БУРОВОЙ ШНЕК И ЗАМКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Предложение относится к горному делу, в частности, к бурению геологоразведочных, гидрогеологических, взрывных и буроинъекционных скважин под свайные фундаменты.
Известен выбранный в качестве ближайшего аналога буровой шнек с резьбовым замковым соединением, содержащий винтовую спираль и несущую трубу с жестко присоединенными к ее концам хвостовиком, выполненным без сбега резьбы, и муфтой резьбового замкового соединения, при этом на конце муфты, в плоскости ее сопряжения с хвостовиком, выполнено уширение в виде кольцевого буртика, высота которого равна выступу резьбы, а его ширина превышает половину шага резьбы, но не более чем на шаг. Кроме этого сторона кольцевого буртика муфты цилиндрического резьбового замкового соединения, расположенная напротив плоскости ее сопряжения с хвостовиком, наклонена к поверхности муфты под тупым углом, а внешняя поверхность кольцевого буртика имеет полукруглый профиль (RU 86223, 2008).
В известном буровом шнеке не решаются вопросы разгрузки замкового соединения, что снижает надежность и ресурс его работы, у шнека и замкового соединения не обеспечена равнопроходность внутреннего поперечного сечения, а также имеют место высокие затраты времени на разборку буровой шнековой колонны, поскольку в процессе эксплуатации вследствие износа и деформации резьбовых соединений происходит часто затяжка резьб, что приводит к необходимости приложения значительных усилий и ведет к повышенным затратам времени.
Известно замковое соединение буровых шнеков, включающее буровую трубу, закрепленные на ее концах кольцевые полумуфты с наружным диаметром, равным диаметру буровых труб, и с кулачковыми выступами на торцах для взаимодействия с ответными впадинами, и расположенный в полости полумуфт хвостовик с фиксатором, при этом, боковые грани кулачковых выступов и ответные им впадины, противолежащие рабочим граням кулачковых выступов и ответных впадин, выполнены с наклоном, причем угол наклона боковых граней меньше угла трения, а ширина вершин выступов меньше ширины их основания (RU 2017929, 1994).
Главным недостатком этого соединения является наличие замкового пальца, служащего для производства спуско-подъемных операций шнековой колонны. Данное известное соединение ненадежно в работе, т.к. часто происходят заклинивания замкового пальца. При использовании этого соединения увеличиваются затраты времени на производство сборки-разборки колонны шнеков, что снижает общую производительность буровых работ. Наличие в конструкции шнека замкового пальца приводит к уменьшению внутреннего сечения полых шнеков, ухудшает условия подачи бетонной смеси на забой при сооружении свай и делает совершенно невозможным доставку патронированного взрывчатого вещества при сооружении взрывных скважин.
Известно выбранное в качестве ближайшего аналога замковое соединение, содержащее соединительные резьбовые элементы: муфту и ниппель, снабженные контактирующими друг с другом своими рабочими поверхностями в свинченном положении соединения упорами, и обеспечивающими осевой зазор между торцами муфты и ниппеля, при этом упоры выполнены в виде торцевых зубьев, высота зубьев ход резьбы и число зубьев связаны математическим соотношением, рабочая поверхность зубьев расположена в плоскости оси шнека, а угол наклона спинки зуба не меньше угла подъема резьбы. Зубья образованы на торцевой поверхности кольцевых элементов, неподвижно соединенных соответственно с муфтой и ниппелем (RU 65096, 2007, RU 2347886, 2008).
Недостатками известного замкового соединения шнеков являются низкие надежность работы и ресурс вследствие отсутствия возможности компенсации износа резьбы соединения шнеков, поскольку рабочая поверхность зубьев расположена в плоскости оси шнека, что не позволяет использовать натяг в цилиндрической резьбе в пределах осевого зазора между нижней внутренней контактной кольцевой поверхностью муфты и нижним торцем ниппеля, за счет углового поворота ниппеля относительно муфты. Кроме этого внутреннее поперечное сечение замкового соединения не является равнопроходным с внутренним поперечным сечением несущей трубы.
Техническим результатом предложения является повышение надежности работы и ресурса как бурового шнека так и замкового соединения, обеспечение равнопроходности внутреннего поперечного сечения шнека и замкового соединения, а также увеличение производительности бурения за счет сокращения затрат времени на разборку буровой шнековой колонны.
Предложение представляет собой группу полезных моделей, связанных между собой единым творческим замыслом.
Технический результат в отношении объекта - буровой шнек достигается тем, что в буровом шнеке, включающем несущую трубу с винтовой ребордой на наружной поверхности и соединительными резьбовыми элементами замкового соединения на концах для свинчивания в колонну, согласно предложению замковое соединение включает соединительные резьбовые элементы, один из которых в виде муфты, другой - в виде ниппеля, и упоры на соединительных резьбовых элементах с рабочими поверхностями и с острыми углами своих вершин, образованными пересекающимися плоскостями, одна из которых расположена под углом к продольной оси соединения, и контактирующие друг с другом своими рабочими поверхностями в свинченном положении соединения при сохранении в соединении осевого зазора, при этом соединительные резьбовые элементы выполнены с конусной резьбой, другая пересекающаяся плоскость также расположена под углом к продольной оси соединения, а внутреннее поперечное сечение соединительных резьбовых элементов в свету выполнено равнопроходным и соответствует в свету внутреннему поперечному сечению несущей трубы.
Способствует достижению технического результата то, что:
- одни рабочие поверхности упоров на соединительных резьбовых элементах при контактировании друг с другом предназначены для передачи крутящего момента, а другие для передачи осевого усилия и крутящего момента;
- соединительные резьбовые элементы, выполненные в виде муфты и ниппеля, имеют многозаходную резьбу;
- в муфте резьба выполнена по всей длине ее свободной внутренней поверхности;
- муфта и ниппель имеют хвостовики для жесткого закрепления на концах несущих труб, при этом хвостовики муфты и ниппеля могут быть выполнены в виде патрубков, размещаемых в несущей трубе и жестко закрепляемых сварным соединением или в виде патрубков заодно целое с муфтой и с ниппелем, соответственно;
- наружные диаметры, муфты и ниппеля превышают наружный диаметр хвостовиков;
- упоры на соединительных резьбовых элементах образованы конгруэнтными выступами и впадинами, выполненными на торцевых поверхностях кольцеобразных элементов, при этом один из кольцеобразных элементов с упорами охватывает верхнюю часть ниппеля и жестко связан с ним, а другой кольцеобразный элемент выполнен за одно целое с муфтой;
- кольцеобразный элемент с упорами, охватывающий верхнюю часть ниппеля, имеет в верхней части внутренний буртик, опирающийся на кольцевой уступ, выполненный на наружной поверхности верхней части ниппеля;
- высота упоров на соединительных резьбовых элементах меньше отношения шага конусной резьбы соединительных резьбовых элементов к числу упоров.
Технический результат в отношении объекта - замкового соединения достигается тем, что в замковом соединении, включающем соединительные резьбовые элементы, один из которых в виде муфты, другой - в виде ниппеля, и упоры на соединительных резьбовых элементах с рабочими поверхностями и с острыми углами своих вершин, образованными пересекающимися плоскостями, одна из которых расположена под углом к продольной оси соединения, и контактирующие друг с другом своими рабочими поверхностями в свинченном положении соединения при сохранении в соединении осевого зазора, согласно предложения соединительные резьбовые элементы выполнены с конусной резьбой, другая пересекающаяся плоскость также расположена под углом к продольной оси соединения, а внутреннее поперечное сечение соединительных резьбовых элементов в свету выполнено равнопроходным.
Способствует достижению технического результата то, что:
- одни рабочие поверхности упоров на соединительных резьбовых элементах при контактировании друг с другом предназначены для передачи крутящего момента, а другие для передачи осевого усилия и крутящего момента;
- соединительные резьбовые элементы, выполненные в виде муфты и ниппеля, имеют многозаходную резьбу;
- в муфте резьба выполнена по всей длине ее свободной внутренней поверхности;
- муфта и ниппель имеют хвостовики для жесткого закрепления на концах несущей трубы, при этом хвостовики муфты и ниппеля могут быть выполнены в виде патрубков, размещаемых в несущей трубе и жестко закрепляемых сварным соединением или в виде патрубков заодно целое с муфтой и с ниппелем, соответственно;
- наружные диаметры, муфты и ниппеля превышают наружный диаметр хвостовиков;
- упоры на соединительных резьбовых элементах образованы конгруэнтными выступами и впадинами, выполненными на торцевых поверхностях кольцеобразных элементов, при этом один из кольцеобразных элементов с упорами охватывает верхнюю часть ниппеля и жестко связан с ним, а другой кольцеобразный элемент выполнен за одно целое с муфтой;
- кольцеобразный элемент с упорами, охватывающий верхнюю часть ниппеля, имеет в верхней части внутренний буртик, опирающийся на кольцевой уступ, выполненный на наружной поверхности верхней части ниппеля;
- высота упоров на соединительных резьбовых элементах меньше отношения шага конусной резьбы соединительных резьбовых элементов к числу упоров.
На фиг.1 показан буровой шнек (вид, совмещенный с продольным разрезом); на фиг.2 показано замковое соединение с упорной резьбой и упоры с рабочими поверхностями и с острыми углами своих вершин; на фиг.3 - замковое соединение с трапецеидальной резьбой и хвостовиком муфты, незакрепленным в несущей трубе.
Буровой шнек (фиг.1) включает несущую трубу 1 с винтовой ребордой 2 на наружной поверхности. На концах шнека имеются соединительные резьбовые элементы для образования при сборке шнеков в колонну замкового соединения.
Замковое соединение включает соединительные резьбовые элементы, один из которых в виде муфты 3, другой - в виде ответного ниппеля 4 выполнены с возможностью жесткого закрепления на концах несущих труб 1 и имеют стандартную слабо конусную резьбу с конусностью 1:16. На соединительных резьбовых элементах имеются упоры 5, 6 с рабочими поверхностями и с острыми углами своих вершин, образованными пересекающимися плоскостями I-I и II-II (см. фиг.2), расположенными под углом 15-20° к продольной оси соединения.
Упоры 5, 6 контактируют друг с другом своими рабочими поверхностями в свинченном положении соединения для передачи осевого усилия и крутящего момента при сохранении в соединении осевого зазора С.
Пересекающиеся плоскости I-I и II-II расположены под острыми углами А (15-20°) и В (70-75°) к продольной оси соединения и, соответственно, бурового шнека. Угол А наклона плоскости I-I меньше угла В наклона плоскости II-II. Рабочие поверхности упоров 5, 6, лежащие в плоскости I-I, предназначены для передачи крутящего момента от одного бурового шнека к другому в колонне. Осевое усилие воспринимают рабочие поверхности упоров 5, 6, лежащие в плоскости II-II. Площадь этих поверхностей превышает площадь поверхностей, лежащих в плоскости I-I. Рабочие поверхности упоров 5, 6, лежащие в плоскости II-II, помимо осевого усилия воспринимают частично крутящий момент, разгружая тем самым рабочие поверхности упоров 5, 6, лежащие в плоскости I-I.
Наличие осевого зазора С в соединении позволяет за счет натяга компенсировать в процессе эксплуатации буровых шнеков (замковых соединений) износ резьбы и рабочих поверхностей упоров 5, 6.
Высота упоров 5, 6 на соединительных резьбовых элементах меньше отношения шага конусной резьбы соединительных резьбовых элементов к числу упоров.
В конкретном примере муфта 3 и ниппель 4 имеют хвостовики 7, 8 для жесткого закрепления на концах несущих труб 1.
Хвостовики 7, 8 ниппеля и муфты выполнены в виде патрубков, размещаемых в несущей трубе 1 и жестко закрепляемых, обычно, сварным соединением.
Хвостовики 7, 8 ниппеля и муфты могут быть выполнены в виде патрубков заодно целое с ниппелем 4 и с муфтой 3, соответственно, т.е. несоставными (как это показано в отношении ниппеля 4 на фиг.1.).
В приведенном примере упоры 5, 6 на соединительных резьбовых элементах образованы конгруэнтными выступами и впадинами, выполненными на торцевых поверхностях кольцеобразных элементов. Один из кольцеобразных элементов 9 с упорами 6 охватывает верхнюю часть ниппеля 4 и жестко связан с ним, а другой кольцеобразный элемент выполнен за одно целое с муфтой 3, т.е. упоры 5 выполнены непосредственно на верхней торцевой поверхности муфты 3.
Кольцеобразный элемент 9 с упорами 6, охватывающий верхнюю часть ниппеля 4, имеет в верхней части внутренний буртик, опирающийся на кольцевой уступ, выполненный на наружной поверхности верхней части ниппеля 4. При этом кольцеобразный элемент 9, ниппель 4 и хвостовик 7 могут представлять собой отдельные элементы, жестко связанные между собой сварным соединением. Сварочные швы обозначены на графике (фиг.3) позицией 10.
Наружные диаметры, муфты 3 и ниппеля 4 превышают наружный диаметр хвостовика 7, 8, а в некоторых случаях могут превышать и наружный диаметр несущих труб 1.
Соединительные резьбовые элементы, выполненные в виде муфты 3 и ниппеля 4, имеют многозаходную резьбу, при этом в муфте 3 резьба выполнена по всей длине ее свободной внутренней поверхности. Многозаходная резьба выполнена конусной и может быть трапецеидальной (фиг.3), упорной, круглой. В свинченном положении замкового соединения его внутреннее поперечное проходное сечение соответствует внутреннему проходному сечению несущей трубы 1, т.е. является равнопроходным.
Буровой шнек работает следующим образом. По мере углубления скважины осуществляют наращивание колонны шнеков. Разрушенная порода по винтовой реборде выдается на устье скважины. Периодически шнековая колонна может извлекаться из скважины для очистки шнеков.
В зависимости от назначения скважины через внутреннюю полость шнековой колонны с равнопроходным сечением может быть подана бетонная смесь на забой при сооружении свай, доставка патронированного взрывчатого вещества при сооружении взрывных скважин и т.д.
Замковое соединение работает следующим образом. В начальный период эксплуатации шнеков при свинчивании замковых соединений крутящий момент помимо рабочих поверхностей упоров 5, 6, работающих на затяжку соединения, воспринимается и самим резьбовым соединением, осевое усилие также воспринимается резьбовым соединением. Затем по мере притирки (износа) ниток резьбы и рабочих поверхностей упоров 5, 6 крутящий момент все в большей и большей степени будет передаваться через рабочие поверхности упоров, работающие на затяжку соединения.
Использование предложенного бурового шнека и замкового соединения позволяет выбирать, используя натяг в резьбе, в пределах осевого зазора С между нижней внутренней контактной кольцевой поверхностью муфты 3 (в случае выполнения муфты за одно целое с хвостовиком), либо внутренним кольцевым уступом, образованным верхним торцом хвостовика 8 и нижним торцом ниппеля 4, за счет углового поворота ниппеля 4 относительно муфты 3, поскольку предложенное расположение рабочих поверхностей упоров 5, 6 под острым углом к продольной оси соединения обеспечивает их некоторое перемещение друг относительно друга по мере износа резьбы и рабочих поверхностей.