РЕЖУЩЕ-ШАРОШЕЧНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО

Предлагаемая полезная модель относится к области горного дела и может быть использована для бурения взрывных скважин, преимущественно на открытых горных работах для дробления горных пород.
Известны шарошечные долота, включающие корпус, лапы с установленными на свободной оси вращения шарошками, оснащенными породоразрушающими элементами в виде зубьев и/или штырей, образующими периферийное, с калибрующей скважину кромкой, и центральное вооружение. Вооружение шарошек образует несколько конусных поверхностей, проведенных по вершинам зубьев и/или штырей. Шаг и количество зубьев и/или штырей периферийного вооружения шарошек разные на каждой шарошке, поэтому шарошки движутся с разной частотой вращения (Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / Под. ред. В.А.Перетолчина. - М.: «Недра», 1993, С.207-213). Скважина в поперечном сечении представляет собой окружность, так как расстояние от центра вращения бурового шарошечного долота до точки на калибрующей кромки шарошки, находящейся в контакте с забоем, является одинаковым при любом положении шарошек относительно оси их вращения.
Недостатком известных шарошечных долот является бурение скважины только с круглым поперечным сечением, потому что развертка конусной поверхности, проведенной по вершинам периферийного вооружения, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения бурового шарошечного долота, стороны представляет собой окружность и шарошки движутся с разной относительно друг друга частотой вращения, так как количество зубьев на их периферийных венцах разное на каждой шарошке.
Известно буровое шарошечное долото, содержащее шарошки с одинаковым количеством зубьев на их периферийных венцах. (Новое в бурении скважин. Труды МИНХиГП им. Губкина. Вып.96, М.: «Недра», 1970, с.18-19).
Недостатком известного бурового шарошечного долота является бурение скважины с круглым поперечным сечением, потому что развертка конусной поверхности, проведенной по вершинам периферийного вооружения, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения бурового шарошечного долота, стороны представляет собой окружность.
Недостатком вышеперечисленных устройств также является то, что шарошки воспринимают осевую нагрузку полностью, это приводит к необходимости уменьшать передаточное отношение шарошек, чтобы увеличить размеры подшипниковой опоры, так как при увеличении передаточного отношения уменьшиться угол конусности шарошки и это приведет к уменьшению диаметра подшипниковой опоры шарошки и к снижению ее долговечности. Поэтому передаточное отношение этих буровых долот меньше 1.5-2 и это не позволяет получить развертку шарошки в виде части фигуры, образованной поперечным сечением скважины, которая по площади и форме является половиной либо 2/3 частью всего некруглого поперечного сечения скважины.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является режуще-шарошечное долото, включающее корпус, лапы с установленными на свободной оси вращения шарошками, оснащенными породоразрушающими элементами в виде зубьев и/или штырей, образующими периферийное, с калибрующей скважину кромкой, и центральное вооружение. Оси шарошек пересекаются в одной точке, лежащей на оси вращения корпуса. Вооружение шарошек образует несколько конусных поверхностей, проведенных по вершинам зубьев и/или штырей. Имеется подвижная подпружиненная лопасть с режущей частью (Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / Под. ред. В.А.Перетолчина. - М.: «Недра», 1993, С.235-238).
Недостатком данной конструкции является бурение скважины только с круглым поперечным сечением, потому что развертка конусной поверхности, проведенной по вершинам периферийного вооружения, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения бурового шарошечного долота, стороны представляет собой окружность.
Задачей полезной модели является обеспечение бурения скважины с некруглой формой поперечного сечения. Достигаемый технический результат - воздействие на забой скважины с разным радиусом разрушающей зоны контакта с породой при вращении с уменьшением осевой нагрузки, приходящейся на шарошки.
Для достижения указанного результата в буровом инструменте, включающем корпус, лапы с установленными на свободной оси вращения шарошками, оснащенными зубчатыми и/или штыревыми породоразрушающими элементами, образующими периферийное вооружение, с калибрующей кромкой, и центральное вооружение, с осями шарошек, пересекающимися в одной точке, лежащей на оси вращения корпуса, подвижную подпружиненную лопасть с режущей частью для уменьшения осевой нагрузки, приходящейся на шарошки, применены следующие новые признаки.
Форма шарошек такая, что развертка конусной поверхности, образованной периферийным вооружением, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения корпуса, стороны имеет некруглую выпуклую форму, поэтому воздействие на забой скважины происходит с разным радиусом разрушающей зоны контакта вооружения шарошек с породой и приводит к формированию каждой шарошкой скважины с некруглым поперечным сечением. Выпуклая форма необходима для свободного вращения шарошек внутри скважины без зацепления о стенки скважины.
В проекции на поперечное сечение скважины развертка конусной поверхности, образованной периферийным вооружением, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения корпуса, стороны, является такой частью фигуры, образованной поперечным сечением скважины, которая по площади и форме является половиной либо 2/3 частью всего поперечного сечения скважины, для того, чтобы калибрующая кромка каждой шарошки, перекатываясь по забою, многократно воспроизводила одинаковую форму поперечного сечения скважины с центральной симметрией, либо состоящую из трех равных по площади и форме частей соответственно. Передаточное отношение шарошек равно 2, если скважина в поперечном сечении представляет собой фигуру с центральной симметрией и 1.5, если скважина в поперечном сечении представляет собой фигуру, состоящую из трех равных по площади и форме частей.
Для того, чтобы шарошки вращались синхронно и с постоянным передаточным отношением, необходимо следующее.
Крайняя от оси вращения корпуса точка на режущей части имеет радиус вращения меньший радиуса окружности, вписанной в поперечное сечение скважины, для того, чтобы не разрушать периферийную зубчатую рейку, по которой шарошки могут перекатываться с постоянным передаточным отношением синхронно.
Периферийное вооружение шарошек имеет одинаковое количество породоразрушающих элементов с одинаковым шагом их расстановки на каждой шарошке.
Лопасть с режущей частью подпружинена таким образом, что сила упругости всегда меньше осевого усилия, приходящегося на шарошки, для того, чтобы шарошки не теряли контакт с забоем при уменьшении осевого усилия в процессе бурения. Наличие лопасти с режущей частью и то, что режущая часть подпружинена, приводят к уменьшению осевого усилия, приходящегося на шарошки.
На фиг.1 изображен вид сбоку в разрезе бурового инструмента; на фиг.2 - развертка боковой поверхности шарошки в проекции на поперечное сечение скважины квадратной формы; на фиг.3 - развертка боковой поверхности шарошки в проекции на поперечное сечение скважины треугольной формы.
Режуще-шарошечное буровое долото включает корпус 1, лапы 2 с установленными на свободной оси вращения шарошками 3, оснащенными зубчатыми и/или штыревыми породоразрушающими элементами, образующими периферийное 4 вооружение, с калибрующей кромкой 5, и центральное 6 вооружение, подвижную подпружиненную при помощи пружины 7 сжатия лопасть 8 с режущей частью 9. Лопасть 8 установлена в корпусе 1, а пружина 7 сжатия с одной стороны взаимодействует с лопастью 8, а с другой - упирается в регулировочную гайку 10.
Лопасть 8 с режущей частью 9 подпружинена таким образом с помощью регулировочной гайки 10, что сила упругости всегда меньше осевого усилия, приходящегося на шарошки 3.
Оси шарошек 3 пересекаются в одной точке, лежащей на оси вращения корпуса 1.
Форма шарошек 3 такая, что развертка конусной поверхности, образованной периферийным 4 вооружением, на поверхность забоя (не показана), с внешней, относительно центра О вращения корпуса 1, стороны имеет некруглую выпуклую форму.
В проекции на поперечное сечение скважины развертка конусной поверхности, образованной периферийным 4 вооружением, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения корпуса 1, стороны, является такой частью фигуры, образованной поперечным сечением скважины, которая по площади и форме является половиной (фиг.2) либо 2/3 (фиг.3) частью всего поперечного сечения скважины,
Передаточное отношение шарошек 3 равно 2, если скважина в поперечном сечении представляет собой фигуру с центральной симметрией и 1.5, если скважина в поперечном сечении представляет собой фигуру, состоящую из трех равных по площади и форме частей. Передаточное отношение i шарошки 3 есть отношение частоты вращения шарошки 3 вокруг собственной оси к частоте вращения корпуса 1. Передаточное отношение шарошки 3 определяется из выражения
,
где α - угол конусности шарошки 3. (фиг.1);
θ - угол между осью вращения шарошки и осью вращения долота (фиг.1);
i - передаточное отношение долота.
Поэтому путем выбора угла α и θ можно получить требуемое передаточное отношение.
Крайняя от оси вращения корпуса 1 точка на режущей части 9 имеет радиус вращения меньший радиуса окружности, вписанной в поперечное сечение скважины.
Периферийное вооружение шарошек 3 имеет одинаковое количество породоразрушающих элементов с одинаковым шагом их расстановки на каждой шарошке 3.
Работает режуще-шарошечное буровое долото следующим образом.
На корпус 1 от бурового станка (станок не показан) передается осевое усилие и крутящий момент. В результате этого пружина 7 сжатия сжимается, снижая осевое усилие, приходящееся на шарошки 3, а шарошки 3 перекатываются по забою, вращаясь вокруг собственной свободной оси вращения. При этом периферийное вооружение 4 шарошек 3 наносит удары по забою скважины, от которых на периферии скважины образуется зубчатая рейка (не показана), по которой шарошки 3 перекатываются с одинаковой частотой вращения. Устойчивость зубчатой рейки в процессе бурения доказана экспериментально (Симонов В.В., Выскребцов В.Г. Работа шарошечных долот и их совершенствование. - М.: Недра, 1975). После того как образовалась зубчатая рейка, режуще-шарошечное буровое долото приподнимают над забоем и шарошки 3 ориентируют таким образом, чтобы расположение их было симметричным относительно оси вращения корпуса 1.
Затем шарошки 3 опускают на зубчатую рейку и процесс бурения продолжают. Вследствие того, что развертка конусной поверхности, образованной периферийным 4 вооружением, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения корпуса 1, стороны, является такой частью фигуры, образованной поперечным сечением скважины, которая по площади и форме является половиной либо 2/3 частью всего некруглого поперечного сечения скважины, калибрующая кромка 5 каждой шарошки 3, перекатываясь по забою, многократно воспроизводит одинаковую форму поперечного сечения скважины с центральной симметрией (фиг.2), либо состоящую из трех равных по площади и форме частей (фиг.3) соответственно. Воздействие на забой скважины происходит с разным радиусом R, зависящим от угла поворота φ (фиг.2 и 3) разрушающей зоны контакта шарошек 3 с породой при вращении корпуса 1.
Центральная часть скважины разрушается центральным вооружением 6 шарошек 3 и режущей частью 7. При этом, крайняя от центра геометрической оси вращения долота точка на лопасти 7 с режущей частью описывает окружность с радиусом, меньшим радиуса окружности, вписанной в поперечное сечение скважины, поэтому в процессе бурения зубчатая рейка (не показана) сохраняется.
Перед бурением предварительное усилие сжатия пружины 8 регулируется путем поворота регулировочной гайки 9, таким образом, что сила упругости всегда меньше осевого усилия, приходящегося на шарошки 3 и поэтому шарошки 3 при бурении перекатываются по зубчатой рейке на забое без проскальзывания и этим обеспечивается постоянная форма поперечного некруглого сечения скважины при ее углублении. Подпружиненная режущая часть 7 воспринимает часть осевого усилия, приходящегося на корпус 1, поэтому уменьшается осевое усилие, приходящееся на шарошки 3.