ТВЕРДОСПЛАВНАЯ ВСТАВКА ДВОРНИКОВА-ВЕЧУЖАНИНА ДЛЯ БУРОВЫХ КОРОНОК Российский патент 1997 года по МПК E21B10/56 

Изобретение относится к оборудованию для бурения шпуров в горных породах ударно-вращательным методом, в частности к коронкам.

Известны буровые коронки, оснащенные лезвийными твердосплавными вставками [1, стр. 167, рис. 5.6, а, б, г] Применяемые при этом вставки имеют острые кромки лезвие, которые, являясь концентраторами напряжений, подвержены быстрому разрушению, что определяет низкий ресурс коронок. Существенно более высокую стойкость обеспечивают буровые коронки с безлезвийными, цилиндро-сферическими вставками [там же: 1, стр. 167, рис. 5.6, в] Такие вставки не имеют острых кромок-концентраторов, что выгодно отличает их от лезвийных. Однако цилиндро-сферические вставки имеют малые радиусы кривизны воздействующих на горную породу поверхностей, что требует высоких удельных нагрузок на забой, которые трудно воспроизвести. Известны иные более прогрессивные формы безлезвийных твердосплавных вставок.

Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция твердосплавной вставки для буровых коронок по [2] У этой вставки рабочая поверхность выполнена безлезвийной в виде полутора, сопряженного с цилиндрической боковой и внутренней поверхностями вставки.

Недостатком известной вставки является высокая притупленность рабочей поверхности, вызванная тем, что в сечении полутора плоскостью, проходящей через ось вставки, имеет место полуокружность с одинаковой кривизной по линии взаимодействия с забоем. Причем величина кривизны у окружности столь большая, что рабочая поверхность оказывается весьма "тупой", она имеет большой радиус кривизны. Внедрять такую поверхность в забой весьма сложно, потребны значительные контактные воздействия. К тому же, воздействие на забой вставкой в виде полуокружности создает одинаковые напряженные состояния как вовнутрь, так и наружу от контакта.

Задачей изобретения является создание такой твердосплавной вставки, которая позволила бы создать больший эффект на обрабатываемую поверхность, а следовательно повысить производительность и уменьшить энергоемкость процесса бурения.

Сущность изобретения заключается в том, что в твердосплавной вставке для буровых коронок, содержащей цилиндрическую боковую поверхность, осевой канал и рабочую поверхность, согласно изобретению последняя в сечении выполнена в виде эллипса, большая ось которого может составлять с продольной осью вставки угол от 0^o до 90^o, а у эллипсов, как известно, вблизи фокусов его радиусы кривизны существенно меньше, чем у окружностей с диаметром, равным оси эллипса.

Рабочая поверхность выполнена в осевом сечении по контуру эллипсов, с переменной кривизной, что позволяет в контакте с породой использовать наиболее "острые", т.е. с минимальными радиусами кривизны, участки поверхности твердосплавной вставки. Выполнение оси эллипса под углом от 0^o до 90^o (в большинстве случаев под острым углом к продольной оси вставки) позволяет направлять результирующую силу воздействия на забой внутрь вставки, увеличивая ее кумулятивный эффект и общую эффективность подводимой энергии.

На фиг. 1 представлена вставка с сечением осевой плоскостью, на фиг.2 - рабочая кромка вставки, приведенная к геометрическим элементам эллипса, на фиг. 3 эффект воздействия вставок с эллипсным сечением, на фиг.4 вид вставки при использовании в особо сложных условиях, т.е. при бурении пород высокой крепости.

Вставка содержит цилиндрический корпус 1, ударную поверхность 2, имеющую в сечении форму части эллипса, наклоненного большей осью к геометрической оси вставки под углом γ и осевой цилиндрический канал 3. При бурении вставки эллипсной поверхностью 2 воздействует на забой и, так как эллипс при тех же размерах известной вставки более "острый", т.е. имеет участки со значительно меньшими радиусами кривизны, обеспечивает большее проникание внутрь забоя и больший объем разрушения при тех же нагрузках. При увеличении крепости пород угол g может быть различным от 0^o при слабых породах, до 90^o при бурении горных пород высокой крепости.

На фиг. 2 показан повернутый на угол g эллипс. Его большая ось АВ=2а, меньшая ось СД=2в. Из теории эллипсов [3, рис.179] известно, что диаметрами или хордами эллипса называются линии, проходящие через центр эллипса и делящиеся в центре пополам. Эти диаметры GH и EF наклонены к осям эллипса под разными углами a и β и имеют длины 2а₁ и 2в₁, причем связь между величинами а, в, а₁ и в₁ определяется известной теоремой Аполлония, сводящейся к формуле
a21

+ b21=а²+в²
Имея в виду это соотношение, а также очевидные зависимости
,
не составляет труда, задаваясь величиной, например в₁. Найти а₁, α и β. Принимая диаметр 2в₁ перпендикулярным продольной оси вставки, найдем связь между углом g наклона большей оси эллипса с вертикальной осью. Эта связь очевидна из рисунка, а именно
γ = 90^°- β (4).

Теперь возможно решение и обратной задачи, т.е. определение всех параметров повернутого эллипса по углу γ. Действительно, принимая нужный угол g, определяем по (4) b, по (2) a и, решая совместно (1) и (3), найдем а₁ и в₁.

На фиг. 3 показано, как концентрируются воздействия на горную породу от эллипсной поверхности внутрь и вдоль оси вставки штриховые линии 4 и как увеличивается объем 5 разрушаемой породы.

При использовании предлагаемой вставки эффективность разрушения возрастает, во-первых, за счет большей "остроты" вставки меньших радиусов кривизны, во-вторых, за счет концентрации и напряжений внутрь от вставки, что увеличивает кумулятивный эффект воздействия. Изменения угла наклона g большей оси эллипса 0^o до 90^o позволяет бурить различные по крепости горные породы до пород высокой крепости.

Использование: при бурении шпуров в горных породах ударно-вращательным методом, например коронками. Сущность изобретения: твердосплавная вставка для буровых коронок имеет цилиндрическую боковую поверхность, осевой канал и рабочую поверхность, которая в осевом сечении вставки выполнена по эллипсу, большая ось которого составляет с продольной осью вставки угол от 0^o до 90^o. 4 ил.

Твердосплавная вставка для буровых коронок, содержащая цилиндрическую боковую поверхность, осевой канал и рабочую поверхность, отличающаяся тем, что рабочая поверхность в осевом сечении вставки выполнена по эллипсу, большая ось которого составляет с продольной осью вставки угол от 0 до 90^o