Rock bit

本発明はロックビットに関するものである。

坑井掘削用のロックビットとして、従来からトリコンビットが用いられている。
トリコンビットは、図１０に示すようにジャーナル部２を有するビットボディ４と、ビットボディ４に対して回転可能なコーン部６と、コーン部６とジャーナル部２の間の軸受部８と、コーン部６とジャーナル部２の間に設けられ、軸受部８を密封するためのシール１０を備える。 コーン部６には多数の超硬チップ１２、１４が埋め込まれている。 この超硬チップは坑井の底部と接触する超硬チップ１２と、坑井の側壁と接触するゲージチップ１４を含む。 コーン部６には、ゲージチップ１４の内側（ビットボディ４とジャーナル部２の方向）に坑井の側壁と接触するゲージサーフェイス１６が形成され、このゲージサーフェイス１６にも超硬チップ（ゲージサーフェイスチップ）１８が配置されている。 ゲージサーフェイス１６に配置されている超硬チップ１８は、超耐摩耗性を有するが、坑壁を研削しないでチッピング、圧壊させている。 図１０に示すように軸受部８にはボールベアリング８ａとメタルベアリング８ｂが設けられている。

特許文献１ではゲージチップ及びゲージサーフェイスチップの耐摩耗性強化のため、天然または人造ダイヤの超高圧手法での検討が示され、特許文献２ではゲージサーフェイスに多結晶ダイヤと超硬合金チップを配して耐摩耗性を強化している。 特許文献１も特許文献２もチップが積極的に坑壁を削るようには設定していない。

特許文献３には坑井の掘削径を一定にするためにゲージサーフェイスを維持する試みが開示されている。 特許文献３においては、多結晶ダイヤ（ＰＤＣ、ＴＳＰ）、ＣＢＮなどを超硬合金と複雑に組み合わせて、かつチップ形状を整えて坑壁を切削する試みを示しているが、これらはゲージサーフェイスの耐摩耗性を目的とした強化策であり、応力、振動を抑制するためのものではなく、従って、軸受部８やシール１０を保護する目的のものではない。

シール１０に関しては、その構造に関する研究（特許文献４では２重シールについての強化策が提案されている。）と、シール材料の研究（例えば特許文献５ではＯリングの表面改質が提案されている。）に重点が置かれている。

坑井掘削用ロックビットの懸案の一つに、泥水がシール１０を通過して軸受部８に進入し、この泥水が研磨材になってシール１０、ベアリング８ａ、８ｂを摩滅させることがある。 ベアリング８ａ、８ｂを摩滅すると、コーン部６の回転が歪み、超硬チップ１２、１４が岩石と滑りを生じて磨耗が促進する。 さらには、ジャーナル部２からコーン部６が抜け落ちる重大な事故を引き起こすおそれがある。

掘削中のビットに掛る坑井側壁からの圧力（図８のF）はコーン部６が抜け落ちる方向（水平方向）に働く。 この坑壁からの圧力は全てベアリング８ａ、８ｂが受け止めている。 ロックビットにおいては、ゲージサーフェイス１６の摩耗防止のためにゲージサーフェイス１６に超硬チップ（時にはPCDチップ）１８等を配置している。 この超硬チップ１８等は１mmほど頭出し状態で圧入され、コーン部６の回転に伴い坑壁岩盤を砕き、押し潰している。 無理やりに側壁を押し潰す事によってコーン部６は坑壁から極めて大きな圧力を受ける。 これらの水平方向の圧力Fは全てベアリング８ａ、８ｂが受け止めるため、ベアリング８ａ、８ｂには急激に摩耗、疲労を引き起こされる。

また、ビットボディ４は長く伸びた先端部にジャーナル部２を形成してコーン部６を支える仕組みになっているが、見掛けほど頑丈ではなく、ビットボディ４の先端部には過大な力の集中があり、坑壁からの圧力でたわみを生じコーン部６の回転を歪ませて超硬チップ１４、１６の磨耗を促進する。 まれにはビットボディ４の破損を引き起こす事例もある。

コーン部６の回転に伴いゲージサーフェイス１６に埋め込まれた超硬チップ１８の凸部が坑壁を接線方向に叩き、岩盤にチッピングを起こして掘削するが、この時コーン部６は激しい振動を発生する。 この振動の方向は水平であるため、シール１０への土砂噛み込みを助長している。 これはシール１０の摩滅と、土砂の軸受部８への進入、そしてその土砂が研摩材となって軸受けおよびベアリングを摩滅させる。

本発明の主な目的は、坑壁からの面圧を低減、かつ振動発生を抑制することができるロックビットを提供することにある。

第一の発明は、ジャーナル部２を有するビットボディ４と、このビットボディに対して回転可能なコーン部６と、コーン部とジャーナル部の間の軸受部８と、コーン部とジャーナル部の間に設けられ、軸受部を密封するためのシール１０とを備えるロックビットにおいて、前記コーン部は坑井の側壁と接触するゲージサーフェイス１６を有し、このゲージサーフェイスに、ダイヤモンド複合材料２０を設置した、ロックビットである。

複合材料２０として、例えば特許文献７または８に開示されている複合耐摩耗部材を用いることができる。
ビットボディにダイヤモンド複合材料を設置、好ましくは広く滑らかに設置することができる。
ロックビットは更に坑井の側壁と接触するゲージチップを備え、該ゲージチップの一部にダイヤモンド複合材料を設置、好ましくは広く滑らかに設置することができる。

第２の発明は、ジャーナル部２を有するビットボディ４と、ビットボディに対して回転可能なコーン部６と、コーン部とジャーナル部の間の軸受部８と、コーン部とジャーナル部の間に設けられ、軸受部を密封するためのシール１０とを備えるトリコンビットと、このトリコンビットの外周に固定され、先端に坑井の側壁と接触するリングビット３２が設けられている円筒形のリング部３０と、を備える、ロックビットである。 トリコンビットのコーン部６には坑井の側壁と接触するゲージチップ１４が設けられておらず、坑井の底部と接触する超硬チップ１２のみが設けられている。
リングビットにダイヤモンド複合材料を設置、好ましくは広く滑らかに設置することができる。
リングビットに超硬合金或いは鉄系金属などと積層した文献７，８記載のダイヤモンド複合材料を設置、好ましくは広く滑らかに設置することができる。

第一の発明によれば、ゲージサーフェイス１６のチップ２０に研削性を持たせ、積極的に坑壁を掘削してロックビットに掛かる応力を開放し、軸受部８の負担を軽減させ、さらに水平向の振動を抑制してシール１０への泥かみ込みの抑制を図ることができる。 このように、ジャーナル部２とシール１０に優しいビットの製作は、今までに無い新たな試みである。

ゲージサーフェイス１６部に広範囲に設置して凸部分を無くすると、コーン部６の回転時の水平振動が解消する。
その結果、シール１０への土砂の噛み込みが減少してシール１０の強化に繋がる。

第２の発明によれば、掘削坑の外周部を円筒状のリング部３０のビット３２で研削して、残った中央部の円柱状岩石を通常のトリコンビットで掘削するとすれば、トリコンビットのゲージサーフェイスに坑壁からの圧力は掛からない。

ビット外周部は回転スピードが速く、リングビットの研削条件にマッチングするが、中央部は回転速度が遅いために、従来例によるトリコンビットで砕きながら掘削すると理想的である。 また、円筒状のリング部３０は、掘削屑がシール１０への侵入することを防ぎ、さらに冷却効率が高まることで、地熱などの高温からシールを保護する。 この場合トリコンビットは掘削径を維持する役目を必要とせず、（リングビットに役目を移管する）ゲージサーフェイス磨耗などの心配は不要である。

さらにシールには平行方向の圧力と振動は掛からず、ビットコーン部は理想的な環境で回転できる。

本発明の一実施例によるロックビットの断面図である。

本発明の一実施例により、ダイヤモンド複合材料を設置したロックビットのゲージサーフェイスの一例の正面図である。

本発明の一実施例により、ダイヤモンド複合材料を設置したロックビットのゲージサーフェイスの他の例の正面図である。

本発明の一実施例により、ダイヤモンド複合材料を設置したロックビットのゲージサーフェイスの更に他の例の正面図である。

本発明の一実施例により、ダイヤモンド複合材料を設置したロックビットのゲージサーフェイスの更に他の例の正面図である。

本発明の一実施例により、ロックビットのゲージサーフェイスの超硬合金部分にダイヤモンド複合材料を設置した一例の斜視図である。

本発明の一実施例により、ロックビットのゲージサーフェイスの超硬合金部分にダイヤモンド複合材料を設置した他の例の斜視図である。

本発明の一実施例により、ロックビットのゲージサーフェイスの超硬合金部分にダイヤモンド複合材料を設置した更に他の例の斜視図である。

本発明の他の実施例によるロックビットの断面図である。

従来例によるロックビットの断面図である。

図１に基づいて本発明のロックビットの一実施例を説明する。 ロックビットはジャーナル部２を有するビットボディ４と、ビットボディ４に対して回転可能なコーン部６と、コーン部６とジャーナル部２の間の軸受部８を有する。 軸受部８はボールベアリング８ａとメタルベアリング８ｂを備える。 ロックビットは更に、コーン部６とジャーナル部２の間に設けられ、軸受部８を密封するためのシール１０を備える。 コーン部６には多数の超硬チップ１２、１４が埋め込まれている。 この超硬チップは坑井の底部と接触する超硬チップ１２と、坑井の側壁と接触するゲージチップ１４を含む。

コーン部６は坑井の側壁と接触するゲージサーフェイス１６を有する。 このゲージサーフェイス１６には超硬のゲージサーフェイスチップ１８が設けられている。 このゲージサーフェイス１６に、ダイヤモンド複合材料２０が設置、好ましくは広く滑らかに設置されている。

図２〜５は、ゲージサーフェイス１６へダイヤモンド複合材料２０を設置する幾つかの例を示している。 図２は、ゲージサーフェイス１６へ円形のダイヤモンド複合材料２０を設置した例、図３は、ゲージサーフェイス１６へ平行四辺形のダイヤモンド複合材料２０を設置した例、図４は、ゲージサーフェイス１６へ概略台形のダイヤモンド複合材料２０、２０を設置した例、図５は、ゲージサーフェイス１６へ概略三角形のダイヤモンド複合材料２０を設置した例である。

図６はゲージサーフェイスに設置されている超硬チップ即ちゲージサーフェイスチップ１８に、ダイヤモンド複合材料２０を設置する幾つかの例を示している。 図６は複数の線状のダイヤモンド複合材料２０をゲージサーフェイスチップ１８に設置した例、図７は円状のダイヤモンド複合材料２０をゲージサーフェイスチップ１８に設置した例、図８はゲージサーフェイスチップ１８の全面を覆うようにダイヤモンド複合材料２０を設置した例である。

この複合材料２０として、例えば特許文献７或いは特許文献８に開示されている複合耐摩耗部材を用いることができる。 この複合材料２０の厚さは例えば２〜３ｍｍである。
特許文献７に記載の複合耐摩耗部材は、ダイヤモンド粒とＷＣ粒からなる硬質粒子と、燐を含有する鉄族金属を結合材とし、燐の重量％がＷＣ粒と結合材の合計重量に対し０．０５％〜１．０％である。 その製造方法は、ダイヤモンド粒とＷＣ粒からなる硬質粒子と、燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を含む結合材の燐の割合を調整して焼結適正温度を９００℃〜１１００℃とする工程と、ホットプレス焼結または放電焼結をする工程を含む。

また、特許文献８に記載の複合体磨耗部材は、ダイヤモンド粒及びＷＣ粒からなる硬質粒子、と燐（Ｐ）を含有する鉄族金属の結合材と、分散して単独で存在する銅を含む材料の、燐の割合を調整して焼結適正温度を９００℃〜１０８０℃とする工程と、ホットプレス焼結または放電焼結をする工程により製造される。

或いは、特許文献８に記載の複合体磨耗部材は、ダイヤモンド粒及びＷＣ粒からなる硬質粒子と燐（Ｐ）を含有する鉄族金属の結合材とを有する基体層と、銅からなる層とを重ね合わせた後、ホットプレス焼結または放電焼結をする工程により製造される。
このようにして製造された特許文献８に記載の複合体磨耗部材は、銅が分散したビット用のダイヤモンド複合材料であり、このダイヤモンド複合材料を超硬合金、鉄系金属などと積層して用いることができる。
また、特許文献８に記載の複合体磨耗部材として、銅板または銅網とダイヤモンド複合材料が積層配置されたダイヤモンド複合材料もあり、本発明においては、このようなダイヤモンド複合材料を、超硬合金、鉄系金属などと積層して用いることができる。

従来のロックビットに用いられている超硬チップ（ダイヤモンドチップ）１２、１４、１８は強力な摩耗性能を有するが、研削能力は無い。

本発明による、ダイヤモンド粒が分散したダイヤ複合チップ（ダイヤモンド複合材料）２０は優れた耐摩耗性能と共に研削能力にも優れた特徴がある。

ダイヤモンド粒（またはｃ‐ＢＮ）が分散したダイヤモンド複合材料をゲージサーフェイス１６に設置、好ましくは広く滑らかに設置することにより坑壁を研削して、ビットにかかる坑壁からの圧力を開放する事でベアリング８ａ、８ｂの負荷は激減する。

ビットボディ４の一部分にダイヤモンド複合材料を設置、好ましくは広く滑らかに設置することができる。 特に、ダイヤモンド複合材料を設置、好ましくは広く滑らかに設置することができる。
なお、ゲージチップの一部にダイヤモンド複合材料を設置、好ましくは広く滑らかに設置することもできる。

次に図９に基づいて、本発明の他の実施例によるロックビットを説明する。 このトリコンビットは実施例１のロックビットと同様にジャーナル部２を有するビットボディ４と、ビットボディ４に対して回転可能なコーン部６と、コーン部６とジャーナル部２の間の軸受部８を有する。 軸受部８はボールベアリング８ａとメタルベアリング８ｂを備える。 ロックビットは更に、コーン部６とジャーナル部２の間に設けられ、軸受部８を密封するためのシール１０を備える。

実施例１のトリコンビットと異なり、ビッドボディ４の外周部にリング部３０が設けられている。 このリング部３０の先端にはリングビット３２が設けられている。 また、トリコンビットのコーン部６には坑井の側壁と接触するゲージチップ、ゲージサーフェイスチップが設けられておらず、坑井の底部と接触する超硬チップ１２のみが設けられている。

リングビット３２には、ダイヤモンド複合材料（図示せず）が設置、好ましくは広く滑らかに設置されている。
このダイヤモンド複合材料としては前述した製造方法で製造した特許文献７或いは特許文献８に記載のダイヤモンド複合材料を用いることができる。 特に、特許文献８に記載のダイヤモンド複合材料を超硬合金、鉄系金属などと積層させてリングビット３２に設置、好ましくは広く滑らかに設置することができる。 この複合材料の厚さはリングビット３２の厚さ（例えば１〜５ｃｍ）とほぼ同じにすることができる。

この実施例２のロックビットによれば、掘削坑の外周部を円筒状のリング部３０の先端のリングビット３２で研削して、残った中央部の円柱状岩石を通常のリング部３０の内側のトリコンビットで掘削するとすれば、トリコンビットのゲージサーフェイス１６に坑壁からの圧力は掛からない。

ビット外周部は回転スピードが速く、リングビットの研削条件にマッチングするが、中央部は回転速度が遅いために、従来例によるトリコンビットで砕きながら掘削すると理想的である。 また、円筒状のリング部３０は、掘削屑がシール１０への侵入することを防ぎ、さらに冷却効率が高まることで、地熱などの高温からシール１０を保護する。

この事から、トリコンビットの外周部にリングビットを設置して、リングビット３２とトリコンビットを融合した形状も有効である。 （以後：融合ビット）
この場合トリコンビットは掘削径を維持する役目を必要とせず、（リングビットに役目を移管する）ゲージサーフェイス磨耗などの心配は不要である。
さらにシール１０には平行方向の圧力と振動は掛からず、リング部３０は理想的な環境で回転できる。

２ ジャーナル部 ４ ビットボディ ６ コーン部 ８ 軸受部 ８ａ ボールベアリング ８ｂ メタルベアリング １０ シール １２、１４ 超硬チップ １４ ゲージチップ １６ ゲージサーフェイス １８ ゲージサーフェイスチップ ２０ ダイヤモンド複合材料 ３０ リング部 ３２ リングビット