Буровая коронка для перфораторного бурения

 

Изобретение относится к буровому инструменту, а именно к штыревым коронкам для перфораторного (ударно-поворотного) бурения, которые используют для проведения буро-взрывных работ и обеспечивают повышение работоспособности бурового инструмента за счет снижения количества поломок твердосплавных вставок и снижение интенсивности их износа по периферии. Сущность: в буровой коронке для перфораторного бурения выполнен корпус, состоящий из головки с конической боковой поверхностью, хвостовика и цилиндро-сферических вставок, установленных под углом к оси коронки, расположенных на торце головки по его периферии. На периферийной боковой поверхности цилиндро-сферических вставок выполнен участок, являющийся продолжением упомянутой боковой конической поверхности головки, при этом радиус, проведенный из центра сферической поверхности каждой вставки к точке пересечения конической и сферической поверхностей вставки, расположенной в радиальном сечении коронки, образует с плоскостью, перпендикулярной оси коронки, угол, равный 30-45^o, при этом вставки целесообразно устанавливать под углом 10-20^o к оси коронки. 6 ил., 1 табл.

Изобретение относится к буровому инструменту, а именно к штыревым коронкам для ударно-поворотного бурения, которые используют для проведения буро-взрывных работ.

Известна буровая коронка для ударно-поворотного бурения (авт. св. N 1355685, кл. E 21 B 10/36 от 29.12.84), выполненная в виде корпуса, состоящего из головки с конической боковой поверхностью хвостовика и цилиндро-сферических твердосплавных вставок, расположенных на торце головки таким образом, что торцы их хвостовиков размещены на поверхности полусферы, концентричной с полусферой днища посадочного отверстия корпуса, при этом толщина тела головки корпуса постоянна, что позволяет обеспечить равномерное распределение ударных контактных напряжений и, как следствие, повысить циклическую прочность коронки в целом.

Известна также буровая коронка (заявка Великобритании N 1506239, кл. E 1, кл. E 21 B 9/02, опубл. 05.04.78), содержащая корпус, выполненный в виде головки c конической боковой поверхностью, хвостовика и расположенных на торце головки по концентрическим окружностям в центральной части и по периферии цилиндра сферические твердосплавные вставки, установленные под углом 35^o к оси инструмента, количество которых в каждой из концентрических окружностей принимается пропорциональным объему разрушаемой породы.

В процессе бурения коронками описанных выше конструкций сферические поверхности периферийных штырей будут испытывать со стороны периферийного угла шпура действие радиальных составляющих от сил взаимодействия вставок с породой в плоскости, проходящей через центры периферийных штырей и перпендикулярной оси коронки. Эти усилия вызовут растягивающие напряжения в твердом сплаве, приводящие к поломкам вставок. Кроме этого, высокие контактные напряжения, вызванные малой площадью контакта и острым углом клина, образованным полусферой штыря с цилиндрической поверхностью шпура, ведут к интенсивному износу твердосплавных вставок по периферии и к образованию обратного конуса, что в свою очередь увеличивает радиальные составляющие на штырях от сил взаимодействия.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования конструкции буровой коронки, в которой за счет изменения угла наклона твердосплавных вставок к оси коронки и изменения формы их боковой периферийной поверхности обеспечивается уменьшение радиальных составляющих, действующих на вставки со стороны периферии шпура, повышение их сопротивления износу, механической скорости бурения, как следствие, повышение работоспособности бурового инструмента и эффективности бурения в целом.

Поставленная задача решается тем, что в буровой коронке для ударно-поворотного бурения горных пород, выполненной в виде корпуса, состоящего из головки с конической боковой поверхностью, хвостовика и цилиндро-сферических вставок, расположенных на торце головки по его периферии под углом к оси коронки, согласно изобретению на периферийной боковой поверхности цилиндро-сферических вставок выполнен участок, являющийся продолжением упомянутой боковой конической поверхности головки, при этом радиус проведенный из центра сферической поверхности каждой вставки к точке пересечения конической и сферической поверхностей вставки, расположенной в радиальном сечении коронки, образует с плоскостью, перпендикулярной оси коронки, угол, равный 40-45^o, при этом вставки целесообразно устанавливать под углом 10-20^o к оси коронки.

Причинно-следственная связь между отличиями и достигаемыми техническими результатами состоит в следующем.

Конструктивное выполнение предлагаемой нами коронки приводит к достижению приведенных выше технических результатов благодаря тому, что образованные на периферийных боковых поверхностях цилиндро-сферических вставок, установленных под определенным углом, участки образуют линии В (фиг.6) контакта с забоем, которые расположены под плоскостью, проходящей через центры полусфер вставок, при этом во много раз увеличивается угол клина, образованного стенкой шпура и касательной к точке на штыре, определяющей диаметр шпура. Углы и b взаимосвязаны, т.к. их изменения влияют на площади заявленных участков, длину линии С, направление действия равнодействующей Р со стороны шпура на вставку и угол g между усилием Р и осью вставки. Так, например, с увеличением углов a и b угол g уменьшается, что снижает радиальную составляющую P_р, действующую на вставку, которая вызывает напряжения растяжения и ее поломку. Кроме этого, увеличение длины линии В контакта вставок с забоем по диаметру коронки уменьшает удельное давление и повышает сопротивление износу участков, где он наибольший. Уменьшение площадок контакта вставок с породой в проекции на забой шпура позволяет повысить скорость бурения.

Таким образом, все перечисленные факторы способствуют уменьшению износа и поломок вставок, что повышает работоспособность заявленного бурового инструмента и эффективность бурения в целом.

На фиг.1, 2 показан общий вид и вид сверху заявляемой коронки; на фиг.3, 4 то же, коронки по прототипу; на фиг.5 разрез А-А на фиг.2; на фиг.6 - вид Б на фиг.5.

Заявляемая буровая коронка (фиг. 1, 2) для ударно-поворотного бурения горных пород содержит корпус 1, состоящий из головки 2 с конической боковой поверхностью 3, хвостовика 4 и закрепленных с помощью пайки на торце головки 2 по его периферии цилиндрических твердосплавных вставок 5, установленных под углом к оси коронки, равным 15^o. На боковой периферийной поверхности твердосплавных вставок 5 имеется участок 6 (фиг.6), являющийся продолжением упомянутой боковой конической поверхности головки 2, при этом радиус, проведенный из центра О сферической поверхности каждой вставки 5 (фиг.5) к точке Б пересечения конической и сферической поверхностей вставки 5, расположенной в радиальном сечении коронки, образует с плоскостью С-С (фиг.3), перпендикулярной продольной оси коронки, угол b, равный 40^o (или, что то же самое, с плоскостью, проходящей через центры сферических поверхностей вставок 5).

Величины углов a и b были подобраны экспериментально при испытании коронок с цилиндро-сферическими вставками 5 в процессе бурения шпуров по гранитам крепостью 14-16 по шкале проф. Протодьяконова с использованием перфоратора ПК-60. Испытывались буровые коронки диаметром 40 мм, изготовленные с углами a и b, равными граничным заявляемым соотношениям и при выходе за их пределы, а также коронки по прототипу (в тех же условиях).

Результаты испытаний приведены в таблице.

Как видно из таблицы, коронки, изготовленные в соответствии с предложением, имеют более высокие показатели по скорости бурения при меньшем удельном расходе инструмента. Это объясняется следующими факторами. При малых углах a периферийная боковая поверхность вставки 5 вскрыта почти по всей высоте и имело место выпадание вставок 5, а при их величинах 25^o и более резко снижается количество периодов стойкости из-за интенсивного уменьшения диаметра коронки при бурении и последующей заточке. Величина угла b имеет оптимальное значение, т.к. при величинах меньше 30^o увеличивается интенсивность износа вставок 5 по периферии, а при величинах больше 45^o снижается прочность вставок 5 из-за уменьшения ее размера в радиальном сечении. Кроме того, наличие на твердосплавных вставках 5 описанных участков снижает их поломки, т. к. уменьшаются радиальные составляющие усилий взаимодействия с породой благодаря тому, что линия контакта с цилиндрической поверхностью шпура находится не в плоскости С-С, проходящей через центры полусфер, а в плоскости, проходящей через точку Б (фиг.5).

Заявляемая буровая коронка работает следующим образом. При бурении шпура предложенной коронкой (фиг.1) уменьшена зона контакта с породой рабочей поверхности вставки 5 благодаря наличию образования участка 6. Это вызвало изменение величины и направления действия усилия Р по сравнению с прототипом (фиг.3) таким образом, что уменьшилась радиальная составляющая Р_р, а следовательно, и напряжение изгиба на периферии вставки 5. Смещение периферийной точки контакта вставок 5 с цилиндрической поверхностью шпура из плоскости С-С (фиг. 3) в точку Б (фиг.5) снижает возможность заклинивания коронки и усилие отжима 6 вставок 5 к оси коронки. Появление участка 6 (фиг.6) позволяет снизить износ на периферии вставок 5, т.к. вместо точки Д (фиг.4) в контакте с цилиндрической поверхностью шпура будет линия шириной В (фиг.6).

Представленные обоснования показывают возможность решения поставленной задачи и промышленную применимость заявляемой коронки. ТТТ1

Формула изобретения

Буровая коронка для перфораторного бурения, содержащая корпус, состоящий из головки с конической боковой поверхностью, хвостовика и цилиндро-сферических вставок, установленных под углом к оси коронки и расположенных на торце головки по его периферии, отличающаяся тем, что на периферийной боковой поверхности вставок, установленных под углом 10 20° к оси коронки, выполнен участок, являющийся продолжением конической боковой поверхности головки, при этом радиус, проведенный из центра сферической поверхности каждой вставки к точке пересечения конической и сферической поверхностей вставки, расположенной в радиальном сечении коронки, образует с плоскостью, перпендикулярной оси коронки, угол 30 45°.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7