ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ РЕЖУЩЕГО И РЕЖУЩЕ-СКАЛЫВАЮЩЕГО ТИПА
ROCK CUTTING ELEMENTS OF CUTTING AND CUTTING-CHIPPING TYPE

Изобретение относится к горной промышленности, в частности, к породоразрушающим элементам (далее - ПЭ) режущего и режуще-скалывающего типа, использующимся, преимущественно для армирования лопастных долот, для бурения сплошным забоем и, реже, коронок для бурения кольцевым забоем.
Известен твердосплавный режущий элемент Тип 07,67 по ГОСТ 25426-90, имеющий главную и вспомогательную режущие кромки, расположенные под острым углом друг к другу. Его передняя поверхность ограничена тремя прямолинейными отрезками и дугой, расположенной напротив угла между главной и вспомогательной кромками. Самый короткий из них является главной режущей кромкой, а самый длинный -вспомогательной. Пластина имеет постоянную на всей площади толщину. При ее применении в качестве породоразрушающего элемента долот возникает следующее техническое противоречие. Для обеспечения достаточной прочности пластины и достаточного ресурса с точки зрения абразивного износа, приходится применять пластины большой толщины, что увеличивает площадь контакта задней поверхности с забоем, снижая удельное давление и глубину внедрения режущей кромки в грунт, особенно, мерзлый. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению скорости проходки мерзлых грунтов и их растепливанию, провоцирующему прихваты бурового инструмента. С другой стороны, уменьшение толщины пластины уменьшает указанные недостатки, и, кроме того, снижает стоимость пластины за счет уменьшения расхода твердого сплава, но резко снижает прочность пластины и ресурс инструмента по износу. Сформулированное выше противоречие резко ограничивает возможности эффективного применения упомянутого изделия в качестве породоразрушающего элемента.
Известно также твердосплавное изделие формы Т, применяемое в качестве ПЭ рабочих органов траншейных котлованных и бурильных машин (http://kzts.ru/core/user files/Burovoi.pdf, стр. 39). Это изделие имеет главную режущую кромку, образованную двумя отрезками прямых, расположенными друг к другу под тупым углом с вершиной направленной в сторону резания и подачи породоразрушающего инструмента. Передняя поверхность этого изделия имеет форму симметричного тупого клина, а задняя выполнена плоской. Главные режущие кромки и передняя поверхность ограничены параллельными друг другу боковыми (вспомогательными) режущими кромками. Толщина пластины ПЭ монотонно уменьшается вдоль главной режущей кромки от максимальной величины на вершине тупого угла до минимальной величины на уровне правой и левой вспомогательных режущим кромок. Из этого же источника известно аналогичное твердосплавное изделие формы 2283, отличающееся круглой формой задней поверхности и расположением вспомогательных режущих кромок под острым углом друг к другу. В обоих упомянутых изделиях режущая кромка формирует вогнутую поверхность забоя, в первом - в виде канавки углового сечения, во втором - круглого.
Геометрическая форма описанных ПЭ обеспечивает им высокую прочность, они эффективны в условиях, где расположены практически в одной плоскости вращения и, при этом, достаточно дистанцированы друг от друга как радиально, так и по окружности, как например в шнековом буре (патент РФ №2004751, Е21В 10/42, 15.12.93, 1991). Такое взаиморасположение ПЭ в значительной степени минимизирует возникновение условий так называемой «зажатой среды», или, что то же самое, условий трехосного сжатия породы забоя, наихудших с точки зрения энергоемкости ее разрушения. Однако, в других случаях, более тяжелых с точки зрения возникновения зажатой среды, применение описанных выше ПЭ приводит к повышению энергоемкости бурения. В частности, наиболее показательны, с этой точки зрения, условия взаимодействия ПЭ с породой забоя в долотах малого диаметра для бурения взрывных шпуров, где степень объемного сжатия породы выше за счет малого радиуса кривизны стенки шпура. Например, в известном долоте (буровом резце) по авт. свид. СССР №381753, Е21 с 13/21, 22.05.1973, ПЭ описанной выше пирамидальной формы, своими режущими кромками и передними поверхностями (гранями), образует со стенкой скважины и стенкой керна острый угол. Вследствие этого, в плоскости вращения долота возникает радиальная составляющая силы резания, направленная в сторону стенки скважины, или керна. В этой ситуации ядро уплотнения породы, создаваемое режущей кромкой, выходит за пределы окружности забоя, где ее разрушение не только невозможно из-за высокой прочности породы в условиях объемного сжатия, но и не требуется за упомянутой границей забоя. Степень упрочнения за счет объемного сжатия породы усугубляется малым радиусом кривизны стенки шпура, и ее разрушение, соответственно, требует повышенной удельной энергоемкости. Кроме того, острый угол между внешней частью поверхности передней грани и стенкой скважины, ухудшает условия эвакуации шлама из забоя по причине клинового эффекта, увеличивающего силы трения частиц шлама в клиновидном пространстве, образованном между стенкой забоя и наклоненной вперед передней поверхностью. Это дополнительно увеличивает энергоемкость и, кроме того, приводит к переизмельчению частиц выбуренной породы.
Такими же недостатками обладает долото, известное из патента US №2.740.611, CI. 255-61, 1956, ПЭ которого конструктивно аналогичен описанным выше.
Известен также резец для вращательного бурения по патенту РФ №2047724, МПК Е21В 10/42,1995 г. В нем описанный недостаток уменьшен за счет того, что ребро тупого клина, образованного плоскостями передних граней смещено в сторону вспомогательной (шпурообразующей) кромки резца. Обеспеченное этим смещением увеличение площади внутренней грани тупого клина и незначительное увеличение угла между этой гранью и стенкой скважины, позволяет улучшить условия эвакуации бурового шлама из забоя за счет уменьшения вредного влияния клинового эффекта, упомянутого выше.
Однако, величина достигнутого этим техническим решением технического результата незначительна, поскольку обе части главной режущей кромки (внутренняя в меньшей степени, наружная в большей) обращены в сторону стенок скважины и керна, распространяя зону трехосного сжатия породы за пределы окружностей скважины и керна. При этом, угол между наружной частью режущей кромки и стенкой скважины уменьшился, увеличивая радиальную составляющую силы резания, направленную в сторону стенки. Положение передних граней, хоть и в меньшей степени, но также сохраняет негативное влияние образуемого ими клиновидного пространства на эвакуацию бурового шлама и его переизмельчение, как уже было описано выше.
Описанные выше недостатки существенно меньше в породоразрушающих элементах, известных из долота для вращательного бурения по авт. свид. СССР №1481373, Е21В 10/42, бюл. №19, 1989 г. ПЭ указанного выше долота имеет главную режущую кромку, так же как и в описанных выше аналогах, в виде ломаной линии из двух отрезков прямых линий, расположенных друг к другу под тупым углом, с вершиной, направленной в сторону забоя, и две вспомогательные режущие кромки, шпурообразующую (скважинообразующую) и кернообразующую. Однако, в отличие от предыдущих аналогов с выпуклой передней поверхностью, передняя поверхность ПЭ долота по авт. свид. №1481373 выполнена вогнутой, виде паза симметричного (желоба) с плоскими наклонными стенками, образующими друг с другом тупой угол, больший 90°. Передняя поверхность ПЭ ограничена фигурой, образованной двумя симметричными трапециями, имеющими общее большое основание, лежащее в плоскости симметрии ПЭ, а меньшие основания трапеций образуют вспомогательные режущие кромки. Толщина пластины ПЭ в средней части минимальна, а на уровне вспомогательных режущих кромок, скважинообразующей и кернообразующей - максимальна. Преимущества описанного выше ПЭ с вогнутой передней поверхностью перед предыдущими аналогами с выпуклой передней поверхностью, заключается в следующем. Вогнутая передняя поверхность с образованной на ней режущей кромкой за счет уменьшения радиальной составляющей силы резания, действующей в плоскости вращения долота, сужает зону сжатия породы, ограничивая ее окружностью забоя. Это способствует повышению эффективности разрушения породы благодаря образованию дополнительных поверхностей обнажения со стороны керно- и скважино- образующей поверхностей. Кроме того, уменьшается сжатие выбуренных частиц породы между стенкой скважины и передней поверхностью, вызывающее переизмельчение, и облегчается их эвакуация из забоя выбуренных частиц породы. Это обеспечено тем, что передняя грань со стенкой скважины составляет тупой угол, в отличие от острого не создающий клинового эффекта, как во всех предыдущих аналогах.
Такие же преимущества имеет ПЭ, известный из патента на долото для вращательного бурения (РФ №2043478, МПК Е21В 10/42, 1995.01.). Он имеет главную (породоразрушающую) режущую кромку, и, в отличие от предыдущего, одну вспомогательную (скважинообразующую) режущую кромку и выполнен в виде твердосплавной пластины с переменной вдоль главной режущей кромки толщиной, величина которой, максимальная на уровне вспомогательной режущей кромки, монотонно уменьшается в сторону противоположной ей кромки пластины до минимальной величины. При этом, передняя поверхность и боковая поверхность, образующие в пересечении друг с другом вспомогательную режущую кромку, расположены друг к другу под острым углом. Это обеспечивает относительно диаметральной плоскости (плоскости осевого сечения) долота встречный наклон граней передней поверхности этого ПЭ и смежного с ним элемента, образуя между ними вогнутую тупоугольную клинообразную поверхность, аналогичную вогнутой передней поверхности предыдущего аналога. Встречный наклон граней передней поверхности обеспечивает в большей степени плоское нагружение разрушаемой породы забоя, в отличие от объемного требующее меньших энергозатрат. У описываемого ПЭ контур передней поверхности, как и у предыдущего, представляет собой трапецию, меньшее основание которой является вспомогательной режущей кромкой, одна из боковых сторон - главной режущей кромкой, а угол между главной и вспомогательной кромками выполнен тупым, так же как в предыдущем и остальных, описанных выше, аналогах.
Таким образом, недостаток породоразрушающего элемента, связанный с нежелательным распространением зоны трехосного сжатия породы забоя за пределы его окружности, в наибольшей степени устранен в аналогах, описанных последними (авт. свид. №1481373, патент РФ и №2043478). Однако, наиболее близким из них к заявленному техническому решению, по конструктивным признакам, назначению и технический результату является режущий элемент, описанный в патенте РФ №2043478, принятый в качестве прототипа.
Если поставить задачу совершенствования технического решения, выбранного в качестве прототипа, с точки зрения возможности дальнейшего снижения энергоемкости разрушения забоя, то анализ этого технического решения обнаруживает следующий недостаток. С одной стороны, положение режущей кромки прототипа под тупым углом к стенке скважины, рассмотренное в проекции на ее плоскость вращения, способствует сужению зоны объемного сжатия породы от окружной составляющей силы резания до границ диаметра забоя, что увеличивает эффективность его разрушения. Однако, с другой стороны, расположение этой кромки под тупым углом к вспомогательной (шпурообразующей, или скважинообразующей) режущей кромке приводит к распространению зоны трехосного сжатия за пределы границ стенки. Чем величина тупого угла больше, тем больше, при прочих равных условиях, величина упомянутого напряжения и зона его распространения за границу стенки забоя.
Таким образом, налицо техническое противоречие, которое можно сформулировать в следующем виде: «С одной стороны, положение главной режущей кромки, рассмотренное в проекции на плоскость вращения способствует сужению зону трехосного напряжения сжатия породы до границ кольцевого забоя скважины, обеспечивая снижение удельной энергоемкости разрушения забоя. Но, в тоже время, ее положение, рассмотренное в проекции на плоскость осевого сечения, расширяет указанную зону, за пределы границ стенки шпура или скважины, повышая удельную энергоемкость».
Сформулированное противоречие особенно актуально для долот относительно малого диаметра, где «… сопротивляемость разрушению породы, примыкающей к стенке скважины, значительно больше, чем сопротивляемость породы, расположенной на некотором расстоянии от стенки, а относительная величина указанной кольцевой площадки забоя с уменьшением диаметра долота увеличивается. Так, по данным [86], для разрушения породы у стенки выработки требуется в 1,5-2,5 раза больше ударов, чем для разрушения породы, несколько удаленной от стенки» (http://teplozond.ru/racionalnaya-otrabotka-i-iznosostojkost-sharoshechnyx-dolot/energoemkost-razrusheniya-gornyx-porod.html).
Устранение сформулированного технического противоречия является задачей предлагаемого изобретения, а техническим результатом ее решения, является снижение удельной энергоемкости разрушения забоя.
Поставленная задача решается тем, что в известном ПЭ для буровых коронок и долот, снабженном главной (породоразрушающей) режущей кромкой и вспомогательной (скважинообразующей или кернообразующей) режущей кромкой, и выполненным в виде твердосплавной пластины переменной толщины, максимальной на уровне вспомогательной режущей кромки минимальной на уровне противоположной ей кромки пластины, отличием является то, что угол между главной и вспомогательной режущими кромками имеет величину не более 90°, а передняя поверхность ограничена контуром, в котором вспомогательная режущая кромка является единственным прямолинейным участком, или наибольшим по длине из остальных прямолинейных участков, образующих ее.
В наиболее простом варианте выполнения ПЭ контур его передней поверхности может быть образован двумя отрезками линий, один из которых выполнен в виде дуги окружности, или кривой переменного радиуса.
В большинстве наиболее целесообразных, вариантов выполнения ПЭ, контур его передней поверхности может быть образован четырьмя участками линий. Это позволит обеспечить максимальный ресурс ПЭ до его максимального абразивного износа.
В частности, контур передней поверхности может быть образован двумя прямолинейными отрезками, разной длины. Их концы соединены выпуклыми дугами, по меньшей мере, одна из которых, противоположная главной режущей кромке, сопряжена с коротким отрезком по касательной. Этот вариант формы, кроме упомянутого выше преимущества в ресурсе, адаптирован к более технологичной фрезерной обработке гнезда в корпусе лопасти долота для размещения ПЭ.
Таким же преимуществом обладает форма контура передней поверхности ПЭ, образованная двумя параллельными друг другу отрезками прямых разной длины, одни концы которых соединены прямолинейной режущей кромкой, а другие выпуклой дугой, сопряженной с коротким отрезком по касательной.
Близким к описанным выше вариантом выполнения контура передней поверхности, является равнобокая, или неравнобокая трапеция.
В симметричных, из остальных, описанных выше, вариантах выполнения контура передней поверхности, ПЭ имеет вторую главную режущую кромку, расположенную в зеркальном отображении к первой. Это позволит исключить производственные затраты на изготовление ПЭ правого и левого исполнения ПЭ. Кроме того, этот вариант исполнения упрощает задачу автоматического ориентирования при автоматизации процесса изготовления ПЭ или его сборки-пайки с корпусом бурового инструмента.
Для повышения ударопрочности вершина угла между главной и вспомогательной режущими кромками она может быть скруглена радиусом, многократно меньшим длины главной режущей кромки.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где показано: фиг. 1 - предлагаемый ПЭ; фиг. 2… фиг. 6 - варианты его выполнения; фиг. 7, 8 - взаимодействие предлагаемого ПЭ с забоем в процессе работы; фиг. 9 - взаимодействие ПЭ прототипа с забоем в процессе работы; фиг. 10, - применение ПЭ в буровой коронке для бурения кольцевым забоем, вид снизу; фиг. 11, разрез Б-Б на фиг. 10.
max
min
1
var
Предлагаемый ПЭ (фиг. 1) для буровых долот и коронок, выполнен в виде твердосплавной пластины, снабженной главной (породоразрушающей) режущей кромкой 1 и вспомогательной (скважинообразующей, шпурообразующей) режущей кромкой 2. Толщина пластины монотонно уменьшается от максимальной h на уровне вспомогательной кромки, до минимальной h на уровне противоположной ей нерабочей кромки пластины. Передняя поверхность 3 пластины, в большинстве случаев, имеет плоскую форму, но для наибольшей прочности она может быть выпуклой цилиндрической с образующей 4, параллельной вспомогательной кромке 2 (фиг. 2). Этот вариант предпочтительнее для бурения в геологических разрезах, влючающих галечники, или обломочные породы. Главная режущая кромка 1 может иметь прямолинейную форму (фиг. 1, 6), более целесообразную для пластичных грунтов, и выпуклую дугообразную с радиусом R (фиг. 2, 3, 4, 5) для менее пластичных и более твердых пород. Угол в плане ϕ между главной режущей кромкой 1 и вспомогательной 2 не превышает 90°. Его величину выбирают в зависимости от физико-механических свойств породы, для бурения которой предназначен инструмент, оснащаемый ПЭ. Для упомянутой выше дугообразной формы главной режущей кромки 1 угол в плане имеет переменную величину ϕ с максимумом на его вершине, равным 90°. Такая форма режущей кромки обеспечивает более универсальное применение бурового инструмента, по отношению к различным видам породы, или грунта.
2
Контур передней поверхности 3 может быть образован из четырех участков, при этом самый длинный из прямолинейных, участок, является вспомогательной режущей кромкой 2. Участок, противоположный главной режущей кромке 1 образован дугой окружности радиуса R, равного (фиг. 1, 3, 5), или большего (не показан) расстояния между вспомогательной и противолежащей ей нерабочей кромкой (фиг. 1, 3, 5), или прямой линией (фиг. 2, 6). Выбор величины упомянутого радиуса, с одной стороны, связан с технологичностью механической обработки гнезд в корпусе долота для размещения пластины ПЭ, а с другой стороны, оптимальным соотношением длины и ширины пластины, с точки зрения максимального ресурса до полного ее износа. ПЭ имеет задний угол γ, образованный между его передней и задней поверхностями. При величине угла в плане ϕ, существенно меньшем 90°, для исключения сколов она может быть притуплена радиусом r, многократно меньшим длины главной режущей кромки.
3
Контур передней поверхности ПЭ (фиг. 4), может быть образован двумя участками линий, один из которых выполнен в виде дуги R, или кривой переменной кривизны (не показана), а второй выполнен прямолинейным и образует вспомогательную режущую кромку 2.
1
ПЭ может быть выполнен симметричным относительно оси симметрии 5, перпендикулярной вспомогательной кромке 2 и иметь вторую главную режущую кромку 1, расположенную в зеркальном отображении к первой (фиг. 3, 4, 6). Это позволяет упростить задачу автоматического ориентирования ПЭ в случае автоматизации процесса его изготовления и/или сборки-пайки с корпусом бурового инструмента. Кроме того, это уменьшает затраты на производственную оснастку за счет сокращения номенклатуры ПЭ, т.к. отсутствует необходимости в правом и левом исполнении пластины.
7
8
9
max
min
Принцип работы и преимущества заявленного ПЭ заключаются в следующем. В процессе бурения, при вращении долота 6 (фиг. 7 и фиг. 8) ПЭ 7, 8 и 9, их главные режущие кромки создают перед собой в забое поля напряжений τ, τ и τ, приводящие, к ее разрушению, в зависимости от механических свойств породы, за счет сколов или сдвига. При этом, за счет расположения режущих кромок относительно плоскости осевого сечения долота под углом β, обеспеченного формой поперечного сечения ПЭ в виде разностороннего четырехугольника, поля напряжений располагаются в границах окружности забоя не только в проекции на плоскость вращения (фиг. 8), но и в проекции осевого сечения забоя (фиг. 7). Это снижает энергоемкость разрушения забоя за счет того, что режущие кромки создают напряжения внутри границ забоя, в зоне обнажения породы, где отсутствует объемное (трехосное) сжатие породы, требующего значительно больших разрушающих нагрузок. Кроме этого, энергоемкость у заявленных ПЭ снижается за счет взаимного частичного наложения полей напряжений их режущих кромок (зона С, фиг. 7, 8), особенно, когда в силу неоднородности структуры скол породы перед этими кромками происходит неодновременно. Разрушение ступени забоя режущей кромкой 9 требует еще меньших, чем кромками 7 и 8, энергозатрат, поскольку эта ступень забоя имеет несоизмеримо большую степень обнажения, чем его центральная часть. Соотношение наибольшей h и наименьшей h толщины пластины выбирают в зависимости из соображений максимально возможного сохранения в процессе износа ПЭ (профиль F) формы первоначального оптимального профиля забоя. Это позволяет сохранять эффективность бурового инструмента на протяжении всего срока его службы.
Преимущества заявленного ПЭ в сравнении с прототипом проиллюстрированы на фиг. 9, где наглядно показано, как поля напряжений от давления режущих кромок прототипа распространяются за границы Г забоя, в зону объемного сжатия породы.
Заявленный ПЭ может использоваться также для армирования режущей части коронок для бурения кольцевым забоем (фиг. 10 и 11). Скважинообразующие ПЭ 9 чередуются на корпусе 10 коронки с кернообразующими ПЭ 11. Их суммарную ширину Σb целесообразно выбирать меньше ширины кольцевого забоя на некоторую величину а, в результате чего при бурении образуется кольцевой керн, разрушающийся по достижении определенной высоты из-за асимметричной боковой нагрузки на него, обеспеченной чередованием скважинообразующих 10 и кернообразующих 11 ПЭ. Это позволяет, при прочих равных условиях, повысить удельное давление режущих кромок на породу, и, соответственно, глубину внедрения в нее режущих кромок, от которой зависит механическую скорость проходки, как главный фактор производительности работы.
Предложенное техническое решение, по сравнению с другими аналогами, кроме описанного выше снижения энергоемкости разрушения забоя, позволяет также, при прочих равных условиях, снизить удельный расход твердого сплава.