2 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 вертикальную расточку станины, приводящая во вращение через разъемные вкладыши 4 и зажимы 5 ведущую трубу и соединенную с ней спущенную в скважину бурильную колонну. При бурении во вкладыши вставляются квадратные либо роликовые зажимы ведущей трубы, а при СПО – клинья, удерживающие колонну труб над ротором. Разъемная конструкция вкладышей и зажимов обеспечивает установку их в ротор в тех случаях, когда его отверстие занято трубой. Втулки и зажимы удерживаются в роторе при помощи поворотных защелок. Между зажимом и ведущей трубой возникает трение скольжения, вызывающее износ поверхностей их контакта. При использовании роликовых зажимов ведущая труба перекатывается по роликам, установленным на подшипниках качения, и благодаря этому ее износ значительно сжимается. Стол ротора монтируется на двух шаровых опорах — главной 3 и вспомогательной 8. Главная опора 3 воспринимает динамические циклически действующие нагрузки — радиальную от передаваемого крутящего момента и осевые от трения ведущей трубы о зажимы 5 ротора при подаче колонны и от веса стола ротора, а также статическую нагрузку от веса колонн труб и дру­гих элементов при установке их на стол ротора. В качестве опор используется упорно-радиальные шариковые подшипники, которые вследствие зеркального расположения и осевой затяжки способны воспринимать двусторонние осевые нагрузки.

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 8 стола служит для восприятия ради­альных нагрузок от зубчатой передачи и осевых ударов при бу­рении или подъеме колонны. Периферийный зазор между станиной 7 и столом 2 ротора выполнен в виде лабиринта, предупре­ждающего проникновение бурового раствора и грязи внутрь ста­нины и выбрасывание смазки из ротора при вращении стола. Сверху стол ротора закрыт ограждением 1, служащим для уста­новки на нем элеваторов и другого оборудования при СПО и за­щиты операторов.

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.

Горизонтальный приводной вал 6 выполняется обычно в виде отдельной сборки, в которой вал с ведущей конической шестер­ней, насаженной на нем, монтируется на роликоподшипниках во втулке. Сдвоенный радиально-упорный подшипник, воспринимаю­щий радиальные и осевые нагрузки от зубчатой передачи, уста­навливается рядом с конической шестерней. Вторая опора вала — цилиндрический роликоподшипник. На внешнем конце вала мон­тируется либо цепная звездочка 9 при приводе ротора цепной передачей от лебедки, либо шарнир карданного вала.

Для безопасности и удобства обслуживания ротор закрывается крышкой 14. Стопорное устройство 10 служит 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.

Таблица 1 – Технические характеристики буровых роторов

Тип ротора	Р-460	Р-560-Ш8	УР-560	УР-760	УР-950	УР-1260
Диаметр отверстия в столе, мм	460	560	560	760	950	1260
Допустимая статистическая нагрузка на стол ротора, кН	2700	3000	3200	4000	6300	8000
Допустимая нагрузка на стол ротора при частоте вращения 100 об/мин	1	1	1,78	2,3	3,2	3,2
Наибольшая частота вращения стола ротора, об/мин	300	350	250	250	250	200
Мощность ротора, кВт	200	280	370	370	500	600
Базовое расстояние, мм	1350	1350	1370	1503	­­­-	-
Передаточное число конической пары	3,15	2,7	3,61	3,895	3,81	3,96
Длина	1940	2310	2310	2600	2450	3000
Ширина	1180	1350	1625	1580	1800	2300
Высота	-	750	750	680	750	800
Масса, т	3,1	5,1	5,8	8,5	7	10,3
Условный диапазон глубин бурения, м	600-1250	1600-2500	2500-4000	3200-5000	4000-8000	6500-12500