Буровое шарошечное долото

Полезная модель относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровому инструменту, в частности к шарошечным долотам.
Аналогом является опора бурового шарошечного долота (пат. №2445437, опубл. 20.03.2012 г., бюл. №8), содержащая выполненную за одно целое с лапой цапфу, на которой закреплена шарошка посредством шарикового замкового подшипника, зафиксированного запорным пальцем, установленным в канале лапы.
В качестве прототипа взято буровое шарошечное долото (пат. №2391483, опубл. 10.06.2010 г. бюл. №16), включающее лапы с каналом под замковый палец с цапфами, на которых установлены шарошки, смонтированные посредством шарикового подшипника, запираемого замковым пальцем.
Недостатком данных изобретений является фиксирование замкового пальца с помощью сварного шва, что приводит к смещению замкового пальца вдоль и вокруг оси. Смещение замкового пальца вызывает заклинивание или заедание шарошки на опоре долота во время эксплуатации. К недостаткам также можно отнести трудоемкость демонтажа шарошки, что обусловлено необходимостью высверливания сварного шва и дополнительной расточкой канала под замковый палец, предназначенного для монтажа и фиксирования замкового пальца. В связи с этим возникает необходимость использования нового замкового пальца, геометрические параметры которого должны соответствовать параметрам канала под замковый палец после расточки. Это приводит к снижению качества монтажа и сокращению срока эксплуатации бурового шарошечного долота.
Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции шарошки бурильного долота, обеспечивающее повышение ее эксплуатационных характеристик и срока эксплуатации бурильного долота.
Техническим результатом является повышение точности позиционирования деталей после сборки шарошечного бурильного долота, повышение надежности крепления шарошки за счет исключения смещения замкового пальца вдоль и вокруг своей оси, а также упрощение процесса монтажа и демонтажа шарошки на опору.
Технический результат достигается тем, что буровое шарошечное долото, включает лапу с каналом под замковый палец с цапфой, на которой установлена шарошка, смонтированная посредством шарикового подшипника, запираемого замковым пальцем, при этом замковый палец изготовлен из материала с эффектом памяти формы и выполнен в виде двухступенчатого цилиндра, на ступени с большим диаметром которого имеются выступы от 2 до 6, расположенные на цилиндрической поверхности с равноудаленным шагом 180-60°, и на торце - резьбовое отверстие, а канал под замковый палец выполнен в виде двухступенчатого цилиндрического отверстия в соответствии с геометрическими параметрами замкового пальца и имеет на внутренней поверхности большего диаметра ответные пазы, идентичные по форме и расположению выступам на ступени замкового пальца с большим диаметром.
Сварное соединение является неточным типом соединения с точки зрения обеспечения позиционирования деталей друг относительно друга. Применение сварного соединения способствует смещению замкового пальца вдоль и вокруг оси, что ведет к заеданию и заклиниванию шарошки на опоре долота во время эксплуатации. При использовании сварки для фиксации замкового пальца в канале под замковый палец происходит нагрев поверхности торца замкового пальца до температуры плавления, а затем резкое ее охлаждение на воздухе. В результате такого термического воздействия возникают остаточные напряжения, которые приводят к смещению и повороту замкового пальца вдоль и вокруг своей оси. Цапфа и замковый палец, образующие шариковую дорожку не совмещаются с требуемой точностью, а в районе перехода дорожки цапфы к замковому пальцу и замкового пальца к цапфе появляются выступы и впадины. Это является одной из причин возникновения дополнительных видов нагрузок на шарики подшипника во время эксплуатации, что приводит к их заеданию и выкрашиванию. Таким образом, применение сварочного соединения значительно сокращает срок службы всего бурового шарошечного долота.
Использование в качестве материала для изготовления замкового пальца материала с эффектом памяти формы позволит избежать применения сварки для фиксации замкового пальца в канале под замковый палец. Это обусловлено эффектом обратимой памяти формы, проявляемой в результате прямого и обратного фазового превращения в результате нагрева и охлаждения. При этом замковый палец, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, выполнен в виде двухступенчатого цилиндра. Торцовая поверхность цилиндрической ступени большего диаметра в месте перехода в цилиндрическую ступень меньшего диаметра является упорной поверхностью. Она обеспечивает необходимую глубину посадки замкового пальца, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, в канал под замковый палец и препятствует его перемещению в сторону шарошки вдоль оси канала. При этом в лапе с цапфой канал под замковый палец представляет собой ступенчатое цилиндрическое отверстие, выполненное в соответствии с геометрическими параметрами замкового пальца, изготовленного из материалов с эффектом памяти формы.
Для предотвращения выпадения замкового пальца, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, и исключения его прокручивания вокруг своей оси на цилиндрической поверхности ступени большего диаметра выполнены выступы, а канал под замковый палец в лапе с цапфой имеет на цилиндрической поверхности ступени большего диаметра ответные пазы, идентичные по форме и расположению выступам на цилиндрической поверхности ступени с большим диаметром замкового пальца. Таким образом, замковый палец, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, благодаря перечисленным конструктивным элементам жестко фиксируется в канале под замковый палец.
Конструктивные особенности замкового пальца и его выполнение из материала с эффектом памяти формы позволяет упростить процесс монтажа и демонтажа шарошки на опору.
Во время монтажа замковый палец, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, охлаждается (переход материала с эффектом памяти формы в мартенситное состояние). Выступы, расположенные на цилиндрической поверхности ступени большего диаметра замкового пальца, сглаживаются и приобретают форму соответствующую низкотемпературному состоянию материала с эффектом памяти формы. После чего замковый палец, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, вставляется в канал под замковый палец, расположенный в лапе с цапфой, до сопряжения упорной поверхности замкового пальца с упорной поверхностью канала под замковый палец, с последующим нагревом замкового пальца (переход материала с эффектом памяти формы в аустенитное состояние). Выступы, расположенные на цилиндрической поверхности ступени большего диаметра замкового пальца, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, после нагрева восстанавливаются (замковый палец приобретает форму, соответствующую высокотемпературному состоянию материала с эффектом памяти формы). При сопряжении с ответными пазами на цилиндрической поверхности ступени большего диаметра канала под замковый палец выступы, расположенные на цилиндрической поверхности ступени большего диаметра замкового пальца, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, дополнительно обеспечивают самоцентрование (точность позиционирования) пальца в канале, а также относительно всех деталей бурового шарошечного долота. Это позволит устранить недостатки, вызванные заеданием и заклиниванием шариков подшипника и шарошки на опоре долота во время эксплуатации и облегчить процесс монтажа замкового пальца.
Облегчение процесса демонтажа замкового пальца, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, обеспечивается за счет наличия резьбового отверстия на торце цилиндрической ступени большего диаметра замкового пальца. В резьбовое отверстие вкручивается шпилька, после чего замковый палец, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, охлаждается (переход материала с эффектом памяти формы в мартенситное состояние), выступы, расположенные на цилиндрической поверхности ступени большего диаметра замкового пальца, сглаживаются и принимают форму, соответствующую низкотемпературному состоянию материала с эффектом памяти формы (эффект обратимой памяти формы). После этого замковый палец, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, извлекается из канала под замковый палец, расположенного в лапе с цапфой, с помощью шпильки. При таком способе демонтажа не происходит нарушения геометрии или разрушения поверхности шариковой дорожки и самого замкового пальца, изготовленного из материала с эффектом памяти формы. Сохранность геометрии, отсутствие повреждений замкового пальца, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, и шариковой дорожки при демонтаже позволяют избежать дополнительной механической обработки канала под замковый палец, а также способствует многократному использованию замкового пальца. Таким образом, обеспечивается упрощение демонтажа шарошки на опору. Представленный способ крепления шарошки бурильного долота, позволяет тестировать собранное буровое шарошечное долото перед опусканием ее в скважину с целью своевременного устранения возможных неполадок и повторного монтажа.
Таким образом, совокупность приведенных конструктивных признаков обеспечивает достижение заявляемого технического результата.
На фиг. 1 изображено буровое шарошечное долото, на фиг 2 и фиг. 3 изображен замковый палец, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, бурового шарошечного долота в различных плоскостях ориентации.
Буровое шарошечное долото, включающее лапу 1 с цапфой 2, на которой установлена шарошка 3, смонтированная посредством шарикового подшипника 4, запираемого замковым пальцем 5, изготовленного из материала с эффектом памяти формы. При этом замковый палец 5, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, выполнен в виде двухступенчатого цилиндра и содержит на торце 6, расположенном на цилиндрической поверхности ступени большего диаметра 11 резьбовое отверстие 7. На торце цилиндрической ступени меньшего диаметра 12 замкового пальца 5, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, расположен фрагмент шариковой дорожки 8. В месте перехода цилиндрической ступени большего диаметра 11 в цилиндрическую ступень меньшего диаметра 12 замкового пальца 5, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, расположена упорная поверхность 9. Выступы 10 замкового пальца 5, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, расположены на цилиндрической поверхности ступени большего диаметра 11. В лапе 1 с цапфой 2 канал под замковый палец 13 выполнен в виде двухступенчатого цилиндрического отверстия в соответствии с геометрическими параметрами замкового пальца 5, изготовленного из материала с эффектом памяти формы. Канал под замковый палец 13 имеет ответные пазы 14, расположенные на цилиндрической поверхности ступени большего диаметра. Ответные пазы 14 идентичны по форме и расположению выступам 10 на цилиндрической поверхности ступени большего диаметра 11 замкового пальца 5, изготовленного из материала с эффектом памяти формы.
Монтаж бурового шарошечного долота, при помощи замкового пальца 5, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, предлагаемой конструкции осуществляют следующим образом: устанавливают на цапфу 2 лапы 1 шарошку 3, после чего через канал под замковый палец 13 фиксируют положение шарошки 3 на цапфе 2 шариками подшипника 4. Замковый палец 5, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, охлаждают парами жидкого азота до температуры, соответствующей низкотемпературному фазовому состоянию материала с эффектом памяти формы (мартенсит). При этом замковый палец 5, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, приобретает геометрическую форму, позволяющую с легкостью осуществить монтаж замкового пальца 5 в канал под замковый палец 13, расположенном в лапе 1 с цапфой 2. После чего замковый палец 5, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, нагревают до температуры, соответствующей высокотемпературному фазовому состоянию материала с эффектом памяти формы (аустенит). В связи с этим замковый палец 5, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, приобретает геометрическую форму, обеспечивающую его жесткую фиксацию в канале под замковый палец 13. Таким образом, фиксирование шарошки и точность позиционирования деталей бурового шарошечного долота осуществляется за счет фиксации шариков подшипника 4, шарошки 3 на цапфе 2, и самофиксированию в результате сопряжения выступов 10 замкового пальца 5, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, с впадинами 14 канала под замковый палец 13.
Демонтаж производят в обратной монтажу последовательности и осуществляют следующим образом: вкручивают шпильку в резьбовое отверстие 7, расположенном на торце 6 цилиндрической поверхности ступени большего диаметра 11 замкового пальца 5, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, после чего замковый палец 5, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, охлаждают парами жидкого азота до температуры, соответствующей низкотемпературному фазовому состоянию материала с эффектом памяти формы (мартенсит). При этом замковый палец 5, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, приобретает геометрическую форму, позволяющую с легкостью осуществить демонтаж замкового пальца 5 из канала под замковый палец 13, расположенном в лапе 1 с цапфой 2. После чего через канал под замковый палец 13 извлекают шарики подшипника 4 и снимают шарошку 3 с цапфы 2 лапы 1.
Таким образом, обеспечивается точность позиционирования деталей бурового шарошечного долота, повышается надежность крепления шарошки за счет исключения смещения замкового пальца вдоль и вокруг своей оси, упрощается процесс монтажа и демонтажа шарошки на опору, а также повышается срок эксплуатации бурового шарошечного долота.