CN102282334B - 用于潜孔钻的钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钻头，其旨在用于潜孔钻以减少由于所述钻头中的力而形成的裂纹和断裂，并且包括具有前表面的钻机头部（2），该前表面具有钻机销（3）和轴（4），其中该轴旨在插入钻机夹盘中，并且该轴具有后部端部分（6），其具有平面冲击表面（7），锤活塞（8）布置成冲击到该平面冲击表面上，当沿其轴向方向观察时，钻机头部包括具有切割物通道（22）的圆柱形状前部部分（20），定位在切割物通道的底部（25）的相同水平高度处或稍微低于该底部以接收钻孔切割物的圆柱形状后部部分（21），其中圆柱形状前部部分的直径（D1）比圆柱形状后部部分的直径（D2）更大。在具有高性能和长使用寿命，并且此外特别适合用于引导钻孔的钻头中，钻机头部（2）的圆柱形状前部部分（20）具有轴向长度（L3），其比钻机头部的圆柱形状后部部分（21）的轴向长度（L4）更长。
Description
本发明涉及用于根据权利要求1的前序部分所述的潜孔钻(down-the-hole)的钻头。
在潜孔钻孔期间，不仅旋转力，而且冲击能形式的冲击力都从钻机(drill rig，钻架)传递至潜孔锤钻(hammer drill)，所述锤钻被插入到将被钻出的钻孔中。旋转力借助外部管传递，该外部管能够被旋转并且引起外部管的附接至钻头的一端旋转，同时冲击力借助活塞传递，该活塞能够沿外部管的纵向方向向前和向后位移并且定位在外部管中。使用卡盘(chuck)或其他传递装置传递旋转力，该装置固定地旋拧至外部管，同时一组花键存在于该传递装置内部，这些花键与钻头的轴上的外部花键相互作用，因此通过所述花键或花键连接件之间的相互作用而将钻头限制为在传递装置中可轴向移动，以便钻头能够沿传递装置中的轴线位移。
随着通过钻机传递的动力增加，组件材料经受的负荷也增加。特别是自从引入液体驱动钻机之后。主要用于在坚硬岩石中钻孔(例如，钻水井或钻炸药孔)的潜孔钻的钻头受到非常大的负荷。特别地，问题随着以下情况而出现，即裂纹的形成、以及钻头的轴在传递装置与所述轴之间的花键连接件处的随后的破裂。所述裂纹可通过钻头的轴导致机器故障，很简单的，导致破坏。这依次能够引起钻头丢失并保留在钻孔中，这意味着必须钻出一个完全新的孔。近年来，潜孔锤钻已经越来越多地用于所谓的“引导钻孔”，其包括钻出非直线的孔。在引导钻孔期间，钻岩机暴露于非常尖锐的攻击角，并且由此暴露于非常大的弯曲力。对于钻头的明显更厚的前部部分由其如此。该部分称为“钻机头部”，并且具有沿钻孔方向的中的突出部(overhang)的形式，其在传递装置前方突出并且以此方式形成一杠杆的形式，该部分的枢转点位于这样的区域中，即钻头的后部(或台肩)在此处经过而进入轴，该部分具有明显更小的直径。应理解，在钻头中的具有长突出部的该部分处产生特别大的弯曲负荷，所述突出部通过从传递装置突出的轴向延伸钻头形成。
本发明的目的是实现用于潜孔锤钻的钻头，上述问题能够通过该钻头减轻。特别地，期望实现具有高性能以及长使用寿命的钻头，以及特别适合用于引导钻孔的钻头。
本发明的上述目的通过展示本发明中明确说明的特征和性质的潜孔钻的钻头实现。
形成本发明的基础的洞察力在于，轴以及因此花键连接件的有效力吸收(active force-absorbing)区域能够通过非有效(inactive)材料的重新分配而增加，该非有效材料位于钻机头部后面的钻头的圆柱形部分中，以便其位于钻头的轴上。这能够在不对钻头的重量或其他性质产生负面影响的情况下实现。通过材料的重新分配引起钻头的圆柱形后部分沿钻头轴向方向减小、以及台肩冲击表面向前位移的事实，钻机头部的实际总轴向长度减小，并且因而也减小了钻头长度的在潜孔锤的传递装置或外部管前方突出的部分，该部分称为“突出部”。其结果在于，引导钻孔期间在钻头中产生的弯曲力降低。
以下通过在附图中示出的非限制性实施方式更详细地描述本发明，附图中：
图1示出了通过根据现有技术的潜孔锤钻的纵向截面，其具有邻近钻头的部分，图2示出了在图1所示的潜孔锤钻中使用的类型的钻头的侧视图，图3示出了通过潜孔锤钻的纵向截面，其具有根据本发明的钻头以及邻近该钻头定位的部分，以及图4示出了根据本发明的钻头的侧视图。
具体实施方式
图1示出旨在用于液体驱动潜孔锤钻中的已知的钻头1。在钻头1的前部部分2(该部分称为“钻机头部”)中，为了能够钻通岩石，已插入多个(例如)硬金属的销3。钻头1进一步包含轴4，其在钻机头部2产生，并且其直径比钻机头部的直径小相当多。轴4具有纵向花键5。钻头1具有这样的后端部分6，其通过接触7的平面稍微加厚，为潜孔锤钻的构件的锤活塞8布置为冲击在该接触上。钻头1在内部具有纵向冲洗通道9，从而通过钻头前部的开口将冲洗流体引走。所述冲洗流体的任务不仅是作为冷却剂，而且也从钻头1的前部运输钻孔切割物，并且沿钻头的外表面向上运输出钻孔后部。
潜孔锤钻具有用于与钻头的轴4上的纵向花键相互作用的传递装置10，该传递装置内部具有对应于轴4的花键5的花键5'。传递装置10具有鞘的形式，并且在外部沿其长度的至少一部分具有螺纹11，传递装置通过该螺纹旋拧附接在外部管12的前端，所述前端具有对相应于传递装置的螺纹的内部螺纹11'，以便所述外部管至少部分围绕不仅传递装置而且还有钻头的轴。外部管12也围绕锤活塞8。传递装置10具有在其前端的平面端表面13以及具有台肩14，当传递装置固定于外部管时，外部管12的平面端表面15与所述台肩抵靠接触。
止动环16定位在形成为凹口(indentation)的隔间中，其具有外部管的内表面中的轨道的形式。止动环16的任务是防止钻头1从外部管掉落，并且在钻孔期间限制钻头向前的轴向运动。在钻孔期间，传递装置的螺纹连接部11、11'原则上不受来自任何扭矩的任何负荷：实际上所有的扭矩都由花键连接件吸收。潜孔锤钻能够通过接头延伸，并且能够形成期望长度的钻串(drill string)。通过钻机的影响，给予外部管12旋转运动，旋转运动被传递至传递装置10，传递装置10依次通过花键连接件将该旋转运动传递至钻头1，以便其以与每次冲击相关的预定度数旋转。
在所有的钻孔期间，并且特别在钻长孔的期间(在此期间大量的钻孔切割物被移除)，必须在钻出的孔的壁与钻串之间产生称为“间隙”的空间。为了实现所述间隙空间，钻机头部1的外径超过外部管12的外径，并且对于该目的，钻头具有部分径向向外指引的销。
如图2最清晰示出，当沿钻机头部2的轴线方向观察时，其具有前部圆柱体部分20和后部圆柱体部分21，其中为了形成间隙空间，前部部分具有这样的直径，其比后部部分的直径和外部管的直径都稍微大一些。前部部分20在其周界外表面上具有多个切割物通道22，这些切割物通道沿钻头的纵向或轴向方向延伸，并且其任务为将钻孔切割物和冲洗流体从钻头的前部、向后沿传递装置10的长度的一部分并且向上沿外部管12的外部表面引导走。切割物通道22围绕钻头的头部的周界或周界均匀分布。每个切割物通道22都被第一和第二切割物表面23、24的限制，所述第一和第二切割物表面23、24两者在低谷25处相交，所述低谷25位于沿后部部分21的周界线处并且穿过其打开。相对于钻机头部2的前部部分20，后部部分21以这样的方式下陷，即后部部分的周界与低谷25的底部基本处于相同的水平位置，以便为清除切割物提供低阻力。所述后部部分21与轴4之间的过渡被设计为台肩平面26，其与传递装置10的前部端表面13相互作用，并且限制钻头的缩回后部位置。传递装置10在其面对钻头1的头部2的端部分具有这样的外径，其基本对应于钻机头部的所述后部部分21的外径，并且以该方式形成其延伸部。
在图3和图4中示出本发明，其中来自钻头的圆柱形后部部分21的多余材料沿相反的方向重新分配至轴4，以便所述材料以具有大的力吸收区域的花键连接件5、5'的形式形成力吸收部分。轴4因此延伸，同时保持与图2中示出的现有技术钻头基本相同的重量，或者如果需要，比其稍微低的重量。在圆柱形后部部分21的范围已在轴向方向上缩小的同时，在轴的过渡处的台肩平面26已位于非常接近钻机头部2的切割物通道22的向后朝着传递装置的外部周界打开的部分。此外，轴4以及因此花键5也已延伸，因此适当地，传递装置配置有隆起(ridge)和凹槽的形式的对应延伸花键5'。
图4中示出了根据本发明的钻头1，其中L1表示轴4的从台肩平面26到平面冲击表面7的轴向长度，L2表示钻机头部2的从前表面的主平面到台肩平面的总长度，因而包括圆柱形状的前部部分20和后部部分21两者，L3表示钻机头部的圆柱形状前部部分20的轴向长度，以及L4表示钻机头部的圆柱形状后部部分的轴向长度。此外，D1表示在钻机头部的圆柱形状前部部分20处测量的钻机头部2的最大直径，该最大直径是与钻机头部的实心部分形成切线的圆周，所述实心部分位于切割物通道22之间离中心最远距离处；D2是钻机头部的圆柱形状后部部分21的直径，以及D3是轴4的最大直径。D1/D2的比始终大于1，并且始终小于1.25：优选地，所述比为大约1.05。台肩的最外部部分描绘了一个圆周，应明白，该圆周的直径为钻头1的圆柱形状后部部分21的延伸。
轴4的最大直径D3形成这样的虚构圆柱体，该虚构圆柱体向前朝着钻头的前表面延伸，并且与位于前表面的中央处的至少一些销3'相交，所述至少一些销主要在所述中央销的有效破碎表面(active crushing surface)的中心处，或者邻近中央部分。为轴4选择的相对于钻头前部处的中央销3'的位置的直径将冲击能朝着钻头中心的区域引导，即沿朝着钻机头部的重心的方向引导。因此应理解，传递至轴4的平面冲击表面7的冲击能被向上和向前引导到达钻头前部的这样的部分，钻头在这些部分处具有最大益处。
如通过附图清晰示出，外部管12具有均匀的外径，其基本对应于钻头1的圆柱形后部部分21的外径D2。因而，所述部分的外部周界基本相互排成直线。此外，选择钻机头部2的总轴向长度L2，以便其始终小于轴4的从台肩平面26至平面冲击表面7的轴向长度L1，并且另外，选择钻机头部2的后部部分21的轴向长度L4，以便其始终小于钻机头部的前部部分20的轴向长度L3。比L3/L4，即钻机头部的前部部分的长度L3相对于钻机头部的圆柱形状后部部分的轴向长度L4的比，始终大于1。比L3/L4在从2至4的区间内是合适的，并且优选地所述比为大约3。钻机头部2的总轴向长度L2与轴4的从台肩平面26至平面冲击表面7的轴向长度L1之间的比(即L2/L1)小于0.3，优选地为0.15。
本发明不限于上面已描述的以及在附图中所示的实施方式：能够在所附权利要求限定的创新观念的范围内以若干种不同方式改变和修改。
Claims (7)
1.一种钻头，旨在用于潜孔钻以减少由于所述钻头中的力而形成的裂纹和断裂，并且包括具有前表面的钻机头部(2)，所述前表面设有钻机销(3)和轴(4)，其中所述轴比所述钻机头部窄，并且旨在以这样的方式插入，即允许轴向滑动至钻机夹盘的端部中，所述钻机夹盘是潜孔钻的构件，并且所述轴具有后端部分(6)，该后端部分利用平面冲击表面(7)稍微加厚，为所述潜孔钻的构件的锤活塞布置成撞击到所述平面冲击表面上，当沿着所述钻机头部的轴向方向观察时，所述钻机头部具有圆柱形状前部部分(20)和圆柱形状后部部分(21)，所述圆柱形状前部部分设有将钻孔切割物引走的切割物通道(22)，所述圆柱形状后部部分定位在所述切割物通道的底部(25)的相同水平高度处或稍微低于该底部以便接收钻孔切割物，其中所述圆柱形状前部部分的直径(D1)比所述圆柱形状后部部分的直径(D2)大，所述钻机头部(2)具有从所述前表面的主平面到位于所述钻机头部(2)与所述轴(4)之间的台肩平面(26)的总轴向长度(L2)，其特征在于，所述钻机头部的圆柱形状前部部分(20)的轴向长度(L3)比所述钻机头部的圆柱形状后部部分(21)的轴向长度(L4)长，其中所述钻机头部(2)的所述圆柱形状前部部分(20)的轴向长度(L3)与所述圆柱形状后部部分(21)的轴向长度(L4)之间的比，即L3/L4，处于2-4的区间之内。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述钻机头部(2)的总轴向长度(L2)选择成使得该总轴向长度始终比所述轴(4)的从所述台肩平面(26)计算至所述平面冲击表面(7)的轴向长度(L1)短。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的钻头，其中，所述钻机头部(2)的所述圆柱形状前部部分(20)的直径(D1)与所述圆柱形状后部部分(21)的直径(D2)之间的比处于1-1.25的区间之内。
4.根据权利要求3所述的钻头，其中，所述钻机头部(2)的所述圆柱形状前部部分(20)的直径(D1)与所述圆柱形状后部部分(21)的直径(D2)之间的比为1.05。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的钻头，其中，所述钻机头部(2)的总轴向长度(L2)与所述轴(4)的从所述台肩平面(26)至所述平面冲击表面(7)的轴向长度(L1)之间的比，即L2/L1，始终小于0.3。
6.根据权利要求5所述的钻头，其中，所述钻机头部(2)的总轴向长度(L2)与所述轴(4)的从所述台肩平面(26)至所述平面冲击表面(7)的轴向长度(L1)之间的比，即L2/L1，为0.15。
7.根据前述权利要求1-2中任一项所述的钻头，其中，所述轴(4)的最大直径(D3)形成这样的虚构圆柱体，该虚构圆柱体向前朝着所述前表面延伸并且与位于所述前表面中央的至少一些钻机销(3')相交，所述至少一些钻机销主要处于所述销的有效破碎表面的中心或者在有效破碎表面的中央部分附近。
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