Різець кавітаційний для обертального буріння шпурів та свердловин у гірських породах середньої міцності

Реферат: Різець кавітаційний для обертального буріння шпурів та свердловин у гірських породах середньої міцності містить корпус з твердосплавними вставками і хвостовиком, в якому виконаний крізний канал для перепускання промивальної рідини, і генератор вібронавантаження у вигляді кавітаційної трубки Вентурі. Різець оснащений перехідником, призматичними шпонками, накидною гайкою, втулкою для регулювання підпірного тиску рідини, що перепускається через генератор вібронавантаження, і пружною шайбою. Хвостовик має зовнішню циліндричну поверхню, на якій виконані повздовжні діаметрально протилежні пази. У перехіднику виконано осьовий циліндричний крізний отвір різних діаметрів: з одного торця діаметром, що дорівнює зовнішньому діаметру хвостовика, з другого - діаметру генератора вібронавантаження. З одного кінця перехідника виконана зовнішня різьба, в якій крізь стінку перехідника виконані діаметрально протилежні вікна, з другого - зовнішня конусна різьба для кріплення перехідника до бурової штанги. Пружна шайба насунута на хвостовик і розміщена на корпусі різця. Накидна гайка насунута на хвостовик, розміщена на пружній шайбі і з'єднана різьбою з перехідником. Призматичні шпонки розміщені в пазах хвостовика по ковзній посадці. Перехідник відповідним отвором насунутий на хвостовик так, що його вікна співпадають із призматичними шпонками. Накидна гайка з'єднана різьбою з перехідником так, що призматичні шпонки не мають можливості осьового переміщення відносно перехідника. Корпус різця з хвостовиком відносно перехідника має можливість осьового переміщення по призматичних UA 115203 C2 (12) UA 115203 C2 шпонках, які закріплені у вікнах перехідника. Генератор вібронавантаження жорстко закріплений у відповідному крізному отворі перехідника. Втулка жорстко закріплена у перепускному каналі хвостовика. Таке виконання пристрою приводить до інтенсифікації процесу обертального буріння шпурів та свердловин у гірських породах середньої міцності шляхом створення гідромеханічних вібронавантажень на різець кавітаційним генератором. UA 115203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до гірничої промисловості, зокрема до бурових породоруйнівних інструментів гірничих машин. Може бути використаний для обертального буріння шпурів та свердловин в гірських породах середньої міцності, а також для геофізичних та геотехнічних робіт. В сучасних пристроях буріння шпурів або свердловин та імпульсної обробки середовищ застосовують додатково зовнішнє джерело енергії - кавітацію. Відомий гідроакустичний "Пристрій для буріння свердловин" [1], який складається з корпусу з промивними каналами, вузла генерування гідроакустичних хвиль, ежекційного вузла, виконаного в корпусі у вигляді трубки Вентурі для створення депресії та бурового долота. Недоліками цього пристрою є його зношування внаслідок використання кінетичної енергії для руйнування гірських порід та ерозія матеріалу внутрішніх стінок пристрою за рахунок дії кавітації. Відомий також "квантово-механічний кавітаційний бур" [2], який має корпус з алмазними чи твердосплавними різцями, з каналом для перепускання рідини у вигляді трубки Вентурі або сопла Лаваля, два магніти з кільцевою шайбою і п'єзокерамічні вставки. Недоліком цього пристрою є неможливість керування формою та довжиною кавітаційної каверни, фокусування потоку, а також вихід із ладу п'єзокерамічних вставок за умови досягнення температури точки Кюрі у масиві гірських порід (що дорівнює 108 °C). Найближчим аналогом (прототипом) до запропонованого різця для обертального буріння шпурів та свердловин у гірських породах середньої міцності є "Різець кавітаційний" [3]. Різець кавітаційний [3] має корпус з твердосплавними вставками і хвостовиком, в якому виконаний канал для перепускання промивальної рідини в генератор вібронавантаження у вигляді кавітаційної трубки Вентурі (далі ГВКТВ). Недоліком прототипу є те, що хвилям тиску промивальної рідини, яких генерує ГВКТВ, перешкоджає зруйнована гірська порода на вибої шпуру чи свердловини, що знижує інтенсивність процесу буріння. Крім цього, ГВКТВ розміщений в корпусі різця і жорстко закріплений хвостовиком до бурової штанги, тому різець не має можливості осьового переміщення відносно бурової штанги і не може здійснювати механічного вібронавантаження на гірську породу на вибої шпуру чи свердловини, що не підвищує інтенсивність процесу буріння. Найбільш простим і надійним способом підвищення інтенсифікації процесу обертального буріння шпурів та свердловин у гірських породах середньої міцності є гідромеханічне вібронавантаження на гірську породу в процесі буріння. В основу винаходу поставлена задача удосконалення різця кавітаційного для обертального буріння шпурів та свердловин у гірських породах середньої міцності, в якому нові конструктивні елементи дозволяють забезпечити технічний результат - інтенсифікацію процесу буріння шпурів та свердловин у гірських породах середньої міцності шляхом створення гідромеханічних вібронавантажень на різець кавітаційним генератором. Поставлена задача вирішується таким чином: різець кавітаційний для обертального буріння шпурів та свердловин у гірських породах середньої міцності, що містить корпус з твердосплавними вставками і хвостовиком, в якому виконаний крізний канал для перепускання промивальної рідини, і ГВКТВ, він додатково оснащений перехідником, призматичними шпонками, накидною гайкою, втулкою для регулювання підпірного тиску рідини, що перепускається через ГВКТВ, і пружною шайбою, при цьому хвостовик має зовнішню циліндричну поверхню, на якій виконані повздовжні діаметрально протилежні пази, у перехіднику виконано осьовий циліндричний крізний отвір різних діаметрів: з одного торця діаметром, що дорівнює зовнішньому діаметру хвостовика, з другого - діаметру ГВКТВ, з одного кінця перехідника виконана зовнішня різьба, в якій крізь стінку перехідника виконані діаметрально протилежні вікна, з другого - зовнішня конусна різьба для кріплення перехідника до бурової штанги, пружна шайба насунута на хвостовик і розміщена на корпусі різця, накидна гайка насунута на хвостовик, розміщена на пружній шайбі і з'єднана різьбою з перехідником, призматичні шпонки розміщені в пазах хвостовика по ковзній посадці, перехідник відповідним отвором насунутий на хвостовик так, що його вікна співпадають із призматичними шпонками, накидна гайка з'єднана різьбою з перехідником так, що призматичні шпонки не мають можливості осьового переміщення відносно перехідника, корпус різця з хвостовиком відносно перехідника має можливість осьового переміщення по призматичним шпонкам, які закріплені у вікнах перехідника, ГВКТВ жорстко закріплений у відповідному крізному отворі перехідника, а втулка жорстко закріплена у перепускному каналі хвостовика. Згідно з запропонованим винаходом гідравлічне вібронавантаження здійснює ГВКТВ тільки на хвостовик різця, а механічне вібронавантаження на гірську породу здійснює корпус з 1 UA 115203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 хвостовиком, які переміщуються відносно перехідника на призматичних шпонках під дією імпульсів тиску рідини, що перепускають через ГВКТВ. Допоміжне механічне навантаження на гірську породу на вибої шпуру або свердловини в процесі буріння здійснює стиснута пружна шайба за рахунок потенційної енергії, яку вона акумулювала в результаті притискання різця буровою штангою до вибою шпуру чи свердловини. Суть винаходу пояснюється кресленням, де зображений різець кавітаційний (фіг. 1 - осьовий перетин, фіг. 2 - перетин у площині А-А, фіг. 3 - перетин у площині Б-Б, фіг. 4 - перетин у площині В-В і фіг. 5 - перетин у площині Г-Г). Він складається з корпусу 1 з твердосплавними вставками 2 і хвостовиком 3, в якому виконаний канал 4 для перепускання промивочної рідини, ГВКТВ 5, перехідника 6, призматичних шпонок 7, накидної гайки 8, втулки 9 для регулювання підпірного тиску рідини, що перепускають через ГВКТВ 5, і пружної шайби 10, при цьому хвостовик 3 має зовнішню циліндричну поверхню 11, на якій виконані поздовжні діаметрально протилежні пази 12, у перехіднику 6 виконано осьовий циліндричний крізний отвір різних діаметрів: перший 13 - дорівнює діаметру хвостовика 3, другий 14 - діаметру ГВКТВ 5, з одного кінця перехідника 6 виконана різьба 16, в якій крізь стінку перехідника 6 виконані крізні діаметрально протилежні вікна 15, з другого кінця - зовнішня конусна різьба 17 для кріплення перехідника 6 до бурової штанги 18, накидна гайка 8 насунута на хвостовик 3, розміщена на пружній шайбі 10 і з'єднана різьбою з перехідником 6, призматичні шпонки 7 розміщені в пазах 12 хвостовика 3 по ковзній посадці, перехідник 6 першим крізним отвором 13 насунутий на хвостовик 3 так, що його вікна 15 співпадають із призматичними шпонками 7, накидна гайка 8 з'єднана з перехідником 6 різьбою 16 так, що призматичні шпонки 7 не мають можливості осьового переміщення відносно перехідника 6, корпус 1 з хвостовиком 3 відносно перехідника 6 має можливість осьового переміщення по призматичним шпонкам 7, що розміщені в пазах 12 хвостовика 3 і закріплені у вікнах 15 перехідника 6, ГВКТВ 5 жорстко закріплений у відповідному крізному отворі 14 перехідника 6, а втулка 9 закріплена у перепускному каналі 4 хвостовика 3. Різець кавітаційний для обертального буріння шпурів та свердловин у гірських породах працює наступним чином. У зібраному стані різець кавітаційний за допомогою рожкового ключа, який вставляють у фрезеровані лиски перехідника 6, конічною різьбою 17 накручують до бурової штанги 18 і подають на вибій шпуру або свердловини до контакту його твердосплавних вставок 2 з вибоєм з зусиллям притискання, наприклад, для різця діаметром 45 мм типу РУ-45 зусилля притискання дорівнює від 3,5 до 4,0 кН [4]. Потім через бурову штангу 18 подають промивальну рідину, наприклад, очищену шахтну воду, під тиском, наприклад, 15,0 МПа. Вода перепускається через ГВКТВ 5. Конструктивні особливості і принцип роботи ГВКТВ 5 описані в [5]. ГВКТВ 5 має вхідний канал зменшеного діаметра, наприклад, 2,5 мм, а підвідний канал бурової штанги 18-30,0 мм. У вхідному каналі ГВКТВ 5 різко падає тиск рідини, що перепускають через нього, а коли рідина попадає в дифузор ГВКТВ 5, з кутом розкриття, наприклад, 25°, то під дією розтягуючих напружень виникає розрідження рідини в результаті чого навколо домішок утворюються пустоти - бульбашки, що заповнені парами рідини і розчиненими в ній газами. Далі бульбашки попадають в післядифузорний циліндричний канал ГВКТВ 5 діаметром, наприклад, 10,0 мм, де досягають критичного розміру, а при виході з післядифузорного каналу бульбашки 3 схлопуються і викидають мікрострумені парогазової суміші під тиском близько 10 МПа з 3 3 частотою від 10 до 5-10 Гц. Під таким тиском парогазова суміш діє на торець хвостовика 3, в результаті чого він сумісно з корпусом 1 переміщується по призматичним шпонкам 7 у напрямку буріння. Одночасно з поданням промивальної рідини, буровою штангою 18 через перехідник 6, призматичні шпонки 7 і хвостовик 3 до корпусу 1 прикладають крутильний момент. Твердосплавні вставки 2 під дією осьового зусилля штанги 18, крутильного моменту, що прикладають до них, і вібронавантаження від дії парогазової суміші на хвостовик 3 одночасно ріжуть гірську породу і просуваються в глибину вибою шпуру. Осьове зусилля штанги 18 і її крутильний момент діють постійно, а парогазова суміш ГВКТВ 5 може діяти на хвостовик 3 з різною частотою і різною амплітудою тиску залежно від тиску промивальної рідини на вході в ГВКТВ 5 і на виході з нього [5]. Тиск промивальної рідини на вході в ГВКТВ 5 (напірний тиск) регулюють пусковою апаратурою високонапірної установки, а на виході з нього (підпірний тиск) - запропонованим винаходом передбачено застосування втулки 9 з відповідним прохідним діаметром, який регулює підпірний тиск ГВКТВ 5. Рідина, що була перепущена через ГВКТВ 5 і через втулку 9 по перепускному каналу 4 хвостовика 3, потрапляє на вибій шпуру чи свердловини і вимиває зруйновані кусочки гірської 2 UA 115203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 породи, які в проміжок між стінкою шпуру чи свердловини і буровою штангою 18 вимиваються назовні. Таким чином, промивальна рідина, яку перепускають через ГВКТВ 5, створює на різець гідравлічне вібронавантаження. Відомо, що гірська порода середньої міцності є крихкий мінерал і ріжеться на вибої шпуру або свердловини стрибкоподібно. Спочатку різець твердосплавними вставками 2 створює в гірській породі напруження і коли ці напруження досягають межі міцності гірської породи відбувається її крихке руйнування. Коли кусочки гірської породи відскакують від твердосплавних вставок 2, спрацьовує передбачена запропонованим винаходом пружна шайба 10 і за рахунок потенційної енергії, яку вона акумулювала від притискання різця до вибою шпуру чи свердловини буровою штангою 18, штовхає корпус 1 у напрямку вибою шпуру чи свердловини і заглиблює твердосплавні вставки 2 в масив гірської породи і ріже стружку гірської породи сумісно з прикладеним до корпусу 1 крутильним моментом. Таким чином, пружна шайба 10 створює допоміжне механічне вібронавантаження на різець кавітаційний. Джерела інформації: 1. Патент RU № 2270315 МПК Ε 21 В 7/00 від 27.11.2008 р. 2. Патент UA № 63348 А МПК Ε 21 В 7/14 від 15.01.2004 р. 3. Патент UA№ 101946 МПК Ε 21 В 7/18 від 12.10.2015 р. 4. Васильєв Л.М., Демченко B.C. Параметры машин для вращательного бурения скважин малого диаметра /Монография. Днепропетровск.: ООО ПКФ "Лира", 2006. - С. 47, рис. 3.5. 5. Жулай Ю.А. Гидродинамическая кавитация //Сб. научн. трудов "Геотехническая механика", Днепропетровск, вып. 64, 2006 г. - С. 142-149. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Різець кавітаційний для обертального буріння шпурів та свердловин у гірських породах середньої міцності, що містить корпус з твердосплавними вставками і хвостовиком, в якому виконаний крізний канал для перепускання промивальної рідини, і генератор вібронавантаження у вигляді кавітаційної трубки Вентурі, який відрізняється тим, що він оснащений перехідником, призматичними шпонками, накидною гайкою, втулкою для регулювання підпірного тиску рідини, що перепускається через генератор вібронавантаження, і пружною шайбою, при цьому хвостовик має зовнішню циліндричну поверхню, на якій виконані повздовжні діаметрально протилежні пази, у перехіднику виконано осьовий циліндричний крізний отвір різних діаметрів: з одного торця - діаметром, що дорівнює зовнішньому діаметру хвостовика, з другого - діаметру генератора вібронавантаження, з одного кінця перехідника виконана зовнішня різьба, в якій крізь стінку перехідника виконані діаметрально протилежні вікна, з другого - зовнішня конусна різьба для кріплення перехідника до бурової штанги, пружна шайба насунута на хвостовик і розміщена на корпусі різця, накидна гайка насунута на хвостовик, розміщена на пружній шайбі і з'єднана різьбою з перехідником, призматичні шпонки розміщені в пазах хвостовика по ковзній посадці, перехідник відповідним отвором насунутий на хвостовик так, що його вікна співпадають із призматичними шпонками, накидна гайка з'єднана різьбою з перехідником так, що призматичні шпонки не мають можливості осьового переміщення відносно перехідника, корпус різця з хвостовиком відносно перехідника має можливість осьового переміщення по призматичних шпонках, які закріплені у вікнах перехідника, генератор вібронавантаження жорстко закріплений у відповідному крізному отворі перехідника, а втулка жорстко закріплена у перепускному каналі хвостовика. 3 UA 115203 C2 4 UA 115203 C2 5 UA 115203 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6