RU167239U1 - DRILLING MACHINE FOR ROTARY SHOCK DRILLING IN ROCKS - Google Patents

Abstract

Буровая машина для вращательно-ударного бурения в горных породах, содержащая генератор продольных ударных импульсов, бурильную штангу, вращатель, узел усилия подачи бурового инструмента на забой, буровую коронку, отличающаяся тем, что между генератором ударных импульсов и буровой коронкой в буровую штангу включен естественно закрученный стержень и замедлитель скорости продольных импульсов, при этом замедлитель скорости продольных импульсов выполнен в виде полого элемента, заполненного эластомером, зажатым усилием подачи в замкнутом объеме, соединенным через подвижное в осевом направлении штанги шлицевое или призматическое соединение с буровой коронкой.A rock drilling machine for rotary shock drilling in rocks, comprising a longitudinal shock impulse generator, a drill rod, a rotator, a drilling tool feed unit for a face, a drill bit, characterized in that a naturally twisted shaft is included between the shock pulse generator and the drill bit the rod and the moderator of the velocity of longitudinal pulses, while the moderator of the velocity of longitudinal pulses is made in the form of a hollow element filled with an elastomer, clamped by the feed force in a closed volume connected through a spindle or prismatic connection with a drill bit that is movable in the axial direction of the rod.

Description

Полезная модель относится к области бурильных машин и предназначена для использования в горной промышленности с целью повышения производительности труда при бурении шпуров и скважин.The utility model relates to the field of drilling machines and is intended for use in the mining industry in order to increase labor productivity when drilling holes and wells.

Известны буровые машины вращательно-ударного бурения (Кутузов Б.Н. Теория, техника и технология буровых работ. М.: Недра, 1972. с. 282-287), состоящие из генератора ударных импульсов, вращательного узла, буровой штанги, механизма подачи штанги на забой, породоразрушающего инструмента.Known drilling machines for rotary-shock drilling (Kutuzov B.N. Theory, technique and technology of drilling operations. M: Nedra, 1972. S. 282-287), consisting of a shock pulse generator, rotational unit, drill rod, rod feed mechanism on the face, rock cutting tool.

Недостатком известных машин вращательно-ударного бурения является то, что для разрушения породы используются продольные ударные импульсы деформации штанги. При этом порода разрушается в основном за счет деформации сжатия. Известно, что энергоемкость разрушения породы при сжатии примерно в 10 раз больше, чем при разрушении за счет деформации сдвига и скола. Генератор ударных импульсов возбуждает в штанге при ударе волну продольной деформации, ограниченную по энергии, продолжительности и по длине, которая распространяется со скоростью звука в стали по штанге к буровой коронке.A disadvantage of the known rotary hammer drilling machines is that longitudinal shock pulses of rod deformation are used to destroy the rock. In this case, the rock is destroyed mainly due to compression deformation. It is known that the energy intensity of rock destruction during compression is approximately 10 times greater than during destruction due to shear and cleavage. The shock pulse generator excites a longitudinal deformation wave in the rod upon impact, limited in energy, duration and length, which propagates with the speed of sound in steel along the rod to the drill bit.

Энергия одиночного удара в современных бурильных машинах изменяется в пределах от 50 до 1000 Дж. Продолжительность импульса 300-600 мкс. Допустим, что энергия удара равна 100 Дж, а продолжительность импульса 300 мкс, тогда максимальная мощность, которая может быть реализована при разрушении породы, будет свыше 300 кВт. Это значительная мощность, которая приходится на небольшую площадь забоя скважины. Этим объясняется высокая эффективность ударного разрушения породы. Мощность вращателя буровых машин составляет около 5 кВт. Тогда за счет вращателя за 300 мкс на забой будет передана энергия всего около 1,5 Дж.The energy of a single blow in modern drilling machines varies from 50 to 1000 J. The pulse duration of 300-600 μs. Assume that the impact energy is 100 J, and the pulse duration is 300 μs, then the maximum power that can be realized when the rock is destroyed will be more than 300 kW. This is significant power, which accounts for a small area of the bottom of the well. This explains the high efficiency of impact destruction of the rock. The power of the rotator of drilling machines is about 5 kW. Then, due to the 300 μs rotator, only about 1.5 J of energy will be transferred to the face.

Можно часть продольного ударного импульса превратить в ударный крутильный импульс, который по продолжительности соизмерим с продольным. Одним из известных методов такого преобразования является пропускание продольного ударного импульса через естественно закрученный стержень (Рындин В.П. Некоторые особенности распространения ударных импульсов в стержнях.// Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2004 -№4. -С. 20-21).It is possible to turn part of the longitudinal shock pulse into a shock torsion pulse, which is comparable in duration to the longitudinal one. One of the known methods of such a conversion is to transmit a longitudinal shock pulse through a naturally twisted rod (V. Ryndin. Some features of the propagation of shock pulses in rods. // Bulletin of the Kuzbass State Technical University. - Kemerovo, 2004. No. 4.-P. 20- 21).

Естественно закрученным стержнем (ЕЗС) называется стержень, образованный движением плоской фигуры (поперечным сечением стержня), вращающейся с некоторой угловой скоростью, по мере того как центр тяжести этой фигуры движется вдоль оси стержня.A naturally twisted rod (EZS) is a rod formed by the movement of a flat figure (the cross-section of the rod), rotating at a certain angular velocity, as the center of gravity of this figure moves along the axis of the rod.

В простейшем случае ЕСЗ можно получить, прорезав на боковой поверхности цилиндрического стержня двухходовую винтовую канавку определенной глубины и углом подъема. Меняя глубину и ширину канавок, можно получать стержни различной продольной жесткости.In the simplest case, an ESZ can be obtained by cutting a two-way screw groove of a certain depth and angle of elevation on the lateral surface of a cylindrical rod. By varying the depth and width of the grooves, rods of different longitudinal stiffness can be obtained.

Техническим результатом является повышение эффективности разрушения породы при бурении за счет преобразования в буровой штанге части продольного ударного импульса в импульс крутящего момента. Продольный ударный импульс разрушает породу сжатием, а импульсы крутящего момента - сдвигом и сколом, что на порядок снижает энергоемкость разрушения породы.The technical result is to increase the efficiency of rock destruction during drilling due to conversion of a longitudinal shock impulse into a torque impulse in the drill rod. A longitudinal shock impulse destroys the rock by compression, and torque impulses - by shear and cleavage, which reduces the energy consumption of rock destruction by an order of magnitude.

Указанный технический результат достигается тем, что в буровую штангу включен ЕЗС и импульсный замедлитель скорости. Ударный продольный импульс, проходя через ЕЗС, по энергии частично преобразуется в два импульсных крутящих момента противоположного знака.The specified technical result is achieved by the fact that the EZS and a pulsed moderator are included in the drill rod. A longitudinal longitudinal impulse, passing through the EZS, is partially converted by energy into two impulse torques of the opposite sign.

Импульсный замедлитель скорости обеспечивает уменьшение амплитуды продольного импульса и скорости его распространения. Это позволяет оптимизировать процесс разрушения породы при совместном действии продольного импульса и импульсных крутящих моментов на коронку.Pulse moderator provides a decrease in the amplitude of the longitudinal pulse and its propagation velocity. This allows you to optimize the process of rock destruction with the combined action of a longitudinal impulse and impulse torques on the crown.

Импульсный замедлитель представляет собой замкнутую полость, заполненную эластомером, находящимся в объемно сжатом состоянии под действием усилия подачи.The pulse moderator is a closed cavity filled with an elastomer in a volumetric compressed state under the action of a feed force.

Скорость распространения продольного ударного импульса, проходящего через замедлитель, уменьшается с 5000 м/с до 1600 м/с, амплитуда понижается, и он подходит к буровому инструменту одновременно с крутящим моментом. Скорость перемещения крутильных импульсов равна 3200 м/с.The propagation velocity of a longitudinal shock pulse passing through the moderator decreases from 5000 m / s to 1600 m / s, the amplitude decreases, and it approaches the drilling tool simultaneously with the torque. The speed of movement of torsion pulses is 3200 m / s.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана схема ударной системы с естественно закрученным стержнем, осциллограммы осевого ударного импульса, импульса крутящего момента: 1 - боек; 2 - штанга; 3 - естественно закрученный стержень; 4 - датчик осевого усилия; 5 - датчик крутящего момента; 6 - осевой импульс; 7 - импульс крутящего момента; 8 - отраженный продольный импульс; 9 - отраженный импульс крутящего момента. На фиг. 2 показана схема полезной модели. Она состоит из буровой штанги 10, частью которой является ЕЗС 11, генератора ударных импульсов 12, узла усилия подачи 13, вращателя 14, замедлителя скорости распространения продольного импульса 15, заполненного эластомером 16, и буровой коронки 17. Эластомер 16 сжат усилием подачи в замкнутом объеме и находится в состоянии всестороннего сжатия. Скорость распространения продольных импульсов в нем меньше, чем в буровой штанге. Замедлитель скорости необходим для того, чтобы импульс крутящего момента и продольный импульс подошли к буровой коронке одновременно.In FIG. 1 shows a diagram of a shock system with a naturally twisted rod, oscillograms of the axial shock impulse, torque impulse: 1 - striker; 2 - rod; 3 - naturally twisted rod; 4 - axial force sensor; 5 - torque sensor; 6 - axial impulse; 7 - momentum of torque; 8 - reflected longitudinal impulse; 9 - reflected momentum of torque. In FIG. 2 shows a diagram of a utility model. It consists of a drill rod 10, of which EZS 11 is a part, an impact pulse generator 12, a feed force assembly 13, a rotator 14, a propagation velocity inhibitor 15 of a longitudinal impulse 15 filled with elastomer 16, and a drill bit 17. The elastomer 16 is compressed by a feed force in a closed volume and is in a state of comprehensive compression. The propagation velocity of longitudinal impulses in it is less than in the drill rod. A speed retarder is necessary so that the torque impulse and the longitudinal impulse come to the drill bit at the same time.

Под эластомером подразумевается высокомолекулярное соединение, обладающее большой эластичностью и малой сжимаемостью при всестороннем сжатии. Примером такого эластомера может служить резина.By elastomer is meant a high molecular weight compound having great elasticity and low compressibility with full compression. An example of such an elastomer is rubber.

Соединение замедлителя с буровой штангой и коронкой выполнено подвижным в осевом направлении, а импульсные моменты передаются через шлицевые или профильные соединения, минуя эластомер.The connection of the moderator with the drill rod and the crown is made movable in the axial direction, and the impulse moments are transmitted through spline or profile joints, bypassing the elastomer.

Полезная модель буровой машины работает следующим образом. В исходном положении буровая коронка 17 прижимается штангой к породе узлом подачи 13. Вращатель 14 вращает буровую штангу 10 совместно с ЕЗС 11, замедлителем скорости 15 и буровой коронкой 17. При включении генератора ударных импульсов 12 в буровой штанге 10 возбуждаются продольные ударные импульсы, которые проходят через ЕЗС 11, разделяются на продольные импульсы деформации и импульсы крутящего момента. Каждый импульс крутящего момента состоит из двух противоположно направленных импульсов вращения, поэтому буровая коронка должна разрушать породу при вращении в любую сторону.A utility model of a drilling machine works as follows. In the initial position, the drill bit 17 is pressed by the rod to the rock by the feed unit 13. The rotator 14 rotates the drill rod 10 together with the EZC 11, the retarder 15 and the drill bit 17. When the shock pulse generator 12 is turned on, longitudinal shock pulses are excited in the drill rod 10, which pass through EZS 11, are divided into longitudinal strain pulses and torque pulses. Each torque impulse consists of two oppositely directed rotation impulses, therefore, the drill bit must destroy the rock during rotation in any direction.

Далее продольные импульсы проходят через эластомер 16 замедлителя скорости 15. Скорость распространения их снижается, а амплитуда уменьшается за счет интерференции волн. Этим обеспечивается одновременность прихода продольного импульса и импульса крутящего момента к буровой коронке 17. Величина задержки во времени продольного импульса деформации уменьшение его амплитуды определяется длиной стержня эластомера.Further, the longitudinal impulses pass through the elastomer 16 of the moderator 15. Their propagation speed decreases, and the amplitude decreases due to wave interference. This ensures the simultaneous arrival of the longitudinal impulse and the torque impulse to the drill bit 17. The time delay of the longitudinal deformation impulse is reduced by the length of the elastomer rod.

Импульсы крутящего момента через шлицевые или призматические соединения, через корпус замедлителя скорости передаются буровой коронке, минуя эластомер. Всестороннее сжатие эластомера обеспечивается усилием подачи, так как шлицевые или призматические соединения подвижны вдоль оси штанги.Torque impulses through slotted or prismatic joints, through the housing of the retarder are transmitted to the drill bit, bypassing the elastomer. Comprehensive elastomer compression is ensured by the feed force, since splined or prismatic joints are movable along the axis of the rod.

Преимущество полезной модели буровой машины перед существующими машинами вращательно-ударного действия заключается в том, что порода разрушается за счет сдвиговых деформаций импульсами крутящего момента, вызванных ударным процессом в ЕЗС, совместно с частью продольного ударного импульса и моментом вращателя. Энергоемкость разрушения породы сдвигом значительно меньше, чем за счет деформации сжатия. Импульсы крутящего момента вызваны ударом, кратковременны, обладают большой амплитудой, поэтому обладают значительно большей мощностью при разрушении породы, чем момент, развиваемый двигателем вращателя. В результате скорость бурения повышается, а энергоемкость разрушения породы снижается. Способствует разрушению породы момент вращателя. Он обеспечивает перенос точек удара по забою скважины.The advantage of the utility model of the drilling machine over existing rotary-impact machines is that the rock is destroyed due to shear deformations by torque pulses caused by the shock process in the EZS, together with part of the longitudinal shock pulse and the rotator moment. The energy intensity of rock destruction by shear is much less than due to compression deformation. The impulses of torque are caused by an impact, are short-lived, have a large amplitude, and therefore have a significantly greater power in the destruction of the rock than the moment developed by the rotator engine. As a result, the drilling speed increases, and the energy intensity of rock destruction decreases. Contributes to the destruction of the rock moment of the rotator. It provides the transfer of impact points along the bottom of the well.

Разрушенная порода из забоя скважины удаляется промывкой водой, поступающей по осевому отверстию в штанге. Это отверстие на фиг. 2 не показано.The destroyed rock from the bottom of the well is removed by flushing with water entering the axial hole in the rod. This hole in FIG. 2 not shown.

Импульсы крутящего момента в данной полезной модели имеют такое же определяющее влияние на увеличение скорости бурения, какое имели ударные продольные импульсы при создании вращательно-ударного способа бурения.Torque pulses in this utility model have the same decisive influence on the increase in drilling speed, which had longitudinal impact pulses when creating a rotary-impact drilling method.

Claims (1)

Буровая машина для вращательно-ударного бурения в горных породах, содержащая генератор продольных ударных импульсов, бурильную штангу, вращатель, узел усилия подачи бурового инструмента на забой, буровую коронку, отличающаяся тем, что между генератором ударных импульсов и буровой коронкой в буровую штангу включен естественно закрученный стержень и замедлитель скорости продольных импульсов, при этом замедлитель скорости продольных импульсов выполнен в виде полого элемента, заполненного эластомером, зажатым усилием подачи в замкнутом объеме, соединенным через подвижное в осевом направлении штанги шлицевое или призматическое соединение с буровой коронкой.

A rock drilling machine for rotary shock drilling in rocks, comprising a longitudinal shock impulse generator, a drill rod, a rotator, a drilling tool feed unit for a face, a drill bit, characterized in that a naturally twisted shaft is included between the shock pulse generator and the drill bit the rod and the moderator of the velocity of longitudinal pulses, while the moderator of the velocity of longitudinal pulses is made in the form of a hollow element filled with an elastomer, clamped by the feed force in a closed volume connected through a spindle or prismatic connection with a drill bit that is movable in the axial direction of the rod.

Images