Рабочий орган шнекобуровой машины

Предлагаемое техническое решение относится к области горного дела и подземного строительства, а именно к рабочим органам шнекобуровых машин.
Известен рабочий орган шнекобуровой машины (Авторское свидетельство СССР №444873, опубл. 30.09.1974, бюл. №36), включающий шнековую секцию, соединенную с ней буровую коронку с лучами, оснащенными породоразрушающими элементами, соединенный с валом забурник и подшипниковую опору вала.
Недостатком известного рабочего органа является необходимость создания большого осевого усилия при бурении скважины, что приводит к искривлению ее оси.
Известен рабочий орган шнекобуровой машины (Авторское свидетельство СССР №810921, опубл. 07.03.1981, бюл. №9), включающий шнековую секцию, жестко соединенный с ней расширитель с лучами, оснащенными породоразрушающими элементами, жестко соединенный с валом забурник и подшипниковую опору вала. Рабочий орган снабжен фрикционной муфтой, одна полумуфта которой связана с валом забурника, а другая - со шнековой секцией, при этом фрикционная муфта и вал забурника установлены с возможностью осевого перемещения относительно шнековой секции и подшипниковой опоры.
Недостатком известного рабочего органа является возможность бурения лишь горных пород малой крепости в подземном строительстве. При бурении пород средней крепости в горном деле работы фрикционной муфты недостаточно для приведения во вращения или торможения забурника, являющегося в заторможенном состоянии дополнительной опорой шнековой секции, обеспечивающей прямолинейность оси буримой скважины.
Технический результат - расширение области применения рабочего органа шнекобуровой машины обеспечением прямолинейности оси скважины при бурении как пород малой крепости, тик и пород средней крепости.
Указанный технический результат достигается тем, что рабочий орган шнекобуровой машины, включающий шнековую секцию, жестко соединенный с ней расширитель с лучами, оснащенными породоразрушающими элементами, жестко соединенный с валом забурник и подшипниковую опору вала, снабженный фрикционной муфтой, одна полумуфта которой связана с валом забурника, а другая - со шнековой секцией, при этом фрикционная муфта и вал забурника установлены с возможностью осевого перемещения относительно шнековой секции и подшипниковой опоры вала, согласно заявляемому техническому решению снабжен дополнительной кулачковой муфтой с возможностью ее срабатывания вслед за фрикционной муфтой, сжимаемой пакетом тарельчатых пружин, ведущие кулачки дополнительной кулачковой муфты выполнены на торцовой поверхности вала забурника, а ведомые - на торцовой поверхности крышки с регулируемым осевым положением на шнековой секции, при этом параметры последовательных перемещений забурника и исполнительных элементов муфт связаны зависимостью:
3
К
где  - длина рабочего хода забурника; ƒ - наибольший прогиб тарельчатой пружины; n - число тарельчатых пружин в пакете;  - длина «мертвого хода» фрикционной муфты;  - длина «мертвого хода» кулачковой муфты; S - высота кулачка.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено сечение устройства, на фиг. 2 - выносной элемент I части сечения устройства.
Рабочий орган шнекобуровой машины включает шнековую секцию 1, жестко соединенный с ней расширитель 2 с лучами 3, оснащенными породоразрушающими элементами 4, жестко соединенный с валом 5 забурник 6 и подшипниковую опору 7 вала 5.
Рабочий орган шнекобуровой машины снабжен фрикционной муфтой, одна полумуфта которой, состоящая из фрикционных дисков 8 (позицией условно обозначен один диск в группе однотипных дисков), связана посредством подвижного шлицевого соединения с валом забурника 6, а другая, состоящая из фрикционных дисков 9 (позицией условно обозначен один диск в группе однотипных дисков) - посредством такого же соединения со шнековой секцией 1, при этом фрикционная муфта и вал 5 забурника 6 установлены с возможностью осевого перемещения относительно шнековой секции 1 и подшипниковой опоры 7 вала 5.
Рабочий орган шнекобуровой машины снабжен дополнительной кулачковой муфтой с возможностью ее срабатывания вслед за фрикционной муфтой, сжимаемой пакетом тарельчатых пружин 10.
Ведущие кулачки 11 дополнительной кулачковой муфты выполнены на торцовой поверхности вала 5 забурника 6, а ведомые 12 - на торцовой поверхности крышки 13 с регулируемым осевым положением на шнековой секции 1.
Заявляемое техническое решение работает следующим образом. При вращении и подаче на забой шнековой секции 1 также начинают вращаться и перемещаться на забой корпус подшипниковой опоры 7 вала 5 и жестко соединенный с ним расширитель 2 с лучами 3. Породоразрушающие элементы 4 начинают внедряться в массив и разрушать его. Вал 5 забурника 6, кратковременно образуя в уплотненном центральном отверстии вращающегося расширителя 2 подшипник скольжения, в то же самое время неподвижен в окружном направлении на подшипниковой опоре 7 и служит вместе с забурником 6 дополнительной опорой, обеспечивающей прямолинейность оси буримой скважины, для шнековой секции 1. Неподвижность в окружном направлении забурника 6, имеющего в то же самое время возможность (благодаря подвижному шлицевому соединению вала 5 с центральной втулкой подшипниковой опоры 7) осевого перемещения в пределах длины своего рабочего хода , и фрикционных дисков 8 полумуфты, связанной посредством подвижного шлицевого соединения с валом забурника 6, обеспечивается тем, что на первом этапе выбирается длина  «мертвого хода» фрикционной муфты (если она предусматривается при первоначальном регулировании), а затем диски 8 и 9 своей суммарной толщиной  начинают сжиматься пакетом тарельчатых пружин 10 суммарной толщиной ns (где n - число тарельчатых пружин в пакете, s - толщина одной тарельчатой пружины), но первоначально с усилием, при котором диски 8 и 9 проскальзывают между собой, т.е. крутящего момента, передаваемого фрикционной муфтой, недостаточно для вращения забурника 6.
На втором этапе, при продолжающемся перемещении на забой корпуса подшипниковой опоры 7 и неподвижном в окружном направлении вале 5 забурника 6, усилия сжатия дисков 8 и 9 пакетом тарельчатых пружин 10 становится достаточно для передачи фрикционной муфтой крутящего момента, достаточного для страгивания забурника 6. Он начинает вращаться, обеспечивая тем самым бурение горных пород малой крепости.
3
3
Поскольку жесткость пакета тарельчатых пружин 10 в пределах своего суммарного прогиба nƒ (где ƒ - наибольший прогиб одной тарельчатой пружины) нелинейна, то ускоренно может быть достигнута величина усилия сжатия дисков 8 и 9 для передачи фрикционной муфтой крутящего момента, достаточного для страгивания в окружном направлении забурника 6 при бурении горных пород средней крепости.
к
Наконец, если возможности фрикционной муфты для страгивания в окружном направлении забурника 6 будут исчерпаны, при дальнейшей деформации пакета тарельчатых пружин 10, после того, как выберется длина  «мертвого хода» дополнительно кулачковой муфты (если она предусматривается при первоначальном регулировании), ее ведущие кулачки 11 высотой s, выполненные на торцовой поверхности вала 5 забурника 6, входят в зацепление с ведомыми кулачками 12 также высотой  на торцовой поверхности крышки 13 с регулируемым осевым положением на шнековой секции 1. Срабатывание дополнительной кулачковой муфты вслед за фрикционной муфтой гарантированно обеспечивает страгивание в окружном направлении забурника 6 при бурении горных пород средней крепости.
3
3
3
Выполнение условия ≥nƒ гарантирует использование величины усилия сжатия дисков 8 и 9, развиваемого пакетом тарельчатых пружин 10, в пределах всего суммарного прогиба. Выполнение условия nƒ≥ гарантирует включение кулачковой муфты вслед за фрикционной муфтой. В целом зависимость ≥nƒ≥ отражает последовательность осевого перемещения забурника и исполнительных элементов муфт, обеспечивающую заявленный технический результат предлагаемым рабочим органом шнекобуровой машины.
При бурении пород малой крепости для очистки шнековой секции 1 от продуктов бурения ее подача на забой периодически прерывается. Вал 5 забурника 6 под действием разжимающегося пакета тарельчатых пружин 10 продолжает некоторое время двигаться вперед. Усилия сжатия дисков 8 и 9 пакетом тарельчатых пружин 10 становится недостаточно для передачи крутящего момента фрикционной муфтой, вращение забурника 6 прекращается, он останавливается. Элементы фрикционной муфты приходят в исходное положение.
При бурении пород средней крепости для очистки секции 1 от продуктов бурения ее движение периодически реверсируется, она подается в обратном от забоя направлении. В это время под действием разжимающегося пакета тарельчатых пружин 10 элементы фрикционной и кулачковой муфт приходят в исходное положение. Цикл может быть повторен.
Таким образом, указанный технический результат обеспечивается;
1) снабжением рабочего органа дополнительной кулачковой муфтой с возможностью ее срабатывания вслед за фрикционной муфтой;
2) использованием в конструкции пакета тарельчатых пружин, имеющих нелинейную жесткость;
3) выполнением ведущих кулачков дополнительной кулачковой муфты на торцовой поверхности вала забурника, а ведомых - на торцовой поверхности крышки с регулируемым осевым положением на шнековой секции;
4) предлагаемой зависимостью, связывающей параметры последовательных осевых перемещений забурника и исполнительных элементов муфт.