СОЕДИНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ХВОСТОВИКА ДОЛОТА ДЛЯ УДАРНОГО БУРЕНИЯ ПО ТВЕРДЫМ ПОРОДАМ
CONNECTING DEVICE FOR CONNECTION OF BIT SHANK FOR HARD ROCK PERCUSSION DRILLING

Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к соединительному устройству для соединения хвостовика долота для ударного бурения по твердым породам с возможностью перемещения в осевом направлении относительно вращательной втулки, расположенной вокруг хвостовика при его установке на месте в долоте для бурения по твердым породам, вращающей хвостовик и содержащей, относительно направления вращения, по меньшей мере, одну поверхность передачи вращения, по существу, в направлении оси вращения, перпендикулярной к направлению вращения и обращенную по направлению вращения, и, соответственно, хвостовик содержит равное количество поверхностей приема вращения, по существу, в том же направлении и обращенных от поверхностей передачи вращения к направлению вращения, причем вращательный момент передается во время вращения от вращательной втулки посредством поверхностей передачи вращения и приема вращения к хвостовику.
В приспособлениях для бурения горной породы бурильная штанга вращается во время бурения при помощи отдельного вращательного двигателя, который в большинстве случаев является гидравлическим двигателем. Двигатель вращает отдельную соединительную деталь, обычно вращательную втулку. Вращательная втулка, в свою очередь, вращает хвостовик, к которому присоединена бурильная штанга посредством стандартного резьбового соединения, при этом необходимые ударные биения при бурении осуществляются при помощи ударного поршня долота для ударного бурения по твердым породам или подобного механизма.
Обычно соединение между вращательной втулкой и хвостовиком осуществляется посредством использования выемок, параллельных оси, во вращательной втулке и, соответственно, в хвостовике, посредством чего они зацепляются без возможности вращения, но с возможностью перемещения вдоль оси относительно друг друга. В этом случае боковые поверхности выемок действуют как поверхности передачи и приема вращательного момента.
Проблема существующих решений заключается в том, что боковые поверхности выемок прижимаются одна к другой во время бурения, по мере того как вращательный момент двигателя прижимает поверхности одну к другой. Это приводит к нагреванию и износу поверхностей. Чем больше передается вращательный момент, тем больше перемещение в осевом направлении между хвостовиком и вращательной втулкой, и чем больше частота ударов бурового инструмента, тем больше сила трения, действующая между поверхностями.
Различные решения были предложены для указанной проблемы. Один способ использовал наклонную выемку, посредством чего как результат поступательного движения, производимого ударным усилием, поверхности расцепляются и имеет место перемещение без трения между поверхностями. С другой стороны, в этом решении перемещение, производимое отраженным импульсом, обуславливает обратное явление, при котором волна сжатия при отражении обуславливает всплеск нагрузки, наподобие удара, на контактных поверхностях. Следовательно, поскольку и трение, и увеличение нагрузки воздействуют на поверхности, контактные поверхности могут механически повреждаться.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание соединительного устройства, значительно сокращающего существующие проблемы.
Устройство согласно изобретению отличается тем, что содержит элементы передачи вращения между каждой поверхностью передачи вращения и соответствующей поверхностью приема вращения, которые по мере перемещения хвостовика вращательной втулки в продольном его направлении вращаются вдоль поверхности передачи вращения и, соответственно, вдоль поверхности приема вращения, при этом вращательный момент передается от поверхности передачи вращения к поверхности приема вращения.
Основная идея данного изобретения состоит в том, что между поверхностями передачи вращения и поверхностями приема вращения вращательной втулки и хвостовика расположены элементы передачи вращения, служащие подшипниками, которые вращаются вдоль поверхностей, по мере перемещения хвостовика и вращательной втулки в продольном направлении относительно друг друга. Основная идея варианта осуществления настоящего изобретения заключается в том, что во вращательной втулке и в хвостовике выполнено множество взаимно выровненных вдоль одной оси выемок, и в выемках размещены шарики, действующие как элементы передачи вращения с одной стороны, передающие вращательный момент от вращательной втулки к хвостовику и, с другой стороны, позволяющие перемещение в осевом направлении между ними, в основном, без трения скольжения.
Настоящее изобретение имеет преимущество, состоящее в том, что когда элементы передачи вращения, такие как шарики, расположены между вращательной втулкой и хвостовиком, отсутствуют взаимно истираемые поверхности во вращательной втулке и хвостовике. Кроме того, достаточное количество элементов передачи вращения в каждой выемке способно передавать необходимый вращательный момент без избыточного поверхностного давления без возникновения механических повреждений. Кроме того, по мере перемещения хвостовика в его продольном направлении по отношению к вращательной втулке элементы передачи вращения катятся по противоположным поверхностям вращательной втулки и хвостовика, при этом в его наиболее предпочтительном случае все трение является, в основном, только трением вращения.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение будет описано более подробно применительно к приложенным чертежам, на которых изображено следующее:
фиг.1 изображает схематичный вид обычного долото для бурения по твердым породам;
фиг.2 изображает схематичный вид частично с разрезом переднего конца долото для бурения по твердым породам, снабженного соединительным устройством настоящего изобретения;
фиг.3а-3с - сечения вдоль линии А-А на фиг.2, изображающие схематичные виды переднего конца долото;
фиг.4а и 4b изображают сечения других вариантов осуществления настоящего изобретения;
фиг.5а и 5b изображают сечения других вариантов осуществления настоящего изобретения;
фиг.6 изображает схематичный вид еще одного варианта осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание некоторых вариантов осуществления изобретения
На фиг.1-6 одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые части, за исключением, когда вариант осуществления в некоторых отношениях отличается от других. Таким образом, одинаковые части не снабжены отдельно ссылочными позициями во всех чертежах, без необходимости, для упрощения.
Фиг.1 изображает схематичный вид обычного долото 1 для бурения по твердым породам, содержащего вращательный двигатель 2, который соединен по существу известным способом для вращения хвостовика 3 посредством отдельной, непоказанной, вращательной втулки. Бурильная штанга долота и головка бура присоединены к хвостовику 3 известным по существу способом, использующим винтовую нарезку (не показано).
Фиг.2 изображает передний конец долота. Оно содержит корпус 1а, в котором размещены другие части. Зубчатое колесо 4 расположено на оси вращения двигателя 2 и зацеплено посредством шестерни 5 коробки передач для вращения вращательной втулки 6, которая вращается в схематично показанных подшипниках 1b. Вращательная втулка 6 размещена вокруг хвостовика 3. Известный по существу ударный поршень 7, показан только конец которого, ударяет по головке хвостовика 3, когда долото расположено в рабочем состоянии и перемещает хвостовик 3 и бурильную штангу, соединенные известным образом, по направлению к породе для бурения, то есть налево в ситуации, показанной на фиг.2.
Как показано на фиг.2, внешний диаметр хвостовика 3 несколько меньше внутреннего диаметра вращательной втулки 6, и, следовательно, они не находятся в непосредственном контакте друг с другом. Вместо этого в хвостовике 3 и во вращательной втулке 6 выполнены выемки 3а и 6а, выровненные вдоль одной оси в радиальном направлении. В соответствии с вариантом осуществления имеются три выемки, симметрично расположенные с интервалами 120 градусов на внешней поверхности хвостовика 3 и, соответственно, на внутренней поверхности вращательной втулки 6. В выемках 3а, 6а расположены шарики, служащие элементами 8 передачи вращения и, в основном, равные по размеру с выемками, при этом они удерживают хвостовик 3 и вращательную втулку 6, по существу, выровненными вдоль одной оси в радиальном направлении. Количество шариков может быть выбрано в соответствии с передаваемым вращательным моментом и диаметром бурильной штанги/головки бура.
Как показано на фиг.2, у одного конца выемок вращательной втулки 5 и при соответствующем способе действия хвостовика 3 имеются упоры 3b и 6b, которые предохраняют шарики от выпадения. Таким образом, упор 6b вращательной втулки 6 расположен по направлению к заднему концу хвостовика 3, т.е. по направлению к концу на стороне ударного поршня 7, и упор 3b хвостовика 3 расположен по направлению к переднему концу долото 1 для бурения по твердым породам.
Фиг.3а и 3b изображают сечения вдоль линии А-А фиг.2. Вращательная втулка 6 и хвостовик 3 содержат выемки 3а, 6а, которые взаимно выровнены в периферийном направлении и предпочтительно симметрично закругляющие периферию. В данном варианте осуществления в соответствии с фиг.3а и 3b количество выемок 3а, 6а равно трем для каждой. В данном варианте нет контактирующих поверхностей хвостовика 3 и вращательной втулки 6, но они взаимосвязаны только посредством шариков, служащих в качестве элементов 8 передачи вращения, расположенных в выемках, при этом все усилия передаются посредством шариков от вращательной втулки 6 к хвостовику 3 и наоборот. Круговые дугообразные в сечении части 6с полукруглых выемок 6а действуют как поверхности передачи вращения вращательной втулки в нормальном направлении вращения, то есть во время бурения, и, соответственно, круговые дугообразные в сечении части 6d выемок 6а действуют в противоположном направлении вращения, применяемые, например, для вывинчивания резьбы. Соответственно, круговые дугообразные в сечении части 3с и 3d полукруглых выемок 3а выемок хвостовика 3 действуют как поверхности передачи вращения.
Фиг.3с изображает схематично вариант, альтернативный варианту с фиг.3b. В этом случае форма выемок 6а во вращательной втулке 6 является такой, что в разрезе ее дуга превышает 180 градусов. Выемки 6а и шарики 8 откалиброваны так, что ширина W отверстия в выемке 6а, обращенной к хвостовику 3, меньше диаметра D шариков, служащих в качестве элементов 8. В результате шарики не способны выпасть из выемок 6а во время монтажа. Соответственно, вместо вращательной втулки 6 выемки могут также быть выполнены в хвостовике 3.
Фиг.4а и 4b схематично изображают другие варианты осуществления настоящего изобретения в сечениях по линии А-А с фиг.2.
Фиг.4а изображает вариант осуществления, в котором цилиндрические ролики используются в качестве элементов 8 вместо круглых шариков. В данном варианте осуществления выемки 3а и 6а являются, главным образом, прямоугольными, и элементы 8, то есть цилиндрические ролики, установлены аксиально перпендикулярно к оси вращения хвостовика 3 и, соответственно, к вращательной втулке 6. Таким образом, круглая поверхность роликов катится по сторонам выемок 3а и 6а, действующих как поверхности передачи вращения и приема вращения, передающие вращательный момент от вращательной втулки 6 к хвостовику 3. В данном варианте осуществления концевые поверхности роликов могут скользить до некоторой степени по нижнему участку любой из выемок, но поскольку нет значительных сил, передаваемых в этом направлении, то есть в радиальном направлении, не возникает значительное трение скольжения и, следовательно, не будет также появляться значительный износ.
Фиг.4b изображает другой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором ролики, имеющие искривленные поверхности, используются как элементы 8 передачи вращения и, соответственно, выемки 3а и 6а имеют поверхности, по существу, такой же формы. В этом случае имеет место перекатывание вдоль искривленных поверхностей и отсутствует значительное проскальзывание и, следовательно, не возникает значительное трение скольжения.
Фиг.5а и 5b изображают схематичные виды других вариантов осуществления настоящего изобретения, представляющие собой сечения по линии А-А на фиг.3. В этих вариантах осуществления внешний диаметр хвостовика 3 превышает внутренний диаметр вращательной втулки 6. Таким образом, и хвостовик 3, и вращательная втулка 6 содержат выемки 3а и 6а, которые являются настолько большими в размере, что части между выемками хвостовика и, соответственно, вращательной втулкой, то есть ребра 3е и 6е приспосабливают выемки одна в другую.
Фиг.5а изображает вариант, в котором выемки 3а и 6а хвостовика 3 и вращательных втулок 6 откалиброваны так, что имеется пространство для элементов 8а и 8b передачи вращения между их передающими поверхностями. В этом варианте осуществления элементы передачи вращения расположены в шести полостях так, что передающая поверхность на любой стороне элементов 8а и 8b является, в основном, равной по высоте с элементами 8а и 8b передачи. В этом варианте осуществления передача вращения от вращательной втулки к хвостовику имеет место во время бурения, и, соответственно, при вращении в противоположном направлении, посредством трех элементов 8а и 8b, при этом один набор элементов может содержать один или несколько элементов между одинаковыми поверхностями передачи вращения и приема вращения. Таким образом, элементы 8а передают вращательный момент во время бурения при вращении в направлении стрелки В. Соответственно, элементы 8b передают вращательный момент при вращении бурильной штанги в обратном направлении, например, когда демонтируется.
Фиг.5b изображает другой вариант осуществления изобретения. В этом варианте элементы передачи вращения в направлении вращения только на одной стороне между хвостовиком и вращательной втулкой, при этом они передают вращательный момент к хвостовику 3 во время нормального бурения, то есть при вращении в направлении стрелки В. Когда бурильная штанга демонтируется, вращение осуществляется в противоположном направлении. В целом, оно является относительно незначительным по сравнению с вращением при нормальном бурении, и, следовательно, вращение в противоположном направлении может использовать вариант в соответствии с Фиг.5b, в котором передача вращательного момента осуществляется при демонтаже от вращательной втулки к хвостовику посредством обычных, по сути известных поверхностей 3f и 6f скольжения.
Фиг.6 изображает другой вариант осуществления переднего конца долота для бурения по твердым породам. Этот вариант осуществления соответствует варианту фиг.2, но имеет второй упор 3g также у конца хвостовика 3 со стороны ударного поршня 7, при этом вращательная втулка 6 не требует обязательного наличия упора 6b. В качестве альтернативы упоры могут быть только во вращательных втулках 6. Кроме того, использованы пружины 9, которые размещены с обеих сторон шариков, действующих как элементы 8, между шариками и упорами 3b и 6b хвостовика 3 и вращательной втулкой 6, соответственно. Смонтированные таким образом пружины 9 прижимают элементы 8 по направлению к центру пространства между упорами 3b и 6b. В варианте, где только хвостовик или вращательная втулка 6 содержит упоры, пружины естественно расположены только между упорами хвостовика 3 и вращательной втулкой, соответственно, и элементами 8.
Настоящее изобретение описано в вышеприведенном описании и показано на чертежах только в качестве примера, и не ограничивается этим в другом случае. Если желательно, количество выемок может варьироваться, и может быть использована одна или более выемок. В связи с симметрией и плотно прилегающей контактной поверхностью предпочтительно иметь две или три пары поверхностей передачи вращения и приема вращения посредством элементов передачи вращения между ними. Когда применяются элементы передачи цилиндрической или другой формы, которая имеет четко определенную ось вращения, зависящую от формы, выемки и поверхности могут быть наклонными в периферийном направлении по отношению к радиальному направлению хвостовика и вращательной втулки так, что оси элементов передачи вращения установлены наклонно. Детали различных изложенных вариантов осуществления могут быть модифицированы и использованы другими вариантами осуществления в объеме идеи изобретения.