ОПОРА ШАРОШЕЧНОГО БУРОВОГО ДОЛОТА
ROLLING DRILLING BIT BEARING STRUCTURE

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к опорам шарошечных долот.
Известна опора шарошечного долота, содержащая шарошку, зафиксированную на цапфе посредством шарикового замкового подшипника, и эластичное кольцо, размещенное в выточке шарошки [см. авт.св. СССР №1686869, кл. Е21В 10/22, 1988 г.].
Недостатком этой опоры является малый срок службы, особенно при бурении по абразивным породам.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является опора шарошечного бурового долота, содержащая цапфу, на которой посредством подшипников закреплена шарошка и размещенный в выточке шарошки уплотнительный элемент с установленным на его внутренней поверхности металлическим кольцом [патент РФ 2019670, кл. Е21В 10/22, 1994 г.].
К недостаткам прототипа следует отнести ограниченный ресурс работы, особенно при бурении по твердым и крепким породам при значительных осевых нагрузках, ведущих к сильному нагреву опорных поверхностей цапфы и шарошки и как следствие этого к образованию значительных люфтов между контактирующими поверхностями цапфы и шарошки, через которые шлам попадает в опору долота и выводит ее из строя.
В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение срока службы опоры за счет повышения надежности ее герметизации.
Указанный технический результат достигается тем, что опора шарошечного долота, содержащая цапфу, на которой посредством подшипников закреплена шарошка и размещенный в выточке шарошки уплотнительный элемент с установленным на его внутренней поверхности металлическим кольцом, согласно изобретению снабжена полым эластичным кольцом с клапаном для заливки и слива жидкости, причем полое кольцо размещено между уплотнительным элементом и металлическим кольцом, при этом металлическое кольцо выполнено из материала с коэффициентом линейного расширения и теплопроводности больше, чем у материала цапфы и шарошки.
Достижению указанного технического результата способствует также и то, что
- клапан эластичного кольца расположен со стороны торца шарошки;
- уплотнительный элемент оснащен защитным кольцом, жестко соединенным с ним и расположенным между торцом шарошки и базовым торцом цапфы.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена предлагаемая опора бурового долота в разрезе, а на фиг.2 - узел А на фиг.1 в увеличенном масштабе.
Опора содержит шарошку 2, зафиксированную на цапфе 1 посредством шарикового подшипника 3, и размещенный в выточке 4 шарошки 2 уплотнительный элемент 5 с установленным на его внутренней поверхности металлическим кольцом 6 повышенной прочности. В предложенной опоре металлическое кольцо 6 выполнено из материала с коэффициентами линейного расширения и теплопроводности больше, чем у материала цапфы 1 и шарошки 2. При этом опора снабжена полым эластичным кольцом 7 с клапаном 8 для заливки и слива жидкости, причем полое кольцо 7 размещено между уплотнительным элементом 5 и металлическим кольцом 6. Возможно применение двух клапанов 8, один из которых используется для заполнения полости кольца 7 несжимаемой жидкостью, а второй - для сброса избыточного давления пара, образующегося при нагреве опоры. Однако в любом случае выхлопной клапан 8 должен быть размещен со стороны торца шарошки 2, т.к. в этом случае выбрасываемый пар создает дополнительную защиту, предохраняющую опору от попадания в ее полость шлама. Дополнительно к этому уплотнительный элемент 5 оснащен защитным кольцом 9, жестко соединенным с ним и расположенным между торцом шарошки 2 и базовым торцом 10 цапфы 1.
В процессе работы долота на забое уплотнительный элемент 5 вращается вместе с шарошкой 2 вокруг цапфы 1 и предохраняет опору от попадания шлама. Контактирующие поверхности цапфы 1 и шарошки 2 в процессе бурения сильно нагреваются, особенно при бурении на форсированных режимах. Это ведет к усиленному износу опорных поверхностей долота и к увеличению зазоров между цапфой 1 и шарошкой 2. При этом упругих свойств узла уплотнения бывает не всегда достаточно для надежного перекрытия увеличивающихся люфтов. Для устранения этого недостатка в заявленной опоре долота предложено использовать в узле уплотнения металлическое кольцо 6, выполненное из материала, коэффициенты линейного расширения и теплопроводности которого больше, чем у материала цапфы 1 и шарошки 2, и заполненное жидкостью полое кольцо 7. Благодаря этому металлический элемент 6 при работе долота увеличивается как в радиальном, так и осевом направлении больше, чем цапфа 1 и шарошка 2, и компенсирует образующиеся зазоры между цапфой 1 и шарошкой 2, разжимая уплотнительный элемент 5 до плотного контакта со стенками цапфы 1 и шарошки 2. При нагреве опорных поверхностей цапфы 1 и шарошки 2 жидкость в полости кольца 7 закипает, чему способствует высокая теплопроводность металлического кольца 6. При этом кольцо 7 расширяется и образующийся пар дополнительно прижимает металлическое кольцо 6 к цапфе 1, а уплотнительный элемент 5 к - шарошке 2. При этом избыточный пар выбрасывается через клапан 8 под высоким давлением в полость между базовой поверхностью цапфы 1 и шарошкой 2, препятствуя попаданию шлама в полость шарошки. Для защиты уплотнительного элемента 6 от абразивного износа предусмотрено использование защитного кольца 9.
Таким образом, использование предложенной опоры позволяет повысить надежность ее герметизации и тем самым значительно увеличить стойкость как самой опоры, так и шарошечного долота в целом.