Содержание статьи
- Назначение и роль подшипников келли-штанги
- Конструктивные особенности узла направляющей
- Подшипники скольжения телескопических секций
- Роликовые направляющие келли-штанги
- Полимерные накладки и антифрикционные материалы
- Технические характеристики и параметры
- Износ подшипников и диагностика
- Техническое обслуживание и замена
- Требования стандартов и нормативы
Назначение и роль подшипников келли-штанги
Подшипники узла направляющей келли-штанги выполняют критически важную функцию в конструкции буровых установок. Келли-штанга представляет собой телескопическую трубчатую конструкцию, передающую крутящий момент от ротора буровой установки к буровому инструменту. В процессе работы телескопические секции штанги должны обеспечивать плавное скольжение друг относительно друга при одновременной передаче значительных радиальных и осевых нагрузок.
Основная задача подшипников направляющей заключается в обеспечении точного взаимного перемещения секций келли-штанги при минимальном трении и высокой надежности. Подшипниковые узлы воспринимают комбинированные нагрузки, возникающие в результате передачи крутящего момента, осевого давления и компенсации радиальных усилий при бурении. Качество подшипников напрямую влияет на вертикальность формирования скважины, стабильность работы бурового инструмента и общий ресурс оборудования.
Конструктивные особенности узла направляющей
Узел направляющей келли-штанги представляет собой сложную систему, обеспечивающую телескопическое перемещение секций на глубину до нескольких десятков метров. Конструкция включает наружные и внутренние секции с продольными полозьями, между которыми располагаются подшипниковые элементы. Количество секций варьируется от двух до шести в зависимости от требуемой глубины бурения и типа штанги.
Направляющие келли-штанги выполняются в виде продольных пазов на наружной поверхности внутренних секций и соответствующих выступов на внутренней поверхности наружных секций. Подшипниковые элементы устанавливаются в этих направляющих, обеспечивая восприятие радиальных нагрузок и компенсацию перекосов при бурении. Конструкция должна обеспечивать плавность хода при линейном перемещении секций и исключать их поворот относительно друг друга.
Типы келли-штанг по способу передачи усилия
Различают два основных типа келли-штанг, которые определяют особенности конструкции подшипников:
| Тип штанги | Способ передачи усилия | Количество секций | Область применения |
|---|---|---|---|
| Замковая (блокирующая) | Жесткое зацепление замков с твердосплавными вставками | 2-4 секции | Бурение в твердых, скальных и мерзлых породах |
| Фрикционная | Сила трения между замками внутренних и наружных секций | 4-5 секций | Бурение в мягких и средних породах |
Подшипники скольжения телескопических секций
Подшипники скольжения являются наиболее распространенным типом направляющих в узлах келли-штанг. В таких подшипниках опорная поверхность внутренней секции скользит непосредственно по направляющей поверхности наружной секции или по специальным вкладышам. Основное преимущество подшипников скольжения заключается в простоте конструкции, компактности и способности воспринимать высокие ударные нагрузки.
Конструктивно подшипники скольжения выполняются в виде металлических вкладышей или накладок, которые устанавливаются в продольные пазы направляющих. Материалом для таких вкладышей служат антифрикционные сплавы на основе бронзы или специальные композитные материалы. Рабочие поверхности вкладышей обрабатываются с высокой точностью, параметр шероховатости должен быть не более 0,32 мкм для обеспечения минимального трения.
Преимущества подшипников скольжения
- Высокая устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам
- Компактные габариты при больших несущих способностях
- Возможность работы в условиях загрязнения абразивными частицами
- Простота обслуживания и замены вкладышей
- Эффективная работа при низких скоростях скольжения
Материалы подшипников скольжения
Для изготовления подшипников скольжения келли-штанг применяются материалы с высокими антифрикционными свойствами и износостойкостью. Традиционно используются следующие материалы:
| Материал | Состав | Коэффициент трения | Рабочая температура, °С |
|---|---|---|---|
| Оловянная бронза | Cu-Sn 6-10%, Zn, Pb | 0,10-0,15 | до +150 |
| Свинцовая бронза | Cu-Pb 25-30%, Sn | 0,10-0,16 | до +120 |
| Композиты на основе фторопласта | PTFE с наполнителями | 0,05-0,15 | от -200 до +250 |
| Полиацетальные композиты | POM с твердыми смазками | 0,15-0,25 | от -40 до +90 |
Роликовые направляющие келли-штанги
Роликовые направляющие представляют собой более сложную, но и более эффективную конструкцию подшипникового узла келли-штанги. В таких системах между секциями штанги устанавливаются цилиндрические или игольчатые ролики, обеспечивающие качение вместо скольжения. Это позволяет значительно снизить коэффициент трения и повысить точность линейного перемещения секций.
Конструкция роликовых направляющих включает направляющие дорожки качения на поверхностях внутренних и наружных секций, сепараторы для удержания роликов и систему смазки. Ролики располагаются в несколько рядов по длине направляющих, обеспечивая равномерное распределение нагрузки. Твердость дорожек качения должна составлять не менее 60 HRC для обеспечения длительного срока службы.
Типы роликов для направляющих келли
| Тип роликов | Характеристики | Грузоподъемность | Особенности применения |
|---|---|---|---|
| Цилиндрические короткие | Длина равна диаметру | Средняя | Для средних нагрузок, высокая скорость скольжения |
| Цилиндрические длинные | Длина в 2-3 раза больше диаметра | Высокая | Для тяжелонагруженных узлов |
| Игольчатые | Диаметр 2-5 мм, длина до 50 мм | Очень высокая | Компактные узлы с высокими нагрузками |
Преимущества роликовых направляющих
- Низкий коэффициент трения (в 5-10 раз ниже, чем у подшипников скольжения)
- Высокая точность и плавность линейного перемещения
- Увеличенный ресурс работы при правильном обслуживании
- Меньшие потери мощности на трение
- Стабильность характеристик в широком диапазоне нагрузок
Полимерные накладки и антифрикционные материалы
Полимерные композитные материалы находят все более широкое применение в конструкциях подшипников келли-штанг благодаря уникальному сочетанию низкого коэффициента трения, высокой износостойкости и способности работать без смазки. Современные полимерные накладки изготавливаются из композиционных материалов на основе высокоэффективных пластмасс с добавлением армирующих волокон и твердых смазок.
Базовые полимеры для подшипниковых материалов
В качестве основы для антифрикционных накладок келли-штанг применяются следующие полимеры:
| Полимер | Обозначение | Температурный диапазон, °С | Основные свойства |
|---|---|---|---|
| Политетрафторэтилен | PTFE, фторопласт-4 | от -200 до +260 | Минимальный коэффициент трения, химическая стойкость |
| Полиоксиметилен | POM | от -40 до +90 | Высокая прочность, низкая ползучесть |
| Полиэфирэфиркетон | PEEK | от -40 до +260 | Превосходная механическая прочность, температуростойкость |
| Полиамид | PA | от -40 до +120 | Хорошая износостойкость, доступная стоимость |
Наполнители и твердые смазки
Для улучшения триботехнических характеристик в полимерную матрицу вводят различные наполнители. При наполнении фторопласта скрытокристаллическим графитом износостойкость может возрастать в значительной степени. Наиболее эффективными наполнителями являются стекловолокно, углеродное волокно, графит, дисульфид молибдена и бронзовая порошковая добавка. Твердые смазки обеспечивают самосмазывающиеся свойства, что особенно важно при работе в запыленной среде буровой площадки.
Преимущества полимерных накладок
- Работа без дополнительного смазывания в течение всего срока службы
- Устойчивость к загрязнению абразивными частицами
- Способность поглощать и обволакивать мелкие твердые частицы
- Коррозионная стойкость и химическая инертность
- Снижение массы подшипникового узла
- Бесшумность работы и снижение вибрации
Технические характеристики и параметры
Подшипники направляющей келли-штанги работают в условиях комбинированных нагрузок, включающих радиальные усилия, осевые нагрузки и крутящий момент. Правильный выбор типа подшипника и его размеров определяется расчетными нагрузками, скоростью перемещения секций и условиями эксплуатации буровой установки.
Основные расчетные параметры
Допустимое давление на опорную поверхность:
Для подшипников скольжения: p = F / (L × B)
где F - радиальная нагрузка, Н; L - рабочая длина подшипника, мм; B - ширина подшипника, мм
Допустимые значения давления: для бронзовых вкладышей 5-15 МПа, для полимерных накладок 10-30 МПа.
Критерий несущей способности (произведение pv):
pv = p × v
где p - удельное давление, МПа; v - скорость скольжения, м/с
Для металлических подшипников скольжения pv = 0,5-3,5 МПа×м/с
Для полимерных материалов pv = 0,1-1,0 МПа×м/с
Зазоры в подшипниках
Радиальный зазор между скользящими поверхностями секций является важнейшим параметром, влияющим на работоспособность подшипника. Слишком малый зазор может привести к заклиниванию при тепловом расширении, а чрезмерный зазор вызывает нестабильность работы и ударные нагрузки. Зазор подбирается с учетом температурного расширения материалов, точности изготовления и условий смазки.
| Диаметр направляющей, мм | Рекомендуемый радиальный зазор для металлических подшипников, мм | Рекомендуемый радиальный зазор для полимерных подшипников, мм |
|---|---|---|
| 200-300 | 0,15-0,30 | 0,10-0,20 |
| 300-500 | 0,20-0,40 | 0,15-0,30 |
| 500-700 | 0,30-0,50 | 0,20-0,40 |
Износ подшипников и диагностика
Износ подшипников узла направляющей келли-штанги является естественным процессом, обусловленным трением скользящих или катящихся поверхностей. Однако различают нормальный постепенный износ и ускоренный износ, вызванный неправильными условиями эксплуатации или дефектами конструкции. Своевременная диагностика состояния подшипников позволяет предотвратить аварийные ситуации и оптимизировать периодичность технического обслуживания.
Виды износа подшипников
| Тип износа | Причины возникновения | Признаки | Последствия |
|---|---|---|---|
| Абразивный | Попадание твердых частиц в зону трения | Царапины, борозды на поверхности | Увеличение зазора, повышение шума |
| Усталостный | Циклические контактные нагрузки | Выкрашивание, питтинг поверхности | Нарушение плавности хода, вибрации |
| Окислительный | Недостаток смазки, высокая температура | Матовые полосы окислов на поверхности | Постепенное увеличение трения |
| Схватывание | Недостаточная смазка, перегрузка | Задиры, налипание металла | Заклинивание, аварийный останов |
Признаки износа и диагностика
Определение степени износа подшипников келли-штанги выполняется комплексом методов, включающих визуальный осмотр, измерение зазоров и контроль рабочих параметров. Основными признаками чрезмерного износа являются:
- Увеличение шума и появление нехарактерных звуков при работе штанги
- Повышенная вибрация, передающаяся на раму буровой установки
- Рывки и неравномерность хода при телескопировании секций
- Заметный люфт между секциями штанги в радиальном направлении
- Повышение температуры в зоне подшипников выше допустимых значений
- Утечка или выдавливание смазочного материала
- Отклонение вертикальности скважины от проектных значений
Техническое обслуживание и замена
Регулярное техническое обслуживание подшипниковых узлов келли-штанги является необходимым условием обеспечения надежной работы буровой установки. Периодичность обслуживания определяется интенсивностью использования оборудования, условиями эксплуатации и рекомендациями производителя штанги.
Регламент технического обслуживания
| Периодичность | Выполняемые операции | Критерии оценки |
|---|---|---|
| Ежедневно | Визуальный осмотр, проверка утечек смазки, контроль температуры | Отсутствие внешних повреждений, нормальная температура |
| Каждые 100 моточасов | Проверка радиальных зазоров, пополнение или замена смазки | Зазор в пределах допуска, смазка без загрязнений |
| Каждые 500 моточасов | Разборка узла, осмотр рабочих поверхностей, дефектация | Отсутствие выкрашивания, задиров, износ в пределах нормы |
| Каждые 1500 моточасов | Замена изношенных вкладышей или роликов, ревизия посадочных мест | Восстановление номинальных зазоров и параметров |
Смазка подшипников
Для металлических подшипников скольжения и роликовых направляющих применяется пластичная смазка на литиевой или кальциевой основе с добавлением противозадирных присадок. Смазка должна обладать хорошей адгезией к металлическим поверхностям, водостойкостью и работоспособностью в диапазоне температур от минус 30°С до плюс 120°С. Для полимерных подшипников дополнительная смазка обычно не требуется, но допускается использование совместимых смазочных материалов для улучшения условий работы.
Замена изношенных элементов
При замене подшипниковых элементов необходимо соблюдать следующие технологические требования:
- Тщательная очистка посадочных мест от загрязнений и остатков старой смазки
- Проверка геометрии направляющих и посадочных поверхностей
- Контроль качества новых подшипниковых элементов перед установкой
- Обеспечение номинальных зазоров согласно конструкторской документации
- Равномерное затягивание крепежных элементов с нормированным моментом
- Заполнение смазкой с удалением воздушных пузырей
- Проверка плавности хода после сборки
Требования стандартов и нормативы
Проектирование, изготовление и эксплуатация подшипников келли-штанг регламентируются комплексом межгосударственных и национальных стандартов. Основные требования к подшипникам качения установлены ГОСТ 520-2011, определяющим общие технические условия на подшипники качения. Для подшипников скольжения применяются требования группы стандартов ГОСТ ИСО серии 3547 и 4379.
Основные применяемые стандарты
| Обозначение стандарта | Наименование | Область применения |
|---|---|---|
| ГОСТ 520-2011 | Подшипники качения. Общие технические условия | Требования к роликовым подшипникам |
| ГОСТ 4657-82 | Подшипники роликовые радиальные игольчатые однорядные | Размеры и технические требования |
| ГОСТ 8328-75 | Подшипники роликовые радиальные с короткими цилиндрическими роликами | Типы и основные размеры |
| ГОСТ ИСО 4379-2006 | Подшипники скольжения. Втулки из медных сплавов | Технические условия на вкладыши |
| ГОСТ 3325-85 | Подшипники качения. Поля допусков и требования к посадочным поверхностям | Допуски и посадки |
Требования к материалам
Материалы для изготовления подшипниковых элементов должны соответствовать требованиям соответствующих стандартов. Для роликов применяется подшипниковая сталь ШХ15 или ее аналоги, обеспечивающая твердость после термообработки 60-66 HRC. Вкладыши из бронзы изготавливаются из оловянных бронз БрО10Ф1 или свинцовых бронз БрС30. Полимерные материалы должны иметь сертификаты соответствия с указанием физико-механических и триботехнических характеристик.
Связанные товары и решения
Для эффективной работы оборудования рекомендуем также рассмотреть:
- Подшипники комбинированные INA
- Биорезорбируемые подшипники импланты: виды, применение, механизм деградации
- Роликовые подшипники 200 мм
- Подшипники NTN
- Подшипники BECO
- Роликовые подшипники 340 мм
- Сферические подшипники скольжения ASAHI
- Подшипники шариковые радиальные сферические NACHI
- Подшипники шариковые радиальные однорядные KOYO
- Автоматические системы смазки подшипников: принцип работы и выбор системы
- Линейные подшипники серии SBR-UU
- Аналоги подшипников: как подобрать замену SKF, FAG, NSK
- Атлас дефектов подшипников: питтинг, фреттинг, бринеллирование и ложное бринеллирование — описание, фото, причины и методы профилактики
- Подшипники скольжения сферические IKO
Часто задаваемые вопросы
Отказ от ответственности: Данная статья носит ознакомительный характер и предназначена для технических специалистов в области бурового оборудования. Информация представлена на основе общедоступных технических данных и нормативных документов. Автор не несет ответственности за возможные последствия применения изложенной информации. При проектировании, изготовлении и эксплуатации подшипниковых узлов келли-штанг необходимо руководствоваться конструкторской и эксплуатационной документацией производителя оборудования, а также действующими нормативными документами. Все работы по техническому обслуживанию и ремонту должны выполняться квалифицированным персоналом с соблюдением требований безопасности.
Источники
- ГОСТ 520-2011. Подшипники качения. Общие технические условия
- ГОСТ 4657-82. Подшипники роликовые радиальные игольчатые однорядные. Основные размеры. Технические требования
- ГОСТ 8328-75. Подшипники роликовые радиальные с короткими цилиндрическими роликами. Типы и основные размеры
- ГОСТ ИСО 4379-2006. Подшипники скольжения. Втулки из медных сплавов
- ГОСТ 3325-85. Подшипники качения. Поля допусков и технические требования к посадочным поверхностям валов и корпусов. Посадки
- Справочник по триботехнике под редакцией М. Хебды и А.В. Чичинадзе. Теоретические основы. Том 1. Машиностроение, 1989
- Проников А.С. Надежность машин. Машиностроение, 1978
- Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. Машиностроение, 1977
- Справочник машиностроителя. Том 2. Детали машин. Под ред. Н.С. Ачеркана. Машгиз, 1963
- Руководство по техническому обслуживанию буровых установок. Техническая документация производителей бурового оборудования
