CS266311B2 - Hole device - Google Patents

Description

Vynález se týká vrtného zařízení, zahrnujícího vrtnou hlavu s otáčivým tělesem, kterým axiálně prochází rozdělovači kanál pro stlačený vzduch, tlakovou vodu nebo jakoukoli jinou vrtnou tekutinu, a které nese alespoň jeden otáčivý řezný nástroj.

Taková vrtná zařízení mají vrtnou hlavu, opatřenou třemi řeznými nástroji v podstatě kuželového nnbo komol okužolového tvaru a jr.on zn«5ma a používána od třicátých let tohoto století. TŽJ. fiktivní Víclioly řezných nánti.ojů ne nhotlnj í n jeilnhu Innhuu tut оно ot/íťMoií vrtné hlavy. Boční povrch každé kužele je opatřen zuby, jejichž rozměry a naostření jsou závislé na povaze zeminy nebo horniny, která se má vrtat. K^Ždý kužel je osazen na vrtné hlavě tak, že se opírá o zeminu jednou ze svých povrchových přímek a zuby jednoho kužele vnikají do mezer mezi zuby sousedního kužele. Působení tří kuželů na zeminu je stejné, jako kdyby se jednalo o tři ozubené válečky. Každý kužel je držen v radiálním směru osou, na níž je uloženo kuličkové ložisko, přidržujícího v axiálním směru. Při vrtání, zejména jedná-li se o skalní horninu, je zapotřebí velkého tlaku pro drcení skály a její následné oškrabování a vyplavování. Jelikož tři kužele pracují každý podél jedné povrchové přímky, je pracovní plocha veliká a na vrtnou hlavu je proto nutno vyvíjet velké zatížení, aby se docílil potřebný přítlak. Zemina je vystavena velkému stlačování, které má za následek drcení skály po radiálně větší ploše, než kterou zaujímá půdorysná plocha vrtu, a to zejména jedná-li se o rozrušenou Skálu s trhlinami. Vytváří se tak nepravidelný profil vrtu a nestabilní stěna.

Nepřetržité vstřikování vrtné tekutiny na dno vrtu zajišťuje odvádění částí horniny nebo zeminy odříznutých třemi kužely. Průměr plochy dna vrtu je přibližně stejný, jako je průměr vrtné hlavy, a odvádění vyvrtávaných částic je zajišťováno teprve tehdy, dovolují-li jejich rozměry procházet mezi obvodem vrtné hlavy a stěnou vrtu. Je proto zapotřebí, aby kousky horniny byly rozdrceny až do té míry, aby mohly mezi obvodem vrtné hlavy a stěnou vrtu projít, což zpomaluje postup vrtání a kromě toho dovoluje, aby část rozrušené horniny, unášená vrtnou tekutinou, se dostala až к ložiskům a způsobila jejich zadření.

Výměna jednoho z kuželů v případě poruchy je zdlouhavá, neboť je třeba pro jeho vyjmutí demontovat valivé ložisko. Byla broto již navržena konstrukce s vrtnou hlavou opatřenou půlkulovitým kotoučem, upevněným na ose téměř kolmé к ose otáčivého tělesa. Obvod kotouče je opatřen prostředky pro řezání a profilování stěny, zatímco kulový povrch se opírá o dno vrtu a drtí tlakem toto dno a kousky horniny, odřezávané hranou kotouče.

Vynález si klade za úkol vytvořit vrtné zařízení pracující s malým přítlakem a jehož řezný nástroj by se dal na vrtnou hlavu snadno osadit, přičemž by dovoloval odvádění velkých kusů vyvrtané horniny.

Tohoto cíle je podle vynálezu dosaženo tím, že řezný nástroj je věnec opatřený alespoň jednou řeznou prstencovou částí, přičemž otáčivé těleso vrtné hlavy nese na straně protilehlé vůči té, která nese osu otáčení řezného věnce, alespoň jeden opěrný prvek, uložený tak, že se opírá o stěnu vrtu za účelem vystřelování vrtné hlavy tím, že vyrovnává radiální složku reakce zeminy na věnec a za účelem zpevňování stěny vrtu.

Úkolem opěrného prvku je umožňovat stabilizaci vrtné hlavy, která by mohla mít sklon ke kmitání okolo osy vrtu a lehce vychylovat nejnižší bod řezné plochy vzhledem к ose vrtání.

Věnec působící na ořezávanou stěnu vrtu prstencovou plochou, opatřenou řeznými prostředky, pracuje tak, že materiál ze stěny ořezává a nestlačuje ji za účelem jejího rozrušení. Je samozřejmě třeba určitého přítlaku ze strany věnce na dno vrtu, ale tento přítlak není pro práci zařízení podstatný. Radiální reakce stěny na věnec, která má tendenci věnec odtlačovat, je přitom kompenzována opěrným prvkem, který se opírá o protilehlou stěnu vrtu, jak bylo již uvedeno, a umožňuje tak samočinné vystřelování nástroje. Tlak potřebný pro vrtání je poměrně malý, jelikož se vrtání provádí ořezáváním a nikoliv drcením pod

CS 266 311 В2 tlakem. Získá se tak stabilnější stěna vrtu ve srovnání s vrtáním běžnou vrtnou hlavou, takže se sníží náklady spojené s ukládáním výpažnic. Řezný věnec se přitom opírá pouze o část diiči vrtu, a to o část menší, než je jeho polovina, a poskytuje proto velký prostor pro odvádění velkých kusů vyvrtáváného materiálu.

I’d I·· л I I <' i 11 .i t Ivnllio | >i < >v»*<len í vynálezu л v jh ίρ.·ι<|Γ·, luly jo novy hnu Г η 1 nů zaváděl· do vrtu pro podpírání jeho stony výpažnice, je osa věnce osazena na kloubovém rameně, takže je možné vrtnou hlavu zavádět i vytahovat výpažnicí. Pro zavádění nebo vytahování vrtné hlavy výpažniccmi se osa otáčení řezného věnce uvede otočením kloubového ramene do polohy, v níž leží v prodloužení osy otáčení vrtné hlavy, přičemž vnitřní průměr výpažnic je nejméně roven průměru řezného věnce. Po té, co vrtná hlava prošla výpažnicemi, vedou pružné prostředky osu otáčení řezného věnce do nakloněné polohy. Díky tomuto uspořádání je možné vytahovat v případě poruchy nebo obroušení vrtné hlavy tuto hlavu bez potřeby současně vytahovat výpažnice, což by vyvolalo zhroucení stěn vrtu a jeho částečné zasypání. Tato úprava rovněž dovoluje měnit řezný věnec, pokud povaha horniny nebo zeminy se v určité hloubce mění, například z vrstvy písku na vrstvu mnohem tvrdší. Získá se tak časová úspora. V tomto případě je opěrný prvek uložen na radiálně zatažitelném rameně.

Podle jiné varianty vynálezu je vrtná hlava opatřena dvěma řeznými věnci, umístěnými se vzájemnými axiálními odstupy a navzájem prostřídané po diametrálně protilehlých stranách otáčivého tělesa. Této hlavy se použije hlavně v případech, kdy se má rozšiřovat již dříve vytvořený vrt. Při tomto provedení jsou rozměry jednoho řezného věnce a/nebo délka jeho osy otáčení větší, než rozměry předcházejícího věnce a menší, než rozměry následujícího věnce, a to ve směru od dolního konce vrtné hlavy vzhůru. V případě rozšiřování průměru již vytvořeného vrtu muže být nej spodnější vrtný nástroj, sloužící pouze jako vodítko, řešen jako běžný vrták, ftezná plocha věnce může mít tvar přibližně komokuželovitý nebo tvar prstence kulové plochy.

Podle jiné varianty se řezný věnec otáčí nezávisle na otáčení otáčivého tělesa, čímž se zvyšuje jeho řezný účinek. To dovoluje jednak zrychlit vrtnou práci a jednak ještě dálo snížit: tlak, vyvíjený ve směru vrtání.

Podle jedné varianty provedení opěrného prvku je tímto prvkem kladka, mající ve směru kolmém na osu vrtání eliptický profil. Výhodou této kladky, která se ve skutečnosti spojitě neotáčí, nýbrž se tře okolo stěny vrtu, je to, že dovoluje samočinné středění hlavy i v místech, kde je stěna vrtu odříznuta hlouběji v důsledku nestability jejího materiálu nebo proto, že byl odříznut příliš velký kus. Za normálních podmínek se kladka tře o stěnu částí svého povrchu, kolmou na kratší osu elipsy, přičemž když se kladka v důsledku nepravidelnosti povrchu přestane dotýkat stěny, vrtná hlava se působením reakce stěny proti řeznému věnci vychýlí z vystředěné polohy, a to až do té míry, až se kladka znovu dotkne stěny. V tomto okamžiku kladka znovu vystředí vrtnou hlavu, a to tím, že se začne otáčet po svém bočním povrchu, čímž stlačí věnec proti stěně vrtu. Je samozřejmé, že hloubka nepravidelnosti nesmí být větší, než je rozdíl mezi délkou malé osy a velké osy elipsy. Pootočení kladky je menší než 90°. Od okamžiku kdy se věnec znovu dotkne stěny vrtu, kladka se již neotáčí, ale tře se pouze o stěnu částí svého povrchu, která je vzdálenější od její osy, než výše uvažovaná část v normálních podmínkách. ·

S výhodou je kladka vyrobena z deformovatelného materiálu a její obvodový povrch je vyroben z tvrdého materiálu. Je možno použít kladky kruhového průřezu, uložené na radiálně roztažitelnéin rameně.

Podle výhodné varianty provedení je opěrný prvek řešen jako jednoduchá třecí plocha, osazená na radiálním rameně.

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popise na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých značí obr. 1 axiální řez první variantou provedení, obr. 2

CS 266 311 B2 axiální řez stejnou variantou provedení, avšak s jiným tvarem řezného věnce a opěrné kladky, obr. 3 axiální řez variantou provedení pro vrty s použitím výpažnic, kde je řezný věnec Uložen na kloubovém rameně, obr. 4 půdorysný pohled na spodní část zařízení z obr. 3, obr. 5 axiální řez zařízcuiím z obr. 3 s řezným věncem sklopeným do svislé polohy a se zataženou opěrnou kladkou, obr. 6 schematický pohled na vrtnou hlavu určenou к rozšiřování · ϋ * u | I е I h< > vilu, < >1 > i . / . i к I Л Id í !'»··/ ν.ι ι I ?i h I < ni | · i <»v<'< l< »n í , v níž jo |ι I nvn f »ρηI řnnn prostředky pro nezávislé a nucené otáčení řezného věnce, obr. 8 půdorysný pohled na opěrnou kladku eliptického tvaru, a obr. 9 perspektivní pohled na opěrný prvek zvláštního tvaru, řešený jako třetí plocha.

Vrtná hlava, znázorněná na obr. 1, zahrnuje otáčivé těleso £, které se našroubovává na konec neznázorněné tyče, která se otáčí. Horní část otáčivého tělesa £ má komolokuželovitou část 2, opatřenou šroubovým závitem 2·

Těleso £ má ve své spodní části válcovou část £, jejíž osa se směrem dolů odchyluje od osy otáčení tělesa £. ^Na válcové části 4. je upevněn věnec 2· Řezný obvod věnce 2 má tvar dvojitého komolého kužele, složeného ze dvou proti sobě obrácených komolokuželových ploch 6, Ί_. Komolokuželová plocha 7 je opatřena řeznými prostředky. Válcová část £, sloužící jako osa otáčení pro věnec 5, je opatřena kuličkovým ložiskem 8, usnadňujícím otáčení věnce 2· Na válcové části £ 3^e vytvořeno osazení 9, sloužící jako doraz pro věnec a může být rovněž opatřeno kuličkovým ložiskem £0. Upevnění věnce £ na jeho ose, tvořené válcovou Částí £, Ó^e zajišťováno maticí 12, přičemž mezi maticí 12 a kuličkovým ložiskem £ je uložena těsnicí vložka 11, chránící toto těsnění.

Z tělesa £ vybíhají dvě vodorovné desky £5, £6, mezi nimiž je pomocí osy £4, rovnoběžně s osou otáčení tělesa £, upevněna kladka 13. Povrchová plocha 17 kladky 13 a komokuželová plocha 7 věnce 5 jsou navzájem diametrálně protilehlé. Je možné zařízení opatřit dalšími kladkami, umístěnými se vzájemnými úhlovými nebo axiálními odstupy.

Tělesem £ prochází axiálně kanál £8, ústící otvorem 19 do vyvrtávané díry. Kanál 18 slouží pro přivádění vzduchu, vody nebo výplachu na dno vyvrtávané díry a chlazení a mazání věnce 5 a současně pro odvádění vyvrtávané zeminy nebo horniny. Válcová Část £ může být prostoupena ochozem kanálu 18, vyústěným otvorem v matici 12. Tímto způsobem se získá lepší chlazení radiálních kuličkových ložisek 8 a dorazových kuličkových ložisek 10. Je možné opatřit věnec 5 na jeho aktivním povrchu otvory, jimiž je kapalina pod velkým tlakem vyháněna proti povrchu, který se má věncem £ ořezávat. Tato kapalina proniká, podle povahy zeminy nebo horniny, do stěny vrtu a usnadňuje její odřezávání.

Vrtání se provádí následujícím způsobem. Těleso £ se obvyklým způsobem otáčí, přičemž je na vrtnou hlavu vyvíjen lehký přítlak. Boční povrch věnce £, který je opatřen zuby nebo je podle povahy půdy pouze naostřen, ořezává povrch vrtu a vytváří v zemině díru, jejíž dno má v axiálním řezu přibližně parabolický profil 20.

Představíme-li si případ věnce 5, opatřeného na bočním povrchu zuby a zablokovaného vzhledem ke své ose otáčení, vyhlubují při otáčení hlavy zuby řadu stupňů. V důsledku zatížení působícího na vrtnou hlavu se v průběhu jejího otáčení hlava spouští a vodorovná plocha stupně, vytvořeného jedním zubem, je ořezávána sousedním zubem, opisujícím obvod o průměru větším, než je průměr obvodu opisovaného předchozím zubem. Jelikož se však věnec 5 může otáčet okolo své vlastní osy tvořené válcovým tělesem 4 a vektorový součet sil působících na řeznou plochu není tedy nulový, je důsledkem výše uvedené geometrie vrtné hlavy to, že vzniká moment, otáčející věncem 5. okolo válcového tělesa £. Každý bod stěny je tak odřezáván působením síly, která je v podstatě kolmá na osu otáčení vrtné hlavy a má směr tečny na stěnu .20, a síly, kolmé na osu otáčení věnce 5. Tyto síly vyplývají v prvním případě z otáčení vrtné hlavy a ve druhém případě z volného otáčení věnce

Podle povahy zeminy nebo horniny je zapotřebí, aby se nejprve vyvrtala jinými prostředky

CS 266 311 B2 díra o hloubce několika centimetrů, aby se podstatná část aktivního řezného povrchu věnce 5 dostala do styku se zeminou nebo horninou. Bez tohoto opatření na začátku vrtání, zejména pfi vítání v tvrdých ina I rp- i á I Mi, rná věnec 5 sklon otáčet во okolo vlantní osy, přičemž je ve styku se zeminou nebo horninou pouze malá část jeho obvodu. Aby se zajistilo při vi láni < d áčí'ii í věn··»' ’i v I .i ·ι I и í ony I vmetu' válcovým |окпмп 4, jo z л р<»! Г nh í, aby nejspodnějůí opěrný bod 21 řezné plochy byl vzdálen od geometrické osy otáčení 23 tělesa 1 alespoň 1 mm. Kladka ГЗ se při vrtání opírá o boční stěnu vrtu a slouží jako opěra vůči reakci stěny vrtu na věnec a stěnu vrtu zpevňuje.

Varianta znázorněná na obr. 2 se liší od předchozí pouze pokud jde o tvar kladky a řezné plochy.

Kladka 13' má tvar komolého paraboloidu se zploštěním pro spolupůsobení se stěnou vrtu. Je samozřejmé, že této kladky 13' je možno použít na místě kladky 13 předchozí varianty. Boční plocha 7 věnce má v této variantě tvar prstence kulové plochy. Řezná plocha, dotýkající se stěny, iná maximální průměr, který na tomto obrázku může být definován délkou segmentu spojujícího body 21, 22'. Bod 22' a bod 17' kladky se mohou nacházet na stejné úrovni, přičemž poloha kladky vzhledem к věnci musí být taková, aby vrtná hlava byla při vrtání vyvážena, tj. aby nekmitala okolo osy vrtání. Bod 17 je nejvyšší bod kladky 13', dotýkající se stěny vrtul Zdá se, že optimální délka největšího průměru řezné plochy je hodnota, odpovídající délce strany rovnostranného trojúhelníka, vepsaného do kruhu majícího průměr rovný průměru vrtu. Tato délka je na obr. 1 a obr. 2 reprezentována segmenty, spojujícími 21, 22, 2Г, ²²'·

Pokud jde o zbývající obsah obr. 2, označují stejné vztahové značky stejné prvky, které byly popsány v souvislosti s provedením dle obr. 1. Vzdálenost bodu 21' od osy vrtu je na výkrese pro názornost značně přehnaná. Ve skutečnosti činí několik milimetrů a špička zbývající na dně je drcena bočním povrchem věnce. Tato špička slouží kromě toho к udržování vrtné hlavy ve vystředěné poloze a v tomto případě není kladka nebo opěrný prvek ve spojitém dotyku se stěnou vrtu. Je možné profilovat řeznou plochu tak, že s postupujícím opotřebením řezných prstencových ploch, ozubených nebo bez zubů, postupně přebírají sousední plochy tuto funkci a dávají nadále vrtu stejný profil. Profil vrtu ve tvaru přibližně dvojitého paraboloidu podle obr. 2 je žádoucí, neboř s ohledem na mírně excentrickou polohu dovoluje střední špička samočinně stabilizovat vrtnou hlavu. Zaoblené tvary kladky a jejího nosiče, jakož i věnce, umožňují naproti tomu snazší vytahování hlavy z vrtu.

Pro případ, kdy je třeba konsolidovat stěny vrtu výpažnicemi 27, jak ukazuje obr. 3, tvoří osa 28 věnce 29 část ramene 30, kloubově uloženého okolo osy 31, kolmé na osu otáčení vrtné hlavy. Osa 31 je osazena na válcovém otáčivém tělese 32, kterým axiálně prochází kanál 33, spojený s osou 31, která je dutá. Osa 31 je na bočním povrchu opatřena dvěma otvory 34, 34', jak ukazuje obr. 4, spojenými s kanálem 33 neznázorněným zahnutým potrubím ve tvaru obráceného písmene U, přičemž konce zahnutého potrubí jsou připojeny к otvorům 34, 211 ^a základna tvaru písmene U, opatřená otvorem, к potrubí 32· Další*dva otvory po straně osy 21 spojují kanál 33 s kanálem 32, probíhajícím podélnou osou 28, věnce 29, a dále s druhým kanálem 36 ramena 22· ^K tomuto spojení dochází, když je vrtná hlava v pracovní poloze, znázorněné na obr. 3. Kloubové rameno 30 je opatřeno válcovou hlavou, kterou prochází osa 21· Hlava je na části svého bočního povrchu upravena do tvaru válcového čepu 22· Horní část hlavy ramene 30 je uložena v odpovídajícím vybrání otáčivého tělesa 32 vrtné hlavy.

V pracovní poloze jedna z rovinných ploch válcového čepu 39 dosedne na odpovídající rovinnou plochu otáčivého tělesa 32 a zajištuje tak ustavení úhlové polohy řezného věnce 29. Ve vybrání 22' vytvořeném mezi hlavou kloubového ramene 30 a otáčivým tělesem 32, je vložena pružina 37, opírající se jednak o plochu 41 otáčivého tělesa a jednak o druhou rovinnou plochu 42 válcového čepu 39, a tato pružina 37 tlačí kloubové rameno 30 do pracovní polohy. Další zarážku tvoří jazýček 43, orientovaný vodorovně a dosedající v pracovní poloze na otáčivé těleso 32. Tento jazýček 43 zajišťuje rovněž dosažení požadované úhlové

CS 266 311 B2 polohy věnce 29 a kromě toho slouží к překlopení kloubového ramene 30 do svislé polohy púsobeňím výpažnice 27, aby se vrtná hlava mohla výpažnicí vytahovat směrem vzhůru. К tomu dochází tím, že dotykem konce jazýčku 43 a spodního konce výpažnice 27 se osa 28 věnce 29 překlápí do svislé polohy, znázorněné na obr. 5. Po překlopení kloubového ramene £0 zajišťuje konec jazýčku 43 třením o vnitřní stěnu výpažnice 27 správnou polohu věnce 29 v pi ůIhŮIiii poniiiiii nunlll' výpnžnlrn.

Vrtná hlava je dále opatřena kladkou 24, osazenou na radiálně zatažitelném rameně

25. Tato kladka 24. ^{se v} průběhu vrtání valí po povrchu vyvrtané šachty nebo po vnitřní stěně výpažnice. Její hlavní funkcí je sloužit jako opěra vůči reakci zeminy nebo horniny, působící na věnec 29, a vystřelovat vrtnou hlavu. Dovoluje rovněž zpevňovat stěnu vrtu, pokud se valí vně výpažnice 22· Při vsouvání vrtné hlavy nebo při jejím vysouvání výpažnicí 27 je zatažitelné rameno 25 v zatažené poloze, umožňující průchod vrtné hlavy výpažnicí. Rameno 25 může být řešeno na principu hydraulického válce. Je výhodné, aby kladka byla na stejné úrovni jako horní část řezné plochy věnce nebo ještě lépe o něco níže, aby se tak zajistila stabilita vrtné hlavy.

Obr. 6 znázorňuje schematicky variantu provedení, sloužící к rozšíření průměru vrtu získaného vrtným zařízením podle popsaného prvního provedení, nebo jakýmkoli jiným obvyklým prostředkem.

Znázorněné zařízení má tři řezné věnce 45, 46, 47, umístěné se vzájemnými axiálními odstupy prostřídané po obou protilehlých stranách otáčivého tělesa. Průměr dolního věnce je menší, než je průměr druhého věnce 46, který je rovněž menší, než průměr třetího věnce 47. Totéž platí o délkách jejich os 51, 52, 53 otáčení.

Aby se normalizovala jejich konstrukce, je možné, aby řezné věnce měly bud stejný průměr a rozdílné dlouhé osy otáčení, nebo naopak. Otáčivé těleso, nesoucí tři osy 22' 52, 53 otáčení řezných věnců 45, 46, 47, může být jednodílné, což je však nevýhodné s ohledem na masivnost takového celku, a především z důvodu, že v případě poruchy některého z věnců je nutné vyměnit celou vrtnou hlavu. Za tímto účelem je podlé provedení znázorněného na obr. 6 každý z řezných věnců £5, 46, 47 uložen na vlastní otáčivé těleso 48 , 49, 50. Spodní vrtný díl odpovídá zařízení z obr. 1 a není proto nutné ho blíže popisovat. Na otáčivé těleso 48 se svrchu upevní otáčivé těleso 49, nesoucí věnec £6, a to tak, že věnec 45, se nacházejí na navzájem protilehlých stranách takto získaného nového otáčivého tělesa. Aby se zaručila taková vzájemná poloha obou věnců 45, £6, může se upevnit otáčivého tělesa 49 na těleso 48 provádět bajonetovým spojem nebo jakýmkoli vhodným způsobem. Třetí otáčivé těleso 50 se upevní na druhé těleso 49 stejným způsobem, avšak tak, že se jeho věnec 47 umístí na stejnou stranu, jako věnec 45 prvního otáčivého tělesa 48.

Každé z otáčivých těles je opatřeno axiálním kanálem 54 pro průchod chladicí kapaliny a pro odvod vyvrtané zeminy. Axiální kanály jsou navzájem spolu spojeny a každý má dva ochozy, z nichž jeden, neznázorněný ve výkresech, prochází v podélném směru osou otáčení odpovídajícího řezného věnce, a druhý vyúsřuje radiálně na boční povrch otáčivého tělesa.

Při rozšiřování vrtu 44 slouží první vrtný díl výlučně jako vodítko a opěra druhého vrtného dílu a tak dále. První díl může mít nástroj řešený jako běžný vrták a může být přímo použit pro zhotovování vrtu ££. Při této variantě provedení je možné u horních řezných věnců vypustit odpovídající kladky, nebol věnce si navzájem slouží jako opěry.

Aby se vyloučily deformace společného otáčivého tělesa v radiálním směru, je zapotřebí, aby axiální odstup mezi dvěma věnci nepřesáhl určitou limitní hodnotu. Zdá se, že pokud je odstup mezi úrovní nejvyššího bodu prvního věnce 45 od nejnižšího bodu následujícícho věnce 46 rovný průměru předchozího vrtu, získá se deformace v přijatelných mezích.

Podle neznázorněné varianty je možné mírně posunout osu otáčení řezného věnce vůči

CS 266 311 B2 ose otáčení zařízení, takže část řezné plochy se opírá silněji o stěnu vrtu a podporuje tak moment, který má sklon otáčet věncem okolo vlastní osy. Ohel, definovaný myšlenkou posunutou osou otáčení věnce, a přímkou procházející středem věnce a průsečíkem myšlených оя otáčení otáčivého tělesa a nopoBunutého věnce, musí ležet v rozmezí od 1° do 5°, má-li se dosáhnout výše uvedeného účinku.

Popsané vrtné zařízení může být použito pro jakékoli svislé, šikmé nebo vodorovné vrty pro hledání vody, ropy, nebo pro důlní výzkum a těžbu. Pro zajištění dobré funkce stačí malý přítlak a popsané vrtné zařízení může být výhodně použito pro podmořské vrty, kde musí procházet vrstvami o různé tvrdosti od písčitých vrstev až po nejtvrdší skály. Stejně tak se výhodně hodí pro vodorovné vrty, neboř pro dobrou funkci stačí malý přítlak. Může být výhodně použito při stavbě tunelů. Ložiska, sloužící výlučně pro usnadňování otáčení věnce, mohou být kuličková, válečková nebo jehlová. Osazují se při těsném uzavření proti kapalinám a nečistotám, což má za následek prodloužení jejich životnosti.

Ukazuje se, že místo valivých ložisek je možné použít kluzná ložiska, jejichž životnost je delší.

Řezná plocha věnců může být bud plocha z tvrdého materiálu, nebo plocha opatřená zuby z diamantu, karbidu wolframu nebo jiného materiálu, jehož druh se volí podle zeminy nebo horniny, v níž mají se provádět vrty.

Rychlost otáčení věnce okolo vlastní osy závisí u výše popsaných variant provedení na rychlosti otáčení hřídele vrtné soupravy, na němž je upevněna vrtná hlava, a na vektorové výslednici sil, působících na povrch věnce. Tato závislost zmenšuje řezný účinek věnce a prodlužuje dobu jeho práce a může vyvolat jeho asymetrické opotřebení. Varianta podle obr. 7 dovoluje odstranit tyto nedostatky.

Vrtná hlava má otáčivé těleso 101, našroubované na konci tyče 102, nesoucí motor 103. V.šikmé části 106 otáčivého tělesa 101 je uložena šikmá osa 104, na níž je osazen řezný věnec 105, znázorněný pouze schematicky. Na straně diametrálně protilehlé vzhledem к šikmé části 106 otáčivého tělesa 101 je umístěna kladka 108, jejíž osa 109 je podporována dvěma rovnoběžnými rameny 110, 111. Věnec 105 je kinematicky spojen s motorem 103 pomocí dvou hřídelů 104, 112, opatřených každý na jednom ze svých konců kuželovitým pastorkem 113, 114, přičemž oba tyto pastorky jsou vzájemně spřaženy ozubeným kolem 115. Hnací hřídel 112 pohání nezávisle na otáčení tyče 102 ozubené kolo 115, které přenáší pohyb na hřídel 104 řezného věnce 105. Věnec 105 tak může ořezávat stěnu 116 vrtu. Motor 103 může být turbina roztáčená kapalinou, cirkulující uvnitř neznázorněného kanálu v tyči 102 a v otáčivém tělese 101, určeném pro odvádění vyvrtaného materiálu, anebo jakýkoli jiný hnací mechanismus. Rychlost otáčení věnce 105 nezávisí na rychlosti otáčení tyče 102 a přítlak, který je třeba vyvíjet na vrtnou hlavu, je proto ještě nižší. Řezný věnec 105 totiž pracuje jako okružní pila nebo fréza a hlavní řezná síla je poskytována samotným otáčením věnce. Podle povahy zeminy nebo horniny je řezný věnec 105 opatřen zuby z diamantu, wolframu nebo jiného tvrdého materiálu.

Na stejném principu je možno vytvořit zařízení pro vodorovné vrtání, určené kupříkladu pro těžbu uhlí. Zásadní rozdíl je v tom, že tunely vyvrtávané pro těžbu uhlí mají mnohem větší průměry. V daném případě stačí osadit na stávající hřídel stroje pro vrtání tunelů otáčivé těleso, jehož šikmá část je mnohem delší, než je šikmá část 106 tělesa 101 z obr. 7. Stejně tak je delší rameno nebo ramena nesoucí opěrnou kladku. Jelikož je Šikmá část otáčivého tělesa delší, je možno osadit hnací zařízení pro otáčivé pohánění věnce přímo na tuto část otáčivého tělesa. Práce takového zařízení je stejná jako zařízení podle obr. 7 a to při podobných rozměrech.

Pro lepší sledování nepravidelností v průměru vrtu v důsledku povahy zeminy nebo horniny je možné osadit kladku na teleskopické rameno. Jiným řešením je použít kladku,

CS 266 311 B2 jejíž průřez ve směru kolmém na osu vrtu má eliptický tvar, jak ukazuje obr. 8. Kladka znázorněná na obr. 8 je tvořena eliptickým prstencem 120 z tvrdého materiálu, jako je wolfram, obklopujícím jádro 121 z jiného materiálu, například pryže. Jádrem 121 prochází v axiálním směru válcovitý průchod 122 pro zasunutí osy 109 kladky 108. Kladka je určená к tomu, aby se třela o stěnu, a otáčela se pouze v případě, když se na stěně 116 vrtu < *1 > )«* v í n<’| ч a v 111<’ I n< «и I , I <» ní «I»· <»h nuiž i l< < i, k<ly no vánor 105 dostane do styku se stěnou 116. Je možno sl představit, že kladka 108 se tře o stěnu vrtu částí svého bočního povrchu, která je nejbližší její ose .122. Od chvíle, kdy kladka již není ve styku se stěnou v důsledku přítomnosti poruchy, tj. díry ve stěně, je vrtná hlava vychýlena z vystředěné polohy účinkem reakce stěny na řezný věnec 105. Kladka se tedy dostává do styku se stěnou a začíná se otáčet, až se řezný věnec do styku se stěnou 116 dostane. Kladka se vrací do své výchozí polohy, jakmile byla výchylka v průměru vrtání odstraněna.

Jiným řešením, které bylo rovněž odzkoušeno, je použít na místo opěrné kladky třecí povrch, osazený na pružný nosič. Toto řešení dovoluje odstranit následky vyplývající z opotřebení osy kladky kruhového průřezu, která se otáčí mnohem rychleji, než samotná vrtná hlava. Třecí plochou může být boční plocha pevného vodícího prvku, majícího přibližně válcovitý nebo prizmatický tvar. Když se část této plochy ve styku se stěnou vrtu opotřebila, je možno ji pootočit, takže se do styku se stěnou vrtu dostane neopotřebená část bočního povrchu. Takový vodicí prvek 130 je znázorněn na obr. 9. Jedná se o hranol, jehož hrany a boční plochy jsou zaobleny. Boční povrch může být opatřen pružně deformovatelnými zuby pro pohlcování výchylek ve stěně vrtu. Prvek 130 je pevný a je uspořádaný’rovnoběžně s osou vrtu, takže jedna z jeho bočních stěn nebo hran přiléhá ke stěně vrtu. Takový neotáčivý vodicí prvek má povrch volený tak, aby v některé z četných možných poloh odpovídal tvaru, který může zaujmout stěna vrtu, odřezávaná pod ním umístěným věncem. Kompenzační vodicí prvek může být umístěn tak, aby působil pouze na svislou stěnu vrtu, nebo aby ležel níže a spočíval na horním konci dnového profilu vrtu. Hlavním cílem kompenzačního vodícího prvku, umístěného nad řezným věncem, je zajistit, aby pod ním uložený řezný věnec, zejména na začátku vrtání, zaujímal polohu vyvolávající vyhlubování zářezu, ležícího excentricky vzhledem к ose vrtu, jak ukazuje obr. 2.

Claims (23)

1. Vrtné zařízení, zahrnující vrtnou hlavu mající otáčivé těleso, kterým axiálně prochází rozdělovači kanál pro stlačený vzduch, tlakovou vodu nebo jakoukoli jinou vrtnou tekutinu, a které nese alespoň jeden řezný otáčivý nástroj, osazený na ose upevněné na otáčivém tělese tak, že se osa otáčivého tělesa a osa řezného nástroje ve směru vrtání navzájem rozbíhají, vyznačené tím, že řezný nástroj je věnec (5, 29, 105) opatřený alespoň jednou řeznou prstencovitou částí (7, 7'), přičemž otáčivé těleso (1, 32, 101) nese na straně odvrácené vůči té, která nese osu otáčení (4, 28, 104) věnce (5, 29, 105) alespoň jeden opěrný prvek (13, 24, 108, 120, 130), uložený tak, že se opírá o stěnu vrtu za účelem středění polohy vrtné hlavy vyrovnáváním radiální složky reakce stěny vrtu na věnec (5, 29, 105) a za účelem zpevňování stěny vrtu.

2. Vrtné zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že opěrný prvek je kladka (13, 13', 24, 108, 120), uložená na ose (14, 109) rovnoběžné se směrem vrtání.

3. Vrtné zařízení podle bodu 2, vyznačené tím, že kladka (13') má tvar komolého paroboloidu pro spolupůsobení se stěnou u dna vrtu.

4. Vrtné zařízení podle bodu 2 nebo 3, vyznačené tím, že kladka (108) má ve směru kolmém na svou osu otáčení (109) průřez ve tvaru elipsy.

5. Vrtné zařízení podle bodů 2 až 4, vyznačené tím, že nejvyšší body (17', 22) prstenco

CS 266 311 B2 vité řezné plochy (7') a kladky (13') jsou v takových výškových úrovních, že hlava je v průběhu vrtání vyvážená.

6. Vrtné zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že opěrný prvek je třecí plocha.

Ί. Vrin

7 z.nrízoní podlo l»o<1 A 1 nž 6, vyznačené I íni, že vrtná hlnvn jo opatřena prostředky pro otáčení řezného věnce (105) okolo vlastní osy nezávisle na otáčení otáčivého tělesa (102).

8. Vrtné zařízení podle bodu 7, vyznačené tím, že prostředky pro otáčení řezného věnce sestávají z motoru, pevně spojeného s otáčivým hřídelem (102) nesoucím vrtnou hlavu, a zařízení (104, 112, 115) spřahujícího kinematicky motor (103) s řezným věncem (105).

9. Vrtné zařízení podle bodu 8, vyznačené tím, že motor je turbina poháněná tekutinou cirkulující v kanálu vrtného zařízení.

10. Vrtné zařízení podle bodu 7, vyznačené tím, že prostředky pro otáčení řezného věnce jsou pevně spojené s osou otáčení věnce.

11. Vrtné zařízení podle bodů 1 až 10, vyznačené tím, že opěrný prvek (24) je nesen zatažitelným radiálním ramenem (25), jako například tlakovým válcem nebo pístem.

12. Vrtné zařízení podle bodů 1 až 11, vyznačené tím, že největší průměr (21 až 22, 21' až 22') prstencovité řezné plochy (7, 7') je přibližně rovný straně rovnostranného trojúhelníka, vepsaného do kružnice o stejném průměru, jako je průměr vrtu.

13. Vrtné zařízení podle bodů 1 až 12, vyznačené tím, že osa otáčení (28) věnce (29) je nesena ramenem (30), kloubově uloženým okolo osy (31), kolmé na osu otáčení otáčivého tělesa (32), takže osa otáčení (28) věnce (29) může být bud nakloněná vzhledem к ose otáčení otáčivého tělesa (32), nebo ležet v prodloužení této osy.

14. Vrtné zařízení podle bodu 13, vyznačené tím, že kloubové rameno (30) je opatřeno pružnými prostředky vracejícími osu otáčení (28) věnce (29) do polohy nakloněné vzhledem к oso otáčení otáčivého tělesa (32).

15. Vrtné zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že vrtná hlava má alespoň dva řezné věnce (45, 46, 47), jejichž osy otáčení (51, 52, 53) jsou upevněny na uvedeném otáčivém tělese (48, 49, 50) v místech uložených s axiálními odstupy a ležících prostřídané na dvou diametrálně protilehlých stranách.

16. Vrtné zařízení podle bodu 15, vyznačené tím, že otáčivé těleso sestává z alespoň dvou otáčivých těles (48, 49, 50), nesoucích každé řezný věnec (45, 46, 47) a upevněných jedno ná konci druhého prostředky zajištujícími relativní uspořádání os otáčení (51, 52, 53) příslušných řezných věnců (45, 46, 47) .

17. Vrtné zařízení podle bodu 15 nebo 16, vyznačené tím, že průměr řezných věnců (45, 46, 47) a/nebo délka jejich os otáčení (51, 52, 53) se směrem od nejnižšího věnce (45) к nejvýše položenému věnci (47), zvětšují.

18. Vrtné zařízení podle bodů 1 až 17, vyznačené tím, že otáčivé těleso je na svém spodním konci opatřeno vrtákem.

19. Vrtné zařízení podle bodů 1 až 17, vyznačené tím, že nejnižší bod (21) řezného povrchu věnce uloženého na dolním konci otáčivého tělesa (1, 32, 48, 49, 50) je umístěn v radiálním odstupu od myšlené osy otáčení (23) uvedeného otáčivého tělesa, velkém alespoň 1 mm.

CS 266 311 B2

20. vrtné zařízení podle bodů 1 až 19, vyznačené tím, že OSOU otáčení (4, 28, 51, 52, 53, 104) řezného věnce (5, 29, 45, 46, 47, 105) prochází kanál (25, 35) pro rozdělování tlakového vzduchu, vody, nebo jiné vrtné tekutiny, ústící bud v blízkosti středu věnec (5, 29, 45, 46, 47, 105)_f nebo v otvorech umístěných na řezné ploše pro vyhánění tekutiny pod tlakem proti ntěně vitu.

21. Vrtné zařízení podle bodů 1 až 20, vyznačené tím, že osa otáčení řezného věnce je posunuta vzhledem к ose otáčivého tělesa.

22. Vrtné zařízení podle bodu 21, vyznačené tím, že úhel tvořený myšlenou posunutou osou otáčení věnce a přímkou spojující střed věnce s průsečíkem myšlené osy otáčení otáčivého tělesa a neposunuté osy věnce má velikost od 1 do 5°.

23. Vrtné zařízení podle bodů 1 až 22, vyznačené tím, že řezná plocha věnce (5, 29, 45, 46, 47, 105), profilovaná nebo opatřená zuby, má tvar vypočítatelné plochy, dovolující po sobě následujícím prstencům řezné plochy nebo zubům udržovat požadovaný profil vrtu i po opotřebení prvního prstence řezné plochy nebo zubů ve styku s materiálem vrtu.