Винтовой бур для образования скважин в мерзлых грунтах

Изобретение относится к производству земляных работ, в частности, к устройствам для образования скважин.

Известна конструкция рабочего органа для образования скважин, включающая буровую штангу, имеющую конический и цилиндрический участки, на которых расположена непрерывная винтовая лопасть [1]. Для облегчения процесса завинчивания рабочего органа в грунт лопасть также имеет конический тяговый и цилиндрический разрушающий участки. Причем шаг разрушающей лопасти больше шага тяговой, а ее диаметр равен основанию конуса, описанного кромкой тяговой лопасти.

Недостатком его является большая энергоемкость процесса бурения прочных мерзлых грунтов, а, кроме того, неспособность завинчиваться в высокоабразивные хрупкие грунты, например, мерзлые пески, вследствие того, что при взаимодействии с лопастью, геометрия которой не соответствует данным грунтовым условиям, происходит их хрупкое разрушение, и конический участок лопасти теряет тяговую способность.

Наиболее близким к предлагаемому является винтовой бур для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах, который включает сердечник, имеющий конический сердечник с винтовой лопастью, состоящей из конического участка с постоянным шагом витков и цилиндрического участка с шагом витков, имеющим постоянное приращение относительно шага витков конического участка лопасти, отличающийся тем, что диаметр лопасти на цилиндрическом участке больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков конического участка лопасти, более чем в два раза [2].

Основным недостатком рассмотренного инструмента является повышенная энергоемкость процесса разрушение грунта из-за того, что при малых оборотах цилиндрический участок недееспособен по причине налипания грунта в межвитковом пространстве, а при больших оборотах достаточной для цилиндрического участка, конический участок теряет тяговую способность по причине разрушения грунта.

Техническая проблема настоящего изобретения заключается в необходимости создания разных частот вращения на цилиндрическом и коническом участках.

Техническим результатом является создание инструмента, с коническим участком, который располагается под углом относительно оси вращения и при этом частота вращения конического и цилиндрического участков разная.

Поставленная проблема решается следующим образом. В винтовом буре для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах, содержащем конический сердечник с винтовой лопастью, состоящей из конического участка с постоянным шагом витков и цилиндрического участка с шагом витков, имеющим постоянное приращение относительно шага витков конического участка лопасти, винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на цилиндрическом и коническом участках, равным не более двух, при этом диаметр лопасти на цилиндрическом участке больше диаметра основания конуса, описанного кромкой. витков конического участка лопасти более чем в два раза, а так же конический участок располагается под углом относительно оси вращения и соединяется с цилиндрическим участком с помощью водило и подшипникового узла, размещенного внутри конического участка, при этом частота вращения цилиндрического и конического участков разные.

На фиг.- представлен предлагаемый винтовой бур для образования скважин в мерзлых грунтах, общий вид, на котором приняты следующие обозначения:

1 - сердечник;

2 - винтовая лопасть;

3 - конический участок;

4 - цилиндрический участок;

5 - водило;

6 - подшипниковый узел;

α - угол наклона, под которым располагается конический участок относительно оси вращения бура;

n₁ - оптимальная частота вращения конического участка;

n₂ - оптимальная частота вращения цилиндрического участка.

Предлагаемый бур состоит из конического сердечника 1 (фиг.), на котором размещена непрерывная винтовая лопасть 2, включающая конический тяговый и цилиндрический разрушающий участки. Винтовая лопасть выполнена с одинаковым количеством витков на цилиндрическом 3 и коническом 4 участках, равным не более двух. Конический участок 3 имеет постоянные шаг и радиус винтовой лопасти. Цилиндрический участок 4 в свою очередь имеет форму винтовой поверхности с постоянным приращением радиуса на один поворот относительно шага витков конического участка лопасти. Диаметр витка лопасти на цилиндрическом участке больше диаметра основания конуса, описанного кромкой витков лопасти конического участка более чем в два раза. Вслед за этим происходит увеличение шага винтового рабочего органа, относительно конической тяговой части. Конический участок 3 располагается под углом (α) относительно оси вращения и соединяется с цилиндрическим участком 4 с помощью водила 5 и подшипникового узла 6, размещенного внутри конического участка 3.

Работает предлагаемый винтовой бур следующим образом.

При взаимодействии цилиндрического участка 4 винтовой лопасти, работающая как винтовой клин, благодаря значительному ее вылету за счет увеличения радиуса, относительно последнего витка конического участка 3 винтовой лопасти, кромка цилиндрического участка 4 лопасти производит разрушение грунта, преобладающее в большей степени деформацией сдвигом. При погружении винтового бура происходит за счет конического участка 3, располагающегося под углом (α) относительно оси вращения, и соединяется с цилиндрическим участком 4 с помощью водила 5 и подшипникового узла 6, размещенного внутри конического участка 3. При этом конический участок 3, вращается вокруг своей оси, при контакте с грунтом перекатывается по нему без скольжения, что приводит к уплотнение грунта. В результате уплотнения грунт в межвитковом пространстве упрочняется и дает возможность коническому участку 3 лопасти развить тяговую способность, не разрушаясь под ее воздействием.

Взаимодействие водила 5, подшипниковый узла 6 и конического участка 3 приводит к тому, что конический 3 и цилиндрический участки 4 вращаются в противоположные стороны с разными скоростями. Тем самым, это приводит к наибольшему эффекту при процессе образования скважин в мерзлых грунтах винтовым буром. Так как тяговый участок 3 вращается с наиболее оптимальной для него частотой вращения n₁, в тоже время цилиндрический участок 4 вращается с наиболее оптимальной для него частотой вращения n₂.

Пример. Таким образом был разработан винтовой бур для образования скважин в мерзлых грунтах с конический участок расположенным под углом относительно оси вращения и при этом частота вращения цилиндрического и конического участков разные. Угол наклона (α), под которым располагается конический участок относительно оси вращения бура, равен 10°. При этом частота вращения цилиндрического участка 100 об/мин, а конического участка 40 об/мин.

В итоге получили винтовой бур с коническим участком, который располагается под углом относительно оси вращения и при этом частота вращения конического и цилиндрического участков разная, что подтвердило заявленный ранее технический результат.

Источники информации

1. А. с. №975924 (СССР), МКИ³ E02F 5/20. Рабочий орган для образования скважин / М.И. Артемьев, В.Ф. Миронов // Б.И. - 1982. - №43.

2. Патент на полезную модель Российской Федерации 49844 RU МПК E02F 5/20. Винтовой бур для проходки скважин в прочных и мерзлых грунтах: 29.06.2005/ опубликовано: 10.12.2005 / И.Г. Мартюченко, Р.В. Южаков, В.В. Борисов (прототип).