旋转式凿岩钻头的轴颈轴承中的空气循环口 |
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| 申请号 | CN201080019867.1 | 申请日 | 2010-05-04 | 公开(公告)号 | CN102421984A | 公开(公告)日 | 2012-04-18 |
| 申请人 | 山特维克知识产权股份有限公司; | 发明人 | 马哈维尔·纳加拉杰; 杰里米·马库斯; 文森特·W·肖顿; 萨默·伯霍伊特; | ||||
| 摘要 | 一种用于 牙轮 凿岩 钻头 的推 力 轴承 系统包括设置在腿部上的至少一个牙轮，所述腿部具有从其中穿过的空气通道，所述 推力轴承 系统包括位于腿部上的主推力轴承表面，所述主推力轴承表面被构造成 接触 位于牙轮上的相应的 主轴 承表面，其中位于腿部上的主推力轴承表面包括与所述空气通道 流体 连通的至少一个空气循环口。所述推力轴承系统还包括位于腿部上的辅助推力轴承表面，所述辅助推力轴承表面被构造成接触牙轮上的相应的辅助轴承表面，其中位于腿部上的辅助推力轴承表面包括 定位 于辅助轴承表面中的 指定 位置 处且与空气通道流体连通的至少两个空气循环口，且其中第一循环口位于辅助推力轴承表面的上半部中，并且第二循环口位于辅助推力轴承表面的下半部中。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于牙轮凿岩钻头的推力轴承系统，所述牙轮凿岩钻头包括设置在腿部上的至少一个牙轮，所述腿部具有从其中穿过的空气通道，所述推力轴承系统包括： |
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| 说明书全文 | 旋转式凿岩钻头的轴颈轴承中的空气循环口技术领域背景技术[0002] 在明挖采矿操作中钻入岩层以便能够放置用于挖掘矿石的炸药的钻凿可通过牙轮式空气冲击钻(roller air blast drills)来执行。处于高压(通常为40psi)和高体积(750至2000立方英尺每分钟(cfm))的空气可通过钻柱中的孔而被输送至凿岩钻头。供应到凿岩钻头(例如可以是刀片或牙轮式钻头)的空气从钻头中的孔口或喷嘴离开，冷却钻头的轴承并输送由钻凿产生的碎屑沿钻孔向上离开钻凿工作面。碎屑取决于钻柱和钻孔的尺寸可以以通常5,000至7,000英尺每分钟的(排水)速度沿钻孔向上行进。 [0003] 旋转式凿岩钻头通常包括一个滚动式切刀元件(其称为锥体)和一个被称为腿部的静止元件(相对于锥体)。图1图示典型的牙轮轴承空气冷却式旋转凿岩钻头10。钻头10包括钻头主体12、螺纹销端14和切割端16。每个腿部13支撑一个牙轮18，该牙轮18可旋转地保持在从每个腿部13悬臂伸出的轴颈轴承(未示出)上。例如，每个牙轮18支撑从牙轮表面延伸的多个硬质合金嵌入件19。凿岩钻头还包括穿过销端14的流体或空气通路，该流体或空气通路与形成在钻头主体12中的高压室(未示出)连通。通常，一个或多个空气喷嘴15将空气从高压室朝钻孔的底部引导。 [0004] 图2A和2B分别示出凿岩钻头10(不包含牙轮18)的腿部13上的常规轴颈轴承100的横截面视图和俯视图。腿部13包括静止轴颈轴承100，该静止轴颈轴承100在其中具有多个加工的空气通路104，用以提供穿过凿岩钻头并到达轴承表面的空气循环。轴颈轴承 100包括轴向负载(推力)轴承表面110和120以及两个径向负载轴承表面130和131，滚子轴承(未示出)可布置在其中。多个滚子轴承可被布置在滚子轴承座圈130和131中，以承受在钻凿期间中施加到腿部13的径向力。而且，轴颈轴承具有滚珠座圈132，滚珠(未示出)可被插入滚珠座圈132中，以将牙轮(图1中的18)保持在腿部13上。 [0005] 轴向负载轴承表面包括主推力轴承表面110和辅助推力轴承表面120。通常主轴承表面和辅助轴承表面具有加工到轴承表面110、120中的一个或多个空气循环口115、125，该一个或多个空气循环口115、125提供从形成在腿部13中的空气通路104的出口。空气通路104与形成在腿部中的主空气通路105流体连通，主空气通路105则与穿过钻头主体12的高压室(未示出)流体连通。形成在每个腿部13中的空气通路104将空气引导穿过每个轴颈轴承，用以冷却并清洁保持在轴颈和保持在其上的牙轮之间的轴承。 [0006] 另外，可在辅助推力轴承表面120中加工出凹槽或凹部127，用以允许空气流循环。通常，凹部127可包围辅助推力轴承表面120的总面积的约35％。换句话说，如图2C所示，“阴影”面积代表辅助推力轴承表面120的总面积，因而凹部127占该总面积的约35％。而且，可围绕空气循环口115在主推力轴承表面110中加工出凹槽117并用焊接嵌填体(通常为银嵌填体)填充凹槽117，用以提供操作期间的润滑性。在功能上，两个推力轴承表面 110、120中的任意一个可被设计成作为主负载推力轴承表面。在操作中，两个推力轴承表面 110、120都与滚动式切刀元件(锥体)(未示出)的相应的推力轴承表面接触，这引起表面的摩擦生热和磨损。 [0007] 凿岩钻头在钻凿操作期间经受各种力，包括径向、轴向和扭转的负载。轴承系统中的部件被设计成承受这些力。然而，凿岩钻头仅能够在由于施加的力在轴承上引起的磨损和负载引起钻头充分破坏而必须更换为新的钻头之前这么长的时间内操作。因此，这种轴承系统可被认为是凿岩钻头的寿命有限的部件。在硬岩层中，推力轴承表面经受严重的冲击负载和摩擦磨损。这归因于钻凿硬岩层需要的较高的负载。在某些应用中，推力轴承表面的磨损和破坏导致钻头的失效，即使是切割元件仍完好无损。在理想的情形中，切割元件将在轴承系统失效之前完全地磨损。因而，轴承系统的失效可被认为是钻头的过早失效。 [0008] 因此，存在对于在钻凿操作期间承受施加在轴承表面上的负载的推力轴承能力的改进的需要。发明内容 [0009] 在一个方面，本文公开的实施例涉及一种用于牙轮(roller cone)凿岩钻头的推力轴承系统，牙轮凿岩钻头包括设置在腿部上的至少一个牙轮，腿部具有从其中穿过的空气通道，推力轴承系统包括在所述腿部上的主推力轴承表面，所述主推力轴承表面被构造成接触牙轮上的相应的主轴承表面，其中所述腿部上的主推力轴承表面包括与空气通道流体连通的至少一个空气循环口。推力轴承系统还包括在所述腿部上的辅助推力轴承表面，所述辅助推力轴承表面被构造成接触牙轮上的相应的辅助轴承表面，其中所述腿部上的辅助推力轴承表面包括位于辅助轴承表面中的指定位置处且与空气通道流体连通的至少两个空气循环口，且其中第一循环口位于辅助推力轴承表面的上半部中，并且第二循环口位于辅助推力轴承表面的下半部中。 [0010] 在其他方面，本文公开的实施例涉及一种最优化凿岩钻头的轴颈轴承的效率的方法，方法包括：减小在辅助推力轴承表面中的第一空气循环口位置和第二空气循环口位置处的加工凹部的面积并最大化主轴承表面和辅助轴承表面的表面积；在主轴承表面和辅助轴承表面中设置空气循环口，使其远离上述表面的最高负载区域；以及在辅助推力轴承表面的上半部中设置第一空气循环口且在辅助推力轴承表面的下半部中设置第二空气循环口。 [0011] 在其他方面，本文公开的实施例涉及一种用于牙轮凿岩钻头的推力轴承系统，牙轮凿岩钻头包括设置在腿部上的至少一个牙轮，腿部具有从其中穿过的空气通道，推力轴承系统包括：在腿部上的主推力轴承表面，所述主推力轴承表面被构造成接触牙轮上的相应的主轴承表面，其中腿部上的主推力轴承表面包括与空气通道流体连通的至少一个空气循环口；在腿部上的辅助推力轴承表面，所述辅助推力轴承表面被构造成接触牙轮上的相应的辅助轴承表面；至少两个空气循环口，所述空气循环口位于辅助轴承表面中的指定位置处且与空气通道流体连通；以及在空气循环口位置处的加工凹部，其中加工凹部被构造成包含最高达辅助推力轴承表面的总面积的约25％。 [0013] 图1示出常规凿岩钻头的透视图。 [0014] 图2A示出凿岩钻头的常规轴颈轴承的横截面图。 [0015] 图2B示出凿岩钻头的常规轴颈轴承的俯视图。 [0016] 图2C示出凿岩钻头的常规轴颈轴承的俯视图。 [0017] 图3A示出在根据本公开的实施例的凿岩钻头的腿部上的轴颈轴承的俯视图。 [0018] 图3B示出在根据本公开的实施例的凿岩钻头的腿部上的轴颈轴承的俯视图，示出在主轴承表面中的空气循环口的位置。 [0019] 图3C示出在根据本公开的实施例的凿岩钻头的腿部上的轴颈轴承的俯视图，示出在辅助轴承表面中的空气循环口的位置。 [0020] 图3D示出在根据本公开的实施例的凿岩钻头的腿部上的轴颈轴承的俯视图。 具体实施方式[0021] 在一个方面，本文公开的实施例涉及改进的推力轴承和在牙轮式凿岩钻头中设置改进的推力轴承的方法。具体地，本文公开的实施例涉及最优化在牙轮式凿岩钻头的轴颈轴承中的空气循环口的位置以及最大化轴承表面积，用以提高推力轴承性能。 [0022] 本公开的实施例尝试通过增加可用于承受轴承表面上的推力负载的表面积连同最优化推力轴承表面的空气循环口的位置来提高推力轴承能力。在钻凿操作期间，轴颈轴承的推力负载是不均匀的，即，推力轴承的一部分受到比轴承表面的其余部分更高的负载。这是由于在钻凿期间连接到凿岩钻头的腿部的牙轮和岩层之间的接触角度。由于在凿岩钻头上因而在牙轮上的重量，轴颈轴承的底半部经受的负载比轴颈轴承的顶半部经受的负载高。在分析已过早失效的钻头的轴承表面之后，申请人已经确定推力轴承表面的底部(即轴承表面的下面180度)比轴承表面的上部经受更高的负载。基于该分析，申请人已经开发出空气循环口的可替换的配置，其最大化在推力轴承的受较高负载部分(底半部)中的负载轴承表面积。 [0023] 图3A示出带有根据本公开的实施例构造的推力轴承表面210、220的轴颈轴承200的顶视图。主推力轴承表面210包括空气循环口215和凹槽217。在腿部上的主推力轴承表面210可以是插入轴颈轴承端部的工具钢止推塞或止推轴颈(thrust button)。而且，在牙轮(未示出)上的相应的主推力轴承表面可包括碳化物止推轴颈，所述牙轮上的相应的主推力轴承表面与腿部上的主推力轴承表面210接触。在其他情形中，腿部上的主推力轴承210可以是被加工用以在腿部末端上形成轴承表面的焊接嵌填材料。在可替代的实施例中，腿部上的主推力轴承210可包括碳化物止推轴颈，而在牙轮上的相应的主推力轴承表面可包括工具钢表面。 [0024] 辅助推力轴承表面220包括两个带有凹部227的空气循环口225A、225B，所述凹部227在空气循环口的位置处被加工到辅助推力轴承表面220内。为了后面讨论的目的，辅助推力轴承表面220可通过中心轴线EQ分成上半部220A和下半部220B。辅助轴承表面可利用被称为“硬金属”的材料进行焊接嵌填，以提高耐磨性，该材料具有较高的硬度且比在其所嵌入的基材更耐磨。例如，硬金属焊接嵌填体可包括但不限于钨钴铬合金和渗碳钢。在本文公开的实施例中，主推力轴承表面210上的空气循环口215和辅助推力轴承表面220上的空气循环口225A、225B的位置已经被设计用以最大化推力负载轴承表面积。 [0025] 根据本公开的实施例，止推轴颈的主推力轴承表面210被构造成通过与牙轮的硬材料表面接触来承受牙轮上的轴向推力负载。止推轴颈被配置有面向牙轮的碳化物表面的实心表面，在该表面中没有任何通道或凹槽。尽管主推力轴承表面210被示出为实心表面，但是本领域技术人员将理解，可替代的实施例可具有包括从表面中心延伸到外周、用以改进空气循环的狭槽(未示出)的止推轴颈。此外，止推轴颈的主推力轴承表面210包括从止推轴颈的中心偏移的空气循环口215。空气循环口215朝向外周定位且在止推轴颈的上半部中定位，或者远离止推轴颈的较高负载区域定位。 [0026] 如上所述，轴承的底半部(即，下面180度部分)由于钻头上的重量而经受最高的轴向负载。为了提高推力轴承的效率，可在最高负载区域中设置更多的轴承表面积以提高轴承性能。为了实现这点，轴承表面可被设计成在最高负载区域(下面180度部分)中设置最大轴承表面积。例如，尽管对主推力轴承表面来说仅可利用最大量的表面积(即，在不改变止推轴颈的尺寸(例如，直径)的情况下总表面积不能被增加)，但是可利用的表面积可在其最需要的地方被最大化，即在轴承的最高负载区域被最大化。因此，主推力轴承的表面被设计成使得空气循环口215被定位成在轴承表面210的上部的外周处，远离轴承表面的中心一个选定的距离，如图3A所示。同样地，在仍在表面中具有允许充分的空气循环的空气循环口的同时，对主轴承表面的底半部设置最大量的可利用的表面积(即，其全部)。 [0027] 如图3B所示，空气循环口215可位于一定的角度范围内。例如，关于水平轴线EQ，空气循环口215(由空气循环口的中心测量)可位于从轴线EQ顺时针测量的10度至80度范围内。此外，空气循环口215可位于从轴线EQ顺时针测量的100度至170度范围内。 [0028] 类似地，在本文公开的实施例中，辅助推力轴承表面被设计成最大化轴承表面积且提高轴承效率。另外，由于辅助推力轴承的较大的表面积，所以两个驱动因素可影响轴承表面的效率：总的轴承表面积和轴承表面上的充分的空气循环。本公开的实施例考虑这两个因素以最大化轴承表面的总体效率。 [0029] 辅助轴承表面220的每个半部可包括设置在辅助轴承表面区域220A的上半部中因而远离最高负载区域220B的至少一个空气循环口225A。因而，在轴承表面220B的底半部中可利用更多的轴承表面积以承受最高的轴向负载。因为辅助轴承表面220的较大的表面积，所以可能需要多于一个空气循环口用于空气循环。为了提供改进的空气循环，试验表明空气循环口225A、225B可以位于轴承表面220上的指定位置处。在某些实施例中，一个空气循环口225A可以位于辅助轴承表面220的上半部220A中，而第二空气循环口225B可以位于辅助轴承表面220的下半部220B中。 [0030] 现在参考图3C，辅助轴承表面可被中心水平轴线EQ分成上半部220A和下半部220B(如前面描述的)。辅助轴承表面220的下半部220B可以基于在轴承表面200的这些特定位置中经受的负载而被进一步分成不同的部分。申请人已经确认包括(底半部200B的可利用的180度的)约120度的高负载段221，在操作期间最高负载施加在该段上。如所示，高负载段221包括在一侧从垂直轴线V的下端顺时针测量的约40度和在相对侧从垂直轴线V的下端逆时针针测量的约80度。 [0031] 因而，空气循环口225B位于高负载段221的外面，使得可利用最大轴承表面积来承受高负载(即，100％的120度段没有任何空气口或其它特征)。同样地，位于辅助轴承表面220的下半部220B中的空气循环口225B可定位在从垂直轴线V的下端顺时针测量的约40度至80度的范围内(从空气循环口的中心至垂直轴线进行的测量)。在某些实施例中，空气循环口225B可定位在从垂直轴线V的下端顺时针测量的约60度角度处。因而，空气循环口225B可以位于高负载段221的外面。 [0032] 而且，当在上半部220A中从垂直轴线V的上端顺时针测量时，在辅助轴承表面220的上半部220A中的空气循环口225A可以位于约10度至80度的范围内。在某些实施例中，当从垂直轴线V的上端顺时针测量时，在辅助轴承表面的上半部220A中的空气循环口225A可以位于约45度处。 [0033] 另外，在轴承表面中的加工的凹部227被构造成通过增加轴承表面积来提高轴承效率。具体地，减小凹部227的面积(尺寸)以在提供更多实际与旋转牙轮(未示出)的表面接触的轴承表面积的同时仍然维持足够的空气循环。如前面描述的，传统的凹部通常覆盖辅助推力轴承表面的总轴承表面积的约35％(图2C中所示)。因此，辅助推力轴承表面220的总面积的65％可用于承受轴向负载。如图3D所示，本公开的实施例减小了铣削凹部的尺寸(面积)，使之包含最高达辅助推力轴承表面220的总面积的约25％(在操作期间约75-100％可用于承受轴向负载)。在某些实施例中，铣削凹部可包含辅助推力轴承表面220的总面积的约10-18％。因此，在操作期间辅助推力轴承表面220的总面积的约82-90％可用于承受轴向负载。 [0034] 在(具有不同的岩层性能的)全世界各个地方对具有根据本公开的实施例构造的不同尺寸的轴颈轴承的凿岩钻头的测试已经表明钻凿的时间和米数的增加。例如，在第一地点的测试表明钻凿平均时间的几乎15％的提高和钻凿平均米数的18％的提高。类似地，在第二测试地点，通过使用根据文本公开的实施例描述的轴颈轴承显示钻凿平均时间的30％的提高和钻凿平均米数的8％的提高。 [0035] 有利地，本公开的实施例最大化静止推力轴承表面上可利用的轴承表面积以减小由于旋转牙轮和静止腿部之间的力的传递所产生的接触应力。尤其是，本文公开的实施例消除或减小止推轴颈破坏且降低在辅助推力轴承表面上的磨损。这导致腿部上的推力轴承表面磨损的减小，从而延长钻头的操作寿命。通过使用根据本文公开的实施例的轴颈轴承，可实现设备和装置时间的成本节约，这可进一步传递至用户。 [0036] 尽管参考有限数量的具有本公开益处的实施例描述本公开，但是本领域技术人员将理解，可设计出不偏离本文描述的本公开范围的其他实施例。因此，本公开的范围仅由所附权利要求书限定。 [0037] 美国申请No.12/436,710的公开内容在此以引用方式并入，本申请要求美国申请No.12/436,710的优先权。 |
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