CC BY
82
НАДЕЖНОСТЬ МАШИН
УДК 622.24.051.5 (083)
А.Н. Виноградов, В.Г. Куранов ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БУРОВЫХ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ НА ОСНОВЕ КОМБИНАЦИИ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ
Приводится анализ современных конструкций буровых шарошечных долот, даются рекомендации по повышению их эксплуатационных характеристик на основе новых трибологических принципов и эффектов. Предлагается новая запатентованная конструкция долота, использующего эти эффекты.
А.^ Vinogradov, V.G. Kuranov CHISEL CONE ROCK BITS OPERATING CHARACTERISTICS INCREASE ON THE BASIS OF A SPEED KEY OF TRIBOLOGICAL EFFECTS
The article analysis modern constructions of chisel cone rock bits and gives recommendations for increasing their operating characteristics on the basis of new of tribological principles and effects. The new licensed construction of a chisel using these effects is offered here.
Буровые шарошечные долота, применяемые в буровой технике для бурения скважин при добыче нефти, газа и воды, несут большие динамические нагрузки от воздействия ударов и вибрации. В условиях повышенных температур и недостаточной смазке это приводит к локальным концентрациям контактных напряжений, разрыву масляной пленки и схватыванию трущихся поверхностей, в результате чего снижается ресурс подшипников и возникает опасность заклинивания опоры. Этому способствуют также перекосы шарошки и возникновение краевого эффекта. Поэтому известные технические решения, с целью повышения ресурса и надежности шарошечных долот, направлены на устранение или снижение отрицательного влияния этих факторов.
Долота типа ГАУ применяют при роторном бурении с частотами вращения 30^90 мин-1 и осевыми нагрузками 100^280 кН [1].
Принудительная подача смазки в зоны трения у них осуществляется из маслонаполненных резервуаров с уравнителями давления через систему каналов, соединяющих эти резервуары с полостями опор, имеющих герметизирующие элементы в виде резиновых колец.
Долота типа ГНУ, где герметизация внутренней полости шарошек осуществляется при помощи тарельчатых пружинных герметизирующих уплотнений, применяются при осевых нагрузках 90^310 кН и частотах вращения 25^90 мин-1[1].
При турбинном бурении применяются негерметизированные долота с различными сочетаниями подшипников. Примерный срок службы этих долот отечественного производства, зависящий от режимов бурения, представлен в таблице [2].
Режимы бурения Частота вращения долота, об/мин Стойкость шарошечных долот отечественного производства, ч
Турбинное 600-700 8-25
Роторное 25-250 160-200
Недостатками всех этих долот являются малый срок службы и, как следствие, большие расходы на их ремонт и замену.
Для повышения надежности и ресурса шарошечных долот ведутся исследовательские работы в нашей стране и за рубежом. Американская компания РИД ТУЛ КОМПАНИ предлагает универсальное долото для турбинного и роторного бурения с опорой скольжения и оригинальным замковым подшипником.
Среди отечественных разработок известна опора скольжения с переменными зазорами в подшипниках, компенсирующими перекос оси шарошки относительно цапфы - патент РФ № 2097522 [3] и снижающими, таким образом, вероятность заклинивания.
Однако для изготовления такой опоры требуется высокоточное специальное оборудование и селективная сборка, что ведет к значительному удорожанию ее изготовления, а в эксплуатации, при наличии переменных по длине зазоров, неизбежны повышения контактных давлений в нормальном режиме (при отсутствии перекоса) и интенсивности износа.
Таких недостатков не имеет опора скольжения с клиновидной формой цапфы и сегментными вкладышами, снижающими контактные давления за счет повышения максимального угла - а. с. СССР № 791894 [4].
Однако из-за наличия в ней отверстия для ввода шариков в замковый шарикоподшипник снижаются прочность и надежность шарошечного долота.
Наиболее совершенной, с точки зрения надежности, является опора с подшипниками скольжения в виде плавающих втулок разных размеров, ступенчато перекрывающих друг друга и имеющих нечетное количество спиральных смазочных канавок, снижающих также опасность возникновения вибрации - патент РФ № 2068069 [5], рис. 1.
Но и эта конструкция опоры не лишена недостатков:
- жесткость опорных втулок ограничивает их возможность самоустанавливаться и компенсировать перекосы шарошки, в результате чего не достигается снижения контактных давлений на рабочих поверхностях;
- расположение нескольких опорных втулок в разных сечениях создает неопределенность базирования и может вызвать перегрузку отдельных втулок с выходом их из строя;
- наличие большего числа опорных втулок разных размеров и упорных дисков со смазочными канавками, усложняющих и удорожающих конструкцию.
Нами предложена конструкция высоконадежной опоры шарошечного долота, свободная от этих недостатков и основанная на комбинации трибологических эффектов и условий, повышающих их устойчивость:
- эффекта проф. Н.Е. Жуковского о движении без трения [6];
- эффекта избирательного переноса (ИП) проф. Д.Н. Гаркунова [7];
- явления структурной приспособляемости проф. Б.И. Костецкого [8];
- явления фрикционной непроводимости (ФН) проф. В.Г. Куранова, на основе которого сформулированы условия устойчивости ИП [9].
Реализация эффекта «движения без трения», за счет компенсации сил трения принудительным движением промежуточной опоры, осуществляется в нашей конструкции с помощью подвижных пружинных вкладышей, но их движение в отличие от эффекта Н.Е. Жуковского осуществляется без внешнего источника энергии - за счет разности сил трения, возникающих на внутренней и наружной поверхностях вкладыша. Таким образом, устраняется трение покоя. Достижение безызносного трения (ИП) осуществляется с помощью фрикционных покрытий и специальных металлоплакирующих присадок, образующих на поверхности защитные вторичные структуры.
Исследования и применение ИП показали, однако, что он неустойчив в традиционных подшипниках, работающих с зазором в окислительных средах, где он переходит в стационарный режим нормального окислительного трения (НОТ) - наиболее характерного для большинства трибосопряжений.
Профессор Б.И. Костецкий на основе НОТ выдвинул положение об «универсальном явлении структурной приспособляемости», как способности материалов перестраивать структуру поверхностного слоя, чтобы лучше сопротивляться износу.
При исследовании механизмов ИП и ФН автором было установлено, что оба эти явления имеют одну энергетическую природу - активацию поверхности пластической деформацией, которая может реализоваться возникновением как естественной защитной структуры в виде пленки оксида (при НОТ), так и защитных структур другого типа, в том числе характерных для ИП.
Таким образом, в настоящее время имеется достаточно оснований утверждать, что «структурная приспособляемость» действительно является универсальным трибологическим явлением, а ФН и ИП - его частными случаями. Устойчивость ФН ограничивается концентрацией внутреннего (активного) окислителя, истощение которого ведет к схватыванию. На этой основе объясняется причина неустойчивости ИП, который при недостаточности металлоплакирующего материала вытесняется окислительным процессом, и формулируются условия ее повышения:
1 - активация поверхности пластической деформацией;
2 - ограничение или подавление окислительных процессов.
В традиционных подшипниках эти условия не выполняются.
В нашей конструкции опоры шарошечного долота (патент РФ № 2214497) упругий плавающий вкладыш устанавливается с натягом (условие 1), который регулируется поджа-тием упругого элемента, а диффузия окислителя ограничивается (условие 2) сальниковым уплотнением.
Опора скольжения шарошечного долота (рис. 2) содержит лапу 1 с цапфой 2, шарошку 3, периферийный и концевой радиальные подшипники скольжения в виде плавающих опорных втулок 4 и 5 (пружинных вкладышей), упорный подшипник скольжения 6 и замковое устройство в виде двух плавающих полуколец 7 и 8 прямоугольного сечения, размещенных в цапфе и шарошке.
Плавающие опорные втулки 4 и 5 имеют в средней части не доходящие до их торцов прорези 9, выполненные по винтовой линии, и напоминают винтовые цилиндрические пружины, навитые из проволоки прямоугольного сечения (рис. 3). Цапфа 2 располагается в запорной втулке 10, образующей с телом шарошки 3 кольцевую канавку для полуколец 7 и 8 замкового устройства. Запорная втулка закрепляется в шарошке резьбовым соединением, затягивающимся при работе бурового долота.
Благодаря плавающим опорным втулкам (пружинным вкладышам) снижается примерно в 2 раза скорость относительного движения рабочих поверхностей, компенсируются перекосы шарошки, повышаются равномерность распределения смазки и износостойкость, а также снижается вероятность возникновения схватывания. Если же схватывание все-таки произойдет, то в результате скручивания пружинных опорных втулок под действием разности моментов трения на наружной и внутренней поверхностях, произойдет освобождение прихваченной детали и подшипник сможет продолжать нормально работать.
4,5
Рис. 2. Разработанная конструкция Рис. 3. Плавающая опорная втулка
опоры скольжения долота (подшипник скольжения)
Модели конструкции опоры шарошечного долота испытаны в режимах, приближенных к реальным условиям при частотах вращения, характерных для роторного и турбинного способов бурения.
Исследованы различные материалы пар трения, в том числе применяемые в серийных шарошках отечественного производства. Общая конструкция долота не претерпела изменений, которые касались только цапфы лапы долота и внутренних поверхностей шарошек. Исследованы также различные смазки и присадки. Выбраны наиболее эффективные их варианты, исключающие схватывание и задиры при значительных осевых и радиальных нагрузках. Для стендовых испытаний использована установка с осевым и радиальным нагружением (рис. 4).
Результаты стендовых испытаний подтвердили высокую надежность предлагаемой конструкции опоры шарошки.
Для отработки и проверки собираемости узла «цапфа лапы долота + шарошка» изготовлены образцы натуральной величины с вырезом У части для контроля размеров и состояния рабочих поверхностей после испытаний, рис. 5.
Рис. 4. Схема нагружения модели шарошки
Рис. 5. Детали узла «цапфа лапы долота + шарошка» для проверки на собираемость:
1 - цапфа с шарошкой в сборе; 2 - пружинный вкладыш; 3 - половинка замкового кольца;
4 - сальниковое уплотнение
В настоящее время, по соглашению с фирмой ЗАО «ЛУКС», готовится опытная партия долот для проведения испытаний в условиях Западной Сибири и Саратовской области.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 20692-75 «Долота шарошечные. Типы и основные размеры. Технические требования». М.: Изд-во стандартов,1975. 64 с.
2. Шарошечные долота: Международный транслятор-справочник. М.: АНО «Техно-нефтегаз», 2000. 250 с.
3. Патент РФ № 2097522. Опора скольжения шарошечного долота / Ю.Г. Матвеев, А.Н. Попов, А.В. Торгашев, С.П. Баталов. Е21В 10/22. Опубл. 27.11.97. Бюл. № 24. 38 с.
1
2
4
3
4. А.с. СССР № 791894. Опора шарошечного долота / Л.С. Курумов, А.С. Мокшин. Е21В 10/22. Опубл. 30.12.80. Бюл. № 48. 49 с.
5. Патент РФ № 2068069. Опора шарошечного долота / П.Я. Зельцер. Е21В 10/22. Опубл. 20.10.96. Бюл. № 22. 47 с.
6. Справочник Хютте. Т. 1. М.: Главная редакция по машиностроению и металлообработке, 1996. 384 с.
7. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985. 424 с.
8. Куранов В.Г., Виноградов А.Н. Избирательный перенос и нормальное окислительное трение - варианты универсального явления структурной приспособляемости// Восстановление и управление качеством деталей машин и механизмов: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1999. С. 27-33.
9. Куранов В.Г. Фрикционная непроводимость слаботочных контактов. Саратов: СГТУ, 1996. 60 с.
Виноградов Александр Николаевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета
Куранов Владимир Георгиевич -
доктор технических наук,
профессор кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
