PL247718B1 - Sposób mocowania wkładek urabiających w wielosłupkowych narzędziach do wiercenia skał - Google Patents

Abstract

Sposób mocowania wkładek urabiających w wielosłupkowych narzędziach do wiercenia skał, wyposażonych w cylindryczne urabiające ustalone w oprawie za pomocą stożkowych pierścieni rozprężnych z co najmniej jednym wzdłużnym przecięciem polega na tym, że wkładki urabiające (1) w postaci słupków osadza się w oprawie (2) połączonej z trzonem (4) poprzez połączenie gwintowe (4a), za pośrednictwem stożkowych pierścieni rozprężnych (3), dociskanych warstwą tworzywa sztucznego (5) poprzez nacisk wkręconego trzonu (4), przy czym przestrzeń, w której umieszczona jest warstwa tworzywa sztucznego (5) uszczelnia się na wewnętrznej stronie za pomocą pasowanego występu (2a) oprawy (2), na zewnętrznej stronie uszczelnia ją drobnozwojowy gwint (4a), przy czym pomiędzy tworzywem sztucznym (5) a powierzchnią czołową pierścieni rozprężnych (3) umieszcza się metalową membranę (6) ściśle przylegającą do współpracujących z nią elementów, następnie w warstwie tworzywa sztucznego (5) wywołuje się ciśnienie hydrostatyczne działające na czoło stożkowych pierścieni rozprężnych (3) zaciskających się jednocześnie na wkładkach urabiających (1) poprzez dokręcanie trzonu (4) w oprawie (2).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób mocowania wkładek urabiających w wielosłupkowych narzędziach do wiercenia skał, mających zastosowanie do wykonywania otworów wiertniczych o różnym przeznaczeniu w skałach.

Koronki wiertnicze stosowane są do wiercenia otworów o różnym przeznaczeniu w skałach w pracach górniczych, tunelowych, drogowych i budowlanych. Wkładki urabiające w postaci słupków, wykonane najczęściej z węglików spiekanych, narażone są w czasie pracy na szczególnie intensywne oddziaływanie eksploatacyjne w postaci dużych obciążeń o udarowym charakterze, intensywnego zużycia ścierno-erozyjnego i wpływów korozyjnych. Te niszczące procesy są intensyfikowane w wyniku generowania dużej ilości ciepła powodującego występowanie dużych gradientów temperatury, szoków termicznych i zmęczenia cierno-termicznego materiałów wkładek urabiających.

Zniszczenie w trakcie wiercenia nawet pojedynczych słupków lub ich mocowania powoduje nagłe pogorszenie efektów pracy narzędzia, wzrost energochłonności wiercenia, spadek postępu wiercenia i lawinowo rozwijający się proces niszczenia całego narzędzia zmierzający do jego przedwczesnego wycofania z użytku. Jest to źródłem dużych strat materiałowych, energetycznych oraz ekonomicznych przy prowadzeniu robót wiertniczych.

Dotychczas znane są sposoby osadzania wkładek urabiających w koronkach wiertniczych polegające na stosowaniu twardego lutowania specjalnymi lutami, opisane w amerykańskim patencie US5746281.

Z rosyjskiego opisu patentowego RU2122101 znane są wkładki urabiające wykonane z węglików spiekanych wolframu w osnowie kobaltowej w postaci cylindrycznych słupków, mocowanych w cylindrycznych gniazdach koronek wiertniczych, metodą lutowania twardego.

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

Z japońskiego opisu patentowego JP2013032669 znane są rozwiązania koronek wiertniczych wyposażonych: w płytki z węglików spiekanych rozmieszczone radialnie na powierzchni czołowej głowic? koronki, pełniące rolę elementów urabiających. Płytki te osadzone są w głowicy koronki przez lutowanie, na przykład lutem srebrnym lub miedzianym.

Niedogodnością powyższych rozwiązań jest ich niska trwałość, zwłaszcza gdy koronka narażona jest na intensywne nagrzewanie w trakcie eksploatacji. Dochodzi wówczas do mięknięcia lutu, a nawet jego wytopienia, co skutkować może wypadnięciem wkładek urabiających^A głowicy koronki wiertniczej.

Innym powszechnie stosowanym sposobem mocowania wkładek urabiających jest wykorzystanie skurczu termicznego zaciskającego; słupki w otworach wykonanych w głowicy koronki. Skurcz termiczny jako sposób mocowania wkładek urabiających przy wzroście temperatury, a zwłaszcza w warunkach szoków termicznych jest niewystarczający. Ponadto, zapewnienie oczekiwanej pewności takiego połączenia wymaga odpowiedniego doboru pasowania wkładek urabiających w gniazdach głowicy koronki, co pociąga za sobą konieczność precyzyjnego wiercenia gniazd i szlifowania współpracujących z nimi powierzchni wkładek urabiających, co przyczynia się do generowania dodatkowych kosztów wytwarzania koronek wiertniczych.

Z innego amerykańskiego opisu patentowego US4867015 znany jest sposób mocowania wkładek urabiających (słupków) na wcisk, co również wymaga bardzo dokładnego wykonania łączonych elementów.

Z amerykańskiego opisu patentowego US4014395 znane są stożkowe wkładki (słupki) urabiające osadzane za pomocą tulei wprasowywanych w cylindryczne gniazda wykonane w głowicy koronki, w efekcie czego zaciskają się na wkładkach urabiających mocując je w ten sposób. Tuleje te mogą być usuwane poprzez zwiercanie lub elektroerozję, co daje możliwość wymiany elementów urabiających na nowe. Niedogodnością rozwiązania jest oddzielny montaż poszczególnych wkładek urabiających, co dokonywane jest za pomocą prasy. Zabieg montażu jest praco- i czasochłonny.

Z opisu patentowego WO2013081098 znane jest rozwiązanie, w którym słupki urabiające zamocowane są tak, że mogą się obracać wokół swoich osi, co komplikuje konstrukcję koronki wiertniczej.

Z europejskiego opisu patentowego EP1794406A1 znana jest koronka wiertnicza wyposażona we wkładki urabiające w postaci słupków z węglików spiekanych zakończonych od strony roboczej kuliście, stożkowe, balistycznie, półbalistycznie lub dłutowo, osadzone na stale w otworach wykonanych na powierzchni głowicy koronki. Słupki te mogą być wykonane w postaci wielowarstwowej, na bazie diamentów, jak to przykładowo opisano w chińskim patencie CN105264164A, czy amerykańskim opisie patentowym US2008314647 lub z materiałów ceramicznych o dużej gęstości przedstawionych w amerykańskim opisie patentowym US2009184564.

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

Znane sposoby mocowania wkładek urabiających cechują się niedostateczną skutecznością, a ich przydatność silnie spada w przypadkach wiercenia otworów w skałach o dużej twardości, W szczególności, gdy wzrastają średnice i głębokości wiercenia przy rosnącej erozyjności urabianych skał, znane sposoby mocowania ostrzy z węglików spiekanych i innych nowoczesnych materiałów o dużej twardości nie spełniają oczekiwań użytkowników.

Istnieje potrzeba opracowania bardziej efektywnego sposobu osadzania wkładek urabiających w koronkach wiertniczych, eliminującego opisane wady znanych sposobów mocowania.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie nowego sposobu ustalania wkładek, urabiających w głowicy koronki wiertniczej, który zniweluje niedoskonałości znane ze stanu techniki, zapewni mocne i niezawodne mocowanie wkładek urabiających w narzędziach wiertniczych służących do wykonywania otworów w skałach lub innych materiałach o własnościach mechanicznych podobnych do naturalnych skał.

Sposób według wynalazku rozwiązuje problem montażu w trakcie jednej operacji wszystkich wkładek urabiających w koronkach wiertniczych.

Cel ten osiągnięto poprzez wy korzystanie hydrostatycznych własności elastycznych tworzyw sztucznych w warunkach wysokiego ciśnienia do wywołania jednorodnego nacisku na stożkowe elementy mocujące wkładki urabiające jednocześnie w jednej operacji montażu koronki wiertniczej. Wykorzystany jest fakt, że przy dostatecznie dużym ciśnieniu tworzywa sztuczne o dużej elastyczności zachowują się tak jak ciecz, w szczególności podlegają prawu Pascala stanowiącemu, że w cieczy poddanej ciśnieniu działa ono jednakowo we wszystkich kierunkach.

Sposób mocowania wkładek urabiających w wielosłupkowych narzędziach do wiercenia skał wyposażonych w cylindryczne wkładki urabiające ustalone w oprawie za pomocą stożkowych pierścieni rozprężnych z co najmniej jednym wzdłużnym przecięciem polega na tym. że wkładki urabiające w postaci słupków osadza się w oprawie połączonej z trzonem poprzez połączenie gwintowe, za pośrednictwem stożkowych pierścieni rozprężnych, dociskanych warstwą tworzywa sztucznego poprzez nacisk wkręconego trzonu, przy czym przestrzeń, w której umieszczona jest warstwa tworzywa sztucznego uszczelnia się na wewnętrznej stronie za pomocą pasowanego występu oprawy, na zewnętrznej stronie uszczelnia ją drobnozwojowy gwint, przy czym pomiędzy tworzywem sztucznym, a powierzchnią czołową pierścieni rozprężnych umieszcza się metalową membranę ściśle przylegającą do współpracujących z nią elementów, następnie w warstwie tworzywa sztucznego wywołuje się ciśnienie hydrostatyczne działające na czoło stożkowych pierścieni rozprężnych zaciskających się jednocześnie na wkładkach urabiających poprzez dokręcanie trzonu w oprawie.

Korzystnie pierścienie rozprężne wykonane są z hartowanej stali.

Powierzchnia czołowa trzonu pokryta jest niskocierną powłoką teflonową.

Sposób mocowania wkładek charakteryzuje się tym, że strefę połączenia trzonu z oprawą uszczelnia się za pomocą pierścieni uszczelniających.

Jako tworzywo sztuczne stosuje się silikon lub syntetyczną gumę odporną na wysoką temperaturę.

Sposób mocowania wkładek charakteryzuje się tym, że stosuje się membranę wykonaną z miedzi, elektrolitycznej lub stali nierdzewnej,

Przedmiot wynalazku w przykładowym, lecz nieograniczającym wykonaniu uwidoczniony jest na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia półprzekrój wzdłużny narzędzia, zaś Fig. 2 przedstawia szczegół mocowania pojedynczej wkładki urabiającej z dodatkowym zastosowaniem membrany metalowej.

Wszystkie wkładki urabiające w formie słupków 1 osadzone są w stalowej oprawie 2 za pośrednictwem stożkowych pierścieni rozprężnych 3 (Fig. 1). Wykonane z hartowanej stali pierścienie rozprężne 3 posiadają co najmniej jedno wzdłużne przecięcie nadające im zdolność do odkształceń sprężystych. Do stożkowych otworów wykonanych w oprawie 2 pierścienie rozprężne 3 z umieszczonymi w nich wkładkami urabiającymi 1 są mocno dociskane poprzez warstwę tworzywa sztucznego 5 o dużej plastyczności w wyniku nacisku wkręconego trzonu 4. Połączenie gwintowe 4a oprawy 2 z trzonem 4 posiada gwint o małym skoku, co przy wywołaniu dostatecznie dużego momentu dokręcenia połączenia wywołuje w warstwie tworzywa sztucznego 5 na tyle duże ciśnienie, że tworzywo o dużej elastyczności zachowuje się jak ciecz, w której zgodnie z prawem Pascala występuje jednakowe ciśnienie we wszystkich kierunkach. Ciśnienie to wywołuje zaciskanie się jednocześnie wszystkich pierścieni rozprężnych 3 na umieszczonych w nich wkładkach urabiających 1.

Jako tworzywo sztuczne 5 korzystnie może być wykorzystany silikon lub alternatywnie odporna na wysoką temperaturę syntetyczna guma o dużej elastyczności. Tworzywa te cechują się liczbą Poissona bliską wartości 0.5, co powoduje, że są praktycznie nieściśliwe, co bardzo zbliża ich zachowanie do cieczy. Przestrzeń, w której umieszczona jest warstwa tworzywa sztucznego 5 jest tak uszczelniona, że tworzywo to nawet pod dużym ciśnieniem nie może się wydostać poza uszczelnioną przestrzeń. To powoduje, że wywołane podczas montażu narzędzia wiercącego ciśnienie w warstwie tworzywa sztucznego pozostaje trwałe zachowane. Dodatkowo kierunek gwintu jest tak dobrany, aby moment obrotowy działający na koronkę wiertniczą podczas wiercenia, wywoływany przez mechanizm obrotu wiertnicy działał zawsze w kierunku dokręcania połączenia oprawy 2 z trzonem 4 uniemożliwiając luzowanie się pierścieni rozprężnych 3 w toku pracy narzędzia wiercącego. Samoczynne dokręcanie się połączenia gwintowego 4a trzonu 4 z oprawą 2 powoduje ponadto, że nadążnie i skutecznie są kompensowane zjawiska relaksacji naprężeń oraz wpływy zróżnicowanej rozszerzalności cieplnej elementów narzędzia.

Przestrzeń, w której umieszczone jest elastyczne tworzywo sztuczne 5 jest uszczelniona na wewnętrznej stronic przez pasowany występ 2a oprawy 2, zaś na stronie zewnętrznej przestrzeń tą uszczelnia drobnozwojowy gwint 4a o znacznej długości.

Między elastycznym tworzywem sztucznym 5 a oprawą 2 z układem pierścieni rozprężnych 3 z umieszczonymi w nich wkładkami urabiającymi 1 umieszczona jest blaszana membrana 6 (Fig. 2). Jej celem jest niedopuszczenie do niepożądanego wciskania się pod dużym ciśnieniem elastycznego tworzywa sztucznego 5 w szczeliny podłużne wykonane w pierścieniach rozprężnych 3 w celu nadania im zdolności do odkształceń sprężystych. Membranę 6 korzystnie jest wykonać z miedzi elektrolitycznej lub alternatywnie ze stali nierdzewnej.

Przekrój przez pierścień rozprężny 3 na Fig. 2 poprowadzono w miejscu przykładowego wzdłużnego przecięcia 3a pierścienia rozprężnego 3. Metalowa membrana 6 dobrze przylega do wszystkich elementów, z którymi się styka, a ponadto, dzięki dużemu przewodnictwu cieplnemu służy do wyrównania temperatury poszczególnych wkładek urabiających, dzięki czemu ograniczone jest występowanie dużych gradientów temperatury w czasie, gdy zróżnicowane jest generowanie ciepła przez tarcie wkładek urabiających położonych na różnym promieniu o dno otworu wiertniczego. Membrana ta wspomaga chłodzenie narzędzia przez medium chłodzące (powietrze lub wodę) przepływające kanałem centralnym 9 wykonanym trzonie 4. Polepszenie warunków chłodzenia przez eliminację nadmiernych różnie temperatury pracy wkładek urabiających ma bardzo duże znaczenie dla zachowania wysokiej trwałości węglików spiekanych stosowanych na wkładki urabiające. Służy to zwiększeniu odporności ścierno-zużyciowej narzędzia wiercącego według wynalazku. Medium chłodzące wypływając otworami 10 chłodzi wkładki urabiające 1 i ułatwia usuwanie zwiercin.

Sztywność membrany 6 (głównie jej grubość) należy dobrać w wyniku prób w taki sposób, aby ulegając plastycznym odkształceniom ściśle przylegała do współpracujących z nią elementów (Fig. 2), a jednocześnie zmniejszała nadmierny nacisk tworzywa sztucznego na dolne powierzchnie wkładek urabiających. Pewna część tego nacisku jest jednak pożądana, gdyż podczas pracy narzędzie wiercące przeciwstawia się obciążeniu wzdłużnemu wkładek urabiających pochodzącemu od oporów kruszenia skał zwiększając skuteczność mocowania wkładek urabiających.

Powierzchnię czołową trzonu 4 korzystnie jest pokryć niskocierną powłoką, np. teflonową dla zmniejszenia oporów tarcia przy dokręcaniu połączenia gwintowego 4a trzonu 4 z oprawą 2.

Przed niepożądanym dostawaniem się wody i pyłu skalnego w strefą połączenia trzonu 4 z oprawa 2 zabezpieczają pierścienie, uszczelniające 7 i 8, korzystnie wykonane z odpornej na podwyższoną temperaturę pracy gumy lub silikonu. Harmonijkowe ukształtowanie pierścieni uszczelniających 7 i 8 zwiększa ich sprężystość oraz nadaje podatność, która umożliwia swobodne dokręcanie się połączenia gwintowego 4a trzonu 4 z oprawą 2 w czasie pracy koronki wiertniczej.

Sposób mocowania wkładek urabiających w narzędziach do wiercenia skał według wynalazku ułatwia demontaż narzędzia w celu wymiany uszkodzonych wkładek urabiających oraz dla pozyskania zużytych elementów z węglików spiekanych dla potrzeb ich recyklingu.

Jest też bardzo pomocny dla zabiegów regeneracji narzędzia wiercącego. Istnieje przy tym możliwość wielokrotnego użycia wielu elementów narzędzia wiercącego. W szczególności wielokrotnie użyty może być trzon 4 oraz w mniejszym stopniu oprawa 2 i pierścienie rozprężne 3, jeśli nie wykazują pęknięć lub nadmiernego zużycia. Istotne praktyczne znaczenie ma też to, że wszystkie zabiegi obsługowe i regeneracyjne mogą być wykonane bezpośrednio przez użytkowników narzędzi wiercących przy użyciu prostych narzędzi warsztatowych. Szczególnie dużą zaletą sposobu osadzenia wkładek urabiających w narzędziu wiercącym według wynalazku jest zapewnienie jednakowego, powtarzalnego stopnia mocowania wszystkich wkładek urabiających w jednym zabiegu montażu pierwotnego, jak i też ponownego montażu po wymianie elementów lub regeneracji całego narzędzia wiercącego. Zastosowanie tworzywa sztucznego o dużej elastyczności dla uzyskania jednoczesnego, niezawodnego połączenia wszystkich wkładek urabiających powoduje, że nie mają istotnego znaczenia odchyłki wykonawcze głównych elementów składowych koronki wiertniczej, co obniża koszty wytwarzania. Dodatkowym walorem rozwiązania jest to, że ukształtowanie oprawy 2 wkładek urabiających 1 może być zmieniane w dużym zakresie, co sprawia, że możliwy jest wybór najkorzystniejszego sposobu rozmieszczenia elementów urabiających przy zachowaniu jednakowej skuteczności ich osadzenia w oprawie. Może to się odbyć bez zmiany trzonu 4.

Stosowanie sposobu mocowania wkładek urabiających w narzędziach wiercących według wynalazku pozwala na uzyskanie wielu efektów technicznych i ekonomicznych przy zachowaniu wysokiego poziomu bezpieczeństwa użytkowania narzędzi i pełnych walorów ekologicznych.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób mocowania wkładek urabiających w wielosłupkowych narzędziach do wiercenia skał wyposażonych w cylindryczne wkładki urabiające ustalone w oprawie za pomocą stożkowych pierścieni rozprężnych z co najmniej jednym wzdłużnym przecięciem, znamienny tym, że wkładki urabiające (1) w postaci słupków osadza się w oprawie (2) połączonej z trzonem (4) poprzez połączenie gwintowe (4a), za pośrednictwem stożkowych pierścieni rozprężnych (3), dociskanych warstwą tworzywa sztucznego (5) poprzez nacisk wkręconego trzonu (4), przy czym przestrzeń, w której umieszczona jest warstwa tworzywa sztucznego (5) uszczelnia się na wewnętrznej stronie za pomocą pasowanego występu (2a) oprawy (2), na zewnętrznej stronie uszczelniają drobnozwojowy gwint (4a), przy czym pomiędzy tworzywem sztucznym (5), a powierzchnią czołową pierścieni rozprężnych (3) umieszcza się metalową membranę (6) ściśle przylegającą do współpracujących z nią elementów, następnie w warstwie tworzywa sztucznego (5) wywołuje się ciśnienie hydrostatyczne działające na czoło stożkowych pierścieni rozprężnych (3) zaciskających się jednocześnie na wkładkach urabiających (1) poprzez dokręcanie trzonu (4) w oprawie (2).
2. 2. Sposób mocowania wkładek według zastrz. 1, znamienny tym, że pierścienie rozprężne (3) wykonane są z hartowanej stali.
3. 3. Sposób mocowania wkładek według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnia czołowa trzonu (4) pokryta jest niskocierną powłoką teflonową.
4. 4. Sposób mocowania wkładek według zastrz. 1, znamienny tym, że strefę połączenia trzonu (4) z oprawą (2) uszczelnia się za pomocą pierścieni uszczelniających (7) i (8).
5. 5. Sposób mocowania wkładek według zastrz. 1, znamienny tym, że jako tworzywo sztuczne (5) stosuje się silikon lub syntetyczną gumę odporną na wysoką temperaturę.
6. 6. Sposób mocowania wkładek według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się membranę (6) wykonaną z miedzi elektrolitycznej lub stali nierdzewnej.