Винтовой бур для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах
Предлагаемая полезная модель относится к производству земляных работ, в частности к устройствам для образования скважин. Задачей, которую решает данная модель, является снижение энергоемкости бурения скважин в прочных и мерзлых грунтах, в том числе в мерзлом песке. Поставленная задача решается следующим образом. В винтовом буре для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах, содержащем конический сердечник с винтовой лопастью, состоящей из конического участка с постоянным шагом витков и цилиндрического участка с шагом витков, имеющим постоянное приращение относительно шага витков конического участка лопасти, винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на цилиндрическом и коническом участках, равным не более двум, при этом диаметр лопасти на цилиндрическом участке больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков конического участка лопасти более чем в два раза, а сердечник выполнен с углом при вершине равным не более 12°.
Предлагаемая полезная модель относится к производству земляных работ, в частности, к устройствам для образования скважин.
Известна конструкция рабочего органа для образования скважин, включающая буровую штангу, имеющую конический и цилиндрический участки, на которых расположена непрерывная винтовая лопасть [1]. Для облегчения процесса завинчивания рабочего органа в грунт лопасть также имеет конический тяговый и цилиндрический разрушающий участки. Причем шаг разрушающей лопасти больше шага тяговой, а ее диаметр равен основанию конуса, описанного кромкой тяговой лопасти.
Недостатком его является большая энергоемкость процесса бурения прочных мерзлых грунтов, а, кроме того, неспособность завинчиваться в высокоабразивные хрупкие грунты, например, мерзлые пески, вследствие того, что при взаимодействии с лопастью, геометрия которой не соответствует данным грунтовым условиям, происходит их хрупкое разрушение, и конический участок лопасти теряет тяговую способность.
Наиболее близким к предлагаемому является буровой инструмент для проходки скважин в мерзлых грунтах, который включает сердечник, имеющий конический с углом при вершине не менее 16° и цилиндрический участки, на которых расположена непрерывная винтовая лопасть, также имеющая конический тяговый с тремя витками на коническом участке сердечника и цилиндрический разрушающий (не более одного витка на цилиндрическом участке сердечника) участки [2].
Лопасть имеет переменное поперечное сечение, его площадь постепенно увеличивается на коническом участке и становиться максимальной на
цилиндрическом участке сердечника, кроме того, шаг ее на обоих участках неодинаков - меньший и постоянный на коническом участке и дифференциальный, имеющий постоянное приращение относительно шага тяговой лопасти, на цилиндрическом участке. При этом диаметр разрушающего участка лопасти равен основанию конуса, описанного кромкой тягового участка лопасти, имеющего угол при вершине 30°. На верхнем конце сердечника выполнен шестигранный хвостовик, служащий для соединения бурового инструмента со шнеком.
Работает данный бур следующим образом. После установки бура на грунт ему сообщается осевое усилие и крутящий момент. Начинается погружение бура в грунт, и по достижении им некоторой глубины конический участок лопасти развивает тяговое усилие вследствие того, что благодаря определенной геометрии его витков создается уплотнение хрупкого грунта в межвитковом пространстве и тем самым исключается его разрушение. Затем осевое усилие снимается, и бур завинчивается в грунт под действием крутящего момента. После ввода в контакт с грунтом разрушающей лопасти происходит его деформация на величину приращения шага ее витков. Происходит послойное отделение грунта от массива и в результате - образование скважины.
Основным недостатком рассмотренного инструмента является большая энергоемкость процесса погружения в грунт тягового участка лопасти, так как, благодаря геометрии его витков, происходит уплотнение, всестороннее сжатие, грунта в межвитковом пространстве для того, чтобы исключить его хрупкое разрушение и тем самым придать лопасти тяговую способность на хрупких грунтах, например, в мерзлом песке. Кроме того, в процессе работы инструмента выполняются две противоположные задачи: всестороннее сжатие грунта в межвитковом пространстве инструмента, то есть его упрочнение для поддержания тяговой способности конической части лопасти, и последующее разупрочнение, отделение уплотненного объема грунта от массива, которое происходит с использованием сдвиговых усилий,
действующих на поверхности, проходящей в уплотненном объеме грунта, то есть после уплотнения этого объема на его разрушение необходимо затратить большее количество энергии, чем, если бы он оставался в естественном состоянии.
Задачей полезной модели является снижение энергоемкости бурения скважин в прочных и мерзлых грунтах, в том числе мерзлом песке.
Поставленная задача решается следующим образом. В винтовом буре для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах, содержащем конический сердечник с винтовой лопастью, состоящей из конического участка с постоянным шагом витков и цилиндрического участка с шагом витков, имеющим постоянное приращение относительно шага витков конического участка лопасти, винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на цилиндрическом и коническом участках, равным не более двум, при этом диаметр лопасти на цилиндрическом участке больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков конического участка лопасти более чем в два раза, а сердечник выполнен с углом при вершине, равным не более 12°. При значительном снижении этого угла относительно указанного значения может произойти деформация сердечника при погружении бура в грунт, а также не будет обеспечиваться упрочнение грунта в межвитковом пространстве инструмента, достаточное для развития тяговой способности коническим участком лопасти. Превышение же значения угла, равного 12°, приведет к повышению энергозатрат на погружение в грунт конического участка бура.
Предлагаемый бур для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах включает сердечник и размещенную на нем непрерывную винтовую лопасть. Также как и у прототипа, сердечник имеет конический и цилиндрический участки, а лопать - коническую тяговую и цилиндрическую породоразрушающую части. Шаг витков тяговой части лопасти постоянен, а шаг разрушающей части лопасти дифференциальный.
В отличие от прототипа конический участок сердечника предлагаемого бура выполнен с меньшим углом при вершине не более 12°, тяговая часть лопасти содержит меньшее количество витков, равное не более двум, а разрушающая часть лопасти имеет значительный вылет относительно последнего витка тяговой части лопасти, то есть диаметр разрушающей части лопасти больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков тяговой части лопасти не менее, чем в два раза. К тому же ее витки имеют меньшую площадь сечения по сравнению с одноименными витками лопасти прототипа (разрушающие витки в 1,5 раза).
Предлагаемый винтовой бур погружается в грунт под действием усилия, приложенного вдоль его оси вниз, и крутящего момента.
Во время этого процесса происходит деформация грунта коническим сердечником и уплотнение его в направлениях нормальных к образующим сердечник поверхностям. То же самое происходит и в результате внедрения в грунт конической тяговой части лопасти. В результате этих процессов происходит формирование уплотненной зоны, способствующей появлению пластических деформаций грунта, что способствует завинчиванию конического участка лопасти в грунт без разрушения последнего. Это особо актуально для хрупких грунтов таких, как мерзлый песок.
На данном этапе снижение энергоемкости происходит посредством уменьшения угла при вершине конического сердечника до значения, равного не более 12°, в результате снижается сопротивление внедрению сердечника в грунт. Выполнение тяговой части лопасти с уменьшенным количеством витков, равным не более двум, способствует уменьшению силы трения их о грунт, а, следовательно, и крутящего момента, необходимого для ее преодоления. Дальнейшее снижение количества витков конического участка лопасти может привести к потери им тяговой способности, что потребует постоянного приложения принудительного осевого усилия к предлагаемому винтовому буру в процессе бурения и, следовательно, к повышению
энергоемкости рабочего процесса.
После тяговой части лопасти в грунт внедряется цилиндрическая разрушающая часть лопасти. Благодаря значительному ее вылету, приращению радиуса более чем в два раза относительно последнего витка тяговой части лопасти, кромка разрушающей части лопасти проходит уплотненную зону в массиве грунта, образованную тяговой частью лопасти, создает расклинивающее усилие, а в результате скол грунта происходит не в уплотненной зоне, а в объеме грунта, плотность которого близка к естественной. Таким образом, в предлагаемом инструменте для разрушения грунта используются преимущественно разрывные усилия взамен сдвиговых, которые имеются у прототипа и которые грунт воспринимает хуже. Схема разрушения грунта становится менее энергоемкой.
При уменьшении указанного значения вылета разрушающих витков относительно последнего витка тяговой части лопасти не будет происходить полного отделения элементов грунта от массива в забое скважины. Значительное же его превышение потребует приложения к винтовому буру большего крутящего момента, необходимого для преодоления сопротивления грунта внедрению в него витков разрушающей части лопасти и силы трения их о грунт. К тому же в этом случае тяговое усилие, создаваемое коническим участком лопасти, может оказаться недостаточным для обеспечения работы винтового бура и возникнет необходимость в приложении к нему принудительной осевой нагрузки. То есть потребуются дополнительные энергозатраты.
На фиг.1 представлен предлагаемый винтовой бур для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах, общий вид.
Предлагаемый бур состоит из конического сердечника 1 (фиг.1), на котором размещена непрерывная винтовая лопасть 2, включающая конический тяговый и цилиндрический разрушающий участки.
Работает предлагаемый винтовой бур следующим образом.
Бур вводится в соприкосновение с грунтом, после чего посредством бурового оборудования ему сообщаются осевое задавливающее усилие и крутящий момент. Происходит погружение бура в грунт. При этом последний раздвигается внедряющимися в него коническим сердечником 1 и тяговой частью лопасти постоянного шага и уплотняется в направлениях, нормальных к образующим их поверхностям. В результате уплотнения грунт в межвитковом пространстве упрочняется и дает возможность конической части лопасти развить тяговую способность, не разрушаясь под ее воздействием. При этом тяговая часть лопасти развивает лишь большую долю всего тягового усилия, необходимого для погружения бура без приложения принудительной осевой нагрузки.
Следом за тяговой частью лопасти в контакт с грунтом вступает разрушающая часть лопасти, работающая как винтовой клин. Благодаря значительному ее вылету, увеличению радиуса, относительно последнего витка тяговой части лопасти кромка разрушающей части лопасти, вклиниваясь в грунт, выходит за границы уплотненной зоны в массиве грунта, образованной тяговой частью лопасти, создает расклинивающее усилие, и таким образом производит отрыв объема грунта в межвитковом пространстве, который происходит вне уплотненной зоны, то есть поверхность отделения скалываемого куска от массива проходит в объеме грунта, плотность которого близка к естественной. Таким образом, происходит образование скважины. Кроме того, разрушающая часть лопасти, воспринимая реакцию грунта, создает давление на тяговую часть лопасти, принимая таким образом на себя роль в создании оставшейся доли необходимого тягового усилия. После погружения 2/3 всей лопасти в грунт принудительное осевое усилие снимается, и погружение бура в грунт происходит под действием одного только крутящего момента.
За счет приращения шага разрушающей части лопасти относительно шага витков тяговой части лопасти осуществляется зачистка стенки
скважины и вынос продуктов разрушения к транспортному устройству, например, шнеку.
Предлагаемый винтовой бур для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах отличается тем, что позволяет производить бурение мерзлых песков, имеющих высокую хрупкость, при работе в которых другие инструменты оказываются малоэффективными, например, некоторые конструкции винтовых буров или полностью непригодными, как, например, режущие буры. По сравнению с прототипом энергоемкость проходки скважины с применением предлагаемого бура ниже на 20%. Его износостойкость на 30...40% выше износостойкости режущих инструментов, при этом он может быть изготовлен, например, из стали 35, стоимость которой гораздо ниже твердых сплавов, используемых при изготовлении режущих головок.
Предлагаемый винтовой бур может быть использован для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах в строительстве и на предприятиях добывающей промышленности при геологоразведке в районах с преобладанием вечномерзлых грунтов.
Источники информации
1. А. с. №975924 (СССР), МКИ 3 Е 02 F 5/20. Рабочий орган для образования скважин / М.И. Артемьев, В.Ф. Миронов // Б.и. - 1982. - №43.
2. Мартюченко И.Г. Буровой инструмент для проходки скважин в мерзлых грунтах / И.Г. Мартюченко, А.А. Цымбалов, М.И. Стрелюхин; Сарат. политехн. ин-т. - Саратов, 1990. - Деп. в ЦНИИТЭстроймаш, №62-сд 90 (прототип).
Винтовой бур для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах, содержащий конический сердечник с винтовой лопастью, состоящей из конического участка с постоянным шагом витков и цилиндрического участка с шагом витков, имеющим постоянное приращение относительно шага витков конического участка лопасти, отличающийся тем, что винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на цилиндрическом и коническом участках, равным не более двум, диаметр лопасти на цилиндрическом участке больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков конического участка лопасти более чем в два раза, а сердечник выполнен с углом при вершине, равным не более 12°.
