опора бурового породоразрушающего инструмента (варианты)

Формула изобретения

1. Опора шарошечного породоразрушающего инструмента, включающая цапфу, закрепленную на ней посредством замкового подшипника шарошку и установленный между шарошкой и цапфой уплотнительный элемент, отличающаяся тем, что она снабжена пружинным разрезным кольцом, имеющим форму полого полудиска, размещенным между цапфой и уплотнительным элементом, вогнутая поверхность которого контактирует с уплотнительным элементом, при этом пружинное разрезное кольцо в свободном состоянии в плоскости симметрии, проведенной перпендикулярно оси цапфы, имеет наружный диаметр больше внутреннего диаметра уплотнительного элемента, причем торцы пружинного разрезного кольца имеют форму гребенки, зубья одного торца которого входят во впадины другого торца, а внутренняя поверхность пружинного разрезного кольца прорезинена.

2. Опора бурового породоразрушающего инструмента, включающая цапфу, закрепленную на ней посредством замкового подшипника шарошку и установленный между шарошкой и эксцентрично выполненной беговой дорожкой цапфы уплотнительный элемент, отличающаяся тем, что она снабжена пружинным разрезным кольцом, размещенным между эксцентрично выполненной беговой дорожкой цапфы и уплотнительным элементом, имеющим форму полого полудиска, вогнутая поверхность которого контактирует с уплотнительным элементом, при этом пружинное разрезное кольцо в свободном состоянии в плоскости симметрии, проведенной перпендикулярно оси цапфы, имеет наружный диаметр больше внутреннего диаметра уплотнительного элемента, причем торцы пружинного разрезного кольца имеют форму гребенки, зубья одного торца которого входят во впадины другого торца, а внутренняя поверхность пружинного разрезного кольца прорезинена.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано в буровых долотах с герметизированной маслонаполненной опорой, расширителях, калибраторах.

Известна опора бурового долота, содержащая цапфу и закрепленную на ней посредством замкового подшипника шарошку, армированную породоразрушающими зубками (см. Шарошечные долота. Международная инженерная энциклопедия, М., 2000, с.11-13).

К недостаткам такого долота следует отнести быстрый выход из строя его опоры, что связано с возможностью попадания шлама в полость шарошки. Особенно это сильно сказывается при бурении по абразивным породам.

Более близким к предложенному является буровой породоразрушающий инструмент с герметизированной маслонаполненной опорой, содержащий корпус с секциями в виде лап, на цапфах которых посредством подшипников закреплены уплотнительные элементы и шарошки, наружная поверхность которых оснащена породоразрушающими зубьями (см. патент США №4588309, кл. E21B 10/08, 1986 г.).

Как известно, большое значение для работоспособности породоразрушающего инструмента любого типа имеет герметизация опор со стороны торца шарошки, предотвращающая попадание в нее абразивного шлама, способного кратно снизить стойкость и долговечность подшипников и всей опоры в целом. С этой точки зрения наличие узла герметизации в данном инструменте безусловно положительно влияет на ресурс работы его опоры. Однако надежность работы такого узла герметизации весьма мала.

Известна также опора бурового породоразрушающего инструмента, выбранная в качестве прототипа для другого варианта предложенной опоры, включающая цапфу, закрепленную на ней посредством замкового подшипника шарошку и установленный между шарошкой и эксцентрично выполненной беговой дорожкой цапфы уплотнительный элемент (см. патент РФ №2269635, кл. E21B 10/22, 2006).

К недостаткам обоих прототипов следует отнести малый срок службы используемого уплотнительного элемента и, как следствие этого, сравнительно быстрый выход из строя опоры и породоразрушающего инструмента в целом в связи с отсутствием возможности плавного регулирования натяга уплотнительного кольца, а также надежной и длительной компенсации.

В связи с этим техническим результатом изобретения является повышение работоспособности опоры породоразрушающего инструмента.

Для получения указанного технического результата по первому варианту опора шарошечного породоразрушающего инструмента, включающая цапфу, закрепленную на ней посредством замкового подшипника шарошку и установленный между шарошкой и цапфой уплотнительный элемент, согласно изобретению снабжена пружинным разрезным кольцом, размещенным между цапфой и уплотнительным элементом и имеющим в поперечном сечении форму полого полудиска, вогнутая поверхность которого контактирует с уплотнительным элементом, при этом наружный диаметр пружинного разрезного кольца в свободном состоянии в плоскости симметрии, проведенной перпендикулярно оси цапфы, имеет наружный диаметр, больше внутреннего диаметра уплотнительного элемента.

По второму варианту указанный технический результат достигается тем, что опора бурового породоразрушающего инструмента, выбранная в качестве прототипа для другого варианта предложенной опоры, включающая цапфу, закрепленную на ней посредством замкового подшипника шарошку и установленный между шарошкой и эксцентрично выполненной беговой дорожкой цапфы уплотнительный элемент, согласно изобретению снабжена пружинным разрезным кольцом, размещенным между эксцентрично выполненной беговой дорожкой цапфы и уплотнительным элементом и имеющим в поперечном сечении форму полого полудиска, вогнутая поверхность которого контактирует с уплотнительным элементом, при этом наружный диаметр пружинного разрезного кольца в свободном состоянии в плоскости симметрии, проведенной перпендикулярно оси цапфы, имеет наружный диаметр больше внутреннего диаметра уплотнительного элемента.

Достижению указанного технического результата по обоим вариантам способствует также и то, что:

- торцы пружинного разрезного кольца имеют форму гребенки, зубья одного торца которого входят во впадины другого торца;

- внутренняя поверхность пружинного разрезного кольца прорезинена.

На фиг.1 показан разрез секции бурового долота с герметизированной маслонаполненной опорой; на фиг.2 - вариант эксцентричного размещения уплотнительного элемента; на фиг.3 - сечение С-С на фиг.2, на фиг.4 - сечение А-А на фиг.3 и на фиг.5 - вид Б на фиг.4.

Опора шарошечного породоразрушающего инструмента содержит лапу 1 с узлом смазки 2, шарошку 3 с зубками 4, установленную на цапфе 5 посредством подшипников 7 и 8, и уплотнительный элемент 6. По второму варианту беговая дорожка под уплотнительный элемент 6 выполнена эксцентричной (см. фиг.2). Между цапфой 5 и уплотнительным элементом 6 установлено пружинное разрезное кольцо 9, которое в поперечном сечении имеет форму полого полудиска (см. фиг.4), внутренняя вогнутая поверхность которого контактирует с внутренней поверхностью уплотнительного элемента 6. Пружинное кольцо 9 в свободном состоянии имеет наружный диаметр по всей линии контакта, больший внутреннего диаметра уплотнительного элемента 6 по той же линии контакта. При этом концевые участки пружинного кольца 9 выполнены в виде гребенок, зубья 10 одного торца которого входят во впадины 11 другого торца. Такое выполнение торцевых участков пружинного кольца 9 исключает их смещения относительно друг друга. Внутренняя поверхность 12 пружинного кольца 9, контактирующая с цапфой 5, прорезинена.

Принцип работы предложенной опоры заключается в следующем. В процессе работы уплотнительный элемент 6 постоянно подвергается пульсирующим сжимающим и разжимающим нагрузкам, способствующим уменьшению его эластичности и нарушению герметичности опоры. Кроме того, этому способствует также и то, что опорные поверхности шарошки 3 и цапфы 5 подвергаются постоянному износу. В результате этого происходит увеличение зазора между шарошкой 3 и цапфой 5, а следовательно, и увеличение сжимающих и разжимающих нагрузок, действующих на уплотнительный элемент 6 и способствующих его износу. Для компенсации износа опорных поверхностей шарошки 3, цапфы 5 и уплотнительного элемента 6 в предложенной опоре предлагается использовать пружинное разрезное кольцо 9, размещенное внутри уплотнительного элемента 6 и оказывающее на него постоянно действующее распирающее усилие. Благодаря выполнению пружинного разрезного кольца 9 с большей длиной по сравнению с уплотнительным элементом 6 в развернутом виде, а следовательно, и большим наружным диаметром, по сравнению с внутренним диаметром уплотнительного элемента 6, последний постоянно удерживается в напряженном состоянии. Это обеспечивает компенсацию увеличивающихся зазоров между шарошкой 3 и цапфой 5, а следовательно и увеличивает надежности герметизации опоры породоразрушающего инструмента. При этом в результате расширения наружного диаметра пружинного кольца 9 увеличивается и его внутренний диаметр, а следовательно, могут появиться зазоры и между пружинным кольцом 9 и цапфой 5. Это может привести к попаданию шлама в полость шарошки 3 и уменьшению работоспособности опоры. Для исключения этого явления внутренняя поверхность 12 пружинного кольца 9 выполняется прорезиненной. Этот слой резины за счет сил упругости эластичного покрытия пружинного кольца 9 компенсирует зазоры, которые могут образоваться между цапфой 5 и разрезным кольцом 9 при постепенном разжатии последнего в процессе износа контактирующих между собой поверхностей шарошки 3, цапфы 5 и уплотнительного элемента 6.

Использование эксцентричной беговой дорожки для размещения уплотнительного элемента 6 со смещением в противоположную сторону от нагруженной части цапфы 5 обеспечивает равномерное нагружение уплотнительного элемента 6, уменьшает возникновение действующих на него дополнительных пульсирующих сжимающих и разжимающих нагрузок, снижает усталость и старение материала уплотнения, повышает долговечность работы уплотнительных герметизирующих узлов и бурового породоразрушающего инструмента в целом.

Данное изобретение позволяет достигнуть требуемого технического результата и может быть применено в любых буровых долотах, расширителях и калибраторах с герметизированной опорой для глубокого, сверхглубокого и взрывного бурения. Оно достаточно легко воспроизводится и надежно в работе.