ПОРОДОРАЗРУШАЮЩАЯ ВСТАВКА Российский патент 1995 года по МПК E21B10/58 E21C35/18 

Изобретение относится к горному делу, а именно к вооружению рабочих органов очистных, проходческих и буровых машин, оснащенных высокочастотными вибраторами.

Известен породоразрушающий резец с положительным задним углом. Недостатками этого резца являются слабое разупрочнение поверхностного слоя породы, невозможность резания крепких пород и быстрый износ в абразивных породах. Но основным недостатком является одностадийный характер процесса взаимодействия резца с породой. Даже при наложении удара при вибрации локальный характер контакта с породой не изменяется, что не отвечает объемному характеру процесса накопления повреждений.

Известен породоразрушающий инструмент (авт.св. N 382812). В этом инструменте одна группа рабочих элементов выполнена в виде секторов, армированных по всей площади между резцами зернами твердого сплава, за счет генерирования тепла трением о горную породу проводит предварительное разупрочнение, т.е. подготовку к разрушению пород забоя. Окончательное доразрушение осуществляется ударными зубками, которые расположены между секторами трения.

Достоинство этого инструмента заключается в том, что процесс разрушения проводится в две стадии, согласно стадийному характеру процесса разрушения горных пород. Недостатком этого инструмента является сложность его конструкции, выделение большого количества тепла в зоне забоя, низкая эффективность при разрушении термопластичных пород.

Наиболее близкой по технической сути и достигаемому результату к предлагаемой является буровая коронка, содержащая алмазные сектора и установленный с набегающей стороны сектора резец со сплошным лезвием. Причем резец установлен от первого ряда алмазов на расстоянии равном их шагу. Такое близкое расположение резца и алмазов и изготовление их монолитными позволяют рассматривать как один комбинированный резец с лезвием и удлиненной задней гранью с выступами, которая контактирует с забоем и выполнена в виде алмазного сектора. Задняя грань такого резца создает зону предразрушения, а его лезвие отделяет от забоя разупрочненный предыдущим резцом слой. Такое поочередное последовательное воздействие на породу, по нашему мнению, достаточно объективно соответствует стадийному характеру процесса разрушения горных пород.

Однако ввиду малого выпуска алмазов (0,1-0,3 мм) зона предразрушения будет неглубокой, следовательно, и сплошной резец будет снимать незначительный разупрочненный слой.

Таким образом, существенным недостатком комбинации резцов со сплошным лезвием и алмазного сектора в единичный породоразрушающий резец является низкая механическая скорость по сравнению с потенциальными возможностями двухстадийного воздействия. В этом плане варьирование материалом резца ощутимого эффекта тоже не дает. Например, выполнение резца из износостойких алмазно-твердосплавных пластин (АТП) делает резец хрупким, поэтому в условиях крепких и трещиноватых пород он не применим. При выполнении лезвия из твердого сплава область оптимального режима эксплуатации алмазной части и лезвия не совпадают, что тоже делает невозможным реализацию потенциальных возможностей коронки. Известно, что твердосплавный инструмент и алмазный имеют разные оптимальные параметры режима эксплуатации.

При высокой частоте вращения рабочего органа, оптимальной для алмазных секторов, последние будут работать больше в режиме микрорезания, а твердосплавный резец будет снимать минимальный разупрочненный слой и быстро износится. При малых частотах вращения, оптимальных для твердосплавного резца, если последний будет снимать слой порядка 3-10 мм, то алмазный сектор ввиду малого выпуска алмазов (максимум 0,2-0,3 мм) будет создавать зону предразрушения не более 0,3-1,0 мм, т.е. подготовительная стадия разрушения будет малоэффективной.

К недостаткам таких комбинированных резцов следует отнести также механизм разрушения микрорезанием, что делает неэффективным их использование для вооружения рабочих органов выемочных и проходческих машин, а также станков для бурения скважин большого диаметра. Изготовление алмазных секторов требует специальной технологии, что удорожает породоразрушающий инструмент.

Таким образом, анализ вышеприведенных аналогов и других источников информации позволяет надеяться, что наше предложение не известно и явным образом не следует из уровня техники.

Цель изобретения повышение производительности разрушения горных пород за счет более интенсивного разупрочнения поверхностного слоя породы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачу предварительного накопления дефектов в объеме очага разрушения, т.е. интенсивного разупрочнения поверхностного слоя породы. Постановка этой задачи исходит из современных представлений процесса разрушения твердых тел, развиваемых Ленинградской школой физиков акад. С.Н.Журкова. По современным представлениям с наиболее общих позиций физики разрушения разрушение является двухстадийным процессом. На первой стадии происходит в объеме тела накопление повреждений в виде дислокаций, микротрещин и других дефектов. После достижения критической концентрации этих дефектов за счет их объединения происходит катастрофический рост магистральной трещины, которая завершается разрушением. Причем, если накопление повреждений носит объемный характер, то разрушение локальный. Краткий анализ современных способов и средств разрушения, в том числе и породоразрушающих резцов показывает, что одностадийное механическое воздействие не соответствует многостадийному характеру самого процесса разрушения и потому оно неэффективно и недостаточно. Важнейшую роль играют процессы зарождения и накопления трещин.

Поэтому двухстадийному характеру разрушения должна отвечать соответствующая двухстадийная организация процесса разрушения горных пород. Иными словами, одна группа элементов инструмента должна отвечать стадии накопления дефектов, микротрещин, т.е. разупрочнять поверхностный слой, создавать зону предразрушения, а вторая группа элементов инструмента завершать разрушение, т. е. отделять от забоя разупрочненный слой породы. Этим требованиям двухстадийного процесса отвечает наше предложение. Выступы на задней грани, образующие отрицательный угол 3-10^о, под действием вибрации, создают интенсивную зону предразрушения с глубокими канавками, тем самым осуществляется первая стадия разрушения. Вторая стадия окончательное разрушение осуществляется сплошным лезвием, отделяющим от породы слой породы, в котором накопление повреждений достигало критического уровня. Следует заметить, что на первой стадии одновременно разрушается порода, образуя канавки. Однако этот объем гораздо меньше объема разрушаемого сплошным лезвием, т.е. на второй стадии.

Положительный задний угол по впадинам образует пространство, которое не препятствует росту объема зоны предразрушения и разрушенной породы, т.е. бурового шлама. При этом, если конструктивно невозможно заточить, положительный угол должен быть достаточно великим, чтоб выполнить эту функцию по мере износа выступов и лезвия и в то же время не снижать прочность вставки.

Таким образом, поставленная цель достигается тем, что породоразрушающая вставка для виброрежущего рабочего органа горных машин с выступами на задней грани, взаимодействующей с забоем, выполнена с отрицательным задним углом по выступам и с положительным задним углом по впадинам, причем впадины между выступами выполнены с возможностью пропуска шлама, образующего под задней гранью резца.

Предлагаемая породоразрушающая вставка по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
более интенсивное разупрочнение горных пород с образованием глубоких бороздок;
возможность установки породоразрушающей вставки на рабочие органы машин различного целевого назначения;
возможность изготовления вставки целиком из одного материала, например из твердого сплава, что повышает технологичность ее изготовления, следовательно, делает более дешевым, чем прототип;
возможна оптимизация параметров режима работы резца при выполнении лезвия и выступов из одного материала;
возможность применения сравнительно хрупких, но износостойких материалов в качестве лезвия резца;
повышение износостойкости и ударопрочности резца при бурении трещиноватых пород увеличением сечения выступов.

На фиг. 1 изображен общий вид породоразрушающего резца; на фиг.2 то же, вид снизу; на фиг.3 общий вид резца в работе; на фиг.4 разрез А-А на фиг.3; на фиг. 4 породоразрушающий зубок, оснащенный предлагаемым резцом; на фиг.5 буровая коронка, оснащенная предлагаемым резцом.

Породоразрушающая вставка состоит из корпуса 1, лезвия 2 и выступов 3. Выпуск выступов нарастает пропорционально расстоянию от лезвия, образуя отрицательный задний угол (- α), а впадины 4 между выступами имеют возможность пропускать шлам 5 (фиг.4), образуя положительный задний угол α, превышающий не менее в 2-3 раза абсолютную величину заднего угла по выступам (фиг.1). Причем максимальное значение этого угла или глубина впадины такова, что шлам свободно проходит при износе лезвия и выступов.

Породоразрушающая вставка работает следующим образом. Под действием осевого усилия в первую очередь контактирует с забоем крайние выступы 3. Под действием осевого усилия и вибрации, например от магнитостриктора, эти выступы внедряются в породу, затем вступают в контакт с забоем последующие выступы, соседние с лезвием резца. За это время рабочий орган со вставкам и сделает не менее одного оборота, тогда резец внедрится в уже подготовленный для разрушения верхний слой породы Н и срезает его (фиг.3). В начальный момент работы рабочего органа вращение минимальное, благодаря этому развивается зона предразрушения на максимальную глубину h (фиг.4). Опыт внедрения шарошечного бурения с магнитострикционным вибратором показывает, что происходит увеличение механической скорости бурения при том же режиме бурения. Причем, благодаря малой чувствительности к притуплению резца, чем крепче порода, тем эффект выше, достигая до 3-4 раз. Более того наблюдается углубка долота и при полном износе его вооружения. Это позволяет утверждать, что при наложении соответствующей вибрации выступы будут внедряться в крепкие породы при нормальных режимах нагружения и создавать значительную зону предразрушения. От внедренных выступов при вращении выступов образуется шлам 5, который удаляется через впадины 4 между выступами (фиг.4). Таким образом, после воздействия задней грани резца с породой остается сой породы весь пронизанный микро- и макротрещинами, к тому же еще прорезанный глубокими канавками (фиг. 3 и 4). Следующая вставка своим сплошным лезвием отделяет этот слой от породы, т.е. проводит окончательное разрушение. При этом работа лезвия интенсифицируется вибрацией. Благодаря наложению интенсивной вибрации на опережающие лезвие выступы, разрушение предлагаемой вставкой происходит в две стадии. Первая подготовительная стадия, которая заключается в наведении в поверхностном слое густой сети микро- и макротрещин, осуществляется выступами задней грани вставки. Вторая стадия окончательное разрушение проводится лезвием вставки в режиме виброрезания. Такое двухстадийное воздействие на горную породу с целью ее разрушения соответствует физическим процессам, происходящим в горной породе при разрушении, а именно, накоплению повреждений до их критической концентрации в объеме тела и катастрофическому росту магистральной трещины за счет поглощения микротрещин и других дефектов. На наш взгляд, соответствие внешнего воздействия внутренним процессам разрушения несомненно является основным фактором повышения эффективности разрушения горных пород.

Все вышеуказанное справедливо при любом материале лезвия и выступов грани. Поэтому возможна любая в соответствии с физико-механическими свойствами горных пород комбинация материалов лезвия и выступов задней грани вставки. Для пород крепких и очень крепких, трещиноватых и монолитных и несильно абразивных возможен цельный резец из одного материала, например из твердого сплава. Такой резец очень технологичен, его легко изготовить, а при износе заточить. Для пород в высшей степени крепких и несильноабразивных выступы могут быть изготовлены из термостойких и износостойких материалов, например из гексанита Р, а лезвие из твердого сплава. Для тех же пород, но к тому же более абразивных, можно выполнять лезвие вставки из износостойкого материала, например из АТП, увеличив при этом сечение выступов.

Применение хрупких материалов, например, из АТП, в нашем инструменте обусловлено тем, что выступы задней грани опережают лезвие, поэтому динамическое воздействие забоя в первую очередь воспринимают выступы, в результате которого крепкие включения или берега трещин разрушаются. И только последствие такого динамического воздействия забоя и выступов через предразрушенную зону передается лезвию. Таким образом ударопрочность вставки обеспечивается главным образом материалом выступов. При этом износостойкость выступов и их ударопрочность обеспечивается кроме материала, но и увеличением площади их контакта с забоем. Как упоминалось выше, увеличение сечения выступов для трещиноватых пород, хоть и в ущерб производительности разрушения, может быть весьма значительным.

Пусть максимальная скорость бурения будет 72 м/ч т.е. проходка за 1 с составит 20 мм, число оборотов снаряда 60 об/мин или 1 об/с, радиус установки резца на инструмент примем 30 мм в линию резания установлен 1 резец. Углубка за один оборот составит 20 мм, тогда тангенс угла подъема винтовой линии забоя составит 0,1 отсюда угол подъ- ема 6^о. Этот уголь должен быть значительно меньше заднего угла резца по впадинам, чтобы обеспечить проход шлама под задней гранью резца. Чтобы обеспечить проходку за 1 оборот 20 мин, под каждым выступом должна образоваться зона предразрушения с канавками в 7 мм. Если зона предразрушения образуется слабо, то резец снимает слой, прорезанный канавками. Тогда, имея ввиду, что углубка за 1 оборот 20 мм, выпуск задних выступов должен быть равным приблизительно толщине снимаемого слоя резцов плюс толщина шлама между забоем и впадиной.

В нашем случае ориентировочно выпуск первого ряда выступов 10 мм, второго ряда 20 мм и последнего 30 мм. Если образуется интенсивная зона предразрушения, то выпуск выступов значительно уменьшается. При алмазном бурении зона предразрушения в 4-7 раз превышает глубину внедрения выступов. При наложении вибрации зона предразрушения без сомнения будет еще мощнее.

Исходя из этого, величины выпуска выступов можно приблизительно принять равными от первого ряда до последнего соответственно 3,0. 5.0, 7,0 мм, считая что под каждым выступом образуется зона предразрушения не менее 6-8 мм.

Задний угол резца по выступам будет во всех случаях отрицательным.

Исходя из этих соображений считаем, что каждым выступом прорежется канавка глубиной 2 мм и образуется трещиноватая разупрочненная зона 5 мм, т.е. каждый выступ подготавливает слой породы в 7 мм, а три ряда выступов 21 мм, и таким образом обеспечивается съем слоя в 20 мм лезвием резца. Однако мы приняли максимальную скорость бурения. Для крепких пород можно реально ограничиться скоростями 10-25 м/ч, и с учетом износа до заточки высоту выступов для крепких пород может быть уменьшена в 1,5-2 раза, т.е. до 2,0; 3,5; 5.0 мм.

Если заточка конструкцией не предусмотрена, то задний угол по впадинам должен обеспечить значительную глубину впадин, чтоб и при износе лезвия и выступов свободно проходил шлам под задней гранью.

Таким образом, можно утверждать, что наше предложение промышленно применимо.

Использование: горное дело, в частности вооружение рабочих органов очистных, проходческих и буровых машин, оснащенных высокочастотными вибраторами. Сущность: в породоразрушающей вставке на задней грани выполнены параллельные лезвию 2 выемки. Первые по ряду выемки примыкают к лезвию 2. Выступы 3 могут быть выполнены из более износостойкого материала, чем лезвие 2, например из гексанита P. Лезвие 2 может быть выполнено из износостойкого материала, например из алмазнотвердосплавной пластины. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩАЯ ВСТАВКА, включающая передний и задний грани, лезвие, образованное их пересечением, и расположенные на задней грани с увеличивающейся от лезвия глубиной выемки, продольные оси которых параллельны оси симметрии задней грани, отличающаяся тем, что на задней грани выполнены параллельные лезвия выемки, первая по ряду из которых примыкает к лезвию. 2. Вставка по п. 1, отличающаяся тем, что выступы на задней грани выполнены из более износостойкого материала, чем лезвие, например из гексанита-Р. 3. Вставка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что лезвие выполнено из износостойкого материала, например, из алмазно-твердосплавной пластины.