Шнековий бур для формування отворів у ґрунті

Реферат: Шнековий бур для формування отворів у ґрунті містить ступінчасто-регульований по довжині буровий вал з секціями, які скріплюються за допомогою різьбових з’єднань з рукояткою у верхній і центрувальним конусом у нижній частині, бурову головку, що містить однозахідний шнек з різальною суцільною або зубчатою кромкою, що закріплена на буровому валу вище центрувального конуса, циліндричну оболонку, що охоплює однозахідний шнек і скріплена з ним у нижній частині. З метою вдосконалення конструкції бура, зменшення його металомісткості та підвищення продуктивності буріння шляхом зменшення дотичної поверхні між шнеком бура і ґрунтом, гвинтова поверхня однозахідного шнека обмежена центральним кутом  в межах 300330°, циліндрична оболонка має висоту, меншу за два її діаметри і верхня частина її скріплена з буровим валом центруючими фіксаторами, різальна кромка однозахідного шнека виходить за межі циліндричної оболонки на величину, не менше 10 % від її радіуса, та розташована під випереджаючим до радіального напрямку кутом  10-20°. UA 110755 C2 (12) UA 110755 C2 UA 110755 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до бурової техніки, а саме до обертового буріння для господарських та будівельних робіт. Відомі технічні рішення за патентами: - пристрій і спосіб висвердлювання отворів у землі у вигляді двох діаметрально розташованих відносно бурового вала ріжучих лопатей та закріпленого на них кільця [1]; - шнековий побутовий бур у вигляді двох врізних ножів з закріпленим на одному з них гвинтовим шнеком з буртиком, висотою 0.05-0.5 кроку гвинтової поверхні [2]; - земляний бур з накопичувачем у вигляді бурової шнекової головки з закріпленим над нею поворотним накопичувачем з повздовжнім пазом шириною більше за діаметр бурової штанги [3], мають конструкцію, що обумовлює енерговитратність та недостатню продуктивність буріння. Недоліком переважної більшості конструкцій є тертя ґрунту між шнековими поверхнями та поверхнею бурового отвору, низька продуктивність на пісчаних ґрунтах внаслідок просипання ґрунту в отвір при вийманні бура та бурінні, що призводе до здійснення додаткових операцій по очищенню бурового отвору. Наявність багатовиткового шнека збільшує металомісткість бура та енерговитратність буріння внаслідок тертя ґрунту між витками шнека, у пазах накопичувача, усією поверхнею отвору або часткового обмеженою гвинтовим буртиком. Прототипом винаходу прийнято ручний бур для формування отворів у ґрунті [4], який є найбільш близьким за технічною суттю і технічним результатом до винаходу. Відомий бур для формування отворів у ґрунті містить штангу з загостреною кінцівкою у нижній частині, рукоятку закріплену у її верхній частині і різальний вузол, розташований над кінцівкою. Штанга є регульованою по довжині. Різальний вузол, утворений щонайменше двома закріпленими на штанзі один над другим робочими витками шнеків різного діаметра з верхньою і нижньою радіальними різальними кромками. Верхні різальні кромки розташовані під кутом 180° відносно нижніх. Різальний вузол має шнеки зі щонайменше чотирма витками з кутом заходу 6-15°. Для горизонтальних скважин більший зі шнеків бура має циліндричну "юбку", висотою більше двох діаметрів шнека, з нижньою кромкою, з'єднаною з шнеком вздовж гвинтової лінії його зовнішнього діаметра. Недоліками відомого бура є значний спротив бурінню з причини наявності: - великих поверхонь тертя між ґрунтом та витками шківів, між ґрунтом і бічними поверхнями отворів відповідно кількості малих шнеків, між циліндричною "юбкою" і отвором з ущільненим ґрунтом; - значних вертикальних розмірів накопичувальної циліндричної "юбки", що у сукупності з багатошнеківістю бура, з одного боку, підвищує енерговитратність буріння та видалення ґрунту при збільшенні діаметру отвору, з другого приводить до зниження продуктивності буріння та необхідності додаткових операцій по очищенню бура й видаленню ґрунту з бурового отвору. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення конструкції бура з метою зменшення енерговитратності та підвищення продуктивності буріння шляхом зменшення дотичної поверхні між шнеком бура і ґрунтом між шнеком і отвором, щільності поверхневого шару отвору, зменшення металомісткості бура. Задача вирішується тим, що шнековий бур для формування отворів у ґрунті, що містить ступінчасто-регульований по довжині буровий вал з секціями, які скріплюються за допомогою різьбових з'єднань з рукояткою у верхній і центрувальним конусом у нижній частині, бурову головку, що містить однозахідний шнек з різальною суцільною або зубчатою кромкою, що закріплена на буровому валу вище центрувального конуса, циліндричну оболонку, що охоплює однозахідний шнек і скріплена з ним у нижній частині, причому гвинтова поверхня однозахідного шнека обмежена центральним кутом α в межах 300-330°, циліндрична оболонка має висоту, меншу за два її діаметри і верхня частина її скріплена з буровим валом центруючими фіксаторами, різальна кромка однозахідного шнека виходить за межі циліндричної оболонки на величину, не менше 10 % від її радіуса, та розташована під випереджаючим до радіального напрямку кутом β 10-20°. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак винаходу, що заявляється і технічним результатом, що досягається, полягає у наступному. Обмеження гвинтової поверхні однозаходного шнеку центральним кутом 300-330° за рахунок усунення міжповерхневого стиску ґрунту дозволяє зменшити сили дотичного тертя і енерговитратність буріння. Охоплююча однозахідний шнек циліндрична оболонка унеможливлює тертя видалюваного ґрунту з поверхнею бурового отвору. 1 UA 110755 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Обмеження висоти циліндричної оболонки полегшує видалення ґрунту при очищенні шнекового бура, особливо зі збільшенням бурового отвору підвищуючи продуктивність буріння. Порушення суцільності поверхні бурового отвору за рахунок рихлення виступаючою за межі циліндричної оболонки різальною кромкою однозахідного шнека не менше 10 % його радіуса, дозволяє зменшити тертя між циліндричною оболонкою і буровим отвором, впливаючи на зменшення енерговитратності буріння. Розташування різальної кромки однозахідного шнека під випереджаючим кутом 10-20° до радіального напрямку дозволяє зменшити тиск ґрунту на циліндричну оболонку, спрямовуючи ґрунт до осі обертання буру та далі у верхню її частину. Тим самим зменшується дотичне тертя між ґрунтом, що видаляється, і поверхнею циліндричної оболонки. Зменшення дотичного тертя, окрім зниження енерговитратності буріння, сприяє меншому ущільненню ґрунту і полегшенню його видалення при очищенні шнекового бура, що підвищує продуктивність буріння. Таким чином, нові ознаки при взаємодії з відомими ознаками забезпечують виявлення нових технічних можливостей. Це забезпечує усій заявленій сукупності ознак пристрою відповідність критерію "Новизна". Заявлене технічне рішення містить ознаки, які суттєво відрізняють його від ознак прототипу, та не виявлені в інших технічних рішеннях при вивченні аналогічних об'єктів цієї галузі техніки. На підставі цього можна зробити висновок, що запропоноване технічне рішення задовольняє критерію "Винахідницький рівень". Оптимальні співвідношення конструктивних параметрів шнекового бура встановлені експериментально. Відхилення від заявлених меж центрального кута а шнекової гвинтової поверхні однозахідного шнека у бік зменшення призводить до погіршення умов видалення сипучого ґрунту з бурового отвору, зворотна зміна спричиняє зростання опору проходження ґрунту між кромковими ділянками витка однозахідного шнека. Збільшення висоти циліндричної оболонки відносно заявленої погіршує видалення з неї ґрунту, зменшення приводить до втрати продуктивності буріння через необхідність частішого видалення ґрунту з бурового отвору. Збільшення довжини різальної кромки однозахідного шнека за межі 5-10 % його радіуса сприяє збільшенню зусилля буріння, зменшення за межі 15 % радіуса однозахідного шнека підвищує сили тертя у дотичній зоні. Зміна кута розташування різальної кромки однозахідного шнека відносно радіального напрямку в межах 10-20° при зменшенні не дозволяє відчутно знизити тиск ґрунту на циліндричну оболонку й дотичне тертя, при збільшенні - спричиняє ускладнення з центруванням бурильної головки. На фіг. 1 зображено загальний вигляд конструкції шнекового бура, що запропонований, який містить ступінчасто-регульований буровий вал 1 з секціями, що скріплюються за допомогою різьбових з'єднань 2, рукоятку 3 у верхній частині для приведення шнекового бура у дію, та центрувальний конус 4 у нижній, бурову головку 5, закріплену на буровому валу 1 за допомогою різьбового з'єднання 2. Бурова головка 5 (фіг. 2) містить закріплений вище центрувального конуса 4 однозахідний шнек 6 з гвинтовою поверхнею обмеженого центральним кутом α. Однозахідний шнек охоплює скріплену з ним у нижній частині циліндричну оболонку 7 висотою, меншою за два її діаметри. Верхня частина циліндричної оболонки 7 фіксується відповідно бурового вала 1 центруючими фіксаторами 8. Однозахідний шнек у нижній частині має різальну кромку 9 довжиною, більшою за радіус R однозахідного шнека 6, розташовану відносно радіального напрямку під випереджаючим кутом β. Шнековий бур для формування отворів у ґрунті працює наступним чином. Шнековий бур встановлюють під потрібним кутом до ґрунту і здійснюють буріння, обертаючи буровий вал 1 одночасно з притисканням за допомогою рукоятки до ґрунту. Після наповнення циліндричної оболонки сипучим ґрунтом шнековий бур підіймають для видалення ґрунту. Потім шнековий бур розміщують у отворі і процес повторюється до отримання отвору потрібної глибини. В разі буріння в'язкого ґрунту можливе разове заглиблення більше, ніж висота циліндричної оболонки 7. Шнековий бур для формування отворів у ґрунті, що заявляється, був випробуваний в умовах ґрунтів різної щільності і сипучості. Фіксувались обертовий момент за умови постійного рівня притискання шнекового бура до ґрунту, продуктивність та трудомісткість очищення шнекового бура від ґрунту. Найкращі результати були досягнуті при використанні шнекового бура з заявленими параметрами і складом конструктивних елементів. 2 UA 110755 C2 5 10 15 20 Завдяки заявленій сукупності суттєвих ознак досягається зниження зусилля буріння на рукоятці шнекового бура 3, з'являється можливість ручного буріння отворів більшого діаметра та глибини. Таким чином, технічне рішення, що заявляється, забезпечує зменшення енерговитратності буріння внаслідок зменшення дотичного тертя, зменшення металомісткості шнекового бура та збільшення продуктивності отворів у ґрунті. Виходячи з наведеного, можна зробити висновок, що технічне рішення, яке заявляється, задовольняє критерію "Промислова придатність". Джерела інформації: 1. Пат. US 20040000431 МПК: Е21В10/44 Устройство и способ для высверливания отверстий в земле [Текст] / John Van Denham -автор, заявитель, патентообладатель. Заявл. 27.06.2002; опубл. 01.01.2004. - 20 с. 2. Пат. 2236546 Российская федерация, МПК Е21В10/44. Шнековый бытовой бур конструкции Землякова Н.В. [Електроний ресурс]/Н.В. Земляков (RU); заявл 24.03.2003,опубл. 20.09.2004. - Режим доступу: http://wwwl.fips.ru. 3. Пат. BY 7537 МПК Е21В10/44 Земляной бур с накопителем [Текст] / Вырко Н.П. (BY), Карпович С.С. (BY) - авторы. Патентообладатель Белорусский государственный технологический университет. Заявл. 03.01.2011; опубл. 30.08.2011. - 15с. 4. Пат. 2262579 Российская федерация, МПК Е21В10/44. Ручной бур для формирования отверстий в грунте [Електроний ресурс]/ И.Н, Степанов. (RU), А.И. Степанов (RU); заявл. 20.04.2004, опубл. 20.10.2005. - Режим доступу: http://wwwl.fips.ru. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Шнековий бур для формування отворів у ґрунті, що містить ступінчасто-регульований по довжині буровий вал з секціями, які скріплюються за допомогою різьбових з’єднань, з рукояткою у верхній і центрувальним конусом у нижній частині, бурову головку, що містить однозахідний шнек з різальною суцільною або зубчатою кромкою, що закріплена на буровому валу вище центрувального конуса, циліндричну оболонку, що охоплює однозахідний шнек і скріплена з ним у нижній частині, який відрізняється тим, що гвинтова поверхня однозахідного шнека обмежена центральним кутом  в межах 300-330°, циліндрична оболонка має висоту, меншу за два її діаметри, причому верхня частина її скріплена з буровим валом центруючими фіксаторами, різальна кромка однозахідного шнека виходить за межі циліндричної оболонки на величину не менше 10 % від її радіуса та розташована під випереджаючим до радіального напрямку кутом  10-20°. 3 UA 110755 C2 4 UA 110755 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5