CN101454533A - 用于土钻钻头减少追迹的切削结构 - Google Patents

Abstract

一种具有设置用于避免追迹的切削元件的土钻钻头。该钻头具有钻头本体，该钻头本体具有钻头旋转轴线。第一、第二和第三牙轮可旋转地安装到该钻头本体上，每个牙轮具有多排切削元件，包括后排和邻近排。该第一牙轮的后排具有与其他牙轮后排至少相等数量的切削元件。该第二牙轮的邻近排具有第一牙轮后排至少90％的切削元件。该第三牙轮的后排具有比第一牙轮的后排大20－50％范围的间距。

Description

用于土钻钻头减少追迹的切削结构

优先权声明

本申请要求2006年5月26日提交的美国临时申请60/808874号和2007年5月29日提交的美国发明申请代理号(U.S.UtilityApplication Attorney Docket)024-43553-US的优先权。

技术领域

本发明大体上涉及土钻钻头，尤其涉及具有设置用于减少追迹的切削元件的旋转牙轮钻头。

背景技术

滚子式牙轮土钻钻头具有多个牙轮，典型地为三个，每个可旋转地安装到轴承销中。当钻头本体绕着钻头轴线旋转时，每个牙轮绕着其轴线旋转。所述牙轮具有多排切削元件，所述切削元件可以是集成形成在牙轮金属上的齿，或压入牙轮金属配合孔中的碳化钨镶嵌件。

每个牙轮将具有在牙轮计量表面附近的最外或后排和一个或多个内排。一个或多个牙轮将具有位于牙轮鼻部附近或牙轮鼻部上的切削元件。在一些情形中，在最靠近后排的邻近排中的镶嵌件将与后排中的镶嵌件交错着或交替着。

每个牙轮的内排设置在与钻头轴线成不同距离处，用于切削井孔底部的不同部位。通常，至少两个牙轮将具有后排，所述后排位于与钻头轴线成基本相同的距离处。一些邻近排可以与钻头轴线成大致相同的距离。当所有三个牙轮旋转进入单个剖面时，这些后排和一些邻近排镶嵌件将至少部分地互相叠加或重叠。所述内排通常从钻头轴线间隔开不同的距离，以覆盖井孔底部的剩余部分。

当不同牙轮的镶嵌件排互相重叠时，可能导致追迹。也即，所述两个或更多个牙轮的镶嵌件在那些排中倾向于进入井孔底部的相同孔中，在底部上建立突脊(ridge)。这些突脊是有害的，因为它们能够接触牙轮的支撑金属，减小作用于镶嵌件上的载荷，并引起磨损。

在现有技术中采取了步骤以减小追迹。通常，钻头设计者试着提供至少一个具有最大数量的镶嵌件的后排，因为这些排比任何其他排嵌合更多的井孔底部。该最大数量受到在牙轮本体中需要充足的支撑金属的限制。进一步减小追迹的典型方法是提高另外一个牙轮的重叠的后排中的间距。镶嵌件中心线之间更宽的间距或距离倾向于破坏形成在压痕之间的突脊，所述压痕由更近地间隔开的后排镶嵌件产生。此外，邻近排镶嵌件以更宽间距的后排交错着。在可使用时，更大的间距意味着邻近排中更少的镶嵌件。这降低了邻近排的耐久性，并可能导致建立在邻近排镶嵌件之间甚至更高的突脊。

发明内容

本发明的土钻钻头具有可旋转地安装到钻头本体上的第一、第二和第三牙轮。每个牙轮具有多排切削元件，包括后排和邻近排。第一牙轮的后排具有与其他牙轮后排至少相等数量的切削元件。第二牙轮的邻近排具有第一牙轮后排至少90％的切削元件。第三牙轮的后排具有比第一牙轮的后排大20-50％范围的间距，以减少追迹。

在优选实施例中，第一和第二牙轮后排的间距基本上相同。在一个实施例中，第三牙轮的后排和邻近排相互交错着，使得第三牙轮邻近排的切削元件的最外部和后排的切削元件的最内部与钻头轴线的距离基本相同。第二牙轮的后排和邻近排也相互交错着。优选地，第二牙轮的邻近排的切削元件从第二牙轮的支撑金属中突出的量与所述第一牙轮的后排基本相同。

在所示的实施例中，切削元件包括碳化钨镶嵌件，每个镶嵌件具有压入到牙轮金属的孔中的筒体。第一牙轮邻近排的每个切削元件具有的筒体直径至少等于第一牙轮后排的切削元件的筒体直径。优选地，所有牙轮邻近排切削元件的筒体直径至少等于所有后排切削元件的筒体直径。

附图说明

图1是根据本发明构造的土钻钻头的顶视配置图。

图2是图1的土钻钻头的局部配置图，其中每个牙轮旋进相同的面。

具体实施方式

参见图1，本实施例中的土钻钻头具有三个牙轮11、13和15。如同这类图的惯例，在该图中所示的第三牙轮15分割为两个部分，而事实上如同第一和第二牙轮一样包括单一牙轮。用于牙轮11、13和15的名称“第一”、“第二”和“第三”是任意的而不以限制方式使用。例如，为此，这里的牙轮15可以先认为是第一牙轮。每个牙轮11、13和15可旋转地安装到悬置于钻头本体的轴承销(未示出)上。当该钻头绕着钻头轴线12旋转时，每个牙轮11、13和15绕着其牙轮轴线14旋转。

牙轮11、13和15具有多排切削元件，所述切削元件在本例中包括压入到钻在牙轮本体金属的孔中的碳化钨镶嵌件。可选地，所述切削元件可以包括车削在牙轮本体外部上的齿。在图1的例子中，第一牙轮11具有位于计量表面上的两排计量镶嵌件17，以啮接被钻进的孔的侧壁。如图2所示，这两排计量镶嵌件17相互交错着，从而在旋转进入到相同剖面时表现为部分叠加的形式，尽管这可以改变。计量镶嵌件17具有平坦的外端，以使每个牙轮11、13和15的计量表面抗磨损。

第一牙轮11也具有多个后排镶嵌件19，它们位于与计量表面邻接的后部区域。牙轮11、13和15中的一个将提供有最大数量的后排镶嵌件，在本例中包括第一牙轮11的后排19。在每个镶嵌件19之间，后排镶嵌件19必须具有足够的牙轮本体的支撑金属。该支撑金属和每个镶嵌件19的筒体直径决定了可以安装到第一牙轮11上的后排镶嵌件19的数量。在本例中具有十七个后排镶嵌件19，但是该数量可以改变。

第一牙轮11具有邻近排镶嵌件21，该邻近排镶嵌件21是最靠近后排镶嵌件19的排。在本例中，每个邻近排镶嵌件21的每个部分比后排镶嵌件19的任何部分更靠近钻头轴线12。也即，如图2所示，当旋转进入单个剖面时，它们不互相叠加或重叠。邻近排镶嵌件21的数量也尽可能地选择为最大水平，但是由于在该点上具有比在后排19处更小的牙轮11本体周长，因此只有十三个邻近排镶嵌件21。如果需要，邻近排镶嵌件21可以与后排镶嵌件19具有相同的直径和相同的切削端突起；然而，在本例中，邻近排镶嵌件21具有比后排镶嵌件19稍微更大的突起和直径。第一牙轮11也具有内排镶嵌件23，与邻近排镶嵌件21相比，所述内排镶嵌件23相当大地更靠近钻头轴线12。此外，第一牙轮11具有一个或多个鼻部镶嵌件25，所述鼻部镶嵌件25位于第一牙轮11本体钝的顶点处。

如同第一牙轮，第二牙轮13具有两排交错的计量镶嵌件27，但是该布置可以改变。第二牙轮13具有多个后排镶嵌件29和多个邻近排镶嵌件31。在本发明中，由于第一牙轮11选择为具有最大数量的后排镶嵌件，或者第二牙轮13或者第三牙轮15将选择为具有如第一牙轮后排镶嵌件19相同数量的90％或更多的邻近排镶嵌件。在本例中，第二牙轮13具有那排的邻近排镶嵌件31。还有，第二牙轮邻近排镶嵌件31可以具有与第一牙轮后排镶嵌件19一样的直径和切削端突起。

比起第一牙轮11的邻近排21与其后排19的间隔，第二牙轮13的邻近排31更加靠近其后排29。第二牙轮后排镶嵌件29和邻近排镶嵌件31最好相互交错着，使得每个邻近排镶嵌件31在圆周上处于两个后排镶嵌件29之间且比两个后排镶嵌件29更向内。如图2所示，当旋转进入单个面时，后排镶嵌件29的内下角和邻近排镶嵌件31的外下部与钻头轴线12间隔大约相同的距离。第二牙轮13的邻近排镶嵌件31的数量是十六，是十七的94.1％，在第一牙轮11后排镶嵌件19的数量的90％或更多的范围之内。邻近排镶嵌件31最好具有与第一牙轮11的后排镶嵌件19大致相同的直径和切削端突起。

为了给大量的邻近排镶嵌件31提供充足的支撑金属，除了交错外，后排镶嵌件29的大小显著地小于邻近排镶嵌件31的大小。后排镶嵌件29的直径和切削端小于邻近排镶嵌件31的直径和切削端突起。由于第二牙轮后排镶嵌件29和邻近排镶嵌件31交错着，它们通常具有相同的数量。第二牙轮13也具有内排镶嵌件33和一个或多个鼻部镶嵌件35。内排镶嵌件33位于第一牙轮11的邻近排镶嵌件21和内排镶嵌件23之间。

第三牙轮15具有计量表面镶嵌件37，在本例中，该计量表面镶嵌件37位于单排中。此外，第三牙轮15构造用于减少发生在第一牙轮后排镶嵌件19、第二牙轮后排镶嵌件29和第三牙轮后排镶嵌件39之间的追迹。在本实施例中，所述后排19、29和39都处于与钻头轴线12具有相同距离处。第一牙轮后排镶嵌件19和第二牙轮后排镶嵌件29的数量或者相同，或者如同所述的在90％内，这样可能发生追迹。为减少追迹，第三牙轮后排39镶嵌件的轴之间的间距或距离与第一牙轮后排镶嵌件19和第二牙轮后排镶嵌件29的间距基本上不同。后排19和29的间距没有显著的差异，并且在给定的后排镶嵌件19的直径和大小下，第一牙轮后排19的间距尽可能地小。因此，第三牙轮后排39的间距显著地要大，最好大出20-50％。在本例中，与十七个后排镶嵌件19和十六个后排镶嵌件29相比，只有十四个后排镶嵌件39。换一种说法，与第三牙轮后排39相比，第一牙轮后排19的镶嵌件要多出至少20-50％。在本例中，该差别为三除以十四，为21.5％多。

在本例中，第三牙轮15具有邻近排镶嵌件41，该邻近排镶嵌件41与后排镶嵌件39交错，以提高耐久性。每个后排镶嵌件39的最内部比每个邻近排镶嵌件41的最外部更靠近钻头轴线12，如图2所示形成重叠部。邻近排镶嵌件41的数量与后排镶嵌件39的相同，因为它们是交错着的。为提供充足的支撑金属，在本例中，后排镶嵌件39的突起和筒体直径都小于邻近排镶嵌件41的突起和筒体直径。在优选实施例中，第三牙轮后排镶嵌件39甚至小于第二牙轮后排镶嵌件29，尽管这可以改变。例如，可以提高后排39镶嵌件的直径并相应地减小邻近排镶嵌件41的大小。

邻近排镶嵌件41可以与第二牙轮邻近排镶嵌件31和第一牙轮邻近排镶嵌件21具有相同的直径和切削端突起，并且因此，它们也将比第二牙轮13的邻近排镶嵌件31之间的间距大20-50％。如图2所示，邻近排镶嵌件41和31基本上互相重叠，但是与第一牙轮邻近排21的重叠度不大。第三牙轮邻近排镶嵌件41与钻头轴线12的间距比第二牙轮邻近排镶嵌件31和第一牙轮邻近排镶嵌件21的要更大。第三牙轮15也具有内排镶嵌件43和一个或多个鼻部区域镶嵌件45。内排镶嵌件43间隔在第二牙轮13的邻近排31和内排33之间。

单根据本发明设计切削结构时，设计者首先选择牙轮11、13和15中的一个，使其具有最大数量的后排镶嵌件，所述后排镶嵌件给定有想要的突起和筒体直径。在本实施例中，如同所述的，第一牙轮11在其后排19中具有最大数量的后排镶嵌件。然后，设计者选择另外一个牙轮，该牙轮具有邻近排镶嵌件，该邻近排镶嵌件与后排19的镶嵌件具有相同的大小，并具有后排19镶嵌件最大量的至少90％。在本例中，第二牙轮13提供的邻近排镶嵌件比第一牙轮的后排镶嵌件19只少一个。之后，设计者将后排29交错在具有邻近排镶嵌件31的第二牙轮13上。为提供支撑金属，后排镶嵌件29可以具有比邻近排镶嵌件31更小的直径和更小的切削端突起。

设计者然后设计第三牙轮，以破坏在其他牙轮的后排中的追迹。为此，设计者使用第三牙轮后排39，该后排39具有的间距比第一牙轮后排19的间距大20-50％。在本例中，后排39的镶嵌件比第一牙轮后排19的镶嵌件少21.4％。邻近排41与后排镶嵌件39交错着，因此也比邻近排31具有更大的间距，从而破坏邻近排31、41中的追迹。

本发明具有显著的进步。增加一个后排中的间距阻止了后排中的追迹，并且增加一个邻近排中的间距阻止了邻近排中的追迹。提供后排最大量的至少90％的邻近排切削元件为邻近排提供了耐久性，并阻止了突脊的形成。

尽管本发明只是在其中一种形式中表示，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明范围的情况下，本发明容许不同的变形。例如，尽管只表示了作为切削元件的具有碳化钨镶嵌件的牙轮，所述牙轮可以具有包括车削在牙轮本体上的齿的切削元件。

Claims (19)

1、土钻钻头，包括：

钻头本体，该钻头本体具有钻头旋转轴线；

第一、第二和第三牙轮，它们可旋转地安装到该钻头本体上，每个牙轮具有多排切削元件，包括后排和邻近排；

该第一牙轮的后排具有与其他牙轮后排至少相等数量的切削元件；

该第二牙轮的邻近排具有第一牙轮后排至少90％的切削元件；和

该第三牙轮的后排具有在比第一牙轮的后排大20-50％范围内的间距。

2、根据权利要求1所述的钻头，其中所述第一和第二牙轮后排的间距基本相同。

3、根据权利要求1所述的钻头，其中所述第二牙轮的后排和邻近排相互交错着，使得所述第二牙轮邻近排的每个切削元件的最外部和所述后排的每个切削元件的最内部与所述钻头轴线的距离基本相同。

4、根据权利要求1所述的钻头，其中所述第三牙轮的后排和邻近排互相交错着，使得所述第三牙轮邻近排的每个切削元件的最外部和所述第三元件后排的每个切削元件的最内部与所述钻头轴线的距离基本相同。

5、根据权利要求1所述的钻头，其中所述第二牙轮的邻近排的切削元件从第二牙轮的支撑金属中突出的量与所述第一牙轮的后排基本相同。

6、根据权利要求1所述的钻头，其中所述第一牙轮的邻近排的切削元件从第一牙轮的支撑金属中突出的量比所述第一牙轮的后排突出的更大。

7、土钻钻头，包括：

钻头本体，该钻头本体具有钻头旋转轴线；

第一、第二和第三牙轮，它们可旋转地安装到该钻头本体上，每个牙轮具有多排切削元件，每个切削元件是具有压入到牙轮支撑金属的配合孔中的筒体的镶嵌件，每个牙轮具有切削元件的后排和邻近排，所述牙轮的后排位于与钻头轴线距离基本相同处；

该第一牙轮的后排具有与其他牙轮后排至少相等数量的切削元件；

该第二牙轮的邻近排具有第一牙轮后排至少90％的切削元件，该第二牙轮的邻近排的每个切削元件具有与该第一牙轮后排的每个切削元件基本相同的筒体直径；

该第三牙轮的后排具有在比第一牙轮的后排大20-50％范围内的间距；和

该第三牙轮的邻近排与第三牙轮的后排交错着，使得该第三牙轮邻近排的每个切削元件的筒体的最外部到所述钻头轴线的距离与所述第三牙轮后排的每个切削元件的筒体的最内部到所述钻头轴线的距离至少相同。

8、根据权利要求7所述的钻头，其中所述第一牙轮邻近排的每个切削元件具有的筒体直径至少等于所述第一牙轮后排的切削元件的筒体直径。

9、根据权利要求7所述的钻头，其中所述第一牙轮邻近排的每个切削元件具有的筒体直径大于所述第一牙轮后排的切削元件的筒体直径。

10、根据权利要求7所述的钻头，其中所述第一牙轮后排的每个切削元件的筒体直径至少等于所述第二牙轮后排的每个切削元件的筒体直径。

11、根据权利要求7所述的钻头，其中所述第一牙轮后排的每个切削元件的筒体直径至少等于所述第三牙轮后排的每个切削元件的筒体直径。

12、根据权利要求7所述的钻头，其中每个牙轮邻近排的每个切削元件的筒体直径至少等于同一牙轮后排的每个切削元件的筒体直径。

13、根据权利要求7所述的钻头，其中每个牙轮邻近排的每个切削元件从所述支撑金属中突出的量至少与同一牙轮后排的每个切削元件的一样多。

14、土钻钻头，包括：

钻头本体，该钻头本体具有钻头旋转轴线；

第一、第二和第三牙轮，它们可旋转地安装到该钻头本体上，每个牙轮具有切削元件的后排和邻近排，每个切削元件是具有压入到牙轮支撑金属的配合孔中的筒体的镶嵌件；

该第一牙轮的后排具有与第二和第三牙轮后排至少相等数量的切削元件；

该第二牙轮的邻近排具有第一牙轮后排至少90％的切削元件；

该第三牙轮的后排具有在比第一牙轮的后排大20-50％范围内的间距；

该第三牙轮邻近排的切削元件与第三牙轮后排的切削元件交错着；和

每个牙轮邻近排的每个切削元件具有的筒体直径至少等于每个牙轮后排的每个切削元件的筒体直径。

15、根据权利要求14所述的钻头，其中所述第二牙轮后排具有与第一牙轮后排基本相同数量的切削元件。

16、根据权利要求14所述的钻头，其中每个牙轮邻近排的每个切削元件从所述牙轮的支撑金属中突出的量至少与每个牙轮后排的每个切削元件的一样多。

17、根据权利要求14所述的钻头，其中所述第一牙轮后排和邻近排之间的距离大于所述第二牙轮后排和邻近排之间及所述第三牙轮后排和邻近排之间的距离。

18、根据权利要求14所述的钻头，其中所述第二牙轮邻近排和后排交错着。

19、根据权利要求14所述的钻头，其中所述第三牙轮邻近排的间距大于所述第二牙轮邻近排的间距。

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