RU2570724C1

RU2570724C1 - Rolling drilling bit

Info

Publication number: RU2570724C1
Application number: RU2014151812/03A
Authority: RU
Inventors: Владимир Дмитриевич Буткин; Анатолий Владимирович Гилев; Валерий Тимофеевич Чесноков; Дмитрий Сергеевич Догадин; Игорь Иванович Демченко; Константин Анатольевич Бовин; Андрей Олегович Шигин
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2015-12-10

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: rolling drilling bit contains the housing with a nipple and vent channels, the rolling cutters with the truncated spherical form and their supports in the form of step bearing shaft with a possibility of rotation one end of which facing towards the well face has rectangular section, and another end with the truncated cone shape is installed in the housing hole and fitted with the thrust ball bearing, and in the hole at the outlet of the housing the step shaft is fitted with the sealing elements fixed by integral removable cover fastened to the bit housing. The base of the step bearing shaft is fitted with the additional thrust ball bearing with rings, and the top ring is joined with the lower base of the truncated cone of the step bearing shaft, and the lower ring is joined with the bit housing, while sealing elements are fixed by the integral removable cover common for all rolling cutters.

EFFECT: improvement of overall performance and increase of service life of the bit.

2 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике, а именно к конструкциям шарошечных долот, предназначенных для бурения скважин в горнорудной, нефтяной и газовой промышленности и в строительстве дорог, каналов, трубопроводов и др.The invention relates to drilling equipment, and in particular to designs of cone bits intended for drilling wells in the mining, oil and gas industries and in the construction of roads, canals, pipelines, etc.

Известны широко применяемые трехшарошечные долота, содержащие сварные секции с шарошками конусной формы, смонтированные на консольно расположенных цапфах [Симкин Б.А., Кутузов Б.Н., Буткин В.Д. Справочник по бурению на карьерах. - 2-е издание. - М.: «Недра», 1990. - с. 99, рис. 41]. Основным недостатком таких долот является недостаточная стойкость опор, в частности, износ и заклинивание замкового подшипника. Заклинивание является причиной преждевременного отказа 80-90% долот.Known widely used three-cone bits containing welded sections with cones of conical shape mounted on cantilever pins [Simkin B.A., Kutuzov B.N., Butkin V.D. Handbook of quarry drilling. - 2nd edition. - M .: "Nedra", 1990. - p. 99, fig. 41]. The main disadvantage of such bits is the lack of stability of the bearings, in particular, wear and jamming of the lock bearing. Jamming causes premature failure of 80-90% of the bits.

Известно также шарошечное долото с конусными шарошками, в котором замковое устройство выполнено в виде разрезной крышки, крепящейся к шарошке винтами [Грибенников Н.В. Опора шарошечного долота и перспективы ее развития. Екатеринбург: УРО РАН. - 2000, ISBN - 7691-1138-8. - Стр. 95-96]. Крепление крышки к торцу конусной шарошки, которая всегда имеет ограниченные размеры, не обеспечивает достаточной надежности. Применение более прочной неразрезной крышки здесь невозможно.Also known cone bit with conical cones, in which the locking device is made in the form of a split cover, attached to the cone screws [Gribennikov N.V. Bearing support and prospects for its development. Yekaterinburg: Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. - 2000, ISBN - 7691-1138-8. - Page 95-96]. Attaching the cover to the end of the cone cone, which always has limited dimensions, does not provide sufficient reliability. The use of a stronger continuous cover is not possible here.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является принятое за прототип шарошечное долото, содержащие корпус с ниппелем и продувочными каналами, шарошки усеченной сферической формы и их вертикальные или субвертикальные опоры, выполненные в виде ступенчатого опорного вала, внутрикорпусная часть которого имеет форму усеченного конуса, при этом уплотнение опорного вала фиксируется с помощью неразрезной съемной крышки (рездельно для каждой шарошки) [Патент РФ 2451151 Е21В 10/20, Е21В 10/22. Буровое шарошечное долото / Буткин В.Д., Гилев А.В., Догадин Д.С., Чесноков В.Т. 3 №2010150029/03; заявл. 06.12.2010; опубл. 20.05.2012 - Бюл. №14]. Главный недостаток данного долота обусловлен применением замкового шарикоподшипника для удержания цапфы опоры в корпусе. В связи с тем, что опорные цапфы располагаются вдоль направления осевой нагрузки, тела качения и сделанные для них кольцевые рабочие поверхности подвергаются высоким сдвиговым контактным нагрузкам и поэтому быстрее изнашиваются при бурении крепких горных пород. Кроме того, замковый подшипник сложно монтировать и демонтировать. Опорный вал практически неизменяем. Раздельные для каждой шарошки крышки, фиксирующие уплотнения, не обеспечивают достаточной надежности.Closest to the proposed technical solution is the cone bit adopted for the prototype, comprising a body with a nipple and purge channels, truncated spherical cones and their vertical or subvertical bearings, made in the form of a stepped support shaft, the inner part of which has the shape of a truncated cone, while the seal the support shaft is fixed using a continuous removable cover (seperately for each cone) [RF Patent 2451151 Е21В 10/20, Е21В 10/22. Drill roller cone / Butkin V.D., Gilev A.V., Dogadin D.S., Chesnokov V.T. 3 No.2010150029 / 03; declared 12/06/2010; publ. 05/20/2012 - Bull. No. 14]. The main disadvantage of this bit is due to the use of lock ball bearings to hold the support pins in the housing. Due to the fact that the support pins are located along the direction of the axial load, the rolling bodies and the ring working surfaces made for them are subject to high shear contact loads and therefore wear out faster when drilling strong rocks. In addition, the lock bearing is difficult to mount and dismantle. The support shaft is virtually unchanged. Separate for each cone caps, retaining seals, do not provide sufficient reliability.

Основной задачей заявленного изобретения является повышение эффективности работы и ресурса долота.The main objective of the claimed invention is to increase the efficiency and resource of the bit.

Достигается это тем, что в буровом шарошечном долоте, содержащем корпус с ниппелем и продувочными каналами, шарошки усеченной сферической формы и их вертикальные опоры, выполненные в виде ступенчатого опорного вала с возможностью вращения, один конец которого, обращенный к забою скважины, выполнен прямоугольного сечения, а другой конец, имеющий форму усеченного конуса, установлен в отверстии корпуса и снабжен упорным шариковым подшипником, а в отверстии на выходе из корпуса ступенчатый вал снабжен уплотнительными элементами, зафиксированными неразрезной съемной крышкой, крепящейся к корпусу долота, согласно изобретению, основание ступенчатого опорного вала снабжено дополнительным упорным шариковым подшипником, имеющим кольца, причем верхнее кольцо соединено с нижним основанием усеченного конуса ступенчатого опорного вала, а нижнее кольцо соединено с корпусом долота, при этом уплотнительные элементы зафиксированы общей для всех шарошек неразрезной съемной крышкой.This is achieved by the fact that in a cone drill bit containing a body with a nipple and purge channels, truncated spherical cones and their vertical supports made in the form of a stepped support shaft with the possibility of rotation, one end of which, facing the bottom of the well, is made in rectangular cross section, and the other end, having the shape of a truncated cone, is installed in the hole of the housing and is equipped with a thrust ball bearing, and in the hole at the outlet of the housing, the stepped shaft is equipped with sealing elements, fixing According to the invention, the base of the stepped support shaft is provided with an additional thrust ball bearing having rings, wherein the upper ring is connected to the lower base of the truncated cone of the stepped support shaft, and the lower ring is connected to the body of the bit, while sealing the elements are fixed by a continuous removable cover common to all cones.

Указанные в устройстве соединения выполняются известными методами, например соединениями шпоночного типа, винтами и др.The connections indicated in the device are carried out by known methods, for example, key-type connections, screws, etc.

Между отличительными особенностями изобретения и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.Between the distinctive features of the invention and the achieved technical result, there is the following causal relationship.

Предложенное встраивание в опору кольцевого упорного шарикоподшипника (УПШ) путем соединения верхнего кольца УПШ с нижним основанием усеченного конуса опорного вала, а нижнего кольца с корпусом, устраняет необходимость замкового шарикоподшипника, что облегчает монтаж и демонтаж долота, увеличивает долговечность уплотнительных элементов и, как следствие, исключает основную причину преждевременного отказа опор долота, а также позволяет увеличить осевое усилие на шарошки, что повышает скорость бурения скважины.The proposed incorporation into the support of an annular thrust ball bearing (UPSH) by connecting the upper ring of the UPSh with the lower base of the truncated cone of the support shaft and the lower ring with the housing eliminates the need for locking ball bearings, which facilitates the installation and dismantling of the bit, increases the durability of the sealing elements and, as a result eliminates the main reason for premature failure of the bit supports, and also allows you to increase the axial force on the cones, which increases the speed of drilling the well.

Предложенное фиксирование связанных с упорным подшипником и опорным валом уплотнительных элементов крышкой, общей для всех шарошек долота, а не раздельно для каждой шарошки, обеспечивает, как следствие, высокое качество уплотнения и надежную работу опоры долота.The proposed fixation of the sealing elements associated with the thrust bearing and the support shaft by a cover common to all bit cones, and not separately for each cone, provides, as a result, high quality seals and reliable operation of the bit support.

Таким образом, совокупность предложенных решений принципиально изменяет конструкцию опор долота, является новой и обеспечивает достижение поставленных задач изобретения.Thus, the totality of the proposed solutions fundamentally changes the design of the supports of the bit, is new and ensures the achievement of the objectives of the invention.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено: на Фиг. 1 - схема общего вида бурового шарошечного долота; на Фиг. 2 - схема расположения крышки, общей для всех шарошек долота.The invention is illustrated by graphic materials, which depict: in FIG. 1 is a diagram of a general view of a cone drill bit; in FIG. 2 is a layout diagram of a cover common to all bit cones.

Заявленное буровое шарошечное долото (фиг. 1, фиг. 2) содержит однодетальный (на основе литья или штамповки) корпус 1 с ниппелем 2 и продувочными каналами 3. В корпусе размещен опорный вал 4. Пята 5 опорного вала представлена бескольцевым упорным подшипником 6, твердосплавной пластиной 7 и передаточной шайбой 8.The inventive cone drill bit (Fig. 1, Fig. 2) contains a one-piece (on the basis of casting or stamping) case 1 with a nipple 2 and purge channels 3. A support shaft 4 is placed in the housing. The fiveth shaft of the support shaft is represented by a hard-alloy thrust bearing 6, carbide plate 7 and transfer washer 8.

Часть ступенчатого опорного вала 4, представленная в форме усеченного конуса, имеет выточки 9 для смазки. Нижнее основание усеченного конуса 10 и примыкающая к нему часть опорного вала 11 соединены с верхним кольцом 13 упорного подшипника 12. Нижнее кольцо 14 упорного подшипника закреплено в корпусе. Уплотнительные элементы 15 упорного подшипника и вала выполнены совместно и фиксируются неразъемной съемной крышкой 16, общей для всех шарошек долота. Крышка крепится снизу корпуса. Шарошки 17 имеют усеченную сферическую форму и могут армироваться твердосплавными штырями 18 или фрезерованными зубками. Конец опорного вала 19, входящий в тело шарошки, имеет прямоугольную форму и фиксируется в шарошке стопорным стержнем 20. Последний имеет сравнительно небольшой диаметр, так как крутящие моменты воспринимаются всем телом шарошки.Part of the stepped support shaft 4, presented in the form of a truncated cone, has recesses 9 for lubrication. The lower base of the truncated cone 10 and the adjacent portion of the support shaft 11 are connected to the upper ring 13 of the thrust bearing 12. The lower ring 14 of the thrust bearing is fixed in the housing. The sealing elements 15 of the thrust bearing and shaft are made together and are fixed by a one-piece removable cover 16, common to all bit cones. The cover is attached to the bottom of the housing. The cones 17 have a truncated spherical shape and can be reinforced with carbide pins 18 or milled teeth. The end of the support shaft 19, which enters the body of the cone, has a rectangular shape and is fixed in the cone by the locking rod 20. The latter has a relatively small diameter, since the torques are perceived by the whole cone of the cone.

Эксплуатацию шарошечного долота начинают с операции оснащения его шарошками, тип вооружения которых соответствует физико-механическим свойствам горных пород карьера или шахты. Операция включает соединения конца опорного вала 19, обращенного к забою, с шарошкой 17, используя стопорный стержень 20.The operation of the cone bit begins with the operation of equipping it with cones, the type of weapons of which corresponds to the physicomechanical properties of the rocks of the quarry or mine. The operation includes connecting the end of the support shaft 19, facing the bottom, with roller cone 17, using the locking rod 20.

Для производительного бурения крепких пород назначаются большие осевые нагрузки на долото, возможные благодаря оснащению примыкающей части опорного вала 11 к нижнему основанию усеченного конуса 10 кольцевым упорным шарикоподшипником 12.For productive drilling of hard rocks, large axial loads on the bit are assigned, possible by equipping the adjacent part of the support shaft 11 to the lower base of the truncated cone 10 with an annular thrust ball bearing 12.

Работа бурового шарошечного долота заключается в следующем.The work of the cone bit is as follows.

При бурении горной породы шарошка 17, вращаясь вокруг своей оси, передает вращающий момент опорному валу 4 с нижней частью этого опорного вала 11, на которую установлен упорный шарикоподшипник 12. Нижнее основание усеченного конуса 10 передает вращательный момент верхнему кольцу 13, вследствие чего упорный шарикоподшипник 12 приобретает вращательное движение. Нижнее кольцо 14 при этом остается неподвижным. Таким образом, упорный шаркоподшипник 12 обеспечивает вращение опорного вала 4 за счет верхнего кольца 13 и передачу осевого усилия на шарошку 17 за счет нижнего кольца 14.When drilling rock, the cone 17, rotating around its axis, transmits torque to the support shaft 4 with the lower part of this support shaft 11, on which the thrust ball bearing 12 is mounted. The lower base of the truncated cone 10 transmits torque to the upper ring 13, as a result of which the thrust ball bearing 12 acquires a rotational motion. The lower ring 14 remains stationary. Thus, the thrust ball bearing 12 provides rotation of the support shaft 4 due to the upper ring 13 and the transmission of axial force to the cone 17 due to the lower ring 14.

Перечисленные особенности построения и работы предлагаемого долота решают проблему увеличения стойкости опор шарошечных долот.The listed features of the construction and operation of the proposed bit solve the problem of increasing the resistance of the bearings cone bits.

В целом промышленное применение предложенного долота с новым устройством опор обеспечивает значительный экономический и технологический эффект, за счет применения дополнительного упорного кольцевого шарикоподшипника, обеспечивающего возможность увеличения осевого усилия на долото.In general, the industrial application of the proposed bit with a new support device provides a significant economic and technological effect due to the use of an additional persistent ring ball bearing, which makes it possible to increase the axial force on the bit.

Claims

A cone drill bit containing a body with a nipple and purge channels, truncated spherical cones and their supports in the form of a stepped support shaft with the possibility of rotation, one end of which, facing the bottom of the well, is made in rectangular cross-section, and the other end having the shape of a truncated cone, installed in the bore of the housing and equipped with a thrust ball bearing, and in the hole at the outlet of the housing, the stepped shaft is equipped with sealing elements fixed by a continuous removable cover attached to the core a chisel bit, characterized in that the base of the stepped support shaft is provided with an additional thrust ball bearing having rings, the upper ring being connected to the lower base of the truncated cone of the stepped supporting shaft, and the lower ring being connected to the body of the bit, while the sealing elements are fixed common to all cones continuous removable cover.