Вас приветствует Интернет конференция!
Приветствуйем на нашем сайте
ПОРІВНЯННЯ ХАРАКТЕРУ ВІДМОВ МАСЛОНАПОВНЕНИХ ТА ВІДКРИТИХ ОПОР ГВИНТОВИХ ВИБІЙНИХ ДВИГУНІВ (ГВД)
12.03.2026 18:04
[3. Nauki techniczne]
Автор: Назаренко Борис Ігорович, аспірант, Національний університет «Полтавська політехніка ім. Ю. Кондратюка», м. Полтава
ORCID: 0009-0009-4642-9906
Гвинтові вибійні двигуни (ГВД) є ключовим інструментом похило-спрямованого та горизонтального буріння. Їхня ефективність і надійність критично залежать від вузла опор, який сприймає осьові та радіальні навантаження. Зростання складності профілів свердловин та жорсткості режимів буріння вимагає глибокого розуміння відмінностей у надійності між традиційними відкритими (промивними) та сучасними маслонаповненими (герметизованими) опорами [1]. Метою роботи є порівняльний аналіз домінуючих механізмів відмов та оцінка потенціалу застосування маслонаповнених конструкцій в умовах високих механічних та термічних навантажень українських родовищ.
У конструкції відкритої опори елементи підшипників змащуються та охолоджуються безпосередньо промивною рідиною. При експлуатації ГВД такого типу, ключовим фактором що визначає їхній ресурс, стає безпосередня взаємодія трибоспряжень з буровим розчином. Специфіка роботи таких підшипників у глибоких свердловинах (зокрема в умовах Дніпровсько-Донецької западини) полягає в тому, що вони повинні сприймати екстремальні осьові навантаження в діапазоні 150–200 кН.
При такій силі в точках контакту тіл кочення виникають контактні напруження за Герцом, що сягають 2000–2500 МПа. У чистому середовищі метал здатний витримувати такі навантаження тривалий час, однак наявність твердої фази у промивній рідині кардинально змінює фізику процесу.
Механізм руйнування описується через різке зростання коефіцієнта інтенсивності зношування k у рівнянні Арчарда. Якщо для чистої рідини цей показник становить близько 10⁻⁶, то при насиченні розчину кварцовим піском або шламом до рівня 1–3% (типовий показник при недостатньому очищенні), коефіцієнт k зростає на два порядки — до 5·10⁻⁴ і вище.[1]
Абразивні частинки, потрапляючи в зону надвисокого тиску, не просто дряпають поверхню — вони викликають втомне викришування та мікрорізання загартованого шару металу. Процес посилюється гідродинамічним впливом: при витратах промивальної рідини 30–60 л/с швидкість потоку в зазорах підшипника становить 20–40 м/с, що створює ефект піскоструминної ерозії, особливо на сепараторах та бігових доріжках.
Таким чином, розрахункова швидкість зносу відкритої опори стає лінійно залежною від концентрації абразиву: збільшення вмісту піску в розчині на кожні 0.5% призводить до скорочення залишкового ресурсу опори приблизно на 20–25 годин. Саме ця кореляція пояснює низьке середнє напрацювання на відмову (MTTF) відкритих систем на рівні 100–120 годин у складних геологічних умовах, адже навіть короткочасне погіршення роботи системи очистки бурового розчину призводить до незворотних змін у геометрії підшипника.
Маслонаповнені (герметизовані) опори
У маслонаповнених опорах підшипниковий вузол повністю ізольований від промивної рідини за допомогою герметичних ущільнювальних елементів. Робоча область підшипника заповнена спеціальним термостійким мастилом, яке створює стабільну мастильну плівку та знижує коефіцієнт тертя приблизно до
μ≈0.02− 0.04
що в декілька разів менше, ніж у відкритих системах, що контактують із буровим розчином. Завдяки відсутності абразивних частинок у робочій зоні істотно знижується ризик мікрорізання, викришування поверхневого шару та прискореного втрати геометрії тіл кочення.
Основною причиною виходу з ладу маслонаповнених опор залишається руйнування системи герметизації. Пошкодження манжет або лабіринтових ущільнень призводить до витоку мастила та миттєвого проникнення бурового розчину в підшипник. Зміна в’язкості робочого середовища на порядок, а також поява твердих частинок різко збільшує локальні контактні напруження (до 2000–2500 МПа), що запускає прискорене втомне руйнування.
Другим критичним фактором є термічне старіння мастила. Мастильні матеріали, що застосовуються в опорах, зберігають стабільність до температур 140–180°C. Після перевищення цього діапазону спостерігається падіння в’язкості на 40–60%, втрата несучої здатності та формування ділянок сухого тертя. У таких умовах руйнування контактних поверхонь може відбутися упродовж кількох годин, навіть при номінальних навантаженнях.[2]
Відтак, маслонаповнені опори забезпечують суттєво довший ресурс у порівнянні з відкритими системами завдяки відсутності прямого контакту з абразивним та хімічно активним буровим розчином. Проте їх надійність визначається, перш за все, довговічністю ущільнень і термостійкістю мастила. Поєднання підвищених температур, високих обертів та механічних коливань створює умови, у яких навіть часткове руйнування системи герметизації призводить до швидкого виходу опори з ладу. Таким чином, підвищення ефективності герметизації та покращення термостабільності мастил залишаються ключовими напрямами вдосконалення конструкції опор у високонавантажених гвинтових вибійних двигунах.
Література
1. Zhao, X., Zhang, Y., & Gao, S. (2024). Evaluation and analysis of abrasive wear resistance of hybrid roller bearings under lubricant contamination. Wear, 558–559, 205570. https://doi.org/10.1016/j.wear.2024.205570
2. Pateriya, A., Mittal, N. D., & Pradhan, M. K. (2021). Investigations of wear in journal bearings due to lubricant contamination. Turkish Online Journal of Qualitative Inquiry, 12.
_____________________________
Науковий керівник: Бучинський Мирослав Яремович, доцент, кандидат технічних наук, Національний університет «Полтавська політехніка ім. Ю. Кондратюка»
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter
Конференции
Konferencje 2026
Konferencje 2025
Konferencje 2024
Konferencje 2023
Konferencje 2022
Konferencje 2021
