Подшипники вращателя (ротора) буровой установки

Введение

Подшипники вращателя буровой установки представляют собой критически важные узлы, обеспечивающие надежную передачу вращения бурильному инструменту при одновременном восприятии значительных осевых и радиальных нагрузок. Вращатель, являясь основным механизмом роторного способа бурения, работает в условиях интенсивных динамических воздействий, переменных скоростей вращения и экстремальных нагрузок, достигающих нескольких тысяч килоньютонов.

Система подшипников вращателя должна обеспечивать точное центрирование стола ротора, компенсировать осевые усилия при бурении и воспринимать направленные вверх нагрузки при подъеме колонны. Конструкция узла подразумевает использование комбинации упорных и радиальных подшипников, работающих в герметичной масляной ванне с эффективной системой смазки.

Типы подшипников вращателя

В конструкции вращателей буровых установок применяются несколько типов подшипников качения, каждый из которых выполняет специфическую функцию в обеспечении работоспособности узла. Основная классификация включает упорные подшипники для восприятия осевых нагрузок и радиальные подшипники для центрирования вала и компенсации радиальных усилий.

Основные типы подшипниковых опор

Конструкция вращателя традиционно включает два типа опор: основную упорную опору, расположенную в станине и воспринимающую вес колонны и осевое усилие при бурении, и вспомогательную радиальную опору, обеспечивающую центрирование стола ротора и восприятие направленных вверх нагрузок.

Упорные роликовые подшипники

Упорные роликовые подшипники представляют собой основной тип опор, используемых в роторах буровых установок для восприятия высоких осевых нагрузок. Эти подшипники устанавливаются в станине ротора и непосредственно воспринимают статическую нагрузку от веса бурильной колонны и динамические нагрузки в процессе бурения.

Конструктивные исполнения

Согласно ГОСТ 23526-79, упорные роликовые подшипники с цилиндрическими роликами предназначены для восприятия односторонних осевых нагрузок. В буровых установках применяются как одинарные, так и двойные упорные подшипники в зависимости от величины и направления действующих нагрузок.

Упорные роликовые конические подшипники

Для более эффективного восприятия осевых нагрузок в высоконагруженных роторах применяются упорные роликовые конические подшипники по ГОСТ 27057-86. Благодаря коническим роликам они обеспечивают повышенную грузоподъемность и более равномерное распределение нагрузки по длине ролика.

Радиальные сферические подшипники

Радиальные сферические роликовые подшипники применяются в роторах для центрирования стола ротора и восприятия радиальных нагрузок, возникающих при неравномерном распределении веса колонны и динамических воздействиях в процессе бурения. Особенностью этих подшипников является способность к самоустановке, что компенсирует несоосность валов и прогибы под нагрузкой.

Самоустанавливающиеся свойства

Согласно ГОСТ 5721-2022 (заменил ГОСТ 5721-75 с 1 апреля 2023 года), двухрядные сферические радиальные роликовые подшипники с асимметричными роликами способны компенсировать несоосность и прогибы валов до 3 градусов. Для подшипников с симметричными роликами применяется ГОСТ 24696-2023 (заменил ГОСТ 24696-81). Это критически важно для буровых роторов, где значительные нагрузки могут вызывать деформации валов и корпусных деталей.

Грузоподъемность радиальных подшипников

Радиальные сферические подшипники воспринимают не только радиальную нагрузку, но и осевую нагрузку в обоих направлениях величиной до 25% от неиспользованной допустимой радиальной нагрузки. Это свойство делает их универсальными для применения в узлах, где действуют комбинированные нагрузки.

Конструктивные особенности узла подшипников

Конструкция подшипникового узла вращателя буровой установки представляет собой сложную систему, обеспечивающую надежную работу в условиях высоких нагрузок, вибрации и воздействия бурового раствора. Узел включает станину с расточкой для стакана, приводной вал с конической шестерней зубчатой передачи, основной упорный подшипник и вспомогательный радиальный подшипник.

Расположение подшипников в роторе

Основной упорный подшипник устанавливается в станине ротора и непосредственно воспринимает нагрузку от стола ротора с установленным зубчатым венцом. Вспомогательный подшипник располагается в нижней части и предназначен для центрирования стола ротора и восприятия направленных вверх нагрузок, возникающих при спуско-подъемных операциях.

Система уплотнений

На столе и станине ротора расположены кольцевые проточки, образующие лабиринтные уплотнения для защиты масляной ванны от попадания бурового раствора. В станину ротора запрессована втулка, образующая полость для масляной ванны основной опоры. Эффективная система уплотнений критически важна для предотвращения загрязнения смазки и обеспечения длительного срока службы подшипников.

Зубчатая передача и подшипники

Зубчатая пара (коническая шестерня вала и зубчатый венец стола) и подшипники расположены в герметичной масляной ванне. Конические зубчатые колеса имеют тангенциальный зуб с углом спирали, что обеспечивает точность и плавность зацепления, бесшумную работу и повышенный срок службы. Масляная ванна обеспечивает снижение износа элементов за счет постоянной смазки трущихся поверхностей.

Нагрузки и грузоподъемность

Подшипники вращателя работают в условиях комплексного нагружения, включающего статические и динамические составляющие. Основные нагрузки включают вес бурильной колонны, осевое усилие при бурении, динамические удары от неоднородности горных пород и обратные нагрузки при переключении передач.

Статическая нагрузка на стол ротора

Допускаемая статическая нагрузка на стол ротора должна соответствовать классу буровой установки по ГОСТ 16293-89. Нагрузка на крюке от максимальной расчетной массы бурильной колонны не должна превышать 0,6 допускаемой нагрузки на крюке, а от наибольшей расчетной массы обсадных колонн - 0,9 допускаемой нагрузки на крюке.

Примечание: ГОСТ 16293-89 предусматривает 12 классов буровых установок с допускаемой нагрузкой на крюке от 800 до 10000 кН и условной глубиной бурения от 1250 до 16000 м. В таблице представлены наиболее распространенные классы.

Динамические нагрузки

При роторном бурении подшипники вращателя испытывают значительные динамические нагрузки, вызванные переменным трением долота о породу, неоднородностью горных пород и ударными нагрузками при переключении передач. Подшипники должны воспринимать динамические нагрузки вторичного вала вращателя при переключении передач и обратные ударные нагрузки, возникающие в процессе бурения.

Требования к грузоподъемности

Упорно-радиальные шариковые или роликовые подшипники, выбранные по диаметру проходного отверстия стола ротора, должны обеспечивать минимум 1,5-кратный запас по отношению к допускаемой статической нагрузке на стол ротора. Это обеспечивает надежную работу подшипников с учетом динамических перегрузок и ударных нагрузок.

Системы смазки подшипников

Правильная система смазки подшипников вращателя является критическим фактором обеспечения их долговечности и надежной работы. В роторах применяются два основных метода смазки: разбрызгиванием для установок малой и средней мощности и циркуляционная система для мощных роторов с интенсивным тепловыделением.

Смазка разбрызгиванием

В роторах сравнительно небольшой мощности трущиеся поверхности смазывают разбрызгиванием. Шестерни и подшипники погружены в масляную ванну, и при вращении зубчатых колес масло разбрызгивается, обеспечивая смазку всех трущихся поверхностей. Этот метод прост в реализации, не требует дополнительного оборудования и обеспечивает достаточную смазку при умеренных нагрузках.

Циркуляционная система смазки

При больших мощностях, вызывающих интенсивное тепловыделение, а также вследствие конструктивной компоновки ротора, затрудняющей смазку подшипников и зубчатой передачи разбрызгиванием, применяют циркуляционную систему смазки. Система включает масляный насос, фильтры, охладитель и трубопроводы для подачи масла под давлением к подшипникам и зубчатым передачам.

Объем и периодичность замены смазки

Объем масляной ванны определяется конструкцией ротора и составляет от 8 до 50 литров в зависимости от размера установки. Полость шариковых и роликовых подшипников заполняют консистентной смазкой на одну треть объема при очередных осмотрах и ремонтах. Периодичность замены масла зависит от интенсивности работы и составляет 500-1000 моточасов для обычных условий эксплуатации.

Нормативные требования и стандарты

Подшипники вращателей буровых установок должны соответствовать требованиям действующих национальных стандартов, регламентирующих размеры, точность изготовления, материалы и технические характеристики подшипников качения. Основополагающим документом является ГОСТ 520-2011 "Подшипники качения. Общие технические условия".

Стандарты на упорные подшипники

Упорные роликовые подшипники с цилиндрическими роликами регламентируются ГОСТ 23526-79, устанавливающим типы и основные размеры одинарных подшипников. Упорные роликовые конические подшипники производятся по ГОСТ 27057-86. Для упорно-радиальных роликовых сферических одинарных подшипников действует ГОСТ 9942-90.

Стандарты на радиальные подшипники

Радиальные сферические роликовые двухрядные подшипники с асимметричными роликами изготавливаются по ГОСТ 5721-2022 (введен в действие с 1 апреля 2023 года, заменил ГОСТ 5721-75). Подшипники с симметричными роликами производятся по ГОСТ 24696-2023 (заменил ГОСТ 24696-81).

Требования к посадкам и допускам

Технические требования к посадочным местам вала и корпуса под подшипники регламентированы ГОСТ 3325-85. Для упорных подшипников вращателей обычно применяются переходные посадки для внутреннего кольца (k6, m6) и скользящие посадки для наружного кольца (H7). Правильный выбор посадки обеспечивает надежное крепление колец при монтаже и исключает проворачивание под нагрузкой.

Подбор и монтаж подшипников

Правильный подбор подшипников вращателя осуществляется на основании расчета эквивалентных нагрузок, требуемого ресурса и условий эксплуатации. Основными критериями выбора являются величина осевой нагрузки, частота вращения, диаметр проходного отверстия стола ротора и габаритные ограничения.

Методика подбора упорного подшипника

Выбор упорного подшипника начинается с определения внутреннего диаметра, который должен соответствовать диаметру приводного вала. Затем по таблицам ГОСТ определяется подшипник с необходимой статической грузоподъемностью C0, превышающей расчетную нагрузку с коэффициентом запаса не менее 1,5-2,0 для буровых установок.

Монтаж подшипников вращателя

Монтаж подшипников вращателя требует строгого соблюдения технологии и тщательной подготовки посадочных поверхностей. Перед установкой необходимо проверить чистоту посадочных мест, отсутствие забоин и задиров, правильность геометрических размеров вала и отверстия корпуса.

Проверка правильности монтажа

Правильность монтажа ротора проверяется на точке пересечения шнуров, натянутых по диагонали ног вышки: вертикальная ось ротора должна совпадать с отвесом, опущенным из точки пересечения шнуров. В горизонтальной плоскости ротор проверяется по уровню. Продольная ось ротора по приводному валу должна находиться на поперечной оси буровой.

Техническое обслуживание и эксплуатация

Регулярное техническое обслуживание подшипников вращателя является необходимым условием обеспечения их долговечности и безотказной работы буровой установки. Система технического обслуживания включает ежедневные осмотры, периодические проверки и плановые ремонты.

Периодичность технического обслуживания

Ежедневное обслуживание включает визуальный осмотр ротора, проверку уровня масла, контроль температуры подшипниковых узлов и прослушивание на предмет посторонних шумов. Еженедельное обслуживание предусматривает проверку состояния уплотнений, анализ проб масла на наличие загрязнений и металлических частиц.

Диагностика состояния подшипников

Своевременная диагностика позволяет выявить дефекты подшипников на ранней стадии и предотвратить аварийные ситуации. Основными методами диагностики являются вибрационный контроль, термография, анализ смазки и акустическая эмиссия.

Ремонт и замена подшипников

При обнаружении дефектов подшипники подлежат замене. Ремонт подшипников качения не допускается, за исключением шлифовки дорожек качения при наличии специального оборудования. Перед заменой подшипника необходимо выяснить причину преждевременного выхода из строя и устранить её.

Часто задаваемые вопросы