旋转式钻头的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钻地旋转式钻头以及穿过该钻头结构的空气/流体流道。
【背景技术】
[0002]旋转式锥形钻头主要地用于露天采矿并且通常以总体上包括三个凸出件的结构终止。在每个凸出件上设置有包括多个切割元件的锥形形状的钻头。该三个锥形件设置成使得他们朝向中心点成一定角度。当钻头钻入材料中时，使用钻孔流体将钻下的材料从孔中排出。钻孔流体还冷却并且清洁如下描述的轴承结构。当使用旋转式锥形钻头钻探时，钻可以频繁地移动。空气通常用作钻孔流体以增加钻探设备的轻便性。
[0003]图1示出了处于直立位置的常规旋转式钻头的示例。该结构包括中心轴I。轴终止于三个凸出件3、5、7。每个凸出件上安装有锥形件9、11、13。图2示出了图1中所示的结构，使得锥形件中的一者的中心轴线是水平。图3示出了从图2中所示的A-A方向观察的视图。图4示出了图3中所示的视图，其中，仅示出了一个凸出件。
[0004]图6示出了凸出件中的一者，其中，移除了锥形件。为了允许锥形件在凸出件上旋转，每个凸出件包括多个轴承和滚子。凸出件和锥形件包括多个座圈，轴承和滚子承坐在所述多个座圈上。凸出件和轴承部件的该示例包括多个小滚子17、多个滚珠轴承19和多个大滚子21。
[0005]图7示出了锥形件的内部视图。锥形件包括座圈，当钻头使用时，轴承和滚子承坐在所述座圈上。锥形件的该示例包括小滚子座圈23、滚珠轴承座圈25和大滚子座圈27。小滚子和小滚子座圈可以称作内部轴承。大滚子和大滚子座圈可以称作外部轴承。
[0006]图8示出了凸出件，其中，移除了锥形件。如在图8中可以看到的，凸出件包括小滚子座圈29、滚珠轴承座圈31和大滚子座圈33。在座圈上就位的轴承和滚子在图6中示出。
[0007]滚子座圈和轴承座圈是有边界的并且部分地由凸出件中的凸缘形成。按照这样的思路，小滚子座圈29由销凸缘47和止推凸缘49定边界。轴承座圈31由止推凸缘49和大滚子座圈凸缘51形成。大滚子座圈是有边界的并且由大滚子座圈凸缘51和基部凸缘53形成。这些凸缘的直径、厚度和轮廓可根据应用以及采用的滚子和轴承而变化。
[0008]为了冷却并且便于钻下的材料从轴承腔移除，凸出件包括延伸穿过该凸出件的多个通道。通道将流体-通常是空气-从轴中的中心通道15导引至凸出件与锥形件之间的空间，以及导引出锥形件的端部。
[0009]图9示出了附接有锥形件的凸出件的截面图。根据该示例，凸出件包括长形空气孔，该长形空气孔将流体从轴供给至凸出件和锥形件中的其它的通道中。长形空气孔35供给从长形空气孔分支出的多个附加的通道57和39。流体比如空气通过如下所述的各种开口离开长形空气孔和/或通道。
[0010]图9还示出了:小滚子17和座圈23、29，滚珠轴承19和座圈25、31，以及大滚子21和座圈27和33。凸出件和锥形件形成为使得锥形件与凸出件之间的空间将允许流体在凸出件与锥形件之间通过。这样的通道可包括副排气槽67。锥形件与凸出件之间的处于周边处的间隙可产生“空气帘”，该“空气帘”有助于防止钻探碎肩进入锥形件与凸出件之间的空间。
[0011]还如图9中所示，在流道37中可设置有滚珠塞43。滚珠塞在滚珠轴承被引入钻头组件之后保持所述滚珠轴承。按照这样的思路，滚珠轴承有助于将锥形件保持在凸出件上。锥形件通常与已经在凸出件上的滚子组装在一起。滚珠轴承然后可通过流道37被装载并且离开滚珠装载孔63进入凸出件与锥形件之间的空间，滚珠轴承在该空间处承坐在滚珠座圈上。滚珠轴承将锥形件锁定在凸出件上。在滚珠轴承被装入之后，滚珠塞43被插入滚珠装载孔37并且焊接就位以将滚珠轴承保持在滚珠座圈中并且将锥形件保持在凸出件上。
[0012]另外，止推按钮可以安装至凸出件和锥形件或者焊接件可以附接至凸出件和锥形件并且被布置在流道39的端部处。凸出件和锥形件中的止推按钮或焊接凸缘形成通道39端部处的两个轴向支承中的一者。另一个以及主要的轴向支承为止推凸缘，对于凸出件来说该止推凸缘标记为49，而对于锥形件来说，其标记为24。
[0013]流动通过各种流道的流体可以从凸出件中的各种通道离开凸出件。例如，图8示出了各种开口，流体可经过这些开口。开口可包括位于流道39的端部处的中线空气孔45。流动通过中线空气孔45的流体可穿过凸出件止推按钮中的孔并且也可被导引通过销凸缘47中的槽55。
[0014]流体可通过凸缘的面向小滚子的表面中的止推凸缘空气孔57离开凸出件。止推凸缘可包括位于止推凸缘空气孔附近的厚度减小区域59或止推凸缘铣槽(TFMS)，以便于空气流动到止推凸缘空气孔外。为了进一步导引流体从止推凸缘空气孔流动，增加的凸缘切口深度的区域可以通过止推凸缘的表面中的槽边缘61定周边。流体可从图9中示出的流道37离开图8中示出的滚珠装载孔63。
[0015]流体也可流过设置在凸出件上、且位于锥形件的基部附近的主排气槽65和副排气槽67。空气可流过主排气槽和副排气槽。
[0016]在钻探操作期间，图1至图5中所示的钻头组件沿从孔向下观察的视角的顺时针方向旋转。图1和图5中所示的锥形件的最低的部分形成钻头的承载支承表面，其中，在图1、图2和图5中示出了钻头的下部导引边缘69。
[0017]当空气被用作钻探流体时，空气压力可根据应用而变化。根据一个示例，采用45psi (镑/平方英寸)或3.1bar (巴)的最小压力。这样可以有助于确保递送足够的空气至轴承和滚子以使其发挥功能。压力可根据所采用的具体的钻机和压缩机、操作高度以及其他因素而变化。流道一一包括喷嘴一一的尺寸可根据压力影响的变量变化以产生期望的压力。对于压力而言理想的是，保持低于提供空气的压缩机能够调节的水平，这样可降低整体输出。
【发明内容】
[0018]数十年来，旋转式锥形钻头中的流体流道和开口的结构基本上保持不变。本发明的实施方式旨在优化经过钻头的流体的流动。优化流体流动可改善钻头的冷却和钻头的运行。
[0019]本发明的实施方式包括一种空气冷却的钻地钻头，该空气冷却的钻地钻头包括多个凸出件，所述多个凸出件各自具有设置在凸出件上的锥形件和轴承结构，该轴承结构包括允许锥形件相对于凸出件旋转的多个滚子轴承和滚珠轴承。每个凸出件包括位于凸出件的末梢端处的销凸缘。第一滚子座圈位于销凸缘的远侧。多个第一滚子承坐在第一滚子座圈上。止推凸缘位于第一滚子座圈的远侧。滚珠座圈位于止推凸缘的远侧。多个滚珠轴承承坐在滚珠座圈上。滚珠座圈凸缘位于滚珠座圈的远侧。第二滚子座圈位于滚珠座圈凸缘的远侧。多个第二滚子承坐在第二滚子座圈上。第二滚子座圈凸缘位于第二滚子座圈的远侦U。凸出件包括:设置在销凸缘的背向第一滚子座圈的表面中的至少一个销凸缘通气槽，和/或设置在止推凸缘的面向第一滚子的表面中的至少一个止推凸缘通气槽。至少一个销凸缘通气槽沿轴承的承载侧的方向敞开。至少一个止推凸缘通气槽沿轴承的承载侧的方向敞开。多个流道设置在凸出件内以将流体供给至该至少一个销凸缘通气槽和至少一个止推凸缘通气槽。
[0020]本发明的其他实施方式提供了一种空气冷却的钻地钻头，所述空气冷却的钻地钻头包括多个凸出件，所述多个凸出件各自具有设置在凸出件上的锥形件和轴承结构，该轴承结构包括允许锥形相对于凸出件旋转的多个滚子轴承和滚珠轴承。每个凸出件包括位于凸出件的末梢端处的销凸缘。第一滚子座圈位于销凸缘的远侧。多个第一滚子承坐在第一滚子座圈上。止推凸缘位于第一滚子座圈的远侧。滚珠座圈位于止推凸缘的远侧。多个滚珠轴承承坐在滚珠座圈上。滚珠座圈凸缘位于滚珠座圈的远侧。第二滚子座圈位于滚珠座圈凸缘的远侧。多个第二滚子承坐在第二滚子座圈上。第二滚子座圈凸缘位于第二滚子座圈的远侧。多个第二滚子座圈空气离开槽设置成位于第二滚子座圈凸缘的远侧。第二滚子座圈空气离开槽设置用于产生基本上完全地围绕钻头的空气帘。凸出件内的多个流道将流体供给至多个第二滚子座圈空气离开槽。
[0021]另外，本发明的实施方式涉及一种用于设计空气冷却的钻地钻头的方法，所述空气冷却的钻地钻头包括多个凸出件，所述多个凸出件各自具有设置在凸出件上的锥形件和轴承结构，该轴承结构包括允许锥形件相对于凸出件旋转的多个滚子和轴承。每个凸出件包括位于凸出件的末梢端处的销凸缘。第一滚子座圈位于销凸缘的远侧。多个第一滚子承坐在第一滚子座圈上。止推凸缘位于第一滚子座圈的远侧。滚珠座圈位于止推凸缘的远侦U。多个滚珠轴承承坐在滚珠座圈上。滚珠座圈凸缘位于滚珠座圈的远侧。第二滚子座圈位于滚珠座圈凸缘的远侧。多个第二滚子承坐在第二滚子座圈上。第二滚子座圈凸缘位于第二滚子座圈的远侧。引入从凸出件内的内部流体流道至凸出件的外部的至少一个流体流道和/或增大凸出件的凸缘中的至少一者的至少一部分的厚度，以允许加深TFMS(止推凸缘铣槽)用于增大空气流动。对流体的流量和流速进行分析并且反复地引入和分析直至获得期望的流量和流速为止。
[0022]对于本领域的技术人员来说，根据以下仅借助对预期执行本发明的最佳方式的说明的详细描述，本发明的其他目的和优点将变得更加明显，其中，详细描述中仅示出并且描述了本发明的优选实施方式。如将意识到，本发明可以是其他的和不同的实施方式，并且本发明的若干细节可以在不背离本发明的情况下在各个明显的方面做出修改。因此，附图和说明书应被认为实质上是说明性的而不是限制性的。
【附图说明】
[0023]当结合附图考虑时，本发明的上述目的和优点将被更清楚地理解，在附图中:
[0024]图1示出了处于直立钻探位置的已知的旋转式钻头设计的视图；
[0025]图2示出了图1中所示的设计旋转成使得一个锥形件为水平的视图；
[0026]图3示出了从图2中所示的A-A方向观察的视图；
[0027]图4示出了图1至图3中所示的设计的视图，其中仅示出一个凸出件，并且移除了锥形件；
[0028]图5示出了图4中所示视图的特写；
[0029]图6示出了图1至图5中所示的设计中的凸出件中的一者的视图，其中，滚子轴承和滚珠轴承就位；
[0030]图7示出了将被组装在图6中所示的凸出件上的锥形件的视图；
[0031]图8示出了图6中所示的凸出件的视图，其中，移除了轴承部件；
[0032]图9示出了图6中所示的凸出件的截面图；
[0033]图10示出了图示了针对图1至图9中所示的两个不同尺寸的钻头的平均流率的图表；
[0034]图11示出了根据本发明的凸出件的实施方式；
[0035]图12和图13示出了根据本发明的销凸缘槽的实施方式的特写视图；
[0036]图14示出了根据本发明的止推凸缘通气槽的实施方式的特写视图；
[0037]图15示出了根据本发明的止推凸缘的实施方式；
[0038]图16示出了根据本发明的止推凸缘槽的