RU2068069C1

RU2068069C1 - Bearing assembly of roller-cutter drilling bit

Info

Publication number: RU2068069C1
Authority: RU
Inventors: П.Я. Зельцер
Original assignee: Восточно-Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1991-05-15
Publication date: 1996-10-20

Abstract

FIELD: bearing assemblies of roller-cutter drilling bits provided with radial bearings between pin and roller cutter, and thrust bearings between pin end and roller cutter. SUBSTANCE: cylinder 6 in bearing assembly of roller-cutter drilling bit have radial grooves 15 on end surfaces and spiral grooves 14 on the external and internal surfaces. Direction of spirals coincides with direction of roller cutter rotation. Disks 7 have holes radial grooves 16 and axial grooves 17. Grooves 15 and 14 and also 16 and 17 are connected by pairs. Cylinders 6 are installed with partial overlapping each other on the side of end face of pin 2 for interaction of contacting surfaces. EFFECT: higher efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту для бурения скважин, а именно, к опорам шарошечных долот, содержащим между цапфой и шарошечной радиальные и между торцом цапфы и шарошкой упорные подшипники. The invention relates to a rock cutting tool for drilling wells, namely, to bearings of cone bits containing radial between the axle and cone and between the end of the axle and cone thrust bearings.

Целью настоящего изобретения является снижение механических и термических напряжений в соприкасающихся поверхностях элементов опоры и повышение ее стойкости при высокооборотном бурении. The aim of the present invention is to reduce mechanical and thermal stresses in the contacting surfaces of the elements of the support and increase its resistance to high-speed drilling.

Поставленная цель достигается тем, что цилиндры выполнены с радиальными канавками по торцевым поверхностям и со спиральными канавками на наружных и внутренних поверхностях с нечетным числом, направление спиралей которых совпадает с направлением вращения шарошек, а диски выполнены с отверстиями, радиальными канавками по торцевым поверхностям и аксиальными канавками на наружных поверхностях, причем на цилиндрах и дисках радиальные канавки и канавки на наружных и внутренних поверхностях попарно соединены между собой, а цилиндры установлены с частичным перекрытием друг друга со стороны торца цапфы и возможностью взаимодействия соприкасающихся поверхностей друг с другом. This goal is achieved in that the cylinders are made with radial grooves on the end surfaces and with spiral grooves on the outer and inner surfaces with an odd number, the direction of the spirals of which coincides with the direction of rotation of the cones, and the disks are made with holes, radial grooves on the end surfaces and axial grooves on the outer surfaces, and on the cylinders and discs, the radial grooves and grooves on the outer and inner surfaces are paired together, and the cylinders are fixed Lena partially overlapping each other from the end face of the stud and contact surfaces for engagement with each other.

Существенными признаками заявляемого объекта являются: герметизированные опоры с трущимися элементами, расположенными между цапфой и шарошкой радиальными подшипниками скольжения в виде кольцевых цилиндров различных размеров, размещенными по диаметрам ступенчато, и между торцом цапфы и шарошкой упорными подшипниками в виде дисков; герметизированные опоры с трущимися элементами; система смазки с лубрикаторами, создающими избыточное давление смазочного материала над окружающей средой и дозированную его утечку через сальниковые уплотнения. The essential features of the claimed object are: sealed bearings with friction elements located between the journal and the roller cone radial plain bearings in the form of ring cylinders of various sizes, placed in diameters stepwise, and between the axle end and the roller cone thrust bearings in the form of disks; sealed supports with rubbing elements; lubrication system with lubricators that create excess pressure of the lubricant over the environment and its metered leakage through the packing glands.

Существенными отличиями предлагаемого устройства от известных являются:
цилиндры выполнены с радиальными канавками по торцевым поверхностям и со спиральными канавками на наружных и внутренних поверхностях с нечетным числом, направление спиралей которых совпадает с направлением вращения шарошек;
диски выполнены с отверстиями, радиальными канавками по торцевым поверхностям и аксиальными канавками на наружных поверхностях;
на цилиндрах и дисках радиальные канавки и канавки на наружных и внутренних поверхностях попарно соединены между собой;
цилиндры установлены с частичным перекрытием друг друга со стороны торца цапфы и возможностью взаимодействия соприкасающихся поверхностей друг с другом.Significant differences of the proposed device from the known are:
cylinders are made with radial grooves on the end surfaces and with spiral grooves on the outer and inner surfaces with an odd number, the direction of the spirals of which coincides with the direction of rotation of the cones;
disks are made with holes, radial grooves on the end surfaces and axial grooves on the outer surfaces;
on cylinders and discs, radial grooves and grooves on the outer and inner surfaces are paired together;
the cylinders are installed with partial overlap of each other from the side of the axle end and the possibility of interaction of the contacting surfaces with each other.

На фиг. 1 изображена в разрезе секция долота, на двух других по одному элементу опоры; фиг. 2 кольцевой цилиндр, воспринимающий радиальные нагрузки; фиг. 3 диск, воспринимающий осевые нагрузки. In FIG. 1 shows a sectional view of a section of a bit, on the other two, one support element; FIG. 2 annular cylinder, perceiving radial loads; FIG. 3 disk, perceiving axial loads.

Секция долота содержит лапу 1, которая переходит в цапфу 2. Опора долота размещается внутри шарошки 3 и включает, кроме цапфы, замковые шарикоподшипник 4 и палец 5, а также кольцевые цилиндры 6 и диски 7. Лубрикатор, размещающийся в лапе и предназначенный для создания избыточного давления в системе смазки над окружающей средой, содержит подпружиненный поршень 8 с уплотнениями, цилиндрическую втулку 9 и крышку 10 со сквозным отверстием. В цапфе просверлены отверстия 11 для прохождения смазочного материала из полости цилиндра 9 ко всем трущимся элементам. The chisel section contains a paw 1, which goes into the pin 2. The chisel support is located inside the roller cutter 3 and includes, in addition to the pin, the lock ball bearing 4 and pin 5, as well as ring cylinders 6 and discs 7. A lubricator located in the paw and designed to create excess pressure in the lubrication system above the environment, contains a spring-loaded piston 8 with seals, a cylindrical sleeve 9 and a cover 10 with a through hole. In the trunnion, holes 11 are drilled for the passage of lubricant from the cavity of the cylinder 9 to all rubbing elements.

Сальниковое уплотнение состоит из кольца 12, жестко связанного с шарошкой и вращающегося с ней, и кольца 13, установленного на лапе с возможностью осевого перемещения и прижимающегося к кольцу 12 упругими элементами. Усилие прижатия кольца 13 к кольцу 12 принимается из расчета, что при вращении шарошки происходит дозированная утечка смазочного материала через соприкасающиеся торцы колец под действием избыточного давления, создаваемого лубрикатором. Это, а также выполнение колец из твердого износоустойчивого металла позволяет использовать сальниковое уплотнение не только при низкооборотном, но и при высокооборотном бурении. The gland seal consists of a ring 12, rigidly connected with the roller cone and rotating with it, and a ring 13 mounted on a paw with the possibility of axial movement and pressed against the ring 12 by elastic elements. The pressing force of the ring 13 to the ring 12 is taken from the calculation that when the cone rotates, the lubricant is dosed through the contacting ends of the rings under the action of the excess pressure created by the lubricator. This, as well as the implementation of rings made of hard wear-resistant metal, allows the use of stuffing box packing not only for low-speed, but also for high-speed drilling.

Кольцевые цилиндры 6 имеют: на наружных и внутренних образующих канавки 14 спиральной формы, направленные в сторону вращения долота, а на торцах - радиальные канавки 15. Каждые из тех и других канавок попарно соединены между собой. The annular cylinders 6 have: on the outer and inner forming grooves 14 of a spiral shape directed towards the rotation of the bit, and on the ends - radial grooves 15. Each of the other grooves are paired together.

Диски 7 также имеют канавки на плоскостях радиальные 16, а на наружных образующих 17, направленные вдоль оси дисков; все канавки и здесь попарно соединены между собой. The disks 7 also have grooves on the radial planes 16, and on the outer generators 17, directed along the axis of the disks; all the grooves here are interconnected in pairs.

Работает долото с предлагаемой опорой следующим образом. Перед спуском его в скважину все полости системы смазки опоры заполняют смазочным материалом, подавая его в систему до тех пор, пока поршень 8 лубрикатора не поднимется в верхнее положение, не доходя до упора, из расчета возможности расширения смазочного материала при увеличении температуры. The bit works with the proposed support as follows. Before lowering it into the well, all the cavities of the bearing lubrication system are filled with lubricant, feeding it into the system until the piston 8 of the lubricator reaches its upper position, not reaching the stop, taking into account the possibility of expansion of the lubricant with increasing temperature.

Поскольку поршень 8 подпружинен, а давление окружающей среды через поршень передается на смазочный материал, внутри полостей системы смазки постоянно создается избыточное давление, что исключает проникновение бурового раствора внутрь системы смазки до тех пор, пока не будет израсходован весь смазочный материал в системе и поршень не дойдет до нижнего крайнего положения. Since the piston 8 is spring-loaded, and the ambient pressure is transmitted through the piston to the lubricant, overpressure is constantly generated inside the cavities of the lubrication system, which prevents the drilling fluid from penetrating into the lubrication system until all lubricant in the system is used up and the piston reaches to the lower extreme position.

При работе долота в связи с постепенной, дозированной утечкой смазочного материала через сальниковые уплотнения последний восполняется, поступая от лубрикатора через отверстие в центре цапфы к дискам 7, проходит через отверстия в них, канавки 16 и 17, далее перемещается к кольцевым цилиндрам 6, размещенным вблизи вершины шарошки, проходит через канавки 14 и 15 в них, шаришкоподшипник 4, канавки 14 и 15 в кольцевом цилиндре 6, размещенном вблизи затылка шарошки. During operation of the bit, due to the gradual, metered leakage of lubricant through the stuffing box seals, the latter is replenished, coming from the lubricator through the hole in the center of the journal to the disks 7, passes through the holes in them, grooves 16 and 17, then it moves to the annular cylinders 6 located near the tops of the cone passes through the grooves 14 and 15 in them, the ball bearing 4, grooves 14 and 15 in the annular cylinder 6, located near the nape of the cone.

Смазочный материал, подвергаясь действию центробежных сил во вращающихся дисках, равномерно распределяется между трущимися поверхностями. Этому же в кольцевых цилиндрах способствует выполнение канавок на их образующих в виде спиралей. Равномерное распределение смазочного материала между трущимися поверхностями способствует их охлаждению, минимизации коэффициента трения и потерь энергии на трение. Поскольку количество канавок на образующих нечетное и размещены они по спирали, то это снижает опасность вибраций при вращении шарошек. The lubricant, subject to centrifugal forces in the rotating discs, is evenly distributed between the rubbing surfaces. The same in circular cylinders contributes to the implementation of the grooves on their generators in the form of spirals. The uniform distribution of lubricant between the rubbing surfaces contributes to their cooling, minimizing the coefficient of friction and energy loss due to friction. Since the number of grooves on the generators is odd and they are arranged in a spiral, this reduces the risk of vibration during rotation of the cutters.

Размещение кольцевых цилиндров 6, находящихся вблизи вершины шарошки, с перекрытием друг друга в смежных, различных по диаметру трущихся элементах, увеличивает устойчивость опоры против образования люфта в наиболее слабых ее сечениях. The placement of the annular cylinders 6 located near the top of the cone, overlapping each other in adjacent rubbing elements of different diameters, increases the stability of the support against the formation of play in its weakest sections.

В предложенном устройстве при подаче на долото осевой нагрузки она распределяется таким образом, что каждый из трущихся элементов воспринимает только один вид нагрузки по отношению к цапфе либо радиальную (кольцевые цилиндры), либо осевую (диски). Поэтому трущиеся элементы можно выполнять многоступенчатыми, т.е. увеличить, по сравнению с показанным на фиг. 1, количество дисков, сделав их более тонкими. Так же можно поступить и по отношению к кольцевым цилиндрам, увеличив их количество в каждом сечении опоры. Такой подход позволяет кратно снизить относительные скорости вращения и соответственно пропорционально уменьшить контактные механические и термические нагрузки на них, снизить их нагрев и износ. In the proposed device, when an axial load is applied to the bit, it is distributed in such a way that each of the rubbing elements perceives only one type of load with respect to the axle, either radial (ring cylinders) or axial (disks). Therefore, the rubbing elements can be multistage, i.e. increase, compared with that shown in FIG. 1, the number of discs, making them thinner. The same can be done with respect to the annular cylinders, increasing their number in each section of the support. This approach allows to reduce the relative rotational speeds by several times and, accordingly, proportionally reduce the contact mechanical and thermal loads on them, and reduce their heating and wear.

Все изложенные отличия предлагаемого устройства позволяют использовать шарошечные долота с опорами скольжения не только при низкооборотном, но и при высокооборотном бурении, а также значительно повысить стойкость опор долот. ЫЫЫ2 All the stated differences of the proposed device allow the use of roller cone bits with sliding bearings not only for low-speed, but also for high-speed drilling, as well as significantly increase the resistance of the supports of the bits. YYY2

Claims

A roller cone bearing, comprising radial sliding bearings located between a pin and a cone in the form of ring cylinders of various sizes, arranged in steps in diameters, and a thrust bearing in the form of disks between the axle end and the cone, characterized in that, in order to reduce mechanical and thermal stresses in contacting surfaces and increase the resistance of the support during high-speed drilling, the cylinders are made with radial grooves along the end surfaces and with spiral grooves on the external and internal surfaces with an odd number, the spiral direction of which coincides with the direction of rotation of the cones, and the disks are made with holes, radial grooves on the end surfaces and axial grooves on the outer surfaces, and on the cylinders and disks the radial grooves and grooves on the outer and inner surfaces are pairwise connected between by itself, and the cylinders are installed with partial overlap of each other from the side of the axle end and the possibility of interaction of the contacting surfaces one with the other.