АСИММЕТРИЧНЫЙ РЕЗЕЦ ДЛЯ БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА
ASYMMETRIC CUTTER FOR A DRILLING TOOL

Предлагаемое изобретение относится к сфере горной промышленности, в частности к конструкциям съемных режущих элементов бурового оборудования и для вращательного бурения скважин различного назначения в нескальных грунтах и могут быть использованы в промышленном и гражданском строительстве.
Из уровня техники известен резец для шнековых буров, в частности РБМ-35 (http://sdm-zavod.ru/products/tools/rezh-instrument/rbm-35). Устройство характеризуется выполнением корпуса, содержащим удлиненную хвостовую часть клиновидной формы и рабочую часть, чьи плоскости симметрии находятся в одной плоскости. Рабочая часть содержит главную режущую грань, ориентированную под углом к горизонтальной плоскости с установленной на ней режущей пластиной. Резец применяется для бурения нескальных грунтов для инженерных скважин. Недостатком указанного устройства является то, что при установке крайних (формирующих диаметр скважины) резцов в такое положение при котором их режущие части встают с оптимальными углами для резания грунта. Резцедержатели и (или) хвостовые части корпуса данных резцов выступают за условный диаметр скважины и трутся о стенку скважины, изменяя ее диаметр в большую сторону, создавая дополнительное сопротивление при бурении, как вращению, так и поступательному движению инструмента, вследствие чего, преждевременно изнашиваются сами.
Если же крайний резец ставят на бур-головку так, что его резцедержатель или корпус не выступает за условный диаметр скважины, то режущая часть данного резца не встает в положение, близкое к оптимальному, для эффективного резания грунта. В данном случае, резец наклонен на 19 градусов к оси вращения бур-головки, что не создает оптимальных условий для резания. Дополнительно к этому, боковые поверхности резцов при отсутствии 100% перекрытия, будут упираться в дно скважины, создавая излишнее сопротивление осевому усилию при забуривании.
Для уменьшения сил резания грунта при бурении целесообразно применять резец, конструкция которого позволяет производить резание грунта в положении,
близком к оптимальному. Одним из способов достижения такого результата является применение резца, вертикальные плоскости симметрии рабочей и хвостовой частей которого находятся под некоторым углом друг к другу, а также повернуты относительно друг друга.
В связи с изложенным, иным аналогом технического решения является устройство по патенту США на изобретение №5143163 «Digging tooth (буровой наконечник)» (заявители Reedrill Inc., Kennametal Inc. [US], з. №US 07751914 от 1991-08-29, публ. 1992-09-01, МПК Е21В 10/44; Е21В 10/56). Согласно описанию, техническое решение представляет собой сменный буровой наконечник (резец) для шнекового бурильного инструмента и включает вытянутую рабочую часть и хвостовик, находящийся в зависимости от указанной рабочей части, с возможностью соединения с опорным блоком шнека. Рабочая часть включает продолговатые главную и заднюю поверхности и первую и вторую боковые поверхности. Указанные поверхности завершаются передней поверхностью, содержащей цилиндрические вставки. Рабочая часть ориентирована под некоторым углом к продольной оси хвостовика. Указанное техническое решение не обеспечивает: оптимальных условий для резания грунта по следующим причинам. Рабочая часть не повернута вокруг оси симметрии хвостовой части, следовательно, резец невозможно установить на корпус инструмента так, чтобы режущая кромка резца (подразумевается линия, проходящая через вершины твердосплавных, впаянных конусов) находилась на прямой линии, идущей от оси вращения бурового инструмента в плоскости нормальной (перпендикулярной) к оси вращения бурового инструмента, или находилась в положении близком к данному, так чтобы боковая поверхность крайнего резца (формирующего диаметр скважины) не врезалась в боковую стенку скважины, кроме как в положение, когда ось вращения бура будет лежать в плоскости симметрии данного резца. Но такое положение невозможно считать достаточно близким к оптимальному. У данного резца с внешней стороны рабочей части отсутствует дополнительная грань, выполненная под углом менее 90° к передней поверхности, а вместо указанной грани выполнена выпуклая радиусная поверхность. Кроме того, резец по указанному патенту не обеспечивает высокой прочности устройства, при воздействии на него в. процессе резания грунта изгибающих нагрузок, так как хвостовая часть с поперечным сечением в виде ромба при прочих равных условиях (площади поперечного сечения, величине воздействующих сил)
сопротивляется изгибу лучше, чем хвостовик с прямоугольным сечением при отношении длин сторон примерно 1 к 2, когда его загибают по длинной стороне.
Технической проблемой, решаемой предлагаемой группой изобретений, является снижение сил резания грунта при бурении, снижение реактивного крутящего момента на бурильном инструменте, снижение материалоемкости изделия, снижение, вследствие этого, затрат энергии, расходуемой на бурение, и продление срока службы буровой машины, в составе которой используется техническое решение.
Техническая проблема решается следующим образом. Резец для бурового инструмента, содержит хвостовую часть, с возможностью установки в резцедержатель, рабочую часть, повернутую под углом к продольной вертикальной плоскости симметрии хвостовой части, включающую главную, заднюю, боковые поверхности и режущую часть. Рабочая часть резца повернута под углом, град.: 16÷28 вокруг продольной оси симметрии хвостовой части и наклонена влево под углом, град.: 18÷31 относительно вертикальной плоскости симметрии хвостовой части по направлению к центру окружности вращения. В месте сопряжения рабочей и хвостовой частей с внутренней стороны резца выполнена радиусная выемка, с внешней стороны рабочей части выполнена дополнительная грань, расположенная под углом к главной поверхности 65÷80°, а главная режущая кромка образована главной и задней поверхностями.
Общими с аналогом признаками являются наличие хвостовой и рабочей частей, наклон рабочей части относительно продольной вертикальной плоскости симметрии хвостовой части и наличие главной, задней и боковых поверхностей.
В общем случае, техническое решение отличается от аналога тем, что рабочая часть резца,. ориентированная под углом к продольной вертикальной плоскости симметрии хвостовой части, повернута вокруг оси симметрии хвостовой части, против часовой, стрелки влево по направлению к центру окружности вращения, на угол 16÷28°, включающую главную, заднюю, боковые поверхности и режущую часть, отличающийся тем, что рабочая часть ориентирована под углом 18÷31° к продольной вертикальной плоскости симметрии хвостовой части, в месте сопряжения рабочей и хвостовой частей с внутренней стороны резца выполнена радиусная выемка, с внешней стороны рабочей части выполнена дополнительная грань, под углом к главной поверхности 65÷80°, пересечение главной поверхности и дополнительной грани с внешней стороны образуют вспомогательную режущую
кромку, а главная режущая кромка образована пересечением (в месте пересечения главной и задней поверхностей) главной и задней поверхностями. В частном случае выполнения, режущая часть снабжена, по меньшей мере, одним твердосплавным режущим элементом.
В ином частном случае выполнения, асимметричный резец для бурильного инструмента отличается от своей реализации в общем случае тем, что хвостовая часть выполнена в виде четырехгранной усеченной пирамиды с углом между двумя противоположными гранями, град.: 3÷12 и углами между смежными гранями, град.: 75÷105.
Предпочтительно, резец в ином частном случае выполнения, отличается от своей реализации в общем случае тем, что в хвостовой части выполнен, по меньшей мере, один глухой паз.
В частном случае выполнения, угол заострения составляет, град.: 30÷75.
В частном случае выполнения, дополнительная грань расположена под углом, равным углу поворота рабочей части относительно продольной вертикальной плоскости симметрии хвостовой части.
Резец для бурового инструмента состоит из двух основных частей: хвостовой и рабочей. Хвостовая часть предназначена для крепления в приемном отверстии (кармане) резцедержателя и обеспечивает устойчивое положение резца при производстве буровых работ. Рабочая часть непосредственно участвует в разбуривании грунта. Оптимальным положением рабочей части является такое положение, при котором результирующий вектор сил резания будет минимальным, а ресурс резца максимальным, при прочих равных условиях. Поворот рабочей части резца относительно хвостовой части позволяет разместить хвостовую часть крайнего, формирующего диаметр скважины, резца вместе с карманом внутрь воображаемого цилиндра скважины, так что бы они не терлись о стенку скважины, создавая дополнительное сопротивление вращению и портя стенку скважины. Вместе с тем, выполнение дополнительной грани на внешней боковой поверхности рабочей части резца обеспечивает снижение сопротивления при резании за счет того, что рабочая часть не выступает за границу разбуриваемой скважины, а по границе разбуриваемой скважины вращается только вспомогательная режущая кромка. С внутренней стороны резца, т.е. с той, которая при установке резца в резцедержатель находится ближе к центральной оси скважины, выполнена радиусная выемка, находящаяся в месте
перехода от хвостовой части резца к рабочей. Форма выемки зависит от технологии ее выполнения. Целесообразно выполнение выемки, в виде участка поверхности, образованной поверхностью второго порядка, имеющей, по меньшей мере, пару центров окружностей. Радиусная выемка служит как для снижения сопротивления при забуривании, так и для снятия концентрации напряжений на участке сопряжения хвостовой и рабочей частей резца. Угол наклона рабочей части от 18 до 31 градусов, обеспечивает оптимальное расположение хвостовой части при оптимальном положении рабочей части для резания грунта, так как угол 18° является минимально допустимым для невывода хвостовой части за границу воображаемого цилиндра скважины, а при угле более 31° произойдет сопряжение корпусов резцедержателей двух соседних резцов.
Главной поверхностью рабочей части резца является та, по которой разбуриваемый грунт сходит в процессе бурения. Задней поверхностью рабочей части является грань, обращенная к поверхности резания (дну скважины). Боковые поверхности содержат радиусную выемку и дополнительную грань, соответственно. Главная и задняя поверхности образуют режущую часть, преимущественно, двумя способами: пересечением и переходом, т.е. в первом случае режущая часть является режущей кромкой, во втором - передней поверхностью, в которую, как описано в частном случае и примерах выполнения, могут быть установлены твердосплавные зубья или иные режущие элементы. Вспомогательные режущие кромки образуются пересечением главной поверхности с боковыми поверхностями.
В рамках настоящего изобретения, резец может быть использован без дополнительного твердосплавного элемента, при условии соответствия материала, из которого он выполнен, требованиям по твердости для производства бурильных работ на соответствующем грунте. Тем не менее, в частном случае, предусмотрено снабжение режущей части резца твердосплавными элементами, улучшающими его эксплуатационные качества. В таком случае, требования к материалу, из которого должен быть изготовлен резец, могут быть снижены. Твердосплавный элемент может быть выполнен как в виде пластины, так и в виде нескольких шипообразных зубьев, что более подробно описано в примерах осуществления изобретения. Твердосплавный элемент может располагаться как непосредственно на. режущей части, так и частично, на главной поверхности. Требования к твердости указанного элемента задаются исходя из твердости
разбуриваемого грунта. Твердосплавный элемент может быть припаян к рабочей части резца, получен нанесением твердосплавного слоя газопламенным напылением, или запрессовкой в предварительно высверленные отверстия на режущей части твердосплавных зубьев.
Иной частный случай выполнения предполагает выполнение хвостовой части резца в форме усеченной четырехгранной пирамиды. Такая форма выполнения хвостовой части позволяет резцу фиксироваться в приемном отверстии резцедержателя, создавая подпор для резца при бурении и препятствуя повороту резца вокруг оси симметрии хвостовика. Предельные величины углов выбраны с целью обеспечения надежного и удобного монтажа резца в приемное отверстие резцедержателя, равно как и его демонтажа из приемного отверстия резцедержателя.
Угол заострения, т.е. угол между главной и задней поверхностями, (или продолжениями указанных поверхностей, в случае, когда поверхности переходят в режущую часть), в совокупности с передним углом (угол между передней поверхностью и главной плоскостью, в которой лежат ось вращения бур-головки и режущая кромка резца), задним углом (угол между задней поверхностью и задней плоскостью которая перпендикулярна оси вращения бур-головки и проходит через режущую кромку резца) выбраны таким образом, что обеспечивают оптимальное соотношение сил резания к прочности и ресурсу резца при бурении мерзлых глин, суглинков, песков, супесей. При изменении угла заострения в меньшую сторону изменяются соответственно передний и задний углы, что уменьшает силы резания (реактивный крутящий момент и осевое усилие на забой), но ведет к уменьшению прочности и ресурса резца. При увеличении угла заострения получают противоположный результат.
В частном случае выполнения, дополнительная грань находится под углом от 10 до 25 градусов к плоскости, перпендикулярной главной плоскости рабочей части резца. Такое. расположение позволяет исключить излишний контакт внешней боковой поверхности рабочей части с грунтом при вращательном бурении, в особенности, если резец установлен в непосредственной близости к периферийной (цилиндрической) поверхности скважины.
Долото инструмента (породоразушающая часть) для вращательного бурения имеет несколько распределенных по площади основания резцедержателей, каждый из которых содержит открытое монтажное отверстие
для приема хвостовой части резца. При работе бурильного инструмента все резцы подвержены высоким нагрузкам, а резцы, расположенные ближе к периферии разбуриваемой скважины - особенно высоким нагрузкам, совершают больше работы чем все остальные так как траектория их движения больше, что приводит к наиболее сильному их износу. Вследствие этих повышенных нагрузок принимающий хвостовик крайнего, внешнего резца и резцедержатель также подвержены сравнительно высоким нагрузкам.
Вследствие этого, при производстве буровых работ необходимо регулярно заменять изнашивающиеся резцы бурильного оборудования.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими схематическими рисунками:
Фиг. 1 - асимметричный резец для бурильного инструмента с двухгранной режущей пластиной, главный вид;
Фиг. 2 - асимметричный резец для бурильного инструмента с двухгранной режущей пластиной, вид сверху;
Фиг. 3 - асимметричный резец для бурильного инструмента с двухгранной режущей пластиной, вид спереди;
Фиг. 4 - асимметричный резец для бурильного инструмента с плоской режущей пластиной, вид сверху;
Фиг. 5 - асимметричный резец для бурильного инструмента с плоской режущей пластиной, вид спереди;
Фиг. 6 - асимметричный резец для бурильного инструмента с твердосплавными шипами, вид сверху;
Фиг. 7 - асимметричный резец для бурильного инструмента с твердосплавными шипами, вид спереди;
Фиг. 8 - асимметричный резец для бурильного инструмента с хвостовой частью цилиндрической формы;
Фиг. 9 - асимметричный резец для бурильного инструмента с резцедержателем, установленный на бур-головке, общий вид;
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 - резец для бурового инструмента;
2 - хвостовая часть;
3 - рабочая часть;
4 - главная поверхность;
5 - задняя поверхность;
6 - радиусная выемка;
7 - дополнительная грань;
8 - режущий элемент;
9 - паз хвостовой части;
Ниже приведены примеры конкретного осуществления изобретения.
Асимметричный резец 1 для бурильного инструмента (фиг. 1-3) содержит корпус, состоящий из хвостовой 2 и рабочей 3 частей. Рабочая часть содержит главную 4 и заднюю 5 поверхности, а также две боковые поверхности. На внутренней боковой поверхности выполнена радиусная выемка 6 для снижения сопротивления при бурении грунта. На внешней боковой поверхности выполнена дополнительная грань 7. Пересекаясь, главная и задняя поверхности образуют режущую часть. На главной поверхности и режущей части размещен породоразрушающий режущий элемент 8. Он может иметь плоскую верхнюю поверхность, ограниченную фронтальной и боковой режущими кромками (фиг. 4, 5), а может содержать две пересекающиеся грани, образующие верхнюю поверхность (фиг. 1-3). Таким образом, в зависимости от механических свойств грунта, для которого предназначен резец, его режущие элементы 8 могут иметь различную форму, в большей или меньшей степени повышающую эффективность разрушения грунта в забое. Так в отличие от описанных выше, режущие элементы могут иметь форму в виде шипов (Фиг. 6, 7), облегчающих разрушение талых грунтов с небольшим содержанием (до 30% по объему) небольших валунов. На хвостовой части резца выполнен паз 9 для фиксации стопорного элемента лепестка резцедержателя.
Для повышения ударной прочности резца прямолинейные кромки могут быть скруглены радиусом.
Хвостовая часть резца выполнена в виде четырехгранной усеченной пирамиды с углом между противоположными гранями 3°, Хвостовая часть резца в поперечном сечении имеет форму ромба, с углами 90°. Углы могут быть 75 и 105° соответственно. Поворот рабочей часть резца вокруг продольной оси симметрии хвостовой части выполнен под углом, 21°, а наклон рабочей части относительно вертикальной плоскости симметрии хвостовой части по направлению к центру окружности вращения под углом, 24° (Фиг. 1). Представленное на Фиг. 8 исполнение резца характеризуется выполнением хвостовой части,
преимущественно, цилиндрической формы. Такая форма выполнения, соответственно, требует сходной формы приемного отверстия резцедержателя для установки резца. Фиксация резца в приемном отверстии осуществляется шплинтом.
Пример размещения резцов, установленных в резцедержатели на бур-головке показан на Фиг. 9.
Предложенные устройства могут быть изготовлены с использованием известных технологий обработки материалов и машиностроения, применяемых при изготовлении бурового оборудования. Предложенные устройства могут быть использованы, преимущественно, при бурении инженерных скважин в нескальных грунтах, в том числе для бурения мерзлых грунтов.
Предложенные. варианты реализации изобретения иллюстрируют предпочтительные варианты реализации технического решения. Объем правовой охраны не может быть органичен конкретными примерами исполнения, а определяется формулой изобретения.