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 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, винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на цилиндрическом и коническом участках, равным не более двум, при этом диаметр лопасти на цилиндрическом участке больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков конического участка лопасти более чем в два раза, а так же угол наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти на цилиндрическом участке наконечника к оси вращения меняет свое значение от 42° до 90° [2].
Основным недостатком рассмотренного инструмента является повышенная энергоемкость процесса разрушение грунта из-за того, что процесс скалывания грунта разрушающей частью происходит слишком медленно и не эффективно, а также не выполняется необходимая зависимость радиусов винтовой поверхности для достаточной работы разрушающей частью.
Техническая проблема настоящего изобретения заключается в необходимости снижения энергоемкости бурения скважин в мерзлых грунтах.
2
1
Техническим результатом является создание инструмента, с углом поворота радиуса винтовой лопасти, при котором происходит его приращение, находящейся в диапазоне от 90° до 270° и отношение радиусов винтовой лопасти r/r в диапазоне 1.5…1.7.
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 и разрушающего участка с шагом витков, имеющим постоянное приращение относительно шага витков тягового участка лопасти, винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на разрушающем и тяговом участках, равным не более двум, угол наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти на разрушающем участке к оси вращения меняет свое значение от 42° до 90°, а также 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.
На фиг. 1 - 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.
1
Т - сила сопротивления, приложенная к верхней поверхности винтовой лопасти в начале разрушающего участка;
2
Т - сила сопротивления, приложенная к верхней поверхности винтовой лопасти в конце разрушающего участка;
1х
Т - горизонтальная составляющая силы сопротивления, приложенная к верхней поверхности винтовой лопасти в начале разрушающего участка;
1у
Т - вертикальная составляющая силы сопротивления, приложенная к верхней поверхности винтовой лопасти в начале разрушающего участка;
2x
T - горизонтальная составляющая силы сопротивления, приложенная к верхней поверхности винтовой лопасти в конце разрушающего участка;
2у
Т - вертикальная составляющая силы сопротивления, приложенная к верхней поверхности винтовой лопасти в конце разрушающего участка.
На фиг. 2 - представлен предлагаемый винтовой бур для мерзлых грунтов, с углом поворота радиуса винтовой лопасти на разрушающем участке равным 90°.
На фиг. 3 - представлен предлагаемый винтовой бур для мерзлых грунтов, с углом поворота радиуса винтовой лопасти на разрушающем участке равным 270°.
Предлагаемый бур состоит из конического сердечника 1 (фиг. 1), на котором размещена непрерывная винтовая лопасть 2, 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. При этом 90° является минимальным оптимальным значением для угла поворота радиуса винтовой лопасти, при котором происходит его приращение, полученным при длительных исследованиях. Максимальное значение угла поворота радиуса винтовой лопасти, при котором происходит его приращение, ровняется 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 зависимости от типа грунта. При этом 1,5 является оптимальным значением для соотношения радиусов разрушающего участка полученным при длительных исследованиях. Это минимальное значение соотношения радиусов, при котором будет происходить разрушение отколом. Максимальное значение соотношение радиусов винтовой поверхности на разрушающем участке за один оборот ровняется 1,7. При меньших значениях процесс будет осуществлен не в полной мере и это повысит энергозатратность на процесс бурения винтовым рабочим органов или процесс не будет происходить вообще. А при большем соотношении радиусов винтовой поверхности на разрушающем участке так будет повышена энергоемкость и будет происходить значительное истирание кромки винтовой поверхности.
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 тяговым участком 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 тягового участка винтовой лопасти развить тяговую способность, не разрушаясь под ее воздействием.
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. Возникает данный процесс за счет того, что происходит приращение винтовой лопасти, при этом достигается необходимая скорость. А именно винтовая лопасть внедряется в грунт за угол равный от 90° до 270° и откалывает объем грунта, за счет отношения радиуса винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти к радиусу винтовой поверхности в начале разрушающего участка винтовой лопасти, находящихся в диапазоне 1,5…1,7.
Таким образом, был разработан винтовой бур для мерзлых грунтов, при котором происходит изменение радиуса винтовой лопасти и соответствует соотношению радиуса винтовой поверхности в конце разрушающего участка винтовой лопасти к радиусу винтовой поверхности в начале разрушающего участка винтовой лопасти, находящихся в диапазоне 1,5…1,7 за угол поворота радиуса винтовой лопасти от 90° до 270°. Диаметр разрушающей части равен 290 мм, при этом диаметр тяговой части соответствует 188 мм. Шаг разрушающей части имеет значение 120 мм, а для тяговой части шаг винтовой лопасти будет 60 мм. Угол поворота радиуса винтовой лопасти, при котором происходит его приращение, на разрушающем участке будет равен 100°.
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 E02F 5/20. Рабочий орган для образования скважин / М.И. Артемьев, В.Ф. Миронов // Б.и. - 1982. - №43.
2. Винтовой бур для мерзлых грунтов: пат. 2726753 Рос. Федерация. №2019114496 / Мартюченко И.Г., Зенин М.И.; заявл. 13.05.2019; опубл. 15.07.2020, Бюл. №20. 8 с.