Буровой режущий инструмент

Полезная модель относится к горному делу, а именно к буровым режущим инструментам для вращательного шнекового бурения взрывных скважин на карьерах преимущественно наклонных, в перемежающихся по крепости породах.
Известен буровой режущий инструмент, оснащенный сменными унифицированными резцами, армированными по передней грани износостойкой пластиной, включающими головку, внутренняя боковая грань которой выполнена параллельно продольной оси сменного унифицированного резца, а внешняя боковая грань - с наклоном к продольной оси сменного унифицированного резца в сторону хвостовика (Авторское свидетельство СССР №1373808, кл. Е21С 25/38, 1988. Фиг. 3). Буровой режущий инструмент, оснащенный данными резцами имеет непрямолинейное сплошное режущее лезвие, позволяющее снизить удельные нагрузки на прямолинейные режущие кромки резцов и повысить их износостойкость.
Недостаток данного технического решения заключается в низкой стойкости диаметрообразующих сменных унифицированных периферийных резцов, так как последние взаимодействуют со стенками скважины не всей прямолинейной режущей кромкой, а острым углом, между прямолинейной режущей кромкой и внешней боковой гранью, что приводит к его повышенному износу, поломкам и, в конечном итоге, существенно уменьшает диаметр взрывной скважины, что недопустимо при закладке ВВ в скважину.
В качестве прототипа принят буровой режущий инструмент, содержащий симметричный корпус с опорными стенками, включающий основание с хвостовиком, и установленные в посадочных отверстиях симметричного корпуса и закрепленные в них при помощи шплинтов, размещаемых в сквозных отверстиях симметричного корпуса, сменные унифицированные основные и периферийные резцы, армированные по передней грани износостойкими пластинами, с прямолинейной режущей кромкой и образующие непрямолинейное сплошное режущее лезвие с установкой сменных унифицированных периферийных резцов прямолинейной режущей кромкой параллельно оси бурового режущего инструмента (Авторское свидетельство СССР №1502797, кл. Е21В 10/24, 1989.).
Непрямолинейное сплошное режущее лезвие данного бурового режущего инструмента позволяет сохранить режущие кромки в месте стыков от абразивного износа, а установка сменных унифицированных периферийных резцов прямолинейной режущей кромкой параллельно оси бурового режущего инструмента, позволяет предохранить диаметрообразующие основные резцы от преждевременного износа, обеспечить устойчивость инструмента и его центрацию на забое, сохранить необходимый диаметр взрывной скважины при бурении преимущественно вертикальных скважин в породах небольшой крепости.
Недостаток данного технического решения заключается в низкой эффективности при бурении наклонных взрывных скважин в перемежающихся по крепости породах из-за того, что установка сменных унифицированных периферийных резцов прямолинейной режущей кромкой параллельно оси бурового режущего инструмента, при проходке мягких прослоев породы, всегда предопределяет (диаметр инструмента всегда больше диаметра буровой штанги) во время подъема из скважины буровой шнековой штанги с буровым режущим инструментом на конце, врезание в стенки скважины сменных унифицированных периферийных резцов (острым углом) из-за выполнения внешней боковой грани сменных унифицированных периферийных резцов с наклоном к продольной оси сменного унифицированного резца в сторону хвостовика. При последующей встрече с крепким прослоем будет происходить либо излом износостойких пластин сменных унифицированных периферийных резцов, либо срез более мягких шплинтов, выдергивание из корпуса сменных унифицированных периферийных резцов с деформацией посадочных отверстий в корпусе бурового режущего инструмента, и потеря резцов в скважине. И в том, и другом случае будет снижаться прочность бурового режущего инструмента и увеличиваться непроизводительное время на преждевременную замену сменных унифицированных периферийных резцов (что повышает стоимость бурения), в ряде случаев с зачисткой посадочных отверстий. При этом отсутствие каких-либо опорных элементов, удерживающих головки сменных унифицированных периферийных резцов, при выходе последних из крепкого прослоя в мягкий, при осевом давлении на забой в процессе бурения, существенно увеличивает нагрузки на хвостовики сменных унифицированных периферийных резцов и приводит к их изгибу.
Полезная модель направлена на повышение эффективности бурения наклонных взрывных скважин в перемежающихся по крепости породах. Технический результат - повышение прочности и износостойкости бурового режущего инструмента, что достигается за счет того, что в буровом режущем инструменте, содержащем симметричный корпус с опорными стенками, включающий основание с хвостовиком, и установленные в посадочных отверстиях симметричного корпуса и закрепленные в них при помощи шплинтов, размещаемых в сквозных отверстиях симметричного корпуса, сменные унифицированные основные и периферийные резцы, армированные по передней грани износостойкими пластинами, с прямолинейной режущей кромкой, содержащие хвостовик резца, с отверстием под шплинт, и головку с задней гранью, внутренняя боковая грань которой выполнена параллельно продольной оси сменного унифицированного резца, а внешняя боковая грань - с наклоном к продольной оси сменного унифицированного резца в сторону хвостовика резца, и образующие непрямолинейное сплошное режущее лезвие с установкой сменных унифицированных периферийных резцов прямолинейной режущей кромкой параллельно оси бурового режущего инструмента, на основании симметричного корпуса бурового режущего инструмента выполнена опорная плита, содержащая в центральной части отверстие, для сопряжения с внешней поверхностью хвостовика, и имеющая конфигурацию поперечного сечения, конгруэнтную проекции поперечного сечения бурового режущего инструмента, в его диаметральной плоскости, проходящего через головки сменных унифицированных периферийных резцов, с опорными стенками, между внутренней и внешней боковыми гранями, с образованием периферийных элементов для сопряжения с внешними боковыми гранями сменных унифицированных периферийных резцов и опорными стенками корпуса бурового режущего инструмента, при этом на нижней плоскости периферийных элементов опорной плиты образованы выступы, содержащие наклонные грани, контактирующие всей поверхностью с внешними боковыми гранями сменных унифицированных периферийных резцов, причем периферийные элементы опорной плиты с выступами армированы по передней грани износостойкими пластинами, содержат режущие кромки, которые являются продолжением прямолинейных режущих кромок сменных унифицированных периферийных резцов, и имеют скругления, выходящие на верхнюю плоскость опорной плиты. При этом, длина хвостовика бурового режущего инструмента увеличена на толщину опорной плиты. Причем, опорная плита связана с симметричным корпусом бурового режущего инструмента посредством винтов, размещенных параллельно оси бурового режущего инструмента и установленных в потай на верхней плоскости опорной плиты.
Указанный буровой режущий инструмент позволяет повысить эффективность при бурении наклонных взрывных скважин в перемежающихся по крепости породах.
Выполнение на основании симметричного корпуса бурового режущего инструмента опорной плиты, содержащей в центральной части отверстие, для сопряжения с внешней поверхностью хвостовика, создает дополнительную жесткую связь опорной плиты с симметричным корпусом, что снижает изгибающие нагрузки на винты и повышает их прочность. Это же позволяет получить достаточную поверхность на верхней плоскости опорной плиты для полного контакта с торцевой поверхностью замкового соединения буровой штанги, что способствует снижению напряжений смятия контактирующих поверхностей и также повышает их прочность.
Выполнение опорной плиты с конфигурацией поперечного сечения, конгруэнтной проекции поперечного сечения бурового режущего инструмента, в его диаметральной плоскости, проходящего через головки сменных унифицированных периферийных резцов, с опорными стенками, между внутренней и внешней боковыми гранями, позволяет получить технологичную обтекаемую форму опорной плиты, что не ухудшает параметры транспортирования буровой мелочи от режущих лезвий к буровой штанге и не вызывает необходимости увеличения осевых давлений на буровой режущий инструмент, приводящих к преждевременному износу режущих лезвий и поломкам сменных унифицированных резцов.
Образование на опорной плите периферийных элементов для сопряжения с внешними боковыми гранями сменных унифицированных периферийных резцов и опорными стенками корпуса бурового режущего инструмента, позволяет, во время подъема из скважины буровой шнековой штанги с буровым режущим инструментом на конце предотвратить врезание в стенки скважины сменных периферийных резцов (острым углом),излом их износостойких пластин, а также срез шплинтов и выдергивание из корпуса унифицированных периферийных резцов и их потерю в скважине. Кроме этого, данный признак позволяет обеспечить надежную опору головкам сменных унифицированных периферийных резцов, при выходе последних из крепкого прослоя в мягкий, при осевом давлении на забой в процессе бурения, существенно снизить нагрузки на хвостовики сменных унифицированных периферийных резцов и предотвратить их изгиб.
Образование на нижней плоскости периферийных элементов опорной плиты выступов, содержащих наклонные грани, контактирующие всей поверхностью с внешними боковыми гранями сменных унифицированных периферийных резцов, позволяет снизить контактные давления указанных сопрягаемых поверхностей и повысить их прочность, и обеспечивает сплошность режущего лезвия бурового режущего инструмента, что способствует снижению абразивного износа его корпуса.
Армирование периферийных элементов опорной плиты с выступами по передней грани износостойкими пластинами также обеспечивает сплошность всего режущего лезвия и повышает его износостойкость.
Выполнение на периферийных элементах опорной плиты режущих кромок, которые являются продолжением прямолинейных режущих кромок сменных унифицированных периферийных резцов, исключает относительное смещение сопрягаемых режущих кромок по отношению к стенкам скважины и концентрацию на них напряжений, снижает удельные нагрузки и повышает их износостойкость. Это же решение позволяет увеличить высоту периферийной (калибрующей) части бурового режущего инструмента и при прохождении наклонных скважин улучшить центрацию бурового режущего инструмента на забое, способствующую повышению прочности и износостойкости бурового режущего инструмента, вследствие равномерности нагружения режущих лезвий, и сохранению необходимого диаметра взрывной скважины.
Наличие на режущих кромках периферийных элементов опорной плиты скруглений, выходящих на ее верхнюю плоскость позволяет существенно снизить удельные нагрузки на режущие кромки округлой формы, исключить врезание режущих кромок периферийных элементов опорной плиты в крепкие прослои породы, предотвратить излом износостойких пластин, срез шплинтов и утерю сменных унифицированных резцов, т.е. обеспечить плавный подъем бурового режущего инструмента из наклонной буровой скважины.
Увеличение длины хвостовика бурового режущего инструмента именно на толщину опорной плиты является оптимальным с точки зрения технологичности и позволяет гарантированно обеспечить точное соединение хвостовика бурового режущего инструмента с замковым соединением шнековой буровой штанги. При этом, толщина опорной плиты подбирается в зависимости от диаметра бурового режущего инструмента и силовых характеристик привода.
Связь опорной плиты с симметричным корпусом бурового режущего инструмента посредством винтов, размещенных параллельно оси бурового режущего инструмента и установленных в потай на верхней плоскости опорной плиты обеспечивает прочное и надежное разъемное соединение, которое не подвергается интенсивному изнашиванию, не препятствует размещению замковых соединений шнековых буровых штанг и обеспечивает ремонтопригодность изделия в целом.
На фиг. 1 показан буровой режущий инструмент; на фиг. 2 показан вид А на фиг. 1; на фиг. 3 показан разрез по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 показан разрез по В-В на фиг. 1; на фиг. 5 показан разрез по Г-Г на фиг. 1; на фиг. 6 показан разрез по Д-Д на фиг. 1; на фиг. 7 показана схема подъема бурового режущего инструмента из наклонной буровой скважины (прототип); на фиг. 8 показана схема подъема бурового режущего инструмента из наклонной буровой скважины (новое техническое решение).
Буровой режущий инструмент содержит симметричный корпус 1 с опорными стенками 2, и включает основание 3 с хвостовиком 4. В посадочных отверстиях 5 симметричного корпуса 1 закреплены при помощи шплинтов 6, размещаемых в сквозных отверстиях 7 симметричного корпуса 1, сменные унифицированные основные 8 и периферийные 9 резцы, армированные по передней грани 10 износостойкими пластинами 11, с прямолинейной режущей кромкой 12. Они содержат хвостовик резца 13, с отверстием 14 под шплинт 6, и головку 15 с задней гранью 16, опирающейся на опорную стенку 2. Внутренняя боковая грань 17 головки 15 выполнена параллельно продольной оси сменного унифицированного резца 8, 9, а внешняя боковая грань 18 - с наклоном к продольной сменного унифицированного резца в сторону хвостовика резца 13. Сменные унифицированные основные 8 и периферийные 9 резцы образуют непрямолинейное сплошное режущее лезвие 19 с установкой сменных унифицированных периферийных резцов 9 прямолинейной режущей кромкой 12 параллельно оси бурового режущего инструмента. На основании 3 симметричного корпуса 1 бурового режущего инструмента выполнена опорная плита 20, содержащая в центральной части отверстие 21, для сопряжения с внешней поверхностью хвостовика 4. Опорная плита 20 имеет конфигурацию поперечного сечения, конгруэнтную проекции поперечного сечения бурового режущего инструмента, в его диаметральной плоскости, проходящего через головки 15 сменных унифицированных периферийных резцов 9, с опорными стенками 2, между внутренней 17 и внешней 18 боковыми гранями, с образованием периферийных элементов 22 для сопряжения с внешними боковыми гранями 18 сменных унифицированных периферийных резцов 9 и опорными стенками 2 корпуса 1 бурового режущего инструмента. На нижней плоскости 23 периферийных элементов 22 опорной плиты 20 образованы выступы 24, содержащие наклонные грани 25, контактирующие всей поверхностью с внешними боковыми гранями 18 сменных унифицированных периферийных резцов 9, причем периферийные элементы 22 опорной плиты 20 с выступами 24 армированы по передней грани 26 износостойкими пластинами 27, содержат режущие кромки 28, которые являются продолжением прямолинейных режущих кромок 12 сменных унифицированных периферийных резцов 9, и имеют скругления 29, выходящие на верхнюю плоскость 30 опорной плиты 20. Длина хвостовика 4 бурового режущего инструмента увеличена на толщину опорной плиты 20. Для обеспечения ремонтопригодности опорная плита 20 связана с симметричным корпусом 1 бурового режущего инструмента посредством винтов 31, размещенных параллельно оси бурового режущего инструмента и установленных в потай на верхней плоскости 30 опорной плиты 20. Симметричный корпус 1 бурового режущего инструмента связан со шнековой буровой штангой 32.
Предлагаемый буровой режущий инструмент работает следующим образом. Перед началом бурения в симметричном корпусе 1 бурового режущего инструмента устанавливаются сменные унифицированные основные 8 и периферийные 9 резцы, которые опираются задней гранью 16 головок 15 на опорные стенки 2 и закрепляются своими хвостовиками резцов 13 с отверстиями 14 в посадочных отверстиях 5 при помощи шплинтов 6, проходящих через сквозные отверстия 7 симметричного корпуса 1. Также на основание 3 симметричного корпуса 1 посредством отверстия 21, сопрягаемого с внешней поверхностью хвостовика 4, устанавливается опорная плита 20, которая жестко соединяется с основанием 3 при помощи винтов 31, устанавливаемых в потай на верхней плоскости 30 опорной плиты 20 симметричного корпуса 1.
В процессе вращательного бурения от замкового соединения шнековой буровой штанги 32 (не показано) к симметричному корпусу 1 бурового режущего инструмента через хвостовик 4 прилагается крутящий момент, а через верхнюю плоскость 30 опорной плиты 20 осевое усилие, под действием которых сменные унифицированные основные 8 и периферийные 9 резцы, оснащенные по передней грани 10 износостойкими пластинами 11, имеющими режущие кромки 12, разбуривают скважину до необходимого диаметра. Непрямолинейное сплошное режущее лезвие 19, образованное путем контакта внутренних 17 и внешних 18 граней головок 15 сменных унифицированных основных 8 и периферийных 9 резцов, защищает симметричный корпус 1 от абразивного износа при перемещении буровой мелочи к шнековой буровой штанге 32. При этом, поскольку периферийные элементы 22 опорной плиты 20 с выступами 24 армированы по передней грани 26 износостойкими пластинами 27 и содержат режущие кромки 28, которые являются продолжением прямолинейных режущих кромок 12 сменных унифицированных периферийных резцов 9, увеличивается высота периферийной (калибрующей) части бурового режущего инструмента и при прохождении наклонных скважин будет улучшаться центрация бурового режущего инструмента на забое, способствующая равномерности нагружения режущих лезвий 19, и сохраняться необходимый диаметр взрывной скважины. При прохождении крепких прослоев породы, при повышенном осевом давлении на забой в процессе бурения, во время выхода сменных унифицированных периферийных резцов 9 из крепкого прослоя в мягкий, их хвостовики 13 испытывают значительные изгибающие нагрузки, но сохраняют свою работоспособность поскольку выступы 24, образованные на нижней плоскости 23 периферийных элементов 22 опорной плиты 20 содержат наклонные грани 25, контактирующие всей поверхностью с внешними боковыми гранями 18 головок 15 сменных унифицированных периферийных резцов 9, и создают в этом случае надежную износостойкую опору. После достижения необходимой глубины взрывной наклонной скважины процесс бурения останавливается и осуществляется подъем бурового режущего инструмента с шнековой буровой штангой 32, который в данном случае происходит более плавно без врезания в стенки скважины именно острых углов сменных унифицированных периферийных резцов 9, их излома или даже потери, поскольку внешние боковые грани 18 сменных унифицированных периферийных резцов 9 надежно защищены наклонными гранями 25 выступов 24, образованных на нижней плоскости 23 периферийных элементов 22 опорной плиты 20, а сами периферийные элементы 22 содержат на режущих кромках 28 скругления 29, выходящие на верхнюю плоскость 30 опорной плиты 20, что обеспечивает их плавный переход через крепкие прослои породы без поломок.
Выполнение бурового режущего инструмента вышеуказанным способом позволяет повысить эффективность бурения наклонных взрывных скважин в перемежающихся по крепости породах.