Опоры шарошек и их подшипники

6.6.1. Опора шарошки предназначена для фиксирования положения шарошки на цапфе с возможностью вращения и передачи осевой нагрузки и крутящего момента от корпуса долота к вооружению с минимальными внутренними потерями энергии и включает от двух до пяти подшипников. В опорах используются следующие подшипники:

1) качения радиальные с цилиндрическими роликами (рис. 6.10).

Подшипник не имеет ни колец, ни сепараторов. Функции внутреннего кольца выполняет цапфа 2, а наружного сама шарошка 4. Положение роликов на цапфе определяется бортами, которые выполняются на цапфе (рис. 6.10,а) или в шарошке (рис. 6.109,б). В шифре опоры подшипник обозначается буквой Р;

2) качения шариковые радиально-упорные (рис 6.10, позиция 3). Если подшипник двойного действия, т.е. воспринимает нагрузку вдоль оси подшипника в обоих направлениях, то он называется замковым. В шифре опоры обозначается буквой Ш_з. В опорах возможно выполнение двухрядных замковых подшипников (рис. 6.1). Замковый подшипник собирается через отверстие в лапе и цапфе, которое после сборки закрывается пальцем 6 (см. рис. 6.1). После сборки палец приваривается к лапе;

3) скольжения радиальные (рис. 6.11). Поверхность скольжения на цапфе 1 армирована твердым сплавом. Малый подшипник армируется по всей поверхности цапфы, а большой подшипник - только с нижней стороны цапфы (на рис. 6.11 показано пунктиром). В шарошке 5 поверхности скольжения выполнены запрессованными в нее втулками 2 и 3. Втулка 2 большого радиального подшипника выполняется в виде гильзы с внутренним слоем из композиционного материала. Эти подшипники в шифре опоры обозначаются буквами С;

4) скольжения упорные (рис. 6.11, позиция 4) на цапфе представлены наплавкой твердого сплава на торцовой поверхности, а в шарошке запрессованным в нее подпятником 4. Возможна наплавка торца борта замкового подшипника, по которому скользит внутренний торец шарошки (на рис. 6.11не показан). Эти подшипники в шифре опоры обозначаются буквами С_у.

В долотах малых диаметров подшипники скольжения могут быть образованы неармированными поверхностями шарошки и цапфы.

Запись шифра опоры ведется последовательно от периферии к оси долота, например, РШ₃СС_у и читается: опора вклю­чает подшипники радиальный роликовый, замковый шариковый, радиальный скольжения со специальным покрытием цапфы и упорный скольжения со специальным покрытием цапфы.

Шариковый подшипник имеет малую несущую способность, но он хорошо работает в условиях перекоса шарошки и незаменим для замкового подшипника качения.

Роликовый подшипник имеет среднюю несущую способность. Основной недостаток - при износе тел качения и беговых дорожек в условиях перекоса шарошек имеет тенденцию к самозаклиниванию в результате поворота ролика.

Подшипники скольжения имеют высокую несущую способность и наименьшие габаритные размеры. Но эти подшипники нельзя эксплуатировать при повышенных частотах вращения из-за выделения большого количества тепла и опасности изнашивания схватыванием поверхностей трения. Варианты опор будут рассмотрены во время лабораторных работ.

6.6.2.Смазывание и охлаждение опор.Опоры долот выполняют как открытыми (см. рис. 6.10), так и герметизирован­ными (см. рис. 6.11). Открытые опоры смазываются и охлаждаются буровым раствором, который свободно проникает во внутреннюю полость опоры.

Промывка скважин осуществляется преимущественно водой и водными растворами, которые имеют высокую охлаждающую, но низкую смазывающую способность. Кроме того, промывочная жид­кость в призабойной зоне содержит большое количество шлама, который, попадая в опору долот, увеличивает сопротивление враще­нию и вызывает абразивное изнашивание ее опоры. В резуль­тате долговечность открытых опор весьма мала. При высокооборотных способах бурения она редко превышает 5…8 ч, а при низкооборотных – 20…30 ч.

В настоящее время в связи с широким использованием твердого сплава для вооружения шарошек увеличение долговечности опор стало одной из основных задач повышения производительности долот.

Одно из решений этой задачи - создание герметизи­рованной автономной системы смазки опор шарошек. Основные элементы системы смазки - компенсатор давления (лубрикатор) и уплотнение шарошки отно­сительно цапфы.

Серийно выпускаются долота с компенсатором давления в лапе долота (рис. 6.12), основным элементом которого является резиновая диафрагма . Для установки компенсатора со стороны спинки лапы выполняется полость, в которую вставляется стакан, ограничивающий деформацию диафраг­мы. Лубрикатор закрывается крышкой, удерживаемой упругим разрезным кольцом. Полость над диафрагмой через отверстия в крышке сообщается с внешней средой. Полость под диафрагмой через полость 3, канал 5 и полость, образованную проточкой и лысками на пальце сообщается с полостью подшипников.

Компенсатор давления работает следующим образом. При спуске долота в скважину давление промывочной жидкости передается через диафраг­му на смазку, находящуюся в полости под диафрагмой, и далее в полость подшипни­ков. Таким образом, происходит выравнивание давления с внутренней и наружной сторон уплотнения. В процессе бурения происходят колебания шарошки относительно цапфы и связанные с ними колебания объема полости подшипников. При уменьшении этого объема избыток смазки вытесняется в компенсатор, а при увеличении объема возвращается в опору. Для работы при повышенных частотах вращения долот этого недостаточно, так как подшипники перегреваются. В настоящее время ведутся работы по созданию систем смазки с продавливанием и циркуляцией масла через подшипники, обеспе­чивающих надежное смазывание и охлаждение рабочих поверхностей опоры.

Проблема охлаждения опор шарошек особенно остро стоит при бурении с продувкой скважины воздухом. В долотах, предназначенных для бурения с продувкой воздухом, делается специальный канал 10 в лапе и цапфе, соединяющий внутреннюю полость долота 7 с полостью шарошки (см. рис. 6.1). Задача смазки опоры решается распылением масла, залитого в установленный над долотом лубрикатор-переводник, потоком воздуха. Воздух, выходя из шарошки у основания цапфы, препятствует попаданию шлама в опору и защищает ее от абразивного изнашивания.

Герметизация опор серийных долот осуществляется резинометаллическими уплотнениями (манжетами) и резиновыми кольцами круглого сечения. Положение резинового кольца на цапфе показано на рис. 6.12.

Резинометаллическое уплотнение (рис. 6.13) представляет собой кольцо, состоящее из стальной конической пружины 1 и привулканизированной к ней резиновой обкладки 2.

Уплотнение раз­мещено в полости, образованной расточкой в шарошке 3, торцами роликов 4 большого подшипника качения и поверхностями борта 5 и лапы 6. Уплотнение установлено на борте 5 у основания цапфы с радиальным натягом. При монтаже шарошки на цапфе создается осевой натяг уплотнения усилием около 0,7 кН, обеспечивающей герметизацию полости опоры. Из схемы на рис. 6.13 следует, что под действием избыточного давления в опоре уплотнение может раскры­ваться, как обратный клапан. Давление раскрытия уплотнения состав­ляет 0,5…1,0 МПа. Эта способность уплотнения к раскрытию исполь­зуется для заправки опоры смазкой путем продавливания ее со сторо­ны компенсатора давления.

Полость для размещения уплотнения выполняется за счет умень­шения размеров большого радиального подшипника. Поэтому габариты герметизированной опоры, ее механическая прочность и запас на износ всегда меньше, чем открытой опоры, что составляет ее основной недостаток.

6.6.3. Классификация опор.По виду радиальных подшипников выделятся три группы опор, каждая из которых делится на типы. Обобщенные сведения о типах опор и области их применения (рекомендуемые частоты вращения долот) приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Типы опор, их классификационные характеристики и область применения

Основная опора типа В собирается по схеме РШ_зР. Возможны сборки опор по схемам Ш_зШ_зР (см. рис. 6.1), а также ШШ_зШ и др.

Опоры типа Н собираются по схемам РШ_зСС_у и РШ_зС_уСС_у. Опоры типов В и Н открытые и предназначены для работы с забойными двигателями.

Опоры типа НУ собираются по тем же схемам, что и опоры типа Н и отличаются от них наличием автономной системы смазки.

Опоры типа АУ собираются по схемам СШ_зСС_у (см. рис. 6.11) и СШ_зС_уСС_у (см. рис.6.12). Опоры АУП и АУЛ отличаются от опоры типа АУ наличием плавающих элементов в подшипниках скольжения.