буровое шарошечное долото

Формула изобретения

БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО, содержащее корпус с входными и выходными продувочными каналами, закрепленные к корпусу лапы, закрепленные к лапам цапфы, систему продувочных каналов в лапах и цапфах, сообщенных с входными и выходными каналами корпуса, и многовенцовые шарошки, установленные на цапфах посредством радиально-упорного замкового шарикового подшипника качения, размещенного между периферийным и концевым опорными роликовыми подшипниками качения, и замкового пальца, отличающееся тем, что, с целью повышения ресурса работы долота путем усиления радиально-упорного замкового шарикового подшипника, диаметр d, м, шариков в радиально-упорном замковом шариковом подшипнике определяется из соотношения

D/d = 11,3 - 13,2,

где D - диаметр долота, м,

а радиус беговой дорожки на цапфе периферийного опорного роликового подшипника качения R_р, м, и радиус беговой дорожки на цапфе по дну желоба радиально-упорного замкового шарикового подшипника качения R_ш, м, находятся в соотношении

R_р - R_ш > 0,25d.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к буровым шарошечным долотам для бурения с продувкой забоя воздухом.

Известны буровые шарошечные долота с конструктивной схемой опоры ролик-шарик-ролик и системой продувочных каналов для охлаждения долота [1]

Однако недостаточно обоснованный выбор параметров замкового шарикового подшипника, воспринимающего при бурении значительные нагрузки, направленные вдоль оси цапфы, приводит к его разрушению и выходу долота из строя.

Известна конструкция бурового шарошечного долота со схемой опоры ролик-шарик-ролик, при этом конструкция замкового шарикового подшипника включает упорное кольцо, воспринимающее часть осевых усилий при сдвиге беговых дорожек замкового подшипника относительно друг друга от осевых усилий [2]

Однако данное техническое решение приводит к дополнительному нагреву долота при работе упорного кольца и не позволяет эффективно защитить от скалывания или отгибания рабочий бурт шарикового подшипника на цапфе, обращенный в сторону стенки скважины.

Цель изобретения повышение ресурса работы долота путем усиления радиально-упорного замкового шарикового подшипника.

Цель достигается тем, что в буровом шарошечном долоте, содержащем корпус с многовенцовыми шарошками, установленными на цапфах посредством радиально-упорного замкового шарикового подшипника качения, размещенного между периферийным и концевым опорными роликовыми подшипниками качения, диаметр d шариков в замковом шариковом подшипнике определяется из соотношения

D/d 11,3-13,2, где D диаметр долота.

При этом радиусы беговой дорожки на цапфе периферийного опорного роликового подшипника качения R_р и радиус беговой дорожки на цапфе по дну желоба радиально-упорного замкового шарикового подшипника качения R_ш находятся в соотношении

R_p R_ш > 0,25d.

На фиг.1 показано буровое шарошечное долото, разрез; на фиг.2 нижняя часть долота в увеличенном масштабе относительно фиг.1 с целью лучшего показа элементов опоры; на фиг.3 фрагмент шарикового и периферийного роликового подшипников в увеличенном масштабе относительно фиг.1 и 2 с целью показа особенностей усиленного шарикового подшипника опоры.

Буровое шарошечное долото 1 вращается вокруг осевой линии 2 долота. Корпус долота выполнен из трех лап 3, из которых показана только одна. Каждая лапа 3 в нижней части включает в себя цапфу 4, на которой монтируется шарошка 5, армированная разрушающими породу элементами 6 в виде твердосплавных зубков (или фрезерованных на корпусе шарошки стальных зубков). Опорный узел шарошки 5 (опора долота) выполнен на подшипниках качения и содержит периферийный радиальный роликовый подшипник 7, концевой радиальный роликовый подшипник 8 и радиально-упорный шариковый подшипник 9. С помощью указанных подшипников качения шарошка 5 имеет возможность вращаться с минимальным реактивным моментом вокруг цапфы 4, передавая от нее нагрузку на забой скважины при бурении. От перемещений вдоль оси цапфы 4 шарошка 5 удерживается шариковым подшипником 9, выполняющим одновременно роль замкового подшипника его шарики после сборки запираются замковым пальцем 10, который заварен швом 11.

Долото имеет следующую схему продувки опоры. Через каналы 12 в лапе и 13 в цапфе для охлаждения и удаления попадающих частиц породы внутрь опоры подается сжатый воздух, который затем расширяется и в просветы между телами качения, зазоры 14 между цапфой и шарошкой, зазоры 15 между лапой и торцом шарошки выходит в призабойное пространство.

В опорном узле долота находится бурт 16, расположенный между поверхностью беговой дорожки 17 на цапфе периферийного подшипника 7 и дном желоба 18 шарикового подшипника 9.

Буровое шарошечное долото работает следующим образом.

Установленная на цапфе 4 лапы 3 шарошка 5 с помощью опорных роликовых 7 и 8 и упорного шарикового 9 подшипников вращается на цапфе 4 и своим вооружением 6 разрушает породу.

Практика горнорудного бурения показывает, что наиболее слабым звеном в конструкциях опор со схемой ролик-шарик-ролик является радиально-упорный шариковый замковый подшипник, так как в данной схеме опоры шариковый подшипник является единственным подшипником, воспринимающим составляющую общей нагрузки, направленную вдоль оси цапфы, тогда как составляющая в направлении, перпендикулярно оси цапфы, воспринимается всеми, в том числе и шариковым, подшипниками опоры.

Неудовлетворительная работоспособность шарикового подшипника 9 проявляется по трем направлениям. Во-первых, на его рабочих поверхностях на цапфе и шариках появляются усталостные контактные повреждения в опережающем порядке по сравнению с роликовыми подшипниками 7 и 8. Во-вторых, из-за перенапряжений наблюдается раскалывание шариков, приводящее к последующему катастрофическому износу опоры. В-третьих, рабочий бурт шарикового подшипника на цапфе 16 (обращенный в сторону стенки скважины) на определенном этапе работы либо скалывается от усталостных напряжений, либо отгибается с проявлением ползучести, защемляя ролики радиального подшипника 7. В случае поломки бурта 16 ролики периферийного подшипника 7 теряют направление и разворачиваются в беговой дорожке 17, а в случае защемления роликов подшипник качения превращается в своеобразный подшипник скольжения. В обоих случаях происходит форсированное разрушение опоры и выход долота из строя.

Для преодоления указанных недостатков необходимо усиление радиально-упорного шарикового подшипника в опоре. Усилие подшипника производится за счет шариков увеличенного диаметра, выполненных в определенном соотношении к размеру долота.

Поскольку наружные контуры шарошек, а следовательно, и их внутреннее пространство для размещения опоры, ограничены размером долота, диаметр беговой дорожки шарикового подшипника в шарошке колеблется в незначительных пределах, в зависимости от конкретных конструктивных воплощений. При этом объем, и следовательно, мощность шарикового подшипника существенно изменяется от диаметра применяемых шариков.

Для выбора оптимальных размеров шариков, используемых в радиально-упорном подшипнике, можно ввести в качестве критерия коэффициент K D/d, где D диаметр шарошечного долота (фиг.1 и 2); d диаметр шарика подшипника (фиг.3).

В долотах, выпускаемых отечественными заводами, диаметр применяемых в опоре шариков меньше диаметра долота в 14,7-17,0 раз, в долотах, выпускаемых фирмами Европы и США, К 17,0-17,56.

Предлагаемый в изобретении диапазон значений критерия К составляет 13,2-11,3. При диаметре шариков, начиная с К 13,2, происходит существенное усиление шарикового подшипника, которое затем нарастает по мере уменьшения К, т.е. увеличения диаметра шариков. Однако, при К < 11.3 возникает серьезная опасность поломки цапфы, поскольку при практически неизменном наружном диаметре подшипника с увеличением размеров применяемых шариков неизбежно происходит уменьшение диаметра беговой дорожки на цапфе. Кроме того, с увеличением диаметра шариков растет диаметр сверления под замковый палец 10, через который шарики вводятся в беговую дорожку 18 при сборке секции долота, что также приводит к ослаблению цапфы.

При работе долота под воздействием реакции забоя шарошка 5 стремится переместиться вдоль оси цапфы 4 в сторону стенки скважины. Типичная картина износа опор долот показывает, что рабочим буртом шарикового подшипника является бурт 16, расположенный со стороны периферийного радиального роликового подшипника 7 (фиг.2 и 3). Бурт 16 одновременно является направляющим буртом для роликов подшипника 7.

Для обеспечения прочности бурта 16 необходимо, чтобы поверхность беговой дорожки 17 на цапфе у периферийного подшипника 7 возвышалась над дном желоба 18 шарикового подшипника 9 на величину, превышающую 0,25d, где d диаметр шарика подшипника 9. На фиг.3 эта величина обозначена h, следовательно h (R_p R_ш) > 0,25d, где R_р радиус беговой дорожки на цапфе периферийного опорного роликового подшипника 7; R_ш радиус береговой дорожки на цапфе по дну желоба ридально-упорного замкового шарикового подшипника 9.

В известных конструкциях величина h равна или меньше 0,25d, вследствие чего дно желоба 18 подшипника 9 недостаточно заглублено в цапфу относительно роликовой дорожки подшипника 7 или даже возвышается над дорожкой 17 роликового подшипника 7. При этом рабочий бурт 18 приобретает консольную конструкцию и для обеспечения его прочности требуется наращивать его толщину, теряя пространство для размещения более мощных подшипников.

В предлагаемой конструкции усилия реакции шарошки передаются шариками, упирающимися в основном или полностью в монолит цапфы. При этом верхняя часть бурта 16 выполняет единственную функцию является только направляющим буртом для роликов подшипника 7 и не разрушается под воздействием осевых усилий при работе долота.

П р и м е р. В промышленных условиях проводились сравнительные испытания трехшарошечных буровых долот, изготовленных в соответствии с предлагаемым техническим решением, а также долот, имеющих традиционный опорный узел. При этом, для получения максимально достоверных результатов экспериментальные опытные долота и стандартные долота имели практически одинаковое вооружение. Конструкция систем продувки также совпадала в сопоставляемых долотах.

Технические параметры экспериментальных долот. Долота размером 244,5 мм, предназначенные для бурения абразивных крепких пород, оснащенные твердосплавными зубками со сферичфесокй формой головки. Новая конструкция опоры по схеме ролик-шарик-ролик изготовлена в соответствии с рекомендациями изобретения. В замковом радиально-упорном подшипнике были использованы шарики диаметром 19,05 мм, при этом К 12,83. Поверхность роликовой дорожки возвышалась над дном желоба на 7 мм, таким образом h R_p R_ш=0,39d.

Технические параметры базовых долот, используемых для сопоставления результатов. Размер долот 244,5 мм, конструкция опоры ролик-шарик-ролик. Размер шариков в радиально-упорном замковом подшипнике d 15,875 мм, коэффициент К 15,4. Поверхность беговой дорожки возвышалась над дном желоба на 0,7 мм, отсюда h 0,045d, т.е. h < 0,25d.

При бурении взрывных скважин в железистых кварцитах различной прочности получено увеличение износостойкости опоры опытных долот в 3,2 раза в породах крепостью f 16 и в 2,6 раза в породах крепостью f 20.

Применение долот с усиленным радиально-упорным подшипником дает возможность увеличить ресурс работы долота за счет меньшего износа опоры и элементов вооружения. Это позволяет повысить эффективность бурения скважин и снизить их себестоимость.