CZ358891A3 - Drilling bit - Google Patents

Description

Vynález se týká vrtacího zařízení sestávajícího z vrtací hlavice s rotačním tělesem, ve kterém je vytvořen kanálek pro přívod vrtací kapaliny, nebo vzduchu do vrtu, a s alespoň jedním řezným kotoučem umístěným na vnější straně základního tělesa.

Dosavadní stav techniky

Stávající vrtací zařízení obsahují vrtací hlavici s třemi řeznými prvky výrazně kuželového tvaru, nebo tvaru komolého kužele, jsou známy a užívány od roku 1930. Tato zařízení vyžadují velké tlaky k narušení horniny, k jejímu odstranění a vypláchnutí. Protože je k narušení stěny potřebný velký tlak, vytváří toto zařízení větší plochu než je vrt a dochází k nepřesnému vrtanému profilu a nerovnoměrnému vrtu.

Daný vynález má umožnit výrobu vrtacího zařízení, snadno ovladatelného, se sníženým osovým tlakem, opatřeného alespoň jedním řezným prvkem, připojeným k vnější stěně vrtací hlavice. Jeho osa rotace, jsoucí v souladu s výhodným tělesným vytvořením, je odkloněna zpět od středové osy základního vrtacího tělesa vzhledem ke směru rotace základního vrtacího tělesa. Toto uspořádání umožňuje zařízení průnik horninou a její odvod rychleji než ostatní známé způsoby.

Daný vynález sleduje možnost výroby vrtacího zařízení ovládaného lehkými tahy, opatřeného s výhodou třemi řeznými prvky nebo kotouči, snadno připojitelnými k vrtací hlavici a umožňujícími odvod velkých kusů drtě.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody jsou do značné míry odstraněny vrtací korunkou podle vynálezu, tvořenou základním vrtacím tělesem pro rotaci okolo v podstatě vertikálně uložené osy rotace a obsahující alespoň jeden podélný kanálek pro přívod vrtací kapaliny nebo vzduchu pod tlakem do vrtu, nebo odvod vrtací kapaliny nebo vzduchu smíchaných s drtí a úlomky horniny z vrtu, připojitelným k vrtací tyči.

Dále je vrtací korunka tvořena alespoň jedním, v podstatě kruhovým, rotačním řezným kotoučem připojeným ke spodní části vnější strany základního vrtacího tělesa, v případě vrtací korunky pro vrt, tvořené v podstatě válcovou částí a základní kuželovou částí. Řezné kotouče jsou opatřeny řeznými prvky umístěnými na obvodu, s osou rotace uloženou pod ostrým úhlem k ose rotace základního vrtacího tělesa. Spodní řezný bod kotoučů je v radiální vzdálenosti od osy rotace vrtacího tělesa.

Osa řezných kotoučů je lehce vykloněna do strany do zadu vzhledem ke středové ose základního vrtacího tělesa ku směru rotace základního vrtacího tělesa, přičemž všechny úhly mezi osami jsou neměnné při celkovém umístění v nerovnovážné poloze rotace základního vrtacího tělesa umožňujícího vrtací korunce pomocí rovnoměrně postavených řezných prvků pronikajících stěnou a narušujících horninu kombinací osově působících sil převyšujících zpětné síly jako při vytváření vedení kopinatého vrtáku, přičemž tyto síly jsou v podstatě soustředěny na spodní řezný prvek pro destabilizaci stěny vrtu při snazší řezné činnosti vrtáku.

Vrtací korunka s výhodou obsahuje tři řezné kotouče.

Řezný prvek je tvořen kotoučem opatřeným vysoce účinnou

- 3 řeznou plochou - břitem.

Protože kotouče působí u dna a na konkávní části stěny, mají většinou kruhový tvar, opatřený řeznými prvky. Kotouče jsou určeny především k narušování horniny, nikoli pro další tlakové rozmělňování.

Protože osy rotace kotoučů jsou odkloněny lehce dozadu vzhledem ke směru rotace základního vrtacího tělesa, je řezná část všech kotoučů tvořena ostřím ve spodní zádní části. Narušení horniny je snáze dosaženo, když osová síla je v pod statě soustředěna okolo pozice odpovídající rozmístění hodinových ručiček při šesti hodinách na všech kotoučích, což je důležitý faktor při destrukci horniny ve spodní části otvoru.

Pohyb zemské kůry po mnoho miliónů let podrobil skoro všechny horniny nesmírným tlakům a napětím. Tyto síly měly vliv na tvorbu drobných trhlin a poruch v hornině. Většina známých vrtacích zařízení stlačuje horinu, trhliny a poruchy jsou okolo nože eliminovány a rozdrceny jejich rotací.

Posunutá osa rotace řezných kotoučů nebo kotouče odkloněná od podélné osy základního vrtacího tělesa vytváří nerovnovážnou polohu vrtáku. Rotace základního vrtacího tělesa s kotoučem nebo kotouči vytváří rovnoměrnost narušování a prorážení horniny.

Posunutím osy rotace řezných kotoučů směrem dozadu se kotouče pohybují raznoměrněji, když řezné prvky narušují a pronikají horninou jako otáčející se kotouče okolo osy v důsledku rotace základního vrtacího tělesa. Jestliže se kotouče přiblíží rovnoměrnosti, je to opět ochrana před dosažením dalšího vniknutí ostří do horniny právě před pozicí odpovídající rozmístění hodinových ručiček na šesti hodi- 4 nách a řezný cyklus se opakuje.

Jak je zřejmé z obr. 1 a obr. 2 Ft - osové zatížení je odvozeno od základní hmotnosti vrtací korunky, vrtací trubice a vrtného zařízení. Osové zatížení je v podstatě vedeno na nejnižší bod nebo body v pozici odpovídající hodinovým ručičkám znázorňujícím šest hodin, která nejvíce narušuje a destabilizuje horninu.

Na obr. 1 rotuje základní vrtací těleso ve směru hodinových ručiček (znázorněná nad tělesem), v případě rotace řezného kotouče nebo kotoučů, ve směru proti pohybu hodinových ručiček (znázorněna na ploše kotouče nebo kotoučů) tak, že jeden řezný prvek narušuje horninu svým pohybem nahoru. Výsledkem je větší osová síla než protilehlé síly (F^ + Fg

F , kde Fg = £ Fg^ složených osových sil ostří v řezné části), čímž je dosaženo lehkého vedení. Kotouče takto budou směřovat k zavrtání do horniny, čímž je tato narušována, hloubena ve stoupající spirále vytvářející lehké zarovnání a sledující F_L· Tato je v podstatě odnášena pryč centrálním kolem s řeznými prvky nebo zuby (601, obr. 10).

Je zřejmé, že během činnosti je následující postup - prů nik horninou a její destabilizace provedena během rychlé přeměny činných nožů z tlaku do dobývání. V bodu, který vstupuje do horniny, což je přibližně v postavení odpovídajícím ručičkám hodinek na šesti hodinách. Nejnižší zuby kotoučů vstupují do horniny kombinovanou energií nebo-li zátěží složenou z osového zatížení a rotační energie vycházející z posuvu dolů a rotace základního vrtacího tělesa.

Tato obsažená energie rychle stoupá do maxima, kde zub zaujímá pozici odpovídající postavení hodinových ručiček na pozici šesti hodin, poté následuje dobývání hornin nožem.

S výhodou je tato fáze doplněna všemi zuby před dalším vniknutím do horniny, ale v jiném případě jeden nebo více

- 5 ostatních zubů může vstoupit do horniny před tím než první zub ukončí úplný průnik.

Uvedený zub zcela pronikne horninou a překoná pozici odpovídající šesti hodinám, překoná odpor horniny, když horní nůž dobude nebo zaujme aktivní místo. Když se zub pohybuje nahoru v hornině přes spodní zadní kvadrant řezných nožů, osová energie stoupá v hornině progresivně dynamicky ze svého horního místa na šesti hodinách, protože zub se blíží k pozici odpovídající třetí hodině. Odklonění osy rotace kotoučů dozadu vzhledem k ose rotace základního vrtacího tělesa znamená, že zub na kotouči se pohybuje dále od středové osy základního vrtacího tělesa jak se tato pohybuje mimo pozici na šesti hodinách. Poté co nastane maximální vzdálenost od středové osy nebo také poté co je kotouč posunut dolů, mine postavení odpovídající třem hodinám.

Výsledkem tohoto vnějšího pohybu je to, že zub namáhá silou horninu ve směru rovnoběžném s osou rotace kotouče. Tato boční síla progresivně stoupá při pohybu zubu od pozice odpovídající šesti hodinám, dosahujíc maxima když zub stoupá na bod, který je v největší vzdálenosti kolmo na středovou osu otvoru. Poté síla rychle klesá jak zub vystupuje z horininy, přičemž tu je současně místo, ve kterém končí kontakt s horninou. Tak je možné, že boční síla, kombinovaná s ostrým úhlem kotoučů ke středové ose základního vrtacího tělesa a konvexním tvarem vnější plochy disků, opatřených zuby na vnějším řezném obvodu, přináší tlak k narušení horniny a jejímu hloubení s řeznou činností.

Prvek vnějšího pohybu boční síly, který vstupuje zubem na vnější ploše kotouče, je rohový dovnitř skloněný vstup pomocí zubu na vnitřním řezném obvodu obr. 10, 603.

Tato vnitřní síla způsobuje vstup zubu, řezání a hloubení horniny v centrálním sloupci v základu otvoru obr. 10, 611, sloupec vzniká protože v nejnižším bodě jsou zuby na obvodu řezných kotoučů radiálně vzdáleny od středové osy základního vrtacího tělesa.

Zub na vnitřním řezném obvodu hloubí středový sloupec a ukončuje občas kontakt s horninou před zuby na vnějším ob vodu ukončujícími obvykle kontakt s vrtem. To znamená, že zde je náhlý pokles dovnitř směřujícího tlaku v stejné době, kdy vně směřující tlak stoupá. Výsledkem je odstředná kroutící síla na řezném kotouči v nižším zadním kvadrantu.

Kroutící moment požadovaný k překonání odporu horniny kombinovaným účinkem těchto interakčních dostředných a vykloněných sil se zvyšuje rychle když zub poprvé naruší horninu, dosáhne vrcholu v pozici odpovídající šesti hodinám, když se snižuje pomalu jak se zvyšuje (ale sekundárně) boční síla ustupující klesající (primární) dolů směřující síle pouze ke snížení rychlé dolů směřující síly odpovídající stavu a zub vystupuje z horniny.

Protože řezný kotouč rotuje okolo své osy, tak jako rotuje okolo středové osy základního vrtacího tělesa, rychlost, s kterou řezné zuby rotují okolo středové osy kolísá v porovnání k poměru rotace základního vrtacího tělesa. Velikost kolísání je závislá na rozsahu, ve kterém nejvyšší bod c.bvodu kotoučů je radiálně vzdálen od nejnižšího bodu - představuje vertikální výkyvy kotoučů.

Když je zub na devíti hodinách na kotoučích, tak rotuje stejnou rychlostí jako vrtací těleso. Když je tento pohyb opačný vzhledem ke směru rotace základního vrtacího tělesa, uvedená vlastní rotační rychlost klesá, dosahuje nejnižší rychlosti v pozici šesti hodin - bod, ve kterém dolů směřující pohyb přechází v nahoru směřující pohyb - to když rychlost stoupá jako pohyb přes spodní zadní kvadrant do po·

- 7 zice tří hodin, to jest opět pohyb stejnou rychlostí jako má základní vrtací těleso. Jakmile zub přejde přes pozici odpovídající třem hodinám, postupně stoupá rotační rychlost vzhledem k základnímu tělesu. Nejvyšší rychlosti dosahuje v pozici dvanácti hodin před pomalým poklesem obou rychlostí opět před pozici odpovídající devíti hodinám.

Tak je možné kombinovat přírůstek rychlosti zubů a redukovat vystupující boční tlak jak zub vystupuje z horniny v případě, že zub v horním zadním kvadrantu omezí lámání a dobývání horniny a brousí stěnu otvoru. Jeho ztrátou je stále vnější boční síla v tomto kvadrantu účinná a je pravděpodobné stlačování, které skládá ztrátu horniny a hladí stěnu otvoru.

Jestliže uvedený řezný kotouč je nakloněn ve směru rotace základního vrtacího tělesa, vnější hloubící nože jsou tlačeny dále do horniny stoupající prací vnějšího hloubícího nože a redukcí práce danou průnikem destabilizujícího zubu, který zvyšuje životnost pronikajícího destabilizujícího zubu. Životnost vnějšího vstupního nože může být zvýšena užitím vysoce otěruvzdorné vložky jako jsou vložky ze slinutých karbidů, které zvyšují životnost vrtáku. To je zvláště důležité, když je stěna vrtu vrtána velmi hluboko a snižuje se postup dolů vztyčením vrtáku do plochy k opětnému zavédení, to jest když je opotřebován.

Protože čistá, dolů působící síla na vrták je v podstatě soustředěna do jednoho bodu, zub v pozici odpovídající šesti hodinám na řezném kotouči proniká do horniny nižší námahou ve většině známých horninách. Vrták tak bude vrtat s malým osovým přítlakem a je požadováno pouze jeho malé zvýšení k dosažení úplného průniku jestliže jsou zuby prodlouženy. Více síly potřebné k překonání pevnosti horniny je rotační a každé zvýšení pevnosti je dále překonáno zvýše· ním kroutícího momentu na základním vrtacím tělesu, který je přenášen na řezný kotouč nebo kotouče.

Ve všech vrtácích opatřených více než jedním kotoučem je nutné mít různý počet zubů na každém kotouči pro zabezpe Sení toho, že řezné trajektorie nejnižších zubů se minou. Při stejném počtu zubů na všech kotoučích se řezné trajektorie překryjí v pravidelných opakujících se vzorech tak, že vytvoří zábrany a překážky destrukční činnosti nejnižších zubů a tím vrtacímu procesu. Charakteristickým pro řezné dráhy jsou částečné rozdíly způsobené konfigurací kotoučů a jejich zubů.

Jestliže boční posunutí osy rotace bylo provedeno ve směru odpovídajícím směru rotace základního vrtacího tělesa byla řezná činnost možná nižší zadní částí kotouče. Průnik horninou mohl nastat před pozicí odpovídající devíti hodinám a pohybem v sestupné spirále s průnikem zvyšujícím se dokud zub není plně zapuštěn v hornině v pozici odpovídající šesti hodinám (viz obr. 2).

Účinek tohoto bočního posunutí může být zvýšen silou, opačnou k notnému dosažení rovnováhy a k tlaku spíše než destabilizujícímu horninu, využívajícímu tvrdší nůž a pouzí vajícímu vhodný tlak na řezné zuby a směr sloje. Drt padající rovněž směrem dolů ke dnu otvoru, může při určitém slo žení horniny ucpat vrták v otvoru.

Podstatou tohoto vynálezu je připojení jednoho nebo více řezných kotoučů k vrtáku. Podle dalšího tělesného vytvoření řešení podle vynálezu, byla horní část základního vrtá čího tělesa opatřena několika brusnými nebo řeznými prvky, rozmístěnými v pravidelných intervalech po obvodu základního vrtacího tělesa a umístěnými výše než je bod, ve kterém konkávní část u dna vrtu přechází do válcové části.

Uvedený vynález umožňuje rychlejší přímočarý průnik horninou při konstantním průměru otvoru, ušití menšího osového zatížení a přítlaku s podstatně nižšími náklady na vrtání.

V měkkých horninách je rychlost úběru nebo odvodu znač ně vyšší tak, že pro otvory s malým průměrem jsou mnohem účinnější nástroje s jedním nebo dvěma rotujícími řeznými kotouči zabírajícími více prostoru u dna otvoru pro odvod drtě. Obvykle jsou vrtáky opatřeny třemi řeznými kotouči.

Další výhodou řešení podle vynálezu je směrově stabilní vrtání, protože vektor řezné síly sloučený s rotací základního vrtacího tělesa vytváří jádro destrukce, jehož vrchol leží nade dnem otvoru na středové ose základního vrtacího tělesa. Tato směrová stabilita je ještě posílena činností brusných nebo řezných prvků ve spodní části základ ního vrtacího tělesa, které udržují vrták ve středu otvoru.

Další výhodou brusných prvků je zajištění toho, že zpětný pohyb vrtáku v otvoru je veden v přímém směru bez uhnutí vrtacího tělesa. Když vrtací těleso během záběrového nebo zpětného pohybu uhne z přímého směru, může se kotouč nebo více kotoučů zakousnout do stěny otvoru, což způsobí buá nefunkčnost nebo rozbití kotoučů nebo jejich zadržení, čímž dojde k znehodnocení otvoru nebo povolení stěny otvoru nebo v případě neporušení vrtáku k jeho vetnutí do stěny otvoru, čímž se zabrání zdárnému vysunutí.

Zařízení je určeno k osazení agresivními řeznými kotou či umístěnými s osou rotace každého kotouče položenou šikmo zpět od středové osy základního vrtacího tělesa vzhledem ke směru rotace základního vrtacího tělesa. Odklon bude různý v závislosti na průměru vrtáku, na rozmístění a tvaru kotoučů.

Kanálky, kterými se odvádí voda, vrtaný kal nebo vzduch, jsou v základním vrtacím tělesu vytvořeny s přiměřeným průtokem pro odvod vrtané sutě a pro chlazení kotoučů během vrtání. Brusné nebo řezné prvky na vnější části základního vrtacího tělesa jsou rozmístěny do tvaru mnohoúhelníku, především šestiúhelníku. Tento útvar můžeme nazvat kalibrovacím prstencem. Tento kalibrovací prstenec může být s výhodou opatřen vysoce odolným obložením, dotýká jícím se stěn vrtu v určitých vzdálenostech od středu otvoru, daných body po obvodu kalibrovacího prstence. Proto i když řezné prvky na kotoučích vykazují opotřebení po delším vrtání, kalibrovací prstenec zajištuje konstantní průměr otvoru odběrem zůstávající horniny» neodebrané opotřebovanými řeznými plochami kotoučů. Obložení kalibrovacího prstence bude případně základem dobrého vedení a v praxi tento způsob zajišťuje stabilnější průměr otvoru oproti mnohým vrtacím zařízením, kde uvedené body chybí.

Obložení kalibrovacího prstence rovněž odstraňuje zbývající horninu zanechanou opotřebovanými řeznými kotouči. Obložení se neopotřebovává tak rychle jako kotouče a značné opotřebování při cejchování po vrtacím procesu značí to, že je potřeba vyměnit kotouče.

Střední část dna základního vrtacího tělesa může být opatřena řeznými prvky k odstranění zbývajících komínků horniny nezasažených řeznými plochami kotoučů.

Řezné kotouče jsou opatřeny přídavnými řeznými prvky umístěnými v kruhové formaci směřující ven okolo kotoučů a umístěnými za základními řeznými prvky pod úhlem ke středu otvoru tak, že nejsou v dotyku s vrtem; když jsou základní vrtací prvky v činnosti. Účelem těchto podpůrných řezných prvků je odstranění a případně rozdrcení středového komínku horniny vytvořeného ve středu otvoru rotujícími řeznými kotouči.

Jak je vidět, vynález řeší vhodný vrták dobře umístitelný ve stabilním směru vrtání s konstantním průměrem otvoru, tvořený lehčím a mnohem levnějším zařízením. Vnikací průměry jsou o 20 až 400 procent větší než jaké jsou dosahovány stávajícími způsoby. Vrtací zařízení je konstruováno pro snazší překonání odporu, tlaku a opotřebení vyskytujících se v průmyslových vrtacích operacích.

Vrtací korunka pro vrtání vrtu podle vynálezu tedy obsahuje základní vrtací těleso vytvořené pro rotaci okolo v podstatě vertikálně uložené osy rotace aje opatřeno podélným kanálkem pro přívod vrtací kapaliny nebo vzduchu pod tlakem do vrtu.

V dalším tělesném vytvoření je vrták opatřen středovým kanálkem, procházejícím buď středem vrtáku nebo kanálkem rozvětveným do několika bočních větví. Vrtací kapalina nebo vzduch smíšený s drtí a rozemletou horninou z vrtu prochází tímto kanálkem nebo těmito kanálky za účelem odvodu uvedené drti nebo rozemleté horniny.

Tři rotační řezné kotouče jsou s výhodou připevněny k vnější ploše základního vrtacího tělesa v určených intervalech, přičemž řezné kotouče jsou opatřeny různými řeznými prvky. Nicméně je možné vytvořit vrták s méně nebo více kotouči. Každý z řezných kotoučů má osu rotace uloženu v ostrém úhlu k vertikální ose, okolo které rotuje základní vrtací těleso. Uspořádání řezných prvků v takovéto pozici vede k získání účinných agresivních ostří ve směru rotace základního vrtacího tělesa a zabezpečení toho, že první řezný prvek je jedním z nejnižších ze všech kotoučů.

Úhel, pod kterým je osa rotace řezných kotoučů uložena, je obvykle 40 až 30° k ose rotace základního vrtacího tělesa

Základní výhodou vynálezu je vytvoření levné vrtací korunky s vysoce účinnou konstrukcí, vyznačující se snadnou ovladatelností a schopností vrtání směrově stabilizovaným způsobem.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je znázorněna v bokorysu vrtací korunka s dozadu uloženým řezným kotoučem.

Na obr. 2 je znázorněna v bokoryse vrtací korunka s dopředu uloženým řezným kotoučem.

Na obr. 3 je v axonometrickém pohledu znázorněna vrtací korunka se třemi řeznými kotouči.

Na obr. 4 je v axonometrickém pohledu znázorněna vrtací korunka z obr. 3 s kalibrovacím prstencem.

Na obr. 5 je v pohledu ze zdola znázorněna vrtací korunka ve vrtaném otvoru. Osa rotace řezných kotoučů je posunuta dozadu vzhledem ke směru rotace základního vrtacího tělesa.

Na obr. 6 je v pohledu ze zdola znázorněna stejná vrtací korunka jako na obr. 5. Osa rotace řezných kotoučů je posunuta dopředu vzhledem ke směru rotace základního vrtacího tělesa.

Na obr. 7 je v axonometrickém pohledu znázorněna vrtací korunka s dozadu položenými a dopředu skloněnými řeznými kotouči.

Na obr. 8 je v pohledu ze zdola znázorněna vrtací korunka z obr. 7.

Na obr. 9 je v axonometrickém pohledu znázorněna vrtací korunka z obr. 7 opatřena vrtnou tyčí, připojenou k základu vrtáku pro vrtání se shora.

Na obr. 10 je v bokorysu znázorněna vrtací korunka s jediným řezným kotoučem.

Na obr. 11 je v bokorysu znázorněn nástroj se stupňovitými kotouči pro vrtání otvorů velkých průměrů.

Příklady provedení vynálezu

Ačkoli se konkrétní příklad provedení týká vrtací korunky se třemi kotoučovými noži, jsou předmětem vynálezu i vrtací korunky s jedním, dvěma a více kotoučovými noži.

V souladu s obr. 3, rotační vrtací nástroj 10, podle vynálezu, může být tvořen tělesem nebo pouzdrem 12 se stopkou 14 v horní části, pro připojení k řídícímu točivému systému, v tomto případě k ovládacímu rotačnímu vřetenu, tak zvané vrtné tyči s odpovídajícím sklíčidlem ve spodní části. Účelem stopky a sklíčidla je připevnit spolehlivě těleso nebo pouzdro 12 k spodnímu konci neznázorněného ovládacího vřetena tak, že jej lze v případě potřeby vysunout a opět zasunout.

Hnací vřeteno je opatřeno podél své osy dutinou pro přívod chladící kapaliny a vřeteno je otočné okolo středové linie nebo osy rotace 20. Středová linie může být rovněž vztažena k a vedena pouzdrem 12.

Těleso pouzdra 12 je opatřeno ve svém středu chladicím kanálkem, umístěným podél středového otvoru vřetena. Kanálek tělesa pouzdra 12 je svým ústím otevřen, pro cirkulaci vrtací kapaliny nebo vzduchu pod tlakem, do prostoru rotačních

- 14 disků nebo kotoučů 34. 36 a 33 připojených na těleso pouzdra

12.

Kotouče 34. 36 a 38 jsou opatřeny řeznými nástroji umístěnými po obvodu profilu. Jejich délka, tvar a rozmístění závisí ns daných podmínkách a ražené hornině.

Na obr. 4 je znázorněn obdobný vrtací nástroj 1C jako na obr. 3, s tím rozdílem, že je opatřen kalibrovacím prsten cem 40, který má zejména polygonální tvar. V souladu s vynálezem, brusná vložka nebo zuby 42 jsou připojeny k průsečíkům všech stran kalibrovacího prstence 40. čímž mohou sloužit jako formovače maximálního průměru vrtací korunky.

S ohledem na strany kalibrovacího prstence 40 je známo, že všechny strany jsou konkávní a směřují ke středu rotace vrtací korunky z průsečníkových bodů vnějšího průměru kalibrovacího prstence JO, kde jsou nasazeny brusné vložky nebo zuby 42. Tato konstrukce zvětšuje prostor vhodný pro odvod kusů horního a dalších odštěpků mezi vrtanou stěnou á konkávní plochou kalibrovacího prstence 40 a usnadňuje jeho vyjmutí od kotoučů pomocí toku užívaného během činnosti vrtací korunky. Tento prvek je zřetelnější z obr. 5. Kalibrovací prstenec 40 může být vytvořen ve tvaru liboviného mnohoúhelníku.

Během vrtání bude kalibrovací prstenec 40 zajištovat konstantní průměr otvoru vytvářeného v hornině, bez ohledu na možnost, že řezná plocha kotoučů bude opotřebována a tak bude zmenšen účinný řezný průměr disků nebo kotoučů 34. 36 a 38. Toto zmenšení řezného průměru je kompenzováno podle tohoto vynálezu zuby 42 kalibrovacího prstence 40 nasazenými na největším průměru horní části vrtací korunky. Tyto zuby jsou samozřejmě nejvíce opotřebovávány vsádkami nacházejícími se v každém prvku otvoru 11 vytvářeného v hornině, jak bylo uvedeno dříve. Teoreticky vložky nebo zuby 42 kalibrovacího prstence 40 mohou být opotřebovávány stejnoměrně a prakticky tento nový systém zajištuje stabilní průměr otvoru při většině vrtacích činností v rozměrech, které u dalších známých systémů nejsou dostatečné při odstraňování zbytkové horniny opotřebovanými zuby kotoučů nebo disků.

A

Upravený tvar mnohostěnu má další výhody v ochraně kotoučů před zaseknutím ve stěně otvoru, když je vrtací korunka zasunuta v otvoru.

Na obr. 5 je pohled ze zdola na vrtací korunku z obr.

4. Rozdíl je pouze ve tvaru řezných kotoučů a umístěných vzorů zubů.

Kromě uvedených rozdílů v kotoučích je uvedeno užití několika různých pomocných prvků. Počet uvedených prvků vrtací korunky je stejný jako na předchozím obr. 3.

Režné kotouče ÍM, 136, 138 vrtací korunky znázorněné na obr. 5 jsou kuželového tvaru a řezné zuby 135a, 135b. 137a, 137b, 139a, 139b jsou rozmístěny podle dvou kruhových čar ve známém rozmístění. Osy rotace kotoučů jsou vloženy stranou do zadu ve směru vzhledem k vrtací korunce rotující ve směru šipky R^. Velikost tohoto posuvu je ZX b, což může souviset s průměrem korunky. Směr rotace řezných kotoučů je značen další šipkou R₂· Výhoda posunutých kotoučů byla vysvětlena dříve v souvislosti s obr. 1 a obr. 2.

Na obr. 5 je rovněž znázorněn kalibrovací prstenec 40 se zuby 42 rozmístěnými tak, že je dosažen konstantní průměr 11 otvoru.

Dopředu vystupující části kotouče udávají volný střední prostor nad přední plochou Al jednotlivých kotoučů a opěrnou plechou Ar nad zadní částí kotouče 136. Tyto plochy jsou znázorněny na obr. 5 pouze s ohledem na kotouč

136, ale stejné jsou i na zbývajících třech kotoučích.

Zuby 42 kalibrovacího prstence 40 udávají velikost razícího nástroje zajištujícího přesný konstantní průměr. Tak zuby 42 zadní plochy omezují rozrušování a řezání stěny, přičemž zuby nad plochou kompaktní části rozrušují stěny po řezání.

Na obr. 6 je znázorněna vrtací korunka se třemi řeznými kotouči 234. 236. 238. jejichž osy rotace jsou posunuty dozadu dolů vzhledem k rotaci vrtací korunky. Velikost posledního prodloužení je Λ f.

Nevýhody tohoto návrhu jsou osvětleny pomocí obr. 2. Všechny osy rotace kotoučů jsoucí skloněné k volným plochám Al jsou umístěny vzadu nad kotouči, přičemž řezná plocha Ad je tvořena čelem kotoučů. Tak je řezání vedeno mimo Čelní plochu částí jednotlivých kotoučů, to jest zubů, které řežou stěnu tlakem, jak se kotouče otáčejí ve směru proti hodinovým ručičkám vzhledem k vrtací korunce z obr. 5, na kterém zuby ve spodní ploše narušují a řežou stěnu.

Na obr. 7 a obr. 8 je znázorněna vrtací korunka, jejíž osa rotace je vůči kotoučům skloněna pod nepatrným sklonem. Velikost oddálení je Zi r, a po naklonění kotoučů k základu vzhledem ke směru rotace vrtací korunky podle úhlu Q. Toto rozmístění kotoučů 434. 436. 438 nutí menší část plošek všech kotoučů uzavřít se ke stěně.

Na obr. 9 je znázorněn axonometrický pohled na další tělesné vytvoření podle bodu 23 patentových nároků. Vrtací tyč je vedena ke spodní části vrtacího tělesa, zhotoveného s malým konektorem 500 v případě možného vrtání do stropu. Protože může vzniknout potřeba vrtání korunkou v patrové chodbě nebo v dalším prostoru umístěném pod korunkou, který má malý průměr otvoru, provádí se vrtání ze strany vrtací tyče ke spodní straně tunelu nebo horizontální chodby tak, že když se vrtá nahoru, rozšiřuje se průměr otvoru. Skutečné provedení znázorněné na obr. 9 je obdobně jako na obr. 7. Zařízení je opatřeno třemi řeznými kotouči 534, 536. 53Q ^a kalibrovacím prstencem 40 s brusnými elementy v podobě zubů 42. Hlavní rozdíl je v tom, že malý konektor je umístěn ve spodní části korunky a jeho tvar a rozměry jsou rozdílné. Korunka na obr. 9 je provedena bez kanálků pro přívod vrtací kapaliny.

Na obr. 10 je znázorněna v bokorysu vrtací korunka opatřená jediným kotoučem 600. Řezné elementy kotouče 600 jsou umístěny na třech kruhových místech. Zub 601 uzavírá vnější obvodní plochu kotouče a umožňuje zubům v nižší zadní části proniknout a narušit horninu 610 radiálně a tak spolu se zubem 602 působit na vnější plochu kotouče razícího horninu. Zub 603 umístěný na vnitřní ploše kotouče rozbíjí jádro 611 horniny. Vlevo na dnu otvoru řezných kotoučů dodatečné řezné nebo brusné prvky 604 ve spodní hlavní části tělesa vrtání umožňují řezání nebo broušení jádra horniny. Zub 602 umístěný na vrcholu plochy je ve skutečnosti nařízen na stejnou rotaci jako vrtací těleso tvoří vrt. Takto řezné nástroje umístěné na kotouči mezi šestou a devátou hodinou mají destabilizační charakter při rozbíjení a řezání horniny. Přičemž zub umístěný na čele kotouče mezi devátou hodinou a dvanáctou hodinou je kompaktní.

Na obr. 11 je schématicky v bokorysu znázorněno zařízení s vícestupňovými navrženými kotouči pro vrtání velkých průměrů otvorů. Kotouče různých velikostí jsou připojeny k soustředným kruhům ve stupňovitém uspořádání tak, že vertikální vzdálenosti kotouče nebo kotoučů nad nejvyšším bodem hlavního vrtacího tělesa zvětšují průměr disků d^, d₂, d^. Tyto odpovídají vzdálenosti c^ c₂, c^ od středové osy výše uvedeného rozšiřujícího se vrtacího tělesa. Změnou velikosti a počtu uvedených kotoučů a třetinovou pozicí vzhledem k středové ose vrtacího tělesa stupňovitým řezacím profilem od základu správného vrtu, dohromady s odpovídajícím vrtáním může být těleso měnitelné v závislosti na typu horniny a útvarů stejně jako na průměru daného vrtu

Na těchto několika výše uvedených příkladech jsou uvedeny přednosti a výhody. Rovněž těchto několik výhodných tělesných vytvoření popisuje a objasňuje detailněji dané řešení pro podrobnější objasnění daného vynálezu. Podstata řešení však není omezena na výše popsaná řešení, tato podstata je uvedena v patentových nárocích.

Průmyslová využitelnost

Vrtací korunka podle vynálezu nalezne uplatnění především v hornictví.

Claims (28)

1. Vrtací korunka pro vrty, vyznačující se tím, že je tvořena základním vrtacím tělesem pro rotaci okolo v podstatě vertikálně umístěné osy rotace obsahujícím alespoň jeden podélný kanálek pro přívod vrtací kapaliny nebo vzduchu pod tlakem do vrtu, nebo odvod vrtací kapaliny nebo vzduchu smíchaného s drtí a úlomky horniny z vrtu, připojitelným k vrtací tyči* alespoň jedním v podstatě kruhovým, rotačním řezným kotoučem připojeným ke spodní části vnější strany základního vrtacího tělesa v podobě vrtací korunky pro vrt, s v podstatě válcovou částí a základní kuželovou částí, přičemž řezný kotouč je opatřen řeznými prvky umístěnými na obvodu, s osou rotace pod ostrým úhlem k ose rotace základního vrtacího tělesa, spodní řezný bod kotouče je v radiální vzdálenosti od osy rotace vrtací korunky, osa rotace řezných kotoučů je lehce vykloněna do strany do zadu vzhledem ke středové ose základního vrtacího tělesa ku směru rotace základního vrtacího tělesa, přičemž všechny úhly k ose jsou neměnné při celkovém umístění v nerovnovážné poloze rotace základního vrtacího tělesa pro umožnění kotoučům zaujmout rovnovážnou polohu pomocí řezných prvků pronikajících stěnou vrtu a narušujících horninu kombinací dolů působících sil převyšujících zpětné síly lehkého vedení kopinatého vrtáku, přičemž tyto síly jsou v podstatě soustředěny na spodní řezný prvek pro destabilizaci stěny vrtu při snazší řezné činnosti vrtáku.

2. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že řezné prvky na kotoučích jsou rozmístěny v alespoň třech kruhových formacích, střední kotouč

- 20 je přičleněn k vnějšímu obvodu řezných kotoučů, zatímco ostatní kotouče jsou samostatně rozmístěny na vnější a vnitřní ploše kotoučů, spodnější řezné prvky ^v nižší zad ní části středního kotouče pronikají a narušují horninu, zatímco vnější a vnitřní řezné prvky hloubí narušenou horninu a vnější řezné prvky v zadní části zpevňují a zabrušují stěnu otvoru.

3. Vrtací korunka podle bodu 2, vyznačující se tím, že osa rotace řezných kotoučů je dále skloněna ve směru rotace základního vrtacího tělesa změnou úhlu osy rotace vzhledem k středové ose hlavního vrtného tělesa.

4. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že míra nerovnovážnosti řezných kotoučů je úměrná poměru, kterým je osa rotace řezných kotoučů vyvažována.

5. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že kroutící moment nutný pro řezné kotouče pro správnou rovnoměrnost je úměrný dopřednému pohybu vrtáku.

6. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že dosahovaný kroutící moment nutný pro řezné kotouče k dosažení rovnoměrnosti je úměrný délce, šířce a tvaru řezných prvků.

7. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že dosahovaný Jsroutící moment nutný pro řezné kotouče k dosažení rovnoměrnosti je úměrný kvalitě horniny.

8. Vrtací korunka podle bodu 2, vyznačující se tím, že dva řezné kotouče jsou připojeny v určité vzdálenosti.

9. Vrtací korunka podle bodu 2, vyznačující se tím, že tři řezné kotouče jsou připojeny v urči té vzdálenosti.

10. Vrtací korunka podle bodu 2, vyznačující se tím, že několik řezných kotoučů, je připojeno v určité vzdálenosti.

11. Vrtací korunka podle bodu 2, vyznačující se tím, že několik řezných kotoučů je připojeno v určité vzdálenosti a několik vrtáků je připojeno ve specifických místech pro vytvoření velkého sloučeného vrtáku schopného vrtat velké průměry otvorů, přičemž řezné kotouče a vrtáky lze uspořádat v různých výškách vůči sobě tak, že je vytvořen stupňovitý řezný profil umožňující dobré vrtání.

12. Vrtací korunka podle bodu 2, vyznačující se tím, že několik řezných kotoučů nebo několik vrtáků je připojeno ve specifickém prostoru pro vytvoření velkého sloučeného vrtáku schopného vrtat otvory o velkém průměru, přičemž řezné kotouče nebo vrtáky lze uspořádat v různých výškách vůči sobě tak, že je vytvořen stupňovitý řezný profil tvořící základ dobrého vrtání.

13. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že mezi osou rotace řezných kotoučů a osou rotace základního vrtacího tělesa je ostrý úhel.

14. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že velikost naklonění osy rotace všech řezných kotoučů od středové osy základního vrtacího tělesa je přibližně 1/32 palce až 1/4 palce.

15. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že velikost naklonění osy rotace všech řezných kotoučů od středové osy základního vrtacího tělesa je přibližně 1/4 palce až 1 palec nebo více.

16. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že rotační řezné kotouče jsou dynamicky vyvažovány a jsou umístěny tak, že účinně navzájem protipůsobí a vrták je samostavitelný.

17. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že přídavné řezné kotouče jsou umístěny na vertikální ose ve spodním bodě základního vrtacího tělesa, přičemž rovina kotoučů je kolmá k ose rotace základního vrtacího tělesa v uspořádání pro porušení komínku horniny vzniklého mezi rotujícími řeznými kotouči

18. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že řezné kotouče jsou tvořeny v podstatě plochými disky.

19.

Vrtací korunka podle bodu 1, vyzná se tím, že řezné kotouče jsou na v podstatě kuželové.

20. Vrtací korunka podle bodu 1, vyzná se tím, že řezné kotouče jsou na ně konvexní.

čující své vnější ploše čující své vnější stra

21. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že spodní část základního vrtacího tělesa je polygonálního tvaru s různými brusnými elementy, uloženými obráběcí plochou mimo základní vrtací těleso.

- 23

22. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že spodní část základního vrtacího tělesa je ve tvaru šestihranu a obsahuje několik brusných elementů.

23. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že spodní část základního vrtacího tělesa je opatřena několika brusnými nebo řeznými prvky rozmístěnými v daných intervalech po obvodu základního vrtacího tělesa a v místech nad konkávní částí dna, kde je tato spojena s válcovou částí vrtacího tělesa, ušití brusných nebo řezných prvků podél obvodu základního vrtacího tělesa zajišťuje konstantní požadovanou velikost vrtaného průměru i když řezné prvky v řezných kotoučích jsou opotřebovány a rovněž zajišťuje následnou kompaktnost a drsnost stěny narušené a vyhloubené řeznými kotouči

24. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že horní část základního vrtacího tělesa je opatřena několika brusnými a řeznými prvky, rozmístěnými v daných vzdálenostech podél obvodu základního vrtacího tělesa a v místech nad konkávní částí dna, kde je tato spojena s válcovou částí vrtacího tělesa, přičemž brusné a řezné prvky jsou rozmístěny tak, že tvoří válcovou část stěny s největším průměrem větším než je průměr, tvořený řeznými kotouči, brusné prvky v horní části základního vrtacího tělesa slouží k radiálnímu tlaku na stěnu a stlačení po narušení a vyhloubení řeznými kotouči.

25. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že základní vrtací těleso je zhotoveno s prvky uzpůsobenými pro vedení při rotaci, kde se vrtná tyč netočí když je korunka odchýlena od směru průniku.

- 24

26. Vrtací korunka podle bodu 25, vyznačuj ící se tím, že výše zmíněné prvky rotace obsahují alespoň jednu řídící turbinu.

27. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že neobsahuje podélné kanálky pro přívod vrtací kapaliny a vrtná tyč je usazena podélně ke spodní části základního vrtacího tělesa tak, že korunka může procházet tunelem, horizontální chodbou nebo jiným prostorem umístěným v hornině, ve které může být vyvrtán otvor z povrchu s malým průměrem korunky dostatečného průměru pro vrtací tyč k průchodu otvorem z povrchu do tunelu, horizontální chodby nebo jiného prostoru a po připojení vrtné tyče je korunkou vrtáno nahoru k rozšíření průměru otvoru, přičemž úlomky propadlé zpět dolů otvorem korunky do tunelu, horizontální chodby nebo jiného prostoru jsou shromažňovány a odstraňovány;

vedlejší úklon osy rotace řezných kotoučů od středové osy základního vrtacího tělesa je veden dozadu vzhledem ke směru rotace základního vrtacího tělesa, přičemž kotouče rotují v opačném směru než je směr rotace základního vrtacího tělesa když korunka vrtá normálně dolů po směru rotace vrtné tyče setrvávající ve stejné podobě, ale vrtná tyč je nyní vedena k opačnému konci základního vrtacího tělesa.

28. Vrtací korunka podle bodu 1, vyznačující se tím, že přídavné řezné kotouče jsou připojeny na vertikální, ose v nejnižším bodě základního vrtacího tělesa a obsahují prvky umožňující vedení přídavných řezných kotoučů v rotaci, nezávisle na rotaci nebo nedostatku rotace základního vrtacího tělesa.