Вращательно-ударная бурильная головка Советский патент 1988 года по МПК E21B6/02 

-

СЛ

26

л

О)

(Ш), валами 9 и 10 и механизмом П переключения скоростей вращателя 2, Косозубая солнечная Ш 21 ударного механизма подпружинена с двух сторон относительно водила 18 и жестко связана с бойком 24, Боек 24 соединен со шпинделем 12 посредством шлицов. На диаметрально расположенных пальцах 19 водила 18 неподвижно в осевом направлении посажены неуравновешенные косозубые сателлиты (КС) 20,имеющие возможность свободного вращения. При вращательном режиме бурения вращение от электродвигателя 1 через

вал 9, Ш 3,4, вал 10 и одну из пар Ш 5,7 или 6,8 передается на шпиндель 12, хвостовик 25 и породоразрушающий инструмент 26, При ударно-вращательном режиме бурение приводится во вращение водилом I8 с КС 20 вокруг Ш 21, При зтом на Ш 21 циклически действует знакопеременный вращающий момент сил инерции, создаваемый КС 20, Ко- созубое зацепление совместно со шли- цевым соединением бойка 24 и шпинделя 12 между собой преобразует этот момент в удар, 1 ил.

Изобретение относится к горной промьгашенности, в частности к бурильным установкам, обеспечивающим вращательный и ударно-вращательный способ бурения. Цель изобретения - повышение долговечности бурильной головки буровой машины. Бурильная головка |включает электродвигатель I, враща- гель 2, шпиндель 12, ударный механизм. Последний выполнен в виде планетарного редуктора с шестернями

15

1

Изобретение относится к горной промьшшенности, в частности к бурильным установкам, имеющим вращательно- ударную бурильную головку электромеханического типа и обеспечивающим од- 5 новременно вращательный и вращатель- но-ударный способы бурения.

Целью изобретения является повыше- |ние долговечности бурильной головки, I На чертеже изображена кинематичес- О кая схема вращательно-ударной бу- рипьной головки с ударным механизмом инерционно-импульсного типй,

Вращательно-ударная бурильная головка с ударным механизмом инерционно-импульсного типа состоит из электродвигателя 1, вращателя 2, представляющего собой, например, двухскорост- ной двухступенчатый редуктор, В1шю- чающий шестерни 3-8, валы 9 и 10, механизм 11 переключения скоростей вращателя 2, Шестерни 3 и 4 жестко посажены соответственно на валы 9 и 10, Шестерни 5 и б расположены на шли цах вала 10 с возможно стью перемещения на них посредством механизма 11 переключения скоростей вращателя 2« Шестерни 7 и 8 жестко посажены на шпиндель 12, Валы 9 и 10 и шпинд гль 12 вращаются в подшипниках, расположенных в корпусе (не показан) бурильной головки. Такая конструкция вращателя 2 обеспечивает два значения угловой скорости вращения шпинделя 12, т,е, две скорости вращения 35

25

30

О

5

5

0

шпинделя 12, Редуктор 13 привода ударного механизма состоит из шестерен 3 и 14 и устройства 15 включения ударного механизма. Шестерня 14 посажена на шлицах вала 16 с возможностью перемещения на них посредством устройства 15 включения; ударного механизма. Такая конструкция редуктора 13 привода ударного механизма обеспечивает два способа бурения: вращательный способ, если шестерня 14 выведена устройством 15 включения ударного механизма из зацепления с шестерней 3, и вращательно-ударный, если шестерня 14 находится в зацеплении с шестерней 3, На фиг,1 показано осуществление вращательно-удар- ного способа бурения.

Ударный механизм 17, выполненный в виде планетарного редуктора, состоит из .водила 18 с диаметрально расположенными пальцами 19, на которых свободно в окружном направлении и неподвижно вдоль оси пальцев 19 посажены косозубые неуравновешенные сателлиты 20, входящие в зацепление с ко- созубой солнечной шестерней 21, Цент-, ры тяжести косозубых неуравновешен- яых сателлитов 20 смещены ртноситель- IHO оси пальцев 19 с помощью дебалан- сов 22, Косозубая солнечная шестерня 21 опирается через пружины 23 на водило 18 и соединена в одно целое с бойком 24 ударного механизма,который одним своим концом располагается

с возможностью осевого перемещения в выточке водила 18, а другим концом, ударной частью, связан посредством шлиц со шпинделем 12, Между бойком 24 и хвостовиком 25 есть зазор,Количество косозубых неуравновешенных сателлитов. 20 определяется исходя из известного условия соседства, величина смещения их центра тяжести зависит, в основном, от требуемых параметров удара.

Шпиндель 12 соединен с хвостовиком 25, один конец которого со стороны шпинделя 12 имеет форму кулач- КОБОЙ муфты, а другой конец со стороны породоразрушающего инструмента 26 имеет форму конуса типа Морзе. Параметры концов хвостовика не имеют принципиального значения и определя- ются расчетным путем.исходя из конкретных требований эксплуатации. Необходимо, чтобы конец хвостовика 25 с кулачковой муфтой обеспечивал жесткую связь в окружном направлении со шпинделем 12 и давал возможность хвостовику 25 перемещаться в осевом направлении в определенных пределах (обычно, максимум, 10 мм). Необходимо также чтобы конец хвостовика 25 с.конусной частью обеспечивал жесткую связь хвостовика 25 с породораз- рушающим инструментом 26,

При проведении буровых работ необходимо бурить как мягкие, так и твер- дые породы. Мягкие породы хорошо бурить вращательным режимом бурения, а твердые - вращательно-ударным режимом бурения. Поэтому бурильная головка должна и может осуществлять 2 ука- занных режима.бурения.

При вращательном режиме бурения породоразрушающий инструмент 26 внедряется в породу под действием осевого усилия с одновременным непрерыв- ным однонаправленным вращением. Ударные нагрузки при этом отсутствуют. При таком режиме бурения разрушение пород происходит непрерывно, представляя собой процесс резания пластич- ного материала с образованием стружки. При бурении хрупких пород разрушение происходит циклично в виде отдельных сколов.

При вращательно-ударном режиме бурения породоразрушающий инструмент 26 внедряется в породу под действием осевого усилия, ударной нагрузки с одновременным непрерывным однонаправ5

0

5 0 0

5 0

5

ленным вращением породоразрушающего инструмента 26. При таком режиме бурения разрушение происходит за счет скалывания породы,

Вращательньш режим бурения осуществляется за счет взаимодействия вращателя 2 со шпинделем 12, хвостовиком 25 и породоразрушающим инструментом 26, Вращение от электродвигателя I через вал 9, шестерни 3, 4, вал 10 и одной из пар шестерен 5, 7 или 6, 8 передается на шпиндель 12,хвостовик 25 и породоразрушающий инструмент имеют непрерывное однонаправленное вращение.

При введении устройством 15 включения ударного механизма шестерни 14 в зацепление с шестерней 3 редуктор 13 привода ударного механизма приводит во вращение водило 18 с ко- созубыми неуравновешенными сателлитами 20, При вращении косоэубых неуравновешенных сателлитов 20 вокруг косозубой солнечной шестерни 21 на последнюю циклически действует зна- копеременный вращающий момент сил инерции, создаваемый косозубыми неуравновешенными сателлитами 20, за- кон изменения которого носит синусоидальный характер с периодом, равным времени одного оборота косозубых неуравновешенных сателлитов 20 относительно оси вращения пальцев 19,

Положительный импульс знакопеременного момента сил инерции будет противодействовать вращающему моменту, подведенному от электродвигателя через вращатель 2 к шпинделю 12, Вращающий момент в 2-4 раза больше, чем максимальное значение положительного импульса. Сила сопротивления в этот момент времени вообще отсутствует (не считая сил упругости в пружине). Вследствие этого косозубая солнечная шестерня 21 вместе с бойком 24 будут совершать, в основном, линейное перемещение к-хвостовику 25 с породоразрушающим инструментом 26 (направление движения определяется направлением косого зуба). После выбора зазора боек 24 ударит по хвостовику 25, так как скорость хвостовика 25 равна нулю, А боек имеет какое-то значение скорости,

С наступлением отрицательной фазы цикла на косозубую солнечную шес- терю 21 начнет действовать отрица

тельный импульс знакопеременного мо- ; мента сил инерции, который будет ; иметь направление действия, противо- ; ПОЛОЖН00. положительному импульсу и одинаковое направление с моментом, подведенным к шпинделю 12 от элект- родвигателя 1 через вращатель 2, :Вследствие этого косозубая солнечная I шестерня 21 вместе с бойком 24 бу- I дут совершать, в основном, линейное перемещение, но уже отводя боек 24 от хвостовика 25, раскрывая между ними зазор и возвращая детали планетарного инepциoннo-и myльcнoгo редуктора в первоначальное положение.Дпя стабилизации, большей определенности этого положения и устранения возможности удара бойка 24, особенно во времени его движения в отрицательной фазе, в водило 18 меиоду косо- зубой солнечной шестерней 21 поставлены пружины 23,

С наступлением положительной фазы I цикла работа ударного механизма в вн I де планетарного инерционно-импульсно I го редуктора 17 будет циклически i повторяться,

I Таким образом, в данном ударном I механизме удар создается за счет то- I го, что планетарный инерционно-им- jпульсный редуктор 17 создает знако- iпеременный момент сил инерции, а ко- созубое зацепление совместно со пши- цевым соединением бойка 24 и шпинде- iля 12 между собой и при встречном ;взаимодействии в положительной фазе I ранее рассмотренных моментов, дейст- j вующих на шпинделе 12, преобразует ;Зтот момент сил инерции в силу удара

Противоположное вращение водила 18 и шпинделя 12 способствует лучшей организации удара и повышению показателей процесса бурения в целом. В положительной фазе цикла момент сил инерции будет в какой-то мере тормо

0

5

0

25

зить шпиндель 12, уменьшая частоту вращения шпинделя 12 до какой-то величины ц; , а в отрицательной фазе цикла будет увеличивать частоту вращения шпинделя 12 до какой-то величины , « Таким образом,шпиндель 12, хвостовик 25 и породоразру- шающий инструмент 26 будет совершать в итоге непрерывное однонаправленное пульсирующее вращение. За цикл работы планетарного ин циоино-импульсно- го редуктора-шпиндель 12 будет иметь какую-то усредненную частоту вращения . Как показала практика, процесс бурения, осуществляемый с наложением окружных вибраций на непрерывное однонаправленное вращение по- родоразрушающего инструмента, значительно снижает энергоемкость и повышает фактическую производительность бурильных установок,

Формула изобретения

Вращательно-ударная бурильная головка, включающая электродвигатель, вращатель, шпиндель с хвостовиком, породоразрушающий инстрзгмент и удар- ный .механизм, выполненный в виде планетарного редуктора, отличающаяся тем, что, с целью повьщтения долговечности бурильной головки, планетарный редуктор вьтолнен с косозубой солнечной шестерней,води- лом с диаметрально расположенными пальцами, на которых посажены с возможностью свободного вращения косо- зубые неуравновешенные сателлиты,установленные на пальцах водила неподвижно в осевом направлении, а косозубая солнечная шестерня подпружинена с двух сторон относительно водила

45

и жестко связана с бойком, который кинематически соединен со шпинделем посредством шлицов.