Шарошкове долото

Шарошкове долото, яке містить шарошки, змонтовані на цапфах лап за допомогою опор кочення, кожна з яких складається з двох типових радіально-упорних конічних роликопідшипників кінцевого та замкового периферійного, яке відрізняється тим, що опора кожної шарошки додатково оснащена третім типовим радіально-упорним конічним роликопідшипником, укріпленим в середній частині цапфи таким чином, що вершина конуса підшипника орієнтована у напрямку вершини шарошки, при цьому кінцевий та середній підшипники утворюють замкову пару у протилежному напрямку відносно замкового периферійного підшипника. (19) (21) a200609285 (22) 23.08.2006 (46) 25.06.2008, Бюл.№ 12, 2008 р. (72) СТЕПАНЮК АНАТОЛІЙ ІВАНОВИЧ, UA, ПОТАСЬ ВОЛОДИМИР МИКОЛАЙОВИЧ, UA (73) СТЕПАНЮК АНАТОЛІЙ ІВАНОВИЧ, UA, ПОТАСЬ ВОЛОДИМИР МИКОЛАЙОВИЧ, UA (56) WO 2005021923, 10.03.2005 SU 1010247, 07.04.1983 SU 1229297, 07.05.1986 UA 53296, 15.01.2003 RU 2136836, 10.09.1999 3 ків з віссю цапфи пов'язаний з діаметром долота D залежністю dk/D=0,03-0,15; dc/D=0,05-0,10, де: dk та dc - відстань від осі долота до точок перетину осей роликів відповідно кінцевого та середнього підшипників з віссю цапфи. Однак відоме долото має наступні недоліки: - в конструкції долота в якості периферійного підшипника (як відомо, найбільш навантаженого) застосований замковий шарикопідшипник. Він розміщений біля основи цапфи, хоч і не призначений, і непридатний для передачі радіального навантаження на шарошку. При цьому відомо, що при наявності в опорі шарошки двох радіальних роликопідшипників, саме периферійний роликопідшипник сприймає 60-65 % навантаження на шарошку (Степанюк А. И. Расчет износа элементов шарошечного долота. Деп.). - в конструкції долота через відсутність в периферійній частині опори такого підшипника, який здатний сприймати радіальні навантаження, ці навантаження автоматично передаватимуться на середній конічний роликопідшипник, для котрого вони будуть надмірними. При цьому в зоні контакту конічних роликів з нижньою частиною доріжки кочення на цапфі середнього підшипника будуть виникати напруження, величина яких перевищить межу міцності металу цапфи; - всі підшипники опори шарошки не мають сепараторів, через що тіла кочення під час роботи долота мають силовий контакт не тільки з доріжками кочення, а й між собою, що як відомо збільшує зношування тіл кочення на 12-15 %. Найбільш близьким рішенням по технічній сутності й ефекту, що досягається, є бурове шарошкове долото [авторське свідоцтво СРСР № 1229297. МПК4: Е21В10/22, опубл.07.05.1986 р. Бюлетень № 17], яке містить шарошки, змонтовані на цапфах лап з допомогою замкового шарикопідшипника та двох роликових підшипників, при цьому обидва роликових підшипники виготовлені конічними, замковий шарикопідшипник розміщений між ними, а співвідношення діаметрів найбільших торців конічних роликопідшипників біля основи цапфи d0 (мм) до діаметра долота D (мм) знаходиться в межах D0/D=0,050-0,070; dk/D=0,040-0,060 Бурове шарошкове долото має наступні недоліки: - радіальну складову навантаження на шарошку сприймають тільки два підшипники з трьох наявних в опорі, що не дозволяє забезпечити оптимальний режим буріння, особливо в твердих гірських породах, тому що вантажопідйомність опор шарошок відомого долота завідомо недостатня; - всі підшипники кочення опори шарошки не мають сепараторів, тому тіла кочення під час роботи контактують не тільки з доріжками кочення, а й між собою, що приводить до додаткового зношування, як тіл кочення, так і опори в цілому; - зношені або заклинені шарошки можливо демонтувати з опор тільки шляхом висвердлювання замкових пальців та вилучення кульок замкового підшипника, або шляхом розрізання корпусів 83284 4 шарошок на декілька частин, що приводить до руйнування опор і виключає можливість ремонту та відновлення зношених доліт, які використовують в гірничорудній промисловості. В основу винаходу поставлена задача суттєвого підвищення ефективності та довговічності бурового долота за рахунок збільшення вантажопідйомності опор кочення його шарошок. Поставлена задача вирішується тим, що в шарошковому долоті, яке містить шарошки, змонтовані на цапфах лап з допомогою опор кочення, виготовлених у вигляді замкового шарикопідшипника та двох роликових конічних підшипників, орієнтованих вершинами конусів в напрямку осі обертання долота, відповідно до винаходу, опора кожної шарошки містить великий, середній та малий типові радіально-упорні конічні роликопідшипники із зовнішніми та внутрішніми кільцями, конічними роликами та сепараторами, при цьому великий роликопідшипник жорстко укріплений на цапфі безпосередньо біля циліндричного виступу основи цапфи таким чином, що вершина конуса підшипника повернута у напрямку основи цапфи, на циліндричному виступі якої змонтована наскрізна кришка, оснащена ущільнюючим пристроєм. Опора кожної шарошки виготовлена у вигляді комбінації з двох протилежно орієнтованих радіально-упорних конічних роликопідшипників та одного радіального підшипника з циліндричними роликами, при цьому більший з конічних роликопідшипників орієнтований вершиною свого конуса у напрямку основи цапфи й жорстко укріплений на ній. Малий підшипник кожної шарошки виготовлений у вигляді не типового радіально-упорного конічного роликопідшипника, оснащеного сепаратором, а доріжки кочення підшипника виготовлені безпосередньо на цапфі та в порожнині шарошки. Середній підшипник кожної шарошки виготовлений у вигляді не типового радіально-упорного конічного роликопідшипника, оснащеного сепаратором. Виконання бурового шарошкового долота, що пропонується, докорінно змінює кінематику та динаміку взаємодії його елементів у кінематичній системі: лапа з цапфою - підшипникова опора шарошка з озброєнням - вибій. Радіальну складову навантаження на опору шарошки одночасно сприймає три роликопідшипники з трьох. Третю частину цього навантаження сприймає достатньо потужний середній роликопідшипник, радіальний або конічний. При цьому сумарне навантаження на великий та малий (кінцевий) роликопідшипники опори зменшується на одну третину, як мінімум. Відомо, що при зменшенні навантаження на підшипник у 2 рази, його довговічність збільшується в 10 (десять) разів [Р. Д. Бейзельман та інші. Підшипники кочення. Довідник. Вид. 6. М., «Машиностроение», 1975 р.]. Також відомо, що фактор герметизації та надійного змащування підшипника кочення збільшує його довговічність у 2 рази. Фактор збільшення вантажопідйомності герметизованої опори шарошки на 30-50 % забезпечує підвищення довговічності цієї опори в 3-5 разів і більше, порівняно з опорами, 5 оснащеними двома радіальними або конічними роликопідшипниками. Наявність сепараторів у складі підшипників кочення опори шарошки повністю виключає можливість контакту та взаємного тертя тіл кочення під час роботи долота. При цьому суттєво спрощуються й прискорюються технологічні операції монтажу підшипників та шарошок на цапфах долота. Незалежно від конструктивних варіантів опори кожна шарошка оснащена наскрізною кришкою з ущільнюючим пристроєм. Кришка монтується на циліндричному виступі основи цапфи до початку монтажу підшипників. Наявність наскрізної кришки, як складової частини шарошки, дозволяє забезпечити: - герметизацію опори та можливість заміни мастила та зношених ущільнюючих пристроїв шарошки; - можливість регулювання осьової гри в опорі; - можливість багаторазової заміни зношених шарошок та підшипників їхніх опор без руйнування складових елементів опори. Застосування типових радіально-упорних конічних роликопідшипників (як стандартних, так і нестандартних) дозволяє додатково підвищити більше ніж на 30 % вантажопідйомність опори шарошки і зокрема, великого (периферійного) роликопідшипника через наступні причини : відомо, що вантажопідйомність радіальноупорного конічного роликопідшипника на 30-75% вища вантажопідйомності радіального роликопідшипника такого ж розміру; довговічність та зносостійкість підшипникових кілець типового підшипника, виготовлених стандартно з застосування об ємного гартування до твердості HRC 60-65, в декілька разів вища вантажопідйомності та зносостійкості доріжок кочення нестандартних підшипників (не типових), виготовлених безпосередньо на робочих поверхнях цапфи і шарошки, котрі, як відомо, виготовляють із застосуванням поверхневого загартування, глибина якого не перевищує 3-3,5мм. Застосування типових підшипників кочення в конструкції опор шарошкових доліт дозволяє суттєво (на 30-60%) спростити, прискорити й здешевити технологічні процеси виготовлення доліт за рахунок ліквідації технологічних операцій виготовлення однієї, двох або трьох доріжок кочення на шийках цапф та в порожнинах шарошок. Типові роликопідшипники, тобто такі, що мають зовнішні та внутрішні підшипникові кільця, ролики й сепаратори, рекомендовані для тих типорозмірів доліт, габаритні розміри шарошок котрих дозволяють розміщувати такі підшипники в їхніх порожнинах. Для доліт невеликого діаметра (менших за 200 мм) краще компонуються комбінації з типових та не типових роликопідшипників. При цьому не типові роликопідшипники можуть мати одне кільце, зовнішнє або внутрішнє, або зовсім не мати кілець, а тільки тіла кочення, що з'єднані з допомогою сепаратора. Сутність винаходу додатково пояснюється наведеними кресленнями, де: 83284 6 Фіг.1 - фронтальна проекція шарошкового долота з розрізом по осі однієї з шарошок; Фіг.2 - розріз по осі шарошки, опора якої містить комбінацію з двох типових радіально-упорних конічних роликопідшипників та одного типового радіального роликопідшипника з циліндричними роликами; Фіг.3 - розріз по осі шарошки, опора якої містить комбінації з одного типового та одного не типового радіально-упорних конічних роликопідшипників, та одного радіального роликопідшипника з циліндричними роликами Фіг.4 та 5 - розріз по осі шарошки, опора якої містить великий та середній типові радіальноупорні конічні роликопідшипники, та малий не типовий радіально-упорний конічний роликопідшипник; Фіг.6 - розріз по осі шарошки, опора якої містить великий типовий та не типові середній та малий радіально-упорні конічні роликопідшипники. Шарошкове долото (Фіг.1) містить лапи 1 з цапфами 2, на яких змонтовані опори кочення, кожна з яких містить малий 3, середній 4 та великий (периферійний) 5 типові радіально-упорні конічні роликопідшипники із зовнішніми та внутрішніми кільцями, конічними роликами та сепараторами 6. Роликопідшипник 5, орієнтований вершиною свого конуса у напрямку основи цапфи 2. На циліндричному виступі основи кожної цапфи змонтована наскрізна кришка 7 з ущільнюючим пристроєм 8. Шарошки 9 долота змонтовані на підшипниках опор і зафіксовані на них з допомогою наскрізних кришок 7. при цьому підшипники 4 та 5 зафіксовані на цапфах 2 з допомогою, наприклад, стопорних кілець 10. На Фіг.2-6 зображені різноманітні модифікації компонування трирядної опори кочення шарошки, три роликопідшипники котрої здатні сприймати радіальну складову навантаження на шарошку. Ці опори складаються з радіально-упорних конічних роликопідшипників та радіальних роликопідшипників, як типових, так і не типових. Будь-яка з цих опор може бути додатково оснащена упорним підшипником ковзання. Приклади найбільш характерних модифікацій опори: - опора (Фіг.2), яка містить типові радіальноупорні конічні роликопідшипники 3, 5 та типовий радіальний роликопідшипник 11. При цьому роликопідшипник 5 орієнтований вершиною конуса у напрямку основи цапфи 2; - опора (Фіг.3), яка містить типовий радіальноупорний конічний роликопідшипник 5, укріплений на цапфі таким чином, що вершина його конуса орієнтована у напрямку основи цапфи, середній типовий радіальний роликопідшипник 11 та кінцевий не типовий радіально-упорний конічний роликопідшипник 12; - опора (Фіг.4), яка містить великий (периферичний) радіальний роликопідшипник 11, типовий конічний роликопідшипник 4 та кільцевий (малий) не типовий радіально-упорний конічний роликопідшипник 12, оснащений сепаратором 6. - опора (Фіг.5), яка містить великий 5 та середній 4 типові радіально-упорні конічні роликопід 7 шипники, жорстко зафіксовані на цапфі таким чином, що вершина конуса роликопідшипника 5 орієнтована у напрямку основи цапфи, а вершина конуса роликопідшипника 4 у напрямку осі обертання долота, та не типовий кінцевий конічний роликопідшипник 12, оснащений сепаратором; - опора (Фіг.6), яка містить периферійний конічний роликопідшипник 5, зафіксований біля буртика основи цапфи з допомогою стопорного кільця 10, та не типові радіально-упорні конічні роликопідшипники: малий 12 та середній 13, оснащені сепараторами. На Фіг.3 зображена опора шарошки, додатково оснащена упорним підшипником ковзання, п'ята 14 якого жорстко укріплена в порожнині шарошки 9 по осі її обертання. Шарошкове долото, що заявляється, працює наступним чином. Корпус долота з'єднують з буровою трубою (поставом) бурового агрегату. Долото з обертанням та заданим осьовим навантаженням подають на вибій свердловини. Одночасно з цим, через промивальні канали та сопла долота, на вибій подають буровий розчин або стиснуте повітря. Внаслідок занурення зубків озброєння шарошки 9 в поверхню вибою, шарошки вступають в ме 83284 8 ханічний контакт (механічне зачеплення) з породою і перекочуються по вибою за рахунок обертання корпусу 1 долота. При цьому зубки озброєння послідовно уражають локальні ділянки поверхні вибою, сколюють та подрібнюють певний шар породи. Потоки бурового розчину змивають шлам з поверхні вибою й виносять його через затрубний обшир на поверхню землі. Стендові та натурні випробування дослідних зразків шарошкових доліт показали суттєво більшу ефективність цих доліт порівняно з серійними шарошковими долотами, а саме : - підвищення механічної швидкості буріння у 1,5-2 рази за рахунок можливості збільшення осьового навантаження на долото; - підвищення довговічності підшипникових вузлів шарошок у 3-5 та більше разів за рахунок збільшення вантажопідйомності опор та більш рівномірного розподілу радіального навантаження між підшипниками опори; - загальне підвищення ресурсу роботи долота у 3-5 разів, у тому числі й за рахунок можливості багаторазової заміни зношених шарошок та їхніх підшипникових вузлів. 9 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 83284 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601