РЕЗЕЦ ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК E21B10/42 

Изобретение относится к угле- и породоразрушающему инструменту, а именно к резцам для вращательного бурения шпуров (скважин).

Известен буровой резец, включающий твердосплавные вставки с передней гранью в форме клина с отрицательным передним углом (авт.св. N 381753). Известный резец благодаря выполнению передней грани в форме клина обеспечивает более высокую стойкость резца. Недостатком известного резца является то, что при отрицательном переднем угле твердый сплав у вершины пера работает в неблагоприятных (для твердого сплава) условиях изгиба-растяжения. Кроме того, разрушенная горная масса при вращении резца по наклонной поверхности (при отрицательном переднем угле) передней грани пера не перемещается от забоя шпура, а наоборот, с усилием прижимается к поверхности забоя шпура и дополнительно перетирается, перемельчается в буровую муку. На это затрачивается значительная часть энергии бурения, что увеличивает пылеобразование и запыленность воздуха в горной выработке. Образование большого количества буровой муки затрудняет процесс бурения вследствие заштыбовки резца и буровой штанги, происходит перегрев твердого сплава у вершины пера и снижение стойкости резца. Все это снижает скорость и производительность бурения.

Известно вильчатое долото для вращательного бурения (авт.св. N 1117391), которое содержит закрепленные на концах вильчатой части твердосплавные пластины, образующие совместно с внутренней поверхностью вильчатой части рассечку, имеющую кернозаходный участок, ширина которого больше расстояния между кернообразующими режущими кромками твердосплавных пластин, выполненных заостренными в направлении оси долота.

Известное долото для вращательного бурения не лишено недостатков: недостаточная стойкость долота при бурении шпуров по крепким углям и особенно по слабым горным породам вследствие малой прочности твердосплавных пластин плоской формы; недостаточная стойкость долота вследствие выполнения главной режущей кромки в виде прямой линии и наличия острого уголка между главной режущей и кернообразующей кромками; недостаточная технологичность изготовления вследствие размещения твердосплавных пластин под углом к диаметральной плоскости, что требует проведения двух операций по фрезерованию плоскостей под пайку твердосплавных пластин.

Известен буровой резец для вращательного бурения шпуров (авт.св. N 1399446), включающий два разновысоких и разноудаленных от продольной оси резца пера, армированные твердосплавными пластинами, причем отстающее перо снабжено уступом с размещающей на нем шпурообразующей вставкой, а передовое перо выполнено с положительным передним углом, причем передние грани твердосплавных пластин отстающего пера и шпурообразующей вставки повернуты встречно относительно диаметральной плоскости резца на угол 10-15^о, при этом отношение высоты режущей кромки шпурообразующей вставки к высоте передового пера составляет 0,5-0,6. Недостатком данного бурового резца является выполнение всех твердосплавных пластин плоской формы, что снижает прочность пластин и стойкость резца.

Сравнение предлагаемого устройства с известными в данной области техники показывает, что выполнение передней грани пера в виде разностороннего клина с положительным передним углом известно [1] Однако форма передней грани, оптимальность величин геометрических параметров режущих кромок и рассечки в сочетании с остальными элементами в данном долоте проявляют другое свойство: оптимальность конструкции и параметров режущей части долота предназначают его для бурения шпуров по породам средней крепости и крепким, вследствие чего основным требованием, предъявляемым к данному долоту, является повышенная стойкость долота при повышенных усилиях подачи. Для бурения же шпуров по всем типам углей и слабым горным породам данное долото применять нецелесообразно ввиду низкой скорости бурения при незначительных осевых усилиях подачи порядка 200-1000 Н. Это объясняется неоптимальностью конструкции и параметров режущей части известного долота, применительно к новым условиям бурения шпуров. В известном долоте вершины перьев находятся от оси долота на расстоянии, составляющем от 0,45 до 0,55 радиуса шпура, что обеспечивает сосредоточение усилия подачи в центре забоя шпура при минимальных размерах U-образной рассечки долота и широких твердосплавных пластинах, а значит возможность бурения по средней крепости и крепким породам при значительных осевых усилиях подачи.

В предлагаемом устройстве ребро клина смещено к шпурообразующим кромкам резца и расположено на расстоянии 0,75-0,85 радиуса резца при увеличенной и измененной форме рассечки, уменьшенными по ширине и также видоизмененными твердосплавными пластинами, что позволяет заявляемому резцу достигнуть высоких скоростей бурения по всем типам углей и слабым горным породам при незначительных осевых усилиях подачи.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в резце для вращательного бурения, содержащем корпус с хвостовиком, два пера и закрепленные на них твердосплавные пластины с передней гранью в виде тупоугольного разностороннего клина с положительным передним углом, образуют совместно комбинированную режуще-скалывающую рассечку V и U-образной формы.

Новым в резце является то, что ребро клина смещено к шпурообразующим кромкам резца. Это позволяет повысить стойкость резца, значительно улучшить удаление разрушенной горной массы из забоя шпура, обеспечить работу твердого сплава у вершины пера (в наиболее напряженном участке) в благоприятных (для твердого сплава) условиях сжатия и не благоприятных (для горного массива) условиях разрыва, а следовательно повысить производительность бурения и скорость проведения подготовительных выработок. Но как угли, так и особенно слабые горные породы обладают существенно различными физико-механическими параметрами, при бурении которых с высокой скоростью бурения необходимо в принципиальной конструкции резца предусмотреть оптимальные геометрические параметры, применение которых в конкретных частных условиях бурения обеспечит высокую производительность за счет эффективного разрушения всех типов углей и слабых горных пород. Поэтому, величина смещения ребра клина к шпурообразующим кромкам находится в пределах 0,75-0,85 радиуса шпура от оси вращения резца, величина угла между гранями клина и диаметральной плоскостью составляет 3-10^о, а отношение этого угла к углу подъема режущей кромки V-образной части комбинированной режуще-скалывающей рассечки относительно оси вращения резца составляет 0,2-0,4. Главная режущая кромка закруглена по радиусу, который находится в пределах 0,15-0,25^о резца, задняя грань твердосплавных пластин выполнена параллельно диаметральной плоскости.

На фиг.1 показан общий вид резца в плане; на фиг.2 вид сверху; на фиг.3 то же, вид сбоку.

Резец состоит из корпуса 1, двух перьев 2, армированных твердосплавными пластинами 3, образующими совместно комбинированную V-образную рассечку 4, U-образную рассечку 5, кернообразующих кромок 6, выполненных под острым углом β и заостренными в направлении оси резца. Передняя грань твердосплавных пластин 3 выполнена в виде разностороннего клина 7 с положительным передним углом у вершины пера, ребро 8 которого смещено к шпурообразующим кромкам 9, а передние грани 10 клина 7 выполнены под острым углом α к диаметральной плоскости 11 резца. Главные режущие кромки 12 резца закруглены по радиусу r, а режущие кернообразующие кромки 6 выполнены под острым углом β к оси вращения резца. Задняя грань 13 резца выполнена параллельно диаметральной плоскости 11 резца.

Резец работает следующим образом. Главные режущие кромки у вершины пера разрушают передовой врубовой забой шпура в массиве угля или слабых горных пород. При вращательном бурении углей и слабых горных пород целесообразно в резце применить широкую рассечку режуще-скалывающего типа при незначительном осевом усилии подачи. Но при этом необходимо заменить плоскую переднюю грань перьев резца на более стойкую по условию повышения ее прочности в виде клина, в результате применения которой при бурении шпуров по углю сохраняется высокая скорость бурения при значительном повышении стойкости резца (табл. 1). При бурении шпуров по слабым горным породам плоская передняя грань обладает повышенной склонностью к разрушению, в результате чего резко снижаются скорость бурения, стойкость резца и, следовательно, производительность бурения.

Использование в резце твердосплавной пластины с передней гранью в виде клина с ребром, смещенным к рассечке резца и проходящим через уголок твердосплавной пластины между главной режущей кромкой и режущей кернообразующей кромкой пера, повышает прочность пластины по этому ребру практически предотвращается скол этого уголка. Но при этом сохраняется еще выкрашивание главной режущей кромки, выполненной в виде прямой линии.

Выполнение передней грани пера в виде разностороннего клина с ребром, смещенным к шпурообразующим кромкам резца, позволяет главную режущую кромку выполнить в виде ломаной линии, повысить прочность твердосплавной пластины и ее стойкость при сохранении высокой скорости бурения.

Благодаря закругленности главных режущих кромок по радиусу, который составляет (0,15-0,25) радиуса шпура, и выполнение передних граней пера в виде разностороннего клина с положительным передним углом у вершины пера стойкость твердосплавных пластин значительно возрастает (табл.2), так как твердый сплав работает в благоприятных условиях сжатия, а горный массив разрушается в режиме разрыва, на что требуются значительно меньшие (в 10 раз) усилия, величина радиуса закругления главной режущей кромкой оказывает влияние на скорость бурения и стойкость.

На показатели работы резца значительное влияние оказывает размещение ребра клина относительно оси вращения резца (табл.3). На основании исследований при бурении шпуров по углям и слабым горным породам было установлено оптимальное смещение ребра клина к шпурообразующим кромкам резца на расстояние 0,75-0,85 радиуса шпура от оси вращения резца, при котором обеспечиваются минимальная энергоемкость разрушения горного массива и оптимальные условия по стойкости работы резца, что позволило повысить производительность бурения.

Кроме того, важными факторами, влияющими на эффективность бурения являются угол подъема β режущей кернообразующей кромки V-образной рассечки в направлении вершины пера относительно оси вращения резца и угол поворота α передних граней клина относительно диаметральной плоскости резца и их оптимальное соотношение. Угол подъема β оказывает существенное влияние на скорость бурения, а угол поворота α на стойкость резца. При оптимальном их соотношении обеспечивается высокая производительность бурения долговременная работа резца при сохранении в хорошем рабочем состоянии главных режущих кромок у вершины пера (табл.4). При минимальных значениях этих углов (α 3^о, β 15^о) более длинная, более плоская и более острая у вершины пера передняя грань при максимально возможных размерах рассечки позволяет резцу легко и быстро внедряться в горный массив слабого угля или слабой горной породы и легко разрушать образующийся керн в режиме крупного скола. С увеличением крепости и вязкости углей или горных пород (f не более 5) с целью повышения стойкости резца, более продолжительной работы его с высокой скоростью бурения переднюю грань выполняют более выпуклой (α 10^о, β 25^о), а размеры рассечки уменьшают.

При оптимальных отношениях этих углов, равных 0,2-0,4, обеспечивается высокопроизводительная работа резца, более продолжительное время главные режущие кромки и передняя грань у вершины пера в хорошем рабочем состоянии, не повреждаются.

Таким образом в конструкции предлагаемого резца отражены общие закономерности и частные случаи выполнения этих закономерностей в зависимости от физико-механических параметров обуриваемого горного массива.

Общие закономерности выполнения режущей части резца:
передняя грань в виде тупоугольного клина;
комбинированная режуще-скалывающая рассечка V и U-образной формы;
ребро клина смещено к шпурообразующим кромкам резца.

Частные случаи выполнения общих закономерностей:
величина угла между гранями клина и диаметра плоскости составляет 3-10^о;
отношение этого угла к углу подъема режущей кромки V-образной части рассечки относительно оси вращения резца составляет 0,2-0,4;
величина смещения ребра клина находится в пределах 0,75-0,85 радиуса резца от его оси вращения.

Добавочные частные случаи выполнения режущей части резца:
главная режущая кромка закруглена по радиусу, который находится в пределах 0,15-0,25 радиуса резца;
задняя грань твердосплавных пластин выполнена параллельно диаметральной плоскости.

Использование: для бурения шпуров (скважин) по всем типам углей и слабым горным породам. Сущность изобретения: резец для вращательного бурения содержит корпус с хвостовиком, два пера и закрепленные на них твердосплавные пластины с передней гранью в виде тупоугольного разностороннего клина с продольных ребром, проходящим через вершину клина, с положительным передним углом, образующие совместно комбинированную режуще-скалывающую рассечку V- и U-образной формы. Ребро клина смещено к шпурообразующим кромкам резца. 4 з. п.ф-лы, 3 ил. 4 табл.

1. РЕЗЕЦ ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ, включающий корпус с хвостовиком, два пера и закрепленные на них твердосплавные пластины с передней гранью в виде тупоугольного разностороннего клина с продольным ребром, проходящим через вершину клина, с положительным передним углом, образующие совместно комбинированную режуще-скалывающую рассечку V- и U-образной формы, отличающийся тем, что продольное ребро клина смещено к шпурообразующим кромкам резца. 2. Резец по п. 1, отличающийся тем, что величина смещения продольного ребра находится в пределах 0,75 0,85 радиуса резца от его оси вращения. 3. Резец по п.1, отличающийся тем, что величина угла между гранями клина и диаметральной плоскостью составляет 3 10^o, а отношение этого угла к углу подъема режущей кромки V-образной части рассечки относительно оси вращения резца составляет 0,2 0,4. 4. Резец по п.1, отличающийся тем, что главная режущая кромка резца закруглена по радиусу, который находится в пределах 0,15 0,25 радиуса резца. 5. Резец по п.1, отличающийся тем, что задняя грань твердосплавных пластин выполнена параллельно диаметральной плоскости.