RU2241815C1

RU2241815C1 - Multi-row ball support

Info

Publication number: RU2241815C1
Application number: RU2003132052/03A
Authority: RU
Inventors: Г.П. Чайковский (RU); Г.П. Чайковский; н Ю.Р. Иоанес (RU); Ю.Р. Иоанесян
Original assignee: Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Буровая техника"
Priority date: 2003-11-03
Filing date: 2003-11-03
Publication date: 2004-12-10

Abstract

FIELD: oil and gas extractive industry.

SUBSTANCE: device has 12-15 rows of balls supported by conical surfaces of stator casings and on conical surfaces of rotor casings. Position of each row of balls on casings is determined by diametrical and axial dimensions of rotor and stator insert rings. Slant of conical surfaces of rotor casings to plane perpendicular to longitudinal axis of multi-row ball support is selected from range between 15 and 35°. Slant of conical surfaces of stator casings to plane, perpendicular to longitudinal axis of multi-row ball support, is for 5-15° less than slant of same plane of conical surfaces of rotor casings.

EFFECT: higher durability, higher reliability.

3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к техническим средствам, которые используются для бурения нефтяных и газовых скважин, точнее к узлам и деталям забойных двигателей, которые приводят во вращение буровые долота, углубляющие забои скважины.The present invention relates to technical means that are used for drilling oil and gas wells, and more specifically to the nodes and parts of downhole motors, which rotate the drill bits, deepening the bottom of the well.

Дальним аналогом нашего изобретения является многорядный шариковый подшипник (см. источник ″ Турбинное бурение нефтяных скважин″ , М.Т.Гусман, Москва, 1952 г., Гостоптехиздат, стр.55-56.). Конструкция этого подшипника была очень сложной и нетехнологичной в изготовлении, вследствие чего не нашла промышленного применения.A further analogue of our invention is a multi-row ball bearing (see source ″ Turbine Oil Drilling ″, M.T.Gusman, Moscow, 1952, Gostoptekhizdat, pp. 55-56.). The design of this bearing was very complex and low-tech to manufacture, as a result of which it did not find industrial application.

Ближайшим аналогом нашего изобретения является ″ Шариковая опора" согласно описанию по А.С. СССР №166627, 25.08.62. В этом авторском свидетельстве описана многорядная шариковая опора, состоящая из шаров и упорных колец (обойм). Шары каждого ряда опоры заключены между цилиндрическими роторными проставочными кольцами, которые отделяют друг от друга роторные упорные обоймы, и цилиндрическими статорными проставочными кольцами, которые отделяют друг от друга статорные упорные обоймы. Разница диаметров между наружной цилиндрической поверхностью роторных проставочных колец и внутренней цилиндрической поверхностью статорных проставочных колец равна удвоенному диаметру установленных между ними шаров. Роторные и статорные упорные обоймы имеют рабочие поверхности, контактирующие с шарами, выполненные в виде конических поверхностей, наклоненных к плоскости, перпендикулярной продольной оси шариковой опоры, под углом 30° .The closest analogue of our invention is the “Ball bearing” as described by AS USSR No. 166627, 08/25/62. This copyright certificate describes a multi-row ball bearing consisting of balls and thrust rings (cages). The balls of each row of support are enclosed between cylindrical rotor spacer rings that separate the rotor thrust clips from each other, and cylindrical stator spacer rings that separate the stator thrust clips from each other. The diameter difference between the outer cylindrical surface p the spacer rings and the inner cylindrical surface of the stator spacer rings are equal to twice the diameter of the balls installed between them. °.

Работая в среде бурового раствора, содержащего мелкий и достаточно крупный абразив, шары накатывают на упорных обоймах сферические дорожки, вследствие чего в опоре образуется осевой люфт.Working in a drilling fluid environment containing a small and rather large abrasive, balls roll spherical tracks on thrust clips, as a result of which axial play forms in the support.

Величина люфта в 6-7 мм лимитирует отказную стойкость подшипника, которая колеблется в пределах 60-120 ч. Работа многорядной шариковой опоры в среде бурового раствора характеризуется одной особенностью, которая присуща только подшипникам этого типа.A backlash value of 6-7 mm limits the bearing failure resistance, which varies between 60-120 hours. The operation of a multi-row ball bearing in a drilling fluid environment is characterized by one feature that is unique to this type of bearing.

Желание сделать шариковую опору в максимальной степени грузоподъемной приводит к тому, что, увеличивая диаметр шаров, конструкторы вынуждены утонять проставочные кольца. Сегодня их толщина колеблется в пределах от 4,7 до 5,5 мм. При этом длины контактных окружностей (точки контакта шаров с роторными и статорными упорными обоймами) отличаются на 15-20%. Вследствие этого роторные упорные обоймы вырабатываются всегда быстрее, чем статорные обоймы. Появляется распорная составляющая осевого усилия, которое, суммируясь с центробежной силой, действующей на каждый шар, все интенсивнее начинает изнашивать статорные проставочные кольца. Принимая во внимание, что особенности монтажа многорядных шариковых опор в шпинделях турбобуров предусматривают их фиксацию в корпусе шпинделя осевым усилием в 600-800 кН, напряжения в каждом из статорных проставочных колец близки к пределу текучести даже очень качественного металла. Износ проставочных колец приводит к их выпучиванию и заклинке в корпусе шпинделя. Приходится либо недорабатывать опоры до максимально возможного осевого люфта, сокращая их возможный моторесурс, либо выпрессовывать подшипник из корпуса шпинделя, что удается далеко не всегда. В этом случае весь шпиндель превращается в металлолом.The desire to make the ball bearing as lifting as possible leads to the fact that, increasing the diameter of the balls, the designers are forced to thin the spacer rings. Today, their thickness ranges from 4.7 to 5.5 mm. At the same time, the lengths of the contact circles (the contact points of the balls with the rotor and stator thrust clips) differ by 15-20%. As a result, rotor thrust cages are always generated faster than stator cages. A spacer component of the axial force appears, which, summing up with the centrifugal force acting on each ball, begins to wear out the stator spacer rings more and more intensively. Considering that the features of mounting multi-row ball bearings in the spindles of the turbodrills provide for their fixation in the spindle body with an axial force of 600-800 kN, the stresses in each of the stator spacer rings are close to the yield strength of even very high-quality metal. Deterioration of the spacer rings leads to their buckling and stuck in the spindle housing. It is necessary either to under-support the bearings to the maximum possible axial play, reducing their possible engine life, or to press the bearing out of the spindle housing, which is not always possible. In this case, the entire spindle turns into scrap metal.

Изобретение позволяет освободить многорядную шариковую опору от износа проставочных колец и тем самым поднять ресурс работы опоры до 250-300 ч, так как при этом становится возможным дорабатывать опоры до осевого люфта в 10-12 мм.EFFECT: invention makes it possible to free the multi-row ball bearing from wear of the spacer rings and thereby increase the service life of the support to 250-300 hours, since it becomes possible to modify the supports to an axial play of 10-12 mm.

Сущность изобретения заключается в создании многорядной шариковой опоры, состоящей из нескольких рядов шаров, роторных упорных обойм, между которыми устанавливаются роторные проставочные кольца; статорных упорных обойм, между которыми устанавливаются статорные проставочные кольца, при этом разность между внутренним диаметром статорных проставочных колец и наружным диаметром роторных проставочных колец равна удвоенному диаметру установленных между ними шаров. Каждая из статорных и роторных упорных обойм имеет конические поверхности, контактирующие с шарами, при этом наклон конических поверхностей статорных упорных обойм к плоскости, перпендикулярной продольной оси многорядной шариковой опоры, всегда на 5-15° больше, чем наклон конических поверхностей к той же плоскости роторных упорных обойм.The essence of the invention is to create a multi-row ball bearing, consisting of several rows of balls, rotary thrust cages, between which rotary spacers are installed; stator thrust clips, between which the stator spacer rings are installed, the difference between the inner diameter of the stator spacer rings and the outer diameter of the rotor spacer rings is equal to twice the diameter of the balls installed between them. Each of the stator and rotor thrust clips has conical surfaces in contact with the balls, while the inclination of the conical surfaces of the stator thrust clips to a plane perpendicular to the longitudinal axis of the multi-row ball bearing is always 5-15 ° greater than the inclination of the conical surfaces to the same plane of the rotor persistent clips.

Такое конструктивное исполнение многорядных шариковых опор забойных двигателей позволяет, как минимум, удвоить отказной срок службы их шпинделей.Such a design of multi-row ball bearings of downhole motors allows, at least, to double the failure life of their spindles.

Изобретение поясняется тремя фигурами.The invention is illustrated by three figures.

На фиг.1 приведен в поперечном разрезе общий вид многорядной шариковой опоры.Figure 1 shows in cross section a General view of a multi-row ball bearing.

На фиг.2 приведен поперечный разрез одной роторной обоймы многорядной шариковой опоры.Figure 2 shows a cross section of one rotary cage of a multi-row ball bearing.

На фиг.3 приведен поперечный разрез одной статорной обоймы многорядной шариковой опоры.Figure 3 shows a cross section of one stator cage of a multi-row ball bearing.

В большинстве случаев шариковая опора состоит из 12-15 рядов шаров 1, которые опираются на конические поверхности 2 статорных обойм 3 и на конические поверхности 4 роторных обойм 5. Положение каждого ряда шаров 1 на обоймах 3 и 5 определяется диаметральными и осевыми размерами роторных 6 и статорных 7 проставочных колец. Разница между внутренним диаметром ″ D_в″ каждого статорного проставочного кольца 7 и наружным диаметром ″ d_н″ каждого роторного проставочного кольца 6 равна удвоенному диаметру шаров ″ d_ш″ . Осевая высота ″ h_oc″ роторных 6 и статорных 7 проставочных колец определяется из условия обеспечения гарантированного осевого люфта каждого ряда шаров 1 относительно конических поверхностей 2 и 4 статорных обойм 3 и роторных обойм 5 в пределах 0,1-0,5 мм.In most cases, the ball bearing consists of 12-15 rows of balls 1, which are supported on the conical surfaces 2 of the stator cages 3 and on the conical surfaces 4 of the rotor cages 5. The position of each row of balls 1 on the cages 3 and 5 is determined by the diametrical and axial dimensions of the rotor 6 and stator 7 spacer rings. The difference between the inner diameter ″ D _in ″ of each stator spacer ring 7 and the outer diameter ″ d _n ″ of each rotor spacer ring 6 is equal to twice the diameter of the balls ″ d _w ″. The axial height ″ h _oc ″ of the rotor 6 and stator 7 spacer rings is determined from the condition of ensuring guaranteed axial play of each row of balls 1 relative to the conical surfaces 2 and 4 of the stator cage 3 and rotor cage 5 within 0.1-0.5 mm.

Наклон конических поверхностей 4 роторных обойм 5 к плоскости, перпендикулярной продольной оси многорядной шариковой опоры (обозначен индексом ″ α ″ ), выбирается в пределах 15-35° в зависимости от габаритного диаметра шариковой опоры и диаметра шаров ″ d_ш″ , устанавливаемых в каждом из ее рядов.The inclination of the conical surfaces 4 of the rotor cages 5 to the plane perpendicular to the longitudinal axis of the multi-row ball bearing (indicated by the index ″ α ″) is selected within 15-35 ° depending on the overall diameter of the ball bearing and the diameter of the balls ″ d _w ″ installed in each of her ranks.

Наклон конических поверхностей 2 статорных обойм 3 к плоскости, перпендикулярной продольной оси многорядной шариковой опоры (обозначен индексом ″ β ″ ), на 5-15° больше, чем наклон к той же плоскости конических поверхностей 4 роторных обойм 5. Разница в углах наклона тем больше, чем больше диаметр шаров ″ d_ш″ , устанавливаемых в каждом ряду многорядной шариковой опоры.The inclination of the conical surfaces of the 2 stator cages 3 to the plane perpendicular to the longitudinal axis of the multi-row ball bearing (indicated by the ″ β ″ index) is 5–15 ° more than the inclination of the 4 conical surfaces of the conical surfaces 4 of the rotary cage 5. The difference in the angle of inclination is the greater , the larger the diameter of the balls ″ d _w ″ installed in each row of multi-row ball bearings.

РАБОТА МНОГОРЯДНОЙ ШАРИКОВОЙ ОПОРЫ В ШПИНДЕЛЕ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯWORK OF MULTI-ROW BALL BEARING IN THE BOTTOM ENGINE SPINDLE

Новая многорядная шариковая опора монтируется на валу шпинделя забойного двигателя так же, как монтируются серийные шариковые опоры (ближайший аналог).The new multi-row ball bearing is mounted on the spindle shaft of the downhole motor in the same way as serial ball bearings are mounted (the closest analogue).

Собранный шпиндель с многорядной шариковой опорой крепится в цеху или на буровой к рабочей секции двигателя. К валу шпинделя крепится долото, после чего начинается спуск забойного двигателя на бурильных трубах в ствол бурящейся скважины. Забойная компоновка на 8-12 м не доводится до ″ старого″ забоя бурящейся скважины, после чего включаются в работу буровые насосы. В течение 10-15 мин новая многорядная шариковая опора при минимальной подаче бурового раствора ″ прикатывается″ над старым забоем, после чего подача насосов выводится на нормальный режим работы и начинается процесс расширки, а затем и бурения скважины.The assembled spindle with a multi-row ball bearing is mounted in the workshop or on the drill to the working section of the engine. A chisel is attached to the spindle shaft, after which the downhole motor starts to be drilled down the drill pipe into the well bore. The bottomhole layout on 8-12 m is not brought to the ″ old ″ bottom of the well being drilled, after which the mud pumps are put into operation. Within 10-15 minutes, a new multi-row ball bearing with a minimum supply of drilling fluid ″ rolls ″ over the old face, after which the pump supply is returned to normal operation and the process of expansion and then drilling of the well begins.

В процессе прикатки под действием гидравлической нагрузки на роторные элементы шариковой опоры и соответствующей им реакции на ее статорных элементах происходит осевая выработка конических упорных поверхностей обойм и выравнивание осевой нагрузки по рядам шариковой опоры. Соответствующая разница в углах ″ α ″ и ″ β ″ конических поверхностей роторных 5 и статорных 3 обойм многорядной шариковой опоры позволила ликвидировать поперечный износ проставочных колец 6 и 7 и, таким образом, полный ресурс опоры (наработка на отказ опоры, а следовательно, и шпинделя) стала определяться только величиной выработанного осевого люфта в опоре, то есть осевой высотой ее обойм и осевым люфтом рабочих органов двигателя.In the process of rolling under the action of a hydraulic load on the rotor elements of the ball bearing and the corresponding reaction on its stator elements, the axial production of conical thrust bearing surfaces of the clips and the axial load are aligned along the rows of the ball bearing. The corresponding difference in the angles ″ α ″ and ″ β ″ of the conical surfaces of the rotor 5 and stator 3 cages of the multi-row ball bearing made it possible to eliminate the transverse wear of the spacer rings 6 and 7 and, thus, the full resource of the support (MTBF and, therefore, the spindle ) began to be determined only by the value of the developed axial play in the support, that is, the axial height of its cages and the axial play of the working parts of the engine.

Claims

A multi-row ball bearing consisting of several rows of balls, rotor thrust rings, between which rotor spacer rings are installed, stator thrust rings, between which stator spacer rings are installed, the difference between the inner diameter of the stator spacer rings and the outer diameter of the rotor spacer rings is twice the diameter balls installed between them, while each of the stator and rotor thrust clips has conical surfaces in contact with the balls, characterized in that the inclination of the conical surfaces of the stator thrust clips to the plane perpendicular to the longitudinal axis of the multi-row ball bearing is 5-15 ° greater than the inclination of the conical surfaces to the same plane of the rotor thrust clips.