ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО И УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОДШИПНИКА ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА

ЗАЯВЛЕНИЕ ПРИОРИТЕТА
Данная заявка заявляет приоритет предварительной заявки Соединенных Штатов №61/036,762, поданной 14 марта 2008 года, описание которой данной ссылкой включается в данное описание.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данная полезная модель, в основном, относится к бурам для бурения земной коры, в частности, к шарошечным долотам.
ПРЕДПОСЫЛКИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Шарошечное долото - это режущий инструмент, используемый при разработке нефтяных, газовых месторождений, а также при шахтных разработках для прохождения через толщу пород при формировании скважины. Нагрузка и движение долота передаются к подшипникам внутри трех узлов головок и шарошек. В случае долота с подшипником скольжения, основной подшипник скольжения берет на себя вплоть до 80 процентов общей радиальной нагрузки. Основной подшипник скольжения состоит из головки (в роли вала), втулки и шарошки (в роли корпуса). Подшипник смазан и герметично закрыт.Внешняя окружность уплотнения уплотняется сальником шарошки, таким образом, что уплотнение двигается вместе с шарошкой и скользит по отношению к головке (на уплотнительной поверхности или уплотнительном выступе) на внутренней окружности уплотнения. Таким образом, уплотнение обеспечивается при помощи уплотнительного сальника для удержания смазки внутри подшипника и для предотвращения проникновения мусора в подшипник. Чем дольше уплотнение предотвращает загрязнение подшипника, тем дольше срок службы подшипника. Таким образом, уплотнение может являться причиной ограничения срока службы шарошечного долота.
Из уровня техники в качестве преобладающего уплотнительного элемента шарошечных долот известно эластомерное уплотнение. Были разработаны эластомерные уплотнения различных видов. Уплотнение является очень эластичным и совместимо с буровым раствором. Уплотнение также обладает отличной эластичностью при относительно высоких температурах. Таким образом, уплотнение оказалось достаточным для обеспечения достаточного уплотняющего усилия для отделения внешней среды из грязи и мусора от смазки в течение приемлемого периода времени.
Однако, трение между уплотнением и поверхностью уплотнительного сальника во время вращения шарошки может стать причиной повреждения самого уплотнения. Со временем, данные повреждения накапливаются до того момента, когда само уплотнение выходит из строя. После выхода из строя уплотнения, подшипник начинает испытывать «масляное голодание» в зоне контакта по причине потери смазки в системе подшипника. После этого на поверхностях системы подшипника возникает чрезмерный износ в результате деформации под действием боковых сдвигов и нагрева, вызванных трением скольжения. Конечным результатом, как правило, являются зазубрины, задиры и даже катастрофические поломки, такие как наволакивание металла или заклинивание. Таким образом, является обязательным, чтобы смазка удерживалась между контактными поверхностями подшипника скольжения. Обеспечение ресурса уплотнения является решающим в обеспечении ресурса долота.
Одним путем увеличения ресурса уплотнения является уменьшение трения между уплотнением и головкой. При обычных рабочих условиях, уплотнение эксплуатируется в условиях смешанной смазки. Для уменьшения трения в таких условиях смазки, необходимо больше смазки в точке контакта между уплотнением и одной или более поверхностью сальника. Таким образом, в известном уровне техники существует необходимость внесения большего количества смазки в зону уплотнения.
Обратимся теперь к фиг. 1, на которой изображен вид в частичном разрезе обычного шарошечного долота. На фиг. 1 более подробно показан узел головки и шарошки. Стандартная конфигурация и принцип действия таких долот хорошо известны специалистам в данной области.
Головка 1 долота включает вал 2 подшипника. Режущая шарошка 3 расположена с возможностью вращения на валу 2 подшипника, который выполняет функцию шейки. Часть корпуса долота включает верхнюю часть с резьбой, формирующую соединительный замок 4, который обеспечивает соединение долота с бурильной колонной (не показана). Смазочная система 6 предусмотрена для подвода смазки к подшипнику скольжения и удерживания смазки в подшипнике скольжения между шарошкой 3 и валом 2 подшипника. Такая система 6 имеет стандартную конфигурацию и принцип действия, хорошо известные специалистам в данной области.
Целый ряд систем подшипников предусмотрен применительно к подшипнику скольжения, обеспечивающему вращение шарошки 3 на валу 2 подшипника. Эти системы подшипников включают первый цилиндрический подшипник трения 10 (также упоминаемый в данном описании, как основной подшипник скольжения), шарикоподшипник 12, второй цилиндрический подшипник трения 14, первый радиальный (упорный) подшипник трения 16 и второй радиальный (упорный) подшипник трения 18.
На фиг. 2 показан вид согласно фиг. 1 в частичном разрезе, показывающий систему подшипника и уплотнительную систему более подробно. Первый цилиндрический подшипник трения 10 образован внешней цилиндрической поверхностью 20 на валу 2 подшипника и внутренней цилиндрической поверхностью 22 втулки 24, которая запрессована в шарошку 3. Данная втулка 24 является кольцеобразной конструкцией, как правило, выполненной из бериллиевой бронзы, хотя из уровня техники известно использования и других материалов. Шарикоподшипники 12 двигаются в кольцеобразном желобе 26, выполненном в зоне контакта вала 2 подшипника и шарошки 3. Второй цилиндрический подшипник трения 14 образован внешней цилиндрической поверхностью 30 на валу 2 подшипника и внутренней цилиндрической поверхностью 32 на шарошке 3. Внешняя цилиндрическая поверхность 30 радиально смещена внутрь относительно внешней цилиндрической поверхности 20. Первый радиальный подшипник трения 16 образован между первым и вторым цилиндрическими подшипниками трения 10 и 12, посредством первой радиальной поверхности 40 на валу 2 подшипника и второй радиальной поверхности 42 на шарошке 3. Второй радиальный подшипник трения 18 расположен рядом со вторым цилиндрическим подшипником трения 12 на оси вращения шарошки и образован посредством третьей радиальной поверхности 50 на валу 2 подшипника и четвертой радиальной поверхности 52 на шарошке 3.
Что касается уплотнительной системы, уплотнительное кольцо 60 расположено между конусом шарошки 3 и валом 2 подшипника. Уплотнительная поверхность, например, уплотнительный выступ 62 с цилиндрической поверхностью, выполнена на валу подшипника. В проиллюстрированной конфигурации, данная уплотнительная поверхность, образованная посредством уплотнительного выступа 62, является цилиндрической и радиально смещена наружу (на толщину втулки 24) от внешней цилиндрической поверхности 20 первого подшипники трения 10. Следует понимать, что уплотнительная поверхность (например, уплотнительный выступ 62) может не иметь смещения относительно поверхности основного подшипника скольжения, или может быть смещена радиально внутрь, если необходимо. Кроме того, следует понимать, что уплотнительная поверхность (62) не обязательно должна быть цилиндрической, она также может быть конической, если необходимо. В шарошке 3 выполнена кольцевая канавка для сальника 64. Канавка и уплотнительная поверхность (уплотнительный выступ 62) совмещаются друг с другом, когда шарошка 3 располагается с возможностью вращения на валу подшипника для образования области сальника 64. Уплотнительное кольцо 60 сжимается между поверхностью (поверхностями) сальника 64 и уплотнительной поверхностью (уплотнительный выступ 62) и функционирует для удержания смазки в области подшипника вокруг систем подшипников и предотвращения попадания любых материалов (бурового раствора и мусора) из буровой скважины в область подшипника.
Нагрузка в системе подшипника поддерживается посредством контакта неровностей и гидродинамического давления. Смазка предусмотрена в первом цилиндрическом подшипнике трения 10, втором цилиндрическом подшипнике трения 14, первом радиальном подшипнике трения 16 и втором радиальном подшипнике трения 18 между связанными цилиндрическими и радиальными поверхностями с использованием системы 6. Смазка удерживается в системе подшипника посредством сжатого уплотнения 60 в сальнике 64. Эта смазка не только смазывает систему подшипника, она также обеспечивает нанесение смазки на поверхности сальника 64, а именно на уплотнительную поверхность, такую как поверхность уплотнительного выступа 62, что способствует скольжению сжатого уплотнения 60 вдоль уплотнительной поверхности (например, внешней поверхности уплотнительного выступа 62) при вращении шарошки.
Уплотнение выполнено таким образом, чтобы выдерживать высокое давление при бурении с погружным пневмоударником. Высокое давление наряду с предусмотренным высоким коэффициентом сжатия уплотнения в стальнике плотно прижимает уплотнение к уплотнительному выступу 62. Смазка, присутствующая в зоне уплотнения на поверхности уплотнительного выступа, обеспечивает смазку уплотнения и отводит тепло трения. В случае, когда уплотнение плохо смазано, оно скользит всухую по уплотнительному выступу и при этом выделяется большое количество тепла трения. Известно, что данное тепло трения является основной причиной выхода из строя уплотнения. Таким образом, предпочтительно вносить больше смазки под уплотнение, как, например, на поверхность уплотнительного выступа 62 (или другую поверхность скольжения сальника) с целью уменьшения трения и отвода тепла.
Для подшипника «масляное голодание» в данных зонах поверхностного контакта системы подшипника не являются редкостью. В результате чего могут возникнуть зазубрины, задиры, и даже катастрофические поломки, такие как наволакивание металла в подшипнике скольжения или его заклинивание. Также, соответственно, есть необходимость в удерживании смазки запертой между связанными и противодействующими цилиндрическими и радиальными поверхностями системы подшипника.
Вышеуказанные решения известны, например, из следующих документов из уровня техники: патенты Соединенных Штатов, номера - 3,839,774 (Октябрь 8, 1974), 4,248,485 (Февраль 3, 1981) и 5,485,890 (Январь 23, 1996), публикация Соединенных Штатов 2005/0252691 (Ноябрь 17,2005) и PCT публикация WO 2007/146276 (Декабрь 21, 2007), описания которых данной ссылкой включены в данное описание.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Для решения проблемы «масляного голодания» и возможного выхода из строя уплотнения желательно увеличение количества смазки, которое может удерживаться в зонах поверхностного контакта уплотнительной системы. В попытках внести больше смазки в данные зоны поверхностного контакта, рельеф поверхности уплотнительной системы (например, поверхностей сальника) изменяют способом, описанным ниже.
Текстурирование поверхности применяют для изменения рельефа одной или более поверхностей (радиальных, конических или цилиндрических) уплотнительной системы для шарошечного долота. Со ссылками на определенные фигуры описаны передовые способы и устройство для текстурирования поверхности, а также их положительный эффект, который заключается в уменьшении трения и увеличении срока службы долота. Данные признаки касаются недостатков уровня техники, с учетом конфигурации и принципа действия уплотнительных поверхностей.
Согласно варианту осуществления, рельеф поверхности уплотнительной системы изменяют посредством технологии текстурирования поверхности. Текстурирование поверхности применяют, предпочтительно, на цилиндрической поверхности уплотнительного выступа в месте нахождения уплотнения, в уплотнительной системе для шарошечного долота. Раскрытое в данном описании текстурирование поверхности включает углубления, которые удерживают дополнительную смазку и, таким образом, являются полезными для уменьшения трения, которому подвержено уплотнение.
Текстурирование поверхности, как описано в данном описании, создает особым образом нанесенные углубления на одной или нескольких поверхностях уплотнительной системы. Ссылаясь еще раз на фиг. 1 и 2, текстурированной поверхностью в уплотнительной системе, согласно с вариантами осуществления, описанными в данном описании, предпочтительно является поверхность уплотнительного выступа 62. Однако, следует понимать, что в зависимости от конфигурации сальника 64, текстурирование может также быть выполнено на одной или более других поверхностей, образующих сальник и сжимающих уплотнение 60. Таким образом, любая желаемая поверхность, включая цилиндрическую, коническую и радиальную поверхность области сальника 64 уплотнительной системы, может иметь текстурирование поверхности. Кроме того, в уплотнительной системе может использоваться любое сочетание текстурированных поверхностей с нетекстурированными поверхностями.
Для решения проблемы «масляного голодания» и возможного выхода из строя подшипника, также желательно увеличение количества смазки, которое может удерживаться в зонах поверхностного контакта системы подшипника. В попытках внести больше смазки в данные зоны поверхностного контакта, рельеф поверхности системы подшипника изменяют способом, описанным ниже. Текстурирование поверхности применяют для изменения рельефа одной или более поверхностей (радиальных или цилиндрических) системы подшипника для шарошечного долота.
Из-за большой нагрузки и низкой скорости, вал головки и втулка основного подшипника скольжения находятся в контакте с нагруженной стороной системы подшипника. Такой контакт металла по металлу обусловливает фрикционные свойства системы подшипника. Коэффициент трения обычно превышает 0,1, что в свою очередь генерирует огромное количество тепла и может привести к выходу из строя подшипника и уплотнения. Для увеличения срока службы подшипника, трение должно быть уменьшено. В условиях смешанной смазки для осуществления лучшей смазки в данных областях поверхностного контакта существует два способа: ввести больше смазки или увеличить гидродинамическое давление.
Согласно варианту осуществления, рельеф системы подшипника головки изменяют посредством технологии текстурирования поверхности. Текстурирование поверхности применяют, или на стороне головки или на стороне втулки (или шарошки), или на обоих, в системе подшипника шарошечного долота. Раскрытое в данном описании текстурирование поверхности включает углубления, которые удерживают дополнительную смазку и, таким образом, являются полезными для уменьшения трения в условиях граничной и смешанной смазок.
Текстурирование поверхности, как описано в данном описании, создает особым образом нанесенные углубления на одной или нескольких поверхностях системы подшипника. Вернемся еще раз к фиг. 1 и 2, для того, чтобы определить возможные текструрируемые поверхности в системе подшипника, согласно вариантам осуществления, описанным в данном описании. В одном варианте осуществления текстурирование поверхности выполнено на внешней цилиндрической поверхности 20 вала 2 подшипника, который формирует часть первого цилиндрического подшипника трения 10. В другом варианте осуществления текстурирование поверхности выполнено на внутренней цилиндрической поверхности 22 втулки 24, которая запрессована в шарошку 3 и которая формирует часть первого цилиндрического подшипника трения 10. В еще одном варианте осуществления текстурирование поверхности выполнено на внешней цилиндрической поверхности 30 вала 2 подшипника, который формирует часть второго цилиндрического подшипника трения 14. В еще одном варианте осуществления текстурирование поверхности выполнено на внутренней цилиндрической поверхности 32 шарошки 3, которая формирует часть второго цилиндрического подшипника трения 14. В другом варианте осуществления текстурирование поверхности выполнено на первой радиальной поверхности 40 вала 2 подшипника, который формирует часть первого радиального подшипника трения 16. В еще одном варианте осуществления текстурирование поверхности выполнено на второй радиальной поверхности 42 шарошки 3, которая формирует часть первого радиального подшипника трения 16. В еще одном варианте осуществления текстурирование поверхности выполнено на третьей радиальной поверхности 50 вала 2 подшипника, который формирует часть второго радиального подшипника трения 18. В еще одном варианте осуществления текстурирование поверхности выполнено на четвертой радиальной поверхности 52 шарошки 3, которая формирует часть второго радиального подшипника трения 18. Также может использоваться любое сочетание упомянутых выше текстурированных поверхностей с нетекстурированными поверхностями.
Углубления в текстурированной поверхности выполняют функцию смазочных резервуаров, что позволяет смазке проходить в промежуточное пространство шероховатостей металла. Между тем, в области углублений возникает более высокое гидродинамическое давление. Оба действия будут обеспечивать улучшение смазывания системы уплотнения или подшипника наряду с уменьшением трения.
Для уплотнительной поверхности и рабочей поверхности подшипника площадь покрытия в процентах, что касается углублений, может быть одинаковой или отличаться. В одном варианте осуществления покрытие одинаковое, и предпочтительным является, чтобы углубления в текстуре поверхности покрывали 60-100% интересующей поверхности. Более предпочтительно, чтобы углубления покрывали 70-90% интересующей поверхности. В одном варианте осуществления углубления покрывают практически 100% интересующей поверхности. В другом варианте осуществления, уплотнительная поверхность может быть обработана посредством дробеструйной обработки слабее чем рабочая поверхность подшипника. Таким образом, покрытие текстурой рабочей поверхности подшипника может иметь процентные значения, как описано выше, в то время как уплотнительная поверхность имеет меньшую площадь покрытия текстурой. Примеры более низкого покрытия поверхности текстурой включают 5-60%.
В вариантах осуществления согласно данному описанию используется один или более из множества способов для создания текстуры поверхности, включающий: механическую обработку, химическое травление, лазерное текстурирование, упрочняющее накатывание, виброгалтовку и т.п. Управляемость, равномерность, стоимость, площадь покрытия, размер углублений, а также форма углублений - это факторы, определяющие способ, выбираемый для формирования текстуры.
В предпочтительном варианте осуществления, дробеструйная обработка применяется для создания углублений в текстурируемой поверхности. В частности, применяется процесс дробеструйной обработки, содержащий две стадии. Согласно процессу, содержащему две стадии, на первой стадии поверхность обрабатываемой уплотнительной системы или системы подшипника подвергают первой дробеструйной обработке, при которой поверхность бомбардируют при первом уровне интенсивности посредством первых маленьких сферических рабочих тел ("дробь") первого среднего размера. На второй стадии ту же поверхность обрабатываемой уплотнительной системы или системы подшипника подвергают второй дробеструйной обработке при втором уровне интенсивности, при которой поверхность бомбардируют посредством маленьких сферических рабочих тел ("дробь") второго среднего размера. Предпочтительно второй уровень интенсивности меньше чем первый уровень интенсивности. Предпочтительно второй средний размер меньше чем первый средний размер.
В предпочтительном варианте осуществления, каждая стадия процесса дробеструйной обработки, содержащего две стадии, выполняется для получения площади покрытия дробеструйной обработкой в пределах 60-100%. В случае использования на каждой стадии площадей покрытия дробеструйной обработкой менее 100%, целью является получение конечной площади покрытия дробеструйной обработкой относительно обрабатываемой поверхности, по меньшей мере, 60%, в частности 70-90% и даже более предпочтительно, площади, приближающейся или достигающей практически 100%.
Также следует понимать, что при процессе дробеструйной обработки, может использоваться более двух отдельных стадий дробеструйных обработок. Например, может применяется процесс, содержащий три стадии, четыре или более стадий. На каждой стадии следует предпочтительно использовать рабочие тела различного размера при различных уровнях интенсивности.
Принимая во внимание более слабую дробеструйную обработку, которая может использоваться для обработки уплотнительной поверхности, возможно будет необходимо использовать лишь однократную дробеструйную обработку для получения желаемой текстуры поверхности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг. 1 иллюстрирует вид в частичном разрезе обычного шарошечного долота;
Фиг. 2 иллюстрирует вид в частичном разрезе другого обычного шарошечного долота;
Фиг. 2A-2C иллюстрируют другие конфигурации уплотнительной системы, используемой на фиг. 2;
Фиг. 3 иллюстрирует примерную схему ударов дробеструйной обработки;
Фиг. 4 иллюстрирует в поперечном сечении интересующую поверхность, обработанную дробеструйной обработкой согласно фиг.3 при или около 100% площади покрытия;
Фиг. 5 иллюстрирует в поперечном сечении интересующую поверхность, обработанную дополнительной дробеструйной обработкой при менее 100% площади покрытия;
Фиг. 6 иллюстрирует примерную схему ударов с учетом выполнения дополнительной дробеструйной обработки;
Фиг. 7, 8 и 9 иллюстрируют в поперечном сечении интересующую поверхность, обработанную дополнительной дробеструйной обработкой;
Фиг. 10-12 - это изображения, иллюстрирующие сравнения рельефов поверхностей, которые были подвергнуты процессу дробеструйной обработки, содержащему две стадии;
Фиг. 13 - это изображение, иллюстрирующее рельеф поверхности, обработанной обычным образом;
Фиг. 14 - это изображение, иллюстрирующее рельеф поверхности, обработанной посредством процесса дробеструйной обработки, содержащего две стадии; и
Фиг. 15-19 иллюстрируют положительный эффект, касающийся коэффициента трения, который увеличивается в следствие текстурирования поверхности.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Текстурирование поверхности применяют для изменения рельефа одной или более поверхностей (радиальных, конических или цилиндрических или других) уплотнительной системы и/или системы подшипника для шарошечного долота. Результатом текстурирования поверхности является шероховатая поверхность, которая удерживает дополнительную смазку, полезную для уменьшения трения в условиях граничной и смешанной смазок. Площадь покрытия поверхности шероховатой текстурой, по меньшей мере, касательно рабочей поверхности подшипника, должна превышать минимум 60%, более предпочтительно, она должна находиться в пределах 70-90% и еще более предпочтительно, приближаться или достигать приблизительно 100%. Относительно уплотнительной поверхности может быть использована более слабая дробеструйная обработка (5-60%).
Ссылаясь на фиг. 1 и 2, текструрируемые поверхности в уплотнительной системе, которые подвергаются текстурированию поверхности, содержат любую поверхность, имеющую скользящий контакт с уплотнением 60 по мере вращения шарошки. Они включают одну или более поверхностей сальника 64. В частности, они включают, по меньшей мере, поверхность уплотнительного выступа 62. Также может использоваться любое сочетание упомянутых выше текстурированных поверхностей с желаемыми нетекстурированными поверхностями.
В то время как фиг. 1 и 2 иллюстрируют использования цилиндрических уплотнительных поверхностей, связанных с уплотнительным выступом 62 и сальником 64, текстурирование поверхности может наноситься и на другие конфигурации уплотнительной системы, такие как проиллюстрированные на фиг. 2a, 2b и 2c. Следует отметить, что такие альтернативные конфигурации используют конические поверхности применительно к уплотнительной системе (на одной или на обоих сторонах уплотнения вала и шарошки). Таким образом, любая коническая или цилиндрическая поверхность, связанная с уплотнением и выполняющая функцию уплотнительной поверхности, по которой двигается уплотнение 60 по мере вращения шарошки, является подходящей для нанесения текстуры.
Вернемся еще раз к фиг. 1 и 2, для того, чтобы определить текструрируемые поверхности в системе подшипника, которые подвергаются текстурированию поверхности.
Рассмотрим сначала первый цилиндрический подшипник трения 10, в котором текстурирование поверхности выполнено на одной или другой или на обоих - внешней цилиндрической поверхности 20 на валу 2 подшипника и внутренней цилиндрической поверхности 22 втулки 24, которая запрессована в шарошку 3, при этом данные поверхности формируют первый цилиндрический подшипник трения 10 (или основной подшипник скольжения).
Что касается второго цилиндрического подшипника трения 14, текстурирование поверхности выполнено на одной или другой или на обоих - внешней цилиндрической поверхности 30 вала 2 подшипника и внутренней цилиндрической поверхности 32 шарошки 3.
В первом радиальном подшипнике трения 16, текстурирование поверхности выполнено на одной или другой или на обоих - первой радиальной поверхности 40 вала 2 подшипника и второй радиальной поверхности 42 шарошки 3.
И в заключение, во втором радиальном подшипнике трения 18, текстурирование поверхности выполнено на одной или другой или на обоих - третьей радиальной поверхности 50 вала 2 подшипника и четвертой радиальной поверхности 52 шарошки 3.
Также может использоваться любое сочетание упомянутых выше текстурированных поверхностей с желаемыми нетекстурированными поверхностями.
Углубления в текстурированной поверхности выполняют функцию смазочных резервуаров, что позволяет смазке проходить в промежуточное пространство шероховатостей металла. Между тем, в области углублений возникает более высокое гидродинамическое давление. Оба действия будут обеспечивать улучшение смазывания системы уплотнения и/или подшипника.
Для создания шероховатой текстуры поверхности может использоваться один или более из множества способов, которые включают: механическую обработку, химическое травление, лазерное текстурирование, упрочняющее накатывание, виброгалтовку, дробеструйную обработку и т.п. Управляемость, равномерность, стоимость, площадь покрытия, размер углублений, глубина углублений и форма углублений - это факторы, влияющие на выбор способа формирования текстуры.
Шероховатая текстура поверхности должна быть хаотичной с равномерным покрытием. Предпочтительно, должны присутствовать углубления различного размера и хаотично распределяться по поверхности. Площадь конечного покрытия, составляющая практически 100% интересующей поверхности, предпочтительна, по меньшей мере, касательно рабочей поверхности подшипника. Если первичная поверхность полностью покрывается посредством текстуры перекрывающихся углублений, тогда можно сказать, что была получена 100% площадь покрытия. Кроме того, на окончательной текстуре поверхности не должно быть острых граней. Однако, следует понимать, что благоприятный эффект возникает при площади покрытия интересующей поверхности свыше 60%, или более предпочтительно в пределах 70-90% и при приближении к 100%. Одинаковая площадь покрытия в процентах может использоваться как для рабочей поверхности подшипника, так и для уплотнительной поверхности. Альтернативно, более слабое текстурирование может использоваться применительно к уплотнительной поверхности по сравнению с рабочей поверхностью подшипника. Например, более слабое текстурирование с покрытием 5-60% может использоваться применительно к уплотнительной поверхности, в то время как более сильное текстурирование с покрытием 60-100% может быть использовано для рабочей поверхности подшипника.
В предпочтительном варианте осуществления, в целях изменения рельефа, выбирают дробеструйную обработку для создания шероховатой текстуры поверхности. Дробеструйная обработка предпочтительно обладает свойствами хаотичности, но с равномерностью покрытия. Кроме того, дробеструйная обработка является контролируемым процессом, поэтому только желаемые поверхности будут иметь измененный рельеф поверхности (это позволяет обработанной на станке поверхности находиться рядом с поверхностью, обработанной дробеструйной обработкой). Специалистам в данной области известно, что дробеструйная обработка представляет собой процесс холодной обработки, при котором поверхность детали бомбардируют маленькими сферическими рабочими телами, называемыми дробью. Каждая дробинка, вследствие удара, оставляет маленькое углубление на поверхности. Дробеструйная обработка более широко используется для создания сжимающего напряжения для уменьшения вероятности возникновения усталостных трещин. Благодаря тому, что на поверхности образуются маленькие углубления, дробеструйная обработка применяется, как описано в данном описании, для различных целей при создании шероховатой текстуры поверхности, которая может содержать больше смазки в зоне(зонах) поверхностного контакта уплотнения/подшипника и создавать увеличенное гидродинамическое давление, благодаря которому поверхности уплотнения/подшипника лучше разделяются.
Одна или несколько из поверхностей 20, 22, 30, 32, 40, 42, 50, 52 и 62 (или других - конических, радиальных или цилиндрических поверхностей скольжения), описанных выше, могут подвергаться дробеструйной обработке. В предпочтительном варианте осуществления, на интересующей поверхности (поверхностях) применяется процесс дробеструйной обработки, содержащий две стадии (двойной).
На первой стадии дробеструйная обработка осуществляется на поверхности с использованием первых маленьких сферических рабочих тел при первом уровне интенсивности. Дробеструйная обработка на первой стадии осуществляется в течение первого периода времени для получения желаемой площади покрытия. Рабочие тела, предпочтительно, представляют собой стальные отливки, которые в примерном варианте осуществления имеют первый средний размер 0,011 дюймов, а интенсивность на первой стадии составляет 0,007~0,010 C (измерено согласно полосы Альмена). Альтернативно, рабочие тела представляют собой стеклянную дробь для более мягких поверхностей, таких как внутренняя цилиндрическая поверхность 22 первого цилиндрического подшипника трения 10 на втулке 24 (с интенсивностью первой стадии - 0,008~0,012 N). В примерном варианте осуществления стеклянные рабочие тела имеют средний размер 0,006 дюйма. Отличие между твердой поверхностью и мягкой поверхностью может основываться, например, на том, превышает ли твердость материала определенный предел (такой, как, например, твердость, составляющая 45 HRC). В варианте осуществления, описанном выше, касательно основного подшипника скольжения, шейка из закаленной стали имеет твердость 58-62 HRC, в то время как втулка из бериллиевой бронзы имеет твердость около 38 HRC.
Предпочтительно, для, по меньшей мере, поверхности подшипника и, возможно, также для уплотнительной поверхности, площадь покрытия дробеструйной обработкой, полученная в результате завершения первой стадии дробеструйной обработки, после первого периода времени, составляет 60-100%. Также может быть выполнено покрытие более 100%. Покрытие представляет собой участок (в процентах) готового текстурирования (например, шероховатости) поверхности, обработанной посредством стадии процесса. Таким образом, при 100% покрытии, текстура первичной поверхности поверхности, которая была обработана дробеструйной обработкой, на первой стадии дробеструйной обработки покрывается полностью. Покрытие, превышающее 100% получают увеличением времени дробеструйной обработки свыше времени, необходимого для получения 100% покрытия. Например: 200% покрытие может быть получено посредством дробеструйной обработки поверхности на протяжении удвоенного времени, необходимого для получения 100% покрытия. Альтернативно, для покрытия уплотнительной поверхности может быть использована более слабая дробеструйная обработка, в результате которой получают покрытие 5-60%.
Фиг. 3 иллюстрирует примерную схему ударов с учетом выполнения первой стадии дробеструйной обработки с или около 100% площадью покрытия;
Фиг. 4 иллюстрирует в поперечном сечении интересующую поверхность, обработанную на первой стадии дробеструйной обработки.
С другой стороны, фиг. 5 иллюстрирует в поперечном сечении интересующую поверхность, обработанную на первой стадии дробеструйной обработкой с площадью покрытия менее 100% (а именно, на протяжении более короткого периода времени). Такая дробеструйная обработка, например, применяется для выполнения легкого текстурирования, используемого в одном варианте осуществления для уплотнительной поверхности.
На второй стадии осуществляют дополнительную дробеструйную обработку поверхности (фиг. 4 или 5), которую получили после завершения первой стадии, с использованием вторых рабочих тел при второй интенсивности. Дробеструйная обработка на второй стадии осуществляется в течение второго периода времени для получения желаемой площади покрытия. Рабочие тела, предпочтительно, представляют собой стальные отливки, имеющие второй средний размер 0,011 дюймов (который является меньшим, чем первый средний размер), а интенсивность на второй стадии составляет 0,007~0,010 A (измерено согласно полосы Альмена). Альтернативно, рабочие тела представляют собой более мелкую стеклянную дробь для более мягких поверхностей, таких как внутренняя цилиндрическая поверхность 22 первого цилиндрического подшипника трения 10 на втулке 24. Предпочтительно, площадь покрытия дробеструйной обработкой, полученная в результате завершения второй стадии дробеструйной обработки, находится в пределах 60-100%.
Фиг. 6 иллюстрирует примерную схему ударов с учетом выполнения второй стадии дробеструйной обработки с площадью покрытия менее 100%.
Фиг. 7 иллюстрирует в поперечном сечении интересующую поверхность, обработанную на второй стадии дробеструйной обработки (начиная с результата первой стадии, показанного на фиг. 4) на протяжении второго периода времени, необходимого для получения практически 100% площади покрытия.
Фиг. 8 иллюстрируют в поперечном сечении интересующую поверхность, обработанную на второй стадии дробеструйной обработки (начиная с результата первой стадии, показанного на фиг. 5). В данном случае вторая стадия обеспечивает покрытие менее 100% (вследствие обработки в течение более короткого второго периода времени). Кроме того, такой процесс более слабой дробеструйной обработки может эффективно использоваться в одном варианте осуществления, как для уплотнительной поверхности, так и для рабочей поверхности подшипника.
Фиг. 9 иллюстрирует в поперечном сечении интересующую поверхность, обработанную на второй стадии дробеструйной обработки (начиная с результата первой стадии, показанного на фиг. 5). В данном случае вторая стадия обеспечивает покрытие 100% посредством выбора необходимого второго периода времени.
Не важно, какая площадь покрытия в процентах достигается посредством второй дробеструйной обработки, предпочтительно, чтобы вторая стадия дробеструйной обработки как минимум сглаживает, как показано на фиг. 7, любые острые грани, которые присутствуют на поверхности текстуры, полученной в результате завершения первой стадии дробеструйной обработки (см. фиг. 4 и 5). Результатом этого является улучшенная окончательная текстура поверхности (преимущественно уменьшается вероятность контакта металла по металлу, например, в системе подшипника).
Что касается, по меньшей мере, рабочей поверхности подшипника, предпочтительно, чтобы после завершения дробеструйной обработки (обе или более стадий) интересующей поверхности, достигалась практически 100% площадь покрытия углублениями посредством комбинации первой и второй стадий. Однако, есть преимущества при площадях покрытия более 60%, 70-90%, и более 90%.
Не смотря на то, что описан процесс с двумя стадиями, следует понимать, что, что при процессе дробеструйной обработки, может использоваться более двух отдельных дробеструйных обработок. Например, может применяется процесс, содержащий три стадии, четыре или более стадий. На каждой стадии следует предпочтительно использовать рабочие тела различного среднего размера и различные уровни интенсивности.
Для более мягких материалов, например, твердость которых равна или менее 45 HRC, может быть необходимо применение лишь одной стадии дробеструйной обработки. Однако, для более твердых материалов будет благоприятно выполнение двух или более этапов дробеструйной обработки, как описано выше.
Следует понимать, что иллюстрации поперечного сечения текстуры поверхности, показанные в данном описании, являются схематическими и примерными по своему характеру. Показанная равномерность и периодичность формы углублений, а также их местоположения, изображенные на фигурах, не обязательно являются точным отображением того, что будет представлять собой в поперечном сечении реальная поверхность, обработанная дробеструйной обработкой, скорее показанное будет отображать результаты, полученные при применении процесса с двумя стадиями. Для специалиста в данной области будут понятны рельефы, получаемые при выполнении каждой - первой и второй стадий на протяжении, соответственно, первого и второго периодов времени дробеструйной обработки.
Из уровня техники известно придание радиальным и цилиндрическим поверхностям уплотнительной системы и системы подшипника шероховатости со средним арифметическим отклонением профиля в пределах 8-16 микродюймов. Это включает обычную полированную поверхность стандартного применения (см., также, фиг. 13). Однако, в результате выполнения процесса обработки поверхности, описанного в данном описании, рабочая поверхность подшипника, обработанная дробеструйной обработкой, будет иметь окончательную шероховатость поверхности со средним арифметическим отклонением профиля более 20 микродюймов (см. также фиг. 14).
Обратимся теперь к фиг. 10, которая является изображением, иллюстрирующим сравнение рельефов поверхностей, обработанных согласно процессу дробеструйной обработки с двумя стадиями, описанному выше, для придания поверхности шероховатости со средним арифметическим отклонением профиля более 20 микродюймов (см. вал подшипника слева) и поверхностей со стандартной шероховатостью поверхности со средним арифметическим отклонением профиля в пределах 8-16 микродюймов (см. вал подшипника справа и внутреннюю поверхность втулки в центре). Фиг. 11 является изображением, иллюстрирующим сравнение рельефов поверхностей, обработанных согласно процессу дробеструйной обработки с двумя стадиями, описанному выше, для придания поверхности шероховатости со средним арифметическим отклонением профиля более 20 микродюймов (см. вал подшипника справа и внутреннюю поверхность втулки в центре) и поверхностей со стандартной шероховатостью поверхности со средним арифметическим отклонением профиля в пределах 8-16 микродюймов (см. вал подшипника справа). Фиг. 12 является изображением, иллюстрирующим сравнение рельефов поверхностей, обработанных согласно процессу дробеструйной обработки с двумя стадиями, описанному выше, для придания шероховатости поверхности со средним арифметическим отклонением профиля более 20 микродюймов (см. вал подшипника справа) и поверхностей со стандартной шероховатостью поверхности со средним арифметическим отклонением профиля в пределах 8-16 микродюймов (см. вал подшипника слева).
Фиг. 13 - это изображение, иллюстрирующее рельеф поверхности, обработанной обычным способом, так, как это выполнялось в уровне техники применительно к поверхностям системы подшипника.
Фиг. 14 - это изображение, иллюстрирующее рельеф поверхности, обработанной посредством процесса дробеструйной обработки, содержащего две стадии, выполненного согласно приведенному выше описанию.
При одинаковых условиях испытания на испытательной установке были испытаны: обработанный обычным образом вал и обработанный обычным образом уплотнительный выступ (см. поверхность на фиг. 13) и вал с уплотнительным выступом, обработанным дробеструйной обработкой (см. поверхность на фиг. 14). Фиг. 15 и 16 иллюстрируют результаты этого испытания и показывают положительное влияние на коэффициент трения при текстурировании поверхности (в общем) и с применением процесса дробеструйной обработки, содержащего две стадии (в частности) согласно с процессом, описанным выше, в данных конфигурациях уплотнительной системы. Присутствие маленьких углублений на выполненной текстуре поверхности генерирует гидродинамическое давление, а также стабилизирует или уменьшает трение. Система вала и уплотнительного выступа с шероховатостью поверхности, полученной обычным образом (известным из уровня техники), имеет большую неравномерность в трении. Однако, для вала и уплотнительного выступа, обработанных дробеструйной обработкой микроуглубления образуют больше резервуаров для смазки, используемой для смазывания скользящей поверхности с уплотнением. При этом, смазка, содержащаяся в углублениях, генерирует гидродинамическое давление для лучшего разделения пар трения. Таким образом, трение становится более стабильным или уменьшается.
Фиг. 15 и 16 отличаются только манерой определения и представления проиллюстрированных данных.
При одинаковых условиях испытания на испытательной установке для подшипника были испытаны: обработанный обычным образом вал и обработанная обычным образом втулка (см. поверхность на фиг. 13), вал, обработанный дробеструйной обработкой (см. поверхность на фиг. 14) с уплотнительной втулкой обработанной обычным образом, и обработанный обычным образом вал с уплотнительной втулкой обработанной дробеструйной обработкой. Фиг. 17 и 18 иллюстрируют результаты этого испытания и показывают положительное влияние на коэффициент трения при текстурировании поверхности (в общем) и с применением процесса дробеструйной обработки, содержащего две стадии (в частности) согласно с процессом, описанным выше, в данных трех конфигурациях уплотнительной системы. Присутствие маленьких углублений на выполненной текстуре поверхности генерирует гидродинамическое давление, а также стабилизирует или уменьшает трение. Система вала и втулки с шероховатостью поверхности, полученной обычным образом (известным из уровня техники), подвергается более сильному контакту неровность по неровности, поэтому трение в этой конфигурации системы подшипника обладает большей неравномерностью. Однако, в системе вала и/или втулки, обработанных дробеструйной обработкой (проиллюстрированы два варианта осуществления), микроуглубления образуют больше резервуаров для смазки, используемой для смазывания трущихся поверхностей. При этом, смазка, содержащаяся в углублениях, генерирует гидродинамическое давление для лучшего разделения пар трения. Таким образом, трение становится более стабильным или уменьшается.
Фиг. 17 и 18 отличаются только манерой определения и представления проиллюстрированных данных.
Обратимся теперь к фиг. 19, которая также иллюстрирует влияние дробеструйной обработки согласно описанному выше процессу дробеструйной обработки, содержащему две стадии, на коэффициент трения в данных трех конфигурациях подшипника. Фиг. 19 иллюстрирует такую же информацию, как и на фиг. 17 и 18, но представленную в другом виде. На фиг. 19 опущена некоторая информация, показанная на фиг. 17-18, касательно изменения трения в системе обычной головки и втулки и его уменьшения в системе обработанной дробеструйной обработкой головки и втулки. Тем не менее, для системы подшипника, описанной в данном описании, являются очевидными преимущества, касательно трения поверхностей с нанесенной текстурой.
Таким образом, для использования в шарошечном долоте предоставлена уплотнительная система с текстурированной поверхностью. Маленькие углубления созданы посредством процесса дробеструйной обработки, содержащего две стадии, примененного на одной или более интересующих поверхностях применительно к уплотнительной системе (например, уплотнительный выступ или другая скользящая относительно уплотнения поверхность). Хаотично распределенные, неравномерного размера углубления сформированы на интересующей поверхности (например, с, по меньшей мере, 60% площадью покрытия рабочей поверхности подшипника) и функционируют как резервуары для удержания большего количества смазки в зоне поверхностного контакта. В области углублений генерируется гидродинамическое давление и трение уплотнения уменьшается. Соответственно, улучшаются рабочие условия уплотнения.
Таким образом, для использования в шарошечном долоте предоставлен подшипник головки с текстурированной поверхностью. Маленькие углубления созданы посредством процесса дробеструйной обработки, содержащего две стадии, примененного на одной или более интересующих поверхностях применительно к системе подшипника (например, в основном подшипнике скольжения). Хаотично распределенные, неравномерного размера углубления сформированы на интересующей поверхности (с, по меньшей мере, 60% площадью покрытия) и функционируют как резервуары для удержания большего количества смазки в зоне поверхностного контакта. В области углублений генерируется гидродинамическое давление и трение в подшипнике уменьшается. Соответственно, улучшаются рабочие условия подшипника.
Варианты осуществления полезной модели были описаны и проиллюстрированы выше. Полезная модель не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления.