СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО КОЛЬЦА ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ОПОР ШАРОШЕК
METHOD TO MANUFACTURE SEALING RING TO SEAL MILL SUPPORTS

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к инструменту для шарошечного бурения скважин.
Известно буровое шарошечное долото [1], принятое за аналог. Полость опоры в аналоге герметизирована со стороны торца шарошки с помощью установки эластичного кольца круглого сечения, предотвращающего возможность попадания абразивных частиц шлама в полость подшипниковой опоры. Преимуществами аналога являются простота исполнения системы герметизации, обеспечиваемой за счет натяга эластичного кольца, установленного между поверхностями лапы и шарошки, системы компенсации смазки, а также простота способа изготовления кольца и изготовления пресс-формы под кольцо круглого сечения.
Практически все известные способы изготовления уплотнительных колец, включая аналог, состоят из следующих операций: проверки качества входящих в рецептуру резины компонентов, подготовки навески резиновой смеси (компонентов на партию). В качестве компонентов в качестве основы обычно применяют каучук и технический углерод (сажу), а также различные добавки - ускорители вулканизации, замедлители преждевременной вулканизации, противостарители и мягчители химические и физические, увеличители морозостойкости, активаторы вулканизации и другие в зависимости от необходимости получения тех или иных свойств. Далее следует тщательное вальцевание - перемешивание навески смеси, шприцевание - изготовление партии заготовок для колец, вулканизация изготовления уплотнительных колец из заготовок в пресс-форме из двух половин с нагревом t=165-170°С. После контроля размеров проверяются свойства колец и замеряется твердость. В некоторых случаях проводится поверхностное покрытие, например эпиламирование и др. Недостатком упомянутого аналога можно считать относительно малая стойкость системы герметизации, ограничивающую длительность работы долота на забое из-за относительно быстрого истирания припуска на истирание уплотнительного эластичного кольца. Этим приближается возможность попадания абразивного шлама через образующийся зазор в зону трения в подшипниках и, как следствие, их ускоренный износ.
Известно другое буровое шарошечное долото [2], также принятое за аналог, в котором с целью увеличения припуска на истирание кольца за счет повышения его эластичных свойств, форма круглого поперечного сечения заменена на удлиненную, сдавленную по бокам и напоминающую эллиптическую. Такое кольцо помещается в кольцевой, дополнительно углубленный паз внутри полости шарошки, ответный по форме уплотнительному кольцу. Обладатель такого решения фирма «Reed» (США), в русском варианте своего каталога-справочника 2007 года отмечает, что удлиненное радиальное уплотнение и выполнение профильной сетки на его поверхности контакта позволяет уменьшить трение в рабочей зоне за счет уменьшения усилия прижима более эластичного кольца к уплотняемой поверхности и возможности удержания смазки в зоне трения. Удлиненное поперечное сечение радиального уплотнения по расчетам этой фирмы требует на 30% уменьшенного отклоняющего усилия для достижения такого же уплотнительного действия, как и в случае кольцевого уплотнения с круглым сечением. Удержание смазки обеспечивается наличием профильной сетки, которая уменьшает трение в зоне контакта, снижает рабочую температуру и увеличивает срок службы уплотнения. При этом предложенная форма уплотнительного кольца позволила несколько увеличить величину припуска на истирание за счет увеличения эластичных свойств кольца, и тем самым отодвинула момент начала разгерметизации.
Однако при этом резко усложнилась технология изготовления кольца. Для создания ячеистой сетки на поверхности контакта кольца, кроме проведения вышеуказанных операций, потребовалось многократно увеличить трудоемкость и стоимость изготовления из-за создания в прессформе мелкого ячеистого рельефа. Кроме того, усложнилась вулканизация, при которой выполняется профильная ячеистая контактная поверхность. Наличие ячеистой сетки, кроме положительного свойства - дополнительного удержания смазки, обладает и отрицательным свойством. При попадании и удержании в них вместе со смазкой мелких частиц абразива, кольцо начинает выполнять роль шлифовального притира, усиливая саморазогрев и увеличивая скорость истирания узла.
Попытка снизить порог возникновения и скорости износа уплотнительного кольца сделана в другом шарошечном долоте [3], также принятом за аналог. В этом долоте применено двойное уплотнение в виде пары последовательных колец. В этом патенте представлены 35 самых различных вариантов уплотнений и видов установки их в опоре долота.
На рисунке 15 этого патента представлен вариант уплотнения в виде пары колец удлиненного поперечного сечения, установленных в две различные последовательные канавки на шарошке. Наличие двух последовательных уплотнительных колец позволяет с помощью первого кольца со стороны торца шарошки предотвращать попадание шлама в опору, а с помощью второго удерживать давление внутри полости опоры.
Недостатком этого аналога является то, что как и в первом аналоге, установка пары колец заставляет значительно укорачивать (до 50%) длину образующей большого, основного и самого нагруженного подшипника скольжения, а значит сокращать ресурс работы всего долота. Гладкая непрерывная поверхность обеих колец свидетельствует о том, что способ их изготовления идентичен способу изготовления по первому аналогу, а различия возможны лишь в химическом составе или параметрах вулканизации.
Известно другое шарошечное долото, принятое за прототип [4]. В опоре этого долота также установлена пара последовательных эластичных уплотнений. На первом уплотнении со стороны торца шарошки, установленном в первой канавке в полости шарошки, предусмотрено дополнительное износостойкое частичное тканевое покрытие поверхности возможного контакта с частицами шлама, стремящегося проникнуть в опору со стороны торца шарошки. Также в отдельной канавке, в полости шарошки расположено второе эластичное уплотнительное кольцо, торец которого со стороны контакта с цапфой также имеет защитное тканевое покрытие. Форма сечения обеих уплотнений подобна форме уплотнения третьего аналога - близкой к вытянутому эллипсу. Преимуществом прототипа является то, что появилась возможность несколько уменьшить величину задаваемого удельного давления контакта, по сравнению со вторым аналогом, заменив одну закругленную вершину на две соседние.
Однако и у прототипа имеется недостаток, такой же, как и у третьего аналога - значительное уменьшение рабочей длины дорожки большого подшипника скольжения, связанное с размещением уплотнений (порядка 40%). Это значительно снижает ресурс работы опоры и долота.
Целью данного изобретения является создание способа изготовления уплотнительного кольца для надежной системы уплотнения полости опоры при максимально возможном использовании опорной длины большого подшипника.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности работы уплотнения и в целом бурового долота с герметизированной маслонаполненной опорой скольжения. Предлагается способ изготовления уплотнительного кольца для герметизации опор шарошек в виде кольцевого единого эластичного элемента, состоящего из двух половин и выполняющего роль двойного уплотнения. Способ включает проверку качества входящих в рецептуру компонентов, подготовку их массы для запускаемой партии резиновой смеси, состоящей из каучука, технического углерода, активаторов, ускорителей или замедлителей преждевременной вулканизации, противостарителей, увеличителей морозостойкости, вальцовку, шприцевание, вулканизацию под давлением и при нагреве, удаление облоя, кольцо собирается из двух составляющих, изготовленных по различной технологии и обладающих различными физическими свойствами, на их торцевые контактирующие поверхности наносится клейкое вещество, соединенные составляющие помещаются в цилиндрический стакан с внутренним диаметром, равным диаметру уплотняемой внутренней поверхности шарошки, где под нагрузкой крышки стакана и под нагревом выдерживаются до полного высыхания клеящего вещества. Готовое уплотнительное кольцо устанавливается в полость между лапой и шарошкой.
Форма поперечного сечения уплотнительного кольца - удлиненная, с двумя разведенными кольцевыми выступами, обращенными только к шарошке или только к цапфе лапы, или к той и другой. Такая форма поперечного сечения уплотнительного кольца позволяет развести зону контакта кольца на две зоны, разделенные пространством. Порознь каждая из этих разделенных на расстояние L друг от друга зон контакта с цапфой или шарошкой меньше нагревается и быстрее охлаждается, чем при неразделенной зоне контакта.
Поверхности первого выступа со стороны торца шарошки, контактирующие со шламом, могут армироваться износостойким покрытием с гибкой тканой структурой, например, из кордовых нитей, при изготовлении закладываемых в прессформу вместе с резиновой заготовкой перед операцией вулканизации. Кроме повышения стойкости от истирания, такое покрытие хорошо удерживает смазку, в свою очередь, снижающую коэффициент трения и нагрев при контакте с шарошкой или цапфой. Предпочтительно, чтобы твердость выступа уплотнительного кольца со стороны торца шарошки, контактирующего со шламом, была выше, чем твердость второго выступа, не подвергающегося воздействию шлама и работающего в зоне чистой смазки.
Для уменьшения возможности саморазогрева обоих контактирующих с цапфой выступов уплотнения, кольцевая поверхность цапфы может быть покрыта износостойким антифрикционным слоем, например кластерным алмазосеребряным покрытием, позволяющим снизить коэффициент трения в контакте.
Перечень фигур чертежей
На фигуре 1 представлен разрез секции долота с уплотнением опоры, изготовленному по предлагаемому способу.
На фигуре 2 показана выноска схемы узла герметизации предлагаемого долота с сечением уплотнительного кольца в увеличенном масштабе.
На фигуре 3 представлен вариант формы сечения уплотнения без армирования покрытием.
На фигуре 4 показан вариант уплотнения с армированием с помощью покрытия.
На фигуре 1 позициями обозначены: 1 - лапа долота, 2 - цапфа лапы, 3 - эластичное уплотнение, 4 - поверхность контакта большого (главного) подшипника скольжения, воспринимающего основную часть нагрузки от реакции забоя при бурении, 5 - кольцевая поверхность контакта уплотнения и цапфы, 6 - кольцевая поверхность контакта уплотнения и шарошки на кольцевом выступе шарошки, 7 - шарошка.
На фигуре 2 в увеличенном масштабе показан узел уплотнения, позициями обозначены: 8 и 9 - выпуклые выступы, 10 - кордовая защита покрытия, 11 - линия соединения двух составляющих уплотнения.
На фигуре 3 позициями 8, 9 обозначены выпуклые выступы уплотнения со стороны шарошки и позициями 12, 13 со стороны цапфы с вершинами, расположенными на расстоянии «L» - части ширины уплотнительного кольца, буквой «а» - обозначена ширина продольного, а буквой «в» - длина его поперечного сечения, при этом соблюдается непременное условие: а<в.
Выше, в описании работы аналогов и прототипа уже упоминалось, что замена круглого поперечного сечения на удлиненное обеспечивает уменьшение интенсивности прижима кольца к цапфе до 30% при одинаковом уплотнительном действии, как и для случая применения уплотнительного кольца круглого сечения. При этом за счет изменения круглого сечения на удлиненное, как было упомянуто выше, возрастает величина припуска на истирание, обусловленная увеличением эластичных свойств в удлиненном направлении.
Это свойство используется в предлагаемом уплотнительном кольце, в котором роль двойного уплотнения предназначена одинарному уплотнению, но с двумя отстоящими друг от друга выпуклыми выступами, имеющими общее основание. Первый из них, со стороны возможного проникновения шлама, предпочтительно может иметь гибкое тканевое упрочняющее покрытие.
Величина глубины паза «с» на фигуре 3 от поверхности контакта вершин выпуклых выступов со стороны цапфы до дна впадины на кольце уплотнения предпочтительно может составлять величину «с» в пределах от 0,4 до 0,6 величины «а» (с=0,4÷0,6а). Аналогичное вышеупомянутое соотношение размеров выпуклых выступов может быть использовано и с противоположной стороны сечения - со стороны шарошки. Хотя не исключается, что вместо выпуклых выступов в сечении с противоположной стороны может использоваться один сплошной скругленный выступ, как в аналоге два (не показано).
На фигуре 4 позициями обозначены: 8, 9, 12, 13 - выпуклые выступы уплотнений; 10 - вариант кордовой защиты покрытия; 11 - линия соединения составляющих уплотнения; 14 - передняя часть уплотнения со стороны поступления шлама; 15 - задняя часть уплотнения.
Преимущество варианта уплотнения из двух составляющих частей обусловлено возможностью более простого раздельного спекания каждой составляющей, раздельного армирования одного или другого кольца тканевым упрочняющим покрытием, а также возможностью применения различных по твердости материалов для обоих составляющих.
За счет установки уплотнения, изготовленного по предлагаемому способу в одном гнезде вместо двух, как в прототипе, появилась возможность повысить стойкость уплотнения при значительном увеличении длины нагруженной рабочей части основного большого подшипника скольжения, что, в свою очередь, позволяет повысить ресурс опоры и долота в целом.
Результаты промысловых испытаний образцов предлагаемых буровых долот подтверждают их преимущество перед существующими конструкциями с другими видами уплотнений.
Причинно-следственная связь различной технологии изготовления двух составляющих (например, армирование одной из составляющих, добавка компонентов), обладающих из-за этого различными физическими свойствами, состоит в том, что каждая из двух таких составляющих работает в своей зоне более успешно, чем уплотнительная манжета, выполненная из единого материала с одними свойствами.
Эффект применения одновременно двух различных по физическим свойствам составляющих становится возможным только при их соединении (посредством нанесения любого клеящего вещества на торцевые контактирующие поверхности двух составляющих) в единую манжету.
Помещение пары составляющих в цилиндрический стакан с внутренним диаметром, равным диаметру уплотняемой внутренней поверхности шарошки, и нагружение крышкой стакана с нагревом и выдержкой до полного высыхания клеящего вещества необходимо для направления на выравнивание относительно положения выступов, исключения любых перекосов вдоль торцевой поверхности контакта и обеспечения точной соосности наружных поверхностей выступов обоих составляющих и равномерности их прилегания к обоим уплотнительным радиальным поверхностям лапы и шарошки. Это основные и важные признаки качественного соединения составляющих, без которых радиальное уплотнение соединенной пары не может надежно и длительно работать.
Источники информации
1. Патент США №3620580, кл. F16C 21/00 «Буровое долото увеличенной стойкости».
2. Продуктовый каталог фирмы «Reed Tool Company», США, 1991 г., стр.6.
3. Патент США №6033117, кл. F16C 33/72 «Буровое долото с герметизированной опорой, включающей двойное уплотнение».
4. Патент США №6533051, кл. Е21В 10/22 «Буровое долото с защитой опоры».