Многоступенчатая осевая опора
Владельцы патента RU 2277189:
Общество с ограниченной ответственностью "ВНИИБТ-Буровой инструмент" (RU)
Изобретение относится к области буровой техники, в частности к осевым опорам шпиндельных секций забойных двигателей, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин. Многоступенчатая осевая опора состоит из наружных и внутренних колец, дисков и подпятников с эластичными элементами, расположенных между торцами дисков. Эластичные элементы подпятников в каждой ступени осевой опоры установлены между торцами дисков с возможностью предварительного сжатия по торцам. Технический результат - повышение надежности и работоспособности многоступенчатой осевой опоры за счет повышения несущей способности и равномерного распределения осевой нагрузки по ступеням. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области буровой техники, в частности к осевым опорам шпиндельных секций забойных двигателей, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин.
Известна осевая многоступенчатая резино-металлическая опора шпинделя забойного двигателя, каждая ступень которой состоит из подпятника, диска, наружного и внутреннего кольца. Элементы ступени пяты и ее схема приведены в книге (Гусман М.Т. и др. "Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров", Москва, "Недра", 1976, стр.234. УДК 622.24.054.32). Недостатком данной многоступенчатой осевой опоры является неравномерное распределение осевой нагрузки между ступенями в связи с тем, что величина осевого люфта от ступени к ступени изменяется и зависит от точности изготовления деталей, деформации их при сборке и нагружении опоры во время ее работы. Величина потери осевого люфта в многоступенчатой осевой опоре может достигать от 0,4 до 1,6 мм, что приводит к неравномерности загрузки отдельных ступеней. Из-за недостаточной податливости эластичных элементов приклеенных в кольцевых канавках подпятников при их сжатии степень неравномерности распределения нагрузок по ступеням осевой опоры приводит к неравномерному износу трущихся поверхностей отдельных подпятников и дисков. Вследствие этого, несмотря на большое количество ступеней в осевой опоре, срок их службы недостаточен даже при оптимальных нагрузках и скоростях скольжения в опоре. Гарантированная наработка осевых опор забойных двигателей, установленная ГОСТ 4671 и в зависимости от вида промывочной жидкости составляет 55-100 часов.
Таким образом, для существенного уменьшения износа деталей многоступенчатой осевой опоры в абразивной среде, улучшения ее энергетических характеристик, а также улучшения деформационных свойств эластичных элементов подпятника следует значительно увеличить точность осевых размеров всех деталей осевой опоры и уменьшить потери осевого люфта. Однако реализация этого пути связана с удорожанием изготовления осевой опоры и усложнением сборки.
Известно техническое решение в виде многоступенчатой комбинированной осевой опоры для шпинделя забойного двигателя обеспечивающее более равномерное распределение нагрузок между ступенями осевой опоры (см. авторское свидетельство №258786, опубликованное 27.04.1969 года, МПК F 16 С 21/00, 27/00). Каждая ступень осевой опоры состоит из подшипника качения, кольцевого эластичного элемента, подшипника скольжения. Кольцевой эластичный элемент расположен между подшипниками качения и скольжения с гарантированными зазорами. Одно из колец подшипника качения контактирует с кольцевым эластичным элементом, а второе кольцо подшипника периодически взаимодействует с подшипником скольжения, покрытым антифрикционным материалом.
Когда рабочая нагрузка действует на подшипник качения, зазор между обоймой подшипника и кольцевым эластичным элементом выбирается. Под нагрузкой эластичные элементы деформируются, способствуя равномерному распределению осевой нагрузки по ступеням упорных подшипников качения.
При изменении направления действия нагрузки в работу вступают подшипники скольжения, ограничивая осевое перемещение вала шпинделя. Все конструктивные и эксплуатационные недостатки осевой опоры с этими подшипниками скольжения аналогичны многоступенчатой осевой опоре, описанной в книге "Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров", Гусман М.Т. и др.
Другими недостатками многоступенчатой комбинированной осевой опоры являются большой осевой габарит опоры, многодетальность, большой износ шаров друг о друга при их перекатывании, возможная заклинка шаров при их износе между обоймами и кольцами, а также хаотичное движение и возможная заклинка шаров между обоймами и кольцами, когда появляется увеличенный зазор между обоймами при разгрузке подшипника качения, что снижает надежность осевой опоры.
В известной многоступенчатой опоре (см. авторское свидетельство №177237, опубликованное 01.12.1965 года, МПК F 16 С 27/06, 32/00, Е 21 С 13/00) наряду с диском, наружными и внутренними кольцами применен подпятник, состоящий из корпуса, эластичного элемента, выполненного в виде втулки, и распорного вкладыша. При сборке подпятника эластичный элемент устанавливается в отверстие корпуса и затем распорная втулка запрессовывается с радиальным натягом в отверстие эластичного элемента. Для взаимодействия с диском эластичный элемент с двух сторон выступает над торцами корпуса. В ненагруженной осевой силой многоступенчатой опоре между торцами эластичных элементов и торцами дисков существует люфт, который изменяется от ступени к ступени в зависимости от конструктивных особенностей опоры.
В данной многоступенчатой осевой опоре каждая ступень воспринимает рабочую нагрузку через торец эластичного элемента, который претерпевает деформации сдвига в осевом направлении, носящие упругоэластичный характер. При таком исполнении многоступенчатой опоры возможно получить практически равномерное распределение нагрузок по всем ступеням.
Недостатком известной многоступенчатой опоры является то, что при эксплуатации эластичные элементы испытывают знакопеременные динамические нагрузки. При динамических деформациях кинетическая энергия, сообщенная эластичному элементу, в результате внутреннего трения в резине вызывает сильный ее разогрев ввиду малой теплопроводности этого материала. Кроме того, при работе многоступенчатой опоры выделяется большое количество тепла при трении диска об эластичный элемент подпятника. Повышение температуры приводит к падению упругоэластичных свойств резины, снижению радиальных напряжений сжатия в теле эластичного элемента и потере прочности сцепления в соединении эластичного элемента с корпусом и распорным вкладышем. Это приводит к снижению нагрузочных характеристик многоступенчатой опоры и надежности ее работы в условиях изменяющегося сложнонапряженного состояния материала эластичных элементов. При консольном нагружении эластичных элементов подпятника и высокой динамике может произойти разрушение опоры ступень за ступенью.
Техническая задача, решаемая в данном изобретении, заключается в повышении надежности и работоспособности многоступенчатой осевой опоры за счет повышения несущей способности и равномерного распределения осевой нагрузки по ступеням.
Указанная задача решается тем, что в предлагаемом изобретении, состоящем из наружных и внутренних колец, дисков и подпятников с эластичными элементами, расположенных между торцами дисков, согласно изобретению эластичные элементы подпятников в каждой ступени осевой опоры установлены между торцами дисков с возможностью предварительного сжатия по торцам, при этом степень сжатия эластичных элементов в условиях упругой податливости осевой опоры определяется соотношением
0,009·L≤l≤0,022·L,
где L - высота эластичного элемента подпятника;
l - высота внутреннего кольца осевой опоры.
Кроме того, в многоступенчатой осевой опоре шпинделя забойного двигателя эластичный элемент по боковым поверхностям прочно связан с корпусом и втулкой подпятника, например приклеен.
В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, подпятники с кольцевыми эластичными элементами в многоступенчатой осевой опоре установлены между дисками без зазора в каждой ступени за счет предварительного сжатия эластичных элементов по торцам, обеспечивая равномерность распределения рабочего усилия по ступеням за счет упругой податливости эластичных элементов и способность к амортизации, имея достаточную свободу деформации.
На фиг.1 показана в разрезе многоступенчатая осевая опора шпинделя забойного двигателя; на фиг.2 показан поперечный разрез подпятника.
Многоступенчатая осевая опора (фиг.1) состоит из подпятника 1, диска 2, внутреннего кольца 3 и наружного кольца 4. Осевая опора устанавливается на вал 5 и закрепляется в корпусе 6.
Подпятник 1, поперечный разрез которого показан на фиг.2, включает корпус 1, кольцевой эластичный элемент 2 и втулку 3. На внутренней поверхности в средней части корпуса 1 выполнен цилиндрический уступ и две конические проточки с основаниями у торцов уступа. Эластичный элемент 2 по боковым поверхностям прочно связан с корпусом и втулкой 3. Эластичный элемент можно, например, привулканизировать или приклеить через слой клея к корпусу и втулке 3 подпятника 1. Эластичный элемент 2 выступает над обоими торцами корпуса 2 подпятника 1 симметрично на величину h. На торцах эластичного элемента 2 выполнены радиальные промывочные каналы для охлаждения и смазывания трущихся поверхностей эластичного элемента 2 о торцы диска 2, показанного на фиг.1.
В многоступенчатой осевой опоре, показанной на фиг.1, между торцовыми поверхностями эластичных элементов подпятников 1 и дисков 2 отсутствуют зазоры, что обеспечивается конструктивными размерами деталей осевой опоры.
Так высота l внутреннего кольца 4 осевой опоры, показанного на фиг.1, выбрана меньшей, чем высота L эластичного элемента 2 показанного на фиг.2 подпятника на величину 0,009-0,022 от высоты L эластичного элемента 2.
При таком соотношении высот эластичного элемента 2 и внутреннего кольца 3 в собранной осевой опоре эластичные элементы 2 сдеформированы между торцами дисков 2 (фиг.1) под воздействием осевой силы стягивающей детали осевой опоры на валу 5. В каждой ступени осевой опоры эластичный элемент 2, имея возможность консольного прогиба, самоустанавливается между дисками, сохраняя упругую податливость. В данном случае эластичный элемент 2 является элементом, несущим рабочую осевую нагрузку.
В связи с этим эластичный элемент 2 должен быть достаточно прочным в зоне крепления к корпусу 1 подпятника 1 и должен обладать упругой податливостью в зоне сдвиговых деформаций.
При нагружении рабочих торцов эластичного элемента 2 материал, из которого он изготовлен, в зоне контакта с корпусом 1 и втулкой 2 работает в условиях объемного сжатия, что обеспечивает повышение сцепляемости эластичного элемента с металлическими деталями подпятника, увеличивая несущую способность осевой опоры.
Таким образом, при консольном нагружении эластичного элемента 2 для обеспечения эластичному материалу необходимых механических свойств нужно создать в теле эластичного элемента 2 напряжения сжатия путем предварительной деформации эластичного элемента 2 между торцами дисков в каждой ступени осевой опоры. Степень сжатия эластичных элементов 2 определяется соотношением
0,009·L≤l≤0,022·L,
где L - высота эластичного элемента подпятника;
l - высота внутреннего кольца осевой опоры.
Для многоступенчатой осевой опоры характерен практически однообразный износ во всех ступенях, независимо от режима нагружения. Это объясняется высокой податливостью ступеней при всех режимах, что обеспечивает амортизацию динамических составляющих нагрузок при одновременном их восприятии всеми ступенями осевой опоры.
Преимущества предложенной многоступенчатой осевой опоры шпинделя забойного двигателя заключается в том, что благодаря предварительному сжатию эластичных элементов подпятников между дисками достигается объемное сжатие материала эластичного элемента в зоне его контакта с корпусом и втулкой подпятника, повышая прочность связи эластичного элемента с корпусом подпятника, а также оптимальное распределение нагрузок на поверхности пар трения, повышение износостойкости и нагрузочной способности осевой опоры.
Таким образом, предлагаемое изобретение повышает надежность и работоспособность многоступенчатой осевой опоры.
Многоступенчатая осевая опора без зазоров на ее рабочих поверхностях является также амортизатором, воспринимающим ударные нагрузки от долота при бурении скважин забойными двигателями.
1. Многоступенчатая осевая опора, состоящая из наружных и внутренних колец, дисков и подпятников с эластичными элементами, расположенных между торцами дисков, отличающаяся тем, что эластичные элементы подпятников в каждой ступени осевой опоры установлены между торцами дисков с возможностью предварительного сжатия по торцам, при этом степень сжатия эластичных элементов в условиях упругой податливости осевой опоры определяется соотношением 0,009·L≤l≤0,022·L,
где L - высота эластичного элемента подпятника;
l - высота внутреннего кольца осевой опоры.
2. Многоступенчатая осевая опора по п.1, отличающаяся тем, что эластичный элемент по боковым поверхностям прочно связан с корпусом и втулкой подпятника, например приклеен.
