Герметизована опора бурового шарошкового долота

Союз Советских Социалистических Республик (11) (61) Дополнительное к авт свид-ву (22)3анвлено 3 D . 0 5 . 8 0 (21)2931925/22-03 с присоединением заявки .№ Е 21 В 10/22 Государе!венный комитет СССР (23)Приоритет по делам изобретен ни Опубликовано 1 5 . 0 5 . 8 2 . Бюллетень № М и открытий Дата опубликования описания 1 5 . 0 5 . 8 2 (72) Авторы изобретения (71) Заявители 051.55(088.8) Т.Д. Илык, С И . Кантор, М.И. Пехньо» Б.П. Сорока и А.И. Цыхан Физико-механический институт АН Украинской ССР и Дрогобычский долотный завод Всесоюзного промышленного объединения нефтепромыслового машиностроения (5*0 ГЕРМЕТИЗИРОВАННАЯ ОПОРА БУРОВОГО ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА t Изобоетение относится к буровой' технике, а более конкретно к конструкции буровых шарошечных долот. Известны опоры шарошечных долот, снабженные герметизирующими узлами, предназначенными для защиты опор от загрязнения промывочным раствором с содержащимися в нем твердыми части' цами горных пород. В конструкциях этих долої в пространство между тор10 цовыми поверхностями шарошки и цапфы лапы вводятся разного рода уплотнительные элементы [і]. Недостатком этих уплотнений является невысокая надежность гермети15 зации опоры вдоль скользящего контакта вследствие износа уплотняющих кромок в абразивной среде и образования зазора в уплотняемой паре под воздействием зибрации, возникающей 20 при бурении. Известна также герметизированная опора бурового шарошечного долота, снабженная эластичной уплотняющей f* мэнметои, армированной упругим каркасом в виде тарельчатой пружины с ободом по внешней периферии. Уллотнягацая манжета своим ободом входит в кольцевую расточку шарошки» При сборке шарошки с лапой манжета образует неподвижное соединение с цапфой лапы и скользящий контакт с шарошкой^за счет усилия прижатия обода упругого каркаса к кольцевой расточке шарошк и . Величина э т о г о усилия определяется величиной осевой деформации каркаса и его жесткостью [ 2 ] . Такое уплотнение обпадает рядом положительных свойств при герметизации опоры в статическом состоянии долота. К недостаткам этой манжеты следует отнести ненадежность уплотнения при динамических нагружениях, а также при большой скорости вращения долота . Статическое нагружение долота за счет деформации тел качения и шарош З 927953 Радиальная уплотняемая поверхки, а также имеющихся люфгов в соединость цапфы выполнена эксцентричной нении, приводит к тому, что ось шаотносительно поверхностей беговых рошки при работе эксцентрично смещедорожек. на относительно оси цапфы. Кроне тоКольцевая расточка в шарошке выго, г процессе бурения or перекатыз полнена сужающейся в направлении к вания зубьев шарошки по забою вознилапе, причем угол наклона образующей кают лульсационные нагрузки, которые расіоики к оси шарошки меньше угла циклически смещают шарошку относитрения самоторможения криволинейтельно цап^ы в осевом и радиальном ной кромки манжеты по кольцевой раснаправлениях, Эти смещения при макситочке шарошки. мальном удалении шарошки от торца лапы приводят к уменьшению осевого Такая конструкция позволяет созсжатия каркаса уплотнения, т.е. к дать неподвижное герметизированное оспаблению силы прижатия обода каркасоединение упругого каркаса манжеты са к кольцевой расточке, что, в свою 15 с шарошкой за счет самозаклинивания очередь, выбывает временную разгерэтих деталей в собранной опоре, а метизацию опоры. Объемная реформация скользящиіі контакт осуществить по шарошки при ее бурении на забое, обработанной поверхности цапфы лапы а также насосный эффект, возникаюпри помощи независимого подпружинищий при вращении шариков зтмкового вания. Увеличение надежности гермеподшипника, вызывают пульсации давтизации по скользящему контакту при ления смазки, находящейся в опоре бурении достигается центрированием долота. Сила, созданная этой пульсаманжеты в собранной опоре за счет цией при недостаточном прижатии обоэксцентричного выполнения уплотняемой да каркпеа к кольцевой расточке шаповерхности цапфы лапы, а также улуч25 рошки, отгибает внешнюю периферию шения смазки уплотняющих кромок. манжеты и разгерметизирует опору. На фиг. 1 изображена предлагаемая Цепью изобретения является увеличение долговечности опоры при высокооборотном бурении за счет обеспечении сэмотормозящего силового замыкания уплотняющей манжеты с боковой поверхностью кольцевой расточки шарошки , Указанная цель достигается тем, 35 что в опоре бурового шарошечного долота, включающей шарошку с беговыми дорожками и уплотняемой поверхностью в виде кольцевой расточки, цапфу лапы, теле кзчения, уплотняющую манжету из эластомерного материала, армированную упругим каркасом в виде тарельчатой пружины с пазами ш внешней кромке, каркас уплотняющей манжеты имеет криволинейную кромку с профилем, выполненннм, например, по спирали Архимеда, а манжета имеет два торцовых уплотняющих выступа со стороны лапы, расположенных эксцентрично относительно беговых доронек шарошки, два уплотняющих выступа по кольцевой расточке шароыки, внешней из которых соответствует профилю криволинейной кромки каркаса, а часть манжеты, контактирующая с цапфой, вы55 полнена подпружиненной относительно нее, причем развертка линии контакта этой части манжеты с цапфой имеет форму кривой, например синусоиды. опора шарошечного долота в сборе с частичным вырезом корпуса шарошки и элементами конструкции уплотняющей манжеты; на фиг. 2 - конструкция армирующего упругого каркаса; на фиг.З" конструкция уплотняемой поверхности лапы долоте*, на фиг. k - развертка радиальной уплотняющей кромки. Герметизированная опора шарошечного долота содержит шарошку 1, лапу. 2 с цапфой 3» в беговых дорожках которых размещены тела качения k подшипников. Между торцом шарошки 1 и ft поверхностью опорной части лапы 2 размещена уплотнительная манжета 5• Со стороны козырька лапы 2 опора долота уплотняется выступами А и Б манжеты и в радиальном направлении частые манжеты D, с натягом обхватывающей цапфу 3 лапы 2 при помощи круговой спиральной пружины 6. Со стороны кольцевой расточки шарошки уплотнение достигается двумя концентрическими выступами Б и Г, последний из которых прилегает к фаске на поверхности большой роликовой дорожки. Эластичная манжета армирована тарельчатой шайбой 7, ^з внешней периферии которой выполнены радиальные пазы. По внешней периферии шайба также имеет криволинейную профилированную кромку, выполненную по спирали 5 927953 Архимеда или по другой кривой, обеспечивающей при осевой деформации шайбы 7 самотормозящееся силовое замыкание между каркасом манжеты и кольцевой расточкой шарошки 1. Диаметр тарельчатой шайбы 7 по внешней периферии 'выполнен таким образом, чтобы в свободном состоянии обеспечивалась подвижная посадка манжеты в 10 кольцевую расточку шарошки 1. Два торцовых уплотняющих выступа А и Ь со стороны козырька лапы выполнены эксцентричными относительно поверхностей беговых дорожек шарошки. Линия контакта части манжеты Dc 15 цапфой лапы имеет форму кривой линии, например синусоиды. Уплотняемая поверхность цагкры лапы {поверхность D ) выполнена эксцентричной относительно поверхностей бего20 вых дорожек. Величина эксцентриситета несколько больше величины радиального зазора в опоре и направлена а сторону действия силы при бурении. Кольцевая расточка в шарошке выпол-25 нена конически сужающейся в направлении к козырьку лапы, причем угол наклона образующей выточки к оси шарошки меньше угла трения самоторможения, В процессе сборки манжету 5 (сов- 30 местно с пружиной 6) устанавливают уплотняемой поверхностью D иа цапфу 3. При установке шарошки 1 на цапфу 3 происходит предварительная упругая деформация манжеты 5 вместе с 35 армирующим каркасом, вследствие чего в собранном долоте уплотняющая манжета занимает вдоль оси цапфы место примерно на 20% меньше, чем в свободном состоянии. При осевой деформации увеличивается наружный диаметр тарельчатой пружины и одновременно происходит пово рот профилированного участка относительно мгновенного центра вращения 45 до силового замыкания с боковой поверхностью кольцевой расточки шарошки Так как угол подъеме профиля криволинейного участка каркаса меньше угла трения, то происходит самозаклинива50 ние указанных поверхностей, которое не устраняется даже при снятии осевой нагрузкид т.е. при возможных пульсационных перемещениях шарошки относительно цапфы лапы. Надежность 55 соединения увеличивается за счет того, что боковая поверхность кольцевой растомки выполнена сумающейся в направлении к лапе долота. Для предотвращения выдавливания смазки і з опоры при осевых перемещениях шарошки, а также для выраанивания давления смазки с даолением промывочной жидкости в лапе долота установлен компенсационный узел в виде вялой эластичной мембраны. 3 окончательной стадии изготовления долота полости подшипниковых узлов шарошек и полости компенсаторного узла заполняются вакуумированным смазывающим составом. Зо время работы долота шарошка смещается относительно цапфы лапы на величину радиального зазора в подшипниках так, что манжета устанавливается концентрично относительно уплотняемой поверхности цапфы лапы, вследствие чего_ создается разгруженный скользящий контакт между уплотняемой поверхностью цапфы лапы и манжетой, причем предварительная упругая деформация каркаса обеспечивает компенсацию износа манжеты. Дополнительная компенсация износа достигается также за счет прижатия манжеты круговой спиральной пружиной. При , люфтовых смещениях шарошки герметичность неподвижного соединения манжеты с шарошкой не нарушается, так как достигается самозаклинивание контактирующих поверхностей, а герметичность скользящего контакта также не нарушается, поскольку манжета обхватывает цапфу с натягом и одновременно, благодаря прорезям тарельчатой шайбы и круговой спиральной пружине, обладает значительной радиальной податливостью при сохранении необходимой жесткости и механической прочности. Конструкция уплотняющих выступов манжеты при вращении шарошки позволяет обеспечить надежную смазку поверхностей контакта за счет периодического изменения положения линии контакта, так как два торцовых уплотняющих выступа манжеты со стороны козырька лапы расположены эксцентрично беговым дорожкам подшипников, а часть манже~ ты, охватывающая цапфу лапы, имеет форму кривой, например синусоиды. Благодаря этому происходит постоянное обноаление слоя смазки на контактных поверхностях лапы. Этим также достигается значительное увеличение поверхности теплоотвода, что уменьшает перегрев и износ контактирующих кромок манжеты. 7 927953 Выполнение герметизированной опоры] Формула изобретения шарошечного долота в соответствии с описанной конструкцией придает ему 1. Герметизированная опора буроворяд новых положительных качеств, а го шарошечного долота, включающая шаименно: рошку с беговыми дорожками и уплот1 аУ повышенную надежность гермети няемой поверхностью в виде кольцевой зации узла, шарошки, так как скользярасточки, цапфу лапы, тела качения, щий контакт уплотняющей манжеты осууплотняющую манжету из эластомерноществляется по ее внутренней перифего материала, армированную упругим рии с меньшей длиной контактной линии каркасом в виде тарельчатой пружины при меньшей линейной скорости скольс пазами на внешней кромке, о т л и жения; весьма существенным преимуч а ю щ а я с я тем, что, с целью ществом конструкции уплотняющего устувеличения долговечности опоры при ройства, влияющим на повышение его высокооборотном бурении за счет обесизносостойкости, явпяется то, что из- t5 печения самотормозящего силового заза вращения манжеты совместно с шамыкания уплотняющей манжеты с боковой рошкой, при перекосах последней, не поверхностью кольцевой расточки шавозникает местного износа уплотняющерошки, каркас уплотняющей манжеты го выступа (как это происходит в упимеет криволинейную кромку с профилем, лотнениях, неподвижных относительно 20 выполненным, например, по спирали цапфы)j Архимеда, а манжета имеет два торцовых уплотняющих выступа со стороны, б) меньшую суммарную жесткость лапы, расположенных эксцентрично каркаса в осевом и радиальном направотносительно беговых дорожек шарошки, лениях без снижения его прочности, , что во-первых, уменьшает износ высту- 25 два уплотняющих выступа по кольцевой расточке шарошки, внешний из которых пов уплотняющей манжеты, а, во-вторых соответствует профилю криволинейной способствует улучшению запуска шарошкромки каркаса, а часть манжеты, конки при бурении-, тактирующая с цапфой, выполнена подв) способность обеспечивать надежпружиненной относительно нее, причем ную герметизацию при осевом или ра30 развертка линии контакта этой части диальном сдвиге торца шарошки или при манжеты с цапфой имеет форму кривой, ее качении относительно оси цапфы,так например синусоиды, как локальная деформация какого-либо участка уплотняющей манжеты вызовет 2. Опора по п. ^ о т л и ч а ю упругую деформацию соответствующего щ а я с я тем, что радиальная уплот35 участка армирующего каркаса без изменяемая поверхность цапфы выполнена нения состояния остальной его части', эксцентричной относительно поверхкроме того, шарошка неподвижно и ностей беговых дорожек. плотно соединена с уплотняющей ман3. Опора по п. 1, о т л и ч а южетой, а перекатывание происходит по 4G щ а я с я тем, что кольцевая расточпериферии цапфы без проскальзывания, ка в шарошке выполнена сужающейся в что обеспечивается положением мгнонаправлении к лапе, причем угол наквенного центра вращения при качании лона образующей расточки к оси шарошшарошки на образующей цапфы лапы, ки меньше угла трения самоторможения г) высокую надежность соединения 45 криволинейной кромки манжеты по кольэластомерных слоев манжеты с армируюцевой расточке шарошки. щим каркасом, так как впадины между зубьями каркаса позволяют прочно соеИсточники информации, диниться между собой тем слоям эласпринятые во внимание при экспертизе томера, которые облегают армирующий 50 каркас с обоих его торцов. Таким об1. Авторское свидетельство СССР разом, зубья каркаса располагаются № 597805, кл, Е 21 В 9/Ю, 1975. в "карманах" из эластомерного материала, благодаря чему уплотняющая 2. Патент США № 3370895, манжета остается работоспособной даже 55 в случае отслоения эластомера от аркл. 308-8.2, опублик. 1968 (протомирующего каркаса. тип) . 927953 927953 A-A Фиг.1 9279ЬЗ 927953 Эксцентриситет В-З Редактор С. Тимохина Составитель С. Денисова Техреди. Ґайду Корректор А.Ференц Заказ 3193/^1 Тираж £>2k Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, k