Шпиндель забойного двигателя

 

Изобретение относится к оборудованию для бурения, а именно к приводам для вращательного бурения, размещенным в скважине. Сущность изобретения заключается в том, что упругий элемент, размещенный внутри корпуса устройства, установлен между радиальными опорами и выполнен в виде двух групп пружинных колец, каждая из которых содержит внутреннее кольцо, закрепленное на валу, и наружное кольцо, закрепленное в корпусе, при этом кольца расположены с зазором между ними, а осевая опора расположена между двумя группами пружинных колец и выполнена с кольцевыми каналами, обеспечивающими переток смазывающей жидкости между двумя группами пружинных колец. Изобретение обеспечивает снижение динамических нагрузок на шпиндель, значительное подавление вибраций и, как следствие, увеличение срока службы шпинделя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к оборудованию для бурения, а именно к приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважине.

В процессе работы шпиндель испытывает значительные динамические нагрузки из-за неровностей поверхности стенок скважины, пульсации промывочной жидкости, неравномерной скорости подачи бурильного инструмента и т.п. Для уменьшения динамических нагрузок на шпиндель используются амортизирующие устройства.

Известно устройство для предотвращения торцевого износа деталей забойного двигателя, выполненное в виде установленных в корпусе и на валу турбобура втулки и фиксатора, при этом втулки имеют радиальные пазы, смещенные относительно друг друга по высоте на величину допускаемого люфта отработанного турбобура, а фиксатор выполнен в виде подпружиненного шарика, размещенного в радиальном пазу одной из втулок (а.с. СССР 933923, Е 21 В 4/02, 07.06.82 г. ).

Недостатком данного устройства является интенсивный износ пазов и поверхностей, взаимодействующих с шариками, что значительно сокращает срок службы шпинделя.

Известен амортизатор шпинделя турбобура, содержащий корпус с внутренней винтовой поверхностью, вал с наружной винтовой поверхностью и размещенный между ними упругий элемент. Последний выполнен в виде замкнутых эластичных оболочек винтообразной формы. Полости оболочек заполнены вязкой жидкостью и сообщаются между собой при помощи дроссельного узла, размещенного в корпусе. На валу и в корпусе имеются заглушки, ограничивающие осевые смещения упругого элемента (а.с. СССР 1659619, Е 21 В 4/00, 30.06.1991 г.).

Это устройство имеет значительную длину, что увеличивает продольные размеры шпинделя и ограничивает область применения. Кроме того, наличие полостей в упругом элементе обуславливает низкую эксплутационную надежность, т. к. при имеющихся размерах ствола скважин невозможно обеспечить достаточную толщину и прочность стенок упругого элемента.

За прототип принят шпиндель, включающий корпус, размещенные внутри корпуса вал, осевую и радиальные опоры, упругий элемент. Верхняя радиальная опора состоит из втулки, закрепленной на валу, и втулки, закрепленной в корпусе. Между втулками размещен упругий цилиндрический элемент из износостойкого материала с низким коэффициентом трения. В упругом элементе завулканизирована пружина сжатия. Упругий элемент в верхней части опирается на диск, закрепленный в корпусе, а в нижней части - на диск, закрепленный на валу. Аналогичный упругий элемент расположен в нижней радиальной опоре, причем в верхней части упругий элемент опирается на диск, закрепленный на валу, а в нижней части - на диск, закрепленный в корпусе (патент РФ 2011776, Е 21 В 4/00, 30.03.1994 г.).

Недостаток прототипа заключается в том, что воспринимающий осевые усилия упругий элемент, выполненный в виде цилиндра, размещенного между двух втулок и опирающегося по концам на диски, лишен возможности изменяться в своих геометрических размерах во время упругой деформации в процессе гашения ударных нагрузок, т.к. технология сборки шпинделей не допускает оставления люфтов между деталями радиальной опоры, как это предусмотрено между деталями осевой опоры. Упругий элемент, представляющий собой металлическую пружину в резине, сокращаясь в длине в некоторой степени получит изменения в диаметрах, что может привести к заклиниванию радиальной опоры или же аварийному износу резиновой части ее в результате выдавливания резины через кольцевые зазоры между опорными дисками и корпусом, и валом.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является увеличение срока службы шпинделя.

Технический результат от использования изобретения - значительное подавление вибраций и, следовательно, снижение динамических нагрузок на шпиндель.

Технический результат достигается за счет того, что в шпинделе забойного двигателя, который содержит корпус, вал, осевую и радиальные опоры и установленный между ними упругий элемент, последний выполнен в виде двух групп пружинных колец, каждая из которых содержит внутреннее кольцо, закрепленное на валу, и наружное кольцо, закрепленное в корпусе, а осевая опора расположена между этими группами. Внутренние и наружные пружинные кольца упругого элемента выполнены одинаковой жесткости. В осевой опоре выполнены кольцевые каналы, соединяющие между собой обе группы колец упругого элемента. Длины корпуса и вала шпинделя выполнены с учетом предварительной осадки пружин упругих элементов на 55-60% от полной осадки во время сборки шпинделя.

На чертеже представлен общий вид предлагаемого шпинделя в разрезе.

Шпиндель содержит корпус 1, полый вал 2, верхнюю 3 и нижнюю 4 радиальные опоры, расположенный между ними упругий элемент, состоящий из двух групп пружинных колец, внутренние кольца 5 установлены на валу 2, а наружные кольца 6 - в корпусе 1. Между ними размещена многорядная шариковая осевая опора 7, в которой выполнены кольцевые каналы 8, соединяющие между собой обе группы колец упругого элемента. Наружный диаметр колец 5 меньше внутреннего диаметра колец 6 с образованием между ними гарантированного зазора, причем пружинные кольца выполнены одинаковой жесткости. В корпусе 1 выполнены каналы 9 и 10 для закачки смазывающей жидкости. Кроме того, шпиндель снабжен узлами уплотнения 11 и 12, которые состоят из двух уплотнительных и грязесъемного резинометаллических элементов, причем уплотняющие элементы обращены в разные стороны и разделены кольцом, предотвращающим "заворачивание" их юбок.

Шпиндель работает следующим образом. При сборке его создают поджатие упругого элемента, на 10-15% превышающее осевую нагрузку на шпиндель. При этом осадка пружинных колец 5 и 6 составляет 55-60% от полной. Кольцевую полость между валом и корпусом через каналы 9 и 10 заполняют смазывающей жидкостью. В процессе бурения с вала 2 на корпус 1 через радиальные опоры 3 и 4, внутренние 5 и наружные 6 кольца упругого элемента и осевую опору 7 передаются значительные динамические нагрузки. Наличие зазоров между пружинными кольцами 5 и 6 упругого элемента и кольцевых каналов в осевой опоре 7 обеспечивает торможение смазывающей жидкости при перетекании ее между двумя группами колец упругого элемента, что позволяет дополнительно демпфировать вибрации от бурового инструмента.

Технический эффект от использования предлагаемого шпинделя достигается за счет выполнения упругого элемента составным, в результате чего узлы подшипников осевой опоры подпружиниваются с обеих сторон с одинаковым усилием, что обуславливает значительное подавление вибраций, возникающих при обкатывании зубцов долота по забою, от неровностей стенок скважины, неравномерности скорости подачи бурового инструмента и пульсации промывочной жидкости, воздействующих на шпиндель.

Предварительное поджатие упругих элементов обеспечивает равномерное распределение нагрузки по всем рядам осевой опоры.

Осадка пружинных колец упругого элемента устраняет разъединение элементов осевой опоры при ударах об уступы на стенках во время спуска забойного двигателя в скважину.

Таким образом, преимущества заявленного изобретения заключаются в эффективном гашении виброударов, подавлении возможных автоколебаний, передающихся бурильным трубам. Кроме того, преимущества заявленного изобретения заключаются в эффективном гашении виброударов, подавлении возможных автоколебаний, передающихся бурильным трубам. Кроме того, появляется возможность уменьшения длины шпинделя за счет сокращения количества рядов подшипника двигателя.

Указанные преимущества обуславливают увеличение срока службы шпинделя и повышение скорости бурения.

Формула изобретения

1. Шпиндель забойного двигателя, включающий корпус, размещенные внутри корпуса вал, осевую и радиальные опоры, упругий элемент, отличающийся тем, что упругий элемент установлен между радиальными опорами и выполнен в виде двух групп пружинных колец, каждая из которых содержит внутреннее кольцо, закрепленное на валу, и наружное кольцо, закрепленное в корпусе, при этом кольца расположены с зазором между ними, а осевая опора расположена между двумя группами пружинных колец и выполнена с кольцевыми каналами, обеспечивающими переток смазывающей жидкости между двумя группами пружинных колец.

2. Шпиндель по п.1, отличающийся тем, что внутренние и наружные кольца упругого элемента имеют одинаковую жесткость и выполнены с возможностью поджатия с усилием, превышающим осевую нагрузку на шпиндель на 10-15%.

РИСУНКИ

Рисунок 1