RU2077650C1

RU2077650C1 - Drill bit for percussion-rotary drilling

Info

Publication number: RU2077650C1
Application number: RU94017501A
Authority: RU
Inventors: Юрий Петрович Линенко-Мельников; Анатолий Феликсович Лисовский
Original assignee: Юрий Петрович Линенко-Мельников; Анатолий Феликсович Лисовский
Priority date: 1994-05-12
Filing date: 1994-05-12
Publication date: 1997-04-20

Abstract

FIELD: well drilling. SUBSTANCE: drill bit has a case made in the form of a tail and head with through central hole. Upper portion of the hole is of truncated cone shape. Large base of the cone is placed on head face. Cylindrical insertion pieces of hard alloy are placed over periphery of the head. Head diameter is 3 - 4 times as large as that of insertion piece diameter. Large base radius of the cone corresponds to the distance from drill bit axis to the insertion pieces. Angle of the conical opening apex is within 45 to 90 degrees. EFFECT: higher efficiency of the drilling. 4 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к буровому инструменту, а именно к штыревым коронкам для ударно-поворотного бурения, которые используют при проведении буро-взрывных работ. The invention relates to a drilling tool, namely, pin crowns for rotary hammer drilling, which are used when drilling and blasting.

Известна буровая коронка, содержащая корпус, выполненный в виде хвостовика и головки с глухим центральным отверстием, соединенным с наклонными отверстиями, выходящими на периферию коронки, а также закрепленные на периферии и в центре головки вставки из твердого сплава (см. патент США N 4607712, кл. 175/410, опубл. 26.08.86). Known drill bit containing a housing made in the form of a shank and a head with a blind central hole connected to inclined holes facing the periphery of the crown, as well as fixed on the periphery and in the center of the head of the insert made of hard alloy (see US patent N 4607712, cl . 175/410, publ. 26.08.86).

Недостатки коронок этого типа следующие: большой расход твердого сплава и низкая энергоемкость бурения, т.к. вставка, расположенная в центре головки соосно корпусу переизмельчает разрушаемую породу, а вставки расположенные на периферии воспринимают радиальные усилия, вызывающие напряжения изгиба и их поломки. The disadvantages of crowns of this type are as follows: high consumption of hard alloy and low energy consumption of drilling, because the insert located in the center of the head, coaxial to the body, crushes the destructible rock, and the inserts located on the periphery perceive radial forces that cause bending stresses and breakdowns.

Известна также буровая коронка, содержащая корпус, выполненный в виде хвостовика и головки, имеющие сквозное наклонное отверстие, соединенное с канавками на торце корпуса. На торце головки размещены вставки из твердого сплава, количество которых в каждой из концентрических окружностей, принимается примерно пропорционально объему разрушаемой породы (см. заявку Великобритании N 1465560, кл. E 1F, опуб. 23.02.77). Also known is a drill bit containing a housing made in the form of a shank and a head having a through inclined hole connected to grooves at the end of the housing. At the end of the head there are hard alloy inserts, the number of which in each of the concentric circles is taken approximately in proportion to the volume of the rock being destroyed (see UK application N 1465560, class E 1F, publ. 23.02.77).

При использовании такого инструмента лишь частично уменьшается энергоемкость процесса разрушения породы, т.к. твердосплавные вставки, расположенные в центральной части головки переизмельчают породу. When using such a tool, the energy consumption of the rock destruction process is only partially reduced, since carbide inserts located in the central part of the head crush the rock.

Наиболее близким техническим решением по технической сути, принятым нами за прототип, является буровая коронка для ударно-поворотного бурения, содержащая корпус, выполненный в виде хвостовика и головки, имеющий сквозное центральное отверстие, верхняя часть которого имеет форму усеченного корпуса с большим основанием, расположенным на торце головки, а также размещенные на последней 6 твердосплавных цилиндрических вставок, из которых 4 расположены на периферии головки, а две ближе к центру (см. техдокументацию и проспект КМЗ "Коронки буровые для перфораторов"). The closest technical solution in technical essence, adopted by us for the prototype, is a drill bit for rotary shock drilling, comprising a body made in the form of a shank and a head having a through central hole, the upper part of which is in the form of a truncated body with a large base located on the end face of the head, as well as 6 carbide cylindrical inserts located on the last, 4 of which are located on the periphery of the head, and two are closer to the center (see technical documentation and prospectus KMZ "Drill crowns perforators ").

Центральное отверстие в такой буровой коронке предназначено для подачи сжатого воздуха с целью очистки шпура от шлама. Фаска в верхней части центрального отверстия в виде усеченного конуса выполнена для притупления острой кромки, т.к. носит технологический характер и не оказывает влияния на работоспособность конструкции в смысле разрушения породы. The central hole in such a drill bit is designed to supply compressed air to clean the hole from cuttings. The chamfer in the upper part of the central hole in the form of a truncated cone is made to blunt the sharp edge, because is technological in nature and does not affect the performance of the structure in the sense of rock destruction.

При принятом для рассматриваемой коронки соотношении диаметров головки, вставок и их количеств (шесть) потребуется большой расход твердого сплава за счет увеличения диаметра вставок или их количества, что, в свою очередь, приведет к переизмельчению породы на торце шпура ближе к его центру. Это приводит к увеличению энергоемкости процесса бурения. With the ratio of the diameters of the head, inserts and their quantities adopted for the crown under consideration (six), a large consumption of hard alloy will be required due to an increase in the diameter of the inserts or their number, which, in turn, will lead to overgrinding of the rock at the end of the hole closer to its center. This leads to an increase in the energy intensity of the drilling process.

Увеличение размера вставок вызвано стремлением повысить их прочность, т. к. со стороны периферийного угла шпура действует радиальная составляющая от сил взаимодействия вставок с породой, которая вызывает растягивающие напряжения в твердом сплаве, приводящие к поломкам вставок. The increase in the size of the inserts is caused by the desire to increase their strength, since the radial component from the forces of the interaction of the inserts with the rock acts from the side of the peripheral angle of the hole, which causes tensile stresses in the hard alloy, leading to breakage of the inserts.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования конструкции буровой коронки, в которой за счет подбора соотношения размеров, входящих в конструкцию элементов и их расположения обеспечивается уменьшение диаметра или количества вставок и, как следствие, меньшее переизмельчение разрушаемого материала, увеличивается глубина внедрения вставок в забой при одновременном снижении их поломок в результате чего снижается энергоемкость процесса и повышается эффективность бурения, а уменьшение размеров или количества вставок из твердого сплава позволит снизить его расход и удешевить коронку. The basis of the invention is the task of such an improvement in the design of the drill bit, in which due to the selection of the ratio of the sizes included in the design of the elements and their location, the diameter or number of inserts is reduced and, as a result, less crushing of the material being destroyed, the depth of insertion into the face increases while reducing their breakdowns as a result of which the energy intensity of the process is reduced and drilling efficiency is increased, and the size or number of inserts is reduced of hard alloy will reduce its consumption and reduce the cost of the crown.

Поставленная задача решается тем, что в буровой коронке для ударно-поворотного бурения, содержащей корпус, выполненный в виде хвостовика и головки со сквозным центральным отверстием, верхняя часть которого имеет форму усеченного конуса с большим основанием, расположенным на торце головки, и размещенные на периферии последней цилиндрические вставки из твердого сплава, согласно изобретению диаметр головки в 3 4 раза превышает диаметр вставок, а радиус большего основания упомянутого усеченного конуса соответствует расстоянию от оси коронки до вставок, при этом угол при вершине конического отверстия находится в пределах от 45^o до 90^o.The problem is solved in that in the drill bit for rotary hammer drilling, comprising a housing made in the form of a shank and a head with a through central hole, the upper part of which is in the form of a truncated cone with a large base located on the end of the head, and located on the periphery of the latter cylindrical carbide inserts, according to the invention, the head diameter is 3 to 4 times the diameter of the inserts, and the radius of the larger base of the truncated cone corresponds to the distance from the axis of the crowns ki to the inserts, while the angle at the top of the conical hole is in the range from 45 ^o to 90 ^o .

Конструктивное выполнение предлагаемой нами коронки приводит к достижению приведенных выше технических результатов благодаря тому, что при выбранном соотношении между диаметром головки и диаметром вставки, равным от 3 до 4, в центральной части шпура образуется выступающий целик, охватывающий вставку с внутренней стороны, что уменьшает радиальные составляющие усилий взаимодействия вставок с породой, действующих на них со стороны шпура. Это снизит напряжение изгиба, вызывающее поломки вставок. Для скалывания вершины выступающего целика породы в центральной части головки корпуса выполнено усеченное коническое отверстие, параметры которого, а именно размеры верхнего и нижнего оснований и угол наклона образующей конуса выбраны таким образом, что в зоне контакта конической поверхности с целиком будут преобладать радиальные усилия, под действием которых будет скалываться вершина выступающего целика. Таким образом, в процессе разрушения породы будут принимать участие не только твердосплавные вставки, но и корпус коронки, что снизит переизмельчение разрушаемого материала. The constructive implementation of our proposed crown leads to the achievement of the above technical results due to the fact that when the selected ratio between the diameter of the head and the diameter of the insert is 3 to 4, a protruding pillar is formed in the central part of the borehole, covering the insert from the inside, which reduces the radial components the interaction forces of the inserts with the rock, acting on them from the side of the hole. This will reduce bending stress causing breakage of the inserts. A truncated conical hole is made for cleaving the tip of the protruding pillar of the rock in the central part of the body head, the parameters of which, namely the dimensions of the upper and lower bases and the angle of inclination of the generatrix of the cone, are selected in such a way that radial forces prevail in the contact zone of the conical surface with the whole which the peak of the protruding pillar will be chipped. Thus, in the process of rock destruction, not only carbide inserts will take part, but also the crown body, which will reduce the overmilling of the material being destroyed.

Благодаря уменьшению размера вставок снизится расход твердого сплава. Это удешевит коронку. By reducing the size of the inserts, the consumption of hard alloys will be reduced. This will reduce the cost of the crown.

На фиг. 1 показана буровая коронка, вид сверху, а на фиг. 2 сечение по А-А на фиг. 1. На фиг. 3 схема разрушения торца шпура заявляемой (а) и известной (б) коронками, распределение и направление действий усилий, возникающих на твердосплавных вставках при их внедрении в породу. На фиг. 4 - вид сверху на известную коронку, расположенную в шпуре. In FIG. 1 shows a drill bit, a top view, and in FIG. 2 section along AA in FIG. 1. In FIG. 3 diagram of the destruction of the end face of the borehole of the claimed (a) and known (b) crowns, the distribution and direction of the forces arising on carbide inserts when they are introduced into the rock. In FIG. 4 is a top view of a known crown located in a hole.

Буровая коронка (фиг. 1, 2) содержит корпус 1 и вставки из твердого сплава 2. Корпус состоит из хвостовика 3 и головки 4 со сквозным центральным отверстием 5, верхняя часть которого имеет форму усеченного конуса 6 с большим основанием радиусом R₁, расположенным на торце головки 4. Вставка 2 расположена на периферии головки 4.The drill bit (Fig. 1, 2) contains a housing 1 and inserts of hard alloy 2. The housing consists of a shank 3 and a head 4 with a through central hole 5, the upper part of which has the shape of a truncated cone 6 with a large base of radius R ₁ located on the end face of the head 4. The insert 2 is located on the periphery of the head 4.

Диаметр Д головки 4 в 3,5 раза превышает диаметр d вставок 2, а радиус R большего основания упомянутого усеченного конуса соответствует расстоянию от оси коронки до вставок, при этом угол α при вершине конического отверстия равен 70. The diameter D of the head 4 is 3.5 times greater than the diameter d of the inserts 2, and the radius R of the larger base of the truncated cone corresponds to the distance from the axis of the crown to the inserts, while the angle α at the tip of the conical hole is 70.

Предлагаемые соотношения размеров были подобраны экспериментально при испытании штыревых коронок в процессе бурения шпуров по гранитам крепостью 16 18 по шкале проф. Протодьяконова с использованием перфоратора ПК-75. Испытывались буровые коронки диаметром 40 мм, изготовленные с разными соотношениями заявляемых параметров и коронка по прототипу. Результаты испытаний сведены в таблицу. The proposed size ratios were selected experimentally when testing the pin crowns during drilling holes on granites with a strength of 16 18 on the scale of prof. Protodyakonova using a puncher PK-75. Drill bits with a diameter of 40 mm were tested, made with different ratios of the claimed parameters and the crown according to the prototype. The test results are summarized in table.

Как видно из приведенных данных, коронки, изготовленные с параметрами согласно предлагаемому изобретению (примеры 1, 2 и 3), имеют преимущества по скорости бурения и удельному расходу в сравнении с коронками по прототипу и коронками с соотношением параметров, меньшим и большим (примеры 4 7) заявленных. Так, например, при бурении коронкой (пример 1) была достигнута скорость бурения в 1,5 раза больше, а удельный расход инструмента на 18% меньше при весе вставок (84 г против 125 г) по сравнению с прототипом. As can be seen from the above data, the crowns made with the parameters according to the invention (examples 1, 2 and 3) have advantages in drilling speed and specific consumption in comparison with the crowns of the prototype and crowns with a ratio of parameters smaller and larger (examples 4 7 ) claimed. So, for example, when drilling with a crown (example 1), a drilling speed of 1.5 times higher was achieved, and the specific consumption of the tool was 18% less with the weight of the inserts (84 g versus 125 g) compared to the prototype.

Заявляемая буровая коронка работает следующим образом. При бурении шпура (фиг. 3а) на его торце по периферии вставки из твердого сплава 2 образуют опережающую кольцевую канавку, а в центре шпура остается выступающий целик, который периодически скалывается при взаимодействии с конической частью отверстия 6 корпуса 1. Таким образом, в процессе разрушения породы принимают участие не только вставки 2, но и корпус 1 коронки. При наличии целика каждая вставка 2 при внедрении в породу симметрично обжата разрушаемым материалом и равнодействующая сила P лишь незначительно отклонена от оси вставок 2 и ее радиальная составляющая Pp, от которой зависит напряжение растяжения на наружной поверхности вставки 2, невелика. Это позволяет сократить количество поломок вставок 2. The inventive drill bit works as follows. When drilling a borehole (Fig. 3a), an annular leading groove is formed at its end along the periphery of the carbide insert 2, and a protruding pillar remains in the center of the borehole, which periodically splits off when interacting with the conical part of the hole 6 of the housing 1. Thus, during fracture the breeds are involved not only insert 2, but also the body 1 of the crown. If there is a pillar, each insert 2, when introduced into the rock, is symmetrically compressed by the material being destroyed, and the resultant force P is only slightly deviated from the axis of the inserts 2 and its radial component Pp, on which the tensile stress on the outer surface of the insert 2 depends, is small. This reduces the number of breakdowns of inserts 2.

Схема разрушения торца шпура коронкой, принятой за прототип, показана на фиг. 3б. Эта коронка содержит четыре цилиндросферические вставки 5, расположенные на периферии корпуса 1, и две ближе к его оси для разрушения породы в центральной части шпура. При таком конструктивном выполнении инструмента на периферийные вставки 2, при их внедрении в породу равнодействующая сил Р взаимодействия наклонена к оси вставки 2 под углом 40^o 45^o. В результате этого в несколько раз увеличивается радиальная составляющая Pp, что вызывает сколы и поломки твердосплавных вставок 2.The destruction scheme of the borehole end with a crown adopted as a prototype is shown in FIG. 3b. This crown contains four cylindrical spherical inserts 5 located on the periphery of the housing 1, and two closer to its axis for the destruction of the rock in the Central part of the hole. With such a constructive implementation of the tool on the peripheral insert 2, when they are introduced into the rock, the resultant interaction force P is inclined to the axis of the insert 2 at an angle of 40 ^o 45 ^o . As a result of this, the radial component of Pp increases several times, which causes chips and breakdowns of carbide inserts 2.

Таким образом, предложенное техническое решение и соотношения основных параметров коронки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с известным инструментом:
уменьшение размеров твердосплавных вставок снижает расход твердого сплава и удешевляет коронку;
на участке шпура ближе к его центру уменьшается переизмельчение разрушаемого материала, благодаря меньшей площади контакта вставок с породой увеличивается удельная энергия удара и вставки глубже внедряются в забой, увеличивается процент крупной фракции разрушаемого материала. Все это снижает энергоемкость процесса и повышает эффективность бурения;
благодаря образованию в центральной части шпура выступающего целика на каждую вставку действует радиальная составляющая от оси шпура, которая уравновешивает или уменьшает радиальную составляющую со стороны его периферии. Благодаря этому уменьшается напряжение растяжения и количество поломок, что снижает расход инструмента.Thus, the proposed technical solution and the ratio of the main parameters of the crown allow us to achieve the following advantages compared to the known tool:
reducing the size of carbide inserts reduces the consumption of hard alloy and reduces the cost of the crown;
in the area of the hole closer to its center, the crushing of the material to be destroyed decreases, due to the smaller contact area of the inserts with the rock, the specific impact energy increases and the inserts penetrate deeper into the face, the percentage of the large fraction of the material to be destroyed increases. All this reduces the energy intensity of the process and increases the efficiency of drilling;
due to the formation of a protruding rear pillar in the central part of the borehole, a radial component from the bore axis acts on each insert, which balances or decreases the radial component from its periphery. Due to this, tensile stress and the number of breakdowns are reduced, which reduces tool consumption.

Claims

1 Drill bit for rotary hammer drilling, comprising a housing made in the form of a shank and a head with a through central hole, the upper part of which is in the form of a truncated cone with a large base located at the end of the head, and cylindrical carbide inserts located on the periphery of the latter, characterized in that the head diameter is 3 to 4 times the diameter of the inserts, and the radius of the larger base of the truncated cone corresponds to the distance from the axis of the crown to the inserts, while the angle at the vertices conical hole is in the range 45 to 90 <198>.