БУР-РАСШИРИТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК E21B7/28 E21B10/26 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к буровым долотам с направляющим режущим инструментом для расширения скважины при ударно-вращательном движении, и может быть использовано при бурении твердых пород в вертикальном, горизонтальном или наклонном направлениях, а также в качестве инструмента при строительно-монтажных работах.

Из уровня техники известны буры-расширители, предназначенные для работы с твердыми породами. Так, в описании изобретения к патенту США 4773491, МПК E 21 B 10/26, НПК 175/385, дата публикации 27.09.88, описана буровая головка, представляющая по сути бур-расширитель, содержащий опережающую часть, разрушающее долото и шнековую часть, опережающая часть оснащена штырем с закрепленным в нем, по меньшей мере, одним режущим средством с режущими кромками, выступающими за контуры штыря, разрушающее долото содержит не менее одной ступени, каждая из которых выполнена с осесимметрично расположенными выступами и выборками между выступами, причем выступы последующей ступени ориентированы вдоль выступов предыдущей ступени, в каждом выступе закреплено режущее средство с режущими кромками, выступающими за контуры выступа, шнековая часть содержит стержень со шнековой навивкой, начало которой отстоит на некотором расстоянии от торца последней ступени. При этом расстояние от торца последней ступени до начала шнековой навивки не оговаривается, и в случае предпочтительного выполнения, как следует из фиг.2 патента, составляет не более 0,15 диаметра последней ступени, что при работах, особенно в каменистых породах и твердом материале, может привести к уплотнению крошки разрушенного материала и повышению вследствие этого энергозатрат на ее транспортировку шнековой частью и увеличению потребной мощности для работы бура-расширителя.

Решаемой технической задачей является уменьшение энергозатрат на работу бура-расширителя. Достигаемый технический результат заключается в уменьшении энергозатрат на транспортировку крошки разрушенного материала при бурении в камне, бетоне, кирпиче и т.п.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Как и в наиболее близком аналоге, представленном в патенте США 4773491, бур-расширитель содержит опережающую часть, разрушающее долото и шнековую часть, опережающая часть оснащена штырем с закрепленным в нем, по меньшей мере, одним режущим средством с режущими кромками, выступающими за контуры штыря, разрушающее долото содержит не менее одной ступени, каждая из которых выполнена с осесимметрично расположенными выступами и выборками между выступами, причем выступы последующей ступени ориентированы вдоль выступов предыдущей ступени, в каждом выступе закреплено режущее средство с режущими кромками, выступающими за контуры выступа, шнековая часть содержит стержень со шнековой навивкой, начало которой отстоит от торца последней ступени, но в отличие от наиболее близкого аналога, расстояние от последней ступени разрушающего долота до начала шнековой навивки равно не менее 1/4 диаметра последней ступени разрушающего долота, но не более шага шнековой навивки.

Бур-расширитель характеризуется тем, что каждая ступень разрушающего долота содержит не менее трех выступов.

Бур-расширитель характеризуется тем, что режущее средство выполнено в виде режущей пластины с заточенными передней и боковой кромками.

Бур-расширитель характеризуется тем, что пластины на штыре опережающей части закреплены по диаметру штыря, пластины на каждом выступе ступеней разрушающего долота закреплены вдоль соответствующего выступа и расположены под углом, отличным от 0^o, к пластинам, закрепленным на штыре опережающей части.

Бур-расширитель характеризуется тем, что выборки выполнены сквозными, проходящими через все ступени разрушающего долота, и имеют цилиндрическую поверхность.

Бур-расширитель характеризуется тем, что цилиндрическая поверхность выполнена с постоянным радиусом в поперечном сечении бура-расширителя.

Бур-расширитель, характеризующийся тем, что передняя часть штыря опережающей части оснащена двумя осесимметрично расположенными уступами, на каждом уступе образована режущая кромка, образованная при пересечении поверхности уступа с боковой поверхности штыря, боковая сторона параллельна режущим пластинам штыря, тыльная сторона перпендикулярна режущим пластинам штыря.

При этом поверхность каждого уступа на штыре бура-расширителя от режущей кромки уступа до торца штыря предлагается выполнять цилиндрической.

Бур-расширитель характеризуется также тем, что передняя часть штыря опережающей части и каждой ступени выступов разрушающего долота выполнена конической, с одинаковым углом при вершине конуса.

Бур-расширитель характеризуется тем, что радиус окружности, описываемой боковыми кромками пластин последней ступени, больше радиуса шнековой навивки, а диаметр стержня шнековой части не меньше диаметра штыря опережающей части.

Кроме того, бур-расширитель характеризуется тем, что пластины, закрепленные в штыре и в каждом выступе, выполнены с одинаковыми размерами.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен вид сбоку на бур-расширитель с двумя ступенями разрушающего долота.

На фиг.2 дан разрез А-А на фиг.1.

На фиг.3 показан разрез Б-Б на фиг.1.

На фиг.4 показан разрез В-В на фиг.1.

На фиг.5 представлен вид Г на фиг.1.

На фиг.6 показан разрез Д-Д на фиг.5.

Бур-расширитель устроен следующим образом.

Бур-расширитель содержит опережающую часть 1, разрушающее долото 2 и шнековую часть 3. Опережающая часть 1 оснащена штырем 4 с закрепленным в нем, по меньшей мере, одним режущим средствам, выполненным, например, в виде пары режущих пластин 5 с заточенными передней и боковой кромками, выступающими за контуры штыря 4. Разрушающее долото 2 может содержать одну ступень (не показано), две (фиг.1) и более ступеней, каждая из которых выполнена с осесимметрично (относительно оси вращения бура-расширителя) расположенными выступами 6 и выборками 7 между ними, причем соответствующие выступы 6 предыдущей, например первой ступени 8, и последующей, например второй ступени 9, ориентированы вдоль одной прямой (фиг1, 5), в каждом выступе 6 закреплено режущее средство, выполненное, например, в виде режущей пластины 10 с заточенными кромками, выступающими за контуры выступа 6. Шнековая часть 3 содержит стержень 11 со шнековой навивкой 12, начало которой отстоит от торца последней, например второй ступени 9 разрушающего долота 2 на расстояние L, равное не менее 0,25 диаметра D_дол последней ступени разрушающего долота 2, но не более шага S_шн шнековой навивки 11: D_дол/4 ≤ L ≤ S_шн. Стержень 10 шнековой части 3 сопряжен с торцем последней ступени 9. Стержень 10 шнековой части 3 заканчивается хвостовиком 13 для соединения с энергоприводом (не показан).

Передняя часть штыря 4 опережающей части 1 может оснащаться двумя осесимметрично расположенными уступами 14 с боковой 15 и тыльной 16 сторонами, на каждом уступе 14 образована режущая кромка 17 (фиг.1, 4), расположенная на боковой поверхности штыря 4. Поверхность каждого уступа 14 на штыре 4 бура-расширителя от режущей кромки 17 до тыльной стороны 16, расположенной на торце штыря 4 может выполняться цилиндрической с окружностью и другой линией в основании, либо с более сложной поверхностью.

Опережающая часть 1, разрушающее долото 2 со ступенями 9 и 8, шнековая часть 3 могут выполняться как в виде соединенных между собой узлов и деталей (не показано), так и в виде одной детали, например, при использовании бура-расширителя в качестве инструмента для монтажно-строительных работ.

В предпочтительном варианте выполнения бура-расширителя каждая ступень 9 и 8 разрушающего долота 2 содержит три выступа 6, режущие пластины 5 на штыре 4 опережающей части 1 закреплены по диаметру штыря 4, режущие пластины 10 на каждом выступе 6 ступеней 8 и 9 разрушающего долота 2 закреплены вдоль соответствующего выступа 6 по лучу с центром на оси вращения бура-расширителя и расположены под углом, отличным от 0^o, к режущим пластинам 5, закрепленным на штыре 4 опережающей части 1. Выборки 7 выполнены сквозными, проходящими через все ступени 8, 9 разрушающего долота 2 и имеют цилиндрическую поверхность, которая может выполняться с постоянным радиусом в поперечном сечении бура-расширителя (фиг.2) или с другим контуром в поперечном сечении. Штырь 4 опережающей части 1 оснащен уступами 14 с цилиндрической поверхностью от режущей кромки 17 до тыльной стороны 16 уступа 14 (фиг.5), боковая сторона 15 уступа 14 параллельна режущим пластинам 5, а тыльная сторона 16 перпендикулярна режущим пластинам 5 (фиг.1,4). Передняя часть штыря 4 опережающей части 1 и каждой ступени 8, 9 выступов 6 разрушающего долота 2 выполнена конической с одинаковым углом α при вершине конуса, радиус окружности D_дол/2, описываемой боковыми кромками пластин последней ступени 8 (фиг.1), больше радиуса D_дн/2 шнековой навивки 12, а диаметр d_шн стержня 11 шнековой части 3 не меньше диаметра d_шт штыря 4 опережающей части 1 : D_дол/2 > D_шн/2, d_шн≥d_шт. Кроме того, режущие пластины 5 и 10, закрепленные в штыре 4 и в каждом выступе 6, выполнены с одинаковыми размерами, например, в виде прямоугольной трапеции с двумя смежными заточенными кромками с тупым углом между ними и острым углом при основании трапеции, равным половине угла α при вершине конической поверхности передних частей штыря 4 и ступеней 8 и 9 (фиг.6).

Бур-расширитель работает следующим образом.

При ударно-вращательном движении бура-расширителя штырь 4 опережающей части 1 с закрепленными в нем режущими средствами, выполненными, например, в виде режущих пластин 5, разрушает твердый материал (камень, бетон, кирпич и т. п. ), в котором выполняется бурение, за счет высокого контактного напряжения, возникающего на заточенных кромках пластин 5 при взаимодействии с материалом. Наличие уступов 14 с режущими кромками 17 на штыре 4 обеспечивает измельчение и транспортировку крошек обрабатываемого материала, образовавшихся после разрушения материала режущими средствами, например, режущими пластинами 5, что способствует повышению производительности бура-расширителя.

Первая ступень 8 разрушающего долота 2 расширяет скважину, разрушая материал режущими средствами, например, режущими пластинами 10, закрепленными в выступах 6, вызывая трещины в материале при ударах и скалывание материала при вращении. При выполнении бура расширителя многоступенчатым вторая ступень 9 (фиг.1) и последующие ступени (не показаны), вклиниваясь режущими средствами, например, режущими пластинами 10, закрепленными в выступах 6 и расположенными вдоль выступов 6 (и режущих пластин 10) предыдущей, например, первой ступени 8, в трещины, образованные пластинами 10 первой ступени 8, либо при одновременном ударе режущих пластин 10 смежных выступов 6 ступеней 8 и 9 способствует образованию трещины в обрабатываемом материале, что усиливает разрушение материала при снижении энергопотребности на привод бура-расширителя. За счет несовпадения ориентации режущих пластин 5, закрепленных в штыре 4, и режущих пластин 10, закрепленных в выступах 6 ступеней 8, 9, не происходит заклинивания бура-расширителя при бурении в материале с трещинами и швами, например, в кирпичной кладке. Наличие трех и более выступов 6 обеспечивает при сколах материала одновременный контакт с материалом лишь части режущих пластин 10 выступов 6, что повышает контактные напряжения в режущих пластинах 10 и обрабатываемом материале и способствует разрушению материала.

Образованная крошка проходит через сквозные выборки 7 между выступами 6 и удаляется шнековой частью 3. При этом вследствие отстояния начала шнековой навивки 12 от торца последней, например, второй ступени 8 на расстояние D_дол/4 ≤ L ≤ S_шн предотвращается спрессовывание крошки и не требуется затрат энергии для ее разрушения, что снижает энергозатраты на работу шнековой части 3 и бура-расширителя в целом.

Выполнение режущих пластин 5 и 10 одинаковыми (фиг.1, 6) повышает технологичность изготовления и ремонтопригодность бура-расширителя.

Выполнение выборок 7 сквозными, проходящими через все ступени 8, 9 разрушающего долота 2, и придание их поверхности цилиндрической формы, например, с постоянным радиусом в поперечном сечении бура-расширителя (фиг.2), выполнение поверхности каждого уступа 14 штыря 4 от режущей кромки 17 до тыльной стороны 16 цилиндрической, боковых сторон 15 уступов 14 параллельными режущим пластинам 5, а также выполнение передней части штыря 4 опережающей части 1 и каждой ступени 8, 9 выступов 6 разрушающего долота 2 с одинаковым углом α при вершине конуса повышает технологичность изготовления бура-расширителя.

Выполнение бура-расширителя с радиусом окружности D_дол/2, описываемой заточенными боковыми кромками режущих пластин 10 последней, например, второй ступени 9 (фиг.1), большей радиуса D_шн/2 шнековой навивки 12 снижает энергозатраты на привод бура-расширителя в связи со снижением сил трения боковой поверхности шнековой навивки 12 со стенками скважины (отверстия). В то же время, во время работы шнековая навивка 12 выполняет функцию направляющей поверхности при вибрации и колебаниях бура-расширителя, обусловленных неравнопрочностью обрабатываемого материала.

Выполнение диаметра d_шн стержня 11 шнековой части 3 не меньшей диаметра d_шт штыря 4 опережающей части 1 способствует созданию равнопрочности бура-расширителя.

Представленный бур-расширитель является промышленно применимым, поскольку приведенной в описании изобретения информации достаточно для изготовления бура-расширителя на любом специализированном предприятии с достижением заявленного технического результата, а при разработке технической документации на бур-расширитель не требуется дополнительного изобретательского творчества.

Применение: изобретение относится к области горного дела, в частности к буровым долотам для ударно-вращательного движения с направляющим режущим инструментом для расширения скважин. Технический результат: снижение энергозатрат на работу бура за счет уменьшения энергозатрат на удаление крошки. Опережающая часть бура-расширителя оснащена штырем с закрепленной в нем режущей пластиной с заточенными кромками, выступающими за контуры штыря, и выполнена с уступами с режущей кромкой. Разрушающее долото содержит ступени с осесимметрично расположенными и одинаково ориентированными выступами и выборками между ними и закрепленными в выступах режущими пластинами с заточенными кромками, выступающими за контуры выступов. Шнековая часть содержит стержень со шнековой навивкой, начало которой отстоит от торца последней ступени на величину не менее 1/4 диаметра последней ступени разрушающего долота, но не более шага S_шн шнековой навивки. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Бур-расширитель, содержащий опережающую часть, разрушающее долото и шнековую часть, опережающая часть оснащена штырем с закрепленным в нем, по меньшей мере, одним режущим средством с режущими кромками, выступающими за контуры штыря, разрушающее долото содержит не менее одной ступени, каждая из которых выполнена с осесимметрично расположенными выступами и выборками между выступами, причем выступы последующей ступени ориентированы вдоль выступов предыдущей ступени, в каждом выступе закреплено режущее средство с режущими кромками, выступающими за контуры выступа, шнековая часть содержит стержень со шнековой навивкой, начало которой отстоит от торца последней ступени, отличающийся тем, что начало шнековой навивки отстоит от торца последней ступени разрушающего долота на расстояние не менее 0,25 диаметра последней ступени разрушающего долота и не более шага шнековой навивки. 2. Бур-расширитель по п. 1, отличающийся тем, что каждая ступень разрушающего долота содержит не менее трех выступов. 3. Бур-расширитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что режущее средство выполнено в виде режущей пластины с заточенными передней и боковой кромками. 4. Бур-расширитель по п. 3, отличающийся тем, что режущие пластины на штыре опережающей части закреплены по диаметру штыря, режущие пластины на каждом выступе ступеней разрушающего долота закреплены вдоль соответствующего выступа и расположены под углом, отличным от 0^o к режущим пластинам, закрепленным на штыре опережающей части. 5. Бур-расширитель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что выборки выполнены сквозными, проходящими через все ступени разрушающего долота и имеющими цилиндрическую поверхность. 6. Бур-расширитель по п. 5, отличающийся тем, что цилиндрическая поверхность выполнена с постоянным радиусом в поперечном сечении бура-расширителя. 7. Бур-расширитель по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что передняя часть штыря опережающей части оснащена двумя осесимметрично расположенными уступами, на каждом уступе имеется кромка, образованная при пересечении поверхности уступа с боковой поверхностью штыря, боковая сторона уступа параллельна режущим пластинам штыря, а тыльная сторона перпендикулярна режущим пластинам штыря. 8. Бур-расширитель по п. 7, отличающийся тем, что поверхность каждого уступа на штыре от кромки уступа до торца штыря выполнена цилиндрической. 9. Бур-расширитель по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что передняя часть штыря опережающей части и каждой ступени выступов разрушающего долота выполнена конической, с одинаковым углом при вершине конуса. 10. Бур-расширитель по п. 1, отличающийся тем, что радиус окружности, описываемой заостренными боковыми кромками пластин последней ступени больше радиуса шнековой навивки, а диаметр стержня шнековой части не меньше диаметра штыря опережающей части. 11. Бур-расширитель по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что пластины, закрепленные в штыре и в каждом выступе, выполнены с одинаковыми размерами.