半密封旋转凿钻工具 |
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| 申请号 | CN201580046054.4 | 申请日 | 2015-08-24 | 公开(公告)号 | CN106605036A | 公开(公告)日 | 2017-04-26 |
| 申请人 | 山特维克知识产权股份有限公司; | 发明人 | 卡尔-奥斯卡·芬曼; | ||||
| 摘要 | 一种用于切割 岩石 的旋转凿钻工具，具有安装 心轴 (200)和相应的旋转锥形 牙轮 (103)的至少一个轴颈支腿(105)。所述心轴包括多个 流体 分配通道(302、400)，以向 轴承 组件提供冷却和清洁流体供应。排气孔被设置为穿过所述牙轮，以允许排出流体流，并且环状密封(509,510)被设置在所述心轴的基部区域处，以保持所述牙轮的腔体内的正流体压 力 ，从而防止灰尘和污垢侵入。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于切割岩石的旋转凿钻工具(100)，包括： |
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| 说明书全文 | 半密封旋转凿钻工具技术领域[0001] 本发明涉及一种旋转凿钻工具，并且特别但不排它地涉及如下的凿钻工具，该凿钻工具被构造用以提供用于冷却/清洁流体的流体流动路径，以使所述流体通过可旋转地安装的牙轮内的多个排气孔流经工具并离开工具。 背景技术[0003] 通常，钻头通过钻架附接至被驱动到钻孔内的钻柱的一端。通过产生经由端对端联接的钻杆而传递至钻头的轴向进给和旋转驱动力，实现切削动作。每个锥形牙轮都包括位于不同轴向区域的安装在外部的加硬切割球齿，以随着钻头旋转而进行优化的切割。 [0004] 为了冷却轴承，空气通常被通过轴颈支腿向下供应到钻柱，并且进入安装有轴承的每个牙轮的内腔中。空气绕轴承循环，并且通常通过腔体嘴部排出。在US 3,193,028；US 3,921,735；US 4,688,651；US 4,421,184；US 4,193,463和US 2012/0160561中描述了示例旋转钻头和牙轮。 [0005] 特别地，通过在安装了各个的牙轮和轴承的心轴(通常称为轴颈)内形成的空气流动通道实现针对轴承组件不同区域的空气流。通常，空气绕轴承循环流动，并且在阻力最小的定向路径上流动。因此，在具有被不充分冷却的特定轴承区域的情况下，现有切割工具中出现差别冷却问题。应明白，在轴承上的不充分空气流由于摩擦而引起温度升高，并且导致更高的磨损以及轴承、主轴和牙轮的操作寿命的相应缩短。 [0006] 另外，已知采用如US 4,193,463中所述的穿过牙轮的排气孔，以试图冷却位于心轴的顶端处的轴向最前的轴承。然而，这些设计容易受到侵入牙轮腔体并且阻塞排气孔的污垢的影响，导致各组件的冷却不足和加速摩擦磨损。已经尝试通过使用油脂防止侵入。然而，一旦油脂密封破损，则污垢污染不可避免，并且轴承寿命缩短。因而，需要一种解决上述问题的凿钻工具。 发明内容[0007] 本发明的目标在于提供一种旋转凿钻工具，所述旋转凿钻工具被构造用于优化地冷却安装每个锥形牙轮的轴承组件，同时最小化污垢侵入轴承区域中的风险。本发明的进一步特定目标在于提供一种半密封旋转钻头，所述半密封旋转钻头具有优化的内部流体流路径，以将冷却流体输送至轴承组件的高摩擦区域，而不允许围绕切割工具的灰尘和碎屑穿透轴承表面。本发明的又进一步特定目标在于提供一种旋转钻头，所述旋转钻头被构造用以产生和引导来自牙轮的、有效地清洁工具的外部切割区域并且防止否则可能降低切割性能的碎屑物质累积的排出流体流。 [0008] 这些目标通过安装每个相应的轴承组件和锥形牙轮的每个心轴内的流体流通道网的组合来实现，这一流体流通道网被构造用以控制和引导流体流流动至轴承组件的每个区域，其中否则的话，心轴、轴承和锥形牙轮之间的摩擦将导致高温和加速磨损。这些目标进一步通过提供穿过每个牙轮的主体的适当排气孔来实现，使得轴承周围的流体流路径受到控制并且特别是被引导，以在牙轮的多个预定的周向和轴向(相对于牙轮基部和顶端)间隔开的区域处离开工具。这种布置有利于确保高负载和摩擦轴承表面被充分地冷却并且防止过热和加速磨损。这些目标进一步通过设置在每个心轴的基部区域和牙轮处的、用作在容纳在牙轮和心轴之间的轴承区域内产生正流体压力的密封来实现。密封有效地防止碎屑进入轴承组件，并且至少抑制流体在牙轮的基部区域和心轴处离开，使得流体流被限制在轴承周围，并且排它地或者主要地穿过牙轮的排气孔离开。可以选择排气孔的横截面面积，以在(安装轴承的)牙轮内部腔体内产生相对于紧挨围绕凿钻工具的外部压力的正流体压力。 [0009] 有利地，心轴内部通道和牙轮排气孔的分布、构造和相对定位确保了穿过工具的流体流路径被优化，并且被具体地输送至高摩擦肩台(“snoochie”)区域和轴向最前的先导止推表面。因为围绕工具的灰尘和碎屑都被从外部切割区域清洁以及被防止穿过排气孔并且接触轴承，所以排气孔和牙轮腔体内的正流体压力有益。类似地，这种正压力也有效地防止夹带碎屑的空气穿过腔体嘴部进入牙轮腔体。 [0010] 根据本发明的第一方面，提供一种用于切割岩石的旋转凿钻工具，包括：主体，所述主体具有内部流体供应通道；心轴，所述心轴从主体突出，并且具有至少一个内部流体分配通道，该内部流体分配通道与供应通道连通并且在心轴内延伸，以允许从供应通道接收的流体流经心轴并且离开心轴；牙轮，所述牙轮通过轴承被可旋转地安装在心轴上，所述牙轮具有至少一个排气孔，以允许从分配通道接收的流体离开工具；其特征在于：环状密封被定位在心轴的基部区域和牙轮之间，以限制流体在基部区域处离开工具。 [0011] 优选地，心轴包括环状肩台和端部，肩台被轴向地定位在基部区域和端部之间；其中分配通道被分为至少两个分配通道，第一分配通道基本在肩台处离开心轴，并且第二分配通道基本在端部处离开心轴。肩台区域可以由提供供轴承被安装在上面的表面的一个或者更多径向延伸凸缘限定。分配通道在心轴的肩台和端部(或者顶端区域)处离开的方向有利于引导冷却/清洁空气流流动至高摩擦区域，并且确保组件的所有摩擦接触区域都被冷却和清洁。 [0012] 可选地，第一通道被分为在肩台的不同的周向区域处离开的两个通道。可选地，肩台由环状第一轴承表面部分地限定，第一通道在第一轴承表面处离开心轴。已经发现在心轴肩台处离开的两个分配通道提供对轴承的snoochie区域的优化的冷却和清洁。 [0013] 优选地，至少部分第一轴承表面与心轴的纵向轴线基本垂直地对齐。这种布置有益于为滚柱轴承提供必要的轴向支撑。 [0014] 优选地，端部由与心轴的轴线基本垂直地对齐的第二表面部分地限定，并且第二分配通道在第二表面处离开心轴。向端部或者先导止推表面提供分配通道确保了轴承组件的顶端区域，并且特别是先导止推塞表面被充分清洁和冷却。 [0015] 优选地，轴承可以包括：第一组滚柱轴承，所述第一组滚柱轴承被安装在基部区域处或者朝着基部区域安装；第二组滚柱轴承，所述第二组滚柱轴承被安装在心轴的端部处或者朝着心轴的端部安装；以及一组滚珠轴承，所述一组滚珠轴承被轴向地安装在第一和第二组滚柱轴承之间；其中第一通道在该组滚珠轴承和第二组滚柱轴承之间轴向地离开心轴。第二组滚柱轴承的后端被安装在高摩擦snoochie区域处。因此，本构造有利于提供对滚柱轴承和处于snoochie区域的相应轴承表面的充分清洁和冷却。 [0016] 优选地，牙轮具有内部腔体，以接收心轴和轴承，内部腔体由下列部分轴向地限定：基部部分，所述基部部分容纳第一组滚柱轴承；中间部分，所述中间部分容纳该组滚珠轴承；以及端部部分，所述端部部分容纳第二组滚柱轴承；其中至少一个排气孔在最接近于端部部分的位置处延伸穿过牙轮，并且至少一个排气孔在轴向地处于端部和中间部分之间的位置处延伸穿过牙轮。提供排气孔及其特定分布有利于允许在牙轮的期望区域排出冷却/清洁流体，同时控制牙轮腔体内的流体流。这种布置也有效地清洁牙轮的向前、驱动、切割和保径区域，从而优化切割性能。优选地，至少一个排气孔在最接近基部部分的位置处延伸穿过牙轮。轴向向后的排气孔有效地清洁牙轮的驱动和保径区域，并且促进处于并且朝着基部(更大)滚柱轴承的心轴的基部区域处的流体流。 [0017] 可选地，该工具可以包括三组排气孔，第一组被定位在牙轮的基部处或者朝着牙轮基部定位，第三组被定位在牙轮顶端或者朝着牙轮顶端定位，并且第二组被轴向地定位在第一组排气孔和第三组排气孔之间。优选地，并且根据特定实施例，第一组包括一个至四个排气孔，并且第二和第三组每一组都分别包括两个至六个排气孔。可选地，第一组包括一个排气孔，并且第二和第三组每一组都分别包括四个排气孔。 [0018] 可选地，牙轮包括环状凹槽，所述环状凹槽被设置在面向内的表面处，从而至少部分地容纳密封。根据进一步的实施例，心轴的颈部区域可以包括环状凹槽，环状密封被安装在心轴的凹槽内，从而坐落在限定牙轮腔体的面向内的表面上。将密封安装在牙轮内的凹槽处有利于最小化密封(可选地形成为橡胶O形环)的磨损。 [0019] 优选地，心轴包括圆柱形颈部，所述圆柱形颈部被设置在与主体的接合部处，其中密封被径向地定位在凹槽和颈部的径向外表面之间。 [0021] 现在将仅通过示例，并且参考附图描述本发明的特定实施例，其中： [0022] 图1是根据本发明的特定实施例的用于安装在钻柱一端处的旋转切割工具的外部透视图； [0023] 图2是图1的工具的切割端的进一步透视图，其中为了细化从轴颈支腿的一端延伸的心轴的说明目的而移除一个旋转锥形牙轮； [0024] 图3A和3B是图2的心轴和轴颈支腿的进一步外部透视图； [0025] 图4是图2的心轴的平面图； [0026] 图5是穿过图1的一个锥形牙轮、心轴和轴颈支腿截取的横截面图； [0027] 图6是穿过图1的其中一个锥形牙轮截取的横截面图； [0028] 图7是图1的其中一个锥形牙轮的外部透视图； [0029] 图8是示出牙轮内部腔体的图7的锥形牙轮的底侧透视图； [0030] 图9是穿过图1锥形牙轮、心轴和轴颈支腿截取的进一步横截面图； [0031] 图10是穿过图1锥形牙轮、心轴和轴颈支腿截取的进一步横截面透视图； [0032] 图11是示出根据特定实施例的四个旁路通道的图1的心轴和轴颈支腿的外部透视图； [0033] 图12是示出根据特定实施例的第一旁路通道的图1的心轴和轴颈支腿的横截面透视图； [0034] 图13是示出根据特定实施例的第二旁路通道的图1的心轴和轴颈支腿的进一步横截面透视图； [0035] 图14是示出根据特定实施例的第三和第四旁路通道的图1的心轴和轴颈支腿的进一步横截面透视图； [0036] 图15是心轴的基部区域和牙轮处穿过图1锥形牙轮、心轴和轴颈支腿截取的放大横截面图。 具体实施方式[0037] 参考图1，旋转切割工具100形成为切割钻头，并且包括：切割端101，所述切割端101处于轴向向前位置；和轴向向后附接端102，所述轴向向后附接端102被构造用于安装在形成钻机组件的组成部分的钻柱(未示出)的一端处，该钻机组件通过被构造用以提供工具 100的轴向和旋转驱动的钻架(未示出)操作。工具100包括三个轴颈支腿105，所述三个轴颈支腿105从附接端102轴向向前突出并且稍微径向向外对齐，使得切割端101包括比附接端 102大致更大的横截面。大致锥形的牙轮103被安装在每个轴颈支腿105的端部处，以便能够相对于支腿105旋转，并且相对于工具100和钻柱(未示出)的总的旋转而绕独立轴线独立旋转。 [0038] 参考图1至图3B，心轴200大致横向地从每个轴颈支腿105的轴向最前端207突出，并且包括中心纵向轴线307。心轴200可以被视为被分为三个轴向部分。大致圆柱形的基部部分或者环状基部滚道201被轴向地限定在安装在轴颈支腿端部207处的环状基部凸缘208和第一中间径向突出凸缘209之间。中间环状部分或者轴承滚道202轴向地延伸超过基部滚道201，并且被轴向地限定在第一中间凸缘209和代表心轴200的肩台区域的中间第二径向突出凸缘210之间。滚道202包括大致凹形的外部表面。第三大致圆柱形的环状部分或者轴承滚道203轴向地从中间部分202突出，并且被限定在第二环状凸缘210和环状端部凸缘211之间。心轴200的顶端区域由设置在部分203处的环状止推部或者端部表面308限定。另外，凹部300在部分203内从止推表面308轴向地延伸，并且安装有短圆柱形止推塞212a。部分203代表心轴200的前端或者先导区域。第一组基部滚柱轴承204被安装在基部滚道201处，并且在凸缘208和209之间轴向地延伸。第二或者端部一组滚柱轴承206在凸缘210、211之间轴向地延伸，被安装在端部滚道203处。另外，一组滚珠轴承205被轴向地定位在滚柱轴承 204、206之间并且被安装在中间滚道202处。 [0039] 每个锥形牙轮103包括大致锥形或者圆顶形构造。特别地，并且参考图6和图1，每个牙轮103都包括径向面向外的表面617和限定大致以附图标记600表示的内部腔体的径向面向内的表面616。参考图1，在轴向方向上，锥形牙轮103可以在外表面617处被分为多个轴向部分，并且包括跟部排106、保径排107、驱动排108以及内部或者顶端区域109。大致由附图标记104表示的多组切割球齿被设置在特别包括跟部球齿110、保径球齿111、驱动球齿112和内部球齿113、114的每个相应轴向部分处。每个切割球齿104都由耐磨硬质合金基材料形成，并且可以包括任何已知构造，包括半球形、圆锥形、弹道形、半弹道形或者凿子形。 [0040] 参考图3A至图4，心轴200包括：轴承支撑表面304，所述轴承支撑表面304在基部凸缘208处轴向面向前，以支撑较大的滚柱轴承204；和第二轴向面向前的表面(通常称为“snoochie”面)，所述第二轴向面向的前表面被设置在第二中间凸缘210处。环状snoochie面由填充有碳化物基的耐磨材料的环状凹槽303(凸缘210处)形成，以便形成基本平面的环状止推表面1002(图10中示出)，从而承受并且传递来自牙轮103的轴向负载力。snoochie面的径向内部区域也提供支撑，以安装较小的滚柱轴承203。 [0041] 切割期间的轴向负载也通过下列方式从牙轮103传递至心轴200：i)抵靠被安装在牙轮103的内部腔体内的协作止推塞212b的止推塞212a，和ii)止推表面1002和牙轮103的内部腔体内的对应的表面620之间的抵靠接触。轴承204、206被构造用以承受牙轮103施加的径向负载，而轴承205将牙轮103关于心轴200锁定就位，以便被可旋转地安装在轴颈支腿端部207处。 [0042] 参考图3A至图5，心轴200和轴颈支腿105包括被构造用以将从钻架和钻柱(未示出)接收的空气输送至工具100的切割区域的相应内部通道。空气提供对绕牙轮103的钻孔内的切屑的清洁，并且还用于冷却轴承204、205、206以及相应的止推表面两者。特别地，轴颈支腿105包括大致从向后端102向支腿端部207的方向上延伸的供应通道501。空气管500被附接至供应通道501的向后端504，并且包括多个空气进口502，当从工具100的主体接收空气时，通过该多个空气进口502引导空气。供应通道501的末端505被设置成与滚珠(或者引导)通道301流体连通，滚珠通道301设定尺寸，以允许当将牙轮103安装在心轴200处时，将滚珠轴承205引入滚道202的适当位置。滚珠通道301包括在心轴200的向后基部区域敞开的第一端507，以及在滚珠轴承滚道202处出现的第二端508。滚珠塞506被可释放地安装在滚珠通道301内，以便将轴承205在滚道202处固定就位。可以在通道端部507处设置焊料或者类似的材料(未示出)，以便将滚珠塞506固定就位。多个空气流分配通道从滚珠通道301延伸，并且被设置成与供应通道501流体连通。特别地，两个通道302从滚珠通道301延伸，从而在snoochie面1002处出现，并且另一分配或者先导通道400从滚珠通道301延伸，从而在与止推塞212a相邻的前端凸缘211处出现。每个通道302都在凹入环状凹槽的表面303中的凹进部分401处出现。另外，通道400也在先导或者止推凸缘211的凹进部分402处出现。因此，空气被构造成在内部穿过每个轴颈支腿104和心轴200流动，以便除了冷却滚珠205和滚柱204、206轴承之外，还被输送到摩擦支承snoochie表面1002和止推塞212a、212b之间的接触表面。 [0043] 本发明的工具100可以被实施为开放或者半密封三牙轮组件。根据本发明的半密封实施例，限定在锥形内部表面616和心轴200之间的内部体积被设置在心轴的基部区域和牙轮103处的密封垫圈至少部分地密封。特别地，环状凹槽510凹入牙轮内部腔体600中，并且设定尺寸，以容纳从环状凹槽510部分径向地突出到腔体600内的橡胶O形环509。O形环509被定位成坐落在设置在基部凸缘208处的环状表面306上，使得在表面306和锥形内部表面616之间产生密封。 [0044] 参考图6至图8，牙轮103的内部腔体600可以相对于锥形纵向轴线613被分为三个轴向部分。基部部分601从腔体嘴部604向内延伸，并且由与轴线613平行地对齐的环状表面618限定。表面618通过由通过径向向内突出的环状第一肩台606限定的环状端面605终止。 中间部分602从基部部分601延伸，并且被限定在第一肩台606和径向向内突出的第二环状肩台619之间。对应的弯曲环状区域607由第二肩台619限定，并且提供限定中间部分602的凹形表面614的末端。区域607由被构造成定位为接触和支承snoochie表面1002的环状止推轴承支撑表面620终止。端部或者先导部分603从中间部分602延伸，并且由与轴线613基本平行地对齐的环状表面615限定。表面615由具有安装相应牙轮止推塞212b的端部或者顶端区域612(代表腔体600的端部或者最内表面)的凹形或者圆顶形表面608终止。 [0045] 多个排气孔被设置成穿过牙轮103的壁，并且在面向内的表面和面向外的表面616、617之间延伸。特别地，一个排气孔609从基本处于基部部分601处的环状面605区域处的第一肩台606区域径向向外延伸。从牙轮的壁径向突出的四个排气孔610周向间隔开并且大致在中间部分602内的表面608处从第二肩台619延伸。另外，第三组四个排气孔611在与环状表面615的轴向端部处的圆顶端部表面608对应的位置的端部部分603处从腔体600径向地延伸。九个排气孔609、610、611的组合横截面面积近似等于或者稍微小于供应通道501的横截面面积。因此，如图9和图10中公开的那样，这种相对几何尺寸和由O形环509提供的密封在将牙轮103安装在心轴200处并且通过通道501、301、302和400供应空气时在腔体600内提供正压力。 [0046] 每个轴颈支腿105和心轴200还包括在供应通道501和心轴基部部分201之间延伸的相应旁路通道900。特别地，通道900包括与供应通道501连通的第一端901，以及设置在轴承基部表面304处的第二端902。在牙轮103被安装在心轴200处的适当位置的情况下，旁路通道900与横向于或者垂直于供应通道501的牙轮轴线613基本平行地对齐。通道端部902在轴承支撑表面304的径向外部凹进部分1000处出现，以便从滚柱轴承204的端面1001轴向凹进。另外，旁路通道900的空气流离开端部位于密封509内侧，使得在牙轮腔体600内引导空气流。旁路通道900可以被分为在轴承支撑表面304的不同相应区域处离开的多个旁路通道900。另外，根据进一步特定实施例，工具100可以包括大致从供应通道501的相同位置延伸，并且在不同的径向和周向间隔开的位置处的轴承支撑表面304处离开的多个旁路通道900。 [0047] 参考图11至图14，支撑表面304被径向地划分为内表面1101和外表面1100。内表面1101相对于外表面1100稍微径向地升高，以便为较大的滚柱轴承204的一部分端面提供支撑。根据特定实施例，旁路通道900包括在所有通道都从供应通道501延伸的情况下在不同位置离开支撑表面304的多个通道。 [0048] 特别地，第一旁路通道1102从供应通道501延伸，从而在内表面1101处离开。第二旁路通道1104从供应通道501延伸，从而在与第一旁路通道1102周向间隔开的外表面1100处离开。第二和第三旁路通道1103a和1103b彼此平行地对齐，并且并排设置，以从供应通道501延伸，从而在外表面1100处离开，并且与第二通道1104周向间隔开。因此，三个旁路通道 1103a、1103b和1104在外表面1100处离开心轴200，并且单个旁路通道1102在内表面1101处离开心轴200。这种构造有效地提供对滚柱轴承204的下部区域的直接空气供应，并且提供适当的空气流动流，用于在整个轴承组件处优化输送和循环。在特定实施例中，本发明的旁路通道构造也有利于在与支腿105的接合部处的心轴200的基部凸缘208处提供期望的排出空气流。本发明的旁路通道900(1102至1104)构造可以被实施有分别具有或者不具有密封 509的“开放”或者“半密封”牙轮构造。在牙轮包括密封509的情况下，旁路通道900可以被构造用以提供来自沟道305处的基部凸缘208的相对小的排出流或者空气。本发明的布置有利在于，当被实施成半密封实施例时，在使用(并且牙轮103以及潜在的密封509磨损)后，将允许更大体积的空气在凸缘208的区域处的心轴200的基部处排出。然而，当实施根据图1至图 14的半密封实施例时，大部分排出空气流动流将穿过排气孔609、610和611流动。 [0049] 图15示出在不具有基部心轴密封509的“开放”牙轮布置上实施的本发明的旁路通道构造的进一步实施例。由于通过半密封布置，旁路通道900有效地将空气流1500从流经通道501的主空气流动流1504转向。如箭头1501示意性所示(为了说明性目的，移除了滚柱轴承204)，被转向的空气流1500被直接地供应至处于较大滚柱轴承204处的心轴的基部区域。 [0050] 特别对于“开放”牙轮构造，以及牙轮103不包括排气孔609、610和611的情况，空气流动流被引导为绕大致处于牙轮腔体600内的轴承组件流动，并且通过在心轴凸缘208的径向面向外的表面和锥形腔体600的径向面向内的表面618之间流动的流束1505离开腔体600。然后，空气流1502继续从凸缘208径向向外地并且在沟道305内流动，从而在沟道305处提供排出空气流动流1503。这种构造有效地从腔体嘴部604周围排出积累的污垢和碎屑，并且防止侵入腔体600以及接触轴承204、205、206和心轴200。 [0051] 空气流分配通道302、400有益于将空气供应分配至高负载/摩擦snoochie表面区域1002以及先导止推塞212a、212b之间的接触表面。分配通道302、400提供对到达轴承组件的所有区域的空气流的控制，除了旁路通道900之外，这些分配通道还用于冷却和清洁心轴200、轴承204、205、206以及部分锥形内部表面616之间的高摩擦接触表面，使得它们不过热和过早地磨损。 [0052] 另外，排气孔609、610、611被特别地定位在与三个内部部分601、602、603之间的接合部对应的内腔600的角部区域处。排气孔609、610、611的相对定位和横截面面积有效地控制来自工具100的清洁和冷却空气的排出，以便在排出之前绕高负载和摩擦组件提供优化空气流路径。锥形外部表面617的不同轴向部分处的排气孔609、610、611的排出端的相应位置有效地确保被切割的岩石和碎屑通过排出空气流持续地从外部表面的所有部分抛出。 |
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