Режуще-шарошечное буровое долото

Режуще-шарошечное буровое долото относится к области горного дела и может быть использовано для бурения взрывных скважин преимущественно на открытых горных работах для дробления горных пород. Долото включает корпус, лапы с установленными на свободной оси вращения шарошками, оснащенными породоразрушающими элементами в виде зубьев и/или штырей, образующими периферийное, с калибрующей кромкой, и центральное вооружение. Оси шарошек пересекаются в одной точке, лежащей на геометрической оси вращения корпуса. Имеется подвижная лопасть с режущей частью, расположенной между шарошками, которая подпружинена таким образом, что сила упругости всегда меньше осевого усилия, приходящегося на шарошки. Форма шарошек такая, что развертка конусной поверхности, образованной периферийным вооружением, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения корпуса, стороны имеет некруглую выпуклую форму и в проекции на поперечное сечение скважины, является такой частью фигуры, образованной поперечным сечением скважины, которая по площади и форме является половиной либо 2/3 частью всего поперечного сечения скважины. Передаточное отношение долота равно 2, если скважина в поперечном сечении представляет собой фигуру с центральной симметрией и 1.5, если скважина в поперечном сечении представляет собой фигуру, состоящую из трех равных по площади и форме частей, а также крайняя от оси вращения корпуса точка на режущей части имеет радиус вращения меньший радиуса окружности, вписанной в поперечное сечение скважины. Периферийное вооружение шарошек имеет одинаковое количество породоразрушающих элементов с одинаковым шагом их расстановки на каждой шарошке. 3 ил.

Предлагаемая полезная модель относится к области горного дела и может быть использована для бурения взрывных скважин, преимущественно на открытых горных работах для дробления горных пород.

Известны шарошечные долота, включающие корпус, лапы с установленными на свободной оси вращения шарошками, оснащенными породоразрушающими элементами в виде зубьев и/или штырей, образующими периферийное, с калибрующей скважину кромкой, и центральное вооружение. Вооружение шарошек образует несколько конусных поверхностей, проведенных по вершинам зубьев и/или штырей. Шаг и количество зубьев и/или штырей периферийного вооружения шарошек разные на каждой шарошке, поэтому шарошки движутся с разной частотой вращения (Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / Под. ред. В.А.Перетолчина. - М.: «Недра», 1993, С.207-213). Скважина в поперечном сечении представляет собой окружность, так как расстояние от центра вращения бурового шарошечного долота до точки на калибрующей кромки шарошки, находящейся в контакте с забоем, является одинаковым при любом положении шарошек относительно оси их вращения.

Недостатком известных шарошечных долот является бурение скважины только с круглым поперечным сечением, потому что развертка конусной поверхности, проведенной по вершинам периферийного вооружения, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения бурового шарошечного долота, стороны представляет собой окружность и шарошки движутся с разной относительно друг друга частотой вращения, так как количество зубьев на их периферийных венцах разное на каждой шарошке.

Известно буровое шарошечное долото, содержащее шарошки с одинаковым количеством зубьев на их периферийных венцах. (Новое в бурении скважин. Труды МИНХиГП им. Губкина. Вып.96, М.: «Недра», 1970, с.18-19).

Недостатком известного бурового шарошечного долота является бурение скважины с круглым поперечным сечением, потому что развертка конусной поверхности, проведенной по вершинам периферийного вооружения, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения бурового шарошечного долота, стороны представляет собой окружность.

Недостатком вышеперечисленных устройств также является то, что шарошки воспринимают осевую нагрузку полностью, это приводит к необходимости уменьшать передаточное отношение шарошек, чтобы увеличить размеры подшипниковой опоры, так как при увеличении передаточного отношения уменьшиться угол конусности шарошки и это приведет к уменьшению диаметра подшипниковой опоры шарошки и к снижению ее долговечности. Поэтому передаточное отношение этих буровых долот меньше 1.5-2 и это не позволяет получить развертку шарошки в виде части фигуры, образованной поперечным сечением скважины, которая по площади и форме является половиной либо 2/3 частью всего некруглого поперечного сечения скважины.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является режуще-шарошечное долото, включающее корпус, лапы с установленными на свободной оси вращения шарошками, оснащенными породоразрушающими элементами в виде зубьев и/или штырей, образующими периферийное, с калибрующей скважину кромкой, и центральное вооружение. Оси шарошек пересекаются в одной точке, лежащей на оси вращения корпуса. Вооружение шарошек образует несколько конусных поверхностей, проведенных по вершинам зубьев и/или штырей. Имеется подвижная подпружиненная лопасть с режущей частью (Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / Под. ред. В.А.Перетолчина. - М.: «Недра», 1993, С.235-238).

Недостатком данной конструкции является бурение скважины только с круглым поперечным сечением, потому что развертка конусной поверхности, проведенной по вершинам периферийного вооружения, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения бурового шарошечного долота, стороны представляет собой окружность.

Задачей полезной модели является обеспечение бурения скважины с некруглой формой поперечного сечения. Достигаемый технический результат - воздействие на забой скважины с разным радиусом разрушающей зоны контакта с породой при вращении с уменьшением осевой нагрузки, приходящейся на шарошки.

Для достижения указанного результата в буровом инструменте, включающем корпус, лапы с установленными на свободной оси вращения шарошками, оснащенными зубчатыми и/или штыревыми породоразрушающими элементами, образующими периферийное вооружение, с калибрующей кромкой, и центральное вооружение, с осями шарошек, пересекающимися в одной точке, лежащей на оси вращения корпуса, подвижную подпружиненную лопасть с режущей частью для уменьшения осевой нагрузки, приходящейся на шарошки, применены следующие новые признаки.

Форма шарошек такая, что развертка конусной поверхности, образованной периферийным вооружением, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения корпуса, стороны имеет некруглую выпуклую форму, поэтому воздействие на забой скважины происходит с разным радиусом разрушающей зоны контакта вооружения шарошек с породой и приводит к формированию каждой шарошкой скважины с некруглым поперечным сечением. Выпуклая форма необходима для свободного вращения шарошек внутри скважины без зацепления о стенки скважины.

В проекции на поперечное сечение скважины развертка конусной поверхности, образованной периферийным вооружением, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения корпуса, стороны, является такой частью фигуры, образованной поперечным сечением скважины, которая по площади и форме является половиной либо 2/3 частью всего поперечного сечения скважины, для того, чтобы калибрующая кромка каждой шарошки, перекатываясь по забою, многократно воспроизводила одинаковую форму поперечного сечения скважины с центральной симметрией, либо состоящую из трех равных по площади и форме частей соответственно. Передаточное отношение шарошек равно 2, если скважина в поперечном сечении представляет собой фигуру с центральной симметрией и 1.5, если скважина в поперечном сечении представляет собой фигуру, состоящую из трех равных по площади и форме частей.

Для того, чтобы шарошки вращались синхронно и с постоянным передаточным отношением, необходимо следующее.

Крайняя от оси вращения корпуса точка на режущей части имеет радиус вращения меньший радиуса окружности, вписанной в поперечное сечение скважины, для того, чтобы не разрушать периферийную зубчатую рейку, по которой шарошки могут перекатываться с постоянным передаточным отношением синхронно.

Периферийное вооружение шарошек имеет одинаковое количество породоразрушающих элементов с одинаковым шагом их расстановки на каждой шарошке.

Лопасть с режущей частью подпружинена таким образом, что сила упругости всегда меньше осевого усилия, приходящегося на шарошки, для того, чтобы шарошки не теряли контакт с забоем при уменьшении осевого усилия в процессе бурения. Наличие лопасти с режущей частью и то, что режущая часть подпружинена, приводят к уменьшению осевого усилия, приходящегося на шарошки.

На фиг.1 изображен вид сбоку в разрезе бурового инструмента; на фиг.2 - развертка боковой поверхности шарошки в проекции на поперечное сечение скважины квадратной формы; на фиг.3 - развертка боковой поверхности шарошки в проекции на поперечное сечение скважины треугольной формы.

Режуще-шарошечное буровое долото включает корпус 1, лапы 2 с установленными на свободной оси вращения шарошками 3, оснащенными зубчатыми и/или штыревыми породоразрушающими элементами, образующими периферийное 4 вооружение, с калибрующей кромкой 5, и центральное 6 вооружение, подвижную подпружиненную при помощи пружины 7 сжатия лопасть 8 с режущей частью 9. Лопасть 8 установлена в корпусе 1, а пружина 7 сжатия с одной стороны взаимодействует с лопастью 8, а с другой - упирается в регулировочную гайку 10.

Лопасть 8 с режущей частью 9 подпружинена таким образом с помощью регулировочной гайки 10, что сила упругости всегда меньше осевого усилия, приходящегося на шарошки 3.

Оси шарошек 3 пересекаются в одной точке, лежащей на оси вращения корпуса 1.

Форма шарошек 3 такая, что развертка конусной поверхности, образованной периферийным 4 вооружением, на поверхность забоя (не показана), с внешней, относительно центра О вращения корпуса 1, стороны имеет некруглую выпуклую форму.

В проекции на поперечное сечение скважины развертка конусной поверхности, образованной периферийным 4 вооружением, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения корпуса 1, стороны, является такой частью фигуры, образованной поперечным сечением скважины, которая по площади и форме является половиной (фиг.2) либо 2/3 (фиг.3) частью всего поперечного сечения скважины,

Передаточное отношение шарошек 3 равно 2, если скважина в поперечном сечении представляет собой фигуру с центральной симметрией и 1.5, если скважина в поперечном сечении представляет собой фигуру, состоящую из трех равных по площади и форме частей. Передаточное отношение i шарошки 3 есть отношение частоты вращения шарошки 3 вокруг собственной оси к частоте вращения корпуса 1. Передаточное отношение шарошки 3 определяется из выражения

,

где - угол конусности шарошки 3. (фиг.1);

- угол между осью вращения шарошки и осью вращения долота (фиг.1);

i - передаточное отношение долота.

Поэтому путем выбора угла и можно получить требуемое передаточное отношение.

Крайняя от оси вращения корпуса 1 точка на режущей части 9 имеет радиус вращения меньший радиуса окружности, вписанной в поперечное сечение скважины.

Периферийное вооружение шарошек 3 имеет одинаковое количество породоразрушающих элементов с одинаковым шагом их расстановки на каждой шарошке 3.

Работает режуще-шарошечное буровое долото следующим образом.

На корпус 1 от бурового станка (станок не показан) передается осевое усилие и крутящий момент. В результате этого пружина 7 сжатия сжимается, снижая осевое усилие, приходящееся на шарошки 3, а шарошки 3 перекатываются по забою, вращаясь вокруг собственной свободной оси вращения. При этом периферийное вооружение 4 шарошек 3 наносит удары по забою скважины, от которых на периферии скважины образуется зубчатая рейка (не показана), по которой шарошки 3 перекатываются с одинаковой частотой вращения. Устойчивость зубчатой рейки в процессе бурения доказана экспериментально (Симонов В.В., Выскребцов В.Г. Работа шарошечных долот и их совершенствование. - М.: Недра, 1975). После того как образовалась зубчатая рейка, режуще-шарошечное буровое долото приподнимают над забоем и шарошки 3 ориентируют таким образом, чтобы расположение их было симметричным относительно оси вращения корпуса 1.

Затем шарошки 3 опускают на зубчатую рейку и процесс бурения продолжают. Вследствие того, что развертка конусной поверхности, образованной периферийным 4 вооружением, на поверхность забоя, с внешней, относительно центра вращения корпуса 1, стороны, является такой частью фигуры, образованной поперечным сечением скважины, которая по площади и форме является половиной либо 2/3 частью всего некруглого поперечного сечения скважины, калибрующая кромка 5 каждой шарошки 3, перекатываясь по забою, многократно воспроизводит одинаковую форму поперечного сечения скважины с центральной симметрией (фиг.2), либо состоящую из трех равных по площади и форме частей (фиг.3) соответственно. Воздействие на забой скважины происходит с разным радиусом R, зависящим от угла поворота (фиг.2 и 3) разрушающей зоны контакта шарошек 3 с породой при вращении корпуса 1.

Центральная часть скважины разрушается центральным вооружением 6 шарошек 3 и режущей частью 7. При этом, крайняя от центра геометрической оси вращения долота точка на лопасти 7 с режущей частью описывает окружность с радиусом, меньшим радиуса окружности, вписанной в поперечное сечение скважины, поэтому в процессе бурения зубчатая рейка (не показана) сохраняется.

Перед бурением предварительное усилие сжатия пружины 8 регулируется путем поворота регулировочной гайки 9, таким образом, что сила упругости всегда меньше осевого усилия, приходящегося на шарошки 3 и поэтому шарошки 3 при бурении перекатываются по зубчатой рейке на забое без проскальзывания и этим обеспечивается постоянная форма поперечного некруглого сечения скважины при ее углублении. Подпружиненная режущая часть 7 воспринимает часть осевого усилия, приходящегося на корпус 1, поэтому уменьшается осевое усилие, приходящееся на шарошки 3.

Режуще-шарошечное буровое долото, включающее корпус, лапы с установленными на свободной оси вращения шарошками, оснащенными породоразрушающими элементами в виде зубьев и/или штырей, образующими периферийное, с калибрующей кромкой, и центральное вооружение, с осями шарошек, пересекающимися в одной точке, лежащей на геометрической оси вращения корпуса, подвижную подпружиненную лопасть с режущей частью, расположенной между шарошками, отличающееся тем, что форма шарошек такая, что развертка конусной поверхности, образованной периферийным вооружением, на поверхность забоя с внешней относительно центра вращения корпуса стороны имеет некруглую выпуклую форму и в проекции на поперечное сечение скважины является такой частью фигуры, образованной поперечным сечением скважины, которая по площади и форме является половиной либо 2/3 частью всего поперечного сечения скважины, передаточное отношение долота равно 2, если скважина в поперечном сечении представляет собой фигуру с центральной симметрией, и 1,5, если скважина в поперечном сечении представляет собой фигуру, состоящую из трех равных по площади и форме частей, а также крайняя от оси вращения корпуса точка на режущей части имеет радиус вращения, меньший радиуса окружности, вписанной в поперечное сечение скважины, периферийное вооружение шарошек имеет одинаковое количество породоразрушающих элементов с одинаковым шагом их расстановки на каждой шарошке, а лопасть с режущей частью подпружинена таким образом, что сила упругости всегда меньше осевого усилия, приходящегося на шарошки.