Результат интеллектуальной деятельности: Шарошка бурового долота

Изобретение относится к области горного дела, а именно к шарошкам буровых долот для бурения скважин большого диаметра под сваи, разработки горных пород.

Известна шарошка бурового долота, включающая установленную на радиальных и упорных подшипниковых опорах в корпусе ось, крышки корпуса, между крышками и корпусом установлен эластичный элемент, при этом в оси выполнен канал, в котором установлен поршень с образованием камеры переменного объема, сообщенной с внутренней полостью корпуса (см. Патент США №5598895, МПК Е21В 9/08, 1997 г.).

Недостатками известной шарошки являются недостаточный ресурс вследствие возможности проникновения во внутреннюю полость шарошки воды и абразива (земли, песка) по причине отсутствия полной герметичности внутренней полости корпуса относительно внешней среды, меньшего давления в полости корпуса, чем в окружающей среде в связи с потерей давления от трения в поршне. Кроме того, малый объем смазки в канале не позволяет полностью компенсировать утечки. Сборка подшипников в корпусе и на оси существенно повышает трудоемкость изготовления шарошки.

Также известна шарошка бурового долота, включающая корпус, установленную на двух конических подшипниковых опорах в корпусе ось, крышки корпуса, при этом корпус и крышки корпуса снабжены эластичными элементами относительно последних, взаимодействующими по торцам, кольцами, а в крышках выполнены кольцевые углубления с установленными в них поршнями с образованием камер переменного объема, сообщенными с внутренней полостью корпуса (см. Свайная буровая установка ЗИФ. Сайт ЗАО «Геомаш-Центр» WWW.geomash.ru. заявка США №2012/0212034, МПК E21D 9/10, который выбран за прототип).

Оснащение шарошки серийными коническими подшипниками значительно снижает трудоемкость ее изготовления.

Недостатками указанной шарошки являются недостаточный ресурс вследствие возможности проникновения во внутреннюю полость корпуса воды и абразива (земли, песка) по причине отсутствия полной герметичности внутренней полости корпуса относительно внешней среды, меньшего давления смазки в полости корпуса, чем в окружающей среде в связи с потерей давления от трения в поршне. Сложность конструкции, большое количество сопрягаемых друг с другом деталей снижает надежность, увеличивает трудоемкость изготовления изделия.

Известна шарошка бурового долота, содержащая корпус, ось, установленную в корпусе на подшипниках, крышку, снабженную подпружиненную относительно него поршнем с образованием камеры переменного объема, образованной между поршнем и подшипником (см. заявка РФ №2015100719 от 12.01.2015 г. на изобретение, которая принята за прототип).

Герметизация полости корпуса шарошки от внешней агрессивной среды, создание избыточного давления в корпусе существенно повышает ресурс шарошки за счет снижения вероятности попадания воды и песка в полость шарошки.

Недостатками известного устройства являются недостаточный ресурс работы шарошки вследствие возможности попадания песка в полость корпуса между поршнем и крышкой, а также в уплотнительные устройства оси и поршня.

Целью предлагаемого технического решения являются увеличение срока службы шарошки.

Указанная цель достигается тем, что в шарошке бурового долота, содержащей корпус, ось, установленную в корпусе на подшипниках, крышку, снабженную подпружиненнем относительно нее поршнем с образованием камеры переменного объема, образованной между поршнем и подшипником, поршень и корпус снабжены парой уплотнительных элементов, согласно техническому решению, корпус и крышка на месте сопряжения с осью снабжены дополнительными уплотнительными элементами, выполненными из пористого материала.

В крышке снаружи выполнено, как минимум, одно цилиндрическое углубление с размещенным в нем уплотнительным элементом из пористого материала и сообщенное с полостью шарошки посредством центрального капиллярного канала.

В крышке перед наружной уплотняемой с корпусом поверхностью выполнен, как минимум, один радиальный сквозной канал.

Пружина выполнена конической формы, крайние витки которой снабжены уплотнительными элементами, выполненными в виде уголка в поперечном сечении и имеющими возможность взаимодействовать с торцовой поверхностью крышки и боковой поверхностью оси, и торцовой поверхностью поршня и боковой поверхностью крышки.

В цилиндрическом углублении крышки с возможностью взаимодействия с торцовыми поверхностями крышки и поршня, боковой поверхностью оси установлена резиновая втулка.

Конструкция предлагаемой шарошки поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид шарошки (продольный разрез);

на фиг. 2 - узел А на фиг. 1;

на фиг. 3 - вариант исполнения крышки с дополнительным сапуном;

на фиг. 4 - узел Б на фиг. 3;

на фиг. 5 - вариант исполнения крышки с радиальным каналом между резьбой и уплотняемой поверхностью;

на фиг. 6 - вариант исполнения шарошки с двойной герметизацией зазора между осью и крышкой;

на фиг. 7 - вариант исполнения пружины и уплотнительного элемента в виде резиновой втулки;

на фиг. 8 - вариант исполнения шарошки с гарантированным обеспечением избыточного давления в полости канавки внутреннего уплотнительного элемента корпуса и оси;

на фиг. 9 - узел В на фиг. 8.

Шарошка бурового долота содержит корпус 1 (фиг. 1), ось 2, установленную в корпусе на двух конических подшипниках 3 и 4, крышку 5. С внутренней стороны крышки 5, взаимодействующей, например, с подшипником 4, выполнено цилиндрическое углубление 6, в котором с возможностью взаимодействия с поверхностями крышки 5 и оси 2, а также с возможностью ограниченного осевого перемещения, установлен подпружиненный пружиной 7 поршень 8 с образованием камеры переменного объема 9. Пружина 7 выполнена, например, конической формы. В средней части оси 2, с возможностью взаимодействия с корпусами подшипников 3 и 4, выполнен бурт 10. Крышка 5 жестко соединена с корпусом 1, например, при помощи резьбового соединения (не указано).

Корпус 1 снабжен уплотнительными элементами 11, 12 и 13, крышка - 14 и 15, поршень - 16, 17 и 18 и 19. При этом наружный уплотнительный элемент 11 корпуса 1, уплотнительный элемент 15 крышки 5 выполнены из пористого материала, например из пористой резины или тонкой сетки.

В корпусе 1 выполнено, как минимум, одно сквозное отверстие 20 со снабженной заглушкой 21. В оси 2 выполнены соединенные между собой осевые отверстия 22, 23 (фиг. 2), а также радиальное отверстие 24, соединенное с полостью корпуса 1. Отверстие 22 снабжено обратным клапаном 25 и пробкой 26.

Снаружи корпус 1 снабжен разрушающими породу зубьями 27 из твердого сплава.

В крышке 5 снаружи выполнено, как минимум, одно цилиндрическое углубление 28 (фиг. 3, 4), которое сообщается с полостью корпуса 1 посредством центрального капиллярного канала 29. В углубление 28 установлен уплотнительный элемент 30, выполненный из пористого материала, и резьбовая втулка 31 для его фиксации. При этом уплотнительный элемент 15 крышки 5, сопрягаемый с осью 2, выполнен с обеспечением полной герметизацией полости (углубление 6) между крышкой 5 и поршнем 8.

В крышке 5 между резьбой (не указано) и уплотнительным элементом 14 выполнен, как минимум, один радиальный сквозной канал 32 (фиг. 5). При этом уплотнительный элемент 15 крышки выполнен с обеспечением полной герметичности зазора между крышкой 5 и осью 2.

Крайние витки конической пружины 7 снабжены уплотнительными элементами 33 и 34 (фиг. 6), выполненными в виде уголка в поперечном сечении. Уплотнительный элемент 33 взаимодействует с торцовой поверхностью крышки 5 и боковой поверхностью оси 2, а элемент 34 - торцовой поверхностью поршня 8 и боковой поверхностью крышки 5. Уплотнительный элемент 15 крышки выполнен с обеспечением полной герметичности зазора между крышкой 5 и осью 2.

В углублении 6 с возможностью взаимодействия с торцовыми поверхностями крышки 5 и поршня 8, боковой поверхностью оси 2 установлена резиновая втулка 35 (фиг. 7).

В корпусе 1 с возможностью соединения с отверстием 20 (фиг. 8) и кольцевой канавкой 36 (фиг. 9) внутреннего уплотнительного элемента 13 корпуса 1 выполнен, как минимум, один радиальный канал 37.

Подготовка шарошки к работе.

Собранная шарошка устанавливается вертикально с расположением отверстий 20 и 22 сверху (фиг. 1 и 2). Снимаются пробка 26, заглушка 21 и через клапан 25, отверстия 22, 23 и 24 во внутреннюю полость шарошки закачивается смазка (масло). После появления смазки из отверстия 20, она закрывается заглушкой 21. Далее смазка закачивается в полость шарошки до полного сжатия пружины 7. После этого отверстие 22 закрывается пробкой 26.

Шарошка работает следующим образом.

В составе долота ( не указано) корпус 1 (фиг. 1) шарошки вращается относительно оси 2. При этом зубья 27, перекатываясь, разрушают породу. Подшипники 3 и 4 вращаются в масляной среде. Оснащение корпуса 1 и крышки 5 уплотнительными элементами 11 и 15 из пористого материала (резина пористая, сетка из тонкой проволоки) исключает попадание в уплотнительные элементы 12 и 13 корпуса, в полость 6 между поршнем и крышкой 6 абразивных частиц. Уплотнительные элементы 12 корпуса 1, 16 и 18 поршня 8 исключают попадание воды и иных сред в зону внутренних уплотнительных элементов 13 корпуса 1, 17 и 19 поршня 8. Таким образом, обеспечивается надежная герметичность полости корпуса 1, предотвращение попадания абразива и воды во внутреннюю полость шарошки и в зону внутренних уплотнительных элементов корпуса 1 и поршня 8, а также избыточное давление в полости корпуса. Это позволяет исключить поступление в зону внутренних уплотнительных элементов 13, 17 и 19 воды и песка. При наличии утечек смазки через уплотнительные элементы давление в полости шарошки снижается. Под действием пружины 7 поршень 8 перемещается в сторону подшипников 3 и 4, восстанавливая избыточное давление.

Значительная площадь поршня 8 позволяет компенсировать достаточный объем утечек. При этом ход поршня 8 выбирается исходя из среднего расхода утечек и долговечности работы зубьев шарошки. Объем смазки для компенсации утечек должен быть больше суммарного объема утечек за время работы шарошки до износа.

На фиг. 3 полость 6 с внешней средой сообщается через пористое уплотнительное устройство 30 и капиллярный канал 29. В качестве уплотнительного элемента 15 может быть использована серийная манжета.

На фиг. 5 полость 6 с внешней средой сообщается через радиальный канал 32, выполненный в крышке 5 между резьбой и уплотнительным элементом 14. Резьбовое соединение корпус-крышка выполняет функцию капиллярного канала для предотвращения попадания песка и абразива в полость между крышкой 5 и поршнем 8.

На фиг. 6 снабженные по торцам крайних витков конической пружины 7 уплотнительные элементы 33 и 34 дополнительно герметизируют зазоры на месте сопряжения крышки 5 с осью 2, и крышки 5 с поршнем 8.

Установленная резиновая втулка 35 (фиг. 7) обеспечивает герметизацию зазоров между крышкой 5 и поршнем 8 с одной стороны и боковой поверхностью оси 2 с другой. При этом втулка 35 одновременно выполняет функцию пружины.

Сообщение замкнутой кольцевой полости 36, образованной поверхностью кольцевой канавки (не указана) и внутренним уплотнительным элементом 13, с полостью шарошки посредством радиального канала 37 и отверстия 20 обеспечивает гарантированное поджатие уплотнительного элемента 13 к поверхности оси 2. Это позволяет существенно снизить утечки масла и при износе элемента 13.

Таким образом, оснащение дополнительными уплотнительными элементами оси шарошки, выполненными из пористого материала, позволяет исключить попадание песка в полость шарошки, и воды в полость шарошки и во внутренние уплотнительные элементы.