ШАРОШЕЧНЫЙ БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ
ROLLER CUTTER DRILLING TOOL

Предлагаемое изобретение может быть использовано в горном деле для бурения прямым ходом скважин со ступенчатой формой забоя либо для расширения ранее пробуренной скважины.
Известна подшипниковая опора бурового долота, содержащая лапы с цапфами, на которой консольно установлена шарошка на подшипниках, способных воспринимать радиальную и разнонаправленную осевую нагрузку, один из которых - периферийный замковый радиально-упорный, наружное кольцо которого уперто в замковое устройство, закрепленное на шарошке со стороны основания цапфы. Имеется радиально-упорный подшипник, способный воспринимать от шарошки прямую осевую нагрузку, внутреннее кольцо которого установлено на цапфе с возможностью осевого перемещения и уперто в ее бурт через тарельчатую пружину (пат. на изобретение США №2007/0034413, МПК Е21В 10/00, опубл. 15.02.2007).
Недостатком данной конструкции является расположение замкового устройства на шарошке, что приводит к ослаблению тела шарошки, уменьшению диметра устанавливаемого подшипника. Это приводит к уменьшению прочности и долговечности шарошек и их опор.
Известен шарошечный расширитель, содержащий корпус в виде центрального ствола с присоединенными к нему лапами в виде обойм, опорные валы с подшипниками, которые разъемно установлены между обоймой и центральным стволом. Подшипники расположены в сквозном осевом отверстии шарошки, шарошка зафиксирована с помощью замкового шарикового подшипника (а.с. РФ №1808971, Е21В 10/28, опубл. 15.04.1993).
Недостатком данной конструкции является расположение замкового устройства в рабочей зоне подшипниковой опоры, что снижает ее долговечность.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является разборный шарошечный буровой инструмент, содержащий корпус, к которому присоединены опережающие породоразрушающие элементы или он имеет устройство для присоединения опережающего бурового инструмента меньшего диаметра и/или буровой штанги, а также прикреплены лапы с цапфами, на каждой из которых установлена шарошка на расположенных в ее сквозном осевом отверстии подшипниках, способных воспринимать радиальную и разнонаправленную осевую нагрузку, при этом внутреннее кольцо подшипника, способного воспринимать от шарошки обратную осевую нагрузку, уперто в корпус или застопорено на конце лапы посредством съемного стопорящего резьбового элемента (пат. на полезную модель РФ №141747, МПК Е21В 10/28, опубл. 10.06.2014).
Недостатком данной конструкции является консольное крепление цапф шарошек, возможность значительного уменьшения предварительного натяга в случае радиально-упорных подшипников, если внутреннее кольцо одного из них уперто в корпус, или в результате выработки и износа, если оно застопорено на конце лапы посредством съемного стопорящего резьбового элемента. Это приводит к уменьшению прочности опор шарошек и долговечности подшипников, повышению требований к точности изготовления и монтажа.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение прочности цапф шарошек и увеличение долговечности подшипников путем обеспечения двухопорного крепления цапф и поддержания предварительного натяга радиально-упорных подшипников с помощью пружин с одновременным уменьшением требований к точности изготовления и монтажа опор шарошек, а значит, уменьшения трудоемкости изготовления.
Для достижения указанного технического результата в шарошечном буровом инструменте, содержащем корпус, к которому присоединены опережающие породоразрушающие элементы или он имеет устройство для присоединения опережающего бурового инструмента меньшего диаметра и/или буровой штанги, а также прикреплены лапы с цапфами, на каждой из которых установлена шарошка на расположенных в ее сквозном осевом отверстии подшипниках, способных воспринимать радиальную и разнонаправленную осевую нагрузку, при этом внутреннее кольцо подшипника, способного воспринимать от шарошки обратную осевую нагрузку, уперто в корпус, согласно изобретению каждый из подшипников является радиально-упорным, внутреннее кольцо подшипника, способного воспринимать от шарошки обратную осевую нагрузку, установлено на цапфе с возможностью осевого перемещения и уперто в корпус посредством одной или нескольких тарельчатых пружин, имеется два подшипника, способных воспринимать от шарошки прямую осевую нагрузку, внутреннее кольцо одного из них ближнего к вершине шарошки установлено на цапфе с возможностью осевого перемещения и уперто в бурт цапфы через одну или несколько тарельчатых пружин, цапфа со стороны, противоположной лапе, установлена в отверстие корпуса таким образом, что образован предварительный осевой натяг в радиально-упорных подшипниках в результате сжатия тарельчатых пружин.
На фиг. 1 изображен шарошечный буровой инструмент сбоку; на фиг. 2 - местный осевой разрез подшипникового узла одной из шарошек.
Шарошечный буровой инструмент состоит из корпуса 1, к которому присоединены опережающие породоразрушающие элементы (на чертеже не показаны) или он имеет устройство для присоединения опережающего бурового инструмента меньшего диаметра и/или буровой штанги (на чертеже не показаны), например в виде резьбовой муфты 2.
К корпусу 1 прикреплены лапы 3 с цапфами 4, на каждой из которых установлена шарошка 5 на подшипниках, расположенных в ее сквозном осевом отверстии, способных воспринимать радиальную и разнонаправленную осевую нагрузку. Подшипник 6, способный воспринимать от шарошки 5 обратную осевую нагрузку, выполнен радиально-упорным, его внутреннее кольцо установлено на цапфе 4 с возможностью осевого перемещения и уперто в корпус 1 посредством, например двух, тарельчатых пружин 7.
Имеется два радиально-упорных подшипника 8 и 9, способных воспринимать от шарошки 5 прямую осевую нагрузку. Внутреннее кольцо подшипника 8, ближнего к вершине шарошки 5, установлено на цапфе 4 с возможностью осевого перемещения и уперто в бурт цапфы 4 через, например одну, тарельчатую пружину 10.
Цапфа 4 со стороны, противоположной лапе 3, установлена в отверстие корпуса 1 таким образом, что образован предварительный натяг в радиально-упорных подшипниках 6, 8 и 9 в результате сжатия тарельчатых пружин 7 и 10.
Для уплотнения подшипникового узла может быть применена уплотнительная шайба 11, которая может передавать осевое усилие предварительного натяга от тарельчатых пружин 7 к внутреннему кольцу радиально-упорного подшипника 8.
Работает шарошечный буровой инструмент следующим образом.
На корпус 1 и лапы 3 передается осевое усилие и крутящий момент, в результате этого происходит вращение корпуса 1 и шарошек 5, с помощью которых разрушается забой скважины (на чертеже не показан).
Опережающие породоразрушающие элементы (на чертеже не показаны) меньшего диаметра или присоединенный к резьбовой муфте 2 опережающий буровой инструмент (на чертеже не показан) производят бурение опережающего уступа скважины, освобождая место для расположения вершинной части шарошек 5, не имеющей породоразрушающего вооружения.
Усилия от каждой шарошки 5 передаются на радиально-упорные подшипники 6, 8 и 9 и на цапфу 4, которая имеет две опоры: с одной стороны - лапу 3; с другой - корпус 1. В результате двухопорного крепления цапф 4 увеличивается их прочность.
В результате предварительного сжатия тарельчатых пружин 7 и 10 образуется предварительный осевой натяг в радиально-упорных подшипниках 6, 8 и 9, что способствует их лучшей радиальной грузоподъемности при разнонаправленных внешних осевых усилий от шарошек 5. Прямое осевое усилие от шарошек 5, возникающее при бурении и направленное от их вершин, является большим, чем обратное, и воспринимается двумя радиально-упорными подшипниками 8 и 9, способными воспринимать от шарошки 5 прямую осевую нагрузку. Тарельчатая пружина 10 компенсирует погрешности базирования колец радиально-упорных подшипников 8 и 9, а также создает предварительный осевой натяг. Небольшие отклонения в точности изготовления или сборки не приводят к полной потере предварительного осевого натяга радиально-упорных подшипников 6, 8 и 9, а значит, увеличивается долговечность опор шарошек 5 и снижается трудоемкость изготовления шарошечного бурового инструмента.