Винтовой бур для мерзлых грунтов
SCREW DRILL 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 мерзлых грунтов, который включает конический сердечник с винтовой лопастью, состоящей из тягового участка с постоянным шагом витков лопасти и разрушающего участка с шагом витков лопасти, имеющим постоянное приращение относительно шага витков тягового участка лопасти; винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на разрушающем и тяговом участках, равным не более двух; угол наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти на разрушающем участке к оси вращения меняет свое значение от 42° до 90°; угол поворота радиуса винтовой лопасти, при котором происходит его приращение, находится в диапазоне от 90° до 270°, отношение радиуса винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти к радиусу винтовой поверхности в начале разрушающего участка винтовой лопасти составляет от 1,5 до 1,7 [2].
Основным недостатком рассмотренного инструмента является повышенная энергоемкость процесса разрушение грунта из-за того, что процесс вдавливания тягового участка осуществляется с повышенными энергозатратами и не эффективно.
Техническая проблема настоящего изобретения заключается в необходимости снижения энергоемкости бурения скважин в мерзлых грунтах.
Техническим результатом является создание инструмента, с расположением в нижней части забурника с углом заострения в диапазоне от 30° до 40° и отношением диаметра винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти к диаметру забурника, составляет от 3,2 до 3,9.
Поставленная проблема решается следующим образом. В винтовом буре для мерзлых грунтов, содержащем конический сердечник с винтовой лопастью, состоящей из тягового участка с постоянным шагом витков лопасти и разрушающего участка с шагом витков лопасти, имеющим постоянное приращение относительно шага витков тягового участка лопасти, винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на разрушающем и тяговом участках, равным не более двух, угол наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти на разрушающем участке к оси вращения меняет свое значение от 42° до 90°, а угол поворота радиуса винтовой лопасти, при котором происходит его приращение находится в диапазоне от 90° до 270°, отношение радиуса винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти к радиусу винтовой поверхности в начале разрушающего участка винтовой лопасти, составляет от 1,5 до 1,7, в нижней части бура располагается забурник с углом заострения в диапазоне от 30° до 40° и отношением диаметра винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти к диаметру забурника, составляет от 3,2 до 3,9.
На чертеже - представлен предлагаемый винтовой бур для мерзлых грунтов, общий вид, на котором приняты следующие обозначения:
1
r - радиус винтовой поверхности в начале разрушающего участка винтовой лопасти;
2
r - радиус винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти;
D - диаметр винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти;
d - диаметр забурника;
γ - угол заострения забурника.
Предлагаемый бур состоит из конического сердечника 2, на котором размещена непрерывная винтовая лопасть 3, включающая тяговый и разрушающий участки. Винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на разрушающем и тяговом участках, равным не более двух. Тяговый участок имеет постоянные шаг и радиус винтовой лопасти. Разрушающий участок в свою очередь имеет форму винтовой поверхности с приращением радиуса относительно шага витков тягового участка лопасти. Угол наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти на разрушающем участке к оси вращения меняет свое значение от 42° до 90°. Угол поворота радиуса винтовой лопасти на разрушающем участке, при котором происходит его приращение находится в диапазоне от 90° до 270°, в зависимости от типа грунта. Отношение радиуса винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти к радиусу винтовой поверхности в начале разрушающего участка винтовой лопасти, составляет от 1,5 до 1,7, в зависимости от типа грунта. В нижней части винтовой бура располагается забурник 1 с углом заострения в диапазоне от 30° до 40°. При этом 30° является минимальным оптимальным значением угла заострения забурника, полученным при длительных исследованиях. Максимальное значение угла заострения забурника, при котором происходит его приращение, ровняется 40°. Отношение диаметра винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти к диаметру забурника, составляет от 3,2 до 3,9. При этом 3,2 является минимальным оптимальным значением для соотношения диаметра винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти к диаметру забурника полученным при длительных исследованиях. Это минимальное значение соотношения, при котором будет происходить образование лидерной скважины без потерь тяговой способности винтовой лопасти. Максимальное значение соотношения диаметра винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти к диаметру забурника ровняется 3,9. При больших значениях будет повышена энергоемкость в процессе работы тягового участка винтового бура.
Работает предлагаемый винтовой бур следующим образом.
Бур вводят в соприкосновение с грунтом, после чего посредством бурового оборудования ему сообщают осевое залавливающее усилие и крутящий момент. Происходит погружение бура в грунт. При вращении забурника 1 с углом заострения в диапазоне от 30° до 40° мерзлый грунт разбуривается, образуя лидерную скважину. При этом в лидерную скважину внедряется конический сердечник 2 и тяговый участок винтовой лопасти 3 постоянного шага и уплотняется в направлениях, нормальных к образующим их поверхностям. В результате уплотнения грунт в межвитковом пространстве упрочняется и дает возможность тягового участка винтовой лопасти развить тяговую способность, не разрушаясь под ее воздействием. Данный процесс происходит за счет того, что отношение диаметра винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти к диаметру забурника, составляет от 3,2 до 3,9. Следом за тяговым участком винтовой лопасти в контакт с грунтом вступает разрушающий участок винтовой лопасти, работающий как винтовой клин. Благодаря углу наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти на разрушающем участке к оси вращения, а также благодаря значительному ее вылету, за счет угла поворота радиуса винтовой лопасти, при котором происходит его увеличение, относительно последнего витка тяговой части лопасти кромка разрушающей части лопасти происходит разрушение грунта, преобладающее в большей степени деформацией сдвигом.
Таким образом был разработан винтовой бур для мерзлых грунтов, с расположенным в нижней части бура забурником с углом заострения в диапазоне от 30° до 40° и отношением диаметра винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти к диаметру забурника, составляет от 3,2 до 3,9. Диаметр в конце разрушающего участка винтовой лопасти равен 300 мм, при этом диаметр забурника соответствует 85 мм. Угол заострения забурника будет равен 35°.
В итоге получили винтовой рабочий орган с возможностью снижения энергоемкости бурения скважин в мерзлых грунтах, что подтвердило заявленный ранее технический результат.
Источники информации
3
1. А. с. №975924 (СССР), МКИ Ε02F 5/20. Рабочий орган для образования скважин / М.И. Артемьев, В.Ф. Миронов // Б.и. - 1982. - №43.
2. Винтовой бур для мерзлых грунтов: пат. 2758920 Рос. Федерация. №2020136304 / Мартюченко И.Г., Зенин М.И.; заявл. 03.11.2020; опубл. 03.11.2021, Бюл. №31, 11 с.