RU61331U1 - Двунаправленный гидродинамический упорный подшипник - Google Patents

Abstract

Упорное подшипниковое устройство, содержащее кольцеобразное первое кольцо, кольцеобразное движущееся второе кольцо и кольцеобразную упорную шайбу, расположенную между первым и вторым кольцами. В предпочтительном варианте выполнения упорная шайба с одного конца имеет зубчатый контур, который расположен напротив движущейся поверхности шайбы. Зубчатый контур определяет множество опорных зон и множество прорезей, расположенных между соседними опорными зонами. Зубцы упорной шайбы направлены к первому кольцу. Зубчатый контур обеспечивает упорной шайбе чередование опорных зон и неподдерживаемых зон. Когда к подшипниковому устройству прикладывается осевая нагрузка, то упорная шайба упруго изгибается в неподдерживаемых зонах и движущаяся поверхность упорной шайбы приобретает волнообразную форму и образуется начальный гидродинамический жидкостный клин по отношению к движущейся поверхности второго кольца. Постепенно сужающаяся геометрическая форма, образующаяся благодаря этой волнистости, при вращении относительно друг друга движущихся поверхностей упорной шайбы и второго кольца обеспечивает сильное гидродинамическое воздействие, которое клином загоняет пленку смазочного материала прогнозируемой толщины в движущееся граничное пространство между упомянутыми поверхностями. Данная пленка смазочного материала физически отделяет движущиеся поверхности упорной шайбы и второго кольца друг от друга и, таким образом, минимизирует контакт шероховатых поверхностей и уменьшает трение, износ и количество теплоты, выделяемой подшипником, при одновременном обеспечении работоспособности при больших нагрузках и большей скорости. Во втором варианте выполнения, упорная шайба содержит первую движущуюся поверхность шайбы и вторую движущуюся поверхность шайбы и множество прорезей, тянущихся по радиусу через упорную шайбу, при этом прорези отделяются друг от друга опорными подушками. Каждая прорезь определяет первую и вторую область изгиба.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Настоящая полезная модель относится к упорным подшипниковьм устройствам и, в частности, к упорным подшипниковым устройствам, в которых гидродинамически смазываются движущиеся друг относительно друга нагруженные опорные поверхности.

Уровень техники

Для проникновения в земные породы и создания скважин с целью добычи нефти и газа используются технологии вращательного бурения. Для бурения сквозь камни, которые встречаются при таких процессах, внизу полой колонны бурильных труб используется буровое долото.

Часто в забойном турбинном двигателе, который передает вращательное движение буровому долоту, используются герметизированные подшипниковые устройства, содержащие упорные и радиальные подшипники, которые поддерживают направление вращение бурового долота, и передают буровому долоту вес бурильной колонны. Герметизированные подшипниковые устройства забойного двигателя, известны в технике; например, содержатся в патентах США 3,730,284; 5,195,754; 5,248,204; 5,664,891 и 6,416,225.

Упорные подшипники, которые применяются в герметизированных подшипниковых устройствах забойного двигателя, представляют собой обычные роликовые упорные подшипники. Принимая во внимание их малые размеры, данные подшипники работают под большой нагрузкой и давление в месте контакта опорных поверхностей достигает чрезвычайно высокого уровня, особенно при сильных ударных нагрузках. От больших ударных нагрузок, которые имеют место при буровых работах, кольца роликовых упорных подшипников повреждаются (бринеллирование). Такая ситуация может приводить к преждевременному выходу подшипника из строя.

При замене забойного двигателя в конце срока эксплуатации, сначала необходимо извлечь всю колонну бурильных труб из скважины. Простая, связанная с длительным подъемом и спуском, необходимая для такой замены операция, может составлять существенную часть стоимости бурения скважины, особенно для скважин большой глубины. Таким образом, повышение надежности и увеличения срока эксплуатации упорных подшипников, используемых в герметизированных подшипниковых устройствах забойных двигателей, может значительно снизить стоимость бурения нефтяных и газовых скважин.

Для использования в механическом оборудовании, которое подвергается большим ударным нагрузкам, необходимо иметь надежный, компактный, ударопрочный упорный подшипник. Указанное оборудование содержит герметизированные подшипниковые устройства забойных двигателей и другое оборудование с вращающимися частями. Далее желательно иметь упорное подшипниковое устройство, реагирующее на нагрузки и обеспечивающее гидродинамическое смазывание движущихся друг относительно друга опорных поверхностей. Кроме того, желательно иметь упорное подшипниковое устройство, выдерживающее большие нагрузки при высоких скоростях, и выделяющее при этом меньшее количество теплоты, чем известные не гидродинамические упорные подшипники. Также желательно иметь упорные подшипники малой стоимости.

Раскрытие полезной модели

Задача настоящей полезной модели заключается в создании надежного, недорогого, ударопрочного упорного подшипника для использования в механическом оборудовании, подвергающемся большим ударным нагрузкам. Указанное оборудование содержит, например, герметизированные подшипниковые устройства забойных двигателей, используемые при бурении твердых горных пород и другое оборудование с вращающимися частями.

Еще одна задача заключается в создании компактного гидродинамически смазываемого подшипника, в котором снижено трение для обеспечения работоспособности при более высоких нагрузках и более высоких скоростях при одновременной минимизации износа подшипника, в котором предотвращено застревание и который остается эффективно работоспособным даже при износе опорной поверхности.

Посредством полезной модели удалось уменьшить количество теплоты, вырабатываемой подшипником для предотвращения связанного с нагревом ухудшения свойств смазочного материала, подшипников, эластомерных уплотнений и связанных компонентов.

Задача полезной модели также заключается в создании компактного подшипника, который может без повреждений выдерживать большие ударные нагрузки при одновременном обеспечении функционирования с малым трением.

Еще одна задача полезной модели заключается в создании компактного подшипника, работающего с малым трением для широкого диапазона нагрузок и поддерживающего вращение, как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.

Задача полезной модели заключается в создании надежного упорного подшипникового устройства для оборудования с вращающимися частями, при этом

подшипник имеет реагирующую на нагрузки, упруго изгибающуюся конструкцию, обеспечивающую гидродинамическое смазывание нагруженных движущихся поверхностей.

Упорное подшипниковое устройство, соответствующее предпочтительному варианту выполнения настоящей полезной модели, представляет собой усовершенствованное упорное подшипниковое устройство, предназначенное для поддержания и направления вращающегося элемента. Предпочтительно, чтобы устройство содержало, по существу, круглое первое кольцо, упорную шайбу, по существу, кольцеобразной формы и, по существу, круглое второе кольцо с движущейся поверхностью. Упорная шайба расположена между первым и вторым кольцами.

В предпочтительном варианте выполнения упорная шайба содержит движущуюся поверхность и зубчатый контур, определяющий опорные зоны и некоторое количество зон с канавками (прорезями), расположенных между опорными зонами. Предпочтительно, чтобы зоны с прорезями имели один открытый конец, то есть проходили через всю упорную шайбу от одной стороны до другой.

Зубчатый контур упорной шайбы обеспечивает ей прерывистую опору, а также отстоящие друг от друга неподдерживаемые зоны. Когда к подшипниковому устройству прикладывается осевая нагрузка, то упорная шайба упруго изгибается в неподдерживаемых зонах. Благодаря этому изгибу, образующемуся в результате приложение нагрузки, движущаяся поверхность упорной шайбы приобретает волнообразную форму и образуется начальный гидродинамический жидкостный клин по отношению к движущейся поверхности второго кольца. Постепенно сужающаяся геометрическая форма, образующаяся из-за этой волнистости, при вращении движущихся поверхностей упорной шайбы и второго кольца относительно друг друга обеспечивает сильное гидродинамическое воздействие, которое клином загоняет пленку смазочного материала прогнозируемой толщины в движущееся граничное пространство между упомянутыми поверхностями. Данная пленка смазочного материала физически отделяет движущиеся поверхности упорной шайбы и второго кольца друг от друга и, таким образом, минимизирует контакт шероховатых поверхностей и уменьшает трение, износ и количество теплоты, выделяемой подшипником, при одновременном обеспечении работоспособности при больших нагрузках и большей скорости.

В другом варианте выполнения упорная шайба содержит первую движущуюся поверхность шайбы, направленную к движущейся поверхности первого кольца, и вторую движущуюся поверхность шайбы, направленную к движущейся поверхности второго кольца. Упорная шайба содержит некоторое количество прорезей, тянущихся по радиусу

через упорную шайбу, при этом прорези отделяются друг от друга опорными подушками. Каждая прорезь определяет первую и вторую зону изгиба.

Краткое описание чертежей

Для того чтобы подробно понять, каким образом достигаются упомянутые выше признаки, преимущества и задачи полезной модели, приводится кратко раскрытое выше более детальное описание со ссылками на предпочтительный вариант выполнения полезной модели. Данный вариант проиллюстрирован прилагаемыми чертежами, которые являются частью данного документа.

Прилагаемые чертежи иллюстрируют только типовой вариант выполнения настоящего изобретения и, таким образом, не ограничивают объем изобретения, так как изобретение допускает другие, не менее эффективные, варианты выполнения.

На чертежах представлено:

фиг.1 - вид сверху гидродинамического упорного подшипникового устройства, соответствующего предпочтительному варианту выполнения настоящей полезной модели;

фиг 1А - разрез 1А-1А, согласно фиг.1;

фиг 1В - частичный разрез 1В-1В, согласно фиг.1;

фиг 1C - увеличенный частичный разрез, аналогичный фиг.1 В и показывающий упругий изгиб под осевой нагрузкой, при этом для ясности изгиб увеличен;

фиг.2 - поперечный разрез второго варианта выполнения гидродинамического упорного подшипникового устройства, соответствующего настоящей полезной модели;

фиг.2А - поперечный разрез гидродинамического упорного подшипникового устройства, согласно фиг.2, показанного вместе с валом и корпусом;

фиг.3 и 4 - виды сверху предпочтительных вариантов выполнения гидродинамического упорного подшипникового устройства, соответствующего настоящей полезной модели;

фиг.5 - вид в изометрии предпочтительного варианта выполнения упорной шайбы, соответствующей настоящей полезной модели;

фиг.5А - увеличенный частичный поперечный разрез упорной шайбы согласно фиг.5;

фиг.6 - поперечный разрез предпочтительного варианта выполнения упорной шайбы, соответствующей настоящей полезной модели;

фиг.7 - вид, аналогичный фиг.1В, другого предпочтительного варианта выполнения упорной шайбы, соответствующей настоящей полезной модели, при этом в прорези упорной шайбы выполнен ослабляющий паз;

фиг.8 - вид, аналогичный фиг.1В, другого предпочтительного варианта выполнения упорной шайбы, соответствующей настоящей полезной модели;

фиг.8А - увеличенный частичный поперечный разрез, аналогичный фиг.8 и показывающий упругий изгиб под осевой нагрузкой, при этом для ясности изгиб увеличен.

Осуществление полезной модели

На фигуре 1 показан предпочтительный вариант выполнения упорного подшипникового устройства, соответствующего полезной модели, обозначенный в целом поз.2. На фигурах 1-1С проиллюстрирован предпочтительный вариант выполнения гидродинамического упорного подшипникового устройства 2, соответствующего полезной модели. Со ссылкой на фиг.2А, можно констатировать, что одна из основных задач упорного подшипникового устройства 2, соответствующего настоящей полезной модели, заключается в передаче осевой нагрузки от одного элемента механизма, такого как корпус Н, к другому элементу механизма, такому как вал S, при этом корпус Н и вал S вращаются один относительно другого.

Упорное подшипниковое устройство 2 согласно предпочтительному варианту выполнения полезной модели содержит три основных компонента: первое кольцо 6, упорную шайбу 8 и второе кольцо 10. Упорная шайба 8 расположена между первым кольцом 6 и вторым кольцом 10. Предпочтительно, чтобы движущаяся поверхность 20 упорной шайбы 8 была, по существу, плоской. Второе кольцо 10 содержит движущуюся поверхность 18 кольца, которая, по существу, является плоской и направлена к движущейся поверхности 20 упорной шайбы 8. Первое кольцо 6 и второе кольцо 10 вращаются друг относительно друга. В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения, упорная шайба 8 выполнена неподвижной относительно первого кольца 6 и, таким образом, она вращается относительно второго кольца 10.

В одном предпочтительном варианте выполнения упорная шайба 8, по существу, выполнена в виде кольцеобразного компонента, содержащего некоторое количество расположенных по радиусу, прорезей 12, которые определяют некоторое количество опорных подушек 14, которые контактируют с первым кольцом 6. В результате такого варианта выполнения упорная шайба 8 имеет зубчатый вид, при этом прорези 12 образуют промежутки между зубцами. Предпочтительно, чтобы прорези 12 были открыты с одного конца, располагаясь по радиусу вдоль всей ширины упорной шайбы 8. На фиг.1C показано, что площадь концевой поверхности 14а опорной подушки определяет опорную зону шайбы, а площадь каждой прорези 12 между соседними опорными подушками 14

образует зону изгиба шайбы. Предпочтительно, чтобы в этом варианте выполнения опорная зона и зоны изгиба определяли повторяющийся участок упорной шайбы 8.

В варианте выполнения, показанном на фиг.1-1С, для подшипниковых устройств, применяемых в герметизированных подшипниковых устройствах забойных двигателей, число прорезей 12 упорной шайбы 8 обычно составляет от 2 до 10, при этом данное число зависит от размера и толщины упорной шайбы, материала упорной шайбы и необходимого уровня допустимой нагрузки. Тем не менее, для числа прорезей 12 упорных шайб 8 большего размера, используемых не в герметизированных подшипниковых устройствах забойных двигателей, не существует верхней границы.

Как показано на фиг.1C, для смазки подшипникового устройства 2 предусмотрен смазочный материал 15. Данный смазочный материал может представлять собой консистентную смазку, которая содержит большое количество твердых смазочных компонентов, таких как графит, сернистый молибден, политетрафторэтилен («ПТФЭ»), порошкообразный фторид кальция или частицы меди, смешанные с одним или несколькими типами мыльных загустителей. Тем не менее, с целью минимизации повреждений вращающихся уплотнений и, следовательно, увеличения срока эксплуатации упорного подшипникового устройства 2, предпочтительно, чтобы смазочный материал 15 являлся жидкой масляной смазкой, особенно высоковязкой, синтетической смазкой с вязкостью от 900 сантистоксов и выше при 40°С.

Как также показано на фиг.1C, когда осевая нагрузка F передается через упорное подшипниковое устройство 2, соответствующее этому варианту выполнения настоящего изобретения, перемежающаяся опора, обеспечиваемая опорными подушками 14 упорной шайбы 8, приводит к упругому изгибу упорной шайбы 8 в зоне изгиба прорезей 12. Для ясности на фиг.1C этот упругий изгиб показан увеличенным. Распределение нагрузки приводит к изгибу первоначально плоской движущейся поверхности 20 шайбы. При этом между движущейся поверхностью 18 кольца и движущейся поверхностью 20 шайбы образуется исходный сужающийся зазор, известный как гидродинамический жидкостный клин 22. Наличие данного исходного зазора обеспечивает развитие гидродинамического смазывающего действия в случае, когда упорная шайба 8 перемещается относительно второго кольца 10.

В этом варианте выполнения, при движении первого кольца 6 относительно второго кольца 10, упорная шайба 8 остается неподвижной относительно первого кольца 6, и происходит перемещение движущейся поверхности 18 кольца относительно движущейся поверхности 20 шайбы, приводящее к тому, что гидродинамический жидкостный клин 22 клином загоняет пленку смазочного материала 15 в движущееся

граничное пространство между движущейся поверхностью 18 кольца и движущейся поверхностью 20 шайбы.

Относительная скорость и сужающийся зазор гидродинамического жидкостного клина 22 вызывает гидродинамическое расклинивающее действие, в результате которого толщина и давление пленки смазочного материала порождает подъемное действие, которое отделяет движущуюся поверхность 18 кольца от движущейся поверхности 20 шайбы. Как показано на фиг.1С, толщина пленки изменяется от минимального значения, равного h₀, до максимального значения - h₁. Давление пленки, образуемое таким образом, достаточно велико для того, чтобы исключался прямой контакт между большей частью шероховатостей движущейся поверхности 18 кольца и движущейся поверхности 20 шайбы. Пленка смазочного материала уменьшает трение и улучшает рабочие характеристики подшипника, при этом подшипниковое устройство 2 выделяет меньшее количество теплоты и выдерживает большие нагрузки и скорости, чем те которые могут выдержать обычные не гидродинамические упорные шайбы. Посредством симметрии конструкции, указанный эффект гидродинамического смазывания имеет место при любом направлении вращения подшипникового устройства. Двунаправленные подшипники, соответствующие настоящей полезной модели, функционируют в обоих направлениях практически с таким же успехом, как в одном направлении работают наиболее эффективные однонаправленные подшипники из патента США №6,460,635 «Реагирующие на нагрузку гидродинамические подшипники». (В брошюре фирмы «Kaisi Engineering, Inc», номер 534-1, издание 1, рассмотрены такие наиболее эффективные промышленные подшипники.) Благодаря образованию гидродинамического давления, изгиб упорной шайбы 8 при перемещении увеличивается, по сравнению с изгибом при статических нагрузках.

Снижение температуры, обеспечиваемое в предпочтительных вариантах выполнения, имеет важное практическое значение для тех приложений, в которых эластомерное уплотнение вращающегося вала расположено рядом с подшипниками для удержания смазочного материала подшипников и для исключения попадания абразивных частиц. С уменьшением количества теплоты, выделяемого подшипником, уплотнения вращающегося вала могут работать при более низких температурах, что увеличивает их срок эксплуатации и, следовательно, увеличивает срок эксплуатации оборудования, что происходит благодаря предотвращению потерь смазочного материала 15 и предотвращению попадания абразивных материалов в подшипники.

При вращении опорные подушки 14 упорной шайбы 8 остаются неподвижными относительно первого кольца 6, так как трение в этом граничном пространстве

значительно выше, чем в гидродинамически смазываемом движущемся граничном пространстве между движущейся поверхностью 18 кольца и движущейся поверхностью 20 шайбы. Для предотвращения возможного проскальзывания при работе, а также при пуске, первое кольцо 6 и/или концевая поверхность 14а опорных подушек 14 должны иметь шероховатую поверхность для обеспечения значительного трения. Шероховатую поверхность можно получить после пескоструйной обработки или травления или другими подходящими методами. При необходимости для предотвращения при вращении. пробуксовки между упорной шайбой 8 и первым кольцом 6 подшипниковое устройство 2 может содержать один или более элементов, предотвращающих вращение и обеспечивающих зацепление между упорной шайбой 8 и первым кольцом 6. Например, как показано на фиг.1А, для гарантированного предотвращения вращения первого кольца 6 относительно упорной шайбы 8, стопорный выступ 26 может входить в стопорный паз 28. Стопорный выступ 26 может находиться или на первом кольце 6 (как показано фиг.1А), или на упорной шайбе 8, при этом стопорный паз 28 выполнен на другой части.

При желании, если при подаче смазки не полагаться на гидростатическое давление смазочного материала 15 и для более эффективной и непосредственной подачи смазочного материала 15 в гидродинамический жидкостный клин 22, упорная шайба 8 может содержать один или более каналов 24 для смазочного материала. Помогая предотвратить недостаточность смазывания, каналы 24 для смазочного материала делают подшипниковое устройство более подходящим для приложений с малым внешним давлением (например тогда, когда смазочный материал 15 используется при атмосферном давлении). Также каналы 24 для смазочного материала могут располагаться между опорными подушками 14, обеспечивая тем самым упорной шайбе 8 дополнительную гибкость в зоны изгиба, как показано на фиг.1C.

При использовании в скважинах таких герметизированных подшипниковых устройств забойного двигателя давление смазочного материала обычно равно высокому внешнему гидростатическому давлению скважины. При таком использовании каналы 24 для смазочного материала не нужны, так как высокое гидростатическое давление, существующее в скважине, не допускает образования областей с низким давлением или пустот и автоматически гонит смазочный материал 15 в гидродинамический жидкостный клин 22, что поддерживает непрерывную пленку в движущемся граничном пространстве между опорными поверхностями. В оборудовании, которое находится на поверхности, где нет такого гидростатического давления, для подачи смазочного материала 15 к движущейся опорной поверхности предусмотрены каналы 24 для смазочного материала.

На фиг.1-1С каналы 24 для смазочного материала имеют форму, по существу,

радиально расположенных канавок или пазов, которые проходят по радиусу на всю ширину упорной шайбы 8. Тем не менее, каналы 24 для смазочного материала могут принимать любую подходящую форму, не выходя при этом за границы или объем настоящего изобретения. Например, каналы 24 для смазочного материала могут быть по существу радиально расположенными отверстиями, как будет описано позже при обсуждении фиг.4, или по существу, радиально расположенными канавками согласно фиг.3.

Наличие каналов 24 для смазочного материала неизбежно уменьшает площадь контакта движущейся поверхности 20 шайбы и увеличивает среднее давление в зоне контакта на движущейся поверхности 20 шайбы при заданной осевой нагрузке. Тем не менее, увеличение давления в зоне контакта сравнительно невелико, если малы геометрические размеры каналов 24 для смазочного материала. Когда каналы 24 для смазочного материала выполнены на движущейся поверхности 20 шайбы, то с целью минимизации нарушений смазочной пленки для линий пересечения каналов 24 для смазочного материала и движущейся поверхности 20 шайбы должны предусматриваться срезы края, такие как закругления или фаски.

Предпочтительно, чтобы движущаяся поверхность 20 упорной шайбы 8 была покрыта твердым износостойким покрытием или обработана другим подходящим образом для повышения износостойкости, и/или чтобы упорная шайба 8 изготавливалась бы из износостойкого материала с хорошей сопротивляемостью к истиранию, такого как закаленный бериллиево-медный сплав. Движущаяся поверхность 18 кольца и/или движущаяся поверхность 20 шайбы, при желании, может быть покрыта любым подходящим покрытием или обработана другим образом для обеспечения хороших трибологических свойств, в зависимости от использованных основного и сопряженного материалов видами такой обработки могут быть: серебрение, науглероживание, нитрирование, покрытие STELLITE (STELLITE - это зарегистрированная торговая марка фирмы Deloro Stellite для наплавляемого твердого сплава на основе кобальта), покрытие COLMONOY (COLMONOY - это зарегистрированная торговая марка фирмы Wall Colmonoy для наплавляемого твердого материала), борирование и так далее.

Для обеспечения большего срока эксплуатации подшипника, достижения наивысшей переносимости режимов перегрузки и для лучшей переносимости старта под нагрузкой, движущаяся поверхность 18 второго кольца 10 должна быть мягче и менее износостойкой по сравнению с движущейся поверхностью 20 шайбы. Этого можно добиться, покрывая движущуюся поверхность 18 кольца серебром или другим сравнительно мягким расходуемым покрытием. Этого также можно добиться, если

изготавливать второе кольцо 10 из обычного составного материала для подшипников, такого как пористая спеченная бронза, наполненная ПТФЭ; например, DPF материал для подшипников, поставляемый фирмой Glacier Garlock Bearings (GGB).

Предпочтительно, чтобы движущаяся поверхность 20 шайбы не подвергалась серебрению для того, чтобы движущаяся поверхность 20 шайбы лучше переносила условия перегрузки. Так как покрытие из серебра не является мерой для обеспечения смазывания граничных зон в режиме перегрузки, то предпочтительно, чтобы серебряное покрытие или любое другое подходящее расходуемое покрытие наносилось на движущуюся поверхность 18 кольца, а не на движущуюся поверхность 20 шайбы. При упомянутом применении покрытия в режиме перегрузки и при старте под нагрузкой серебряное покрытие равномерно стирается с движущейся поверхности 18 кольца и оно не влияет на угол гидродинамического клина движущейся поверхности 20 шайбы, на которой нет покрытия.

Бериллиево-медный сплав упомянут в качестве подходящего материала для изготовления упорной шайбы 8, но можно применять любое количество подходящих материалов с надлежащими модулем упругости, прочностью, температурными свойствами и характеристиками смазки границ, не выходя при этом за границы и объем настоящей полезной модели. Могут применяться такие материалы, как (например) сталь, STELLITE, ковкое железо, белый чугун и так далее. Тем не менее, для упорной шайбы 8, изготовленной из материала с большим модулем упругости, необходимы прорези 12 и опорные подушки 14 других размеров по сравнению с теми, которые подходят для упорной шайбы 8, изготовленной из материала с малым модулем упругости.

Надлежащим образом изменяя упругость упорной шайбы 8, можно регулировать гидродинамические рабочие характеристики, чтобы обеспечить работоспособность при ожидаемых условиях функционирования и широком круге осевых нагрузок. Упругость является функцией толщины 52 шайбы, размера и местоположения каналов 24 для смазочного материала (если они имеются), модуля упругости упорной шайбы 8 и количества, формы и размеров прорезей 12 и опорных подушек 14. Также надо высоко оценить тот факт, что можно изменять гидродинамические рабочие характеристики отдельных повторяющих участков для данного подшипникового устройства для всех различных вариантов выполнения реагирующих на нагрузки, упруго изгибающихся подшипников, показанных и описанных здесь.

Для уменьшения краевых нагрузок и больших краевых напряжений предпочтительно, чтобы движущаяся поверхность 20 шайбы снабжалась снимающим напряжения срезом 30 внутреннего края и снимающим напряжения срезом 32 внешнего

края. Например, когда настоящее изобретение применяется в герметизированных подшипниковых устройствах забойных двигателей, силы, действующие при бурении, неизбежно вызывают появление изгибающих моментов, прикладываемых к вращающемуся валу, что порождает краевые нагрузки.

Как показано на фиг.1А, предпочтительно, чтобы второе кольцо 10 снабжалось выточкой 34, предпочтительно окружной выточкой, которая образует упругий уступ 36. Когда имеют место краевые нагрузки подшипника, изгиб упругого уступа 36 значительно уменьшает краевые напряжения на упорной шайбе 8. Предполагается, что упругий уступ 36 должен быть достаточно жестким для того, чтобы обеспечивать опору для нагрузок упорной шайбы 8, и в тоже время достаточно упругим для того, чтобы при нагрузках значительного уменьшать краевые напряжения с целью уменьшения износа движущейся поверхности 20 шайбы и движущейся поверхности 18 кольца.

В вариантах выполнения, показанных на фиг.1-1С, наружный диаметр 38 («НД») первого кольца и НД 40 шайбы превосходят НД 42 второго кольца. При данном решении, являющимся обычным для существующих роликовых упорных подшипников, первое кольцо 6 и упорная шайба 8 направляются благодаря плотной пригонке (то есть они близко располагаются в боковом направлении) во внутреннем диаметре корпуса (не показан), при этом второе кольцо 10 расположено во внутреннем диаметре корпуса с некоторым зазором. Внутренний диаметр 44 («ВД») первого кольца и ВД 46 шайбы превосходят ВД 48 второго кольца. При данном решении, являющимся обычным в технике, второе кольцо 10 направляется благодаря плотной пригонке (то есть близко располагается по бокам) к валу (не показан), при этом первое кольцо 6 и упорная шайба 8 расположены с некоторым зазором относительно вала. Первое кольцо 6 может быть частью корпуса и/или второе кольцо 10 может быть частью вала.

Когда в скважине сильные ударные нагрузки воздействуют на обычные роликовые подшипники, используемые в герметизированных подшипниковых устройствах забойных двигателей, поверхности колец указанных подшипников испытывают усталостные повреждения и бринеллирование (то есть, вдавливание). Предпочтительный вариант выполнения полезной модели обеспечивает возможность выдержать гораздо большие однократные ударные нагрузки посредством гидродинамической пленки смазочного материала, расположенной в движущемся граничном пространстве между движущейся поверхностью 18 кольца и движущейся поверхностью 20 шайбы и посредством большой движущейся опорной площади, при этом пленка и площадь вместе становятся причиной классического амортизирующего эффекта с пленкой под давлением. Когда однократный удар приводит к быстрому сжатию пленки, которое не может мгновенно исчезнуть.

Величина и длительность нагрузки определяет уменьшение толщины пленки и нагрузку, которую невозможно выдержать. При выполнении полезной модели в предпочтительном варианте обеспечивается возможность выдерживания ударных нагрузок, которые в три раза превосходят предельную расчетную динамическую нагрузку.

В оборудовании, таком как нефтепромысловый вращающийся дивертор, упорные подшипники должны начинать вращаться в условиях сильной нагрузки, что может привести к высокому пусковому вращательному преждевременному износу упорной шайбы 8 и/или второго кольца 10. Как показано на фиг.1, 1А и 2, при желании, в ответ на это можно направлять смазочный материал под давлением через ряд коммуникационных отверстий 50 во втором кольце 10, которые сообщаются с граничным пространством между движущейся поверхностью 18 кольца и движущейся поверхностью 20 шайбы. При этом создается начальная гидростатическая пленка, которая при пуске смазывает движущуюся поверхность 18 кольца и движущуюся поверхность 20 шайбы и при вращении увеличивает толщину пленки.

С самого начала настоящая полезная модель задумывалась для улучшения способности противостоять износу упорных подшипников, используемых в таком оборудовании, как герметизированные подшипниковые устройства забойных двигателей, и обеспечения возможности работы при высоких нагрузках и высоких скоростях, что невозможно для существующих в настоящее время роликовых упорных подшипников. Основной принцип действия настоящего изобретения также применим ко многим другим типам вращательного оборудования, где вращается или корпус подшипника, или вал или и тот и другой элементы. Примеры подобного оборудования включают, например, скважинные буровые долота, буровое вращающееся регулируемое оборудование, вращающееся скважинное регулирующее оборудование и оборудование, используемое в строительстве, горной промышленности, при землечерпательных работах и насосное оборудование, где подшипники сильно нагружены, и другие приложения с ограниченным пространством и тяжелыми условиями эксплуатации.

Специалисту в данной области ясно, что геометрическую форму описанных предпочтительных вариантов выполнения полезной модели можно изготовить любым из ряда различных процессов, таких как обычная механическая обработка, электроэрозионная обработка, литье по выплавляемым моделям, литье под давлением, объемная штамповка и другие.

Элементы в данном описании, которые обозначены одинаковыми ссылочными позициями, имеют одинаковые функции. В другом варианте выполнения согласно фиг.2 и 2А, второе кольцо 10 направляется корпусом Н, а первое кольцо и упорная шайба 8

направляются валом S. НД 38 первого кольца и НД 40 шайбы меньше НД 42 кольца. При данном решении, как показано на фиг.2А, второе кольцо 10 направляется благодаря плотной пригонке (то есть близко располагается по бокам) во внутреннем диаметре корпуса Н, при этом первое кольцо 6 и упорная шайба 8 расположены с некоторым зазором во внутреннем диаметре корпуса Н. ВД 44 первого кольца и ВД 46 шайбы меньше ВД 48 второго кольца. При данном решении, которое является обычным в существующих роликовых упорных подшипниках, первое кольцо 6 и упорная шайба 8 направляются благодаря плотной пригонке (то есть близко располагаются по бокам) к валу S, при этом второе кольцо 10 расположено с некоторым зазором по отношению к валу S, как показано на фиг.2А. Однако первое кольцо 6 может быть частью вала S и/или второе кольцо 10 может быть частью корпуса Н.

На фигуре 3 показаны каналы 24 для смазочного материала, которые не покрывают по радиусу всю ширину упорной шайбы 8. Вместо этого, такие каналы 24 для смазочного материала проходят только часть ширины и, несмотря на это, при малом давлении смазочного материала, они выполняют функцию подачи смазочного материала.

На фигуре 4 показан вид сверху предпочтительного варианта выполнения упорной шайбы 8, в которой каналы 24 для смазочного материала представляют собой по существу сквозные отверстия, расположенные по оси. Использование отверстий минимизирует потерю опорной площади и одновременно обеспечивает подачу смазочного материала к гидродинамическому жидкостному клину, а также обеспечивает дополнительную гибкость упорной шайбы 8 в промежутках между опорными подушками 14.

Движущаяся поверхность 20 шайбы, по существу, является непрерывной плоскостью, за исключением небольших отверстий каналов 24 для смазочного материала. На фиг.4 показан пример геометрической формы упорной шайбы 8, где отверстия расположены в два ряда: два отверстия в одном ряду и три отверстия в другом ряду. Это решение позволяет под нагрузкой легко подавать смазочный материал в гидродинамический жидкостный клин.

На фигурах 5 и 5А показана двухсторонняя упорная шайба 8 с двумя движущимися поверхностями 20а и 20b шайбы. Прорези 12 могут быть выполнены посредством электроэрозионной обработки (ЭЭО). Высверленные по радиусу отверстия 80 выполняют двойную задачу: обеспечивают исходную точку для ЭЭО и обеспечивают подшипнику дополнительную гибкость на участке между опорными подушками 14. Двусторонняя упорная шайба 8 согласно фигурам 5 и 5А расположена между двумя движущимися кольцами, которые, при желании, могут иметь форму движущихся колец, показанных на фиг.1А и 2, одно из которых направляется валом, а другое направляется корпусом. Также

кольца могут изготавливаться прямо на поверхностях корпуса и вала.

Если прорези 12 расположены на середине между движущимися поверхностями 20а и 20b, то каждый конец упорной шайбы 8 имеет одинаковую допустимую нагрузку. В качестве альтернативы, если прорези 12 расположены не на середине между движущимися поверхностями 20а и 20b, то каждый конец упорной шайбы 8 имеет разную допустимую нагрузку.

Посредством такого технического решения один конец упорной шайбы 8 обеспечивает оптимальное смазывание и оптимальный коэффициент трения при более высокой оптимальной нагрузке по сравнению с другим концом упорной шайбы 8. Таким образом, при меньших нагрузках, находящихся в пределах зоны оптимальных гидродинамических рабочих характеристик одного конца упорной шайбы 8, относительное вращение происходит на границе между указанным концом упорной шайбы 8 и соответствующей сопряженной поверхностью движущегося кольца, а при больших значениях нагрузки, которые находятся за пределами зоны оптимальных гидродинамических рабочих характеристик упомянутого конца упорной шайбы 8, но в пределах зоны оптимальных гидродинамических рабочих характеристик противоположного конца, относительное вращение перемещается на границу между указанным противоположным концом и соответствующей сопряженной поверхностью движущегося кольца.

Таким образом, движущиеся поверхности 20а и 20b упорной шайбы 8 согласно фиг.5 и 5А характеризуются различными значения оптимальных нагрузок, что обуславливается различиями в соответствующих геометрических размерах, таких как использование большей толщины Т1 на одном конце упорной шайбы 8 по сравнению с толщиной Т2 на другом конце упорной шайбы. Это приводит к тому, что оптимальное смазывание и оптимальный коэффициент трения для движущейся поверхности 20b достигаются при большей оптимальной нагрузке по сравнению с движущейся поверхностью 20а шайбы. Таким образом, при малых величинах нагрузки, находящихся в пределах зоны оптимальных гидродинамических рабочих характеристик движущейся поверхности 20а шайбы, относительное вращение имеет место на границе между движущейся поверхностью 20а и соответствующей сопряженной поверхностью движущегося кольца. При больших значениях нагрузки за пределами зоны оптимальных гидродинамических рабочих характеристик движущейся поверхности 20а шайбы, но в пределах оптимальных гидродинамических рабочих характеристик движущейся поверхности 20b шайбы, относительное вращение перемещается на границу между движущейся поверхностью 20b и соответствующей сопряженной поверхностью

движущегося кольца. Подобное подшипниковое устройство способно обеспечить меньший коэффициент трения для гораздо большего диапазона нагрузок.

Также можно высоко оценить возможность изменения гидродинамических рабочих характеристик отдельных повторяющихся участков данного подшипника для всех различных вариантов выполнения показанных и описанных здесь подшипников, функционирующих в зависимости от нагрузок и упруго изгибающихся.

На фигуре 7 показана упорная шайба 8, содержащая ослабляющий паз 13, предназначенный для увеличения гибкости и не уменьшающий площади движущейся поверхности 20 шайбы.

На фигуре 8 показана упрощенная упорная шайба 8, в которой отсутствуют каналы 24 для смазочного материала, показанные на фиг.1А-1С. Вариант выполнения, показанный на фиг.8, подходит для устройств с высоким давлением смазочного материала, которое гарантирует подачу смазочного материала. Например, в герметизированных подшипниковых устройствах забойных двигателей давление смазочного материала равно высокому внешнему давлению ствола скважины, которое может достигать тысяч фунтов на квадратный дюйм.

На фигуре 8 изображена упрощенная шайба 8 согласно фиг.8, находящаяся под нагрузкой, при этом изгиб увеличен для ясности.

Подшипниковое устройство, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, представляет собой надежный, недорогой, ударопрочный упорный подшипник для использования в механическом оборудовании, которое подвергается большим ударным нагрузкам. Указанное оборудование содержит, например, герметизированные подшипниковые устройства забойных двигателей, используемые при бурении твердых горных пород и другое оборудование для вращательного бурения.

В соответствии с настоящей полезной моделью предложен компактный, гидродинамически смазываемый подшипник, в котором снижено трение для обеспечения работоспособности при более высоких нагрузках и более высоких скоростях при одновременной минимизации износа подшипника, предотвращении застревания и который остается эффективным даже при износе опорной поверхности. Предпочтительно, что в подшипниковом устройстве, соответствующем настоящей полезной модели, уменьшено количество теплоты, которая вырабатывается подшипником, что делается для предотвращения связанных с нагревом ухудшением свойств смазочного материала, подшипников, эластомерных уплотнений и связанных компонентов.

Предпочтительный вариант выполнения полезной модели обеспечивает возможность без повреждений выдерживать ударные нагрузки при одновременном

обеспечении низкого трения и вращении, как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.

Полезная модель приспособлена для достижения изложенных выше целей и признаков, а также тех целей и признаков, которые присущи описанному здесь устройству.

Специалистам в данной области ясно, что полезная модель может быть легко реализована в других конкретных формах, не выходя при этом за границы или за пределы существенных характеристик полезной модели. Следовательно, настоящий вариант выполнения необходимо рассматривать как единственно иллюстративный вариант, ничего не ограничивающий, а объем изобретения обозначается формулой изобретения, а не приведенным выше описанием. Таким образом, все изменения, которые эквивалентны пунктам формулы полезной модели, охватываются формулой полезной модели.

Claims (36)

1. Гидродинамическое подшипниковое устройство для поддерживания и направления вращающегося элемента, содержащее первое кольцо с неподвижной поверхностью, второе кольцо с движущейся поверхностью, а также упорную шайбу, расположенную между первым кольцом и вторым кольцом, причем упорная шайба содержит движущуюся поверхность, направленную к упомянутой поверхности кольца, при этом в упорной шайбе выполнено множество прорезей, определяющих множество опорных подушек, и указанное множество опорных подушек направлено к указанной неподвижной поверхности кольца, причем каждая из указанных прорезей определяет участок изгиба шайбы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит стопорный выступ, предотвращающий проскальзывание между первым кольцом и упорной шайбой.

3. Устройство по п.2, в отличающееся тем, что стопорный выступ выходит за границы первого кольца и зацепляется за стопорный паз в упорной шайбе.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что стопорный выступ выходит за границы упорной шайбы и зацепляется за стопорный паз в первом кольце.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упорная шайба содержит канал для смазочного материала.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что канал для смазочного материала выполнен в виде канавки в движущейся поверхности шайбы.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что канал для смазочного материала выполнен в виде отверстия, которое проходит через всю упорную шайбу от движущейся поверхности упорной шайбы до одной из прорезей.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что во втором кольце выполнено множество коммуникационных отверстий.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что каждое из коммуникационных отверстий расположено, по существу, по оси и проходит через все второе кольцо.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что во втором кольце выполнена окружная выточка, образующая упругий уступ.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второе кольцо имеет наружный диаметр и внутренний диаметр, и первое кольцо имеет наружный диаметр и внутренний диаметр, при этом наружный диаметр второго кольца превышает наружный диаметр первого кольца, а внутренний диаметр второго кольца превышает внутренний диаметр первого кольца.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второе кольцо имеет наружный диаметр и внутренний диаметр, и первое кольцо имеет наружный диаметр и внутренний диаметр, при этом наружный диаметр второго кольца меньше наружного диаметра первого кольца, а внутренний диаметр второго кольца меньше внутреннего диаметра первого кольца.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упорная шайба содержит, по меньшей мере, один ослабляющий элемент между двумя из множества опорных подушек.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая из множества опорных подушек содержит концевую поверхность и, по меньшей мере, часть концевой поверхности выполнена шероховатой для увеличения трения между множеством опорных подушек и неподвижной поверхностью кольца.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере, часть неподвижной поверхности кольца выполнена шероховатой для увеличения трения между множеством опорных подушек и неподвижной поверхностью кольца.

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что движущаяся поверхность второго кольца посеребрена.

17. Гидродинамическое подшипниковое устройство, реагирующее на нагрузки и предназначенное для поддержания и направления первого элемента, вращающегося относительно второго элемента, содержащее первое кольцо с неподвижной поверхностью кольца, второе кольцо с движущейся поверхностью кольца, а также кольцеобразную, гибкую упорную шайбу, расположенную между первым кольцом и вторым кольцом, причем в гибкой упорной шайбе выполнено множество прорезей, определяющих множество опорных подушек, при этом множество опорных подушек направлено к неподвижной поверхности кольца, а гибкая упорная шайба содержит движущуюся поверхность, направленную к упомянутой поверхности кольца, причем множество прорезей определяет множество зон изгиба.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что при вращении первого элемента относительно второго элемента движущаяся поверхность кольца выполнена с возможностью вращения относительно движущейся поверхности шайбы, при этом между ними образовано движущееся граничное пространство.

19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что при вращении гибкая упорная шайба остается неподвижной относительно первого кольца.

20. Устройство по п.18, отличающееся тем, что каждая прорезь из множества прорезей выполнена с открытым концом, при этом неподвижная поверхность кольца в указанных зонах изгиба не контактирует с гибкой упорной шайбой.

21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что содержит смазочный материал, который смазывает указанное граничное пространство между движущейся поверхностью кольца и движущейся поверхностью шайбы при их вращении друг относительно друга.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что смазочный материал находится под давлением и пленка смазочного материала перемещается в граничное пространство между движущейся поверхностью кольца и движущейся поверхностью шайбы при их вращении друг относительно друга.

23. Устройство по п.21, отличающееся тем, что при эксплуатации гибкая упорная шайба выполнена с возможностью эластичной деформации и поддерживания гидродинамического жидкостного клина в граничном пространстве между движущейся поверхностью кольца и движущейся поверхностью шайбы.

24. Устройство по п.22, отличающееся тем, что смазочный материал, находящийся под давлением, образует зазор между движущейся поверхностью кольца и движущейся поверхностью шайбы.

25. Устройство по п.17, отличающееся тем, что движущаяся поверхность шайбы, по существу, имеет плоскую форму.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что неподвижная поверхность шайбы, по существу, имеет плоскую форму.

27. Устройство по п.25, отличающееся тем, что гибкая упорная шайба содержит множество каналов для смазочного материала.

28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что каждый канал для смазочного материала из множества каналов выполнен в виде канавки в движущейся поверхности шайбы.

29. Устройство по п.27, отличающееся тем, что каждый канал для смазочного материала из множества каналов выполнен в виде отверстия, проходящего через гибкую упорную шайбу от движущейся поверхности шайбы до одной из прорезей указанного множества.

30. Устройство по п.25, отличающееся тем, что второе кольцо содержит множество коммуникационных отверстий.

31. Устройство по п.30, отличающееся тем, что каждое из указанных коммуникационных отверстий расположено, по существу, по оси и проходит через все второе кольцо.

32. Устройство по п.18, отличающееся тем, что при эксплуатации гибкая упорная шайба выполнена с возможностью эластичной деформации и поддерживания гидродинамического жидкостного клина в граничном пространстве между движущейся поверхностью кольца и движущейся поверхностью шайбы.

33. Гидродинамическое подшипниковое устройство, содержащее первое кольцо с движущейся поверхностью, второе кольцо с движущейся поверхностью, и упорную шайбу, расположенную между первым кольцом и вторым кольцом, причем упорная шайба содержит первую движущуюся поверхность, направленную к упомянутой движущейся поверхности первого кольца, и вторую движущуюся поверхность шайбы, направленную к упомянутой движущейся поверхности второго кольца, при этом упорная шайба содержит множество прорезей, отделяемых друг от друга множеством опорных подушек, причем каждая из указанных прорезей определяет первую и вторую зону изгиба шайбы.

34. Устройство по п.33, отличающееся тем, что каждая прорезь из указанного множества прорезей расположена на середине между первой и второй движущимися поверхностями шайбы.

35. Устройство по п.33, отличающееся тем, что каждая прорезь из указанного множества прорезей расположена ближе к одной из движущихся поверхностей шайбы.

36. Устройство по п.33, отличающееся тем, что каждая прорезь из указанного множества прорезей содержит ослабляющий элемент, расположенный по радиусу и проходящий через упорную шайбу.