Доклад, представленный на международной конференции "NO-DIG - 2012". Авторы - Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов, Кузбасский государственный технический университет (Россия, Кемерово)
Опыт эксплуатации бурошнековых агрегатов позволил выявить ряд проблем, связанных с транспортированием грунта:
1) ухудшение работы шнекового става при работе с вязким грунтом. Это проявляется в недостаточной интенсивности перемещения бурового шлама при работе в ряде режимов, а иногда и в невозможности обеспечения перемещения;
2) ограниченная дальность транспортировки разбуренного грунта шнековым буровым ставом. Удлинение шнекового става, повышенные требования к прочности и надежности приводят к увеличению массы оборудования, а, следовательно, потерь на холостое трение. Это существенно влияет на требуемую мощность привода установки. Повышенные габариты и масса влияют также на трудоемкость доставки и монтажа элементов бурошнекового оборудования;
3) интенсивный износ шнеков, определяемый воздействием на их поверхность транспортируемого грунта, а также в значительной мере их взаимодействием со стенками скважины или инвентарной обсадной трубы - в случае, если шнековый став относительно них не отцентрирован;
4) недостаточная надежность опорно-якорных и опорно-центрирующих устройств бурошнекового става, делающая невозможным длительное бурение без технического обслуживания.
В результате теоретических и экспериментальных исследований на кафедре горных машин и комплексов КузГТУ были предложены новые способы двухэтапного бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин, при реализации которых повышение эффективности проходки и транспортирования достигается посредством целенаправленного изменения физико-механических свойств продуктов разрушения путем их увлажнения до границы текучести (40…50 %). При этом реализуются положительные качества как шнекового, так и гидравлического способов транспортирования продуктов разрушения, теряющих способность к налипанию. Возрастает скорость проходки, энергоемкость бурения снижается при этом в 2...3 раза, в отдельных случаях до 5 раз, что в принципе позволяет использовать данные способы при сооружении скважин длиной 100…150 м и более, в чем имеется в настоящее время насущная потребность.
Техническая реализация этого осложнена тем, что до сих пор не получила решения проблема обеспечения работоспособности подшипниковых узлов машин горизонтального бурения: опорно-якорных устройств расширителей, опорно-центрирующих устройств бурошнекового става, опор прицепных устройств, а также подшипниковых узлов вращательно-подающих механизмов. Радиальные подшипники этих узлов эксплуатируются в условиях интенсивного взаимодействия с частицами увлажненного разработанного грунта, что делает невозможным длительное бурение без технического обслуживания. Традиционные подходы к конструированию не позволяют обеспечить требуемый минимальный ресурс, который для данных узлов выражается временем, затрачиваемым на бурение одной скважины.
На рис. 1 представлены типовая технологическая схема и бурошнековое оборудование для двухэтапного бурения горизонтальных скважин с указанием подшипниковых узлов, лимитирующих его работоспособность, на рис.2 и 3 – общий вид узлов.
Рис. 1. Технологическая схема и бурошнековое оборудованиедля двухэтапного бурения горизонтальных скважин:
1 – забойный опорно-якорный подшипниковый узел; 2 – опорно-центрирующие подшипниковые узлы; 3 – узел прицепного устройства; 4 – узлы вращательно-подающего механизма
Забойный опорно-якорный подшипниковый узел, представленный на pис.3, при малых габаритах (для снижения сопротивления перемещению продуктов разрушения) должен надежно обеспечивать легкость вращения расширителя и става при малом разрыве шнековой спирали (не более 100 мм) и воспринимать действующие с их стороны значительные комбинированные нагрузки. Практика использования в данной конструкции стандартных подшипников качения и уплотнений при бурении горизонтальных скважин в условиях строительных объектов треста «Уралэнергострой» показала, что активное воздействие продуктов разрушения, особенно увлажненных, приводит к сгоранию уплотняющих веществ, проникновению бурового шлама во фрикционную зону подшипников с последующим отверждением, их преждевременному износу, поломкам, заклиниванию. Ресурс, отнесенный ко времени бурения одной скважины, составляет 42,8 %. Техническое обслуживание с целью профилактики отказа во время бурения скважин невозможно.
Рис. 2. Забойный опорно-якорный подшипниковый узел:
а) – работа в составе расширителя обратного хода; б) – конструктивное исполнение
Жесткие требования по снижению радиальных и осевых (для сокращения разрывов шнековой спирали до 50 мм) габаритов при одновременном гарантированном подвешивании секции шнека внутри инвентарной обсадной трубы предъявляются к многочисленным опорно-центрирующим подшипниковым узлам (рис. 3). Промышленные испытания бурошнековых машин, осуществленные в условиях треста «Кузбассэнергострой», показали полную непригодность для использования в данных узлах подшипников скольжения, так как такая конструкция обеспечивает относительный ресурс лишь 34,3 % . Принятая к эксплуатации конструкция узла, аналогичная опорно-якорному и оснащенная стандартными радиальными подшипниками качения и уплотнениями, не отвечает требованиям работоспособности по аналогичным с вышеописанным узлом причинам. Техническое обслуживание с целью профилактики во время бурения скважин невозможно. Ситуация осложняется многочисленностью данных узлов на собранном шнековом ставе.
Рис. 3. Опорно-центрирующий подшипниковый узел
Работоспособность подшипникового узла прицепного устройства, изображенного на рис. 4, определяет возможность протаскивания трубы-кожуха, служащей крепью для пробуриваемой скважины. Эксплуатация данного узла осложняется образованием вблизи него так называемой призмы волочения высотой 0,3-0,5 м, состоящей из грунта, непогруженного в шнековый став. Тяжелые условия работы опоры приводят к быстрой потере подшипниками работоспособности, относительный ресурс составляет 22,6 % , однако в процессе работы возможна профилактика отказа периодическим техническим обслуживанием.
Рис. 4. Подшипниковый узел прицепного устройства
Достаточно актуальной представляется проблема поддержания работоспособности подшипниковых узлов вращательно-подающего механизма машины горизонтального бурения, обладающих, безусловно, наибольшим относительным ресурсом.
Рис. 5. Подшипниковый узел вращательно-подающего механизма
На рис. 5 представлен общий вид подшипниковых узлов вращательно-подающего механизма, находящихся под напором выбуриваемых масс.
Конструирование смазывающих и уплотняющих элементов данных подшипниковых узлов на базе традиционных общемашиностроительных методик не позволяет избегать внезапных отказов, выражающихся в катастрофическом заклинивании подшипников качения под напором проникающего в узлы в большом количестве увлажненного выбуриваемого материала. Возможна профилактика отказов периодическим техническим обслуживанием.
Таким образом, рассмотренные выше разновидности потери работоспособности многочисленными радиальными подшипниками качения, имеющимися в основном бурошнековом оборудовании, характеризуются процессами нарушения герметичности фрикционной зоны и функции смазывания. Наихудшие показатели работоспособности и невозможность технического обслуживания демонстрируют многочисленные опорные узлы шнекового бурового става Дальнейшее их совершенствование должно быть направлено на возможно более полное сохранение свойств смазки и уплотнения в течение требуемого ресурса.
Кафедра горных машин и комплексов совместно с кафедрой прикладной механики КузГТУ участвует в реализации концепции создания новых конструкций подшипников с твердосмазочным антифрикционным заполнителем (АФЗ), обладающих самосмазывающими и самогерметизирующими свойствами, для опорных узлов инструмента бурошнековых комплексов, графически отраженной на рис.6. Суть концептуальных решений заключается в том, что на основе прогнозирования показателей работоспособности внутренней конструкции в конкретных условиях эксплуатации и сравнении их с назначенными показателями возможно обоснование новых технических решений, сохраняющих положительные свойства прототипа и имеющих конструктивные особенности, обеспечивающие выполнение служебных функций в течение назначенного периода времени.
Рис. 6. Схема обоснования технических решений по созданию конструкций необслуживаемых подшипников с АФЗ для опорных узлов шнекового става машин горизонтального бурения
Известны полимерные материалы, которые при своей достаточной конструкционной прочности не могут быть использованы в качестве основы твердосмазочного заполнителя, потому что существует техническое противоречие между необходимым условием обеспечения усталостной прочности АФЗ и условием эффективного смазывания деталей подшипника ротапринтным методом. Для устранения этого противоречия возможно комбинирование материалов различного служебного назначения во внутренней конструкции подшипника.
Иллюстрацией может служить конструкция подшипника качения с АФЗ (рис. 7), содержащего внутреннее 1 и наружное 2 кольца, расположенные между ними тела качения 3 и выполненный из твердосмазочного антифрикционного заполнителя армированный сепаратор 4. В качестве арматуры 5 использован металлический стандартный сепаратор, сохраняемый в конструкции. Подшипник снабжен каркасом, например, из полимерного материала, в виде имеющих форму кольца торцовых пластин 6 и 7, соединенных образующими с ними единое целое осевыми перемычками 8, расположенными между телами качения, арматурой и кольцами подшипника.
Нормальная работа подшипника обеспечивается наличием армированного твердосмазочного антифрикционного материала, выполняющего сепарирующую, смазочную и уплотняющую функции. В условиях динамических нагрузок твердосмазочный заполнитель сохраняется во фрикционной зоне подшипника за счет того, что он скреплен решеткой из соединенных перемычками 8 кольцевых пластин 6 и 7, защищающих торцы заполнителя.
Способ изготовления данной конструкции подшипника с АФЗ может быть реализован следующим образом. В пастообразном виде заполнитель впрессовывают в предварительно подготовленный подшипник таким образом, чтобы часть внутреннего пространства, прилегающая к торцевым поверхностям и сообщающаяся в осевом направлении, между деталями подшипника, оставалась свободной. Это может быть осуществлено с помощью корончатого приспособления, копирующего форму решетки. После этого производится термообработка до отверждения антифрикционного материала и предварительное формирование зазоров между ним и деталями подшипника. Затем оставшееся свободное пространство заполняют вторичным материалом сфизико-механическими свойствами, обеспечивающими прочность при динамических нагрузках. После отверждения этого материала в виде решетки проводится окончательное формирование зазоров в подшипнике и технологическая приработка.
Рис. 7. Подшипник с АФЗ с защитной решеткой
Введение в АФЗ направленно ориентированных армирующих волокон приводит к перераспределению напряжений во внутренней конструкции, при этом данные элементы становятся несущими. Армирующая волоконная матрица скрепляет все упрочняющие элементы в монолит, является средой, воспринимающей и передающей нагрузку, а в случае разрушения отдельных волокон перераспределяет напряжения. Имеются теоретические и экспериментальные подтверждения того, что рациональное использование физико-механических свойств армирующих элементов направленного вида определяет характер поведения композиционного материала при сдвиге, сжатии и усталостном разрушении.
Примером реализации вышеописанных положений может служить подшипник качения (pис.8), который в соответствии со служебным назначением обеспечивает легкость вращения за счет перекатывания разделенных сепаратором 3 тел качения 4 относительно колец 1 и 2. Нормальная работа подшипника обеспечивается твердосмазочным антифрикционным материалом 5, выполняющим смазочную и герметизирующую функции. В условиях динамических нагрузок разрушению заполнителя препятствуют армирующие элементы 7. Образующее с ними единое целое защитное покрытие 6 предохраняет антифрикционный материал от выкрашивания из фрикционной зоны через торцы. Наличие защитного покрытия 6 способствует также, вследствие повышенной износостойкости материала поддержанию работоспособности своеобразных щелевых уплотнений, образующихся между поверхностями антифрикционного материала 5 и колец 1 и 2.
Армирующие элементы могут быть выполнены в виде металлических нитей, объединяющихся в единое целое с покрытиями из этого же материала, а также в виде волокон, стержней, скоб, пластин из различных материалов, объединяющихся с материалом покрытий в единое целое посредством адгезии.
При изготовлении подшипника армирующие элементы располагают в его свободном внутреннем пространстве, придавая им преимущественно осевую направленность. Затемантифрикционный материал в пастообразном состоянии впрессовывают в подшипник; расположение армирующих элементов не препятствует этому. После этого производят термообработку до отверждения антифрикционного материала, а затем на торцы его наносят защитное покрытие.
Нанесение покрытий может быть осуществлено способами, обеспечивающими адгезию с поверхностями торцов антифрикционного материала и надежное объединение покрытий с армирующими элементами в единое целое. При этом могут быть использованы собственные электропроводящие свойства графитсодержащих антифрикционных материалов. Покрытия наносят, например, гальваническим путем, электроискровым наплавлением, натиранием, нанесением полимерных составов.
Рис. 8. Подшипник с АФЗ с рациональным армированием
Применительно к подшипникам с АФЗ нет необходимости в силовом замыкании уплотняющих полусепараторов с кольцами и телами качения подшипника, поскольку отвержденный антифрикционный заполнитель может выполнять как уплотняющую, так и фиксирующую по отношению к соединяемым полусепараторам функцию. Конкретными примерами осуществления вышеописанных положений служат конструкции подшипников, описанные ниже.
Подшипник качения с АФЗ (рис.9) имеет в своей конструкции внутреннее 1 и наружное 2 кольца, расположенные между ними отсепарированные тела качения 3; свободное пространство между кольцами занято твердосмазочным антифрикционным заполнителем 4. Сепаратор подшипника выполнен в виде соединенных в осевом направлении торцовых шайб 5 и 6, снабженных обращенными внутрь сепарирующими выступами 7 и ограничивающих внутреннее пространство между деталями подшипника для заполнителя. На торцовых поверхностях шайб предусмотрены окна 8, заодно с шайбами выполнены фиксирующие элементы 9 и 10 в виде пластин. При сборке подшипника отогнутые концы пластин 9 одной шайбы после перемещения по спрофилированным поверхностям пластин 10 другой шайбы вводятся в отверстия 11, образуя неразъемное соединение.
При изготовлении подшипника точность позиционирования для сборки обеспечивается силовым замыканием поверхностей пластин 10, точность взаимного расположения шайб 5 и 6 в подшипнике определяется соответствием размеров отогнутых концов пластин 9 и отверстий 11, в которые они входят.
Рис. 9. Подшипник с АФЗ с сепаратором-уплотнением
После сборки и фиксации между шайбами, кольцами и телами качения образуется свободное внутреннее пространство, в которое впрессовывают пастообразный антифрикционный заполнитель через окна 8. Затем проводят термообработку для отверждения твердосмазочного антифрикционного заполнителя, формирование зазоров между заполнителем и деталями подшипника, а также технологическую приработку. После отверждения твердосмазочного заполнителя окна оказываются закрытыми. Отвержденный антифрикционный заполнитель дополнительно фиксирует соединение пластин 9 и 10, препятствуя их самопроизвольному разведению. Шайбы 5 и 6 препятствуют выкрашиванию твердосмазочного заполнителя 4, что повышает долговечность подшипника в условиях воздействия динамических нагрузок.
В подшипнике (рис. 10) заполнитель 4 не составляет между кольцами подшипника 1 и 2 и телами качения 3 единого целого, а разделен на сектора сборными радиальными перемычками 5. Этим обеспечивается облегченная динамика заполнителя при его взаимодействии с деталями подшипника в процессе изготовления и эксплуатации. Перемычки 5 несут также на противолежащих плоскостях сепарирующие элементы 6, разделяющие тела качения; соединение половин этих радиальных перемычек производится силовым замыканием, для чего на прилежащих плоскостях выполнены элементы 7 в виде выступов и ответных впадин. Силовое замыкание половин радиальных перемычек дополнительно фиксируется тангенциальными силами, действующими со стороны тел качения, а также отвержденным антифрикционным заполнителем. От выкрашивания через торцы подшипника твердосмазочный антифрикционный заполнитель защищен шайбами 8, объединяющими части перемычек 5 с каждой стороны в единое целое. Торцовыми поверхностями шайб дополнительно обеспечивается стабильность уплотняющих зазоров между заполнителем и кольцами подшипника.
Процесс сборки уплотняющего сепаратора может нести регулирующую функцию по отношению к зазорам в гнездах. Подшипник качения (рис.11) содержит помимо колец 1 и 2 и размещенных между ними тел качения 3, также сепаратор в виде втулки 4, имеющей на одном торце разделяющие выступы 5 и соединенной с другой втулкой 6. Обе детали сепаратора снабжены уплотняющими элементами 7, выполняющими совместно с поверхностями колец защитную функцию. Соединение деталей сепаратора выполнено при помощи резьбы 8, нарезанной на ответных образующих поверхностях выступов. При наибольшем свинчивании обеспечивается минимальный осевой зазор между телами качения 3 и втулками 4 и 6.
Рис. 10 Подшипник с АФЗ со сборными радиальными перемычками
В процессе изготовления подшипника после распределения тел качения между кольцами на сборку подается втулка 4 . При ее поступательном перемещении выступы 5 проходят между телами качения 3, разделяя их. Уплотняющие элементы 7 на втулке 4 выполняют при этом совместно с ответными поверхностями колец 1 и 2 защитную функцию, так что торец подшипника со стороны втулки 4 уплотнен, а противоположный торец открыт.
Рис. 11. Подшипник с АФЗ со свинчивающимся сепаратором
Через открытый торец в подшипник может быть помещен пастообразный антифрикционный компаунд. Затем на сборку подают втулку 6 , которая соединяется с выступами 5 при помощи резьбы 8. Для свинчивания используется инструмент, оснащенный динамометрическим устройством, так что при достижении наибольшей длины свинчивания воздействие момента на втулку 6 прекращается. После установки втулки 6 торец подшипника с другой стороны также уплотнен. Выкрашивание отвержденного антифрикционного материала предотвращают уплотняющие элементы обеих втулок.
Применение новых вышеописанных технических решений в области конструирования необслуживаемых подшипников с АФЗ с улучшенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками позволило обеспечить повышение технического ресурса в условиях промышленного бурения горизонтальных скважин на проектную длину по глиносодержащим грунтовым массивам.
Комментарии 0