КОРОНКА ДЛЯ УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК E21B10/36 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к коронкам для ударно-вращательного бурения.

Известна коронка для ударно-вращательного бурения, армированная по периферии цилиндросферическими вставками [1]. Цилиндросферическая вставка, армирующая периферийную часть указанной коронки, обеспечивает ей повышенную прочность. Однако такая коронка может быть использована для бурения только хрупких пород. С переходом на проходку вязких пород производительность бурения указанной коронкой падает, так как под сферической рабочей частью твердосплавной вставки вязкая порода больше сминается, чем скалывается, что ведет к уменьшению объема разрушения и соответственно к уменьшению скорости бурения. Кроме того, необходимость размещения периферийных вставок под углом к оси коронки предопределяет существенное усложнение конструкции последней и технологию ее изготовления.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является коронка для ударно-вращательного бурения, включающая головку, периферийная часть которой армирована твердосплавными вставками, имеющими тело цилиндрической формы и асимметричную рабочую поверхность с ориентированным в сторону наружной поверхности головки лезвием с плоскостью симметрии, проходящей через ось вставки, и образованным двумя наклонными к продольной оси вставки плоскостями [2]. Основными недостатками данной коронки являются сложность изготовления и малая эффективность в работе. Сложность изготовления связана с необходимостью установки периферийных вставок под углом к продольной оси корпуса коронки, что требует очень большой точности для установки калибрующей поверхности вставок на заданный диаметр коронки. Кроме того, наличие на рабочей поверхности нескольких пересекающихся плоскостей требует дополнительных затрат на шлифовочные работы. Недостаточная эффективность в работе связана как с наклонным расположением вставок, приводящим при значительных нагрузках к их расшатыванию и выпадению, так и с неоптимальностью формы рабочей поверхности вставок, приводящей к быстрому затуплению лезвия.

В связи с изложенным основными задачами изобретения являются: упрощение технологии изготовления коронки и снижение за счет этого ее стоимости, повышение эффективности работы коронки и уменьшение за счет этого затрат на проведение буровых работ, повышение надежности коронки.

Поставленная цель достигается тем, что в буровой коронке для ударно-вращательного бурения, включающей головку, периферийная часть которой армирована твердосплавными вставками, имеющими тело цилиндрической формы и асимметричную рабочую поверхность с ориентированным в сторону наружной поверхности головки коронки лезвием с плоскостью симметрии, проходящей через ось вставки, и образованным двумя наклонными к продольной оси вставки плоскостями, согласно изобретению, периферийные вставки расположены параллельно оси коронки, а лезвия их имеют форму прямой, переходящей в направлении к оси вставки в кривую второго порядка, например часть окружности, эллипс или гиперболу, образованную криволинейными поверхностями, расположенными симметрично и выпукло относительно продольной оси лезвия, при этом часть поверхности вставки, обращенной к оси коронки, выполнена в виде части конуса.

Предусмотрен вариант выполнения лезвия с притуплением одинаковой ширины по всей длине, а цилиндрического тела вставки - с выступом по всей высоте, ограниченным в плане касательными к окружности, описывающей поперечное сечение вставки, и частью окружности, описывающей головку коронки. Конструктивные элементы коронки позволяют производить более эффективную обработку забоя шпура, увеличивают ресурс коронки до переточки. Наряду с этим при упрощенной конфигурации коронки (наличие прямого торца) обеспечивается ее центровка в шпуре в процессе бурения.

На фиг. 1 изображена коронка, общий вид; на фиг. 2 - вид коронки со стороны рабочего торца; на фиг. 3 и 4 - вид вставки в двух проекциях; на фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 3; на фиг. 6, 7 и 8 - вид другого варианта вставки в трех проекциях; на фиг. 9 - схема действия нагрузок на периферийную твердосплавную вставку; на фиг. 10 - направление скола разрушаемой породы твердосплавными вставками; на фиг. 11 - схема размещения в гнезде твердосплавной вставки.

Коронка для ударно-вращательного бурения включает головку 1, периферийная часть которой армирована твердосплавными вставками 2, расположенными параллельно оси коронки, имеющими тело 3 цилиндрической (на фиг. 6-8 некруглой) формы и асимметричную рабочую поверхность 4, на обращенной к периферии части которой размещено лезвие, выполненное в виде прямой 5, переходящей в кривую 2-го порядка 6. Обращенная к периферии головка 1 коронки часть рабочей поверхности образована двумя плоскостями 7, переходящими в криволинейные поверхности 8. Криволинейные поверхности 8 выпуклы, а вместе с плоскостями 7 и симметричны относительно плоскости, проходящей через оси коронки и вставки. При этом часть рабочей поверхности вставки, обращенная к оси коронки, выполнена в виде конуса 9. Двугранный угол β постоянен для данной вставки. Величина этого угла выбирается в зависимости от крепости буримых пород: для более крепких пород угол β предпочтительнее иметь большим, для слабых - меньшим.

Цилиндрическое тело 3 периферийной вставки может быть выполнено круглым в поперечном сечении (как показано на фиг.5), а также с выступом 10 (фиг. 8), ограниченным двумя касательными 11 к окружности 12, описывающей тело вставки, и частью окружности 13, описывающей головку коронки, при этом касательные при мысленном их продолжении пересекаются в одной точке на плоскости симметрии лезвия (симметричны относительно указанной плоскости). Лезвие периферийной вставки может быть выполнено острым (фиг.4) или с притуплением (фиг.8).

Преимуществами коронки являются: повышение эффективности работы и надежности конструкции, а также улучшение технологичности ее изготовления.

Повышение эффективности обеспечивается благодаря тому, что твердосплавные вставки, установленные на периферии головки коронки и обрабатывающие более энергопотребляющую (из-за блокированности стенкой шпура) часть забоя, имеют лезвийную форму части рабочей поверхности, обращенной к периферии. Выкол породы и удаление ее от индентора (в данном случае от лезвийной рабочей части вставки) происходит более эффективно, если перед скалывающими поверхностями (при лезвийной форме перед гранями лезвия) нет стенки, нет блокированности. На сопряжения забоя шпура и его стенок (в двугранном угле) благоприятным направлениям скола соответствуют перемещения вставки от вращения коронки: вперед по ходу вращения и назад (фиг.9 и 10). Именно эти направления и предпочтительнее иметь свободными для скола при внедрении лезвия, которое расположено в плоскости, проходящей через ось коронки и вставки. Иными словами, в этом сопряжении, имеющем форму двугранного угла, наиболее эффективную обработку забоя способен совершить такой индентор, у которого скол будет происходить единственно (или, по крайней мере, преимущественно) в направлении, параллельном ребру этого угла. Этому требованию более всего удовлетворяет клин, расположенный перпендикулярно ребру угла, т. е. так, как принято в коронке. Вторая же половина рабочей части вставки, обращенная к оси коронки, выполнена в виде половины корпуса вращения и при внедрении ее в массив порода скалывается и смещается не только вперед и назад по направлению перемещения вставки вращением, но и вбок к оси коронки, т.е. во все три свободные от блокированности направления (точнее, в направлении всех радиусов-векторов этой части вставки - фиг.10).

Стендовые и шахтные испытания коронки показали существенное превышение скорости бурения последней над известными конструкциями коронок: долотчатых, трехперых, крестовых, лезвийных и коронок с цилиндросферическими твердосплавными вставками. В различных горно-геологических условиях величина этого превышения составила от 5 до 55%.

Повышение надежности коронки происходит за счет того, что
- предложенная с коронкой твердосплавная вставка свободна от концентраторов напряжений, связанных с вогнутыми поверхностями (вогнутости отсутствуют), свободна от консолей;
- благодаря асимметрии рабочей части вставки (лезвийная часть со стороны периферии и конусная со стороны, обращенной к оси коронки) уменьшается боковая составляющая напряжения, действующая на твердосплавную вставку от стенки шпура, что вместе с асимметрией приложения осевой нагрузки (фиг.9) приводит к существенному уменьшению вероятности появления опасных изгибающих нагрузок на твердосплавные вставки;
- увеличение скорости бурения (по причинам, изложенным выше) при неизменной энергии удара и при прочих равных условиях неизбежно приводит к уменьшению нагрузок и на твердосплавные вставки, и на коронку в целом, поскольку при постоянной энергии удара нагрузка на коронку обратно пропорциональна ее перемещению при внедрении.

Повышение технологичности изготовления коронки может быть получено ввиду следующих обстоятельств. Принятая асимметричность вставки позволяет установить ее параллельно оси корпуса коронки, а наклон обращенного к периферии головки коронки лезвия вставки обеспечит центрирование коронки в шпуре в процессе бурения. Последнее обстоятельство позволит выставить все вставки (как периферийные, так и центральные) на одном уровне, а головку корпуса коронки выполнить в виде плоского торца.

Кроме того, благодаря выступу на цилиндрическом теле (по п.3 формулы изобретения) и соответствующей конфигурации гнезда под вставку (фиг.11) отпадает необходимость предусматривать меры по предупреждению вращения вставки в гнезда при вибрации корпуса коронки в процессе пайки.

Использование: область горной промышленности, в частности коронки для ударно-вращательного бурения. Сущность изобретения: в коронке для ударно-вращательного бурения периферийные вставки расположены параллельно оси коронки. Лезвия вставок имеют форму прямой. Прямая переходит в направлении к оси коронки в кривую второго порядка, образованную криволинейными поверхностями. Последние расположены симметрично и выпукло относительно плоскости симметрии вставки. Часть поверхности вставки, обращенная к оси коронки, выполнена в виде части корпуса. Лезвие вставки может быть выполнено с притуплением, которое имеет по всей длине лезвия одинаковую ширину. Тело вставки по всей длине может быть выполнено с выступом, ограниченным в плане касательными к окружности, описывающей поперечное сечение вставки, и частью окружности, описывающей головку коронки. Касательные при мысленном их продолжении пересекаются в одной точке на плоскости симметрии лезвия. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. КОРОНКА ДЛЯ УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ, включающая головку, периферийная часть которой армирована твердосплавными вставками, имеющими тело цилиндрической формы и асимметричную рабочую поверхность с ориентированным в сторону наружной поверхности головки коронки лезвием, образованным двумя наклонными к продольной оси вставки плоскостями, с плоскостью симметрии, проходящей через оси вставки и головки, отличающаяся тем, что периферийные вставки расположены параллельно оси коронки, а лезвия их имеют форму прямой, переходящей в направлении к оси коронки в кривую второго порядка, образованную криволинейными поверхностями, расположенными симметрично и выпукло относительно плоскости симметрии вставки, при этом часть поверхности вставки, обращенной к оси коронки, выполнена в виде конуса. 2. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что лезвие выполнено с притуплением, имеющим по всей длине одинаковую ширину. 3. Коронка по п. 1, отличающаяся тем, что тело вставки по всей длине выполнено с выступом, ограниченным в плане касательными к окружности, описывающей поперечное сечение вставки, и частью окружности, описывающей головку коронки, при этом касательные при мысленном их продолжении пересекаются в одной точке на плоскости симметрии лезвия.