CN101460694A - 多段式冲击钻头组件 - Google Patents

Abstract

主要与气动冲击装置一起使用的用于在地层中钻孔的多段式冲击钻头组件。钻头组件包括易于拆卸的钻头头部，该钻头头部通过凸耳和凹槽结构被旋转驱动并且通过保持构件被轴向限制移动。

Description

多段式冲击钻头组件

相关申请的交叉引用

本申请是2006年6月7号提交的申请号为11/422625的在先非临时申请的部分继续申请，该在先非临时申请要求享有2005年6月10号提交的申请号为60/689376的美国临时申请的利益。通过引用的方式将2006年6月7号申请的申请号为11/422625的非临时申请和2005年6月10号申请的申请号为60/689376的临时申请结合到本申请中。

技术领域

本发明总体涉及大直径气动冲击锤，尤其涉及具有钻头组件的可拆卸钻头的大钻头组件。

背景技术

由于在钻头组件工作端的腐蚀性的环境条件，任何钻头组件的钻头头部通常比柄磨损得快是已知的。一些钻头组件甚至在钻头组件的柄仍然可以使用时就完全废弃了。这是由于钻头组件的钻头头部部分磨损的如此严重，使得钻头头部不能复原回正常运转的状态的事实。

众所周知，过去钻头组件的钻头头部的定期更换，打磨位于钻头头部的钻头组件切削元件，或更换整个钻头将极大地提高钻孔系统的总生产率。同样众所周知的是，保养和更换整个钻头组件对于总的操作来说是非常昂贵的。取决于用来执行该任务的设备，用于更换或重新修整磨损的大型钻孔机的钻头头部的现有方法昂贵，劳动强度大，并且有时是危险的。打磨位于钻头头部的切割元件的劳动强度非常大并且在一些场合不能完全在现场完成，再一次增加了操作的总成本。

因此，采用了各种努力以平衡保持钻头必须有效地钻孔，且同时通过各种努力保持钻头的使用时间尽可能长以减少操作成本。更换钻头头部的目的是保持钻头组件的钻头头部在其操作过程中尽可能的有效，但是通过使得能简单地，以最少的劳动时间来更换钻头组件的钻头头部，使得钻头组件的成本最小化。

同样众所周知以下事实，由于需要特定的机器以制造这种大钻头组件并且需要提供昂贵的大型钢锻件，大钻头组件更加昂贵。所有这些以及销售这些产品的市场范围有限，使得这些特定大型的钻头组件的成本较高、对于多数这种尺寸的钻孔操作有时是承担不起，除非发现其它的在地层钻孔的装置均不合适。

存在多种试图更换钻头组件的钻头头部的设计，但是主要集中在较小的钻头组件，以及将钢铸件拖入到钻头组件后面的钻孔内的必要性上。

Ray R.Sanderson的美国专利US 1995043示出了在旋冲钻或冲击钻中使用的切割元件的更换。当磨损的时候钻头组件的前工作部是可更换的。

RobertE.Conover的美国专利US 3152654和US3260319示出了具有可更换部分的冲击类型钻头，该可更换部分通过牢固的止动销和滚销(roll pin)保持在适当的位置。

Kenneth M.White的美国专利US4051912示出了具有螺纹连接且楔牢在一起的可更换的前工作部分的钻头组件。

John F.Kita等人的美国专利US4083415示出了具有可更换的前工作部分的钻头组件，该可更换的前工作部分依靠通过螺纹插头牢固的钢球固定。

Robert Lovell等人的美国专利US4085809示出了具有可更换的钻头头部的钻头组件及其零件，其使用螺纹装置组装在一起。

Allen E.Bardwell的美国专利US4466498示出了具有可更换的钻头头部的钻头组件，这些可更换的钻头头部使用螺栓或螺纹固定件固定。

Jack H.Pascale的美国专利US4919221示出了具有可更换的钻头头部的钻头组件，该可更换的钻头头部通过传动花键螺旋锁定工具连接和保持。

Yoshimi Ishihara等人的美国专利US5113594和Takeshi Hayashi等人的美国专利US5139099示出了钻头组件，该钻头组件包括钻头组件的钻头头部，该钻头头部可更换，但是以钻头头部能够在钻头组件内旋转的方式固定。

Jack H.Pascale的美国专利US6021856示出了具有可更换的钻头头部的钻头组件，该可更换的钻头头部通过环形段保持在适当的位置。

Adris L.Holte的美国专利US5787999和US5975222示出了具有在下铰孔系统中使用的可更换的收缩和伸展臂的钻头组件。

上面列出的或已知的现有技术专利没有一个考虑用一组凸耳旋转地驱动钻头头部，并且通过保持在适当位置的坚固保持构件和滚销将钻头头部保持在钻头组件上，以容易地拆卸和安装钻头头部。此外，几个上面提及的专利企图将钻头组件的钻头头部刚性地固定在柄上以传递冲击力能量，这被发现肯定地限制了保持构件的平均寿命。此外，上面提及的专利没有一个提到或者企图将钻孔力分离到更适于该装置的更好地设计的力承载构件上。

发明内容

这里描述的发明的主要目的是提供通过使得在气动冲击井下锤上的钻头组件的钻头头部可容易地更换而不需要废弃钻头组件的柄从而降低钻大直径地层孔的总成本的新的方法和产品，该柄很少需要更换或重磨。

本发明的另一个目的是通过允许不同大小和结构的钻头头部安装到柄上而使得钻头组件能得到更有效地利用，由于减少了高代价的多种完整钻头的库存量而更有效地减少了整个系统的成本。

这里描述的发明的再一个目的是允许简单地并且安全地更换钻头组件的钻头头部而不需要从气动冲击装置上完全拆卸整个钻头组件。不需要昂贵的辅助设备以执行钻头组件的钻头头部的更换也是想要的。

本发明的另一个目的是能在不减少钻孔的执行或效率的情况下沿顺时针旋转钻孔方向或逆时针钻孔方向操作这里描述的发明。

本发明的另一个目的是提供钻孔力的分离，或在连接的柄和钻头头部的零件上选择性地施加或避免施加扭转力，因此更好地设计了力承载构件使得它们更适合特定的力和应用。

本发明提供一种将柄和钻头相连，以在相对于钻头头部旋转柄时在连接的柄和钻头头部的零件上选择地施加或者避免施加扭转力的方法。提供具有柄通道的柄，该柄通道具有柄通道区域。提供具有钻头头部通道区域的钻头头部。提供保持构件，该保持构件的保持构件区域小于柄通道区域和钻头头部通道区域。柄具有互补的凸耳和凹槽结构，其中柄具有凹槽或凸耳并且钻头头部具有互补的凸耳或凹槽，其中当钻头头部和柄旋转地接合在一起时凸耳和凹槽相接合。当正在操作时柄和钻头头部相接合并且互补的凸耳和凹槽结构相接合。当接合在一起时柄通道区域和钻头头部通道区相对准时，通过柄和钻头头部的相对准的通道插入保持构件。在接合在一起时相对于钻头头部旋转柄。当柄和钻头头部在旋转时，凸耳和凹槽结构接收所有施加的扭转力并且没有扭转力施加于保持构件。

本发明也提供将柄和钻头相连以形成钻头组件的方法，该钻头组件将钻孔力分别地施加到钻头组件的不同零件上。提供具有柄拔出负荷连接构件、柄扭转负荷构件和柄冲击力构件的柄。柄拔出负荷连接构件、柄扭转负荷构件和柄冲击构件都是彼此独立的构件并且是柄的组成部分。提供具有钻头头部拔出负荷连接构件、钻头头部扭转负荷连接构件和钻头头部冲击力构件的钻头头部。钻头头部拔出负荷连接构件、钻头头部扭转负荷构件和钻头头部冲击构件是彼此独立的构件并且是钻头头部的组成部分。柄与钻头头部接合。柄与钻头头部接合，使得柄拔出负荷连接构件接合钻头头部拔出负荷连接构件，从而当拔出钻头组件时，拔出力作用在拔出负荷连接构件上并且不作用在扭转负荷构件或冲击力构件上。柄与钻头头部接合，使得柄扭转负荷构件与钻头头部扭转负荷构件相接合，从而当旋转钻头组件时旋转力作用在扭转负荷构件上并且不作用在拔出负荷连接构件或冲击力构件上。柄与钻头头部接合，使得柄冲击力构件与钻头头部冲击力构件接合，从而当钻头组件被冲击上时冲击力作用在冲击力构件上并且不作用在拔出负荷连接构件或扭转负荷构件上。

本发明也提供一种钻头组件。该钻头组件具有柄，该柄具有在柄裙座部分内的柄通道。裙座部分具有开口。柄通道具有柄通道区域。柄通道开始于柄裙座部分的外表面并且结束于位于柄裙座部分的开口处的柄裙座部分内表面。钻头组件具有钻头头部，钻头头部具有中心立柱。中心立柱具有一区域，使得当柄和钻头头部组装在一起时其能安装到柄裙座部分的开口内。中心立柱具有钻头头部通道，该钻头头部通道具有钻头头部通道区域。当柄和钻头头部组装在一起时钻头头部通道和柄通道相对准。具有保持构件，保持构件具有保持构件区域，该保持构件区域小于柄通道区域和钻头头部通道区域。当柄和钻头头部组装在一起时，保持构件插入到柄通道内并延伸到钻头头部通道内。保持构件是可拆卸的，从而当拆卸保持构件时能分离钻头头部和柄。柄可具有位于底部上的凸耳或位于底部上的凹槽。钻头头部具有位于底部上的凹槽或凸耳。

钻头头部通道可大于柄通道区域。也可使用相反的情况，也就是钻头头部通道区域可小于柄通道区域。

凸耳可具有垂直于冲击方向的凸耳表面。凹槽可具有垂直于冲击方向的凹槽表面。凸耳表面不接触凹槽表面。

凹槽可具有磨损垫。

凸耳可具有磨损垫。

钻头组件可具有柄冲击力表面和钻头头部冲击力表面。柄冲击力表面接触钻头头部冲击力表面。

中心立柱可具有磨损带。开口可具有磨损带。

保持构件可以是中空、圆柱形、内部带螺纹、长方形的或这些形状的任意组合。保持构件可以是柔性的。保持构件可包括用于支撑冲击能量隔离器的凹槽。

附图说明

图1是完全组装后的钻头组件的立体图，示出了接合在一起的钻头头部和柄。

图2是该结构的竖直分解立体图，示出了将钻头头部保持在柄里的方法并示出了在操作期间用于旋转地驱动钻头头部的互补的凸耳和凹槽结构。

图3是侧面分解立体图，示出了将钻头头部保持在柄中的方法并示出了在操作期间用于旋转地驱动钻头头部的互补的凸耳和凹槽结构。

图4包括钻头组件的横截面图，其带有保持构件的放大图。

图4a是通过柄和钻头头部的保持构件的沿着图4中的线A-A截取的截面图。

图4b是通过柄和钻头头部的保持构件的沿着图4中的线B-B截取的截面图。

图5是连接到柄的多件式(multi-piece)钻头头部的立体分解图。

图5a是连接到柄的多件式钻头头部的横截面图。

图6是单个钻头头部的立体分解图，该单个钻头头部具有三个用于旋转地驱动和保持钻头头部的立柱。

图7是锥形的锁定外环结构-单个钻头头部的立体分解图。

图7a是锥形的锁定外环结构-单个钻头头部的横截面图。

图8是多部分锥形锁定工作钻头头部的立体分解图。

图9是压入到柄中的凸耳的立体分解图。

图10是钻头组件的立体分解图，该钻头组件具有两个保持构件，该保持构件与钻头头部的中心立柱的外表面接合。

图10a是钻头组件的横截面图，该钻头组件具有两个与钻头头部的中心立柱的外表面接合的保持构件。

图11是钻头组件的横截面图，其中该钻头组件仅使用一个保持构件，该保持构件穿过钻头头部和柄通道。

图12是具有位于柄上的磨损带的钻头组件的立体分解图。

图13是具有位于钻头上的磨损带的钻头组件的立体图，其包括凹槽的放大图。

图14是具有比柄通道区域小的钻头头部通道区域的钻头组件的横截面图，其具有保持构件的放大图。

图15是具有磨损带的柄的立体图。

图15a是具有磨损带的柄的立体分解图。

图16是带螺纹的保持构件的立体图。

图17是具有位于柄上的凹槽和位于钻头头部上的凸耳的钻头组件的立体分解图。

图18是保持构件的侧平面图。

图18a是保持构件的立体图。

图19是钻头组件的另一个实施方式的分解立体图。

图20是保持构件的另一个实施方式的立体图。

图20a是图20所示的保持构件的立体图。

图21是带的立体图。

图22是钻头组件的另一个实施方式的剖视图。

图23是沿着图22所示的钻头组件的A-A截取的剖视图。

图24是钻头组件的另一个实施方式的立体分解图。

图25是图24所示的实施方式的立体分解图，从另一个角度示出了视图。

图26是图24和图25所示的实施方式的剖视图。

图26a是图26所示的实施方式的放大部分。

图27是钻头组件的另一个实施方式的立体分解图。

具体实施方式

解释性的定义和例子

钻头：

a.通过一种方法与冲击传递装置接合的可更换冲击接收附件，该方法通过冲击传递装置旋转钻头并且保持钻头以限定钻头相对于冲击传递装置的轴向移动。钻头被用来将能量从冲击传递装置传递到岩层中，用于破裂、切割和挖掘。

b.用来将冲击能量或锤打能量传递到想要挖掘的地层中的冲击接纳机械装置。

钻头组件：

当组装在一起时形成一相似的可更换的冲击接纳附件的部件，其与冲击传递装置一起使用以挖掘岩层。该组件典型地将装置接合件和岩石接合件(工作部)分开。因此，允许在独立的间隔处更换这些件中的每一个。

柄：

a.钻头或钻头组件的部分，其接合冲击产生装置或是连接到冲击产生装置的连接零件。

b.钻头/钻头组件的装置冲击接纳部分。

钻头头部：

与用于挖掘的岩层接合的钻头/钻头组件的冲击能量传递部分。钻头头部能设计成多种形状和构造。它通常包括岩石切割或破裂元件，该岩石切割或破裂元件是较硬的或较耐磨的物质。

将柄和钻头相连接：

由于将钻头的柄部分和钻头的工作部分分成分离的本体，必须开发一种将这些本体连上或连接在一起的方法。连接意味着放置到一起或连接，使得相对独立的移动受限，在这种情形下使用机械零件。

在连接的柄和钻头头部的零件上选择性地施加或者避免施加扭转力：

通过机械设计，可实现在与冲击产生装置一起的钻头组件的操作期间产生的力的分离。由于在帮助挖掘地层的操作期间需要旋转钻头组件装置的性质，这种力中的一种是扭转力或旋转力。

通道：

路径、沟槽、槽、孔、缝或孔道，一些东西可以通过它们、在它们之上、沿着它们或穿过它们。这种设计中的一个该种通道表现为用来引导保持构件的开口。

通道区域：

是位于柄部分和钻头头部部分上的通道的横截面区域和横截面形状。它能是孔的直径或沟槽的宽度或槽的宽度。

保持构件：

将钻头头部和柄相连的部件。容纳在柄通道和钻头头部通道内的部件，其限定互相连接的钻头头部相对于钻头组件的柄部分的轴向移动。其可具有圆形横截面区域。其可具有矩形横截面区域以提供平面接触表面，作为对照，圆形横截面区域仅仅提供线接触表面。

保持构件区域：

保持构件的横截面区域和横截面形状的描述。如果保持构件是圆形的其将是保持构件的直径。保持构件区域能是长方形的参数。

互补：

相互关联或者匹配的部件的系统。它能是传递特定力例如旋转力的整体系统。

凸耳：

延伸超过正常工作表面，用于接合互补的插口的突片、凸块或杆。

凹槽：

用于接纳凸耳或杆以便于钻头组件的旋转力的传递的凹陷或凹部。凸耳和凹槽结构；

凸耳和凹槽的组合系统。

凸耳和凹槽接合在一起：

当凸耳可滑动地配合到凹槽中时。凸耳的所有表面不必接触凹槽的所有表面。

旋转地接合：

当旋转力通过冲击产生装置施加于柄时，并且当由于钻头头部和岩层之间的摩擦力而在钻头头部的外部上产生拖曳阻力或旋转阻力时，平行于冲击方向的位于凸耳上的表面接合平行于冲击方向的位于凹槽上的表面，并且系统变成旋转地接合。

柄和钻头头部的接合：

将柄和钻头头部移到彼此连接以进行操作的位置。一个例子包括将钻头头部的立柱部分滑入到柄部分空穴中。

互补凸耳和凹槽结构的接合：

将凸耳和凹槽移到彼此连接以进行操作的位置。

柄通道区域和钻头头部通道区域相对准：

可自由地将保持构件通过柄通道区域进入到钻头头部通道区域，或者反之亦然。一个例子是当互补的凸耳和凹槽构件接合在一起时，在柄上的孔与在钻头头部上的孔相匹配，使得保持构件能穿过两个孔并将钻头头部和柄连接在一起。

当接合在一起时保持构件不接触钻头头部通道的内表面：

当旋转力通过冲击产生装置施加于柄部分时，并且当由于钻头头部和岩层之间的摩擦力而在钻头头部的外部上产生拖曳阻力或旋转阻力时，保持构件不接触内表面。

钻头头部通道的内表面：

帮助形成钻头头部通道的形状的任何表面，如果保持构件在移动中不被限制能接触到该表面。

当接合在一起时相对于钻头头部旋转柄：

围绕轴线移动柄并且因为柄与钻头头部连接在一起，所以又绕着轴线移动钻头头部。一个例子是当钻头头部被地层孔中的旋转阻力和被钻头头部正面(钻头头部接合岩石的部分)和岩石之间产生的阻力保持的时候，柄部分旋转并使得凸耳和凹槽表面之间接触。

垂直于冲击方向的凸耳表面：

在位于冲击产生装置上的钻头组件的旋转操作期间或冲击操作期间凸耳表面不接合凹槽结构。一个例子是在凸耳顶部的水平表面。

垂直于冲击方向的凹槽表面：

在位于冲击产生装置上的钻头组件的旋转操作期间或冲击操作期间凹槽结构表面不接合任何凸耳表面。其一个例子是在凹槽顶部上的水平表面。

垂直于冲击方向：

定义为垂直于柄部分的中心轴线而形成的平面。作为一个例子，它可以是水平平面。

磨损垫：

由具有该应用所希望的性质的材料制成的承载负荷的可更换件。它可以是环。

柄冲击力表面：

与钻头头部接触的并垂直于冲击方向的柄部分表面。该表面是在操作期间将能量从柄部分传递到钻头头部的平面。

钻头头部冲击力表面：

与柄部分接触并垂直于冲击方向的钻头头部表面。该表面是在操作期间将能量由柄部分传递到钻头头部的平面。

钻头头部中心立柱：

钻头头部的用来接合柄部分的部件。

磨损带：

由具有该装置希望的性质的材料制成的承载负荷的可更换件。它可以是环。

柄开口：

在柄部分上的接纳钻头头部以互相连接的设计部件，其几何形状类似于钻头头部立柱。

冲击能量隔离器：

用来减少或消除从一个本体传递到另一个本体的冲击能量的物体。

分离钻孔力的施加：

钻孔力包括在地层孔中旋转钻头组件需要的旋转力，使得钻头头部切入到或者将冲击能量传递到需要挖掘的岩石的未加工部分。另一个需要的力是冲击力，其由连接到钻头组件的工具产生。为了破碎岩层需要冲击力。该操作需要的另一个力是拔出力。拔出力是为了从地层孔中移出钻孔工具和钻头组件所需要的轴向力。分离这些力并将它们施加于组件的特定的部件上。这允许为特定的分离力更精确地设计特定的部件。

柄拔出负荷连接构件：

钻头组件的柄部分的部件，拔出力施加于该部件。一个例子是柄通道。

柄扭转负荷构件：

钻头组件的柄部分的部件，扭转力或旋转力施加于该部件。一个例子是凹槽或凸耳结构。

柄冲击力构件：

钻头组件的柄部分的部件，冲击力施加于该部件以将冲击能量从柄部分传递到钻头头部。一个例子是柄冲击力表面。

独立的构件：

每一个构件或部件独立于其它的构件或部件，使得特定的力施加于特定的构件。构件能是整体件的组成部分但是彼此分离。例如，柄通道、柄凸耳和柄冲击力构件都是柄的组成部分但是它们都是分离的构件。

钻头头部拔出负荷连接构件：

钻头组件的钻头头部的部件，拔出力施加于该部件。一个例子是钻头头部通道。

钻头头部扭转负荷构件：

钻头组件的钻头头部的部件，扭转力或旋转力施加于该部件。一个例子是凸耳或凹槽。

钻头头部冲击构件：

钻头组件的钻头头部的部件，冲击力施加于该部件。一个例子是钻头头部冲击力表面。

柄裙座部分：

柄部分包括接合冲击发生装置的部分和为了组装而用于接纳钻头头部支柱的部分。为了防止柄部向上移动以进入到冲击发生装置中太多，使用了比柄的接合部分的直径大的直径。从由不同的直径形成的台肩到凸耳或凹槽接合系统的部分被定义为裙座部分。裙座部分能有用于钻头头部立柱的接纳开口。

柄裙座部分的外表面：

在从位于柄部分的柄裙座部分的轴向中心线的径向上的最外表面。柄裙座部分的内表面：

在钻头头部立柱接合柄部分的区域有内表面。从外面的柄裙座部分径向地向内的最内表面。

保持构件被插入到柄通道内并且延伸到钻头头部通道内：

保持构件具有类似于但是小于钻头头部部分的通道和柄部分的通道的几何形状，且可被插入到位于柄裙座部分的柄部分中，并且继续插入直到它进入钻头头部通道。保持构件足够长以保持在柄通道内并延伸到钻头头部通道内。

钻头头部的接纳部：

钻头头部的接纳部是柄部分与钻头头部部分接合的区域。它是凸耳和凹槽结构的区域。

凸耳和凹槽传递旋转力：

当凸耳和凹槽接合在一起并且旋转力施加于钻头组件的柄部分时，凸耳和凹槽在柄部分和钻头头部部分之间传递旋转力。

保持构件包括凹槽：

径向地形成在保持构件上的凹槽，其被用来保持O形环组。该O形环组被用来帮助使得在冲击操作期间传递到保持构件的冲击能量的量最小。

保持构件是柔性的：

保持构件典型地考虑为刚性的，但是在从钻好的地层孔中拔出钻头组件期间为了帮助吸收任何异常不均匀的轴向负荷，它可考虑为柔性的。相对于钻头头部旋转柄：

由于凸耳和凹槽结构之间的容差以及设计间隙，在钻头头部和柄之间能发生一些相对的旋转移动。试图相对于钻头头部旋转柄将接合平行于冲击方向的凸耳和凹槽表面。

拔出力：

从地层的钻好的孔中移出钻头组件需要的轴向力。拔出力可以是在钻头头部的外表面和钻好的孔之间作用的阻力组成的竖直力，或者其可以是水平轴向力，该水平轴向力是在钻头头部的外表面和钻好的孔之间发生的纯阻力。

接合柄拔出负荷连接构件和钻头头部拔出负荷构件；

通过轴向地将钻头头部连接至柄的保持构件完成接合。通过在柄上施加轴向拔出力，保持构件与柄接触。拔出力然后通过保持构件传递到钻头头部并且钻头头部被从钻好的孔中拔出。

接合柄扭转负荷构件和钻头头部扭转负荷构件：

在钻孔操作期间，旋转力通过冲击发生装置施加于柄。那些旋转力通过被认为是扭转负荷构件的凸耳和凹槽结构传递。柄扭转负荷构件的一个例子可以是凸耳，并且钻头头部扭转负荷构件可以是凹槽。

接合柄冲击力构件和钻头头部冲击力构件：

在钻头头部和柄之间接触的表面，其将冲击能量从柄传递到钻头头部。通过将钻头头部和柄推在一起，在轴向移动之后，接触的表面是钻头头部和柄的表示冲击的构件表面。

钻头组件被冲击：

当冲击发生装置被操作时，它产生被钻头组件接收的冲击-首先主要到柄上并且然后能量被传递到钻头头部上。你能想象这与锤和凿子相似。凿子被锤冲击。

在钻孔期间

向下旋转钻头组件以进入地中并挖掘地的时候。一个例子是钻头头部和柄旋转地接合并且钻头头部冲击力表面与柄冲击力表面正在接触的时候。

描述

图1示出了一钻头组件1，该钻头组件1具有柄5和钻头头部3，柄5用来连接到流体驱动钻孔装置，且钻头头部3通过保持构件7而被限制其相对于柄5在轴向上的移动，通过凸耳67和凹槽16与柄5旋转接合。凸耳67和凹槽16在图1中不可见。

图2、3和4示出了钻头组件的一个实施方式。钻头组件1通过位于柄5上的传动花键71依靠钻孔装置而旋转，并且在上部柄台肩69上保持在钻孔装置中。用来操作钻孔装置的流体通过抽风管25进入钻头组件1并且通过钻头头部3的排气端口35流出钻头组件1。

冲击能量的冲击力从钻孔装置传递过来并由柄冲击表面24接收，并且由柄5承载，冲击力然后在柄5处从柄冲击力表面47传递到钻头头部冲击力表面15，柄冲击力表面47与钻头头部冲击力表面15彼此接触。冲击力然后从钻头头部3通过切割元件73(在图1中示出)而传递到用于挖掘的地层。

钻头头部3由互补结构凸耳67a、67b和67c以及凹槽16a、16b和16c(三个凹槽都在图13中示出)旋转地驱动。柄5被旋转使得凸耳67a、67b和67c与凹槽16a、16b和16c接触，这使得钻头头部3旋转。凸耳67a、67b和67c都有垂直于冲击方向的凸耳表面48，该凸耳表面48在轴向上不与凹槽16a、16b和16c的垂直于冲击方向的凹槽表面44接触。这在凸耳67a、67b和67c以及凹槽16a、16b和16c之间产生了缝隙77。在图4中只示出了一个缝隙77，然而，应理解所有的凹槽和凸耳都存在缝隙。由于缝隙77，在钻孔过程期间当施加冲击力时没有冲击力从凸耳67a、67b和67c传递到凹槽16a、16b和16c。

钻头头部3具有凹槽16a、16b、16c和与位于柄5的柄裙座部分6中的柄开口57接合的中心立柱45。钻头头部通道39位于钻头头部3的中心立柱45内，仅仅在从已挖掘的地层孔中轴向拔出钻头组件1期间该中心立柱45接合保持构件7a和7b。这能通过具有柄通道19a和19b的区域小于钻头头部39的区域而实现。保持构件7a和7b的端面横截面区域小于柄通道19a和19b区域，并且小于钻头头部通道39区域。

位于钻头头部3的凹槽16a、16b和16c被柄5的凸耳67a、67b和67c接合。凹槽16a、16b和16c都有顺时针方向的钻头头部表面43和逆时针方向的钻头头部表面18。凸耳67a、67b和67c都有顺时针方向的柄表面13和逆时针方向的柄表面63。在顺时针方向的钻孔操作期间凹槽16a、16b和16c接合凸耳67a、67b和67c并且顺时针方向的柄表面13与顺时针方向的钻头头部表面43滑动地接触。在逆时针方向的钻孔操作期间凸耳67a、67b和67c接合凹槽16a、16b和16c并且逆时针方向的柄表面63与逆时针方向的钻头头部表面18滑动地接触。当保持构件7a和7b安装在钻头组件1中时柄5的凸耳67a、67b和67c从来不与钻头头部3的凹槽16a、16b和16c脱离，允许在钻孔操作或拔出操作期间允许旋转力从柄5传递到钻头头部3。

图4b中示出了保持构件7和钻头头部通道39的几何形状。钻头头部通道39区域是长椭圆形的并且包括平部40，以确保在钻孔操作和从已挖掘的地层孔中拔出钻头头部3期间旋转力不由保持构件7承载。可选地，钻头头部通道39的几何形状能是圆形的。当钻头头部通道39是圆形的时，在钻孔期间旋转力不由保持构件7承载。然而，采用圆形的钻头头部通道39，由于公差当从孔中拔出钻头组件1时会有少量的旋转力施加在保持构件7上。

柄5具有带排气通道23的抽风管25，其允许流体进入钻头组件1。来自柄5的流体流出孔52并且通过中心立柱孔53进入钻头头部3，并且通过钻头头部3的内部排气端口55流出钻头头部3的中心立柱孔53。

柄5包括用于在操作期间旋转地接合钻孔装置的传动花键71。

钻头组件1的组装由以下步骤组成：将钻头头部3的带有平部40的钻头头部通道39与柄5的柄通道19a和19b相对准，和将钻头头部3的凹槽16a、16b和16c与柄5的凸耳67a、67b和67c相对准。当对准时，钻头头部3的中心立柱45轴向地定位在柄5的柄开口57内，直到钻头头部3的钻头头部冲击力表面15与柄5的柄冲击力表面47相接触。

通过将等尺寸的O形环组9a和9b放置在位于保持构件7a和7b上的预留槽26内而将等尺寸的O形环组9a和9b安装到保持构件7a和75b上。位于保持构件7a和7b的槽26内的等尺寸的O形环组9a和9b被用来减少传递到保持构件7a和7b上的冲击能量的量。冲击能量从柄5传递到保持构件7a和7b上。钻头头部通道39的区域大于保持构件7a和7b的区域，因此在钻孔期间或者当冲击能量置于柄5上时保持构件7a和7b不接触钻头头部通道39。因为保持构件7a和7b不接触钻头头部通道39，没有冲击能量从保持构件7a和7b传递到钻头头部3。特别指出，通道的结构可以是相反的。钻头头部通道区域的通道区域可小于柄通道区域，使得当插入保持构件时，当钻孔时或当冲击能量置于柄上时保持构件不接触柄通道区域。

等尺寸的O形环组9a和9b也提供密封，以限制通过由柄通道19a和19b与保持构件7a和7b的保持构件区域51(图18)形成的环状空间的气流。保持构件7a和7b都有保持构件槽17。具有安装在槽26内的等尺寸的O形环组9a和9b的保持构件7a和7b被定位到柄5的柄通道19a和19b内，直到位于保持构件7a和7b上的保持构件槽17与滚销进入孔37成一直线为止。保持构件7a和7b应当伸入到钻头头部3的钻头头部通道39内。滚销11a和11b被安装到位于柄5上的滚销进入孔37内，直到滚销11a和11b停留在滚销孔台肩36上，该滚销孔台肩36形成在柄5的滚销进入孔37和滚销拔出孔21之间。参见图4a，一沿着图4中的线A-A的视图，示出了安装后的滚销11a和11b通过接合保持构件槽17而固定保持构件7a和7b。在正常钻孔操作期间，在保持构件7a和7b和钻头头部3的钻头头部通道39之间没有接触。一旦保持构件7a和7b被安装到柄5内，钻头组件1可以被提升和定位以进行钻孔。当钻头组件1被提升时，保持构件7a和7b通过钻头头部通道39承载钻头头部3的重量。

钻头组件1通过柄5的柄台肩69轴向地保持在钻孔装置上并且可旋转地接合到柄5的传动花键71上。来自钻孔装置的轴向力将钻头组件1向下推到地层上，并且柄5的柄冲击力表面47接触钻头头部3的钻头头部冲击力表面15。在任何其它位置处柄5和钻头头部3之间没有轴向的接触。在柄5的柄开口表面49和钻头头部3的中心立柱表面41之间存在中心立柱缝隙79。柄5的垂直于冲击方向的凸耳表面48不与钻头头部3的垂直于冲击方向的凹槽表面44接触。在正常钻孔操作期间，在柄5的垂直于冲击方向的凸耳表面48和钻头头部3的垂直于冲击方向的凹槽表面44之间形成缝隙77。在正常钻孔操作期间，柄5和钻头头部3之间接触以在柄5的柄冲击力表面47和钻头头部3的钻头头部冲击力表面15之间发生冲击能量传递。

柄5的柄外表面59与钻头头部3的钻头头部外表面61具有相同的尺寸以在两部分之间形成一致的外表面。

从钻过的地层孔中拔出钻头组件1包括从地层孔中拉出钻头组件1所需要的轴向力。钻头组件1的钻头头部3的重量和位于地层孔中的钻头头部3的阻力帮助保持构件7a和7b接合到钻头头部3的钻头头部通道表面54上。在从钻过的地层孔中拔出钻头组件1期间旋转扭矩仍然通过凸耳67a、67b和67c以及凹槽16a、16b、16c承载，对于顺时针方向的旋转，其通过凸耳67a、67b和67c的顺时针方向的柄表面13以及凹槽16a、16b和16c的钻头头部的顺时针方向的表面43实现接合，并且在逆时针方向的旋转期间，其通过凸耳67a、67b和67c的逆时针方向的柄表面63以及凹槽16a、16b和16c的逆时针方向的钻头头部表面18实现接合。没有旋转扭矩通过保持构件7a和7b承载。

通过使用硬化钢冲头从滚销进入孔37中推出滚销11a和11b从而开始拆卸钻头组件1，对滚销拔出孔21而言该淬火钢冲头具有适当的尺寸，该滚销拔出孔21在直径上稍微比滚销进入孔37小。在保持构件7a和7b里存在钻制的并且带有螺纹的锥形孔31以帮助从柄通道19a和19b中拔出保持构件7a和7b。一旦滚销11a和11b已经从滚销进入孔37中拆卸，一根螺杆或一预先制造的滑锤通过拧入到螺纹锥形孔31中而固定到保持构件7a和7b中。拉动螺杆或操作滑锤将从柄通道19a和19b中拔出保持构件7a和7b。在两个保持构件7a和7b都已经从柄5的柄通道19a和19b拆卸后，柄5能从钻头头部提升，钻头头部3的中心立柱45与柄5的柄开口57相脱离。

图5示出了可选的实施方式。同在第一个实施方式中描述的整体钻头头部3相比，钻头组件101使用了三件式钻头头部103a、103b和103c。传动凸耳167a、167b和167c以及保持构件107a、107b和107c的设计与前面描述的系统相似。

图5a示出了具有钻头头部103a具有保持构件107a的钻头组件101的截面。

图6示出了可选的实施方式。具有钻头头部203的钻头组件201使用中心立柱245a、245b和245c以及传动凸耳267a、267b和267c，以将旋转动力从柄205传递到钻头头部203。

图7示出了可选的实施方式。钻头组件301具有两件式钻头头部303a和303b，其使用在钻头头部303a的中心立柱345和钻头头部303b的外环381之间的锥形锁定系统而组装在一起。保持构件307以及传动凸耳367a、367b、367c和367d大体上与第一个实施方式中描述的相同地工作。

图7a示出了具有两件式钻头头部303a和303b以及保持构件307的钻头组件301的截面图。

图8示出了一可选的实施方式。钻头组件401具有使用了三件式钻头头部403a、403b和403c的图7和图7a所示的锥形锁定结构的组合。

图9示出了一可选的实施方式。除了使用压入式圆柱形传动凸耳567a、567b、567c之外，钻头组件501具有与在第一个实施方式中描述的相似的概念。

图10示出了一可选的实施方式。除了保持构件607a和607b之外，钻头组件601具有与在第一个实施方式中提及的相似的传动凸耳系统。与第一个实施方式中保持构件7a和7b通过中心立柱与钻头头部接合相反，保持构件607a和607b在中心立柱645的外直径上与钻头头部603接合。在从地层孔中拔出钻头组件601期间，该结构产生了更大的承载拔出力的区域。

图10a示出了具有保持构件607a和607b的钻头组件601的横截面图。

图11示出了一可选的实施方式。钻头组件701在图2-4中的第一实施方式中示出的保持构件7a和7b上有了变化。图11仅仅示出了一个能从任一侧插入并能从任一侧拔出的保持构件707。保持构件707在中间部分783处在直径上缩小以便于将通过钻头头部703的气流受到的限制减到最小。

图12示出了第一实施方式的钻头组件1。位于柄5上的传动凸耳67a、67b和67c具有凸耳磨损带68a和68a’。磨损带68a位于顺时针方向的柄表面13上。磨损带68a位于逆时针方向的柄表面63上。

钻头头部3的中心立柱45具有中心立柱磨损带46a和46b。

通过帮助减少无益的钢与钢的接触，凸耳磨损带68a和68a’以及中心立柱磨损带46a和46b提高了产品的寿命。

图13示出了钻头头部3的第一个实施方式。凹槽16a、16b、16c具有凹槽磨损带20a、20a’、20c和20c’，凹槽磨损带20a、20b和20c位于顺时针方向的钻头头部表面43上。凹槽磨损带20a’、20b’、20c’位于逆时针方向的钻头头部表面18上。

图14示出了一可选的实施方式的横截面。钻头组件801具有钻头头部803，该钻头头部803具有钻头头部通道839a和839b以接纳保持构件807a和807b。柄805具有柄通道819a和819b以接纳保持构件807a和807b。钻头头部通道839a和839b的圆周区域小于柄通道819a和819b的圆周区域。在钻孔期间当柄805和钻头头部803接合并且旋转时保持构件807a和807b不接触钻头头部通道表面854。可选地且未示出，能改变保持构件807a和807b，使得在钻孔期间当柄和钻头头部803接合并旋转时保持构件807a和807b不接触柄通道表面855。

图15示出了具有磨损带4的柄5。图15a是具有磨损带4的柄5的分解图。

图16示出了保持构件7。保持构件7是圆柱形的并且是空心的。保持构件7具有内螺纹85。

图17示出了一可选的实施方式。钻头组件901具有钻头头部903和柄905。除了传动凸耳967a、967b(未示出)和967c位于钻头头部903上，并且凹槽916a、916b和916c位于柄905上之外，这个可选的实施方式与第一个实施方式类似。

图19-23示出了钻头组件的第一个实施方式的另一个实施方式。钻头组件980的这个实施方式示出了钻头组件的第一个实施方式的变化。

钻头组件980示出了插在钻头头部983的立柱982的顶部之上的柄981。柄981具有柄通道984。立柱982具有凹槽或沟槽985。柄981具有凸耳986，当柄981插入到钻头头部983的立柱982之上时凸耳986接合钻头头部凹槽987。当柄981与钻头头部983接合时保持构件988被插入到位于钻头头部983的立柱982中的沟槽985内。凹槽985的竖直宽度大于保持构件988的厚度。

当保持构件988通过柄通道984插入并且柄981置于钻头头部983上时保持构件988不与沟槽985的上部989接触。这是因为：(i)沟槽985的竖直宽度大于保持构件988的厚度；(ii)柄通道984和沟槽985被设计成在竖直对准时在保持构件988的顶表面990之间有一间隙。

这样的结果是当有向下的冲击轴向力施加于柄时，该力传递到钻头头部上并且没有力施加于保持构件988。那意味着在钻孔时尽管使用向下的冲击轴向力钻孔，没有剪切力施加于保持构件988。

当柄旋转时，凹槽987和凸耳986承担当其旋转时从柄981传递来的旋转力并且因此将旋转力从柄981传递到钻头头部983。供保持构件988插入到其中的沟槽985避免了任何剪切力在柄981的相对于钻头头部983的旋转移动期间施加于保持构件988上。

当柄981竖直地或者向上地提升以从井下(down hole)取回钻头组件980时，顶表面990将接合沟槽985的上部989的表面。这使得当柄从井下提升出时钻头头部983能与柄981一起移出。在这时有剪切力施加于保持构件988的顶表面990上。

为了当钻头组件980从井下提升时分散施加于保持构件988的顶表面990上的施加的剪切力，保持构件988的顶表面990是平表面而不是弓形的或者圆形的表面。平表面提供在顶表面990和沟槽985的上部表面989之间的平面接触。位于保持构件上的圆形表面或弓形表面将在剪切力施加于保持构件的点处呈现线接触，并且将具有导致保持构件断裂的结果。保持构件将破裂。

带991围绕插入到柄通道984中的保持构件988以将保持构件988保持在通道内。

另一个实施方式

图24-26示出了钻头组件的另一个实施方式。如图24-26中所示的那样，钻头组件1002具有柄1004和钻头头部1006。钻头头部1006具有钻头头部通道1008。钻头头部1006具有钻头头部开口1010。钻头头部通道1008在外表面1012处开始并在钻头头部1006的位于开口1010上的内表面1014处结束。

柄1004具有中心立柱1016。该中心立柱具有一区域，使得当钻头头部1006和柄1004组装在一起时中心立柱能安装到钻头头部1006的钻头头部开口1010内。中心立柱1016具有沟槽形式的柄通道1018。当柄1004和钻头头部1006组装在一起时，钻头头部通道1008和柄通道1018相对准。

保持构件1020定位在钻头头部通道1008内并且延伸到沟槽形式的柄通道1018内。保持构件是可拆卸的，从而当拆卸保持构件1020时钻头头部1006和柄1004相分离。位于柄1004上的互补凸耳1022接合位于钻头头部1006上的互补凹槽1024。互补凸耳1022和互补凹槽1024的接合允许柄1004和钻头头部1006一起旋转，由此只要旋转钻头组件1002互补凸耳1022和互补凹槽1024就传递旋转力。

钻头头部通道1008、沟槽形式的柄通道1018、保持构件1020、柄1004和钻头头部1006以这种方式配置和组合，使得当在钻孔操作期间向下的冲击轴向力施加于柄1004并传递到钻头头部1006时，没有剪切力施加于保持构件1020。当相对于钻头头部1006旋转柄1004时没有剪切力施加于保持构件1020。提升与钻头头部1006连接的柄1004时有剪切力施加于保持构件1020。这是因为当向上提升柄1004时保持构件1020提升钻头头部1006以与柄1004一起提升钻头头部1006。

保持构件1020具有长方形的横截面区域，并且柄通道1008具有长方形的横截面区域。保持构件1020具有底部平表面1026。该底部平表面1026被设计成拆卸在拔出期间接触角度产生的径向力。带1028在外表面1012处围绕钻头头部1006以将保持构件1020保持在钻头头部通道1008内。

钻头头部冲击力表面1030形成在钻头头部1006上，以接收来自柄1004的轴向冲击能量。钻头1006在钻头头部1006的互补凹槽1024上可具有未示出的磨损垫。柄1004具有形成在柄1004上的柄冲击力表面1032以将冲击能量在钻头头部冲击波表面1030上施加于钻头头部1006。

钻头1006具有互补的凹槽1024，该凹槽1024具有垂直于来自柄1004的冲击的方向的表面1034。

柄1004具有凸耳1022，该凸耳1022具有垂直于在柄1004和钻头头部1006之间的冲击的方向的表面1036。在钻头组件1002的操作的任何阶段期间，垂直表面1036不接触钻头1006的表面1034。

另一个实施方式

图27示出了另一个实施方式，除了互补的凹槽和凸耳与在那些在先的图中示出的完全相反之外，该实施方式与在图25-26中示出的实施方式非常相似。在图27的实施方式中柄1038示出了互补凹槽1040。钻头头部1042具有互补凸耳1044。当柄1038和钻头头部1042组装在一起并且位于柄1038上的立柱1046插入到钻头头部1042的开口1048中时，互补凸耳1044和互补凹槽1040彼此接合。位于柄1038上的互补凹槽1040具有未示出的磨损垫。柄1038可在中心立柱1046上具有未示出的磨损垫。

连接柄1004和钻头1006的方法被设计成当相对于钻头头部1006旋转柄1004时避免旋转的剪切力施加于保持构件1020上，该剪切力是旋转扭矩或旋转运动形成的或产生的力。当将一拔出力施加于柄1004以从井下提升柄1004并与柄1004一起提升钻头头部1006时，轴向剪切力施加于保持构件1020上。在任何钻孔操作中或在从井下拔出钻的操作中没有旋转力通过保持构件1020传递。所有的旋转力通过凸耳1022和互补凹槽1024承载。位于钻头1006中的开口1010可具有在图中未示出的磨损带。

在不偏离如下的权利要求所限定的本发明的范围的情况下，能对上面的结构和方法进行多种改变。上文的说明书所包括的如同附图所示内容应解释为是示例性的而不是限制性的。

Claims (15)

1.一种将柄和钻头相连接，以在相对于钻头头部旋转所述柄时避免旋转剪切力施加于相连的柄和钻头头部的保持构件上，并且在钻孔期间在将冲击轴向力施加于所述柄时避免向下的剪切力施加于所述保持构件上，并且在将拔出力施加于所述柄以向上提升与所述钻头头部相连的所述柄时有剪切力施加于所述保持构件上的方法，包括：

a.提供具有中心立柱的柄，当所述钻头头部和所述柄组装在一起时所述中心立柱可配合到位于钻头头部中的开口内，所述中心立柱具有柄通道；

b.提供具有钻头头部通道的钻头头部，所述钻头头部具有开口，以在所述钻头头部与所述柄接合时接纳所述中心立柱；

c.提供保持构件；

d.提供互补的凸耳和凹槽结构，其中所述柄具有凹槽或凸耳，且所述钻头头部具有互补的凸耳或凹槽，其中在所述钻头头部和所述柄接合时所述凸耳和所述凹槽接合；

e.接合所述柄和所述钻头头部，并接合互补的凸耳和凹槽结构；和

f.通过所述柄和所述钻头头部的相对准的通道插入所述保持构件，其中钻头头部通道、柄通道、保持构件、柄和钻头头部以以下方式配置和组合：在钻孔时当向下的冲击轴向力施加于所述柄并传递到所述钻头头部时没有剪切力施加于所述保持构件，且当相对所述钻头头部旋转所述柄时没有剪切力施加于所述保持构件，且当向上提升与所述柄相连的所述钻头头部时有剪切力施加于所述保持构件。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述保持构件具有长方形的横截面区域，且所述柄通道具有长方形的横截面区域。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述保持构件具有底部平表面。

4.如权利要求1所述的方法，包括提供围绕所述钻头头部以将所述保持构件保持在所述钻头头部通道中的带。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述柄通道是沟槽的形式。

6.一种钻头组件，包括：

a.具有钻头头部通道的钻头头部，所述钻头头部具有开口，所述钻头头部通道开始于所述钻头头部的外表面并且结束于位于所述钻头头部的所述开口中的所述钻头头部的内表面；

b.具有中心立柱的柄，所述中心立柱具有区域，使得当所述钻头头部与柄组装在一起时所述中心立柱可配合到所述钻头头部的开口内，所述中心立柱具有沟槽形式的柄通道，当所述柄和所述钻头头部组装在一起时所述钻头头部通道和所述柄通道相对准；

c.保持构件，当所述柄和所述钻头头部组装在一起时该保持构件在所述钻头头部通道内并且延伸到所述柄通道中，所述保持构件是可拆卸的，使得当所述保持构件被拆卸时所述钻头头部和所述柄可被分离；

d.位于所述柄上的互补的凸耳或凹槽；和

e.位于所述钻头头部上的互补的凸耳或凹槽，该钻头头部上的互补的凸耳或凹槽接合所述柄的互补的凸耳或凹槽，所述凸耳和所述凹槽的接合允许所述柄和钻头头部一起旋转，从而所述凸耳和所述凹槽传递旋转力。

7.如权利要求6所述的钻头组件，包括位于所述钻头头部上的带，该带围绕位于所述钻头头部通道内的所述保持构件，以将所述保持构件保持在所述钻头头部通道内。

8.一种在将柄和钻头相连以形成钻头组件中使用的钻头，包括：

a.具有开口的钻头头部，该开口用于接纳位于所述柄上的立柱，所述钻头头部具有用于接纳保持构件的钻头头部通道；

b.形成在所述钻头头部上的钻头头部冲击力表面，所述钻头头部冲击力表面用于接收来自所述柄的冲击能量；和

c.位于所述钻头头部上的互补的凹槽或凸耳，该互补的凹槽或凸耳用于接纳位于所述柄上的互补的凸耳或凹槽。

9.如权利要求8所述的钻头，其中位于所述钻头头部上的互补的凹槽或凸耳具有垂直干冲击方向的表面。

10.如权利要求8所述的钻头，其中位于所述钻头头部上的凹槽具有磨损垫。

11.如权利要求8所述的钻头，其中所述钻头头部的所述开口具有磨损带。

12.一种在将钻头和柄相连以形成钻头组件中使用的柄，包括：

a.柄；

b.形成在所述柄上以将冲击能量施加于所述钻头头部的柄冲击力表面；

c.从所述柄延伸用于插入到位于所述钻头中的开口内的中心立柱，所述中心立柱具有用于接纳保持构件的通道；和

d.位于所述柄上的互补的凸耳或凹槽，该互补的凸耳或凹槽用于接纳位于所述钻头上的互补的凹槽或凸耳。

13.如权利要求12所述的柄，其中位于所述柄上的互补的凹槽或凸耳具有垂直于冲击方向的表面。

14.如权利要求12所述的柄，其中位于所述柄上的互补的凹槽具有磨损垫。

15.如权利要求12所述的柄，其中所述中心立柱具有磨损带。

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