Форма шарошек и зубьев и их размещение

Двух- и трехшарошечныедолота выпускают с многоконусными шарошками. На основном и дополнительных конусах размещены зубья по венцам. Венец, расположенный у основания шарошки, называется периферийным, остальные венцы - внутренние. Нумерация венцов на шарошке начинается от ее вершины, нумерация шарошек - от наиболее высокой с минимальным числом зубьев на первом венце до низкой с наибольшим числом зубьев на первом венце.

Обратный конус шарошки обращен к стенке скважины, калибрует ствол, защищает спинку лапы от износа и роликовый подшипник от раскрытия, армируется наплавкой твердым сплавом или (заподлицо) твердосплавными вставками.

В плане шарошки размещаются со смещением осей относительно оси долота. Величина смещения, а в зависимости от типоразмера долота колеблется от 0,5 до 10 мм и определяет величину проскальзывания вершин шарошек. Оси шарошек смещены в направлении вращения долота. В долотах типов М, МС, С, СТ обеспечен большой выход вершины шарошек за ось вращения долота, что также усиливает скольжение шарошек, эффективное разрушение пластичных пород и центра забоя.

В вертикальной плоскости угол между осью долота и осями вращения шарошек в зависимости от типоразмера долота изменяется в пределах 52°-57°.

На рис. 6 показано размещение венцов у долот с самоочищающимися шарошками, когда венцы зубьев и межвенцовые впадины соседних шарошек совмещаются, что улучшает очистку межвецовых впадин от горной породы, а также позволяет увеличить диаметр шарошки, размер, стойкость и прочность опор.

В пределах венцов вооружение характеризуется следующими параметрами (рис. 7): шаг зубьев z, высота зуба h, длина зуба I, начальное притупление t, угол при вершине а. Значения этих параметров зависят от типоразмера долота.

Для долот диаметром 93-490 мм =5-19 мм; i = 5-25 мм; а=36-56°; 2 = 10-80 мм.

Шаг зубьев должен быть таким, при котором области разрушения горной породы под соседними зубьями перекрываются.

Рис. 6. Развертка самоочищающегося долота со смещенными осями шарошек:

I, III - номера шарошек; 2, 3 - номера ванцов; f - вылет вершины шарошки за ось долота; а - смещение осей шарошек относительно оси долота; 2_β - угол конуса шарошки

Рис. 7. Параметры и схема наплавки стального вооружения долота

У долот для бурения твердых пород число зубьев, рабочая поверхность и износостойкость выше, а шаг зубьев меньше, чем у долот для бурения мягких пород. С увеличением шага возрастает динамичность работы долота.

Высота зуба и угол при вершине при прочих равных условиях влияют на величину внедрения долота в горную породу и на прочность его на изгиб. При бурении в твердой породе, когда деформация ее до разрушения сравнительно невелика, а изгибающие зуб нагрузки большие, применяются шарошки с зубьями меньшей высоты и с большим углом при вершине, чем при бурении в мягкой породе.

Начальное притупление определяет площадь контакта зубьев долота с горной породой. Чем меньше площадь контакта, тем меньше требуется нагрузка на долото для эффективного (объемного) разрушения породы. Особенно это важно при бурении в твердой породе. Однако при снижении притупления уменьшаются размер зоны разрушения и прочность вершины зуба, затрудняется качественная и надежная защита фрезерованных зубьев от износа. Величина притупления зубьев составляет 1,75±0,25 мм.

Площадь контакта зубьев долота с горной породы подсчитывается как сумма площадей контакта зубьев всех шарошек, одновременно находящихся в контакте с породой. При вращении долота и шарошек площадь контакта меняется. Поэтому для характеристики долота определяют среднее (наиболее вероятное) значение этой величины. Так, длядолота диаметром.215,9 мм в зависимости от типа площадь контакта составляет 100-250 мм². У шарошечных долот по сравнению с лопастными для того же размера площадь контакта меньше при одновременном многократном увеличении запаса вооружения (сумма рабочих поверхностей зубьев всех шарошек).

Длина зубьев определяет коэффициент перекрытия К _п, под которым понимается отношение суммы длины зубьев всех внутренних венцов шарошек и периферийного венца шарошки с наибольшей длиной зубьев к радиусу долота. В зависимости от типа долота коэффициент перекрытия изменяется в пределах 0,7-1,3.

Если К _п намного меньше единицы, то часть забоя не поражается зубьями, если область разрушения зубьями соседних венцов не перекрывается, то на забое образуются так называемые «воротники» в виде кольцевых выступов горной породы. Кольцевые выступы снижают эффективность разрушения горной породы и, воздействуя на тело шарошки, воспринимают часть осевой нагрузки и изнашивают тело шарошки.

Для увеличения запаса вооружения, повышения прочности, предупреждения образования и разрушения рейки на забое зубья периферийных венцов в плане могут иметь форму Г, Т или П. Под рейкой понимается образование на забое уступови впадин в соответствии с зубчатостью одной из шарошек. Для повышения износостойкости стальные зубья внутренних и периферийных вендов наплавляют зерновым твердым сплавом. Схема наплавки зубьев показана на рис. 6.

Конструкция одношарошечного долота показана на рис. 8.Сферическая шарошка 1 оснащена твердосплавными зубьями 2.Промывка забоя осуществляется через отверстие 3 в корпусе долота 5 с цапфой 6 и соединительной замковой резьбой. 4. Опора шарошек большого размера состоит из трех подшипников: скольжения 9, шарикового 8, шарикового- замкового 7.

Рис. 8. Одношарошечное долото

Одношарошечные долота выпускают диаметрами 138-216 мм, они предназначены для низкооборотного бурения в породах средней твердости. По характеру взаимодействия зубьев с породой эти долота занимают промежуточное положение между многошарошечными и долотами режуще-скалывающего класса. К недостаткам одношарошечных долот относится несовершенная система промывки.