ШАРОШЕЧНЫЙ ИНСТРУМЕНТ УСТУПНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1994 года по МПК E21D1/06 

Изобретение относится к технике бурения горных выработок, а конкретно - к конструкции лапы шарошечного инструмента для оснащения буровых органов уступного действия.

Известны эффективные буровые органы уступного действия, оснащенные шарошечным инструментом, причем для эффективной работы бурового органа необходимо расположение шарошки между лапой и корпусом бурового органа. Такому расположению шарошек соответствует консольно-опорный шарошечный инструмент, сочленяемый с корпусом бурового органа болтовым соединение [1].

По технической сути и достигаемому техническому результату наиболее близким к предлагаемому является консольноопорный шарошечный инструмент, включающий шарошку и лапу с плоской присоединительной поверхностью, по которой инструмент сопрягается с корпусом бурового органа и соединяется с ним посредством болтов, проходящих сквозь отверстия в лапе и завинчиваемых в корпус бурового органа [2] . Шарошечный инструмент этого типа успешно применяется в буровых органах лобового действия (долотах), для которых характерно преобладание на инструменте осевого усилия Ру (Качан В.Г., Купчинский И.А., Бурение шахтных стволов и скважин. - М: Недра, 1984, сс. 16-17, рис. 7,а и 7,г) небольшое значение бокового усилия Рб, равного алгебраической сумме усилий Рх, которая в случае лобового разрушения близка к нулю (см. рис. 7,а там же).

Применительно к более эффективным буровым органам уступного действия боковое усилие на шарошечном инструмента Рб = Рх (см. рис. 7,в и 7,е там же) становится преобладающим и в экстремальных условиях нагружения достигает значений порядка 100...200 кН и более. Столь большому боковому усилию известный инструмент не может противостоять в достаточной мере в части сочленения его с корпусом бурового органа: болтовое соединение, испытывая напряжения сдвига от силы Рб и растягивающие от изгибающего момента под действием силы Рб, разрушается. При этом шарошечный инструмент отсоединяется от корпуса бурового органа и падает на забой буримой выработки; возникает необходимость подъема бурового органа на поверхность извлечения из забоя утерянного шарошечного инструмента. Таким образом, шарошечный инструмент не обеспечивает достаточной надежности применительно к буровым органам уступного действия. Вследствие этого приходится снижать нагрузки на буровой орган уступного действия с соответствующими потерями в эффективности его работы.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение надежности шарошечного инструмента уступного действия. При осуществлении изобретения будет упрочнено соединение консольноопорного шарошечного инструмента с корпусом бурового органа уступного действия, исключено разрушение осевой опоры вращения шарошки, исключены отсоединение шарошечного инструмента от корпуса и шарошки от лапы во время работы инструмента и падение инструмента или шарошки на забой буримой выработки. Повышение надежности шарошечного инструмента позволит повысить эффективность буровых органов уступного действия.

Известными существенными признаками изобретения является наличие в шарошечном инструменте уступного действия шарошки и лапы с присоединительной поверхностью.

Отличительным признаком изобретения является то, что присоединительная поверхность лапы выполнена в виде конусного отверстия или конусного выступа, вершина конуса которых направлена соответственно к шарошке или в противоположную сторону, причем в теле лапы выполнено отверстие, ось которого пересекает ось конусной поверхности отверстия или выступа и перпендикулярна к плоскости, проходящей через ось вращения шарошки и ось конусной поверхности отверстия или выступа.

Совокупность известных и новых существенных признаков изобретения позволит достичь повышения эффективности использования шарошечного инструмента уступного действия, что выразится в снижении энергоемкости процесса разрушения вследствие повышения нагрузок на инструменте, в повышении производительности инструмента, снижении его удельного расхода.

На фиг. 1 изображен предлагаемый шарошечный инструмент в варианте выполнения присоединительной поверхности лапы в виде конусного отверстия; на фиг. 2 - то же, в ситуации соединения его с корпусом бурового органа и взаимодействия с разрушаемой породой горного массива; на фиг. 3 - то же, в варианте выполнения присоединительной поверхности лапы в виде конического выступа в ситуации соединения инструмента с корпусом бурового органа.

Предлагаемый шарошечный инструмент в варианте конического отверстия состоит из шарошки 1, лапы 2, являющейся продолжением оси, на которой вращается шарошки 1, и опоры вращения шарошки на оси (опора вращения не показана). В лапе 2 выполнена коническая присоединительная поверхность А в виде конического отверстия, вершина конуса которой направлена к шарошке. Тело лапы пересечено отверстием В, ось которого С пересекает ось конической поверхности и перпендикулярна к плоскости, проходящей через ось Е конической поверхности А и через ось вращения шарошки N. Предлагаемый шарошечный инструмент сочленяют с корпусом 3 бурового органа (фиг. 2) по присоединительной конической поверхности А посредством ответного конуса 4 на корпусе 3, натягивая лапу 2 на конус 4 болтами 5. Предлагаемый шарошечный инструмент функционирует следующим образом. При разрушении породного массива шарошечным инструментом уступного действия образуется забой 6 ступенчатой формы, а на шарошку 1 со стороны боковой стенки забоя действует сила Рб. Эта сила через опору качения шарошки передается лапе 2 и соединению лапы с корпусом бурового органа поверхности А.

Изгибающему моменту от силы Рб противостоит реактивный момент, возникающий от соответствующих давлений на присоединительной поверхности П. Эта же поверхность противостоит перерезывающей силе, равной Рб. В результате по присоединительной поверхности действуют преимущественно нормальные напряжения, а их значения невелики вследствие большой площади присоединительной поверхности А. Таким путем обеспечивается надежность предлагаемого шарошечного инструмента в части присоединения к корпусу бурового органа уступного действия.

Вследствие описанного ужесточения связи шарошечного инструмента с корпусом бурового органа уязвимым звеном этого инструмента становится осевая опора качения шарошки 1 - шариковый подшипник, допустимое усилие которого ограничено и не может противостоять экстремальным значениям силы Рб, которые могут возникнуть на переходах шарошечного инструмента из слабых пород в крепкие при их наклонном напластовании. Срезание шариков осевой опоры под действием многоциклового приложения экстремальных значений Рб в известных аналогах шарошечного инструмента приводит к спаданию шарошки 1 с лапы 2 и потере шарошки. В предлагаемом шарошечном инструменте для избежания срезания шариков осевой опоры и утери шарошки предусмотрено дозированное разупрочнение лапы 2 посредством выполнения в теле лапы отверстия В, посредством которого уменьшается момент сопротивления лапы в плоскости действия силы Рб. При накоплении усталостных изменений в структуре металла лапы и достижении предельно допустимого значения силы Рб лапа остаточно деформируется, отгибаясь по направлению действия Рб и удаляясь от боковой стенки. При этом шарошка 1 не спадает с лапы 2, но режим разрушения породного массива резко изменяется, что служит сигналом для подъема бурового органа и замены деформированного шарошечного инструмента. Необходимость же выполнения трудоемких и длительных операций по извлечению из забоя утерянной шарошки исключается. В конечном счете предлагаемая конструкция шарошечного инструмента уступного действия позволяет повысить нагрузки на буровой орган при бурении однородных пород и избежать потерь инструмента при экстремальных нагрузках.

Аналогичным образом функционирует и шарошечный инструмент, в котором (фиг. 3) присоединительная поверхность F лапы 7 выполнена в форме конусного выступа, вершина конуса которого направлена противоположно шарошке 11. Лапа 7 здесь соединена с корпусом 8 бура посредством натяга винтом 9 через опорную шайбу 10. Ось отверстия К пересекает ось М конусной поверхности F и перпендикулярна к плоскости, проходящей через ось L вращения шарошки и ось М конической поверхности F.

Использование: в горном деле при бурении шахтных стволов и скважин большого диаметра. Сущность изобретения: шарошечный инструмент уступного действия включает шарошку и лапу с присоединительной поверхностью. Последняя выполнена в виде конусного отверстия или конусного выступа, вершина конуса которых направлена к шарошке или в противоположную сторону. В теле лапы выполнено отверстие, ось которого пересекает ось конусной поверхности отверстия или выступа и перпендикулярна к плоскости, проходящей через ось вращения шарошки и ось конусной поверхности отверстия или выступа. 3 ил.

ШАРОШЕЧНЫЙ ИНСТРУМЕНТ УСТУПНОГО ДЕЙСТВИЯ, включающий шарошку и лапу с присоединительной поверхностью, отличающийся тем, что присоединительная поверхность лапы выполнена в виде конусного отверстия или конусного выступа, вершина конуса которых направлена соответственно к шарошке или в противоположную сторону, причем в теле лапы выполнено отверстие, ось которого пересекает ось конусной поверхности отверстия или выступа и перпендикулярна плоскости, проходящей через ось вращения шарошки и ось конусной поверхности отверстия или выступа.