ВИНТОВОЙ БУР ДЛЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
SCREW DRILL BIT FOR FROZEN SOILS

Изобретение относится к производству земляных работ, в частности к устройствам для образования скважин.
Известна конструкция рабочего органа для образования скважин, включающая буровую штангу, имеющую конический и цилиндрический участки, на которых расположена непрерывная винтовая лопасть [1]. Для облегчения процесса завинчивания рабочего органа в грунт лопасть также имеет конический тяговый и цилиндрический разрушающий участки. Причем шаг разрушающей лопасти больше шага тяговой, а ее диаметр равен основанию конуса, описанного кромкой тяговой лопасти.
Недостатком его является большая энергоемкость процесса бурения прочных мерзлых грунтов, а, кроме того, неспособность завинчиваться в высокоабразивные хрупкие грунты, например, мерзлые пески, вследствие того, что при взаимодействии с лопастью, геометрия которой не соответствует данным грунтовым условиям, происходит их хрупкое разрушение, и конический участок лопасти теряет тяговую способность.
Наиболее близким к предлагаемому является винтовой бур для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах, который включает сердечник, имеющий конический сердечник с винтовой лопастью, состоящей из конического участка с постоянным шагом витков и цилиндрического участка с шагом витков, имеющим постоянное приращение относительно шага витков конического участка лопасти, отличающийся тем, что диаметр лопасти на цилиндрическом участке больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков конического участка лопасти более чем в два раза [2].
Основным недостатком рассмотренного инструмента является повышенная энергоемкость процесса разрушение грунта из-за того, что результирующая сила среза на участке начиная с перехода из тяговой в разрушающую части до участка, находящегося в конце разрушающей части винтовой поверхности направлена под углом, что приводит к потере силы, а именно при этом горизонтальная составляющая силы тратиться на уплотнение скважины, а вертикальная составляющая силы на сдвиг грунта.
Техническая проблема настоящего изобретения заключается в необходимости снижения энергоемкости бурения скважин в мерзлых грунтах.
Техническим результатом является создание инструмента, с переменным значением угла наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти к оси вращения, изменяющегося от 42° до 90°, на участке начиная с перехода из тяговой в разрушающую части до участка, находящегося в конце разрушающей части.
Поставленная проблема решается следующим образом. В винтовом буре для мерзлых грунтов, содержащем конический сердечник с винтовой лопастью, состоящей из конического участка с постоянным шагом витков и цилиндрического участка с шагом витков, имеющим постоянное приращение относительно шага витков конического участка лопасти, винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на цилиндрическом и коническом участках, равным не более двум, диаметр лопасти на цилиндрическом участке больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков конического участка лопасти более чем в два раза, угол наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти имеет переменное значение от острого угла до прямого.
На фиг. представлен предлагаемый винтовой бур для мерзлых грунтов, общий вид, на котором приняты следующие обозначения:
1
Т - сила сопротивления, приложенная к верхней поверхности винтовой лопасти на участке переходящего из тяговой в разрушающую части;
2
Т - сила сопротивления, приложенная к верхней поверхности винтовой лопасти на участке в конце разрушающей части;
1х
Т - горизонтальная составляющая силы сопротивления, приложенная к верхней поверхности винтовой лопасти на участке переходящего из тяговой в разрушающую части;
1у
Т - вертикальная составляющая силы сопротивления, приложенная к верхней поверхности винтовой лопасти на участке переходящего из тяговой в разрушающую части;
2x
T - горизонтальная составляющая силы сопротивления, приложенная к верхней поверхности винтовой лопасти на участке в конце разрушающей части;
2у
Т - вертикальная составляющая силы сопротивления, приложенная к верхней поверхности винтовой лопасти на участке в конце разрушающей части.
Предлагаемый бур состоит из конического сердечника 1 (фиг.), на котором размещена непрерывная винтовая лопасть 2, включающая конический тяговый и цилиндрический разрушающий участки. Винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на цилиндрическом и коническом участках, равным не более двух. Коническая тяговая часть имеет постоянные шаг и радиус винтовой лопасти. Цилиндрическая разрушающая часть в свою очередь имеет форму винтовой поверхности с постоянным приращением радиуса на один поворот относительно шага витков конического участка лопасти. Диаметр витка лопасти на цилиндрическом участке больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков лопасти конического участка более чем в два раза. В след за этим происходит увеличение шага винтового рабочего органа, относительно конической тяговой части. Угол наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти на цилиндрическом участке наконечника к оси вращения меняет свое значение от 42° до 90°. При этом 42° является оптимальным значением для завинчивающей части полученным при длительных исследованиях. Угол наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти на цилиндрическом участке наконечника к оси вращения начинается с полученного значения. А в конечном положении угол между образующей верхней поверхности и осью вращения должно быть 90°, для того чтобы происходил полный процесс откола грунта. При меньших значениях процесс будет осуществлен не в полной мере и это повысит энергозатратность на процесс бурения винтовым рабочим органом. А при большем отклонении угла будет происходить осыпание отколовшегося массива грунта в межвитковое пространство.
Работает предлагаемый винтовой бур следующим образом.
Бур вводят в соприкосновение с грунтом, после чего посредством бурового оборудования ему сообщают осевое задавливающее усилие и крутящий момент. Происходит погружение бура в грунт. При этом последний раздвигается внедряющимися в него коническим сердечником 1 и тяговой частью винтовой лопасти 2 постоянного шага и уплотняется в направлениях, нормальных к образующим их поверхностям. В результате уплотнения грунт в межвитковом пространстве упрочняется и дает возможность конической части лопасти развить тяговую способность, не разрушаясь под ее воздействием.
1
2
1у
2у
1x
2х
Следом за тяговой частью лопасти в контакт с грунтом вступает разрушающая часть лопасти, работающая как винтовой клин. Благодаря значительному ее вылету, за счет увеличения радиуса, и изменению угла наклона (α) образующей верхней поверхности винтовой лопасти к оси вращению, относительно последнего витка тяговой части лопасти кромка разрушающей части лопасти происходит разрушение грунта, преобладающее в большей степени деформацией сдвигом. Возникает данный процесс за счет того, что при изменении угла наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти к оси вращению, изменяется направление силы среза. Точнее на участке начиная с перехода из тяговой в разрушающую части сила среза Т изменяет направление и переходит в положение Т, так же свое направление изменяют составляющие силы, вертикальная Т в Т, горизонтальная T в Т. А именно, в конечном положении сила сопротивления и ее составляющие направлены вертикально вверх, тем самым нету потерь, которые уходят на уплотнение грунта, как например в положении, где угол наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти к оси вращению равен α=42°.
Как следствие, сила сопротивления на сдвиг грунта увеличивается практически в два раза, а значит, уменьшается энергоемкость разрушение грунта, за счет изменения угла наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти к оси вращению от 42° до 90°.
Таким образом, был разработан винтовой бур для мерзлых грунтов с изменяющимся углом наклона образующей верхней поверхности и осью вращения от 42° до 90°. Диаметр разрушающей части равен 300 мм, при этом диаметр тяговой части соответствует 150 мм. Шаг разрушающей части имеет значение 120 мм, а для тяговой части шаг винтовой лопасти будет 60 мм.
В итоге получили винтовой бур с возможностью снижения энергоемкости бурения скважин в мерзлых грунтах, что подтвердило заявленный ранее технический результат.
Источники информации
3
1. А.с. №975924 (СССР), МКИ E02F 5/20. Рабочий орган для образования скважин / М.И. Артемьев, В.Ф. Миронов // Б.и. - 1982. - №43.
2. Патент на полезную модель Российской Федерации 49844 RU, МПК E02F 5/20. Винтовой бур для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах: 29.06.2005 / опубликовано: 10.12.2005 / И.Г. Мартюченко, Р.В. Южаков, В.В. Борисов (прототип).