Особенности конструкции

Конструктивные
схемы зданий, возводимых из сборных
элементов, характерны постоянством
геометрических размеров по высоте,
регу­лярностью типовых элементов
конструкций, четким реше­нием плана.

Основными
несущими конструкциями много­этажного
каркасного здания в гражданском
строитель­стве являются железобетонные
рамы, вертикальные связевые диафрагмы
и связывающие их междуэтажные пе­рекрытия.

Важнейшим
условием достижения высоких
эксплуа­тационных качеств многоэтажного
здания является обес­печение его
надежного сопротивления горизонтальным
нагрузкам и воздействиям. Необходимая
пространствен­ная жесткость такого
здания достигается различными вариантами
компоновки конструктивной схемы, в
основ­ном отличающимися способами
восприятия горизонталь­ных нагрузок.

При
поперечном расположении вертикальных
связе­вых диафрагм и продольном
расположении многоэтаж­ных рам здание
в поперечном направлении работает по
связевой системе, а в продольном
направлении — по рамной системе (рис.
XV.14,
б). Конструктивная схема каркаса при
шарнирном соединении ригелей с колонна­ми
будет связевой в обоих направлениях.

В
панельных зданиях основными несущими
конструк­циями служат вертикальные
диафрагмы, образованные панелями
внутренних несущих стен, расположенными
в поперечном, иногда в продольном
направлении, и связы­вающие их
междуэтажные перекрытия. Многоэтажное
панельное здание как в поперечном, так
и в продольном направлении восприни­мает
горизонтальную нагрузку по связевой
системе (рис. XV.15).

Возможны
другие конструктивные схемы много­этажных
зданий. К ним относятся, например,
каркасное здание с центральным ядром
жесткости, в котором в ка­честве
вертикальных связевых диафрагм
используются внутренние стены
сблокированных лифтовых и вентиля­ционных
шахт, лестничных клеток (рис. XV.16);
здание с двумя ядрами жесткости открытого
профиля — в виде двутавров (рис. XV.
17,а); здание с двумя ядрами жест­кости
и сложной конфигурацией в плане,
позволяющей индивидуализировать
архитектурное решение (рис. XV.17,
б).

Многоэтажные
рамы высотой до 16 этажей имеют ко­лонны
постоянного сечения по, всей высоте
здания (рис. XV.
18, а). Увеличение несущей способности
колонн ниж­них этажей достигается
повышением класса бетона, про­цента
армирования, применением жесткой
арматуры. Элементы сборных колонн в
целях снижения трудоемко­сти на
монтаже выполняют размером на 2—4 этажа.

Комбинированные
вертикальные связевые диафрагмы,
состоящие из сплошной и рамной частей,
сохраняют ре­гулярную структуру —
размеры элементов и пролетов ригелей
— по всей высоте здания (рис. XV.
18, б). Верти­кальные связевые диафрагмы
с проемами и ядра жест­кости имеют
железобетонные перемычки, жестко
свя­занные на опорах с простенками,
и также сохраняют регулярную структуру
по всей высоте здания (рис.

Стыки
ригелей с колоннами выполняют жесткими
на. _ консолях, бесконсольными и шарнирными
(см. гл. XI).
При жестком соединении ригелей с
колоннами сущест­венно повышается
общая жесткость многоэтажного зда­ния
и достигается экономия металла на
армирование ригелей (по условиям
прочности, трещиностойкости и предельных
прогибов).

Элементами
сборных вертикальных связевых диаф­рагм
являются колонны каркаса и панели с
полками для опирания плит перекрытий
(рис. XV.
19). Элементы сое­диняют сваркой
закладных деталей и замоноличиванием.
Применяют также монолитные панели,
бетонируемые на месте возведения после
приварки к закладным деталям колонн
арматурных сеток.

Монолитные
ядра жесткости армируют вертикальны­ми
пространственными каркасами, которые
на монтаже стыкуются соединительными
стержнями (рис. XV.20).
Перемычки над проемами армируют
горизонтальными каркасами. Продольная
и поперечная арматура ядер жесткости
и перемычек назначается по расчету.
Толщина стенок ядер жесткости
устанавливается по расчету, обыч­но
200—400 мм. По условиям технологии возведения
в скользящей опалубке наименьшая толщина
стенок 200 мм. Стены и перемычки ядер
жесткости могут быть предварительо
напряженными. Для монолитных ядер
жесткости применяют бетон классов В15,
В25.

Панели
внутренних несущих стен в панельных
здани­ях по условиям требуемой
звукоизоляции выполняют из тяжелого
бетона толщиной 14—16 см. При такой
толщи­не обеспечивается несущая
способность этих панелей в зданиях
высотой до 16 этажей. Увеличение несущей
спо­собности панелей стен зданий
большей высоты достига­ется применением
в нижних этажах бетона более высо­кого
класса, увеличением толщины железобетонных
панелей.

Приложения: 2 части, 20 страниц

Графическая документация: 4
листа формата А0, 3 листа формата А1

ДВИГАТЕЛЬ НК-12СТ, ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ
ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ, НАДЕЖНОСТЬ
ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ, ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЕ,
КРИТЕРИИ ЗАЕДАНИЯ, ДОЛГОВЕЧНОСТЬ
КОНТАКТНАЯ

В пояснительной записке рассмотрены
конструктивные особенности двигателя
НК-12СТ. Произведен количественный и
качественный анализ эксплуатационной
технологичности для операции сборки
свободной турбины двигателя. На основе
качественного анализа сделаны выводы,
что конструкция двигателя НК-12СТ
соответствует требованиям эксплуатационной
технологичности на 59%. Предложено
применение блочного метода, самоконтрящихся
соединений, оборудовать двигатель
устройствами регистрирующими наработку.
Количественный анализ показал, что
свободная турбина двигателя соответствует
требованиям технологичности.

Произведен количественный и качественный
анализ эксплуатационной надежности.
На основе качественного анализа
эксплуатационной надежности сделаны
выводы, что наибольшее количество
отказов происходит из-за трения,
приходится на опору и лопатки и появляется
из-за конструктивно-производственных
недостатков. Предложено вынести
подшипники из зоны высоких температур,
изменить условия смазки и улучшить
культуру производства. Количественный
анализ показал, что надежность опоры
меньше допустимой. Предложено установить
интервалы контроля технического
состояния.

Проведено исследование причин появления
неисправностей. Объектом исследования
являлся роликоподшипник передней опоры
свободной турбины. На его основе сделаны
выводы, что разрушение подшипника
произошло из-за проскальзывания роликов.
Предложено заменить подшипник на
аналогичный меньшей массы и посадить
его на вал с натягом.

Произведен анализ организационной
структуры. Построена логическая модель
процесса сборки свободной турбины.
Произведена оценка структуры сборки
свободной турбины, на ее основе сделаны
выводы, что структура процесса совершенна.

Произведена разработка оборудования
для проливки опоры свободной турбины.
В ходе разработки произведен подбор
комплектующих изделий. Произведено
описание работы установки и инструкции
по ее эксплуатации.

Произведено технико-экономическое
обоснование внедрения установки для
проливки свободной турбины. Установка
приведена в соответствие нормам охраны
труда и окружающей среды.

Произведен сравнительный анализ
запатентованных аналогичных установок.

На современном этапе развития газовой
промышленности проблема увеличения
эффективности использования силовых
установок ГПА связывается с высокой
себестоимостью их производства. Решение
проблемы идет по пути приобретения
новых высокоэффективных силовых
установок (двигателей) и совершенствования
системы технологического процесса
технического обслуживания и ремонта.

В общем случае уровень системы
технологического процесса технического
обслуживания и ремонта определяется
тем, насколько взаимосвязаны между
собой объективно протекающий процесс
изменения технического состояния
двигателя и процесс его технической
эксплуатации.

Эффективность технологического процесса
технического обслуживания и ремонта
существенно повышается при реализации
стратегий технического обслуживания
по техническому состоянию. Для реализации
данной стратегии необходимо постоянно
знать текущий уровень технического
состояния объекта эксплуатации. Кроме
того, эффективность процессов технической
эксплуатации зависит от того, насколько
удачно спроектирован двигатель с точки
зрения эксплуатационной технологичности.

Проблема повышения эффективности
технической эксплуатации особенно
остро возникает в связи с непрерывным
усложнением конструкции двигателей и
ростом требований по обеспечению
надежности и улучшению их использования.

В связи с этим, тема дипломного проекта
«Совершенствование технологического
процесса разборки и сборки двигателя
НК-12СТ» является актуальной на сегодняшний
день.

АТ –
агрегат теплообменный,

Б – бак,

ВН – вентиль,

ВС – воздушный стартер,

ГПА – газоперекачивающий агрегат,

ГТД – газотурбинный двигатель,

Д – дроссель,

КПН – конструктивно-производственный
недостаток,

ЛА – летательный аппарат,

МН – манометр,

Н – насос,

РМ – расходомер,

СТ – свободная турбина,

УТ – указатель температуры,

ТОиР – техническое обслуживание и
ремонт,

ТЭ – техническая эксплуатация,

УУ – указатель уровня,

Ф – фильтр,

Ц – центрифуга,

Ш – шланг,

Э – эксплуатационный.

1.1.1. Анализ
технических характеристик двигателя
НК-12СТ.

Конструктивная особенность — изделие

Двигатель
НК-12СТ является турбовальным газотурбинным
двигателем,
предназначенным
для привода нагнетателей газоперекачивающих
агрегатов компрессорных станций
магистральных газопроводов большой
протяженности.

В качестве топлива
на двигателе используется природный
газ.

При замене топливной
аппаратуры двигатель может работать
на жидком топливе и применяться как
привод различных потребителей мощности.

Двигатель НК-12СТ
— двигатель со свободной турбиной —
спроектирован на базе авиационного
двигателя.

Применение
модификации авиационного двигателя в
качестве при­вода нагнетателя
газоперекачивающего агрегата позволило
создать компактную компоновку с небольшим
весом и габаритами, обеспечив автоматизацию
процессов управления и регулирования
режимов ра­боты двигателя при
современном уровне экономичности и
высокой на­дежности.

Двигатель НК-12СТ
работоспособен в составе ГПА-Ц-6,3 в
диапа­зоне изменения температур
наружного воздуха от —55°С до +40°С при
относительной влажности до 100%.

Турбовальный
двигатель НК-12СТ является га­зотурбинным
двигателем, в котором свободная энергия
преобразуется в мощность на выводном
валу с помощью свободной силовой турбины.

Общий вид двигателя
показан на рисунке 1, про­дольный
разрез на рисунке 2.

исунок
1 – Общий вид двигателя НК-12СТ.

Запуск двигателя
автоматический. Раскрутка обеспечивается
воздушным стартером, приводимым газом,
транспортируемым по газопроводу. При
за­пуске стартер раскручивает ротор
турбокомпрес­сора, а от него, через
соответствующие приводы, вступают в
работу агрегаты топливной и масляной
системы, а также агрегаты управления
механиза­цией компрессора.

Воспламенение
газовоздушной смеси в камере сгорания
обеспечивается катушками зажигания и
воспламенителями.

Система запуска
включает в себя воздушный стартер,
катушки зажигания, воспламенители со
свечами, центробежный выключатель,
электромаг­нитный клапан пускового
топливного газа, электро­магнитные
клапаны дозатора газа.

Система
регулирования, в состав которой вхо­дит
топливная система и система управления
ме­ханизацией компрессора, предназначена
для авто­матического питания двигателя
топливным газом на всех режимах работы
и для получения требуе­мых параметров
в заданных диапазонах изменения внешних
факторов и рабочих характеристик
дви­гателя.

В топливную систему
входят: кольцевой топ­ливный коллектор,
двенадцать рабочих форсунок, дозатор
газа ДГ-12 с регулятором оборотов
тур­бокомпрессора ОГ-12 (РО-12), стопорный
клапан.

Ограничитель
оборотов свободной турбины ОГ-8-4,
сигнализатор предельных оборотов ротора
сво­бодной турбины СПО-23, регулятор
температуры газов перед свободной
турбиной УРТ-19А-ЗУ, сов­местно с
агрегатами топливной системы, обеспечи­вают
автоматическое регулирование параметров
в зависимости от изменения внешних
факторов и ра­бочих характеристик
двигателя.

еханизацию
управления компрессора и из компрессора
обеспе­чивает агрегат управления
АУ-12СТМ, гидроусилитель регулируемого
вход­ного направляющего аппарата и
гидроприводы кла­панов перепуска
воздуха.

Рисунок 2 –
Продольный разрез двигателя НК-12СТ.

На двигателе
предусмотрена система контро­ля и
защиты, которая работает совместно с
сис­темой регулирования, и обеспечивает
контроль за работой двигателя (замер
частоты вращения тур­бокомпрессора
и свободной турбины, замер темпе­ратуры
газов перед свободной турбиной) и защи­ту
двигателя при неправильной эксплуатации
или при появлении неисправностей в
узлах (защита по предельной частоте
вращения свободной тур­бины, защита
по предельному уровню виброуско­рений,
защита по предельной температуре газов
перед свободной турбиной, защита по
помпажному режиму, защита по утечке
пускового топливного газа).

Двигатель снабжен
короткозамкнутой мас­ляной системой
циркуляционного типа.

Агрегаты масляной
системы обеспечивают по­дачу масла
для смазки и охлаждения деталей и узлов
двигателя и для работы агрегатов системы
регулирования.

В масляную систему
входят нагнетающие на­сосы, откачивающие
насосы, суфлеры, воздухо­отделитель,
основной масляный фильтр.

В состав двигателя
входят следующие основ­ные узлы:

— передняя опора;

— осевой
четырнадцатиступенчатый компрес­сор
(рисунок 2, 1);

— трехступенчатая
турбина компрессора (рисунок 2, 2);

— одноступенчатая
свободная турбина (рисунок 2, 3).

Двигатель снабжен;
агрегатами масляной систе­мы, системы
регулирования, системы запуска и системы
контроля и защиты.

На двигателе
установлены приборы, контроли­рующие
его работу.

Передняя опора
является силовым эле­ментом двигателя,
воспринимающим нагрузки от статора и
ротора компрессора и передающим их
через цапфы подвесок на раму установки.
В перед­ней опоре установлен центральный
привод, кото­рый передает крутящий
момент с турбины на при­вод агрегатов
масляной системы и коробок приво­дов.

Корпус передней
опоры состоит из наружной кольцевой
коробки, связанной с внутренним кону­сом
шестью полыми обтекаемыми ребрами.
Поверхности наружной кольцевой коробки
и внутренне­го конуса профилированы
и образуют вместе с реб­рами шесть
каналов, по которым в компрессор
пос­тупает воздух. Пустотелые ребра
использованы для размещения внутри них
приводов к агрегатам, а также масляных
и воздушных коммуникаций.

В передней опоре
смонтирован входной регули­руемый
направляющий аппарат компрессора и
ро­ликовый подшипник ротора компрессора.

На задней стенке
корпуса передней опоры име­ются фланцы
крепления привода центробежного суфлера,
масляного фильтра, привода нижней
ко­робки приводов.

На наружной
поверхности корпуса предусмот­рены
фланцы крепления масляного агрегата,
при­вода воздушного стартера, масляного
насоса, аг­регатов регулирования,
сигнализатора обледенения и гидропривода
входного регулируемого направля­ющего
аппарата компрессора.

Компрессор —
четырнадцатиступенчатый, осевой, служит
для повышения давления воздуха,
поступающего в камеру сгорания, и состоит
из ро­тора и статора. Ротор компрессора
барабанно-дисковой конструкции, состоит
из четырнадцати от­дельных рабочих
колес и заднего вала, жестко сое­диненных
друг с другом. Ротор вращается на двух
подшипниках качения. Передний подшипник
— ро­ликовый, допускающий осевое
перемещение рото­ра под действием
осевых сил и температурных де­формаций.
Задний подшипник — радиально-упорный
шариковый. Он обеспечивает осевую
фикса­цию ротора. Задний вал компрессора
сочленен с передним валом турбины при
помощи шлицевого соединения и
соединительного болта.

Статор компрессора
состоит из картера, направ­ляющих
аппаратов и рабочих колец. Картер и
направляющие аппараты разъемные, с
разъемом в горизонтальной плоскости.

Соединение половин
болтовое и осуществлено по продольным
фланцам, приваренным к каждой по­ловине
картера. Направляющие аппараты и коль­ца
рабочих колес, образуют сужающийся
тракт статора компрессора.

Нормальную работу
компрессора на нерасчетных режимах
обеспечивают регулируемый входной
направляющий аппарат и клапана перепуска
воздуха. На верхней половине картера
размещена коробка приводов агрегатов,
воздушный стартер ВС-12, кронштейн со
штепсельными разъемами, пусковые катушки
зажигания. На нижней половине картера
размещены дозатор газа, коробка приводов
агрегатов двигателя, агрегат управления
воздушными клапанами и входным
направляющим аппаратом, клапан перепуска
топлива и др.

Картер турбины,
расположенный между компрессором и
газовой турбиной компрессора, является
силовым узлом двигателя. В нем размещены
камера сгорания кольцевого типа, опоры
для валов компрессора и турбины, в
передней части картера располагается
шариковый подшипник задней опоры ротора
компрессора, в задней – роликовый
подшипник передней опоры ротора турбины.

Камера сгорания
кольцевого типа сварной конструкции,
имеет двенадцать головок, соединенных
в блок, переходящий в кольцевую полость
камеры. В каждой головке расположены
завихрители, во втулках которых
смонтированы топливные форсунки.
Воспламенение топлива в камере сгорания
обеспечивают два воспламенителя.

Газовая
трехступенчатая, осевая турбины
компрессора предназначена для привода
во вращение ротора компрессора, а также
агрегатов, обслуживающих двигатель.

Ротор турбины
состоит из трех рабочих колес, переднего
и заднего валов. Ротор вращается на двух
роликовых подшипниках. Передний подшипник
установлен в картере турбины, задний –
в промежуточной опоре турбины.

Лопатки в дисках
закреплены при помощи хвостовика
«елочного типа» и закреплены от осевых
перемещений пластинчатыми замками.
Перетекание газа между ступенями турбины
ограничивают газовые лабиринтные
уплотнения.

Статор турбины
состоит из сопловых аппаратов трех
ступеней турбины. Каждый сопловой
аппарат имеет наружные и внутренние
кольца, между которыми установлены
лопатки, образующие каналы для газа,
поступающего на лопатки рабочего
коле­са. Наружное кольцо образует
тракт над рабочим колесом соответствующей
ступени. Для обеспече­ния минимальных
радиальных зазоров по наруж­ному
диаметру ротора турбины в наружное
коль­цо установлены металлокерамические
вставки. На­ружные кольца сопловых
аппаратов, соединенные между собой,
образуют силовую часть статора. Внутренние
кольца сопловых аппаратов центриру­ются
по нижним концам лопаток. Лопатки имеют
возможность свободно расширяться при
нагреве.

Промежуточная
опора турбины яв­ляется силовым узлом,
в котором установлен задний подшипник
ротора турбины компрессора.

Подшипник установлен
в корпусе демпфера, прикрепленном
болтами к несущему фланцу внут­реннего
корпуса. В корпусе демпфера размещен
также демпфер, назначение которого —
снизить виброперегрузки при прохождении
ротором турби­ны критической частоты
вращения.

Для предохранения
подшипника от воздейст­вия высоких
температур предусмотрена тепловая
изоляция.

Внутренний и
наружный кожухи промежуточной опоры,
с приваренными к ним ребрами, образуют
газовый тракт, по которому газ направляется
к свободной турбине.

Свободная турбина
— одноступенчатая, осевая, предназначена
для привода центробежного нагнетателя
газоперекачивающего агрегата. Ро­торы
турбины компрессора и свободной турби­ны
не имеют между собой механической связи.

Свободная турбина
состоит из ротора, статора и опоры.
Ротор, состоящий из рабочего колеса и
ва­ла, вращается в двух опорах: передняя
— ролико­вый подшипник, задняя — пакет
из роликового и шарикового подшипников.
Оба подшипниковых узла установлены в
опоре свободной турбины. Крепление
лопаток в диске осуществлено при по­мощи
хвостовиков «елочного типа». Лопатки
за­контрены от осевых перемещений
пластинчатыми замками. На диске выполнен
двухрядный лаби­ринт, который вместе
с уплотнительным кольцом образует
газовое лабиринтовое уплотнение.

Крутящий момент
с вала ротора свободной тур­бины через
шлицевую втулку, расположенную на его
конце, передается на вал ротора
центробежно­го нагнетателя посредством
специального торсионного вала.

Статор турбины
состоит из одного соплового аппарата
сварной конструкции, имеющего наруж­ное
и внутреннее кольца. В профильные прорези
наружного кольца входят лопатки,
приваренные к нему сваркой. Противоположные
концы лопаток свободно входят в профильные
прорези внутренне­го кольца. В наружном
кольце установлены металлокерамические
вставки. К внутреннему кольцу приварено
кольцо — козырек, которое образует
уплотнение, ограничивающее утечки газа
из полос­ти перед сопловым аппаратом.

Опора свободной
турбины является основным силовым
элементом свободной турбины.

Наружный силовой
кожух, соединенный бол­тами с литыми
ребрами, приваренными к внутрен­нему
корпусу опоры, воспринимает усилия от
статора и ротора и передает их через
подвески на ра­му установки.

Во внутреннем
корпусе опоры установлены пе­редний
и задний подшипниковые узлы ротора,
дем­пфирующее устройство переднего
подшипника, при­вод маслоагрегата.

Наружный и внутренний
кожухи, соединенные пятью пустотелыми
ребрами, образуют газовый тракт.

Пустотелые ребра
использованы для размеще­ния масляных
и воздушных коммуникаций.

На опоре установлена
коробка приводов сво­бодной турбины
и смонтированы цапфы задней подвески
двигателя.

Для подвода воздуха
на охлаждение наружной поверхности
статора турбины на статоре смонтирован
кожух, выполненный из двух половин,
скреп­ленных стяжными лентами.

Воздух из атмосферы
через входное устройство газоперекачивающего
агрегата и входной канал передней опоры
поступает на вход в компрессор, проходит
через регулируемый входной направляю­щий
аппарат компрессора, сжимается в осевом
компрессоре и поступает в кольцевую
камеру сго­рания.

В камере сгорания
воздушный поток делится на два: первичный
поток (25%) и вторичный поток (75%).

Воздух первичного
потока, перемешиваясь с топливным газом,
поступающим через форсунки, участвует
в процессе горения. Воздух вторичного
потока, охлаждая стенки камеры сгорания,
посто­янно подмешивается к продуктам
сгорания для по­лучения необходимой
температуры газа перед тур­биной.
Часть вторичного воздуха используется
для охлаждения турбины компрессора.

Процесс сгорания
идет при практически посто­янном
давлении в камере. Падение давления в
кон­це камеры сгорания составляет не
более 3% от пол­ного давления за
компрессором.

Воспламенение
смеси топливного газа и возду­ха при
запуске двигателя происходит от двух
вос­пламенителей, состоящих из пусковой
форсунки и запальной свечи.

Продукты сгорания,
имеющие высокую темпе­ратуру и давление
при выходе из камеры сгорания, обладают
большой потенциальной энергией.

Продукты сгорания
из камеры поступают пос­ледовательно
на три ступени турбины компрессора и
одну ступень свободной турбины, где
потенци­альная энергия преобразуется
в механическую работу на валу.

Мощность, потребляемая
компрессором и агре­гатами, меньше
мощности развиваемой турбинами. Избыток
мощности через ротор свободной турби­ны
передается на вал для привода центробежного
нагнетателя газоперекачивающего
агрегата.

За турбиной продукты
сгорания выпускаются в атмосферу через
выходную улитку ГПА.

От основных роторов
двигателя — ротора тур­бокомпрессора
и ротора свободной турбины осу­ществляются
следующие передачи:

— к центральному
приводу;

— к приводу
откачивающего маслонасоса про­межуточной
опоры;

от ротора свободной
турбины:

— к приводу агрегатов
свободной турбины.

Кроме того, имеется
передача от воздушного стартера к ротору
турбокомпрессора — привод от воздушного
стартера.

Особенности конструкции

При
проектировании и изготовлении
трехшарошечных долот Для мягких и
твердых пород обычно учитывают
следующие факторы: угол наклона цапфы;
величину смещения, форму зуб­цов; тип
подшипников и взаимосвязь между зубцами
и подшип­никами.

Угол
наклона цапфы. Цапфа
долота представляет собой опорную
поверхность, несущую нагрузку, и состоит
из подшип­ников (см. рис. 4.4). Угол
наклона цапфы определяется как угол,
образованный линией, перпендикулярной
к оси цапфы, и осью долота. На рис. 4.5
показан разрез лапы трехшарошеч-ного
долота. Угол 6 определяет угол наклона
цапфы.

Оптимальные
углы наклона цапфы шарошечных долот
для мягких и твердых пород составляют
33 и 36° соответственно.

Рис.
4.5. Схема определения угла наклона цапфы:

/
— ось долота; 2 — ось цапфы; 3 — цапфа

Рис.
4.6. Влияние угла наклона цапфы на раз­меры
шарошки:

а
б, в, г, д —
угол наклона цапфы 0, 15, 30, 36 и 45°
соответственно Темным показаны части,
которые удаля­ются

Рис.
4.7. Конструкции шарошек: а
—
перекатывающейся шарошки; 6
—
для чягмэй породы; в
—
со смещением осей ша­рошки относительно
оси долота, I
—
ось ша­рошки и опоры подшипников; 2
—
ось долота* 3
—
вершина; 4
—
угол конуса шарошки; 5 -т вершина
внутреннего угла; 6
—
вершина угла периферийного конуса
шарошки; 7,8
—
угол соответственно периферийного и
внутреннего конусов шарошки; 9
—
смещение; 10
—
ось цапфы; //—вершина угла смещения; 12
—
угол смещения.

Рис.
4.8. Схема расположения зубцов
соседних шарошек.

Практикой
установлено, что мягкие породы эффективно
разрушаются за счет дробяще-скалывающего
действия. Этот эффект усиливается
вследствие смещения осевых линий
шаро­шек от центра вращения долота
(рис. 4.7, в). Величина сме­щения осей
зависит от крепости породы. Для мягких
пород
трехшарошечное
долото изготовляют с большим смещением,
чтобы шарошки проскальзывали во время
качения по забою скважины. Твердые
породы характеризуются хрупкостью,
вы­сокой прочностью и эффективно
разрушаются за счет дробяще-скалывающего
действия. Долото испытывает значительную
осе­вую нагрузку, чтобы преодолеть
прочность породы на сжатие непосредственно
под зубцом и разрушить ее. Для твердой
по­роды срезывающие усилия не требуются
и, следовательно, сме­щение осей
отсутствует.

Для
пород средней твердости угол смещения
осей может со­ставлять 2°.

Зубцы.
Длина
и геометрия зубцов непосредственно
связана с прочностью разрушаемой горной
породы, высота ограничи­вается размером
шарошки и конструкцией подшипников.

При
конструировании учитывают следующие
факторы.

2.
Форму и длину зубцов, которые определяются
характе­ристиками разбуриваемой
горной породы. Длинные, острые и
расположенные с большим шагом зубцы
используют для буре­ния мягких
пластичных пород. В мягких породах
применяют более длинные зубцы, что
позволяет получить значительный объем
породы. Большое расстояние между зубцами
способст­вует легкому удалению
обломков породы и самоочищению до­лота.
Угол при вершине зубца долота для мягких
пород изме­няется от 39 до 42°.

Для
твердых пород зубцы изготовляют короче,
они имеют меньший угол заострения и
расположены более часто, чтобы выдерживать
высокие сжимающие нагрузки, необходимые
для разрушения. В этом случае зубцы не
проникают в породу, а осуществляют ее
разрыв за счет приложения высоких
сжи­мающихся нагрузок.

Рис.
4 9. Виды вставок для различных пород:

а
— для
мягких, б — для мягких и средней твердости,
в —для средних и твердых; г
— для
твердых

Рис.
4 10 Схема подшипника типа ро­лик —
шарик — ролик:

1
—
наружный роликовый подшипник, 2,3
— шариковый
и роликовый подшипники.

Долота
с фрезерованными зубцами наиболее
широко ис­пользуют при бурении очень
мягких пород, в которых требу­ются
небольшие нагрузки.

Для
твердых пород применяют шарошки со
вставками шты­ревого типа. Вставки
изготовлены из карбида вольфрама и
за­прессованы в отверстия, предварительно
просверленные в кор­пусе шарошки.

Существуют
несколько форм вставных зубцов, каждая
из которых предназначена для соответствующей
твердости разбу­риваемой горной
породы (рис. 4.9). Остроконечные вставные

зубцы
используют для бурения мягких пород, а
круглые и по­лусферические вставки
применяют для бурения средних и твер­дых
пород. На рис. 4.1 показано долото штыревого
типа с остроконечными вставными зубцами.

Подшипники
опор долот. Эти
элементы долота выполняют следующие
функции: 1) воспринимают радиальную
нагрузку; 2) воспринимают осевые нагрузки;
3) удерживают шарошки на лапах.

Первая
функция осуществляется крайним и ближним
к вер­шине цапфы подшипниками, вторая
и третья функции — ша­риковыми
подшипниками и фрикционными упорными
поверх­ностями.

Применяют
два различных типа подшипников: качения
(ан­тифрикционные) и скольжения
(фрикционные).

Подшипники
качения применяют в виде двух схем:
ролик — шарик —ролик (РШР) и
ролик—шарик—подшипник скольжения
(РШС).

Подшипник
опоры типа ролик — шарик — ролик (рис.
4.10) включает роликовый подшипник (ближний
к вершине цапфы), содержащий ролики
(небольшие сплошные цилиндры),
проме­жуточный шариковый и наружный
роликовый подшипники. Шариковый замковый
подшипник служит для закрепления
ша­рошки на цапфе Диаметр подшипника
определяется углом на­клона цапфы и
типоразмером шарошки. Рациональное
соотно­шение между диаметрами
подшипников, роликов и шариков, толщиной
корпуса шарошки определяется прочностью
каждой составной части. Недостаток
опоры долота со схемой РШР — выкрашивание
беговых дорожек на стороне большей
нагрузки под действием высоких напряжений.
Долговечность долота со схемой РШР
меньше по сравнению со схемой, в которой
приме­няют подшипники фрикционного
типа (скольжения).

Схема
ролик — шарик — ролик обычно используется
в доло­тах диаметром более 311 мм в
условиях, в которых требуются высокие
скорости вращения.

Опора
со схемой РШС (см. рис. 4.4) включает
подшипник скольжения, установленный
ближе к вершине цапфы. Внутрен­ний
шариковый и наружный роликовый подшипники
такого же типа, что и в схеме РШР. Подшипник
скольжения состоит из специальной
цементируемой втулки, запрессованной
в гнездо передней части цапфы Поверхность
цапфы покрыта специаль­ным твердым
сплавом (стеллитом) так, что при вращении
втулки на цапфе коэффициент трения
незначителен, в резуль­тате чего
уменьшается износ.

Подшипники
скольжения стали применять в бурении,
чтобы исключить недостатки опор со
схемой РШР — выкрашивание беговых
дорожек. Кроме того, замена роликов
подшипниками скольжения позволяет
увеличить прочность шарошки вследствие
большей толщины корпуса и цапфы за счет
ее большего диа­метра.

Опоры
по схеме ролик—
ша­рик—
подшипник скольжения ис­пользуют в
долотах диаметром до 311 мм.

1
—
уравнительные отверстия; 2
—
резервуар со смазкой, 3
—
отверстие для заполнения смазкой, 4
— канал
для смазки, 5 — замковый па­лец, 6
— кольцевой
слой смазки, 7 — сальнико­вое уплотнение,
8
—
слой твердого сплава на цапфе, 9
—
лапа, 10—
мембрана для уравнивания давления; 11
—
слой специального покрытия для быстрого
отвода тепла на внутренней поверхности
шарошки, 12
—
шарошка, IS
—
шариковый подшипник, /4 — пята, 15
— стой
твердого сплава на нагруженной
поверхности цапфы.

Фрикционные
подшип­ники (скольжения). Основное их
отличие состоит в том, что ро­лики
подшипника, установленного ближе к
вершине цапфы, и наруж­ного заменены
подшипниками скольжения. Это дает
возможность
увеличить
диаметр опоры, в результате чего получают
более прочную опору. Опора по схеме
подшипник скольжения — ша­рик—
подшипник скольжения (СШС) приведена
на рис. 4.11. Существует другой вариант
«Хьюз», в котором шариковый подшипник
заменен стальным кольцом.

Смазка
опор долот. Опоры
шарошечных долот бывают не-герметизированные
и герметизированные. Негерметизирован-ные
опоры смазываются с помощью циркулирующего
в сква­жине бурового раствора,
поступающего через зазоры между шарошкой
и цапфой. Для смазки долот с герметизированной
опорой применяют специальную систему,
размещенную внутри корпуса лапы. В
последнем случае смазка буровым раствором
не рекомендуется, так как буровой раствор
содержит абразив­ные твердые вещества
(песок, барит и т. д.), которые сокра­щают
срок эксплуатации долота.

Негерметизированные
опоры смазываются буровым раство­ром.
Герметизированная опора состоит из
подшипников, уплот­нения, резервуара
со смазкой и компенсатора давления (см.
рис. 411). Уплотнение представляет собой
О-образное кольцо, помещенное между
шарошкой и самой нижней точкой подшип­ника.
Уплотнительное кольцо создает
герметизацию, преду­преждающую
попадание бурового раствора на опору
или вы­ход смазки. Резервуар
обеспечивает подачу консистентной

смазки
в опору через канал. Движение консистентной
смазки регулируется системой
компенсирования давления.

Компенсатор
давления включает гибкую мембрану,
которая действует в пределах металлического
протектора и удержива­ется стальной
крышкой с отверстиями. Компенсатор
под­держивает одинаковое давление
внутри и снаружи опоры. Механизм
компенсирования давления снабжен
предохранитель­ным клапаном. Последний
защищает уплотнение опоры и ком­пенсатор
от повреждения, когда высокая температура
способст­вует разложению смазки на
газообразные компоненты, в ре­зультате
чего увеличивается внутреннее давление.