CN102575499A - 用于冲击钻的钻头的硬金属嵌件和用于研磨硬金属嵌件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括硬金属嵌件(1)，其用于被包括在用于冲击钻的钻头内，嵌件包括帽(2)和圆柱形部分(3)，帽构成包括磨损表面(2a)的磨损部分，圆柱形部分构成具有横截面积(A)和直径(D)的安装部。帽(2)包括具有沿着嵌件的对称轴线(x)从帽的磨损表面(2a)上的第一点(a)至在帽中的第二点(b)的延伸(H)的前部部分(4)。前部部分(4)构成在第一平面(I)和第二平面(II)之间的体积(Vf)，第一平面在第一点(a)处与对称轴线(x)成直角相交，第二平面在所述第二点(b)处与对称轴线(x)成直角相交。体积(Vf)大于或等于前部部分在第二平面内的横截面积(Af)乘以沿着对称轴线(x)在第一点(a)和第二点(b)之间的距离(H)的积的0.6倍，前部部分在第二平面内的直径(Df)大于或等于安装部的直径(D)的0.5倍并小于或等于安装部的直径(D)的0.6倍。本发明还涉及用于重新研磨被磨损的嵌件的方法。

Description

用于冲击钻的钻头的硬金属嵌件和用于研磨硬金属嵌件的方法

技术领域

本发明涉及一种硬金属嵌件、一种包括至少一个硬金属嵌件的钻头和一种用于重新研磨已磨损的嵌件的方法。

背景技术

包括大量硬金属嵌件的钻头用于冲击钻。硬金属嵌件的任务是实现在重复击打到钻头上期间在待钻孔的岩石中形成裂纹。

硬金属嵌件包括帽、圆柱形部分和底部。帽构成被磨损的部分，而圆柱形部分与底部一起构成嵌件与钻头的接触表面，。帽可具有几种形状中的任一种，如球形、半弹道的或全弹道的。硬金属嵌件相对于钻头对称轴线的定向取决于嵌件在钻头中的位置而不同。

嵌件的帽在钻孔期间被磨损，并且由此其形状被改变。在钻孔期间嵌件被磨损的区域形成一表面，其在下面将被称为“磨损阶段”。嵌件从钻头突出的且暴露以磨损的区域在下面将被称为“磨损表面”。

当磨损已经进展直到磨损阶段的区域达到嵌件的圆柱形部分的横截面面积的25％时，适合通过研磨使嵌件恢复到其初始的有帽的形状。在钻孔期间通过磨损嵌件的帽部在高度上被消耗，并且嵌件因此的总长度在每个钻孔阶段期间变小。

在穿透深度和在嵌件与岩石之间的接触表面的尺寸之间存在直接的相互关系。在穿透深度和冲击波中的力的大小之间也存在直接的相互关系。

对于具有相同初始形状的嵌件而言，相比将磨损较少的硬金属嵌件敲入，需要更多的功率来将磨损相对多的嵌件以给定的距离敲入到岩石内。其意味着，利用包括已经磨损的金属嵌件的钻头将花费相当多的时间并且需要更多的力来钻出给定延伸的孔。

这意味着，将钻头压入到岩石中达到不同的深度，其取决于组成的嵌件被磨损多少，也就是说，取决于嵌件和岩石之间接触表面的尺寸。较大的接触面积提供到岩石内的较低的穿透。因此，此处定义为每单位时间所钻的孔的长度，也就是钻速，其将在钻孔阶段期间下降，该钻孔阶段由相同的钻头和嵌件执行。重新研磨嵌件的原因之一是因此在钻头的完整使用寿命期间确保相对高的钻速。

硬金属嵌件可被多次重新研磨到其初始的帽形。嵌件可被研磨的次数取决于多个因素，包括嵌件长度、帽的高度以及在嵌件和钻头之间的接触表面的所需尺寸。

钻头的使用寿命取决于硬金属嵌件的磨损率，磨损率被测量为孔每钻一米嵌件在长度上的减少。用于在岩石中钻孔的生产成本取决于钻头的使用寿命，而且因此又取决于孔每钻一米作为钻头的组件的嵌件在长度上的减少。

存在对于能被再研磨的硬金属嵌件的需求，其优化了用于在岩石中冲击钻孔的生产成本。

发明内容

本发明的一个目的是，提供一种硬金属嵌件，该硬金属嵌件的使用对于冲击钻而言在经济方面是有利的。本发明的第二个目的是，提供一种用于对在岩石中的冲击钻的硬金属嵌件重新研磨到所需形状的方法。

根据本发明的第一方面，该目通过提供一种用于安装在用于冲击钻的钻头中的硬金属嵌件来实现。所述硬金属嵌件包括帽和圆柱形部分，所述帽构成包括磨损表面的磨损部分，所述圆柱形部分构成具有横截面积A和直径D的装配部。帽包括前部部分，所述前部部分具有沿着嵌件的对称轴线x从在帽的磨损表面上的第一点至帽中的第二点的延伸H。所述前部部分构成在第一平面I和第二平面II之间的体积Vf，所述第一平面在所述第一点处与所述对称轴线成直角相交，所述第二平面在所述第二点处与所述对称轴线成直角相交。

前部部分4构成在第一平面I和第二平面II之间的体积Vf，所述第一平面在所述第一点a处与所述对称轴线x成直角相交，所述第二平面在所述第二点b处与所述对称轴线x成直角相交。

描述前部部分4的圆柱形体积V的大小可如下表示：

V＝Af x H

其中，Af是前部部分在第二平面II处的横截面积，并且H是沿着对称轴线x在第一点a和第二点b之间的距离。

比率Vf/V是体积比，其说明前部部分占周围的圆柱体的体积多大一部分。

根据本发明的解决方案说明了具有前部部分的嵌件，该前部部分具有沿着嵌件的对称轴线的某一延伸并且还具有某一体积。根据本发明在上面限定的体积比给出了限定相对钝的磨损表面的前部部分。

被设计成具有上面限定的大于或等于0.6的体积比的嵌件具有在帽的前部部分相对大的硬金属材料体积，该前部部分也就是穿透到岩石内并使岩石断裂的部分。

其是在前部部分在第二平面II内的横截面积Df具有相对于安装部的直径D的某一长度条件下的情形，如下：

0.5x D≤Df≤0.6x D

其中，Df是前部部分的横截面直径。

在钻头中的每个单独的嵌件具有在钻孔期间与岩石的接触表面。在钻头中的嵌件与岩石之间的总的接触表面限定了对于某一既定的力钻头能被挤压到岩石内的距离。对于嵌件的强度和嵌件的抗磨损的要求取决于嵌件被挤压到岩石内的距离，以及接触表面沿着某一特定嵌件离开定位到什么程度。

对于钻头中的嵌件的相对大的接触表面，如上所限定的，提供在钻孔期间相对较长的使用寿命。因此，点形成的接触表面相比于具有某一延伸的接触表面磨损得更多。

上述接触表面将在压碎区域进入到岩石中。目标是，当钻孔时，岩石中的压碎区域相比于嵌件被挤压到岩石内的体积或接触区域更大。这样，压碎区域部分地取决于接触区域。

在其它的目的中，根据本发明的钻头的设计目的是，通过根据本发明的嵌件实现的在岩石中的总的压碎区域应导致压碎具有相比钻头的最大直径更大的直径的孔。

实质上，压碎区域取决于在考虑到例如硬的、软的、易延展的、易碎的或遍布裂缝的或者这些特性的组合的情况下岩石是哪一种类型。

相对大的压碎区域导致每次击打或冲击波所处理的岩石的体积更大。其又使得可以借助于嵌件和钻头钻更高米数的孔。

上面限定的根据体积比Vf/V设计的嵌件实现了在钻孔操作期间在嵌件和岩石之间基本恒定的接触表面。其导致在穿透到岩石内的深度方面的相对低的变化，进而也导致钻速，也就是，每单位时间孔被钻的深度仅不显著地改变。

在帽的前部部分中的较大量的硬金属确保嵌件在重新研磨操作之间的较长工作时间，进而具有较长的使用寿命。其又对钻头提供了相对较长的使用寿命，降低了被钻出的孔的每米的成本。

此外，在帽的前部部分中的较大量的硬金属提供了由具有更小直径的嵌件替代当前可获取的嵌件的可能性，因此对于每个嵌件获得更多的空间，其将提高了钻速并且缩短产生钻孔所需要的时间。

根据本发明的一种替代性方案提出，前部部分具有磨损表面，磨损表面包括第一和第二球形部分。根据本发明的第二替代性方案提出，前部部分具有磨损表面，磨损表面包括基本平的前部部分和球形部分。根据本发明的另一替代性方案提出，前部部分具有磨损表面，磨损表面包括基本平的前部部分和锥形部分。

所有在本发明的创新思想内的替代性设计，对于给定的在钻孔期间从嵌件磨损掉的硬金属体积，相比之前已知的嵌件的情况，根据本发明的嵌件在高度方面的磨损更低。术语“在高度方面的磨损”在本文中用于表示在前部部分沿着嵌件的对称轴线的延伸方面的减少，该前部部分是帽的组件。

在本发明的一种设计方案中，所述前部部分的直径Df是安装部直径D的0.5倍或替代性的0.6倍。

根据本发明的第二方面，本发明的目的通过提供一种用于研磨用于冲击钻的嵌件的方法来实现，其中，所述嵌件不仅包括构成磨损部分的帽，磨损部分包括磨损表面，还包括构成具有横截面积A和直径D的安装部的圆柱形部分。该方法包括：研磨帽；以及形成沿着嵌件对称轴线从帽的磨损表面上的第一点至在帽中的第二点的延伸H的前部部分，从而使得前部部分构成在第一平面和第二平面之间的体积，所述第一平面在第一点处与对称轴线成直角相交，所述第二平面在第二点处与对称轴线成直角相交。体积的大小等于前部部分在第二平面II中的横截面积Af乘以沿着对称轴线在第一点a和第二点b之间的距离H的积的0.6倍。前部部分在第二平面中的直径Df大于或等于安装部的直径D的0.5倍，并且小于或等于安装部的直径D的0.6倍，其中，所述前部部分的体积Vf对应于在嵌件被重新研磨之前，硬金属在钻孔期间将被磨损掉的最少可能体积。

其在第一点处与对称轴线成直角相交。

其在第二点处与对称轴线成直角相交。

帽的前部部分的如上所限定的钝度有助于在嵌件被重新研磨时需要研磨掉更低的量，以致恢复嵌件的形状。相比于先前已知的嵌件，如球形的、全弹道的和半弹道的嵌件，根据本发明的嵌件被设计成，使得嵌件在需要重新研磨之前，更多体积的可用硬金属能被磨损掉。嵌件的在重新研磨操作之前必须或可以被磨损的长度H与例如半弹道的或标准的嵌件的相应长度相比相对更短。根据本发明的嵌件在每次重新研磨操作期间相比于传统的嵌件被缩短得相对更少。嵌件所位于其中的钻头因此具有更长的使用寿命。

限制重新研磨操作次数的因素是嵌件的用于功能性安装到钻头内所需要的最小长度。帽的高度也是对重新研磨操作次数的限制因素。

附图说明

应指出的是，附图不是按比例绘制的。

图1示出根据本发明的硬金属嵌件。

图2示出图1中的嵌件的前部部分。

图3a示出包括至少一个根据图1的硬金属嵌件的钻头。

图3b示出在利用替代性的钻头钻孔期间在嵌件和岩石之间的接触表面。

图4-6示出根据本发明的嵌件的替代性实施方式。

图7示出已经被磨损到某一程度的根据图1的嵌件。

图8示出图7中的帽部分的放大图。

图9示意性示出研磨体的表示图。

图10示出根据现有技术的半弹道的嵌件。

图11示出图10中的嵌件的前部部分。

图12示出已经被磨损到某一程度的根据图11的嵌件。

图13示出图12中的帽部分的放大图。

具体实施方式

根据本发明的硬金属嵌件1(图1)包括帽2和圆柱形部分3，帽构成包括磨损表面2a的磨损部分，圆柱形部分3具有直径D和横截面积A。帽2包括前部部分4，该前部部分具有沿着嵌件的对称轴线x从在帽的磨损表面2a上的第一点a至在帽中的第二点b的延伸H。

在图2中的平面II在对称轴线x上在点b处交叉通过帽2，并且帽2的横截面Af是具有直径Df的圆形。在图2中所示的嵌件的横截面的直径Df已经被设定为圆柱形部分的直径D的一半。前部部分的磨损表面4a构成帽的磨损表面2a的一部分。

理想的嵌件是圆柱形嵌件，也就是，具有体积比Vf/V的前部部分的嵌件，如上所限定地，也就是等于1。这样的嵌件不需要被重新研磨，因为其具有恒定的穿透深度。问题是，嵌件的直径则必须是当前所使用的嵌件的直径的一半，从而使得面积不会变得太大，因为冲击波必须具有足够的力来将嵌件挤压到岩石内。这样的圆柱形嵌件将不能承受机械负荷。

图3a示出了钻头6，钻头6包括多个根据本发明的硬金属嵌件1。

图3b示出了在处于某一穿透深度处的替代性钻头中，在钻头中的单个嵌件和岩石(在图中未示出)之间的接触表面18。图3b示出，接触表面18的尺寸和形状根据嵌件在钻头中的位置和嵌件的对称轴线相对于钻头的对称轴线的角度而不同。

硬金属嵌件在钻头中的定向很大程度上根据钻头的类型和尺寸以及嵌件在钻头中的位置而不同。一种描述该定向的方法是，指定角度V2，该角度是嵌件的对称轴线/纵向轴线相对于钻头的对称轴线/纵向轴线的角度。

根据本发明的硬金属嵌件用于以处于0度至45度区间中的角度V2设置。

本发明的一个优点是，根据图1的硬金属嵌件以角度V2设置，使得该角度与钻头的外周角一致，该硬金属嵌件在与孔的壁接触方面具有相对较大的面积。与岩石中的孔的壁形成接触的较大面积导致钻头在直径方面的磨损减少。角度V2在该情况下大约是35度。

图4示出嵌件的实施方式，嵌件包括具有如上所述限定的并由“钝的”表示的根据本发明的形状的前部部分。前部部分2具有磨损表面2a，该磨损表面包括具有半径R1的第一球形部分7和具有半径R2的第二球形部分8，其中，半径R1大于半径R2。

图5示出根据本发明的嵌件的替代性实施方式，嵌件具有前部部分4，该前部部分包括平的前表面9和在前表面9和圆柱形部分3之间的锥形部分10。在该实施方式中的前部部分与帽相符。

图6示出根据本发明的嵌件的替代性实施方式，嵌件具有前部部分4，该前部部分包括平的前表面11和在前表面11与帽2之间的球形部分12。

图7示出根据本发明的嵌件，该嵌件已被磨损至如下程度，即，磨损表面5的直径Dwear是圆柱形部分的直径D的50％。

图8示出嵌件1的帽，该帽具有磨损至与图7中所示的程度相一致程度的磨损表面2a。在将嵌件重新研磨至其初始形状的过程中，发生体积Vgrind的去除，如由图中阴影线所示。该图清晰地示出，在重新研磨操作期间，帽沿着嵌件的对称轴线的延伸不会受到影响。

已经指出，嵌件的长度不应当受到重新研磨操作的影响，而嵌件的工作体积的一部分被磨掉，以便重新获得所期望的嵌件形状。

图9示出用于在研磨机(在图中未示出)中使用的具有旋转轴线Y的研磨体13。研磨体包括凹槽14，该凹槽14被设计成适合于根据图1的硬金属嵌件。本发明的创新思想的一部分是，使磨辊成型，从而使得其与在该创新思想范围内的硬金属嵌件的替代性设计相适合。

图10-14示出标准的半弹道嵌件形式的现有技术。图10示出不使用的半弹道嵌件14，其包括帽15、圆柱形部分16和底部17。图11示出在图10中的嵌件14的前部部分15a。相比于图2，相应的平面II在对称轴线x上在点b处交叉通过帽15，并且帽15的横截面Asemi是具有直径Dfsemi的圆形。在图11中示出的嵌件的横截面的直径Dfsemi已经被设定成圆柱形部分的直径Dsemi的一半。

根据本发明用于嵌件14的体积比的计算给出了相对低的值。嵌件14的前部部分因此包括在重新研磨之前将被磨损掉的硬金属材料的相对较低的体积。沿着对称轴线x的在第一点a和第二点b之间的距离相对较大。因此，嵌件可被描述为在已经磨损掉硬金属的较低体积之后将被重新研磨的嵌件，也就是，比根据本发明的嵌件更频繁地重新研磨。

图12示出根据现有技术的半弹道嵌件，该嵌件已经被磨损至如下程度，即，磨损表面15a的直径Dwearsemi是圆柱形部分的直径Dsemi的50％。

图13示出嵌件14的帽，该帽具有已经被磨损至与图12中示出的程度相一致程度的磨损表面14a。在将嵌件重新研磨至其初始形状期间，发生体积Vslipsemi的去除，如由图中阴影线所示。该图清晰地示出，在重新研磨操作期间，帽沿着嵌件的对称轴线的延伸不会受到影响。然而，在每次重新研磨操作到初始形状期间，嵌件将被磨损掉的体积比在重新研磨根据本发明的嵌件的情形中更大。

Claims (10)

1.一种用于包括在冲击钻的钻头内的硬金属嵌件(1)，所述嵌件包括帽(2)和圆柱形部分(3)，所述帽(2)构成包括磨损表面(2a)的磨损部分，所述圆柱形部分(3)构成具有横截面积(A)和直径(D)的安装部，

其特征在于，

所述帽(2)包括前部部分(4)，所述前部部分(4)具有沿着所述嵌件的对称轴线(x)从所述帽的所述磨损表面(2a)上的第一点(a)至所述帽中的第二点(b)的延伸(H)，所述前部部分(4)构成在第一平面(I)和第二平面(II)之间的体积(Vf)，所述第一平面(I)在所述第一点(a)处与所述对称轴线(x)成直角相交，所述第二平面(II)在所述第二点(b)处与所述对称轴线(x)成直角相交，所述体积(Vf)大于或等于所述前部部分在所述第二平面内的横截面积(Af)乘以沿着所述对称轴线(x)在所述第一点(a)和所述第二点(b)之间的距离(H)的积的0.6倍，并且所述前部部分在所述第二平面内的直径(Df)大于或等于所述安装部的直径(D)的0.5倍并且小于或等于所述安装部的直径(D)的0.6倍。

2.根据权利要求1所述的硬金属嵌件，其中，所述磨损表面(2a)包括第一球形部分(7)和第二球形部分(8)。

3.根据权利要求1所述的硬金属嵌件，其中，所述磨损表面(2a)包括基本上平的前部部分(11)和具有半径R3的球形部分(12)。

4.根据权利要求1所述的硬金属嵌件，其中，所述磨损表面(2a)包括基本上平的前部部分(9)和锥形部分(10)。

5.根据权利要求1所述的硬金属嵌件，其中，所述前部部分的所述直径(Df)优选地大于或等于所述安装部的直径(D)的0.5倍，并且小于或等于所述安装部的直径(D)的0.6倍。

6.根据权利要求1所述的硬金属嵌件，其中，所述前部部分的所述直径(Df)是所述安装部的直径(D)的0.5倍。

7.根据权利要求1所述的硬金属嵌件，其中，所述前部部分的所述直径(Df)是所述安装部的直径(D)的0.6倍。

8.根据前述权利要求中任一项所述的硬金属嵌件，其中，所述硬金属嵌件是能够被重新研磨的嵌件。

9.一种用于冲击钻的钻头(6)，包括至少一个根据权利要求1-7中的任一项设计的硬金属嵌件(1)。

10.一种用于研磨硬金属嵌件的方法，所述硬金属嵌件用于包括在冲击钻的钻头内，所述嵌件包括帽(2)和圆柱形部分(3)，所述帽(2)构成包括磨损表面(2a)的磨损部分，所述圆柱形部分(3)构成具有横截面积(A)和直径(D)的安装部，所述方法包括：研磨所述帽并且形成前部部分(4)，所述前部部分(4)具有沿着所述嵌件的对称轴线(x)从所述帽的所述磨损表面(2a)上的第一点(a)至在所述帽中的第二点(b)的延伸(H)，使得所述前部部分(4)构成在第一平面(I)和第二平面(II)之间的体积(Vf)，所述第一平面(I)在所述第一点(a)处与所述对称轴线(x)成直角相交，所述第二平面(II)在所述第二点(b)处与所述对称轴线(x)成直角相交，所述体积(Vf)等于所述前部部分在所述第二平面内的横截面积(Af)乘以沿着所述对称轴线(x)在所述第一点(a)和所述第二点(b)之间的距离(H)的积的0.6倍，并且所述前部部分在所述第二平面内的直径(Df)大于或等于所述安装部的直径(D)的0.5倍并小于或等于所述安装部的直径(D)的0.6倍，并且其中，所述前部部分的体积(Vf)对应于在所述嵌件被重新研磨之前硬金属用于在钻孔期间被磨损掉的最小体积。

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