PL249036B1 - Koronka wiertnicza z obrotowymi wkładkami urabiającymi - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest koronka wiertnicza z obrotowymi wkładkami urabiającymi charakteryzuje się tym, że wkładki urabiające (1) w postaci obrotowo-symetrycznych słupków mają osie (1a) o położeniu wichrowatym względem osi obrotu (4a) koronki wiertniczej, przy czym kąt α wynosi od 5° do 45°, a kąt β mieści się w zakresie od 5° do 40°.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest koronka wiertnicza z obrotowymi wkładkami urabiającymi przeznaczona do wiercenia udarowo-obrotowego otworów strzałowych, drenażowych lub o innym przeznaczeniu w skałach zwięzłych wiertnicami z młotkiem dolnym (wgłębnym) lub z młotkiem górnym, cechująca się zwiększoną trwałością eksploatacyjną i zmniejszoną energochłonnością wiercenia.

W górnictwie, budownictwie oraz technice zabezpieczenia obiektów technicznych i zabytkowych zachodzi konieczność wykonywania otworów w masywach skalnych o znacznej długości. Jako narzędzia do wierceń w skałach zwięzłych i średnio zwięzłych stosowane są powszechnie koronki wiertnicze z wkładkami urabiającymi w formie słupków z węglików spiekanych, ewentualnie z dodatkiem diamentów, lub wykonanych z innych twardych materiałów. Wkładki te trwale połączone są z głowicą (korpusem) koronki. Podczas wiercenia, zwłaszcza w skałach o dużej twardości występują procesy intensywnego zużywania się koronek, a zwłaszcza wkładek urabiających. Powoduje to pogorszenie efektów prac wiertniczych - spadek prędkości wiercenia oraz wzrost energochłonności wiercenia. Główną przyczyną szybkiego zużycia wkładek urabiających koronek wiertniczych jest ich konstrukcja, w której wkładki te są mocowane na stałe (nieruchomo) w głowicy koronki oraz nieefektywnego ich chłodzenia, zwłaszcza przy dużej długości otworów wiertniczych i stosowaniu przedmuchu powietrznego dna otworu. Problem, zwłaszcza przy wykonywaniu głębokich otworów, stwarza też usuwanie zwiercin powstających w procesie wiercenia.

W znanych rozwiązaniach konstrukcyjnych wkładki (słupki) urabiające z węglików spiekanych lub innych twardych materiałów osadzone są w stalowych głowicach koronek wiertniczych poprzez lutowanie lutem twardym lub z wykorzystaniem skurczu cieplnego. W warunkach intensywnych oddziaływań cieplnych we wkładkach urabiających występują duże gradienty temperatury, co powoduje, że połączenia lutowane miękną, a nawet ulegają wytopieniu, zaś połączenia skurczowe w wyniku rozszerzalności cieplnej głowicy koronki tracą swoje pewność. W tej sytuacji połączenia te stają się niewystarczające. Wzrost temperatury powoduje również spadek twardości węglików spiekanych i przyspieszony proces degradacji ich własności, głównie odporności na zużycie ścierne.

Dotychczas znane rozwiązania konstrukcyjne koronek wiertniczych opisane zostały w pracy: K. Wojnar „Wiertnictwo. Technika i Technologia”, Wyd. AGH, Kraków 1997.

Z europejskiego opisu patentowego EP1794406A1 znana jest koronka wiertnicza do skał twardych wyposażona we wkładki urabiające w postaci słupków z węglików spiekanych zakończonych od strony roboczej kuliście, stożkowo, balistycznie, półbalistycznie lub dłutowo, które osadzone są na stałe w otworach wykonanych na powierzchni głowicy koronki.

Z polskiego opisu patentowego PL179351 znana jest koronka wiertnicza przeznaczona w szczególności do wiercenia udarowego albo udarowo-obrotowego, gdzie głowica posiada utwardzone wkładki osadzone w wybraniach (gniazdach). Wkładki mają kształt kulisty i są zamocowane poprzez połączenie lutowane w półkulistych wybraniach głowicy koronki wiertniczej.

Wkładki urabiające z węglików spiekanych z ewentualnym dodatkiem diamentu mogą mieć postać cylindrycznych słupków zakończonych kuliście - jak opisano w dokumencie patentowym US2009260892, stożkowo jak przykładowo opisano w dokumencie patentowym JP2021011687, czy parabolicznie jak to ma miejsce przykładowo w opisie wzoru użytkowego W.128089. Wkładki rozmieszczone są na powierzchni czołowej głowicy koronki o kształcie kulistym, lub stożkowym, przy czym ich liczba oraz sposób rozmieszczenia zależy od własności mechanicznych skał, do których przeznaczona jest koronka wiertnicza. Wkładki te osadzone są na stałe, nieruchomo, w gniazdach wykonanych w głowicy koronki wiertniczej.

Z innego polskiego opisu patentowego PL 185256 znana jest koronka do wiercenia udarowego lub udarowo-obrotowego podzielona w kierunku promieniowym. Poszczególne części koronki są ze sobą połączone kształtowo za pośrednictwem przynajmniej jednego elementu sprzęgającego.

Z japońskiego opisu patentowego JP2021011687 znana jest koronka wiertnicza posiadająca korpus składający się z monolitycznej głowicy z wkładkami urabiającymi z węglików spiekanych kruszących skałę podczas wiercenia i części gniazdowej, do której głowica ta jest zamocowana w sposób demontowalny. Konstrukcja ta pozwala na wymianę samej głowicy wraz z elementami urabiającymi w przypadku jej zużycia lub uszkodzenia.

Ponadto z opisu patentowego GB794623 znane jest wiertło udarowe jednodłutowe posiadające wymienne końcówki urabiające w formie płytek, których końcówka w postaci płytki z twardego materiału wlutowana jest w stalową osłonę wsuwaną z boku wiertła w odpowiednio wykonaną szczelinę. Element urabiający unieruchomiony jest w korpusie wiertła za pomocą kołków stożkowych osadzonych poprzecznie do osi wiertła w odpowiednio wyprofilowanych otworach.

Znane koronki wiertnicze udarowe i udarowo-obrotowe posiadają zazwyczaj jednolity korpus wykonany w formie odlewu, odkuwki, jak to przykładowo opisano w polskim opisie patentowym PL141541, lub ukształtowany w wyniku obróbki wiórowej.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie nowej koronki wiertniczej do wiercenia w zwłaszcza w skałach twardych, która zniweluje dotychczasowe niedogodności wynikające ze stanu techniki oraz ograniczy intensywność zużycia i spadek efektywności procesu wiercenia.

Koronka wiertnicza z obrotowymi wkładkami urabiającymi w postaci obrotowo-symetrycznych słupków charakteryzuje się tym, że wkładki urabiające mają osie usytuowane wichrowato względem osi obrotu koronki wiertniczej, przy czym kąt a jest kątem pomiędzy osią obrotu koronki wiertniczej, a rzutem osi podłużnej wkładki urabiającej na płaszczyznę przechodzącą przez oś obrotu koronki wiertniczej i wierzchołek tej wkładki urabiającej i wynosi od 5° do 45° oraz kąt β jest kątem pomiędzy płaszczyzną przechodzącą przez oś obrotu koronki wiertniczej i wierzchołek danej wkładki urabiającej, a osią podłużną tej wkładki, mierzony w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny wyznaczonej przez oś obrotu i wierzchołek przechodzący przez oś podłużną, przy czym kąt β wynosi od 5° do 40°.

Koronka wiertnicza według wynalazku ma wkładki urabiające osadzone w oprawie i ostoi z wzdłużnym luzem Λ.

W koronce wiertniczej według wynalazku wkładki urabiające posiadają co najmniej dwa spiralne rowki wykonane na powierzchni zewnętrznej ich części osadczej.

W koronce wiertniczej według wynalazku wkładki urabiające posiadają indywidualne układy zasilania medium chłodzącym składające się z kanałów, obwodowych wybrań wykonanych w głowicy koronki i/lub ostoi oraz kanałów wykonanych w ostoi, sprężyn i popychaczy, przy czym wkładki urabiające pełnią rolę zaworów sterujących przepływem medium chłodzącym.

Koronka wiertnicza według wynalazku posiada podkładki do regulacji luzu Λ osadzenia wkładek urabiających w gniazdach ostoi.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia budowę części roboczej koronki wiertniczej - lewa strona to półprzekrój w płaszczyźnie osi wkładek urabiających, zaś prawa strona to półwidok koronki wiertniczej. Fig. 2 przedstawia przekrój przez pojedyncze osadzenie wkładki urabiającej w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny osi wkładek urabiających z Fig. 1, który ilustruje sposób pracy wkładki urabiającej - lewa strona dotyczy wkładki nieobciążonej siłą oporu urabiania, prawa strona to ta sama wkładka urabiająca w trakcie urabiania. Fig. 3 przedstawia zasadę generowania momentu obrotowego wkładki urabiającej wokół jej osi z wykorzystaniem składowej siły oporu wiercenia otworu w skale.

Wkładka urabiająca 1 osadzona jest stożkową częścią roboczą w oprawie 2 połączonej z głowicą 4 koronki wiertniczej połączeniem gwintowym. Pomiędzy oprawą 2, a głowicą 4 umieszczona jest ostoja 3, w której osadzone są części mocujące wkładek urabiających 1 w stożkowych gniazdach. Części mocujące wkładek urabiających 1 oparte są na sprężynach naciskowych 9 poprzez centralnie położone popychacze 11 (Fig. 2). Wkładki urabiające 1 z węglików spiekanych osadzone są w wyżej wymienionych elementach z niewielkim luzem Λ regulowanym grubością pakietu podkładek 10 (Fig. 1). Między wewnętrzną powierzchnią oprawy 2, a ostoją 3 zachowana jest szczelina 13 dla przepływu czynnika chłodzącego dostarczanego centralnym otworem 6 i wypływającego na zewnątrz koronki wiertniczej kilkoma, korzystnie trzema otworami strefowymi 8. Czynnik chłodzący, korzystnie woda dostarczany jest kanałami 7 do obwodowych wybrań 7a połączonych kanałami 7b indywidualnie do strefy posadowienia każdej z wkładek urabiających 1 (Fig. 2). Dostarczany pod ciśnieniem czynnik chłodzący ma za zadanie chłodzić każdą wkładkę urabiającą 1 z osobna oraz transportować zwierciny powstające w procesie wiercenia. Główny transport zwiercin odbywa się w strumieniu czynnika chłodzącego, korzystnie wody, która wypływa otworami sektorowymi 8, a następnie transportuje zwierciny kanałami 2a i 2b na zewnętrznej powierzchni oprawy 2 i głowicy 4. Po opuszczeniu strefy głowicy koronki wiertniczej zwierciny unoszone są wzdłuż żerdzi przewodu wiertniczego do wylotu otworu wiertniczego. Część czynnika chłodzącego doprowadzana kanałami 7 służy ułatwieniu realizacji obrotów wkładek urabiających wokół ich osi, jednocześnie efektywnie smarując i chłodząc te wkładki.

Wkładki urabiające 1 osadzone są w koronce wiertniczej w taki sposób, że ich osie 1a mają położenie wichrowate względem osi obrotu 4a koronki wiertniczej (Fig. 1 i Fig. 2). Wichrowate położenie osi wkładek urabiających 1 określają kąty: a w zakresie 5:45° w stosunku do osi obrotu koronki (Fig. 1) oraz β w zakresie 5:40° w płaszczyźnie prostopadłej (Fig. 2 i Fig. 3). Kąty te mogą być jednakowe dla wszystkich wkładek urabiających 1, mogą też być zróżnicowane, przykładowo rosnąco ze wzrostem odległości wkładek urabiających 1 od osi obrotu 4a koronki wiertniczej. Wszystkie wkładki urabiające 1 w formie dwustożkowych słupków mogą mieć jednakową geometrię. Kąty stożków oraz średnica wkładek urabiających 1 mogą też rosnąć ze wzrostem odległości wkładek od osi obrotu koronki wiertniczej.

Dzięki wichrowatemu położeniu osi wkładek urabiających 1 opór skrawania Q ma składową siłę Po mimośrodową (odległość R) względem osi wkładek. Generuje to moment obrotowy M proporcjonalny do ogólnego oporu urabiania, działający w kierunku obrotu wkładek urabiających wokół ich osi. Ilustruje to Fig. 3. Obrotom wkładek urabiających 1 przeciwstawiają się siły oporu tarcia zależne od łącznego oporu urabiania, kątów a i β oraz współczynnika tarcia materiału wkładek urabiających 1 o elementy współpracujące z nimi. Dla zmniejszenia oporu obrotu wkładek urabiających 1, korzystne jest zastosowanie dla wykonania ostoi 3 brązu, szczególnie ołowiowego. Służy to dodatkowo skuteczniejszemu odprowadzaniu ciepła od wkładek urabiających 1.

W celu wzmocnienia działania momentu obracania wkładkami urabiającymi 1 w konstrukcji koronki według wynalazku zastosowano dodatkowo dwa mechanizmy wspomagające obroty wkładek urabiających 1. Jednym z nich jest oddziaływanie strumienia zwiercin, które przemieszczając się kanałami 2a w kierunku promieniowym poprzez tarcie o pobocznicę stożkowych części roboczych wkładek urabiających 1 wspomagają działanie momentu M. Dla wzmocnienia wspomnianego efektu kanały 2a, korzystnie jest usytuować możliwie blisko wkładek urabiających 1 z tej ich strony, która jest nachylona pod kątem β.

Drugi mechanizm wspomagający obroty wkładek urabiających 1 pod działaniem momentu M ma charakter hydrodynamiczny, ujawniający się szczególnie, gdy jako czynnik chłodzący i transportujący zwierciny (płuczka wiertnicza) stosowana jest woda podawana pod odpowiednim ciśnieniem kanałem centralnym 6. Działanie tego mechanizmu obrotu wkładek urabiających 1 ilustruje Fig. 2. Gdy wkładka urabiająca 1 jest chwilowo odciążona (lewa strona na Fig. 2) woda przez otwór 7b i spiralne rowki 12 wykonane na powierzchni części osadczej wkładek urabiających 1 napełnia przestrzeń między oprawą 2 i ostoją 3. Przy pierwszym wstępnym kontakcie wkładki urabiającej 1 ze zwiercaną calizną następuje szybki ruch wkładki urabiającej 1 w głąb oprawy 2, co wywołuje impulsowy przepływ wody spiralnymi rowkami 12. Wywołuje to hydrodynamiczny moment reakcyjny powodujący obrót wkładki urabiającej 1 wokół jej osi. Obrót wkładki urabiającej 1 w krótkiej chwili jest szczególnie ułatwiony, gdyż wkładka ta jest w swoistym stanie „zawieszenia” w cieczy, a opór przeciwko obrotowi stanowi jedynie bezwładność masy wkładki urabiającej. Opór tarcia o popychacze 11 jest pomijalny dzięki jego centralnemu działaniu na wkładkę urabiającą 1 i smarujący wpływ wody. Ponadto, popychacze 11 można wykonać z materiału o małym współczynniku tarcia, przykładowo z brązu.

Gdy wkładka urabiająca 1 w wyniku ruchu w głąb ostoi 3 osiądzie w swoim gnieździe jej ruch obrotowy zostaje zahamowany pod działaniem siły oporu urabiania Q. W trakcie urabiania skały na dnie otworu wiertniczego szczeliną między roboczą częścią wkładki urabiającej 1, a oprawą 2 wypływa woda pod ciśnieniem przeciwdziałając dostawaniu się pyłu skalnego do strefy osadzenia wkładki urabiającej 1 (prawa strona na Fig. 2). Ilustrują to strzałki na Fig. 2.

Bardzo krótkie chwile przechodzenia z pozycji zilustrowanej lewą częścią Fig. 2 w pozycję pokazaną po prawej stronie Fig. 2 oraz chwile ruchu powrotnego sprzyjają wystąpieniu elementarnych obrotów wkładek urabiających w oparciu o opisany mechanizm hydrodynamiczny. Duża liczba cykli opisanego przechodzenia wkładek urabiających 1 z jednej pozycji w drugą i z powrotem daje możliwość, że nawet niewielkie ich obroty kątowe przy pojedynczym cyklu ulegają systematycznemu sumowaniu się i wkładki te zmieniają swoją pozycję względem oprawy 2 i ostoi 3.

Dla wystąpienia opisanego hydrodynamicznego obrotu wkładki urabiającej 1 w wyniku impulsowego przepływu wody spiralnymi rowkami 12 niezbędne jest wystąpienie chwil możliwie pełnego odciążenia wkładki dla jej przemieszczenia się pod działaniem sprężyny 9 na zewnątrz koronki wiertniczej. W praktyce chwile takie mają często miejsce, gdyż proces wiercenia udarowo-obrotowego polega na cyklicznym odłupywaniu ziaren skalnych podczas kolejnych uderzeń bijaka młotka udarowego w wyniku wbijania się w skałę na dnie wierconego otworu wkładek urabiających. Po odłupaniu skały następuje na ogół chwila odciążenia wkładek urabiających 1 w czasie suwu powrotnego bijaka młotka, oraz w wyniku sprężystego „odbicia” koronki wiertniczej poddanej cyklicznym wzdłużnym uderzeniom.

Opisane trzy mechanizmy działające w kierunku obrotu wkładek urabiających wzajemnie się wspomagają, co powoduje, że w trakcie pracy koronki według wynalazku następują sukcesywne obroty wkładek urabiających wokół ich osi. Obroty te, nawet niewielkie i stochastycznie nieregularne stale sumują się sprzyjając równomierności zużywania się ściernego wkładek urabiających. Równomierne zużywanie się ścierne tych wkładek powoduje bardzo korzystny efekt ich swoistego „samoostrzenia się”, co służy znacznemu zmniejszeniu i energochłonności wiercenia i przeciwdziała spadkowi prędkości wiercenia. Obroty wkładek urabiających wokół ich osi są również korzystne z punktu widzenia zmęczeniowego oddziaływania momentu zginającego część roboczą wkładek urabiających, gdyż cyklicznie ulega zmianie płaszczyzna oddziaływania momentu gnącego.

Dla zapewnienia, aby wszystkie trzy mechanizmy obracania wkładek urabiających wzajemnie się wspomagały niezbędny jest odpowiedni kierunek spiralnych rowków 12 we wkładkach urabiających 1. Ponadto, należy zadbać o to, by opory wiercenia działały w kierunku dokręcania oprawy 2.

Jeżeli w trakcie eksploatacji koronki wystąpi nadmierny luz Δ osadzenia wkładek urabiających 1 w gniazdach ostoi 3 z powodu np. zużywania się ściernego elementów, rozwiązanie konstrukcyjne koronki według wynalazku umożliwia łatwe korygowanie luzu Δ. W tym celu należy nieco poluzować połączenie gwintowe oprawy 2 z głowicą 4 i wyrwać odpowiednią ilość cienkich blaszanych podkładek 10 (Fig. 1). Następnie należy mocno dokręcić połączenie gwintowe, sprawdzając czy uzyskany luz jest właściwy.

W przypadku koronek przeznaczonych do wiercenia wiertnicami z młotkiem górnym energia udaru przekazywana jest za pośrednictwem żerdzi wiertniczych na powierzchnię oporową głowicy koronki. W celu ograniczenia wpływu karbu geometrycznego w strefie przejścia części chwytowej korpusu koronki w głowicę poprzez zwiększenie promienia przejściowego korzystne jest zastosowanie pierścienia oporowego 5.

Łatwa rozbieralność koronki wiertniczej według wynalazku umożliwia usunięcie pojedynczych wkładek urabiających 1 pękniętych, wykruszonych, czy nadmiernie zużytych i zastąpienie ich nowymi. Rozbieralność koronki pozwala na łatwy odzysk zużytych wkładek urabiających dla celów recyklingu węglików spiekanych czy dla innego ich wykorzystania.

Duża część elementów koronki wiertniczej według wynalazku może być wykorzystana wielokrotnie. Dotyczy to w szczególności jej korpusu (głowicy 4 oraz części chwytowej), pierścienia oporowego 5 przekazującego udary z żerdzi wiertniczej na koronkę (dotyczy wiercenia udarowo-obrotowego z młotkiem górnym), sprężyn 9, czy popychaczy 11. Duże znaczenie praktyczne ma to, że wszystkie opisane czynności regulacyjne i wymiana elementów może być wykonywana bezpośrednio przez użytkownika z wykorzystaniem jednego narzędzia w postaci odpowiedniego klucza hakowego dla demontażu/montażu oprawy 2 w warunkach typowych warsztatów, w tym i w warunkach polowych.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest zwiększona trwałość eksploatacyjna i zmniejszona energochłonność wiercenia uzyskane dzięki możliwości obracania się wkładek urabiających wokół ich osi. Efektywne chłodzenie wkładek urabiających zabezpiecza przed bardzo szkodliwym zjawiskiem powierzchniowego niszczenia węglików spiekanych w postaci występowania procesów tarciowo-zmęczeniowego wykruszania warstwy wierzchniej wkładek urabiających.

Zastosowanie koronki wiertniczej według wynalazku pozwala na zachowanie wysokiego poziomu bezpieczeństwa pracy, efektywnego chłodzenie w toku pracy oraz dużych efektów ekologicznych. Ponadto wkładki w rozwiązaniu koronki wiertniczej według wynalazku można łatwo wymieniać w przypadku przedwczesnego zużycia.

Claims (5)

1. Koronka wiertnicza z obrotowymi wkładkami urabiającymi w postaci obrotowo-symetrycznych słupków, znamienna tym, że wkładki urabiające (1) mają osie (1a) usytuowane wichrowato względem osi obrotu (4a) koronki wiertniczej, przy czym kąt a jest kątem pomiędzy osią obrotu (4a) koronki wiertniczej, a rzutem osi podłużnej (1a) wkładki urabiającej na płaszczyznę przechodzącą przez oś obrotu (4a) koronki wiertniczej i wierzchołek tej wkładki urabiającej i wynosi od 5° do 45° oraz kąt β jest kątem pomiędzy płaszczyzną przechodzącą przez oś obrotu (4a) koronki wiertniczej i wierzchołek danej wkładki urabiającej, a osią podłużną (1a) tej wkładki, mierzony w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny wyznaczonej przez oś obrotu i wierzchołek przechodzący przez oś podłużną (1a), przy czym kąt β wynosi od 5° do 40°.

2. Koronka wiertnicza według zastrz. 1, znamienna tym, że wkładki urabiające (1) osadzone są w oprawie (2) i ostoi (3) z wzdłużnym luzem Δ.

PL 249036 Β1

3. Koronka wiertnicza według zastrz. 1, znamienna tym, że wkładki urabiające (1) posiadają co najmniej dwa spiralne rowki (12) wykonane na powierzchni zewnętrznej ich części osadczej.

4. Koronka wiertnicza według zastrz. 1, znamienna tym, że wkładki urabiające (1) posiadają indywidualne układy zasilania medium chłodzącym składające się z kanałów (7), obwodowych wybrań (7a) wykonanych w głowicy koronki (4) i/lub ostoi (3) oraz kanałów (7b) wykonanych w ostoi (3), sprężyn (9) i popychaczy (11), przy czym wkładki urabiające (1) pełnią rolę zaworów sterujących przepływem medium chłodzącym.

5. Koronka wiertnicza według zastrz. 1, znamienna tym, że posiada podkładki (10) do regulacji luzu Δ osadzenia wkładek urabiających (1) w gniazdach ostoi (3).