UA94503C2 - Drill bit - Google Patents

Abstract

Винахід належить до породоруйнівного інструмента, а саме - до бурових шарошкових доліт з продувкою, і може бути використаний при бурінні свердловин в твердих гірських породах. Долото містить корпус та породоруйнівні органи з озброєнням, котрі за допомогою підшипникових опор змонтовані на корпусі один всередині іншого, внутрішній з яких встановлений з кутовим нахилом щодо осі долота, а зовнішній - з кутовим нахилом у протилежний бік щодо осі долота. Суттєве підвищення довговічності, технологічності та уніфікації бурового долота забезпечується тим, що озброєння породоруйнівних органів виготовлене у вигляді знімних кінцевих насадок із зносостійкого матеріалу, армованих зубками із твердого сплаву на вольфрамо-кобальтовій основі, при цьому підшипникова опора кожного породоруйнівного органа оснащена пристроєм для регулювання величини осьової гри.

Description

Кожний підшипник опори, зокрема його доріж- Допустима величина осьового навантаження у ка кочення на цапфі, працює з навантаженням на підшипників типу 7000 не може перевищувати 70 межі витривалості металу цапфи, роликів та ша- то не використаного допустимого радіального на- рошки. вантаження. Як зазначено вище, кінцевий ролико-

З. Конструктивні відмінності лап, підшипнико- підшипник традиційного тришарошкового долота вих вузлів та шарошок у доліт, котрі призначені сприймає приблизно 35 905 радіального наванта- для буріння свердловин у м'яких, середніх або ження на опору. Ця величина балансує на межі твердих породах, настільки значні, що виключають витривалості матеріалу доріжок кочення та роликів можливість уніфікації складових частин навіть для цього підшипника. Додаткове осьове навантажен- доліт одного розміру. Саме цей фактор визначає ня, величина якого у 2-2,5 рази перевищує допус- високу ціну бурового шарошкового інструмента. тиму радіальну складову навантаження кінцевого 4. Осьова складова навантаження на підшип- підшипника, може стати причиною катастрофічно- никову опору - величина знакозмінна, шкідлива і го руйнування кінцевого підшипника та заклиню- жодним чином не впливає на породоруйнівні хара- вання опори шарошки. ктеристики долота. Вона спрямована уздовж осі 2. У долота-аналога внутрішнє кільце кінцево- цапфи і становить понад 60 95 від величини зага- го підшипника змонтоване на цапфі з можливістю льного навантаження на одну опору. Осьове нава- довільного (спонтанного) переміщення уздовж осі нтаження в традиційній опорі "ролик-кулька-ролик" цапфи, котра має циліндричний уступ з боку пе- сприймає замковий шарикопідшипник двосторон- риферійного підшипника. Між уступом і внутрішнім ньої дії. Він замикає на себе осьові навантаження, кільцем кінцевого підшипника розташована таріл- що спрямовані як у напрямку кінцевого підшипни- часта пружина, котра теоретично забезпечує по- ка, так і в зворотному напрямку: у напрямку основи передній осьовий натяг та силове замикання еле- цапфи. Двосторонні навантаження призводять до ментів обох роликопідшипників, що виключає швидкого зношування елементів замкового шари- можливість осьової гри (люфту) в опорі. копідшипника та утворення великого осьового Але аналіз основних моментів взаємодії еле- люфту. Відомо, що при величині 3-5 мм люфту в ментів опори долота-аналога методами кінетоста- опорі має місце перекіс циліндричних роликів що- тики показує наступне: до доріжок кочення та заклинювання опор, а у ко- а) при умовно нерухомому корпусі шарошки нічних роликопідшипників катастрофічно зменшу- (тіло шарошки опирається на абсолютно жорстку ється кут зони навантаження. поверхню) радіальна складова навантаження на

Відома відкрита підшипникова опора бурового цапфу (лапу) розподіляється між двома роликопі- долота, яка містить лапу з цапфою, шарошку, пе- дшипниками (фіг. 1 заявки РСТ). Осьове наванта- риферійний замковий радіально-упорний конічний ження, через циліндричний уступ на цапфі, у пов- роликопідшипник, змонтований біля основи цап- ному обсязі передається на тарілчасту пружину і фи, та кінцевий радіально-упорний конічний роли- пружно деформує її. Оскільки всі елементи кінце- копідшипник, на яких змонтована шарошка. При вого роликопідшипника вже замкнуті між собою і цьому периферійний підшипник зафіксований на корпусом шарошки, то єдино можливим напрям- цапфі і в корпусі шарошки за допомогою пружин- ком для переміщень в опорі є поздовжнє перемі- них кілець. Кінцевий підшипник змонтований на щення цапфи через отвір внутрішнього кільця кін- цапфі з можливістю вільного осьового (поздовж- цевого підшипника у напрямку вершини шарошки. нього) переміщення і упирається в уступ цапфи При цьому внутрішнє кільце периферійного через тарілчасту пружину. конічного роликопідшипника разом з конічними

Варіант цієї опори містить радіально-упорний роликами і сепаратором перемістяться разом із конічний, радіальний циліндричний та упорний цапфою у напрямку вершини шарошки. Замковий роликопідшипники (Міжнародна заявка РСТ Мо МУМО периферійний роликопідшипник при цьому розкри- 2005/021923 А1, МПК" Е 21 В 10/22, дата міжнаро- ється, оскільки ролики, розташовані вище осі цап- дної публікації: 10 березня 2005 року). фи, втратять фізичний контакт із зовнішнім кіль-

Долото-аналог має наступні суттєві недоліки: цем. При цьому радіальний люфт перевищить у 1. Автори долота-аналога виключили із складу декілька разів допустиму нормативну величину конструкції своєї опори традиційний замковий ша- ІДовідник, -С.168, табл.14)|. Внаслідок цього різко рикопідшипник двосторонньої дії і поклали функ- зменшиться кут зони навантаження підшипника цію замкового підшипника на периферійний радіа- (до величини 60-90", замість оптимальної величи- льно-упорний конічний роликопідшипник, хоч такий ни 170-180"), а контактні напруги в елементах під- підшипник, як відомо, здатний сприймати тільки шипника можуть перевищити гранично допустиму однобічне осьове навантаження. Конструкція опо- величину; ри долота-аналога (фіг. 1, 2 графічних матеріалів, б) при умовно нерухомій цапфі осьова складо- доданих до заявки РСТ) містить зображення типо- ва навантаження на шарошку спрямована уздовж вих однорядних радіально-упорних конічних роли- осі цапфи у напрямку її основи. Осьове наванта- копідшипників типу 7000. Згідно з ГОСТ 333 - 71 ження через корпус шарошки, зовнішнє кільце, тип 7000 є основним (Бейзельман Р.Д., Цьіпкин ролики та внутрішнє кільце кінцевого підшипника

Б.В., Перель Л.Я. Подшипники качения. Справоч- діє на тарілчасту пружину і пружно деформує Її. ник. Изд. 6. М.: Машиностроение, 1975. - С.52-53. При цьому корпус шарошки, кінцевий підшипник,

Далі по тексту - Довідникі|. Кут контакту у підшип- тарілчаста пружина і зовнішнє кільце замкового ників типу 7000 становить: с-10-177. периферійного конічного роликопідшипника пере-

Однорядні конічні роликопідшипники здатні містяться у напрямку основи цапфи на величину сприймати тільки однобічне осьове навантаження. деформації тарілчастої пружини. Периферійний роликопідшипник знову розкриється, його радіаль- вих шарошкових доліт тому, що в них відсутні ний люфт різко збільшиться, а кут зони наванта- конструктивні елементи для обмеження величини ження підшипника різко зменшиться. З огляду на осьового люфту. те, що робочі навантаження на опори шарошок Найближчим аналогом-прототипом - є бурове бурового долота і без того мають циклічний, удар- долото, що містить корпус та породоруйнівні орга- ний характер, додаткові осьові та радіальні биття в ни з озброєнням, котрі за допомогою підшипнико- опорах вкрай негативно впливатимуть на довгові- вих опор змонтовані на корпусі один всередині чність долота. Саме тому радіальний та осьовий іншого, внутрішній з яких встановлений з кутовим люфт у будь-яких опорах кочення намагаються нахилом щодо осі долота, а зовнішній - з кутовим забезпечувати мінімальними і жорстко обмежени- нахилом у протилежний бік щодо осі долота (Ав- ми. Головним недоліком конструкції опори долота- торське свідоцтво СРСР Ме 512282, МПК? Е 21 В аналога є те, що замковий периферійний радіаль- 9/08, опубл. 30.04.1976 р. Бюл. Мо 16). но-упорний конічний роликопідшипник насправді Долото-прототип має наступні недоліки: не має жодного впливу на величину осьової гри в 1. Підшипникові опори долота виготовлені не- цій опорі. роз'ємними і, по аналогії з тришарошковими доло-

З. Варіант підшипникової опори долота- тами, оснащені замковими шарикопідшипниками, аналога (фіг. 2 графічних матеріалів заявки РСТ), котрі монтують в опорах за допомогою технологіч- котра складається з одного однорядного радіаль- них отворів та замкових пальців. Такі замкові під- но-упорного конічного роликопідшипника, одного шипники не містять засобів для попереднього або радіального роликопідшипника, з циліндричними поточного регулювання величини осьового люфту. роликами та одного упорного шарикопідшипника, 2. Технологія виготовлення доріжок кочення на не відповідає правилам застосування конічних та корпусі в порожнині шарошок надзвичайно склад- упорних підшипників, а саме: на та трудомістка, як і у три шарошкових бурових а) однорядні радіально-упорні конічні ролико- доліт. підшипники повинні становити в одній опорі, як З. Долото-прототип, як і будь-які інші шарош- мінімум, одну пару (Довідник, - С. 53, абз. 2; - б. кові долота, має великий розкид по довговічності 169, мал. 3-6, 3-ді; основних складових елементів: корпусу, підшипни- б) упорні підшипники кочення мають певні кових опор та озброєння шарошок. Так, напри- особливості щодо способів установлення їхніх клад, у процесі випробування дослідних партій упорних кілець на валу і в корпусі. Так, наприклад, бурових доліт з'ясувалося, що у таких доліт довго- одне упорне кільце потрібно укріплювати на валу вічність підшипникових опор, вперше у світовій жорстко, із стандартним натягом, а друге упорне практиці, перевищила у декілька разів довговіч- кільце із стандартним зазором, величина якого ність вольфрамо-кобальтового озброєння породо- становить 0,2-0,4 мм. Цей зазор забезпечується руйнівних органів. Це стало можливо завдяки то- тим, що внутрішній діаметр другого упорного кіль- му, що кут зони навантаження підшипників в ця на 0,2-0,4 міліметри більший, ніж діаметр вала. опорах долота-прототипу становить 360" а у три-

Діаметр проточки у корпусі для монтажу другого шарошкових доліт, безпосередньо після обкатки, кільця має бути на 0,5-1 мм більшим, ніж зовнішній не більше 160-175". У долота-прототипу з породо- діаметр упорного підшипника. Більше того, ГОСТ руйнівними органами, оснащеними твердосплав- містить обов'язкові умови щодо мінімальної допус- ними зубками, при повному (100 95) зносі робочих тимої ширини опорної поверхні окремо для пари поверхонь; зношеність корпусу долота не переви- "кільце - вал" та пари "кільце - корпус" Довідник, - щувала 25 95, а підшипникових опор - 35 905. Такі,

С.520-523, табл.191. напівзношені, долота не підлягали ремонту, оскі-

У долоті-аналозі не враховані всі ці вимоги льки конструкція долота-прототипу не передбача- (графічні матеріали заявки РСТ, фіг. 2). Одне упо- ла можливості технологічних операцій по заміні рне кільце змонтоване на цапфі із радіальним за- або відновленню складових частин. зором (рухоме з'єднання), а друге упорне кільце та В основу винаходу поставлена задача суттє- тіла кочення з сепаратором розташовані за межа- вого підвищення довговічності, технологічності та ми цапфи. Не виконані вимоги щодо ширини упор- уніфікації шарошкових бурових доліт. них поверхонь для кілець упорних шарикопідшип- Суть винаходу полягає в тому, що в буровому ників - торець тарілчастої пружини (лінійний долоті, яке містить корпус та породоруйнівні орга- контакт) використаний як опорна поверхня для ни з озброєнням, котрі за допомогою підшипнико- упорного кільця; вих опор змонтовані на корпусі один всередині в) умовно замковий периферійний радіально- іншого, внутрішній з яких встановлений з кутовим упорний конічний роликопідшипник укріплений у нахилом щодо осі долота, а зовнішній - з кутовим корпусі шарошки за допомогою різьбової втулки, нахилом у протилежний бік щодо осі долота, згідно хоч різьбові з'єднання не призначені для сприй- з винаходом, озброєння породоруйнівних органів няття динамічних радіальних навантажень. Для виготовлене у вигляді знімних кінцевих насадок цього, у разі потреби, використовують циліндричні (матриць) із зносостійкого матеріалу, армованих гільзи, стакани тощо, котрі разом із підшипником вставками (зубками) із твердого матеріалу, при монтують у головному корпусі жорстко, з радіаль- цьому підшипникова опора кожного породоруйнів- ним натягом циліндричних поверхонь сполучення ного органа оснащена пристроєм для регулювання

ІНаприклад: Довідник, - С. 380, мал. 2 та - С.381, величини осьової гри (або попереднього натягу). мал. ЗІ. При такому виконанні бурове долото має на-

Зображені на фіг. 1 та 2 заявки РСТ опори не ступні переваги: відповідають вимогам конструювання опор буро-

- фактор застосування знімних кінцевих наса- ками 7 та 8. Кінцеві насадки виготовлені із зносо- док (матриць), як швидкозмінних швидкозношува- стійкого матеріалу і армовані вставками (зубками) них складових частин бурового інструмента, до- 9, виготовленими із твердого матеріалу, напри- зволяє забезпечити ефективну роботу долота до клад твердого сплаву на вольфрамо-кобальтовій моменту повного зношування всіх його складових основі або з надтвердого композиційного матеріа- частин: корпуса, шарошок, підшипникових опор; лу на основі штучних та природних алмазів. Кінце- - фактор застосування знімних кінцевих наса- ві насадки зафіксовані на торцях породоруйнівних док, тобто змінного озброєння шарошок, яке, за органів відомими засобами, наприклад, за допомо- бажанням, може відрізнятися кількістю, розмірами гою гвинтів. та формою твердосплавних зубків, у тому числі і Верхній радіально-упорний шарикопідшипник таких, що мають алмазне покриття, дозволяє уні- опори породоруйнівного органа З оснащений зам- фікувати бурові долота. При цьому бурові долота ковим кільцем 10 та пристроєм 11 для регулюван- одного певного розміру, котрі призначені для бу- ня величини осьової гри в опорі, виготовленим, ріння свердловин в м'яких, середніх, твердих або наприклад, у вигляді кінцевої шайби та болта. Ша- надтвердих породах, можуть відрізнятися тільки рикопідшипникова опора 5 зовнішнього породо- матеріалом та геометричною формою зубків руйнівного органа 4, в свою чергу, оснащена зам- озброєння знімних кінцевих насадок; ковим кільцем 12 та різьбовою кришкою 13 для - наявність змінних кінцевих насадок дозволяє регулювання величини осьової гри в опорі. При виготовляти корпус долота та корпусні частини цьому кришка оснащена ущільнювальним кільцем. породоруйнівних органів з більш дешевих матері- Варіант бурового долота (фіг. 2) містить кор- алів, а самі кінцеві насадки - з легованих сталей та пус із продувальними каналами 2, породоруйнівні сплавів з особливими властивостями щодо твер- органи З та 4, котрі змонтовані на корпусі за допо- дості, абразивної стійкості тощо; могою підшипникових опор 14 та 15, котрі склада- - наявність зносостійкого знімного озброєння ються з радіально-упорних конічних роликопідши- породоруйнівних органів долота, у поєднанні з пників, оснащених сепараторами. Підшипникові потужними підшипниковими опорами, котрі сприй- опори 14, 15 оснащені пристроями 16 та 17 для мають тільки корисне однобічне осьове наванта- регулювання величини осьової гри. Наявність при- ження і мають кут зони навантаження 360", дозво- строїв 17 робить опори збірно-розбірними. ляє підвищити у 3-5 разів ресурс роботи долота, Варіант бурового долота (фіг. 3) містить кор- витрачаючи при цьому кошти тільки на виготов- пус 1 з продувальними каналами 2, породоруйнівні лення запасних блоків озброєння; органи З та 4, змонтовані на корпусі за допомогою - наявність пристроїв для регулювання вели- підшипникових опор 18 та 19, котрі складаються з чини осьової гри чи попереднього натягу в опорах типових підшипників кочення: радіальних або ра- породоруйнівних органів дозволяє відмовитися від діально-упорних шарикопідшипників, радіально- загальноприйнятої світової практики селективного упорних конічних роликопідшипників тощо, котрі підбору тіл кочення відповідно до фактичних діа- оснащені зовнішніми та внутрішніми кільцями, ті- метрів доріжок кочення на цапфі та в порожнині лами кочення та сепараторами. Наприклад, шари- шарошки, які індивідуальні для кожної секції доло- копідшипники типу 0000 ГОСТ 8338-93; типів та; 60000 та 80000 ГОСТ 7242-85; типу 1000 ГОСТ - наявність таких пристроїв дозволяє уніфіку- 5720-75; типу 3000 ГОСТ 8545-78; типу 6000 ГОСТ вати виготовлення окремих частин бурового доло- 831-90; типу 7000 ГОСТ 333-94; типу 8000 ГОСТ та: лап, шарошок та підшипників або тіл кочення 6874-82 тощо. та сепараторів. Це суттєво спрощує та здешевлює Породоруйнівні органи бурового долота осна- технологічні операції виготовлення та складання щені знімними кінцевими насадками, виготовле- бурового долота. ними із зносостійкого матеріалу. Робочі поверхні

На доданих кресленнях надані З можливих ва- насадок армовані вставками (зубками) 9, виготов- ріанти виготовлення бурового долота, а саме: леними із твердого матеріалу, наприклад із твер- фронтальний розріз бурового долота з розбірними дого сплаву на вольфрамо-кобальтовій основі або шарикопідшипниковими опорами - фіг. 1; фронта- з надтвердого композиційного матеріалу на основі льний розріз бурового долота, з розбірними роли- штучних та природних алмазів, При цьому верши- копідшипниковими опорами - фіг. 2; фронтальний ни зубків можуть мати алмазне покриття. розріз бурового долота з розбірними опорами, які Бурове долото працює наступним чином. Кор- складаються з типових підшипників кочення, пус долота з'єднують з буровою трубою бурової оснащених зовнішніми та внутрішніми кільцями, машини. Бурове долото з обертанням та заданим тілами кочення та сепараторами - фіг. 3; фотогра- осьовим навантаженням подають на вибій сверд- фічне зображення дослідного зразка бурового до- ловини. Одночасно з цим через продувальні кана- лота, варіант з центральним соплом - фіг. 4. ли 2 під тиском подають повітря. У міру занурю-

Бурове долото (фіг. 1) містить корпус 1 з про- вання зубків 9 в поверхню вибою свердловини, дувальними каналами 2 та породоруйнівні органи: породоруйнівні органи вступають у механічний внутрішній З та зовнішній 4, котрі виготовлені у контакт з породою і перекочуються по вибою за вигляді торцевих шарошок. Породоруйнівні органи рахунок обертання корпусу 1 долота. Зони контак- змонтовані на корпусі за допомогою розбірних пі- ту породоруйнівних органів з породою розташовані дшипникових вузлів (опор) 5 та 6, які складаються по різні боки від осі свердловини, що виключає з радіально-упорних шарикопідшипників. Робоча можливість виникнення радіальних вібрацій доло- швидкозношувана частина кожного породоруйнів- та щодо осі свердловини. Траєкторія руху кожного ного органа оснащена знімними кінцевими насад- із зубків 9 озброєння кінцевих насадок 7 та 8 має вигляд біжучої хвилі. При цьому зубки 9 послідов- - підвищення механічної швидкості буріння у 2- но діють на локальні ділянки поверхні вибою, руй- 2,5 разу за рахунок можливості збільшення вели- нують та подрібнюють певний шар породи. Потоки чини навантаження на долото; стиснутого повітря здувають буровий шлам з по- - зменшення у 2-3 рази величини потрібного верхні вибою і виносять його через затрубний об- крутного моменту двигуна-обертача; шир на поверхню. Конічна форма зовнішнього по- - підвищення довговічності підшипникових родоруйнівного органа зводить до мінімуму опор долота у 10-45 разів за рахунок збільшення можливість контакту його поверхні із стінками све- кута зони навантаження підшипників в опорах до рдловини. Цей фактор суттєво зменшує робочий 360; крутний момент на валу двигуна-обертача та зво- - підвищення у 3-5 разів довговічності твердо- дить до мінімуму нагрів елементів долота. сплавного озброєння породоруйнівних органів за

Стендові та натурні випробування дослідних рахунок зміни траєкторії руху та кутів занурення зразків бурових доліт (наприклад, фіг. 4) показали зубків в породу; загальне підвищення ресурсу ро- високу ефективність цих доліт, порівняно з тради- боти долота у 4-5 разів за рахунок використання ційними тришарошковими долотами, а саме: змінних комплектів озброєння. й А ' й А / | 7 ї ен

А Їй І й Б ши їй ат Ду є порі суда син: йод - 8 о; в иа Пиде

БО Из

КОДИ й Б З: ї і ик ! гу

Ж ух у; й й к Ме

Зв Це РА Я 5 з «орі ! х ще | ни ії

Код наши кий дк . ван й | ЙщеХ

СІЯ ЧА Ся в р в | КО ка А--АТ НОВ т

СКК не МВ

Оса п МИ 9 їх КОМИ Дос, ;

ДАО ЩЕ

? у ринко Ися - я

Фіг. 1 йти й А дн два МУ

СІНА в

М Й Кт

А | Ж дк її

З ший ЛО.

КЕН , Се що 16

Й З гавиняа Х

Дол знвннитнє В Гі ля ди й--ї

Л

7 - 775 с їв

Ку ст, А 13

ВО я

ОА ий де МИХ

КК хД й

Пи ншя І ях р»

Ж ОВК І уж ВН дл ТЕ КВ ВВ ра

КОТА Как

Козова лит Е що п Ощ с ВВ ї

ИН сю 4 й чу :

З о ; Чай в: НЕ ов М З х я ЗМНЯ о С. "ее ей Бонн ча: кі дн й: дж: й

Бр Я бо стваені Е

МОВИ оку вн яра НН МИ ре сей п в хай т; вих вис ня «ріг. 4

Комп'ютерна верстка Г. Паяльніков Підписне Тираж 23 прим.

Міністерство освіти і науки України

Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна

ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601