Буровая коронка со свароклиновым разъемным креплением пластин-резцов

Полезная модель относится к горному делу, а именно к буровым коронкам со сменными пластинами-резцами, предназначенным для проходки геологоразведочных скважин на месторождениях твердых полезных ископаемых и воды в породах различной крепости, в том числе и перемежающихся по твердости.
Известна буровая коронка, оснащенная пластинами-резцами со сверхтвердыми слоями и твердосплавной подложкой. Пластины-резцы закреплены к корпусу коронки клиньями, конусность которых обеспечивает их самоторможение [1]. При этом резцы в коронке установлены в пазы с боковой подпорной стенкой так, что реакции стенок паза уравновешивают силы резания. Достоинством механического соединения является возможность переустановки пластин на неизношенные режущие кромки или заточки изношенных кромок и замены всей пластины после ее выхода из рабочего состояния. Недостаток - незначительная деформация корпуса инструмента при бурении трещиноватых пород может вызвать местное ослабление усилия зажима пластин и их выпадение. И при этом напряжение от усилия зажима пластины-резца складывается с тангенциальной составляющей силы резания, которая в силу неоднородности породы, а также из-за подклинивания снаряда носит динамический характер. Все это ограничивает допустимое усилие зажима клином.
Известна также буровая коронка с зажатыми клином в сквозных пазах пластинами-резцами с одним или двумя сверхтвердыми внешними слоями и твердосплавной подложкой со стальным хвостовиком, приваренным к корпусу коронки. При этом хвостовик приварен к корпусу бурового инструмента с возможностью последующего прорезания на сварном шве узких щелей, оконтуривающих хвостовик по всем плоскостям прилегания пластин-резцов к стенкам паза [2]. Достоинство этой коронки заключается в том, что за счет приварки хвостовиков к корпусу коронки усилие зажима клином пластин-резцов в ней принимается минимальным. Известно, что усилие зажима понижает прочность пластин-резцов, следовательно, и допустимые усилия резания. В этой коронке сварочный шов принимает на себя дополнительные нагрузки от резцов. Но с другой стороны сварной шов не может быть достаточно большим, чтобы нести всю нагрузку на резец, так как его размер ограничен размером хвостовика. Более того большой шов - большие тепловыделения при сварке, что может привести к перегреву пластины-резца. Таким образом, несущие способности клинового зажима и сварного шва хвостовика совместно работают на повышение надежности крепления резцов. В этом немаловажное достоинство коронки. Однако полная замена глухой боковой подпорной стенки сварным швом значительно снижает сопротивляемость крепления сдвигу и срезу от сил реакции стенок керна и скважины. Это видно из того, что сопротивление сдвигу и срезу у подпорной боковой стенки паза происходит по более прочному цельному телу, в то время как сварной шов включает разупрочняющие его различные шлаки, газовые пузырьки, поры и т.д. Кроме того смежные со сварным швом участки стали приобретают крупнокристаллическую структуру, что значительно снижает их пластичность.
Таким образом, может быть поставлена задача повышения надежности крепления резцов путем замены части сварного шва цельной частью корончатого кольца, обладающей повышенной сопротивляемостью силам реакции стенок керна и скважины и снижения опасности действия высокой температуры на сверхтвердый слой пластины-резца. Эта задача может быть решена, если в буровой коронке со свароклиновым разъемным креплением пластин-резцов, установленных в сквозные прямоугольные пазы по схеме скважино- и кернообразующих резцов, с одним или двумя сверхтвердыми внешними слоями и твердосплавной подложкой, и с хвостовиком из свариваемой стали, привариваемым к стенкам паза с возможностью обеспечения необходимого выпуска боковых калибрующих и режущих кромок и последующего прорезания на сварном шве узких щелей, оконтуривающих хвостовик по плоскостям прилегания пластин-резцов к стенкам паза, дно сквозного паза выполнить ступенчатым со стороны хвостовика, а опорную поверхность пластины-резца с хвостовиком изготовить таким образом, чтоб ее контур отвечал контуру ступенчатого дна паза и при этом боковая часть пластины-резца, к которой не прикреплен хвостовик, взаимодействовал с торцом ступеньки как с упором.
Дальнейшие возможные варианты осуществления следуют из зависимых пунктов 2-4 формулы изобретения. В соответствии с п. 2 изобретения пластину-резец снабжают компенсирующими износ ее режущих и калибрующих кромок подкладками, взаимодействующими, соответственно, с дном и торцом ступеньки паза, как с упором; с п. 3 - одну подкладку, компенсирующую износ режущей кромки, припаивают к горизонтальной поверхности ступеньки дна паза, а другую - к твердосплавной части пластины-резца; с п. 4 - компенсирующие износ режущих и калибрующих кромок подкладки изготавливают в виде одной изогнутой полоски толщиной, соответствующей износу рабочих кромок.
В предлагаемой коронке высота ступеньки дна паза определяет высоту шва привариваемого хвостовика, следовательно, и уровень теплового действия на пластину-резец, т.е. с этой точки зрения шов должен быть минимальным. Однако он должен быть достаточным, чтобы удержать пластину-резец при ослаблении клинового зажима из-за деформации корпуса коронки. Наибольшее сопротивление сдвигу от воздействия стенок скважины и керна оказывает ступенька паза - упор, благодаря наличию угловых зон и дополнительной горизонтальной плоскости среза по дну паза. Кроме того цельный материал ступеньки дна паза значительно прочнее, чем с множеством различных пор, газовых включений и микродефектов сварной шов. Поэтому уменьшение его высоты и, соответственно, увеличения высоты ступеньки на дне паза вызывает только повышение общей прочности крепления.
Таким образом, наличие ступеньки на дне паза дает предлагаемой коронке следующие преимущества над прототипом:
- повышение надежности крепления пластин-резцов свароклиновым способом;
- уменьшение времени действия температуры на пластину-резец. Комплексный анализ отличительных признаков коронки показывает,
что они обладают новизной, а их совместное действие обеспечивает решение поставленных задач и достижение вышеуказанного технического результата.
Сущность предлагаемой полезной модели раскрывается нижеприведенными чертежами. На фиг. 1 изображен вид на кольцевую коронку спереди; на фиг. 2 - вид на фиг. 1 снизу; на фиг. 3 - вид на скважинообразующую пластину-резец 6 с хвостовиком 7; на фиг. 4 - кернообразующая пластина-резец 3 с хвостовиком 4 и компенсирующими износ режущей кромки подкладками 15, 16 и также - 17, компенсирующей износ подрезных боковых кромок; на фиг. 5 - кернообразующая пластина-резец 3 с компенсирующими износ подкладками и приваренным хвостовиком; на фиг. 6 - кернообразующая пластина-резец с припаянной к ее твердосплавной подложке подкладкой 15 и припаянной к ступеньке дна паза подкладкой 16; на фиг. 7 - кернообразующая пластина-резец с припаянными подкладками и приваренным хвостовиком.
н
в
В состав коронки входят (фиг. 1 и 2): корпус 1, корончатое кольцо 2, кернообразующие четырехугольные двухслойные пластины-резцы 3 с припаянным к твердосплавной подложке стальным хвостовиком 4, клин 5 для прижима пластины-резца, скважинообразующие пластины-резцы 6 с хвостовиком 7, клин 8 для прижима скважинообразующего резца. Наружные и внутренние промывочные каналы 9 соединяются пазом 10. Усилие зажима от клина 5 передается пластине-резцу 3 через промежуточную стенку 11, а от клина 8 - пластине-резцу 6 через промежуточную стенку 12. При этом скважинообразующие пластины-резцы занимают положение подрезными кромками по наружному диаметру коронки - D (фиг. 3), а кернообразующие пластины-резцы - внутреннему диаметру - D (фиг. 4 и 5). Хвостовики скважино - и кернообразующих пластин-резцов дополнительно закреплены сварными швами, соответственно 13 и 14, которые выходят за допустимые наружные и внутренние диаметры коронки. Поэтому после приварки хвостовиков к корончатому кольцу сварные швы дополнительно обрабатываются под соответствующие диаметры коронки (фиг. 1, 3, 5 и 7).
Кольцевая буровая коронка работает следующим образом. При вращении, передаваемом от става бурового станка (не показан), коронка при соприкосновении с забоем скважины разрушает его за счет того, что резцы 3 и 6 установлены с отрицательными передними углами к забою, поверхности керна и стенке скважины. Поэтому прямоугольные пазы наклонены навстречу вращению коронки, благодаря чему резцы передней кромкой внедряются в породу. При этом пластины-резцы в плане ориентированы навстречу к внутренней и внешней цилиндрическим поверхностям резания под определенным углом (на фиг. 2 этот угол принят 15 градусов). В начальный момент бурения при острых режущих кромках резцов осуществляется бурение с наибольшей скоростью. При этом реакцию стенок скважины и керна через пластину-резец воспринимают торец ступеньки дна паза, как цельный упор, и сварной шов. Так как сопротивление срезу ступенька оказывает по сечению двух боковых сторон и дна, а сварной шов по сечению только двух боковых сторон хвостовика, если сварка с двух сторон хвостовика, то прочность ступеньки гораздо выше. Кроме того ступенька-упор, представляющая собой цельный материал, гораздо прочнее, чем сварной шов, который содержит газовые включения, поры, микротрещины и др. макро- и микродефекты. Благодаря этому, свароклиновое крепление с боковым упором становится более стойким при давлении реактивных сил стенок керна и скважины.
В период эксплуатации после износа и заточки рабочих кромок пластин-резцов коронка дополнительно снабжается компенсирующими износ кромок подкладками 15 и 16 равной толщины, а также подкладкой 17, толщиной равной величине потери ширины пластин-резцов (фиг. 4 и 5).
По мере изнашивания режущих кромок, увеличивается площадь контакта резцов с забоем и, соответственно, значительно падает скорость бурения. Поэтому для переустановки пластин-резцов на неизношенные кромки или заточки изношенных, сварные швы хвостовиков пластин-резцов подрезают любым механическим или ручным электрическим угловым резаком и специальной выколоткой выбивают клин и вынимают пластину-резец из паза. После очистки замеряют величину потери высоты и ширины пластин-резцов, и изготавливают компенсирующие износ режущих кромок подкладки 15 и 16, толщиной равной потере высоты, и подкладку 17, толщиной, равной величине потери ширины пластины-резца. Их закладывают на дно ступенчатого паза и устанавливают на них пластину-резец. После этого пластины-резцы предварительно заклинивают, слегка их подбивают к опорным поверхностям ступенчатого дна паза, чтоб зажать подкладки, и заклинивают.
Затем хвостовики пластин-резцов снова приваривают к корпусу коронки. Так как сварка проходит при напряженном состоянии узла крепления, то при нагреве от сварки происходит пластическая деформация в зоне контакта стенок паза и поверхностью пластины-резца, которая ведет к релаксации напряжений, в том числе вызванных выпуклостью или вогнутостью контактирующих поверхностей. Вследствие этого резцеудерживающая способность клинового крепления резко падает, поэтому после сварки дополнительно проводят заклинивание пластин-резцов.
Таким образом, данная коронка, как свароклиновая с разъемным креплением резцов, в эксплуатации отличается от аналогичных [3] только тем, что подкладка на ступеньке-упоре припаивается, так как на нее по мере износа боковых кромок начинает действовать реакция стенок керна и скважины. Кроме того, для более равномерной передачи этих реактивных сил ступеньке-упору и припаянной подкладке подкладка под пластиной-резцом также припаивается к ее твердосплавной подложке.
Источники, принятые во внимание.
1. Патент Российская Федерация №2574091 МПК Е21В 10/48 Буровая коронка с клиновым зажимом резцов / Федоров Л.Н., Ермаков С.А.; заявитель Федер. гос. бюдж. учреждение науки, Инс-т горн. дела Севера им. Н.В. Черского Сиб. отд-ния Рос. акад. наук.; заявл. 11.11.2014; опубл. 10.02. 2016.
2. Патент Российская Федерация №2631 756 МПК Е21В 10/46 (2006.01) Е21В 10/633 (2006.01) Способ разъемного крепления пластин-резцов с двумя или тремя сверхтвердыми слоями и твердосплавной подложкой / Федоров Л.Н., Ермаков С.А., Иванов И.И., Ткаченко В.В., Шипков А.Н.; заявитель Федер. гос. бюдж. учреждение науки, Инс-т горн. дела Севера им. Н.В. Черского Сиб. отд-ния Рос. акад. наук; заявл. 31.05.2016; опубл. 26.09.2017 Бюл. №27.
3. Пат. 2631513 Российская Федерация, МПК Е21В 10/58. Способ эксплуатации прямоугольных двухслойных пластин в кольцевых буровых коронках / Федоров Л.Н., Ермаков С.А.; заявитель и патентообладатель Федер. гос.бюдж. учреждение науки, Инс-т горн. дела Севера им. Н.В. Черского Сиб. отд-ния Рос. акад. наук. - №20151504949/03; заявл. 21.12. 2015; опубл. 25.09. 2017. Бюл. №27.