Результат интеллектуальной деятельности: ШТАНГА БУРОВАЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области горного дела, к буровому инструменту, а именно к штанге буровой для перфораторного бурения шпуров.

Известна шестигранная штанга буровая с центральным каналом, включающая хвостовик с высаженным буртом, а второй торец штанги выполнен с конической посадочной поверхностью (см. ГОСТ Р 51681-2000. Перфораторы пневматические. Штанги буровые).

Недостатками известного инструмента являются значительная трудоемкость изготовления из-за необходимости термообработки штанги после высадки бурта, а также недостаточные прочность и срок службы в связи с нарушением структуры стали в области бурта и с возможностью сужения центрального канала.

Известна шестигранная штанга буровая с центральным каналом, содержащая хвостовик и стержень, между которыми выполнена канавка с размещенным в ней сборным буртиком (см. патент РФ №2203382, МКИ⁷ E21B 17/00), которая принята за прототип.

Недостатками известного инструмента являются значительная трудоемкость изготовления, а также недостаточные прочность и срок службы в связи с выполнением бурта сборным.

Целью предлагаемого технического решения являются увеличение срока службы штанги при одновременном снижении трудоемкости изготовления.

Указанная цель достигается тем, что в штанге буровой, содержащей стержень и хвостовик, между которыми выполнена кольцевая канавка с размещенным в ней буртом, согласно техническому решению выполнена как минимум одна дополнительная кольцевая канавка, а бурт выполнен высадкой на кольцевые канавки, при этом образующие крайних канавок, примыкающие к хвостовику и стержню, образуют с ними тупой угол, а диаметр штанги, размеры канавок и бурта должны удовлетворять следующему соотношению

где h и a - соответственно глубина и ширина кольцевой канавки;

D_s и B₀ - минимальный наружный диаметр штанги и высота бурта.

Образующие кольцевых канавок выполнены в форме дуг окружности.

Кольцевые канавки и выступы между ними образованы витками резьбы.

В шестигранной штанге минимальный диаметр канавки находится между диаметрами описанной и вписанной окружности стержня шестигранного стержня.

Способ изготовления штанги буровой, заключающийся в выполнении кольцевых канавок в теле штанги между стержнем и хвостовиком с образованием выступов между ними, нагреве кольцевой заготовки бурта и высадки в бурт нагретой заготовки на кольцевую проточку, согласно техническому решению внутреннее отверстие заготовки бурта выполнено ответно сечению стержня штанги, а высота заготовки бурта больше суммарной ширины кольцевых канавок и выступов между ними.

Высота кольцевой заготовки больше суммарной ширины кольцевых канавок и образованных между ними выступов.

Конструкция и способ изготовления предлагаемой штанги поясняются чертежом.

На фиг. 1 представлен общий вид штанги;

На фиг. 2 - разрез А-А по бурту на фиг. 1;

На фиг. 3 - посадка бурта на штангу, узел C на фиг. 1;

На фиг. 4 - разрез Б-Б по телу стержня штанги на фиг. 1;

На фиг. 5 - вариант посадки бурта на канавки с образующими в форме треугольника;

На фиг. 6 - вариант посадки бурта на штангу с мелкими канавками;

На фиг. 7 - кольцевые канавки в штанге с образующими в виде дуг окружности (узел Г на фиг. 6);

На фиг. 8 - кольцевые канавки в штанге в виде резьбы (узел Г на фиг. 6);

На фиг. 9 - кольцевая заготовка бурта с шестигранным внутренним отверстием.

Штанга буровая содержит стержень 1 (фиг. 1-4), выполненный, например, из шестигранника, хвостовик 2, высаженный бурт 3, установленный, например, на двух кольцевых канавках 4 и 5 (фиг. 3) с образованием выступа 6. Образующие (на фиг. не указаны) кольцевых канавок 4 и 5, сопрягаемые с выступом 6 и образующими стержня 1, соответственно оставляют прямой и тупой (более 90 градусов) углы. Штанга включает центральный канал 7, а передний торец 8 штанги выполнен, например, с конической поверхностью.

Размер шестигранного стержня 1 или диаметр вписанной окружности - «S», а диаметр описанной окружности - «D» (Фиг. 4).

Наименьший диаметр кольцевой канавки D₀ штанги из шестигранного стержня 1 с целью обеспечения требуемой прочности соединения и исключения ослабления прочности выбирается из условия S≤D₀≤D, т.е. находится в пределах максимального (D) и минимального размера (S) шестигранника. Высота «B₀» бурта 3 (фиг.3) больше суммарной ширины кольцевых канавок «a» и бурта «c».

Образующая кольцевых канавок 4 и 5 (Фиг. 5) может быть выполнен в форме треугольника.

В буровой штанге между хвостовиком 2 и стержнем 1 могут быть выполнена более двух кольцевых канавок 8 (фиг. 6 и 7), на которые высаживается бурт 3.

Кольцевые канавки в стержне 1 могут быть выполнены в виде резьбы 9 (фиг. 8) с шагом «t» и высотой витка «h».

В заготовке 10 (фиг. 7) бурта 3 внутреннее отверстие 11 может быть выполнено ответно поперечному сечению стержня 1, например, в виде шестигранника, при изготовлении штанги из шестигранной заготовки.

Способ изготовления штанги

Способ изготовления буровой штанги с высаживаемым буртом 3 (фиг. 1-3) включает выполнение, как минимум, двух кольцевых канавок 4 и 5 между стержнем 1 и хвостовиком 2, изготовление кольцевой заготовки 10 (фиг. 9) бурта 3 наружным и внутренним диаметрами соответственно больше диаметра бурта 3 и стержня 1, а высотой не больше высоты бурта 3. Далее осуществляется нагрев заготовки 10 бурта и ее высадка на кольцевые канавки 4 и 5.

Монтаж штанги осуществляется следующим образом. В теле штанги между стержнем 1 и хвостовиком 2 выполняются, как минимум, две кольцевые канавки 4 и 5 (фиг. 1-4). Нагретая до температуры, например, 700-800°C заготовка 10 (фиг. 9) бурта 3 устанавливается напротив канавок 4 и 5 и высаживается на выступ 6 с деформацией внутренней и наружной поверхности заготовки до полного заполнения полостей, образованных внутренними поверхностями заготовки и канавок 4 и 5.

При остывании бурта 3 происходит уменьшение внутреннего диаметра и высоты "B" соответственно на величину:

ΔD=D₀·α·ΔT

ΔB=B·α·ΔT.

С целью исключения образования зазора между поверхностями бурта 3 и канавок 4, 5 снижение радиуса бурта 3 должно превышать половину величины уменьшения высоты бурта 3, т.е.

0,5·ΔD₀≥0,5·ΔB.

Для обеспечения указанного условия, принимая во внимание, что ширина горизонтальной части канавок может составить половину их ширины, должно быть соблюдено следующее соотношение

Учитывая, что D₀≈S, получим

где D_s - минимальный наружный размер или диаметр поперечного сечения штанги (наружный диаметр круглой штанги или размер шестигранника).

При остывании бурта 3, уменьшении его высоты B₀ и внутреннего диаметра торцы выступа 6 обжимаются выдавленными в кольцевые проточки участками бурта 3. Ограничение высоты канавок "h", согласно соотношению (1), обеспечивает сохранение посадки бурта 3 на стержень 1 с натягом по всей высоте бурта 3.

Выполнение образующей канавок 4 и 5 (фиг. 5) в форме треугольника позволяет уменьшить ширину «а» канавок 4 и 5.

При выполнении в стержне 1 более двух канавок 8 (фиг. 6, 7) повышается надежность соединения.

При выполнении в теле штанги резьбовой проточки 9 (фиг. 8) заготовка штанги изготавливается стандартным инструментом.

При изготовлении кольцевой заготовки 10 (фиг. 9) с шестигранным внутренним отверстием 11 температура нагрева заготовки может быть снижена при одновременном повышении качества высадки. Штанга буровая работает следующим образом.

При бурении стержень 1 и хвостовик 2 штанги испытывают значительные осевую нагрузку и крутящий момент. Вынос выбуренной породы, охлаждение породоразрушающего инструмента (на фиг. не показан) осуществляется подаваемой по центральному каналу 7 рабочей жидкостью или воздухом. Исключение ковки штанги для высадки бурта 3, дополнительной термической обработки не приводит к изменению структуры металла в зоне бурта, механических свойств и сужению канала 7.

При работе бурт 3 испытывает ударные осевые нагрузки со стороны ограничителя перемещения перфоратора (на фиг. не показан). При высадке кольцевой заготовки бурта 3 полости, образованные поверхностями кольцевых канавок 4, 5 и бурта 3 (фиг. 3), полностью заполняются деформируемым металлом заготовки бурта. Осевая нагрузка, действующая на бурт 3, воспринимается боковыми поверхностями кольцевых канавок 4, 5.

При выполнении канавок 8 (фиг. 6 и 7) образующей в форме дуги окружности повышается заполняемость канавок 8 деформируемым металлом бурта 3.

При выполнении проточек на штанге в виде резьбы 9 (фиг. 8) существенно увеличивается суммарная площадь контакта бурта 3 со штангой, на которую действует осевая нагрузка.

Выполнение кольцевой заготовки 10 в виде шестигранника 9 (фиг. 6) существенно снижает деформацию заготовки 10 при одновременном повышении качества соединения «бурт-штанга».