Обзор конструкций роторов и принцип их действия

В буровых установках для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения используются роторы, неподвижно устанавливаемые над устьем скважины. По конструктивной схеме они напоминают конический редуктор, ведомый вал который выполнен в виде вертикального полого цилиндра. Типовая конструкция ротор Р-560 (рисунок 3) состоит из следующих основных сбо­рок и элементов. Станина 7 — основной элемент ротора. Обычно она представляет собой стальную отливку коробчатой формы, внутри которой смонтированы основные сборки и детали. Внут­ренняя полая часть станины — масляная ванна для смазки кони­ческой зубчатой пары и подшипников опор стола ротора и при­водного вала. Станина ротора в большинстве случаев выполняется литой из

1 – ограждение; 2 – стол ротора; 3 – главная опора; 4 – вкладыши; 5 – зажимы; 6 – колесо; 7 – станина; 8 – вспомогательная опора; 9 – цепная звёздочка; 10 – стопорное устройство; 11 –; 12 –прокладки;

Рисунок 3 - Конструкция ротора УР-560

конструкционных нелегированных сталей. Форма и геометрические размеры ее определяются конструктивными, эксплуатационными, технологическими и эстетическими требованиями. В станине имеются горизонтальная и вертикальная расточки для размещения быстроходного вала и стола ротора.

Стол ротора 2— основная вращающаяся часть ротора представляет собой полую стальную отливку с наружным диском, прикрывающим

На основную опору действуют собственный вес стола ротора и колонны труб, удерживаемой им при СПО. В процессе бурения скважины бурильная колонна подвешивается к вертлюгу и на основную опору действуют собственный вес стола и силы трения, возникающие в результате скольжения ведущей трубы относительно зажимов 5 ротора. Подшипники и стол ротора вращаются при роторном бурении и остаются неподвижными при СПО и бурении забойными двигателями, если не учитывать их вращения при периодическом проворачивании бурильной колонны с целью предупреждения прихватов.

На вспомогательную опору действуют усилие от предварительного осевого натяга подшипника и случайные нагрузки от трения и ударов, возникающие при подъеме труб, долота и другого инструмента в результате их раскачивания и смещения относительно оси стола ротора. Важное значение для нормальной работы ротора имеет осевой предварительный натяг вспомогательного подшипника. Правильно выбранный натяг обеспечивает плотное прилегание шариков к беговым дорожкам, уменьшает износ поверхностей качения, повышает долговечность и нагружаемость подшипников, предупреждает вращение шариков под действием гироскопичеких моментов и благодаря этому снижает коэффициент трения.

Вспомогательная опора 8стола служит для восприятия ради­альных нагрузок от зубчатой передачи и осевых ударов при

Чрезмерный натяг столь же опасен, как и недостаточный, так как вызывает защемление шариков, перегрузку поверхностей качения и повышенное тепловыделение. Натяг подшипника основной опоры создается собственным весом стола ротора, а осевое его положение регулируется стальными прокладками 12, установленными под нижним кольцом осевой опоры. Осевой натяг вспомогательного подшипника регулируется прокладками, которые устанавливаются между нижним торцом стола ротора и фланцем 13, соединяемыми болтами.

Вследствие неизбежной несоосности центрирующих поверхностей стола и станины ротора шарики могут сместиться от оси симметрии беговых дорожек и в результате этого нарушится правильная работа подшипников. Для устранения несоосности центрируется одно кольцо подшипника, а другое свободно перемещается по радиусу. Под действием нагрузки свободнее кольцо самоцентрируется относительно шариков и благодаря этому обеспечивается равномерное нагружение шариков, способствующее увеличению долговечности подшипника. Обычно свободное кольцо подшипника устанавливается в станине ротора.

Упорно-радиальные шариковые подшипники выбираются по диаметру проходного отверстия стола ротора. Нагрузочная способность подшипников заданного диаметра и типа зависит от их серии. В основной опоре стола ротора используются подшипники с шариками диаметром 63,5 ­­­­- 101,6мм, а во вспомогательной опоре – подшипники более легких серий с шариками диаметром 38,1 - 47,6 мм. Конические роликоподшипники, обладающие по сравнению с шариковыми более высокой несущей способностью, в опорах стола ротора используются в редких случаях. Это обусловлено сравнительно высокой

их стоимостью и повышенной чувствительностью к перекосам, вызывающим

резкое снижение срока их службы. Относительное положение основной и вспомогательной опор ротора может быть иным. Например, в роторе УР-760 вспомогательная опора устанавливается над основной.

Для безопасности и удобства обслуживания ротор закрывается крышкой 14. Стопорное устройство 10служит для фиксации стола ротора. Рукоятка управления стопорным устройством расположена в углублении верхней ограды ротора. В углублении она защищена от повреждений и, кроме того, не мешает работать. При перево­де рукоятки в рабочее положение выдвигается упор, входящий в одну из специальных прорезей на наружной поверхности стола, и препятствует вращению.

Для облегчения труда рабочих и ускорения СПО роторы комп­лектуют пневматическими клиновыми захватами, для чего на роторе предусмотрен кронштейн, к которому присоединяется ме­ханизм подъема и опускания в отверстие ротора клиньев.

Диаметр отверстия в столе ротора и максимальная статиче­ская нагрузка на стол ротора — основные классификационные параметры. Они определяют максимальный диаметр долота и максимальные диаметр и вес обсадной колонны, которая может быть спущена в скважину.

Основные характеристики роторов приведены в таблице 1.

Для обеспечения взаимозаменяемости внутренние размеры роторов и вкладышей и наружные размеры вкладышей стандар­тизованы. Также стандартизованы длина и диаметр конца при­водного вала ротора и расстояние от оси отверстия стола до плос­кости первого ряда зубьев приводной звездочки, обеспечивающее возможность применения ротора на любой буровой установке.

В роторе, изображенном на рисунке 4, на быстроходном валу установлено колесо 14с пазами для зацепления со стопором 13,передвигающимся в направляющих втулках станины посредст­вом рукоятки 11. Последняя соединяется с валиком 12,имеющим шестеренку, которая входит в зацепление с зубьями стопора. Ше­стеренка удерживает стопор от вращения, а рукоятка 11 фикси­рует крайние его положения. Благодаря установке стопорного устройства на быстроходном валу крутящий момент, действую­щий на стопорное устройство, уменьшается. Однако коническая передача и подшипники ротора воспринимают действие реактив­ного момента, что приводит к снижению срока их службы.

В роторах сравнительно небольшой мощности трущиеся де­тали смазывают разбрызгиванием. При больших мощностях, вы­зывающих интенсивное тепловыделение, а также вследствие конструктивной компоновки

1 – полая втулка; 2 – болты; 3 – диск; 4 – подшипник; 5 – трубка;

6, 8 – гильзы; 7 – маслоуказатель; 9 – быстроходный вал; 10 – нижний подшипник; 11 – рукоятка; 12 – валик; 13 – стопор; 14 – колесо;

15 – втулка; 16 – кран;

Рисунок 4 - Буровой ротор УР-760

ротора, затрудняющей смазку под­шипников и зубчатой передачи разбрызгиванием, применяют цир­куляционную систему смазки.

Подшипники быстроходного вала смазывают жидким маслом, заправляемым в стакан через заливные отверстия. Уровень масла при заправке и эксплуатации контролируется с помощью жезло­вого маслоуказателя 7. Для предотвращения вытекания масла наружная торцовая крышка стакана снабжена гребенчатым лабиринтным уплотнением. Внутренний торец стакана имеет крышку с отражательным диском, предохраняющим масло от за­грязнения промывочным раствором и продуктами износа, по­падающими в смежную масляную ванну, которая используется для смазывания конической передачи и подшипников стола ро­тора.

Следует иметь в виду, что в конических подшипниках ролики, действуя подобно, лопастям центробежного насоса, нагнетают масло в полость между подшипником и крышкой, что приводит к дополнительной его утечке через уплотнение вала. Особенно ощутимо это проявляется в том случае, когда ролики расходятся в сторону уплотнения и оси их качения скрещиваются между подшипниками (Х-образная схема установки конических подшип­ников). Поэтому показанная на рис.5 схема установки под­шипников 5, когда ролики сходятся в сторону уплотнения и оси их качения скрещиваются вне подшипников (О - образная схема), более предпочтительна. Для предохранения подшипников от перегрева вследствие затруднительной циркуляции масла, нахо­дящегося в карманах, образованных подшипниками и уплотне­ниями крышек, в нижней части стакана имеются продольные каналы 19для выхода масла в масляную ванну стакана.

Смена масла производится после бурения каждой скважины и не реже чем через 2—3 мес. Для слива отработанного масла в ос­новании корпуса имеются сливные пробки. Перед заливкой све­жего масла ванну необходимо промыть керосином. В тех случаях, когда вспомогательный подшипник располагается над зубчатым колесом, смазывать его разбрызгиванием затруднительно. В ро­торах такой конструкции для смазывания вспомогательного под­шипника используют пластичное масло, заправляемое ручным насосом через пружинную масленку.

В роторе, представленном на рисунке 4, применяется цирку­ляционная система смазки подшипников и зубчатой пары с по­мощью плунжерного насоса 16,приводимого от эксцентричной втулки 15на быстроходном валу 9. Насос забирает масло из маслоотстойника Ав станине ротора и по трубкам 5через кран 17подает его на верхний подшипник 4.Часть масла стекает на зуб­чатый венец и смазывает зубчатую пару, а другая часть прохо­дит по каналам и поступает на нижний подшипник 10, с которого стекает в масляную ванну.

В роторе УР-760 используется стол сборной конструкции, со­стоящий из полой втулки 1, соединяемой с диском 3болтами 2с потайной головкой. Взамен стакана используются переходные гильзы 6 и 8.

Быстроходный вал 6 (смотри рисунок 5) монтируется в стакане 7 на

1 – шестерня; 2 – колёса; 3 – внутренний фланец; 4, 10 – кольцо;

5, 9 – роликоподшипники; 6 – быстроходный вал; 7 – стакан; 8, 14 - втулки; 11 – наружный фланец; 12 – болты; 13, 14, 15 – промежуточные детали; 16 – торцовый фланец; 17 – дистанционное кольцо;

18 – металлические прокладки;

Рисунок 5 - Быстроходный вал ротора в сборке

В фиксирующей опоре внутренние кольца подшипников за­креплены между заплечиком вала и маслоразбрызгивающим кольцом 4, которое упирается в торец шестерни. Наружные кольца подшипников 5 и 9 закреплены между внутренним 3и наружным 11 фланцами стакана при помощи металлических про­кладок и дистанционной втулки 8. Внутреннее кольцо ролико­вого подшипника крепится между заплечиком вала и кольцом 10, затянутым торцовым фланцем 16 через промежуточные де­тали 13, 14, 15 и дистанционное кольцо 17.

Осевые зазоры подшипников регулируются дистанционными втулками 8, 14 и спомощью набора металлических прокладок 18, установленных между стаканом и его фланцами. Осевой за­зор подшипников, контролируемый по осевому смещению вала относительно стакана, должен быть в пределах устраняющих за­щемление и обеспечивающих равномерное распределение на­грузки между роликами.

Надежная и бесшумная работа конической пары обеспечива­ется при правильном контакте зубьев, достигаемом совмещением вершин начальных конусов колеса 2и шестерни 1. Зацепление регулируется путем изменения осевого положения шестерни с по­мощью металлических прокладок 18, выполненных в виде полу­колец с прорезями для болтов. Благодаря этому прокладки устанавливаются без разборки уплотняемых деталей путем не­значительного отвинчивания болтов 12, достаточного для про­хода прокладок. Правильность регулировки зацепления обычно контролируется по пятну контакта зубьев. При сборке роторов пользуются менее точным, но более простым способом кон­троля - по плавности вращения стола ротора при проворачивании быстроходного вала усилием рук рабочего.

Роликовый зажим (рисунок 6) состоит из корпуса 2и откид­ной скобы 3.Корпус и нижняя часть откидной скобы закрыва­ются крышками 4и скрепляются болтами. Откидная скоба со­единяется с корпусом шарниром 5.Верхняя часть корпуса имеет квадратное сечение под размеры квадратного углубления вкла­дышей. Нижняя часть корпуса снабжена центрирующим цилин­дрическим пояском. Цапфы оси роликов 1устанавливаются в пазы квадратного сечения на вертикальных ребрах корпуса и нижней части откидной скобы. Расстояние между роликами по размеру ведущей трубы регулируется поворотом цапфы осей подшипни­ков. На торцах цапф имеются масленки для смазки подшипни­ков.

1 – цапфа; 2 – корпус; 3 – откидная скоба; 4 – крышка; 5 – шарнир;

Рисунок 6 - Роликовый зажим.

При спуско-подъемных операциях зажимы ведущей трубы вы­таскивают из ротора, а для удержания колонн труб на роторе ис­пользуют элеватор либо клиновой захват с пневматическим при­водом. По сравнению с элеватором пневматический клиновой захват значительно облегчает и ускоряет спуско- подъемные опе­рации. Поэтому на практике преимущественно распространены роторы, оснащенные пневматическим клиновым захватом (ПКР).

Пневматический клиновой захват (рисунок 7) состоит из втулки 5, двух конических вкладышей 4, клиньев 2с плашками 9. Втулка и вкладыши неподвижны относительно стола, а клинья с плашками могут перемещаться по наклонным пазам вклады­шей. При перемещении вниз клинья скользят по наклонным па­зам вкладышей и сближаются в радиальном направлении. Под действием радиального усилия, возникающего

1 – траверса; 2 – клинья; 3 –рычаги; 4 – вкладыши;

5 –втулки; 6 – стойки; 7 – кольцевая рама; 9 – плашки; 10 – рычаг; 11 –цилиндр; 12 – станина; 13 – торцовый фланец;

Рисунок 7 - Пневматический клиновый захват ПКР-560

в клиньях от соб­ственного веса колонны, плашки зажимают трубу, и колонна удер­живается в роторе. Для освобождения зажатой трубы клинья перемещаются вверх одновременно с колонной труб, поднимае­мой крюком.

Привод клинового захвата осуществляется при помощи пнев­матического цилиндра 11, закрепленного на кронштейне станины 12ротора. Шток пневматического цилиндра соединяется с коротким плечом рычага 10. Длинное плечо рычага на конце имеет вилкообразную форму и надевается на ролики 8кольцевой рамы 7, с которой соединяются стойки 6,перемещающиеся в вертикаль­ных направляющих пазах втулки 5. Верхние концы стоек укреп­лены в траверсе 1, которая рычагами 3соединяется с клиньями 2.

Под действием сжатого воздуха, подаваемого в поршневую полость пневмоцилиндра, шток поршня поворачивает рычаг 10против часовой стрелки. При этом кольцевая рама 7 вместе со стойками 6, траверсой 1 и рычагами 3перемещается вверх и под­нимает клинья 2.Обратное перемещение клиньев осуществляется при подаче сжатого воздуха в штоковую полость пневмоцилиндра и повороте рычага 10по часовой стрелке. Рычаги 3обеспечивают перемещение клиньев в радиальном направлении при подъеме и опускании клиньев. Соотношение плеч рычага 10выбирается в зависимости от хода поршня пневмоцилиндра и необходимой высоты подъема клиньев.

Вес бурильной колонны, удерживаемой клиновым захватом, ограничивается допускаемым контактным давлением между плашками и телом трубы. Для снижения контактных давлений пользуются удлиненными клиньями и специальными плашками, охватывающими трубу с минимальным зазором между их про­дольными торцами. В некоторых конструкциях вместо трех ис­пользуется шесть клиньев, что способствует более равномерному распределению контактных давлений.

При недостаточной удержив

Пневматический клиновой захват сблокирован с приводом ротора так, что при поднятом клиновом захвате исключается возможность вращения стола ротора. Во время бурения клинья с траверсой убираются и заменяются зажимом под ведущую трубу, а стойки с кольцевой рамой опускаются в крайнее нижнее положение. Управление пневматическим клиновым захватом осуществляется педальным краном, установленным у пульта буриль­щика.

1 – элеватор; 2 – подкладное кольцо; 3 – защелка; 4 – втулка; 5 – корпусная втулка; 6 – центратор;

Рисунок 8 - Оснастка для спуска обсадной колонны

Роторы имеют групповой либо индивидуальный привод. При групповом приводе ротор соединяется с двигателями буровой ле­бедки посредством цепных передач, карданных валов и зубчатых редукторов. Индивидуальный привод применяется в электрических буровых установках, предназначенных для бурения скважин глу­биной 6000 м и более. Величина крутящего момента, передавае­мого ротором, контролируется датчиками, установленными на приводном валу либо в силовых передачах ротора.