RU2655065C1

RU2655065C1 - Drilling bit roller cutter bearing support

Info

Publication number: RU2655065C1
Application number: RU2016148072A
Authority: RU
Inventors: Павел Геннадьевич Бачило; Дмитрий Олегович Филиппович
Original assignee: Производственно-торговое общество с ограниченной ответственностью "АГРОСТРОЙ"
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2018-05-23

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: invention relates to the field of drilling wells and can be used in drilling roller cone bits. Drill bit cutter bearing support contains two radial bearings for the taking of radial drilling forces perpendicular to the roller cutter axis, roller cutter and foot thrust hardened end face surfaces for the taking of axial forces along the roller cutter shaft, separated by intermediate washers, a lock ball bearing to ensure the bearing support assembly as a single unit. In two pairs of foot and roller cutter thrust hardened end face surfaces of the large and small sliding bearings washers of equal thickness from the same antifriction material are installed. Axial clearance in the small bearing when the axial force is applied is from 0 to Δ, where Δ is the total technological tolerance of the dimensioning between the roller cutter and foot small and large roller bearings thrust surfaces.

EFFECT: technical result consists in providing a reduced equivalent specific load on the large and small thrust bearings and their uniform wear and tear, as well as in increasing in the overall bearing support bearing capacity.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам, в частности к подшипниковым опорам шарошек, установленных на лапах, цапфы которых наклонены к оси долота на угол 50-60°. Такое положение цапф обусловливает в подшипниковой опоре наличие преимущественно радиальной нагрузки на подшипниковую опору, равной 77-87% общего усилия на долоте и значительного осевого усилия порядка 64-50% общего усилия. Известны подшипниковые опоры шарошек буровых долот, содержащие два радиальных подшипника качения или скольжения для восприятия радиальных сил бурения, перпендикулярных оси шарошки, опорные контактирующие (конгруэнтные) торцовые упрочненные поверхности шарошки и лапы для восприятия осевых сил вдоль оси шарошки и замковый шариковый подшипник для обеспечения сборки подшипниковой опоры как единый узел [1, 2]. Недостатком известной опоры является то, что каждая пара торцовых поверхностей шарошки и лапы имеет упрочнение из различных материалов с различными антифрикционными и износостойкими свойствами, что приводит к различным скоростям их износа, перегрузке одного из них и, следовательно, к снижению полного ресурса всего подшипникового узла. Другим недостатком известного узла является сложность наплавки упрочняемых упорных торцовых поверхностей и последующей их механической обработки.The invention relates to boring cone bits, in particular to bearing supports of cones mounted on paws, the trunnions of which are inclined to the axis of the bit by an angle of 50-60 °. This position of the trunnions determines in the bearing support the presence of a predominantly radial load on the bearing support equal to 77-87% of the total force on the bit and a significant axial force of about 64-50% of the total force. Known bearing supports of cones of drill bits containing two radial rolling or sliding bearings for the perception of radial drilling forces perpendicular to the axis of the cone, contacting contact (congruent) end hardened surfaces of the cone and paws for the perception of axial forces along the axis of the cone and a ball bearing to ensure assembly of bearings supports as a single unit [1, 2]. A disadvantage of the known support is that each pair of end surfaces of the cone and paw has hardening of various materials with different antifriction and wear-resistant properties, which leads to different speeds of their wear, overload of one of them and, therefore, to reduce the full service life of the entire bearing assembly. Another disadvantage of the known site is the complexity of surfacing hardenable resistant end surfaces and their subsequent machining.

Известны также подшипниковые узлы шарошек, содержащие упорный подшипник скольжении для восприятия осевых сил шарошки, включающий одну промежуточную плавающую кольцевую шайбу из антифрикционного материала, установленную между конгруэнтными торцовыми поверхностями лапы и шарошки [3, 4] (Прототип). Недостатком такой опоры является то, что опорная рабочая поверхность для восприятия осевой силы не включает площадь поперечного сечения шарошки - лапы, расположенную в зоне малого радиального подшипника, что снижает общую осевую грузоподъемность опоры на 20-25%.Also known are roller cone bearing assemblies containing a thrust sliding bearing for the perception of axial cone forces, including one intermediate floating ring washer made of antifriction material installed between the congruent end surfaces of the paw and cone [3, 4] (Prototype). The disadvantage of such a support is that the supporting working surface for the perception of axial force does not include the cross-sectional area of the cone - paw located in the zone of a small radial bearing, which reduces the total axial load capacity of the support by 20-25%.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является полное использование площади поперечного сечения шарошки и лапы путем установки второй промежуточной плавающей кольцевой шайбы в зоне малого радиального подшипника из антифрикционного материала, создание равных условий износостойкости в обоих упорных подшипниках скольжения и за счет этого повышения ресурса подшипникового узла шарошки в целом.The technical problem to which this invention is directed is the full use of the cross-sectional area of the cone and paw by installing a second intermediate floating ring washer in the area of the small radial bearing made of antifriction material, creating equal conditions for wear resistance in both thrust sliding bearings and thereby increase the resource roller cone bearing assembly as a whole.

Указанный технический результат достигается тем, что рабочая площадь упорных торцовых поверхностей лапы и шарошки увеличивается на 20-25%, в обоих упорных подшипниках установлены свободно шайбы одинаковой толщины из одинакового антифрикционного материала, что обеспечивает их равномерную и одинаковую износостойкость и повышение ресурса всего подшипникового узла.The specified technical result is achieved by the fact that the working area of the persistent end surfaces of the paw and cone increases by 20-25%, in both thrust bearings there are freely installed washers of the same thickness from the same antifriction material, which ensures their uniform and equal wear resistance and increased service life of the entire bearing assembly.

На фиг. 1 показана компоновка предлагаемого подшипникового узла шарошки, где 1 - лапа, на цапфе которой с осью ОО_л имеются дорожки радиальных и упорных подшипников; ОО_д - ось долота, 2 - корпус шарошки, на которой имеются соответствующие дорожки радиальных и упорных подшипников, 3 и 4 - упорные поверхности лапы большого и малого упорного подшипника, 5 и 6 - упорные поверхности шарошки большого и малого подшипника, 7 и 8 - антифрикционные упорные шайбы большого и малого упорного подшипника скольжения, которые разделяют взаимодействующие торцовые поверхности шарошки и лапы и образуют в комплекте с ними большой и малый упорный подшипник скольжения соответственно. 9 и 10 - радиальные большой и малый подшипники шарошки, (на Фиг. 1 представлен вариант исполнения подшипников качения), 11 - замковый шариковый подшипник качения; Е_л и Е_ш - расстояние между упорными поверхностями большого и малого подшипника скольжения лапы и шарошки соответственно, h - толщина упорных антифрикционных шайб, Р - результирующая нагрузка на одну шарошку, приложенная вдоль оси долота ОО_д при бурении, P_R и Р_А - радиальная и осевая составляющая нагрузки, воспринимаемая подшипниковой опорой шарошки, α - угол наклона оси цапфы лапы к оси долота.In FIG. 1 shows the layout of the proposed roller cone bearing assembly, where 1 is a paw, on the trunnion of which with the axis ОО _l there are tracks of radial and thrust bearings; ОО _d - axis of the bit, 2 - cone of the cone, on which there are corresponding tracks of radial and thrust bearings, 3 and 4 - thrust surfaces of the legs of the large and small thrust bearings, 5 and 6 - thrust surfaces of the cones of the large and small bearings, 7 and 8 - antifriction thrust washers of the large and small thrust sliding bearings, which separate the interacting end surfaces of the cone and paws and form a large and small thrust bearings in combination with them, respectively. 9 and 10 - radial large and small cone bearings, (Fig. 1 shows an embodiment of rolling bearings), 11 - castle ball bearing; E _l and E _w - the distance between the thrust surfaces of the large and small sliding bearings of the paws and cones, respectively, h - the thickness of the thrust anti-friction washers, P - the resulting load on one cone, applied along the axis of the bit OO _d when drilling, P _R and P _A - radial and axial component of the load perceived by the bearing support of the cone, α is the angle of inclination of the axis of the paw axle to the axis of the bit.

Поверхности лапы и шарошки, контактирующие с антифрикционными шайбами, упрочнены методами химико-термической обработки и образуют в контакте с антифрикционными шайбами износостойкие пары, например «сталь - бериллиевая бронза БрБ2» с низким коэффициентом трения. Работает подшипниковая опора следующим образом. Радиальную составляющую P_R усилия бурения воспринимают радиальные подшипники 9 и 10. На первоначальном этапе осевую составляющую усилия бурения Р_А вследствие технологических погрешностей размеров Е_Л и Е_ш взаимного положения опорных поверхностей малого и большого подшипников лапы и шарошки соответственно в контакт входит только один подшипник. При этом если расстояние между опорными поверхностями шарошки Е_ш меньше чем на лапе Е_Л, включается малый подшипник, если расстояние между опорными поверхностями лапы меньше чем на шарошке, включается большой подшипник. В этот период нагрузки на включившийся подшипник выше расчетных и процесс приработки ускоряется, а когда эти расстояния сравниваются, происходит равномерная их загрузка пропорционально их грузоподъемности, которая, в свою очередь, вследствие идентичности их материалов и одинаковой толщины (высоты) h пропорциональна их рабочей площади. Одинаковая напряженность обоих упорных подшипников увеличивает их ресурс и ресурс всей подшипниковой опоры шарошки. Площадь поверхности малого подшипника скольжения в несколько раз меньше чем большого, поэтому для исключения в период приработки передачи всей нагрузки на малый подшипник расстояние между опорными поверхностями лапы меньше чем на шарошке (включается только большой подшипник) на величину технологически неизбежного суммарного их допуска Δ, т.е. для гарантированной реализации такой схемы контакта номинальные размеры Е_л=Е_ш, а технологический допуск на лапе задается -0,5Δ, а на шарошке +0,5Δ, так что фактический зазор во всем множестве собранных шарошек в малом подшипнике составит от 0 до Δ и обеспечит самое короткое время приработки только большого подшипника скольжения, после чего будет обеспечена равномерная удельная нагрузка на оба подшипника скольжения. Разумеется, что величину начального максимального зазора в малом упорном подшипнике можно уменьшить селективной подборкой размеров сопрягаемых в одной опоре лапы и шарошки и сократить время приработки еще в несколько раз.The surfaces of the paws and cones in contact with the anti-friction washers are hardened by chemical-thermal treatment and form wear-resistant pairs in contact with the anti-friction washers, for example, “steel - beryllium bronze BrB2” with a low coefficient of friction. Works bearing as follows. The radial component P _{R of} the drilling force is taken up by the radial bearings 9 and 10. At the initial stage, the axial component of the drilling force P _A due to technological errors of sizes E _L and E _{w of the} relative position of the bearing surfaces of the small and large bearings of the foot and cone, respectively, only one bearing enters the contact. In this case, if the distance between the supporting surfaces of the cone E _{sh is} less than on the paw E _L , a small bearing is turned on, if the distance between the supporting surfaces of the cone is less than on the paw, a large bearing is turned on. During this period, the load on the engaging bearing is higher than the calculated ones and the running-in process is accelerated, and when these distances are compared, they are loaded uniformly in proportion to their carrying capacity, which, in turn, due to the identity of their materials and the same thickness (height) h is proportional to their working area. The equal tension of both thrust bearings increases their service life and the life of the entire bearing cone bearings. The surface area of the small sliding bearing is several times smaller than the large one; therefore, to exclude the entire load on the small bearing during running-in, the distance between the supporting surfaces of the paw is less than the roller cutter (only the large bearing is turned on) by their technologically unavoidable total tolerance Δ, t. e. for the guaranteed implementation of such a contact scheme, the nominal dimensions are E _l = E _w , and the technological tolerance on the paw is set to -0.5Δ, and on the cutter + 0.5Δ, so that the actual clearance in the whole set of assembled cones in a small bearing will be from 0 to Δ and will provide the shortest running-in time of only a large plain bearing, after which a uniform specific load on both plain bearings will be ensured. Of course, that the value of the initial maximum clearance in a small thrust bearing can be reduced by selective selection of the sizes of the legs and cones mating in one support and the run-in time can be reduced by several times.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU 2269635 С1, МПК Е21В 10/22.1. Patent RU 2269635 C1, IPC Е21В 10/22.

2. Патент RU 2549631 С2, МПК Е21В 10/22.2. Patent RU 2549631 C2, IPC Е21В 10/22.

3. Патент RU 2184832 С2, 7 Е21В 10/22.3. Patent RU 2184832 C2, 7 ЕВВ 10/22.

4. Патент RU 02399743 С1.4. Patent RU 02399743 C1.

Claims

Bearing support of a drill bit cone, containing two radial bearings for the perception of radial drilling forces perpendicular to the cone axis, persistent end hardened surfaces of the cone and paws for perceiving axial forces along the axis of the cone, separated by intermediate washers, a ball lock bearing to ensure assembly of the bearing support as a single unit characterized in that in two pairs of persistent end surfaces of the legs and cones of the large and small sliding bearings, washers of the same lschiny of the same antifriction material, wherein a small axial clearance in the bearing during application of the axial force is between 0 and Δ, where Δ - total fabrication process tolerance dimension between the abutment surfaces of the small and large bearing cone and paws.