Вплив геометричних параметрів роликового підшипника долота на його моторесурс Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 104 Маковкін О.М. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: makovkin@ukr.ne ВПЛИВ ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ РОЛИКОВОГО ПІДШИПНИКА ДОЛОТА НА ЙОГО МОТОРЕСУРС УДК 621.891 Наведені результати експериментальних досліджень впливу геометричних параметрів роликового підшип- ника долота до розвороту ролика внаслідок зношування. Доведено, що максимальний моторесурс підшипника доло- та можна досягнути за рахунок зміни довжини ролика та діаметрів ролика і бігової доріжки. Встановлено, що на роз- ворот роликів найменший вплив має зміна діаметру бігової доріжки, на два порядки має більший вплив зміна діаме- тру ролика, а вирішальну роль у збільшенні моторесурсу відіграє довжина ролика. Ключові слова: підшипник, розворот ролика, довжина ролика, бігова доріжка Вступ Досить часто зустрічається вихід з ладу тришарошкових бурових доліт внаслідок їх заклинюван- ня. Як правило причиною такої аварійної ситуації є розворот тіл кочення роликового підшипника. Підчас заклинювання шарошки зупиняються, що призводить до зношування, поломки, сколювання робочих елементів шарошки (рис. 1). Внаслідок аварійного спрацювання (рис. 1 позиції 1, 2, 3) зовнішніх елемен- тів шарошок призводить до того, що на вибої залишаються елементи тіл кочення опор чи самі фрагмен- ти, або цілі секції, шарошки. Рис. 1 – Тришарошкове бурове долото При експлуатації долота найбільше навантаження сприймає великий роликовий підшипник ша- рошки. Основною причиною виходу з ладу даного вузла є зношування роликів по діаметру та елементів бігової доріжки. Тобто сумарне зношування вузла кочення підшипника, а саме: ролики, внутрішня і зов- нішня бігові доріжки. При зношуванні вузла утворюється достатньо вільного простору для розвороту ро- ликів, при дії сил тертя. Досягнувши межі критичного зношування, відбувається розворот елементів ко- чення, і як наслідок заклинювання шарошки, що призводить до аварійної ситуації. Недопущенню поломок, збільшення ресурсу чи усуненню таких явищ присвячена значна кіль- кість наукових робіт [1, 2, 3, 4] та багато інших. Автори по різному оцінюють переважаючий вплив того чи іншого фактора умов експлуатації чи конструкції і способи виготовлення роликового підшипника, іс- нують суперечливі рекомендації стосовно напрямку підвищення його довговічності. При дослідженнях проковзування та кінематики руху роликів встановлено [1, 5], що основними причинами розвороту роликів у шарошках на біговій доріжці є: - нерівномірність навантаження ролика по біговій доріжці; - міжроликовий зазор, що збільшується в зв’язку зі зношуванням роликів по діаметру, який дода- ється при виході ролика з навантаженої зони в ненавантажену; - зношування роликів по торцю і буртів бігової доріжки; - різниця в швидкостях руху ряду роликів й шарошки, а також затискання кінця ролика при пе- рекосі шарошки, можливість якого зростає зі зношуванням ролика та бігової доріжки; - зношування безпосередньо самої бігової доріжки. Тобто в загальному виходом з ладу даного вузла тертя є сумарне зношування пари тертя. Зага- лом розворот ролика відбувається при виникненні достатнього зазору (вільного простору) та під дією сил між роликом та буртом. Уникнути розвороту роликів можна декількома методами. Перший метод забез- печити умови мінімального зношування – це є трибологічна задача. Вирішується підбором режимів ро- боти, термічна обробка, нанесення зносостійких покриттів, змащування тощо. Другий метод забезпечити Вплив геометричних параметрів роликового підшипника долота на його моторесурс Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 105 геометричні параметри, співвідношення довжини ролика до його діаметра – це є конструкторська задача. Ці задачі вирішуються в комплексі з дотриманням технологічного процесу, точності виготовлення, скла- дання, умов експлуатації. Актуальною задачею є як перша так і друга, але у даній роботі розглядається друга задача, тобто конструкторська. Авторами [1] показано, що оптимальне співвідношення довжини ролика до його діаметру значно зменшує небезпеку розвороту роликів. Автори вважають, що діагональ ролика більше ширини і для здій- снення розвороту роликів потрібне більше зношування торців роликів і буртів бігової доріжки. Промис- лові випробовування доліт, у яких /l d =1,3 ... 1,4 виконані МІНГ ім. І.М.Губкіна і ВНДІБТ показали ефективне підвищення довговічності на 40 … 60 %. На даний момент долота виготовляються згідно з ОСТ 26-02-1315-84. Вказаний ОСТ рекомендує співвідношення l/d приймати рівним 1,5 ... 2, а у долотах виготовлених у США цей показник ще більший [6]. Але пояснення, ні теоретичні, ні експериментальні про використання саме таких величин співвідно- шень прийнятих виробниками доліт в існуючій науковій літературі практично відсутні. Мета і постановка задачі Причиною розвороту ролика, як вказувалось раніше є зношування і перекіс шарошки. Метою даної роботи є встановити оптимальне співвідношення довжини ролика до його діаметра. Виявити вплив діаметру бігових доріжок на розворот роликів. Запропонувати математичну модель. Тобто є необхідність встановити максимальні величини зношування ролика, що призводить до його розвороту і як наслідок заклинювання. Встановивши математичну залежність між співвідношенням зношування та геометричними параметрами ролика ( /l d ), можна прогнозувати довговічність даного вузла для певного діаметра бігової доріжки D. Виклад матеріалів досліджень Підготовлені для експерименту зовнішнє, внутрішнє кільця та ролики їх матеріали, термічна об- робка, геометричні параметри, точність виготовлення були аналогічні, тим які використовуються у доло- тобудуванні. Експеримент проводився в умовах максимально наближених до реальних рис. 2, а. Для проведення експериментальних досліджень було використано токарно-гвинторізний верстат 16К20, зовнішнє кільце підшипника (шарошка) 2 рис. 2, б закріпили у патроні 1, що дало можливість йо- му обертатися з частотою 150 об/хв., яка імітує частоту обертання в реальних умовах роботи. Внутрішнє кільце (лапа) закріплювали у різцетримачі через додаткову вісь 4 і вона нерухома, що відповідає реаль- ним умовам, навантаження при цьому складало 2000 … 3000 Н. Навантаження 6 на ролик 3 здійснюва- лось через вісь 4 нерухомої частини підшипника використавши додатковий важіль 5. У долоті цапфа нахилена до вибою під кутом 54 … 57º. Під час обертання долота ролик притис- кається до периферійного бурта, що призводить до зношування, тобто до збільшення зазорів та розворо- ту роликів. Підчас роботи проходить процес зношування, що призводить до зростання люфтів в опорі і перекіс шарошки збільшується. Для імітації перекосу внутрішнього кільця відносно зовнішнього при ла- бораторних дослідженнях брали мінімальним – 1…2º (рис. 2, а, кут α). а б Рис. 2 – Схема трибологічних досліджень пари тертя лапа-ролик-цапфа. Вплив геометричних параметрів роликового підшипника долота на його моторесурс Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 106 Критерієм оцінки результатів досліджень прийнятий розворот роликів внаслідок їх зношування. Тобто експеримент продовжували до моменту розвороту ролика. Після розвороту ролика проводились заміри, з метою встановлення величини зношування. Використавши методику математичного планування табл. 1. Було створено математичний план проведення експерименту. Використано діаметри роликів d = 10 … 20 мм, довжини роликів при цьому складали l = 10 … 30 мм, а більший (зовнішній) діаметр бігової доріжки D = 100 та 200 мм. Таблиця 1 Математичний план Фактори № експерименту A B C Довжина ролика, l , мм Діаметр ролика, d мм Діаметр зовнішньої бігової доріжки, D мм 1 -1 -1 -1 10 10 100 2 1 -1 -1 30 10 100 3 -1 1 -1 10 20 100 4 1 1 -1 30 20 100 5 -1 -1 1 10 10 200 6 1 -1 1 30 10 200 7 -1 1 1 10 20 200 8 1 1 1 30 20 200 Планово експеримент проводився три рази для однієї експериментальної точки, після чого ви- значали середнє значення. Результат випробовувань представлено у вигляді графіку рис. 3. Рис. 3 – Величина лінійного зношування (I, мм) від співвідношення довжини ролика (l, мм) до його діаметра (d, мм) Встановлено математичну залежність (1) величини лінійного зношування при якій відбувається розворот роликів в залежності від співвідношення l / d та D. 0,29 l-0,093 -0,001 l -0,0009 l 0,0003 -0,54I d d D D d          (1) де I – величина зношування при якій відбувся розворот ролика, мм; l – довжина ролика, мм; d – діаметр ролика, мм; D – діаметр зовнішньої бігової доріжки, мм. Якщо врахувати значимість коефіцієнтів, то залежність прийме вигляд: 0,29 l-0,093 -0,54I d   (2) Виходячи з результатів експерименту видно, що на розворот роликів підчас експлуатації долота має більший вплив довжина ролика ( l ) ніж його діаметр ( d рис. 3. Цей вплив підтверджується і встано- вленою математичною залежністю I , де значимість коефіцієнтів у рівнянні: довжина ролика – 0,29∙ l , а діаметр – 0,093∙ d Тобто виходячи з графіку представленого на рис. 3 бачимо, що зі збільшенням довжи- Вплив геометричних параметрів роликового підшипника долота на його моторесурс Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 107 ни ролика величина зношування до розвороту зростає більш стрімко порівняно з залежністю яка спосте- рігається зі зміною діаметра ролика. Розбіжність експериментальних даних та отриманих в результаті експерименту використавши запропоновану математичну модель не перевищує 30 %. Результат експерименту вказує рис. 3, на те, що чим більше співвідношення /l d , тим більший моторесурс, який гарантує запобіганню розвороту роликів. Слід відзначити, що при великих співвідношеннях довжини до діаметра ролика ( /l d =2…3), вході проведення експерименту у деяких випадках було зафіксовано моменти, коли розворот ролика від- бувався досягнувши величини зношування 6 … 8,5 мм. Візуально було встановлено, що ролики під час руху постійно розташовані під кутом, до осі обе- ртання. І це явище спостерігалося при будь-яких режимах. Як правило, у науковій літературі приділяється увага відношенню /l d , і майже зовсім не згаду- ється про вплив діаметрів бігових доріжок на працездатність підшипникового вузла шарошки. Тому було проведено ряд експериментів і встановлено залежність впливу діаметра бігових дорі- жок на розворот роликів внаслідок зношування підшипникового вузла. Виходячи з експериментальних даних спостерігаємо рис. 4, що максимальний термін експлуата- ції забезпечується при максимальній довжині ролика 30 мм та мінімальному діаметрі зовнішньої бігової доріжки 100 мм. Рис. 4 – Величина лінійного зношування I, мм від співвідношення довжини ролика (l, мм) до зовнішнього діаметра бігової доріжки (D, мм) Рис. 5 – Величина лінійного зношування I, мм від співвідношення діаметра ролика (l, мм) до зовнішнього діаметра бігової доріжки (D, мм) Вплив геометричних параметрів роликового підшипника долота на його моторесурс Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 108 Результат даних досліджень вказує, що потрібно використовувати якомога менші діаметри біго- вих доріжок D і велику довжину ролика. Ймовірність розвороту роликів найбільша при великих діамет- рах бігових доріжок і малій довжині ролика. Ці висновки також підтверджуються запропонованою мате- матичною залежність 1. На рис. 5 представлено результати експериментальних досліджень величини лінійного зношу- вання I , мм від співвідношення діаметра ролика ( l , мм) до зовнішнього діаметра бігової доріжки ( D , мм) Висновки З результату експерименту встановлено, що ймовірність розвороту роликів найменша при міні- мальних величинах діаметра роликів d і мінімальній величині діаметра бігової доріжки D . Зі збіль- шенням довжини l рис. 5 (точки 1 … 4) ймовірність розвороту роликів внаслідок зношування пар тертя значно зменшується. І навпаки, зі зменшенням довжини ролика рис. 5 (точки 5, 6, 7) їх розворот відбува- ється при значно менших величинах зношування. Дані результати також підтверджуються запропонова- ною математичною моделлю (1). Література 1. Жидовцев Н.А. Долговечность шарошечных долот / Н.А.Жидовцев, В.Я. Кершенбаум, Э.С Гинзбург. и др. – М.: Недра, 1992. – 272 с. 2. Барыльник В.Н. Повышение стойкости шарошечных долот путем оптимизации геометричес- ких параметров элементов опор и улучшения условий их работы: автореф. дис. на соиск. научн. степ. канд. техн. наук: спец. 05.04.07 „Машины и агрегаты нефтяной и газовой промышленности” / В.Н. Бары- льник. – М., 1985. – 24 с. 3. Брагин А.Ф. Исследование износостойкости поверхностей трения опоры шарошечных долот: автореф. дис. на соискание науч. степени канд. техн. наук: 05.02.04. „Трение и износ в машинах” / А.Ф. Брагин. – М. – 1973. – 17с. 4. Комм Э.Л. Исследование влияния конструктивных и технологических факторов на работоспо- собность, износ и нагруженность опор шарошечных долот: автореф. дис. на соиск. научн. степ. канд. техн. наук: спец. 05.15.10 „Бурение нефтяных и газових скважин” / Э.Л. Комм. – М. – 1978. – 28 с. 5. Левченко А.Т. Методика исследования проскальзывания в роликовом подшипнике опор долот. / А.Т. Левченко, Р.Н. Сейфи, В.Ф. Еременко и др // Труды Государственного научно-исследовательского и проектного института нефтяной промышленности "Укргипрониинефть". – М.: Недра, 1974. – Вып. 16. – С. 87-91. 6. Технологическое руководство к долоту для нефтяных полей / сост. Компания инструментов „РИД.” – USA: JOHNSON COVER CO, 1973. – 895 с. Поступила в редакцію 30.06.2016 Вплив геометричних параметрів роликового підшипника долота на його моторесурс Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 2 109 Makovkin O.M. Influence of geometrical parameters roller bearing cone on its service life. The results of experimental studies of the effect of geometrical parameters of roller bearing bits to turn the roller as a result of wear. It is proved that the maximum service life of the bearing bits can be achieved by changing the length and di- ameter roller and roller treadmill. It was established that the reversal rollers least affected by the change in the diameter of the treadmill, two orders of magnitude greater impact changing the diameter of the roller, and a crucial role in increasing the length moto plays video. Keywords: bearing, roller reversal, roller length, roller track. 1. Zhidovtsev N.A. Dolgovechnost sharoshechnykh dolot. N.A.Zhidovtsev, V.Ya. Kershenbaum, E.S Ginzburg. i dr. M.: Nedra, 1992, 272 s. 2. Barylnik V.N. Povysheniye stoykosti sharoshechnykh dolot putem optimizatsii geometricheskikh pa- rametrov elementov opor i uluchsheniya uslovy ikh raboty: avtoref. dis. na soisk. nauchn. step. kand. tekhn. nauk: spets. 05.04.07 „Mashiny i agregaty neftyanoy i gazovoy promyshlennosti”. V.N. Barylnik. M., 1985. 24 s. 3. Bragin A.F. Issledovaniye iznosostoykosti poverkhnostey treniya opory sharoshechnykh dolot: av- toref. dis. na soiskaniye nauch. stepeni kand. tekhn. nauk: 05.02.04. „Treniye i iznos v mashinakh”. A.F. Bragin M., 1973. 17s. 4. Komm E.L. Issledovaniye vliyaniya konstruktivnykh i tekhnologicheskikh faktorov na rabotosposob- nost, iznos i nagruzhennost opor sharoshechnykh dolot: avtoref. dis. na soisk. nauchn. step. kand. tekhn. nauk: spets. 05.15.10 „Bureniye neftyanykh i gazovikh skvazhin”. E.L. Komm. M., 1978. 28 s. 5. Levchenko A.T. Metodika issledovaniya proskalzyvaniya v rolikovom podshipnike opor dolot. A.T. Levchenko, R.N. Seyfi, V.F. Yeremenko i dr. Trudy Gosudarstvennogo nauchno-issledovatelskogo i proyektnogo instituta neftyanoy promyshlennosti "Ukrgiproniineft". M.: Nedra, 1974. Vyp. 16. S.87-91. 6. Tekhnologicheskoye rukovodstvo k dolotu dlya neftyanykh poley. sost. Kompaniya instrumentov „RID.” USA: JOHNSON COVER CO, 1973. 895 s.