NO783957L - Borkrone. - Google Patents

Description

BORKRONE .

Oppfinnelsen angår jordboring, og mer bestemt en skjærvalse med skrått innsatte.skjær for kontakt med formasjonene det bores i. Foreliggende oppfinnelse kan med fordel av-vendes ved tunnelboremaskiner, kontinuerlige gruvemaskiner, stigebor, rullemeiselkroner og andre typer borkroner, skjærvalser og maskiner. En skjærvalse konstruert i henhold til foreliggende oppfinnelse.er dreibart forbundet med borkronen eller rotasjonshodet på borkronen og tjener til å kontakte og skjære formasjonene det bores i.

Skjærvalser av innsatstypen innbefatter harde innsatselementer montert i fordypninger i skjærvalselegemet. Skjærvalsene benyttes for boring av hull i jorden. De harde innsatselementer har evnen til å trenge gjennom jordformasjonene, men den sykliske belastning som følge av skjærvalsens omdreining under boringen påfører en høy punktbelastning på innsatselementene, fordypningene og skjærvalselegemet.. Slik høy punktbelastning kan føre til brudd på skjærvalsen. Ved tidligere skjærvalser har innsatsenes akser vært' radielt innrettet med skjærvalsens omdreiningsakse. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer én skjærvalse med innsatselementer hvis akser er skråttliggende i forhold til skjærvalsens omdreiningsakse.

En generell forståelse av teknikkens stilling på om-rådet skjærvalser med innsatselementer kan man få ved å studere følgende US patentskrifter. I US patentskrift nr. 3 570 613 er omtalt en rømmervalse (gage cutter). Rømmervalsen, som er beregnet for bruk i en tunnel- eller gruvemaskin eller lignende, har flere rekker med skjærelementer rundt sin omkrets, idet disse rekker har en slik størrelse og plassering at de danner en oblat sylinderskjærflate eller -plan for utligning av belastningen på skjærelementene. I US patentskrift nr. 3 134 447 er vist en borkrone med en kappe av spisse punkter. Borkronen omfatter et antall skjærvalser hvis omdreiningsakser skråner nedad og innad i forhold til borkronens omdreiningsakse. Hver skjærvalse har ved sin smaleste ende en konisk nese som ender nær men ikke helt inn-til borkroneaksen. Nesen har utstikkende innsatser av slitefast materiale med butte skjærender. Slike innsatser er'anordnet og fordelt mellom skjærvalsene for å rulle gjennom tilstøtende og overlappende sirkelringer, hvorav den innerste utgjøres av en innsats fra toppunktet til én av de koniske neser.

I US patentskrift nr. 3 547 209 er vist en borkrone og fremgangsmåte for kontrollert retningsboring. Patentskriftet omtaler, fremgangsmåte' og apparatur for styring av naturlig bore-hullsavvik for en borestreng og borkrone hvor borkronens tann-kiler er konstruert for å eliminere eller vesentlig minske re-aksjonskreftene fra formasjonen som får borkronen til å avvike fra vertikalretningen under boringens utførelse. En slik kon-struksjon muliggjør bruk av vesentlig- større boretrykk enn de som anvendes ved tidligere kjente systemer for en gitt borkrone-type og formasjonshardhet.

I US patentskrift nr. 1 691 628 er vist et brønnbore-verktøy. Patentskriftet viser ikke en skjærvalse av en type med

innsatte skjærelementer (insert cutter). Derimot viser patentskriftet en selvskjerpende skjærskive (dise cutter) for rota-sjonsboring, omfattende en enkelt metallskive og omkretsmessig fordelte puter av hardere metall enn metallet i skiven anordnet på den ene side av skiven ved skjærkanten. I figur 4 og 5 er skiven på sin bakre side forsynt med et antall ribber som strekker seg innover fra omkretsflaten, idet ribbene i dette tilfelle er skråttliggende i forhold til radien.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en skjærvalse med et antall skrå innsatser for kontakt med formasjonene som ut-hores. I det minste én ringformét rekke av innsatser er anordnet i valselegemet. Hver innsats har en langstrakt kropp og et for-mas jonskontaktende hode. Den langstrakte kropp er montert i en fordypning i valselegemet og det formasjonskontaktende hode rager ut fra valselegemet. Innsatsene er skråstilt i forhold til skjærvalselegemets omdreiningsakse. Ovennevnte samt andre trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av følgende beskrivelse av oppfinnelsen i sammenheng med tegningen.

Figur 1 viser en borkrone for boring av et hull med

stor diameter.

Figur 2 er et illustrerende riss av en skjærvalse konstruert i henhold til foreliggende oppfinnelse, plassert i en opplagring som er innrettet til å forbindes med rotasjonshodet til borkronen vist i figur 1.

Figur 3 er en skjematisk illustrasjon av kraftbelast-ningen på innsatsene til skjærvalsen vist i figur 2.

På figur 1 angir tallet 10 generelt en utføringsform av en borkrone. Denne type borkrone betegnes stundom "stige-borkrone" på grunn av dens utstrakte bruk ved boring av stigehull mellom forskjellige nivåer i en gruve under jorden. Beteg-nelsen" stige" kan ha blitt knyttet til denne type arbeidsopera-sjon fordi ledehullet bores fra et høydenivå i gruven ned til et annet nivå, og hullet forstørres ved en stigeoperasjon under borkronens bevegelse oppover. Foreliggende oppfinnelse kan brukes i forbindelse med borkroner for boring av stigehull og i andre

operasjoner hvor det er behov for et borehull. Dette kan . innbe-fatte boring under hvilken som helst vinkel med horisontalretnin-gen, enten oppover eller nedover og med eller uten et ledehull.

Det stilles mange strenge krav til en borkrone som skal benyttes for boring av hull gjennom jordformasjoner. Borkronen må være et balansert apparat med høy ytelse og av robust konstruk-sjon som vil vare i lang tid. Det er ønskelig at de fleste elementene slites ut omtrent samtidig, uten at ett eller annet av

elementene svikter tidligere enn beregnet. Borkronen utsettes stadig for høye■ spenninger.og dens spesielle geometri innebærer begrensninger på konstruksjonselementene som utsettes for spenningene og elementene som opptar spenningene. Ved borkroner av denne type har en funnet det ønskelig å benytte et antall mindre skjærvalser som er dreibart opplagret i borkronens hoveddel.

Skjærvalsene er slik plassert og fordelt at ved omdreining av borkronen vil hvert parti av hullet som bores påvirkes av én eller flere av skjærvalsene for oppbryting av formasjonene. Dette sik-rer at tilnærmet hele slitasjen ved boringen finner sted på skjærvalsene istedenfor på borkronens hoveddel. Skjærvalsene kan enkelt utskiftes slik at borkronens levetid forlenges ved utskifting av skjærvalsene.,

Som vist på figur 1 er to små, indre skjærvalser 11 og 12 plassert nær den midtre stammen 13 og virker som det første

skjærtrinn. Minst to skjærvalser benyttes for å sikre en balansert borkrone og et jevnt boreforløp. Skjærvalsene 11 og 12 holdes i stilling ved hjelp av lågere 14 og 15 som er montert på midtstammen 13. Lagerene 14 og 15 tillater enkel utskifting av

skjærvalsene. Et eksempel på en lagerkonstruksjon for utskift-bare skjærvalser er vist i US patentskrift nr. 3.203 492. Et andre skjærtrinn er beliggende nær det første trinn og innbefatter to skjærvalser 16 og 17 montert i lågere 18 og 19. Et tredje skjærtrinn er beliggende noe under de første og andre skjærtrinn. Det tredje skjærtrinn innbefatter et antall skjærvalser såsom skjærvalsene 20 og 21 montert i lågere 22 og 23.

Under drift strekker midtstammen 13 seg gjennom et ledehull som har en noe større diameter enn stammens 13 diameter. Borkronen 10 omdreies ved hjelp av et system som er velkjent i faget. Under borkronens 10 omdreining, kommer skjærvalsene 11, 12, 16, 17, 20, 21 etc. i berøring med formasjonen og bryter opp denne idet borkronen beveges langs ledehullet. Skjærvalsenes boreflater må forsere så godt som hele overflaten i det hull som utbores, og lagerene samt andre deler av borkronen bør ikke komme i berøring med formasjonene som bores.

På figur 2 er operasjonen til en skjærvalse ifølge foreliggende oppfinnelse illustrert. Skjærvalsen, som generelt er angitt ved henvisningstallet 24, innbefatter et antall hardme-talTinnsatser som er slik anordnet at de danner et antall ringformede rader. De enkelte innsatser er montert i et valseskall 25..Valseskallet 25 er dreibart montert i et lager 26. Lageret

26 kan være forbundet med rotasjonshodet i en bormaskin eller

til hoveddelen i en borkrone slik som vist i figur 1. De ringformede rader med innsatser virker på formasjonene for dannelse av det ønskede hull ved kontinuerlig skjærvirkning på jordformasjonene som bores, hvorved formasjonene brytes opp og fragmenter av formasjonene skilles fra formasjonene som bores. Skjærvirk-ningen ved en skjærvalse med innsatselementer ("insert cutter" or "button cutter") er beskrevet i artikkelen "The Mechanical Cutting characteristics of the Lower Chalk" i "Tunnels and Tunneling"', January 1973 , og lyder i oversettelse som følger:

"Dette er stort sett et slipe- eller knuseverktøy. Det har vanligvis form av en frittrullende sylinder eller av-kortet kjegle hvis overflate er forsynt med hardmetall-knaster. Det arbeider på samme måte som skjærskiven og skjærvalsen (dise and roller cutter). En høy inn-trengningskraft i bergflaten kombinert med verktøyets dreiebevegelse bevirker at fjellet nedbrytes ved knu-sing og pulverisering." Skjærinnsatsene i skjærvalsene fremstilles, vanligvis av wolfram-karbid materiale og er konstruert til å virke best når den påhvilende belastning er vinkelrett på innsatsaksen,. dvs. ren trykkbelastning. Belastninger, eller belastningskomponenter, som ikke virker på denne måte har en tilbøyelighet til å forkorte skjærvalsenes levetid ved at de forårsaker for tidlig brudd eller tap av skjærinnsatser. Det er følgelig et formål med denne oppfinnelse å hindre forekomsten av slike tidlige skader, ved å montere skjærinnsatsene på en måte som vil begrense til et minimum de belastningskomponenter som ikke virker vinkelrett på aksen. Figur 2 viser konstruksjonsdetaljene ved en utførings-form av en skjærvalse som er konstruert i henhold til foreliggende oppfinnelse. Skjærvalsen 24 innbefatter et antall hardmetallinn-satser anordnet i flere ringformede rader 1 til 8. Skjærvalsen 24 innbefatter et stort antall enkeltinnsatser av sintret wolfram-karbid, hvér angitt med henvisningstallet 9, montert i valseskallet 25. Valseskallet 25 omgir et lagerskall 27 og lagerskallet 27 er fastlåst i lageret 26. Lageret 26 kan være forbundet med dreiehodet i en bormaskin eller til hoveddelen i en borkrone såsom borkronen 10 vist i figur 1. Det skal forstås at skjærvalsen 24 også kan være i form av en konisk skjærvalse innrettet for dreibar opplagring på en av armene i en rullemeiselkrone (rotary rock bit). Det skal også forstås at skjærvalsen 24 kan konstru-eres med en enkelt- ringformet rad med skjærinnsatser, og at skjærvalsen 24 kan samvirke med en annen skjærvalse for oppbryting av formasjonene.

Lagerskallet 27 er låst i stilling i lageret 26 ved hjelp av en hovedbolt-28 og en låsepinne 29. Lagerskallet 27 holdes fastlåst på plass under hele boreoperasjonen ved hjelp av et not og fjær arrangement vist i US patentskrift nr. 3 203 492. Et antall lagersystemer innbefattende en rekke kulelagre 30, en rekke indre rullelagre 31 og en rekke ytre rullelagre 32 gjør at valseskallet 25 lett dreier om lagerskallet 27. Smøremiddel holdes på plass i lagerområdet ved hjelp av to sett tetningselementer. Det indre sett tetningselementer innbefatter et par ringformede metalltetningsringer 3 3 og 34 som er anordnet nær indre ende av skjærvalsen 24. En bøyelig O-ring 35 av gummi er plassert mellom tetningsringen 33 og lagerskallet 27 for å holde tetningsringen 33 i ønsket stilling og fjærende tvinge tetningsringen 33 mot tetningsringen 34. En bøyelig O-ring 36 av gummi

er plassert mellom valseskallet 25 og tetningsringen 34 for å holde tetningsringen 34 i ønsket stilling og fjærende trykke tetningsringen 34 mot tetningsringen 33. Det ytre sett tetningselementer innbefatter et par ringformede metalltetningsringer 37 og 38 som er plassert nær ytre ende av skjærvalsen 24. En bøye-lig O-ring 39 av gummi er plassert mellom tetningsringen 37 og lagerskallet 27 for å holde tetningsringen 37 i ønsket stilling og fjærende tvinge tetningsringen 37 mot tetningsringen 38. En bøyelig O-ring 40 av gummi er plassert mellom valseskallet 25 og tetningsringen 38 for å holde tetningsringen 38 i ønsket stilling og fjærende tvinge tetningsringen 38 mot tetningsringen 37.

Skjærinnsatsene 9 er montert i borkronen 24 på en skrå-.stilt måte i forhold til omdreiningssenteret til skjærvalsen 24.

Skråvinkelen (forskyvningen) er slik at når innsatsen har trengt gjennom formasjonen og har maksimal belastning, vil denne belastning virke vinkelrett på innsatsaksen umiddelbart før formasjonen avskjæres.

Etter at konstruksjonsdetaljene ved en skjærvalse 24 som er konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse nå er beskrevet, skal virkemåten til skjærvalsen 24 beskrives i det føl-gende. Lageret 26 er forbundet med et rotasjons-borhode eller en borkrone og borhodet eller -kronen roteres og føres gjennom formasjonene. Innsatsene 9 kontakter formasjonene og formasjonsparti-ene brytes og borefragmentene skilles fra formasjonene som utbores for å danne det ønskede hull eller den ønskede tunnel. Innsatsenes 9 hoder kommer i kontakt med formasjonene. Innsatsene 9 er plassert i skjærvalsen 24 slik at innsatsenes 9 midtakse ikke lø-per gjennom skjærvalsens omdreiningsakse (midtakse). Skråvinkelen varierer med endringer i konstruksjonen av skjærvalsen, avhengig av slike variable som innsatsens diameter, lengde, form.og avstan-den mellom innsatsene. Disse variable fastlegges generelt av den type formasjon som skjærvalsen skal arbeide i. Skråvinkelen kan være så liten som en halv grad for skjærvalser konstruert for ekstremt harde formasjoner, eller så stor som 30 grader for skjærvalser konstruert for ekstremt bløte formasjoner.

Figur 3 er en skjematisk illustrasjon av et enderiss av et parti av valseskallet 25. Innbyrdes tilstøtende skjærinnsatser 9 er vist plassert i valseskallet 25. Hver innsats 9 har et

langstrakt kroppsparti anordnet i en fordypning i valseskallet 25 og et formasjonskontaktende hode som er innrettet til å kontakte

formasjonene. Innsatsene 9 er montert i valseskallet 25 slik at innsatsaksene 41 er vinkelmessig forskjøvet med en vinkel 43 fra skjærvalsens omdreiningsakse 42 i en retning motsatt skjærvalsens omdreiningsretning og mot skjærvalsens bevegelsesretning. Med andre ord er skjærinnsatsene 9 vinkelmessig forskjøvet i en retning som "etterfølger" skjærvalseomdreiningen. Skråvinkelen 43 er slik at når innsatsen 9 har trengt inn i formasjonen og har maksimal belastning, vil denne belastning være vinkelrett på innsatsaksen umiddelbart før formasjonen avskjæres. Skråvinkelen 43 varierer med endringer i konstruksjonen av skjærvalsen 24, avhengig av slike variable som innsatsens diameter, lengde, form og innbyrdes avstand. Disse variable er generelt fastlagt av den formasjonstype som skjærvalsen 24 skal arbeide i. Skråvinkelen 43 kan være så liten-som en halv grad for skjærvalser beregnet på ekstremt harde formasjoner, eller så stor som 30 grader for skjærvalser beregnet ekstremt bløte formasjoner. Radial- og skjærkref-tene er vist slik de virker på skjærinnsatseri 9. Skråvinkelen 43 er slik valgt at maksimalkraften vil virke i retning av innsatsens 9 midtakse 41.

Claims (5)

1. Skjærvalse omfattende et valselegeme med en omdreiningsakse, og minst én ringformet rad skjærinnsatser som rager ut fra valselegemet, karakterisert ved at skjærinnsatsene (9) har midtakser som danner en vinkel med skjærvalsens (24) omdreiningsakse.

2. Skjærvalse ifølge krav 1, karakterisert ved at skjærinnsatsenes (9).- skråvinkel er mellom en halv og 30 grader.

3. Skjærvalse innrettet til å beveges langs jordformasjoner i skjærvalsens bevegelsesretning, omfattende et valselegeme med en omdreiningsakse, og minst én ringformet rad skjærinnsatser som rager ut fra valselegemet, karakterisert ved at skjærinnsatsene har midtakser som er forskjøvet fra skjærvalsens omdreiningsakse mot skjærvalsens bevegelsesretning.

4. Skjærvalse innrettet til å beveges langs jordformasjoner hvorved skjærvalsen bringes til å rotere i en første retning, omfattende et valselegeme med en omdreiningsakse, og minst én ringformet rad skjærinnsatser som rager ut fra valselegemet, karakterisert ved at innsatsene har midtakser som er forskjøvet fra skjærvalsens omdreiningsretning i en'andre retning motsatt skjærvalsens første omdreiningsretning.

5. Skjærvalse innrettet til å beveges langs jordformasjoner i skjærvalsens omdreiningsretning hvorved skjærvalsen bringes til å rotere i en første omdreiningsretning, omfattende et valselegeme med en omdreiningsretning, og minst én ringformet rad skjærinnsatser som rager ut fra valselegemet, karakterisert ved at skjærinnsatsene har midtakser som er forskjø-vet fra skjærvalsens omdreiningsakse mot skjærvalsens bevegelsesretning, hvilke skjærvalser er forskjøvet i en andre omdreiningsretning motsatt skjærvalsens første omdreiningsretning.