равной 77-87% общего усилия на долоте и значительного осевого усилия порядка 64-50% общего усилия. Известны подшипниковые опоры шарошек буровых долот, содержащие два радиальных подшипника качения или скольжения для восприятия радиальных сил бурения, перпендикулярных оси шарошки, опорные контактирующие (конгруэнтные) торцовые упрочненные поверхности шарошки и лапы для восприятия осевых сил вдоль оси шарошки и замковый шариковый подшипник для обеспечения сборки подшипниковой опоры как единый узел [1, 2]. Недостатком известной опоры является то, что каждая пара торцовых поверхностей шарошки и лапы имеет упрочнение из различных материалов с различными антифрикционными и износостойкими свойствами, что приводит к различным скоростям их износа, перегрузке одного из них и, следовательно, к снижению полного ресурса всего подшипникового узла. Другим недостатком известного узла является сложность наплавки упрочняемых упорных торцовых поверхностей и последующей их механической обработки.
Известны также подшипниковые узлы шарошек, содержащие упорный подшипник скольжении для восприятия осевых сил шарошки, включающий одну промежуточную плавающую кольцевую шайбу из антифрикционного материала, установленную между конгруэнтными торцовыми поверхностями лапы и шарошки [3, 4] (Прототип). Недостатком такой опоры является то, что опорная рабочая поверхность для восприятия осевой силы не включает площадь поперечного сечения шарошки - лапы, расположенную в зоне малого радиального подшипника, что снижает общую осевую грузоподъемность опоры на 20-25%.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является полное использование площади поперечного сечения шарошки и лапы путем установки второй промежуточной плавающей кольцевой шайбы в зоне малого радиального подшипника из антифрикционного материала, создание равных условий износостойкости в обоих упорных подшипниках скольжения и за счет этого повышения ресурса подшипникового узла шарошки в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что рабочая площадь упорных торцовых поверхностей лапы и шарошки увеличивается на 20-25%, в обоих упорных подшипниках установлены свободно шайбы одинаковой толщины из одинакового антифрикционного материала, что обеспечивает их равномерную и одинаковую износостойкость и повышение ресурса всего подшипникового узла.
л
д
л
ш
д
R
А
На фиг. 1 показана компоновка предлагаемого подшипникового узла шарошки, где 1 - лапа, на цапфе которой с осью ОО имеются дорожки радиальных и упорных подшипников; ОО - ось долота, 2 - корпус шарошки, на которой имеются соответствующие дорожки радиальных и упорных подшипников, 3 и 4 - упорные поверхности лапы большого и малого упорного подшипника, 5 и 6 - упорные поверхности шарошки большого и малого подшипника, 7 и 8 - антифрикционные упорные шайбы большого и малого упорного подшипника скольжения, которые разделяют взаимодействующие торцовые поверхности шарошки и лапы и образуют в комплекте с ними большой и малый упорный подшипник скольжения соответственно. 9 и 10 - радиальные большой и малый подшипники шарошки, (на Фиг. 1 представлен вариант исполнения подшипников качения), 11 - замковый шариковый подшипник качения; Е и Е - расстояние между упорными поверхностями большого и малого подшипника скольжения лапы и шарошки соответственно, h - толщина упорных антифрикционных шайб, Р - результирующая нагрузка на одну шарошку, приложенная вдоль оси долота ОО при бурении, P и Р - радиальная и осевая составляющая нагрузки, воспринимаемая подшипниковой опорой шарошки, α - угол наклона оси цапфы лапы к оси долота.
R
А
Л
ш
ш
Л
л
ш
Поверхности лапы и шарошки, контактирующие с антифрикционными шайбами, упрочнены методами химико-термической обработки и образуют в контакте с антифрикционными шайбами износостойкие пары, например «сталь - бериллиевая бронза БрБ2» с низким коэффициентом трения. Работает подшипниковая опора следующим образом. Радиальную составляющую P усилия бурения воспринимают радиальные подшипники 9 и 10. На первоначальном этапе осевую составляющую усилия бурения Р вследствие технологических погрешностей размеров Е и Е взаимного положения опорных поверхностей малого и большого подшипников лапы и шарошки соответственно в контакт входит только один подшипник. При этом если расстояние между опорными поверхностями шарошки Е меньше чем на лапе Е, включается малый подшипник, если расстояние между опорными поверхностями лапы меньше чем на шарошке, включается большой подшипник. В этот период нагрузки на включившийся подшипник выше расчетных и процесс приработки ускоряется, а когда эти расстояния сравниваются, происходит равномерная их загрузка пропорционально их грузоподъемности, которая, в свою очередь, вследствие идентичности их материалов и одинаковой толщины (высоты) h пропорциональна их рабочей площади. Одинаковая напряженность обоих упорных подшипников увеличивает их ресурс и ресурс всей подшипниковой опоры шарошки. Площадь поверхности малого подшипника скольжения в несколько раз меньше чем большого, поэтому для исключения в период приработки передачи всей нагрузки на малый подшипник расстояние между опорными поверхностями лапы меньше чем на шарошке (включается только большой подшипник) на величину технологически неизбежного суммарного их допуска Δ, т.е. для гарантированной реализации такой схемы контакта номинальные размеры Е=Е, а технологический допуск на лапе задается -0,5Δ, а на шарошке +0,5Δ, так что фактический зазор во всем множестве собранных шарошек в малом подшипнике составит от 0 до Δ и обеспечит самое короткое время приработки только большого подшипника скольжения, после чего будет обеспечена равномерная удельная нагрузка на оба подшипника скольжения. Разумеется, что величину начального максимального зазора в малом упорном подшипнике можно уменьшить селективной подборкой размеров сопрягаемых в одной опоре лапы и шарошки и сократить время приработки еще в несколько раз.
Источники информации
1. Патент RU 2269635 С1, МПК Е21В 10/22.
2. Патент RU 2549631 С2, МПК Е21В 10/22.
3. Патент RU 2184832 С2, 7 Е21В 10/22.
4. Патент RU 02399743 С1.