БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО С ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ СМАЗКИ ОПОРЫ
DRILL ROCK BIT WITH SEALED SUPPORT

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к конструкции опоры буровых шарошечных долот.
Триботехнические характеристики элементов опор шарошечных долот всегда являлись основными критериями, определяющими их долговечность. Основной причиной отказа шарошечных долот (до 80%) является износ подшипников опор. Если износ вооружения долота приводит к снижению механической скорости бурения и, в худшем случае, к остановке процесса углубления скважины, то преждевременный износ опоры часто вызывает аварийную ситуацию - оставление шарошек на забое.
Многолетний опыт показывает [Избирательный перенос в тяжелонагруженных узлах трения / Под общей ред. Д.Н.Гаркунова. М.: Машиностроение, 1982. 207 с.], что высоких результатов по повышению эффективности работы опор можно достичь путем реализации «эффекта безызносности» различными конструктивно-технологическими решениями.
Эффект безызносности (избирательный перенос, безызносное трение) - вид трения, который обусловлен самопроизвольным образованием в зоне контакта тонкой неокисляющейся металлической пленки с низким сопротивлением сдвигу и не способной накапливать при деформации дислокации. На пленке, образуя с ней химическую связь, может происходить образование координационных соединений из продуктов механической деструкции углеводородов смазки, создавая дополнительный антифрикционный слой [Симисинов Д.И., Боярских Г.А., Дмитриев В. Т. Самоорганизующаяся трибосистема как средство повышения эффективности работы опор шарошечных долот. Горное оборудование и электромеханика. - 2006. - №8. С.25-28].
Поскольку при эффекте безызносности трение сопровождается эволюционными процессами - образованием металлической пленки на трущихся поверхностях, то главным в этом случае становится самоорганизующийся характер трения, который обусловлен обменом трущейся пары с внешней средой энергией и веществом, а также коллективным поведением ионов металла, из которых формируется металлическая пленка. Она представляет собой металл в особом состоянии, имеющем место только в процессе трения. Трение не может уничтожить пленку, так как оно ее воспроизводит.
Наиболее распространенным механизмом, в котором реализуется эффект безызносного трения, является компрессор бытового холодильника. Узлы трения компрессора, изготовленные из стали (коленчатый вал, подшипники скольжения, поршень и цилиндры), работают в режиме безызносного трения в течение многих лет (более 30 и 40) практически без износа.
В процессе работы поверхности трения деталей компрессора бытового холодильника самопроизвольно покрываются тонкой медной пленкой толщиной 1…2 мкм, которая предохраняет поверхности от непосредственного контакта. Пленка формируется из ионов меди, образующихся в результате избирательного растворения медных трубок охладителя маслофреоновой смесью (5% масла и 50% фреона). В зону контакта трущихся деталей ионы меди доставляются циркулируемым смазочным материалом.
Современная мировая практика применения шарошечных долот показывает, что дальнейшее увеличение их производительности и надежности следует связывать с совершенствованием герметизированных опор (ГНУ, ГАУ), в настоящее время работающих при ограниченной частоте вращения.
Опора состоит из нескольких радиальных и осевых подшипников, образованных поверхностью цапфы, сопряженной с поверхностью шарошки, или разделенных металлическим кольцом.
Нагруженную поверхность цапфы большинство производителей долот наплавляет твердым сплавом, сопряженная поверхность шарошки или промежуточной втулки отличается как конструкцией, так и материалом.
Ряд выпускаемых предприятиями долот имеют размещенный в корпусе резервуар для смазки (лубрикатор) с компенсатором давления в процессе бурения. С этой целью в спинке лапы каждой секции долота высверливают карман, служащий резервуаром-лубрикатором, перекрываемый крышкой после заполнения его смазкой и установки в него эластичного компенсатора. Под давлением бурового раствора, проникающего в компенсатор через отверстие в крышке, смазка проталкивается по смазочному каналу к подшипникам опоры. Утечке смазки из полости шарошки препятствует сальниковое уплотнение, которое перекрывает зазор между шарошкой и цапфой.
Однако применяемые конструкции маслонаполненных опор с лубрикаторами не обеспечивают циркуляцию смазки в опоре долота, необходимую для отвода тепла от контактных поверхностей подшипников, и не обеспечивают условия для реализации эффекта безызносности.
Известно долото с размещенным в корпусе лубрикатором [Патент на изобретение №2363830, E21B 10/24]. Из смазочного резервуара в корпусе смазка подается в каналы между шарошкой и цапфой. При этом первый канал ведет от смазочного резервуара к канавке, выполненной на ненагруженной стороне цапфы. Второй канал ведет от смазочного резервуара к канавке, выполненной на поверхности цапфы в пределах от 185° до 225°, если смотреть со стороны внутреннего конца цапфы, где находится область расхождения кольцевого зазора между цапфой и шарошкой, преимущественно в области быстрого снижения давления с нагруженной стороны цапфы.
Принцип работы насоса на основе гидродинамического эффекта, возникающего в серповидном зазоре, не позволяет обеспечить высокую производительность насоса, которая зависит от свойств смазки, величины зазора и износа подшипников опоры.
Известен наддолотный лубрикатор для смазки опор шарошечных долот в процессе бурения [Патент на изобретение №2304690, E21B 10/24]. Лубрикатор содержит корпус с центральным каналом, резервуар для смазочного материала, устройство для подачи смазочного материала в полости опор шарошек, каналы для циркуляции смазочного материала из резервуара в полости опор шарошек. Устройство для подачи смазочного материала выполнено в виде винтового насоса, размещенного параллельно оси центрального канала в резервуаре и изолированного от попадания промывочной жидкости уплотнениями движущихся частей, винт которого приводится во вращение за счет фрикционной передачи от свободно размещенной втулки, снабженной жестко расположенной в ее осевом канале турбиной.
Недостатком этого решения является сложное и ненадежное устройство привода насоса, а также размещение устройства не в долоте, а отдельном изделии, что усложняет эксплуатацию долота, предъявляет к конструкции долота специальные требования по наличию каналов для циркуляции смазочного материала.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение стойкости долота путем реализации постоянной циркуляции смазки с производительностью, пропорциональной частоте вращения долота, обеспечивающей эффективную смазку подшипников, их охлаждение и возникновение эффекта безызносности. Благодаря этому увеличивается работоспособность долота в целом, что улучшает технико-экономические показатели буровых работ.
Буровое шарошечное долото с циркуляционной системой смазки опоры имеет корпус, по меньшей мере, одну лапу с цапфой, шарошку, вращающуюся на подшипниках опоры и закрепленную замковым устройством. С целью повышения долговечности работы опора оснащена циркуляционной системой смазки, которая включает в себя осевой винтовой насос и систему резервуаров и каналов для подачи смазки к трущимся поверхностям подшипников опоры при работе долота.
На фиг.1 показан разрез бурового шарошечного долота с циркуляционной системой смазки опоры,
Буровое шарошечное долото с циркуляционной системой смазки подшипниковой опоры, имеющее, по меньшей мере, одну лапу 1 с цапфой 2, шарошку 3, закрепленную на цапфе 2 и вращающуюся на подшипниках 4, резервуар 5 для смазочной жидкости и осевой винтовой насос для перекачки смазочной жидкости, состоящий из винта 6 и цилиндра 7, при этом шарошка 3 снабжена полумуфтой 8, закрепленной на шарошке 3 по оси ее вращения, а циркуляционная система смазки выполнена в цапфе 2 с приводом осевого винтового насоса от шарошки 3 через компенсирующую муфту, допускающую относительное смещение между полумуфтой 8 и винтом насоса 6 при наличии радиальных, угловых и осевых смещений в опоре, возникающих при работе, а также в результате изнашивания подшипников 4, при этом цилиндр насоса 7 и резервуар 5 для смазочной жидкости имеют медное покрытие.
Цилиндр 7 винтового насоса закреплен во внутренней полости цапфы 2 долота резьбовым соединением 9. Винт 6 одним концом установлен в цилиндр 7 и закреплен от осевого перемещения стопорной шайбой 10 с установленной промежуточной подшипниковой шайбой 11, другой конец винта 6 установлен в паз полумуфты 8, закрепленной на шарошке 3 по оси ее вращения посредством гайки 12.
Устройство для циркуляционной системы смазки работает следующим образом. Винту 6 через полумуфту 8 передается вращение от шарошки 3, смазка из резервуара 5, расположенного над винтом 6, поступает в насос через каналы а и подается через торцевой зазор между цапфой 2 и шарошкой 3 в подшипники 4, далее через каналы с и b возвращается в резервуар 5.
На стальных поверхностях подшипника 10 формируется пленка из ионов меди, образующихся в результате избирательного растворения медной поверхности резервуара маслом (например, ЦИАТИМ - 201). В зону контакта трущихся деталей ионы меди доставляются циркулируемым смазочным материалом. Для повышения эффективности возможно применение составов масел с металлоплакирующими присадками.
Таким образом, реализуется постоянная циркуляция смазки с производительностью, пропорциональной частоте вращения долота, обеспечивающая эффективную смазку подшипников, их охлаждение и возникновение эффекта безызносности.