УЗЕЛ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО УПОРНОГО ПОДШИПНИКА (ВАРИАНТЫ)

Область техники, к которой относится полезная модель
Данная полезная модель относится в целом к узлам упорных подшипников и в частности, узлам упорных подшипников, обеспечивающих гидродинамическую смазку нагружаемых поверхностей подшипника в ответ на относительное вращение.
Уровень техники
Технологии роторного бурения используют для проникновения в толщу земли с образованием скважин для добычи нефти или газа. Для бурения встречаемых при этом скальных пород используют буровое долото на конце полой бурильной колонны.
Во многих случаях буровому долоту придается вращательное движение с помощью гидродинамического забойного двигателя, в котором используется герметичный узел подшипников, содержащий упорные и радиальные подшипники, которые направляют вращение бурового долота, и передают вес бурильной колонны на буровое долото. Герметичные узлы подшипников для гидравлических двигателей хорошо известны из уровня техники; например, смотри патенты США №№3370284, 5195754, 5248204, 5664891 и 6416225.
Опорные подшипники, которые используются в герметичных узлах подшипников гидравлических двигателей, являются обычными роликовыми упорными подшипниками. При относительно небольшом размере эти подшипники сильно нагружаются, а контактные напряжения в подшипнике достигают чрезвычайно высоких уровней, в частности, во время большой ударной нагрузки. Дорожки качения упорных подшипников подвергаются повреждениям Бриннеллинга от сильных ударных сил, которые встречаются в операциях бурения, которые могут приводить к преждевременному выходу из строя подшипника.
Для замены гидравлического двигателя в конце его срока службы, необходимо сначала вытянуть всю бурильную колонну из скважины. Время остановки, связанное с длительными процессами такой замены, может быть значительной составляющей стоимости бурения скважины, в частности, при скважинах большой глубины. Поэтому можно обеспечить значительное уменьшение стоимости бурения нефтяных и газовых скважин за счет увеличения надежности и срока службы опорных подшипников, используемых в гидравлических двигателях в нефтедобывающей промышленности.
В патенте США №6460635 раскрыт реагирующий на нагрузку гидродинамический упорный подшипник, в котором упорный подшипник имеет динамическую поверхность и статичную поверхность. Упорный подшипник заключен между первой и второй поверхностями, которые выполнены с возможностью вращения относительно друг друга. Динамическая поверхность предпочтительно является по существу плоской поверхностью без прерываний, в то время как статичная поверхность имеет прерывания, вызванные несколькими поднутренными областями, задающими несколько областей прогиба. Коммерческие упорные подшипники, продаваемые в соответствии с патентом заявителя '635, изготавливаются посредством прорезания радиальных канавок в самом опорном элементе, что затрудняет машинную обработку подшипника, который выбрасывают при его износе.
Дополнительно к этому, коммерческие упорные подшипники, продаваемые в соответствии с патентом заявителя '635, имеют канавки на статичной стороне подшипника, за счет чего некоторые части подшипника становятся довольно тонкими. При значительном износе таких упорных подшипников они начинают вести себя как не гидродинамические подшипники, а как простые упорные шайбы. Это особенно проявляется при износе вращающихся уплотнений, что позволяет абразивной буровой жидкости проникать в подшипник. Обусловленный этим износ со временем делает подшипник все более тонким. В конечном итоге подшипник разваливается на секторы, когда наиболее тонкие части подшипника изнашиваются насквозь.
Желательно иметь надежный, компактный, ударостойкий узел упорного подшипника для использования в механическом оборудовании, подвергаемом большим опорным нагрузкам, включая герметичные узлы подшипников для гидравлических двигателей нефтяной промышленности и другое вращающееся оборудование. Кроме того, желательно иметь узел упорного подшипника, который реагирует на нагрузку и обеспечивает гидродинамическую смазку динамических поверхностей подшипника в ответ на относительное вращение. Кроме того, желательно иметь узел упорного подшипника, который несет большие нагрузки при высоких скоростях при генерировании меньше тепла, чем не гидродинамические упорные подшипники, согласно уровню техники. Кроме того, желательно, чтобы упорный подшипник был недорогим.
Раскрытие полезной модели
Целью данной полезной модели является создание надежного, экономичного, ударостойкого упорного подшипника для использования в механическом оборудовании, подвергаемом высоким опорным нагрузкам, таком как герметичные узлы подшипников
для забойных гидравлических двигателей нефтяной промышленности, используемых при бурении твердых скальных пород, и в другом вращающемся оборудовании.
Другой целью данной полезной модели является создание компактного, гидродинамически смазываемого подшипника, который уменьшает опорное трение с обеспечением работы при более высоких нагрузках и более высоких скоростях при одновременной минимизации износа подшипника, предотвращении заклинивания и сохранении работоспособности даже при возникновении износа опорной поверхности раздела.
Другой целью полезной модели является уменьшение создаваемого подшипником тепла для предотвращения вызываемого нагревом разрушения смазки, подшипника, эластомерных уплотнений и связанных с ними компонентами.
Другой целью полезной модели является создание компактного подшипника, который может выдерживать большие ударные нагрузки без повреждения при одновременном сохранении работы с низким трением.
Другой целью данной полезной модели является создание компактного подшипника, который обеспечивает работу с низким трением в широком диапазоне нагрузки при вращении по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Другой целью данной полезной модели является создание надежного узла упорного подшипника для вращающегося оборудования посредством создания конструкции реагирующего на нагрузку, упруго прогибающегося подшипника, которая обеспечивает гидродинамическую смазку нагруженных гидродинамических поверхностей.
Узел упорного подшипника, согласно предпочтительному варианту выполнения данной полезной модели, обеспечивает улучшенную систему упорного подшипника для опоры и направления относительно вращаемого элемента. Система предпочтительно содержит в основном круговую кольцеобразную опорную структуру, имеющую зубчатую концевую конфигурацию, упорную шайбу в основном кольцеобразной конструкции и в основном круговую, кольцеобразную динамическую дорожку качения.
Предпочтительная зубчатая концевая конфигурация опорной структуры задает несколько опорных зон и несколько поднутренных (т.е. надрезанных) зон между смежными опорными зонами, при этом поднутренные зоны предпочтительно являются открытыми на конце, т.е. проходят через всю опорную структуру изнутри наружу. Упорная шайба расположена поверх зубцов опорной структуры.
Предпочтительная зубчатая концевая конфигурация опорной структуры обеспечивает прерывистую опору для упорной шайбы, а также обеспечивает прерывистые
не опорные зоны. Когда на узел подшипника действует осевая нагрузка, то упорная шайба упруго прогибается в не опорных зонах. Этот прогиб вызывает волнистость динамической поверхности шайбы в ответ на приложенную нагрузку с образованием первоначального гидродинамического жидкостного клина относительно сопряженной поверхности динамической дорожки качения. Созданная этой волнистостью постепенно сходящаяся геометрия способствует сильному гидродинамическому действию, которое вклинивает пленку смазки предсказуемой величины на динамическую поверхность раздела между упорной шайбой и динамической дорожкой качения в ответ на относительное вращение. Эта пленка смазки физически разделяет динамические поверхности упорной шайбы и динамической дорожки качения друг от друга, что минимизирует шероховатый контакт и уменьшает трение, износ и генерируемое подшипником тепло при одновременном обеспечении работы при комбинациях более высокой нагрузки и высокой скорости.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания путей достижения указанных выше признаков, преимуществ и целей данной полезной модели, ниже приводится подробное описание полезной модели на основе предпочтительного варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, которые включаются в описание в качестве его части.
Однако следует отметить, что прилагаемые чертежи лишь иллюстрируют типичный вариант выполнения данной полезной модели, и поэтому их не следует рассматривать как ограничивающие объем полезной модели, поскольку полезная модель может иметь другие одинаково эффективные варианты выполнения.
На чертежах изображено:
фиг.1 - узел гидродинамического упорного подшипника, согласно предпочтительному варианту выполнения данной полезной модели, на виде сверху;
фиг.1А - разрез по линии 1А-1А на фиг.1;
фиг.1В - частичный разрез по линии 1В-1В на фиг.1;
фиг.1С - узел гидродинамического упорного подшипника, согласно фиг.1, в разнесенной изометрической проекции;
фиг.1D - частичный разрез, аналогичный фиг.1В, показывающий упругий прогиб под действием осевой нагрузки с преувеличенным для ясности прогибом, в увеличенном масштабе;
фиг.2 - разрез альтернативного варианта выполнения узла гидродинамического упорного подшипника, согласно данной полезной модели, на виде сбоку;
фиг.2А - разрез узла гидродинамического упорного подшипника, согласно фиг.2, в соединении с валом и корпусом, на виде с боку;
фиг.3-5 - разрез альтернативных вариантов выполнения узла гидродинамического упорного подшипника, согласно данной полезной модели, на виде сбоку; и
фиг.6 и 7 - альтернативные варианты выполнения упорной шайбы, согласно данной полезной модели, на виде сверху.
Осуществление полезной модели
Предпочтительный вариант выполнения узла упорного подшипника, согласно данной полезной модели, обозначен на фиг.1 в целом позицией 2. На фиг.1-1D показаны иллюстрации предпочтительного варианта выполнения узла 2 упорного подшипника, согласно данной полезной модели. Как показано на фиг.2А, одной из первичных целей узла 2 упорного подшипника является передача осевой нагрузки между одним элементом, таким как корпус Н, и другим элементом, таким как вал S машины, где корпус Н и вал S выполнены с возможностью вращения относительно друг друга.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, узел 2 упорного подшипника содержит три главных компонента: опорную структуру 6, упорную шайбу 8 и динамическую дорожку 10 качения. Упорная шайба 8 расположена между опорной структурой 6 и динамической дорожкой 10 качения. Упорная шайба 8 предпочтительно имеет динамическую поверхность 20 шайбы по существу плоской конфигурации и статическую поверхность 16 шайбы, которая находится в контакте с динамической дорожкой 10 качения и опорной структурой 6, соответственно. Динамическая дорожка 10 качения включает динамическую поверхность 18 дорожки качения по существу плоской конфигурации, которая обращена к динамической поверхности 20 упорной шайбы 8. Опорная структура 6 и динамическая дорожка 10 качения могут вращаться относительно друг друга. Упорная шайба 8 является неподвижной относительно опорной структуры 6 и поэтому является вращаемой относительно динамической дорожки 10 качения.
Опорная структура 6 предпочтительно является в основном кольцеобразным компонентом, который включает несколько в основном радиально ориентированных прорезей, задающих несколько пьедесталов 14, которые находятся в контакте и поддерживают статичную поверхность 16 упорной шайбы 8, как показано на фиг.1С. Пьедесталы 14 предпочтительно имеют концевую поверхность 13, которая находится в контакте со статичной поверхностью 16 шайбы. В результате, опорная структура 6 имеет зубчатый вид, при этом прорези 12 образуют зубцы. Прорези 12 предпочтительно открыты на конце, проходя по всей местной радиальной ширине опорной структуры 6. Как показано на фиг.1D, площадь концевой поверхности 13 основания задает опорную
зону шайбы, а площадь каждой прорези 12 между соседними пьедесталами 14 задает зону прогиба шайбы. Опора шайбы и зоны прогиба предпочтительно задают повторяющийся сектор узла 2 упорного подшипника.
Число прорезей 12 в опорной структуре 6 обычно изменяется от минимально 2 до 10 для узлов подшипника, которые применяются в герметичных узлах подшипника гидравлических двигателей в нефтяной промышленности, в зависимости от размера упорной шайбы, толщины, материала упорной шайбы и необходимой несущей способности. Однако не существует верхнего предела для числа прорезей 12, которые используются в узлах 2 упорного подшипника большого размера, используемых в оборудовании, отличном от узлов упорного подшипника гидравлических двигателей.
Как показано на фиг.1D, предусмотрена смазка 15 для смазки узла 2 упорного подшипника. Эта смазка может быть густой смазкой, сильно загруженной твердыми смазывающими веществами, такими как графит, дисульфит молибдена, политетрафторэтилен (PTFE), порошок фторида кальция или частицы меди в комбинации с одним или несколькими типами мыльной основы. Однако, с целью минимизации повреждения вращающегося уплотнения и тем самым удлинения срока службы узла 2 упорного подшипника смазка 15 предпочтительно является жидкой смазкой масляного типа, в частности, высоковязкой синтетической смазкой, имеющей вязкость 900 сантистокс или больше при температуре 40°С.
Как также показано на фиг.1D, при передаче осевой нагрузки F через узел 2 упорного подшипника, согласно данному изобретению, прерывистая опора, обеспечиваемая пьедесталами 14 опорной структуры 6, приводит к упругому прогибу упорной шайбы 8, вызывающему изгибание упорной шайбы 8 в прорези 12 опорной структуры 6. Этот упругий прогиб для ясности показан на фиг.1D преувеличенно. Распределение нагрузки вызывает прогиб первоначально плоской динамической поверхности 20 шайбы и создает первоначальный сужающийся зазор между динамической поверхностью 18 дорожки качения и динамической поверхностью 20 шайбы, известный как гидродинамический жидкостный клин 22. Наличие первоначального зазора обеспечивает развитие гидродинамического действия смазки при любом относительном вращении между упорной шайбой 8 и динамической дорожкой 10 качения.
Во время относительного вращения между опорной структурой 6 и динамической дорожкой 10 качения упорная шайба 8 остается неподвижной относительно опорной структуры 6, и относительное вращение происходит между динамической поверхностью 18 дорожки качения и динамической поверхностью 20 шайбы, вызывая накачивание
гидродинамическим жидким клином 22 пленки смазки 15 на динамическую поверхность раздела между динамической поверхностью 18 дорожки качения и динамической поверхностью 20 шайбы.
0
1
Относительная скорость и сужающийся зазор гидродинамического жидкостного клина 22 вызывают гидродинамическое расклинивающее действие, которое создает толщину пленки смазки и давление, создающее подъемное действие, которое отделяет динамическую поверхность 18 дорожки качения от динамической поверхности 20 шайбы. Толщина пленки изменяется от минимального значения h до максимального значения h, как показано на фиг.1D. Создаваемое давление пленки достаточно велико для устранения непосредственного контакта трения между большинством зубцов динамической поверхности 18 дорожки качения и динамической поверхностью 20 шайбы. Пленка смазки уменьшает трение и улучшает рабочие характеристики подшипника, позволяя узлу 2 упорного подшипника работать с меньшим выделением тепла и выдерживать комбинации более высокой нагрузки и скорости, чем это возможно при обычных не гидродинамических упорных шайбах. Опорная система создает это действие гидродинамической смазки при любом направлении движения за счет симметрии конструкции. За счет создания гидродинамического давления прогиб упорной шайбы 8 увеличивается при относительном вращении по сравнению с прогибом в условиях статичной нагрузки.
Уменьшение температуры, обеспечиваемое за счет предпочтительного варианта выполнения данной полезной модели, имеет особое значение для применений, в которых эластомерное уплотнение вращающегося вала расположено вблизи подшипников для удерживания смазки подшипников и для исключения абразивных частиц. За счет уменьшения создаваемого подшипником тепла, уплотнения вращающегося вала могут работать более холодными, что продлевает срок службы уплотнений вращающегося вала, и тем самым продлевает срок службы оборудования за счет предотвращения потери смазки 15 и предотвращения проникновения абразивов в подшипники.
Статичная поверхность 16 упорной шайбы 8 предпочтительно остается неподвижной относительно пьедесталов 14 опорной структуры 6 во время вращения за счет того, что трение на этой поверхности раздела значительно выше, чем на гидродинамически смазываемой поверхности раздела между динамической поверхностью 18 дорожки качения и динамической поверхностью 20 шайбы. Для предотвращения возможного проскальзывания во время работы, а также во время запуска, статичная поверхность 16 шайбы и/или пьедесталы 14 должны быть снабжены шершавой поверхностью для обеспечения большого трения. Шершавость может быть обеспечена с
помощью пескоструйной обработки или травления или с помощью других одинаково подходящих способов. При желании узел 2 упорного подшипника может включать один или несколько противовращательных признаков для обеспечения сцепления между упорной шайбой 8 и опорной структурой 6 с целью предотвращения поворотного проскальзывания между упорной шайбой 8 и опорной структурой 6. Например, как показано на фиг.1А, противовращаетельный выступ 26 может входить в противовращательную выемку 28 для надежного предотвращения относительного вращения между опорной структурой 6 и упорной шайбой 8. Противовращательный выступ 26 может быть образован в опорной структуре 6 (как показано на фиг.1А) или на упорной шайбе 8 (как показано на фиг.4), при этом противовращательная выемка 28 образована на другой части.
При желании упорная шайба 8 может включать один или несколько смазочных каналов 24 для облегчения подачи смазки 15 более эффективно и непосредственно в гидродинамический жидкостный клин 22 вне зависимости от гидростатического давления смазки 15 для принудительной подачи смазки.
Смазочные каналы 24 делают узел 2 упорного подшипника более пригодным для применений, имеющих низкое окружающее давление (как в применениях, где смазка 15 находится по существу под атмосферным давлением), для предотвращения недостаточной смазки. Смазочные каналы могут быть расположены также между пьедесталами 14 опорной структуры 6 для обеспечения дополнительной гибкости упорной шайбы 8, как показано на фиг.1D.
При применениях в глубине скважины, таких как герметичный узел подшипников гидравлического двигателя для нефтедобывающей промышленности, давление смазки обычно уравновешивается высоким окружающим гидростатическим давлением скважины. При таких применениях нет необходимости в смазочных каналах 24, поскольку высокое гидростатическое давление, присутствующее в скважине предотвращает образование любых зон без давления или пустот и автоматически нагнетает смазку 15 в гидродинамический жидкостный клин 22 с целью поддерживания непрерывной пленки на динамической поверхности раздела подшипника. В наземном оборудовании, где такое гидростатическое давление отсутствует, смазку 15 можно подавать для обеспечения подачи смазки на опорную динамическую поверхность посредством включения смазывающих каналов 24.
На фиг.1-1D смазочные каналы 24 имеют форму ориентированных по существу радиально щелей или канавок, которые проходят по всей радиальной ширине упорной шайбы 8, однако смазочные каналы могут иметь другие подходящие формы без отхода от
идеи или объема изобретения. Например, смазочные каналы 24 могут быть ориентированными по существу в осевом направлении отверстиями, как будет описано ниже применительно к фиг.7, или щелями, согласно фиг.6.
Присутствие смазочных каналов 24 неизбежно уменьшает площадь контакта динамической поверхности 20 шайбы и увеличивает среднее контактное давление на динамическую поверхность 20 шайбы при заданной осевой нагрузке. Однако, увеличение контактного давления является относительно небольшим, если геометрия смазочных каналов 24 является небольшой. При включении смазочных каналов 24 в динамическую поверхность 20 шайбы, пересечения между смазочными каналами 24 и динамической поверхностью 20 шайбы должны быть снабжены разрывами кромки, такими как радиусы или фаски для минимизации разрывов пленки смазки.
Желательно снабжать динамическую поверхность 20 упорной шайбы 8 жестким износостойким покрытием или подвергать другой подходящей обработке для получения износостойкой поверхности, и/или выполнять упорную шайбу 8 из износостойкого материала, имеющего хорошую стойкость к коррозионному истиранию, такого как отвержденная бериллиевая медь. Динамическая поверхность 18 дорожки качения и/или динамическая поверхность 20 шайбы может быть снабжена при желании любым походящим покрытием или слоем или подвергнута поверхностной обработке для обеспечения хороших трибологических свойств, такой как плакирование серебром, науглероживание, азотирование, нанесение слоя STELLITE (STELLITE является зарегистрированной торговой маркой фирмы Delloro Stellite Company для сплава на основе кобальта с твердой поверхностью), слоя COLMONOY (COLMONOY является зарегистрированной торговой маркой фирмы Wall Colmonoy Company для материала с твердой поверхностью), борирование и т.д. в зависимости от применяемых основного материала и сопрягаемого материала.
Динамическая поверхность 18 динамической дорожки 10 качения должна быть мягче и менее износостойкой, чем динамическая поверхность 20 шайбы для наилучшего срока службы подшипника, и для достижения наилучшей переносимости условий перегрузки и при запуске под нагрузкой. Это может быть достигнуто посредством покрытия динамической поверхности 18 дорожки качения серебром или другим относительно мягким расходуемым покрытием. Это можно обеспечить также посредством изготовления динамической дорожки 10 качения из обычного композитного материала для подшипников, такого как пористая спеченная бронза, пропитанная PTFE; например, материала DPF для подшипников, продаваемого фирмой Glacier Garlock Bearings (GGB).
Предпочтительно не наносить серебряное покрытие на динамическую поверхность 20 шайбы, так чтобы динамическая поверхность 20 шайбы была менее чувствительна к условиям перегрузки. Поскольку серебряное покрытие обуславливает меру пограничной смазки в условиях перегрузки, то предпочтительно наносить серебряное покрытие или другое подходящее расходуемое покрытие на сопряженную динамическую поверхность 18 дорожки качения вместо динамической поверхности 20 шайбы. Во время перегрузок при таком предпочтительном расположении покрытия, а также при запуске под нагрузкой, серебряное покрытие равномерно изнашивается на динамической поверхности 18 дорожки качения и не оказывает влияния на угол гидродинамического расклинивания непокрытой динамической поверхности 20 шайбы.
Хотя выше была указана бериллиевая бронза в качестве подходящего материала для упорной шайбы 8, можно применять любые альтернативные подходящие материалы с подходящими модулями упругости, прочностью, температурными свойствами и характеристиками пограничной смазки без отхода от идеи или объема данного изобретения, такие как (но не ограничиваясь этим) сталь, STELLITE, ковкий чугун, белый чугун и т.д. Однако, упорная шайба 8, выполненная из материала, имеющего больший модуль упругости, требует, чтобы опорная структура 6 имела другие пропорции, чем для упорной шайбы 8, выполненной из материала, имеющего меньший модуль упругости.
За счет правильного выбора гибкости упорной шайбы 8 и пропорций опорной структуры 6, можно регулировать гидродинамические рабочие характеристики для соответствия ожидаемым рабочим условиям и перекрытия широкого диапазона осевой нагрузки. Гибкость является функцией толщины 52 шайбы, размера и расположения смазочных каналов 24 (если они есть), модуля упругости упорной шайбы 8 и числа, формы и размера прорезей 12 и пьедесталов 14 опорной структуры 6. Ясно также, что можно изменять гидродинамические рабочие характеристики отдельных повторяющихся секторов внутри данного  узла упорного подшипника для всех показанных и описанных различных вариантов выполнения реагирующих на нагрузку, упруго прогибающихся подшипников (смотри, например, фиг.4).
Динамическая поверхность 20 шайбы предпочтительно снабжена внутренним угловым разрывом 30 рельефа кромки и наружным угловым разрывом 32 рельефа кромки для уменьшения нагрузки кромки и высоких напряжений в кромке. Например, при применении данной полезной модели в герметичных узлах подшипников нефтедобывающих гидравлических двигателей, нагрузка кромки может вызываться неизбежными изгибающими моментами, прикладываемыми к вращающемуся валу гидравлического двигателя усилиями бурения.
Как показано на фиг.1А, динамическая дорожка 10 качения предпочтительно снабжена поднутрением 34, предпочтительно периферийным поднутрением, которое создает гибкий выступ 36. Когда происходит нагрузка кромки подшипника, то изгиб гибкого выступа 36 значительно уменьшает напряжения в кромке на упорной шайбе 8. Гибкий выступ 36 выполнен с достаточной жесткостью для обеспечения опоры для упорной шайбы 8, но достаточно гибким для значительного уменьшения вызванного нагрузкой напряжения в кромке с целью уменьшения износа динамической поверхности 20 шайбы и динамической поверхности 18 дорожки качения.
В показанном на фиг.1-1D варианте выполнения наружный диаметр 38 опорной структуры и наружный диаметр 40 шайбы больше наружного диаметра 42 дорожки качения. Эта конфигурация, которая является обычной в упорных роликовых подшипниках, согласно уровню техники, позволяет направлять (т.е. менять боковое положение) опорную структуру 6 и упорную шайбу 8 за счет точной посадки в отверстии корпуса (не изображено), и позволяет динамической дорожке 10 качения иметь зазор с отверстием корпуса. Внутренний диаметр 44 опорной структуры и внутренний диаметр 46 шайбы больше внутреннего диаметра 48 дорожки качения. Эта конфигурация, которая является обычной в уровне техники, позволяет направлять (т.е. менять боковое положение) динамическую дорожку 10 качения за счет точной посадки на валу (не изображен), и позволяет опорной структуре 6 и упорной шайбе 8 иметь зазор с валом. При желании, опорная структура 6 может быть интегральной частью корпуса, и/или динамическая дорожка 10 качения может быть интегральной частью вала.
Под действием больших забойных ударных нагрузок обычные роликовые подшипники, используемые в герметичных узлах подшипников гидравлических двигателей, подвергаются усталостному повреждению и бриннелированию (например, зазубриванию) поверхностей дорожки качения. Предпочтительный вариант выполнения данного изобретения обеспечивает выдерживание намного более высоких моментальных ударных нагрузок за счет гидродинамической пленки смазки на динамической поверхности раздела между динамической поверхностью 18 дорожки качения и динамической поверхностью 20 шайбы, и большой динамической площади опоры, которые (пленка и площадь) совместно обеспечивают классический эффект амортизации за счет сдавливания пленки. Когда моментальный удар приводит к быстрому сжатию пленки смазки, то она не может мгновенно удаляться. Величина и длительность нагрузки определяют уменьшение толщины пленки и нагрузку, для которой обеспечивается опора. В целом, предпочтительный вариант выполнения данного изобретения обеспечивает
выдерживание ударных нагрузок, которые более чем в три раза превышают предел динамической номинальной нагрузки.
В некоторых применениях, таких как вращающиеся отклонители в нефтедобывающей промышленности, упорные подшипники должны начинать вращение в условиях сильной нагрузки, которые могут приводить к большому пусковому моменту и преждевременному износу упорной шайбы 8 и/или дорожки 10 качения. Как показано на фиг.1, 1А, 1С, 2 и 4, это можно при желании устранять посредством пропускания сжатой смазки через ряд отверстий 50 передачи давления в динамической дорожке 10 качения, которые соединены с поверхностью раздела между динамической поверхностью 18 дорожки качения и динамической поверхностью 20 шайбы. Это создает первоначальную гидростатическую пленку, которая смазывает динамическую поверхность 18 дорожки качения и динамическую поверхность 20 шайбы во время запуска и улучшает толщину пленки во время вращения.
Данная полезная модель была первоначально предназначена для улучшения стойкости к износу упорных подшипников, используемых в оборудовании, таком как герметичные узлы подшипников забойных гидравлических двигателей в нефтедобывающей промышленности, и для обеспечения работы при комбинациях высокой нагрузки и высокой скорости, невозможных при современном состоянии конструкции роликовых подшипников, согласно уровню техники. Основной принцип работы, согласно данному изобретению, применим также к вращающемуся оборудованию многих других типов, при этом вращающимся элементом или элементами является корпус подшипника или вал, или оба. Примеры такого оборудования включают, но не ограничиваясь этим, забойные буровые долота, забойное управляемое вращающееся оборудование, вращающееся оборудование управления скважиной и оборудование, используемое для разработки и углубления месторождений, и насосы, где подшипники сильно нагружаются, и другие применения, где пространство может быть ограничено, а условия работы являются трудными.
Для специалистов в данной области техники понятно, что геометрию различных раскрытых здесь вариантов выполнения данной полезной модели можно изготавливать с использованием любых различных процессов, таких как обычная машинная обработка, электроразрядная машинная обработка, точное литье, литье под давлением, ковка и т.д.
Узел 2 упорного подшипника, согласно предпочтительному варианту выполнения данной полезной модели, является более экономичным, чем упорные подшипники, согласно патенту '635, поскольку прорези 12, образующие опорные и не опорные зоны, согласно данной полезной модели, создаются с помощью машинной обработки в опорной
структуре 6, а не в упорной шайбе 8. Упорная шайба 8 является более экономичной и более простой по конструкции. С помощью предпочтительного варианта выполнения данной полезной модели и, в частности, с помощью варианта выполнения, показанного на фиг.3, на упорной шайбе 8 нет зон, которые были бы слишком тонкими, поскольку прорези 12 выполнены в опорной структуре 6, а не в упорной шайбе 8. В результате, вариант выполнения, согласно фиг.3, включающий упорную шайбу 8, способен выдерживать значительный износ без разрушения на секторы. Кроме того, экономичную и простую упорную шайбу 8 можно удалять и заменять, в то время как более сложную опорную структуру 6 можно повторно  использовать несколько раз перед заменой.
Признаки, указанные в этом описании и обозначенные одинаковыми позициями, имеют одинаковую функцию. В альтернативном варианте выполнения, показанном на фиг.2 и 2А, динамическая дорожка 10 качения выполнена с возможностью направления с помощью корпуса Н, в то время как опорная структура 6 и упорная шайба 8 выполнены с возможностью направления валом S. Наружный диаметр 38 опорной структуры и наружный диаметр 40 шайбы меньше наружного диаметра 42 дорожки качения. Это позволяет направлять (т.е. располагать в боковом направлении) динамическую дорожку 10 качения посредством точной посадки в отверстии корпуса Н, и позволяет опорной структуре 6 и упорной шайбе 8 иметь зазор с отверстием корпуса, как показано на фиг.2А. Внутренний диаметр 44 опорной структуры и внутренний диаметр 46 шайбы больше внутреннего диаметра 48 дорожки качения. Эта конфигурация, которая является обычной в роликовых подшипниках, согласно уровню техники, позволяет направлять (т.е. менять боковое положение) опорную структуру 6 и упорную шайбу 8 за счет точной посадки на валу S, и позволяет динамической дорожке 10 качения иметь зазор с валом S, как показано на фиг.2А. При желании, опорная структура 6 может быть интегральной частью вала S, и/или динамическая дорожка 10 качения может быть интегральной частью корпуса Н.
Показанный на фиг.3 вариант выполнения является упрощением варианта выполнения, показанного на фиг.1-1D, и является идентичным во всех отношениях, за исключением смазочных каналов 24, противовращательного выступа 26, противовращательной выемки 28, поднутрения 34, гибкого выступа 36 и отверстий 50 передачи давления варианта выполнения, согласно фиг.1-1D, исключенных с целью упрощения в варианте выполнения, согласно фиг.3. Пограничные поверхности опорной структуры и/или упорной шайбы можно выполнять шершавыми для исключения поворотного скольжения между ними, т.е. между пьедесталами 14 и статичной поверхностью 16 шайбы.
Анализ методом конечных элементов подтвердил, что при статичной нагрузке упорной шайбы 8 с геометрией, показанной на фиг.3, упругое смещение упорной шайбы 8 создает первоначальный зазор между динамической поверхностью 18 дорожки качения и динамической поверхностью 20 шайбы с образованием гидродинамического жидкостного клина. Наличие этого первоначального зазора обеспечивает развитие действия гидродинамической смазки, как только начинается относительное вращение между упорной шайбой 8 и динамической дорожкой 10 качения, при условии, что смазка имеет достаточно большое давление для подачи смазки в гидродинамический жидкостный клин.
В показанном на фиг.3 варианте выполнения динамическая поверхность 20 шайбы является по существу плоской поверхностью без прерываний (т.е. канавок, прорезей отверстий). Это делает максимальным площадь контактной поверхности упорной шайбы 8, и минимизирует среднее опорное давление для данной нагрузки.
Как показано на фиг.4, упорная шайба 8 может включать противовращательный выступ 26, который входит в зацепление с одной из прорезей 12 опорной структуры 6, при этом прорезь выполняет ту же роль, что и противовращательная выемка 28 на фиг.1А. Противовращательный выступ 28 локально увеличивает жесткость упорной шайбы 8, что изменяет жесткость и гидродинамические рабочие характеристики этой части упорной шайбы 8 по сравнению с жесткостью соседней части упорной шайбы 8. Понятно, что противовращательный выступ 26 можно выполнять с разными формами и размерами, приспособленными для вхождения в зацепление с прорезями 12.
Как показано на фиг.5, упорная шайба 8 может включать ослабленную геометрию 25 между пьедесталами 14 для увеличения гибкости упорной шайбы 8 без уменьшения площади динамической поверхности 20 шайбы. Во всех остальных отношениях вариант выполнения, показанный на фиг.5, идентичен с вариантом выполнения, показанным на фиг.3. Также как вариант выполнения, согласно фиг.3, вариант выполнения, согласно фиг.5, предпочтительно подходит для применений, где существует достаточно большое давление смазки для подачи смазки в вызванный нагрузкой первоначальный сужающийся зазор между динамической поверхностью 18 дорожки качения и динамической поверхностью 20 шайбы.
На фиг.6 показано, что смазочные каналы 24 не обязательно должны пронизывать всю радиальную ширину упорной шайбы 8. Вместо этого эти смазочные каналы 24 могут при желании пронизывать лишь часть ширины и все еще выполнять подачу смазки в применениях с низким давлением смазки.
На фиг.7 показан на виде сверху вариант выполнения упорной шайбы 8, в котором смазочные каналы 24 состоят из ориентированных по существу в осевом направлении сквозных отверстий. Использование отверстий минимизирует потерю несущей нагрузку площади при одновременном обеспечении соединения для подачи смазки в гидродинамический жидкостный клин, а также обеспечении дополнительной гибкости упорной шайбы 8 в промежутках между пьедесталами 14 опорной структуры 6.
Динамическая поверхность 20 шайбы является по существу плоской и без перерывов, за исключением небольшого прерывания, вызванного отверстиями, образующими смазочные каналы 24. В показанной в качестве примера на фиг.7 геометрии, имеются два отверстия в одном ряду и три отверстия в другом ряду. Это обеспечивает хорошую подачу смазки в гидродинамический жидкостный клин под нагрузкой.
Различные предпочтительные варианты выполнения данного изобретения относятся к конструкции реагирующих на нагрузку, упруго прогибающихся подшипников, которая обеспечивает гидродинамическую смазку динамических поверхностей подшипника в ответ на относительное вращение. Конструкция с гидродинамической смазкой позволяет подшипнику нести большие нагрузки при высоких скоростях с созданием меньшего тепла, чем в не гидродинамических упорных подшипниках, согласно уровню техники, позволяет смазывать подшипник жидкими смазками типа масла, и позволяет подшипнику выдерживать более высокие ударные нагрузки, чем обычные роликовые упорные подшипники. В отличие от роликовых упорных подшипников, упорный подшипник, согласно данному изобретению, может выдерживать высокие ударные нагрузки без «бриннелирования» в результате классического эффекта сжатия пленки и намного большей опорной площади.
С учетом изложенного выше понятно, что данная полезная модель хорошо приспособлена для достижения всех указанных выше целей и признаков, совместно с другими целями и признаками, присущими раскрытому здесь устройству.
Для специалистов в данной области техники понятно, что данную полезную модель можно легко выполнять в других специальных формах без отхода от идеи или существенных характеристик. Поэтому данный вариант выполнения следует рассматривать лишь в качестве иллюстрации и не ограничивающим объема полезной модели, указанного формулой полезной модели, а не предшествующим описанием, и поэтому все изменения, которые входят в смысл и диапазон эквивалента формулы полезной модели, должны охватываться ею.