Шарошечне долото, що продувається, з ущільненням

Изобретение относится к области машиностроения, конкретно к защите подшипников от агрессивной среды, а именно, имеющих место в технике шарошечного бурения взрывных скважин. Общеизвестны узлы подшипников, содержащие подшипники в герметизированном корпусе, с валом выведенным из корпуса через упругое уплотнение [1]. Известны также разгерметизированные узлы, но содержащие каналы для непрерывной промывки их потоком неагрессивной жидкости или газа, отталкивающих от подшипников агрессивную среду. Например узлы резиновых подшипников гребного вала морского судна, промываемые принудительным потоком воды, являющейся одновременно и смазкой резиновых подшипников. Вообще подшипники в герметизированном корпусе хорошо работают только в условиях, когда развитие конструкции уплотнений не стеснено по габаритам. Когда же из-за стеснения приходится уменьшать размеры уплотнений, ресурс подшипников может оказаться ниже ресурса изделия в целом. В экстремальных условиях такое обстоятельство может предопределить нецелесообразность применения уплотнений вообще и продиктовать решение задачи о переходе на разгерметизацию с защитой подшипников промывкой. В качестве примера можно привести известное устройство шарошечного долота для бурения особо крепких и абразивных горных пород серии ОК[2]. В этом долоте защита осуществляется продувкой подшипников сжатым воздухом, без уплотнений вовсе. Однако на практике эксплуатации этих долот непрерывность продувки неосуществима из-за неотвратимости технологических остановок при наращивании бурового става или в аварийных ситуациях. Перерывы же приводят к проникновению во временно не продуваемое долото, агрессивного бурового шлама. Это происходит под действием гидростатического давления столба водонасыщенного шлама в скважине. Шлам в таких случаях проникает в подшипники, как через кольцевые щели между вращающимися шарошками и лапами так и через сопло, затем в карман резьбовой части ниппеля и в продувочные каналы (сверления) в лапах. Поэтому возобновление продувки, после наращивания бурового става, не всегда обеспечивает удаление из подшипников проникшего в них шлама, так как продувочные каналы (сверления) чаще всего оказывается забитыми шламом содержащим частицы более крупные, чем сечения этих каналов. В таких случаях ресурс долота в целом обречен. Известно шарошечное долото [3], в котором совмещена защита от проникновения шлама через щели между шарошками и лапами, с защитой продувкой, как в предыдущем случае [2]. От проникновения через щели между шарошками и лапами, защита осуществлена при помощи массы мелких шариков с густой смазкой, заполняющих кольцевую проточку на торце тыльной стороны шарошки. И все же ресурс такого уплотнения незначителен с вытекающими из этого последствиями. Это объясняется, с одной стороны ненадежной конструкцией такого уплотнения и с другой, незащищенностью подшипников от проникновения в них шлама через сопло, карман ниппеля и разветвленные продувочные каналы (сверления в лапах) в момент остановки дутья. Известно шарошечное долото [4], в котором также совмещена защита подшипников уплотнениями и их продувкой, для чего на торце тыльной стороны шарошки имеется кольцевая проточка, а на козырьке лапы кольцевой гребень, заходящий в эту выточку с соответствующим зазором, а также в теле каждой лапы, как и в предыдущих. конструкциях (2 и 3), содержатся продувочные каналы (сверления), соединяющие полости подшипников с общим карманом в ниппеле долота. Совместное поочередное действие этих двух средств защиты обеспечивает суммирование двух различных ресурсов, чем и повышает общий ресурс долота. Однако в периоды остановок продувки, шлам все же может подниматься через сопло в карман ниппеля и забивать разветвленные продувочные каналы (сверления), что приводит к прекращению продувки даже после ее возобновления на забой. Кроме того, вследствие недостаточной защиты подшипников от мелкой фракции шлама, проникающего все же через щели кольцевого уплотнения/подшипники изнашиваются быстрее, чем этого хотелось бы. Известно шарошечное долото [5], с более надежным уплотнением из упругого материала, установленным в зазорах между шарошкой и лапой, однако не развитым до необходимых размеров из-за стесненных условий. Поэтому все же имеющим ресурс меньший, чем долото в целом и поэтому такое долото содержит дополнительно в лапах продувочные каналы (сверления), как в аналоге [4], которые обеспечивают защиту опор дополнительно продувкой, но после выхода из строя упругих уплотнений. Получается суммирование ресурса защиты уплотнениями и ресурса защиты продувкой, что, как показали исследования автора, повышает общий ресурс долота на 42%. Однако в этом долоте шлам все же имеет возможность, в периоды остановок продувки, подниматься через сопло в карман ниппеля и оттуда в продувочные каналы (сверления), из-за чего эти сверления очень часто забиваются настолько, что продувка опор полностью прекращается. В таком случае, при отсутствии вышедших из строя уплотнений и отсутствия продувки, долото выходит из строя мгновенно. Как выражаются буровики, его заклинивает. Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату, является шарошечное долото (прототип) [6] с применением обратного клапана тарельчатого типа с витой пружиной. Этот клапан осуществляет автоматическое переключение защиты подшипников с одного режима на другой последовательно, т.е. с режима защиты при помощи уплотнений на режим защиты при помощи продувки после выхода из строя уплотнений. Кроме того он выполняет функцию перекрытия сопла в период перерыва продувки. Этот клапан, за счет последовательности действия обеспечивает суммирование ресурсов, как уплотнений, так и продувки, чем повышает суммарный ресурс долота в целом. Для этого сопловый патрубок долота продувки забоя удлинен вверх, но пропущен через центральное сопловое отверстие на забой, а на верхнем удлиненном торце содержится седло и тарелка этого клапана. Идея перекрытия сопла в момент прекращения продувки при помощи клапанной системы, вполне оправдана. Однако для условий работы тарельчатого клапана, как и любого другого жесткого клапана, в шламовой среде, это решение задачи не удачно потому, что жесткая конструкция клапана не может обеспечить плотного прилегания подпружиненного подвижного элемента к седлу, которое содержит налипающий на него шлам. Не предназначена также и витая пружина для работы в условиях зашламления. Задачей заявляемого изобретения является создание долота с автоматическим переключением его защиты сначала посредством уплотнений и затем посредством продувки подшипников. Для этого подчиненной задачей является создание в этом долоте клапана способного работать безотказно в условиях зашламления, при использовании его в сочетании с уже известными уплотнениями подшипников и системой продувки их, а также с использованием его для перекрытия сопла в периоды остановок продувки. Технический результат такого выполнения задачи заключается в увеличении надежности работы системы защиты в условиях зашламления. Поставленная задача решается за счет усовершенствования прототипа, а именно, заменой тарельчатого жесткого клапана с пружиной на эластичный, плотно облегающий торец трубы (или шайбы, прилегающей к седлу) тарированный на открытие его сжатым воздухом продувки давлением на менее 3 ати. Эластичность обеспечивается подбором материала, например маслостойкой резины. Конструкция обеспечивается выполнением его в форме юбки охватывающей удлиненную по высоте трубу сопла или шайбу прилегающую плотно к седлу. Практика бурения долотами содержащими такие эластичные тарированные клапаны в сочетании с известными уплотнениями подшипников и с продувкой, показала повышение стойкости таких долот по сравнению с контрольными, не содержащими подобной защиты, в среднем на 42%. Изобретение поясняется также и графическим материалом, где на чертеже изображен общий вид шарошечного долота. Защита состоит из следующих элементов. В зазоре между вращающейся шарошкой 1 на шипе лапы 2 установлено уплотнение 3. В лапе 2 содержится продувочный канал-сверление 4, соединяющий карман 5 с полостью подшипника 6. По оси долота установлено сопло 7 для центральной продувки забоя. В верхней части удлиненной сопловой трубы 7, в кармане 5, установлен клапан 9, который охватывает своей тарированной юбкой 8 верх трубы 7 и перекрывает своим фланцем карман 5 сверхуЗаявляемое уплотненно-продуваемое шарошечное долото работает следующим образом. Подаваемый в долото сжатый воздух создает в полости подшипника 6 противодавление, помогая уплотнению 3 за счет истечения через его возможные не плотности отталкивать от подшипников забойный шлам. Но после окончательного износа уплотнения 3, оно выталкивается этим давлением на забой и долото переходит на режим защиты продувкой подшипников 6. В перерывах же подачи сжатого воздуха и когда уплотнения 3 уже удалены, клапан 9 запирает остаток сжатого воздуха в полости подшипника 6, создавая тем самым в нем избыточное противодавление также препятствующее проникновению шлама через увеличившиеся зазоры где раньше находились уплотнения 3. Клапан 9 препятствует также заходу шлама через сопло 7 в карман 5, предотвращая тем самым проникновение шлама и в продувочные сверления 4. Поскольку защита подшипников при помощи клапана 9 осуществляется последовательно, то есть вначале с помощью уплотнений 3, а после выхода из строя их, с помощью только продувки подшипников, то ресурсы этих двух средств защиты суммируются и суммарный ресурс долота оказывается выше, чем каждый из них в отдельности. Такую последовательность осуществляет автоматически действующий клапан предельного давления 9, управляемый перепадами давлений сжатого воздуха, открывающего клапан при значениях не менее 3-х ати и запирающий сопло 7 когда давление падает ниже этого значения. Причем давление столба шлама в скважине при закрытом клапане не может его открыть, так как он тарирован на более Ёысокое давление. По мнению автора заявляемое техническое решение соответствует критерию "Новизна", так как совокупность существенных признаков, характеризующих данное устройство, является новой и в практике долотостроения не применялось, а почерпнута из теории автоматического регулирования. Это техническое решение соответствует также и критерию "Изобретательский уровень", так как не следует явным образом из известного уровня техники. Существующий уровень техники защиты подшипников от агрессивной среды во всех областях техники явно уступает предложенному по надежности, простоте и перспективности. Заявляемое техническое решение соответствует и критерию "Промышленная полезность", что подтверждается многочисленными испытаниями на актах Кривбасса, а также заинтересованностью потребителей таких долот -актов. Сведениями подтверждающими возможность осуществления изобретения может служить ряд актов испытаний заявляемого изобретения, содержащего следующие отличительные признаки, общие с прототипом, содержит как уплотнения подшипников, так и сверления в лапах сообщающие полости подшипников с общей полостью - карманом в ниппельной части долота, а также содержит удлиненное центральное сопло с клапаном на нем. Признаки отличающие от прототипа: клапан выполнен из эластичного материала плотно перекрывающий сопло в условиях зашламления клапана. Перекрывающий сопло эластичный элемент тарировок на открывание его при давлении превышающем 3 ати, а также клапан содержит фланец перекрывающий постоянно верх кармана в ниппеле.