CN104995368A - 旋转式钻头 - Google Patents

Abstract

一种空气冷却的钻地钻头，其包括多个凸出件。每个凸出件包括销凸缘。第一滚子座圈位于销凸缘的远侧。止推凸缘位于第一滚子座圈的远侧。至少一个销凸缘通气槽71设置在销凸缘的背向第一滚子座圈的表面中。至少一个销凸缘排气槽81沿轴承的承载侧敞开。至少一个止推凸缘通气槽71设置在止推凸缘的面向第一滚子的表面中。该至少一个止推凸缘通气槽81沿轴承的承载侧敞开。多个流道设置在凸出件内以供给流体至至少一个销凸缘通气槽71和至少一个止推凸缘通气槽81。

Description

旋转式钻头

技术领域

本发明涉及钻地旋转式钻头以及穿过该钻头结构的空气/流体流道。

背景技术

旋转式锥形钻头主要地用于露天采矿并且通常以总体上包括三个凸出件的结构终止。在每个凸出件上设置有包括多个切割元件的锥形形状的钻头。该三个锥形件设置成使得他们朝向中心点成一定角度。当钻头钻入材料中时，使用钻孔流体将钻下的材料从孔中排出。钻孔流体还冷却并且清洁如下描述的轴承结构。当使用旋转式锥形钻头钻探时，钻可以频繁地移动。空气通常用作钻孔流体以增加钻探设备的轻便性。

图1示出了处于直立位置的常规旋转式钻头的示例。该结构包括中心轴1。轴终止于三个凸出件3、5、7。每个凸出件上安装有锥形件9、11、13。图2示出了图1中所示的结构，使得锥形件中的一者的中心轴线是水平。图3示出了从图2中所示的A-A方向观察的视图。图4示出了图3中所示的视图，其中，仅示出了一个凸出件。

图6示出了凸出件中的一者，其中，移除了锥形件。为了允许锥形件在凸出件上旋转，每个凸出件包括多个轴承和滚子。凸出件和锥形件包括多个座圈，轴承和滚子承坐在所述多个座圈上。凸出件和轴承部件的该示例包括多个小滚子17、多个滚珠轴承19和多个大滚子21。

图7示出了锥形件的内部视图。锥形件包括座圈，当钻头使用时，轴承和滚子承坐在所述座圈上。锥形件的该示例包括小滚子座圈23、滚珠轴承座圈25和大滚子座圈27。小滚子和小滚子座圈可以称作内部轴承。大滚子和大滚子座圈可以称作外部轴承。

图8示出了凸出件，其中，移除了锥形件。如在图8中可以看到的，凸出件包括小滚子座圈29、滚珠轴承座圈31和大滚子座圈33。在座圈上就位的轴承和滚子在图6中示出。

滚子座圈和轴承座圈是有边界的并且部分地由凸出件中的凸缘形成。按照这样的思路，小滚子座圈29由销凸缘47和止推凸缘49定边界。轴承座圈31由止推凸缘49和大滚子座圈凸缘51形成。大滚子座圈是有边界的并且由大滚子座圈凸缘51和基部凸缘53形成。这些凸缘的直径、厚度和轮廓可根据应用以及采用的滚子和轴承而变化。

为了冷却并且便于钻下的材料从轴承腔移除，凸出件包括延伸穿过该凸出件的多个通道。通道将流体-通常是空气-从轴中的中心通道15导引至凸出件与锥形件之间的空间，以及导引出锥形件的端部。

图9示出了附接有锥形件的凸出件的截面图。根据该示例，凸出件包括长形空气孔，该长形空气孔将流体从轴供给至凸出件和锥形件中的其它的通道中。长形空气孔35供给从长形空气孔分支出的多个附加的通道57和39。流体比如空气通过如下所述的各种开口离开长形空气孔和/或通道。

图9还示出了：小滚子17和座圈23、29，滚珠轴承19和座圈25、31，以及大滚子21和座圈27和33。凸出件和锥形件形成为使得锥形件与凸出件之间的空间将允许流体在凸出件与锥形件之间通过。这样的通道可包括副排气槽67。锥形件与凸出件之间的处于周边处的间隙可产生“空气帘”，该“空气帘”有助于防止钻探碎屑进入锥形件与凸出件之间的空间。

还如图9中所示，在流道37中可设置有滚珠塞43。滚珠塞在滚珠轴承被引入钻头组件之后保持所述滚珠轴承。按照这样的思路，滚珠轴承有助于将锥形件保持在凸出件上。锥形件通常与已经在凸出件上的滚子组装在一起。滚珠轴承然后可通过流道37被装载并且离开滚珠装载孔63进入凸出件与锥形件之间的空间，滚珠轴承在该空间处承坐在滚珠座圈上。滚珠轴承将锥形件锁定在凸出件上。在滚珠轴承被装入之后，滚珠塞43被插入滚珠装载孔37并且焊接就位以将滚珠轴承保持在滚珠座圈中并且将锥形件保持在凸出件上。

另外，止推按钮可以安装至凸出件和锥形件或者焊接件可以附接至凸出件和锥形件并且被布置在流道39的端部处。凸出件和锥形件中的止推按钮或焊接凸缘形成通道39端部处的两个轴向支承中的一者。另一个以及主要的轴向支承为止推凸缘，对于凸出件来说该止推凸缘标记为49，而对于锥形件来说，其标记为24。

流动通过各种流道的流体可以从凸出件中的各种通道离开凸出件。例如，图8示出了各种开口，流体可经过这些开口。开口可包括位于流道39的端部处的中线空气孔45。流动通过中线空气孔45的流体可穿过凸出件止推按钮中的孔并且也可被导引通过销凸缘47中的槽55。

流体可通过凸缘的面向小滚子的表面中的止推凸缘空气孔57离开凸出件。止推凸缘可包括位于止推凸缘空气孔附近的厚度减小区域59或止推凸缘铣槽(TFMS)，以便于空气流动到止推凸缘空气孔外。为了进一步导引流体从止推凸缘空气孔流动，增加的凸缘切口深度的区域可以通过止推凸缘的表面中的槽边缘61定周边。流体可从图9中示出的流道37离开图8中示出的滚珠装载孔63。

流体也可流过设置在凸出件上、且位于锥形件的基部附近的主排气槽65和副排气槽67。空气可流过主排气槽和副排气槽。

在钻探操作期间，图1至图5中所示的钻头组件沿从孔向下观察的视角的顺时针方向旋转。图1和图5中所示的锥形件的最低的部分形成钻头的承载支承表面，其中，在图1、图2和图5中示出了钻头的下部导引边缘69。

当空气被用作钻探流体时，空气压力可根据应用而变化。根据一个示例，采用45psi(磅/平方英寸)或3.1bar(巴)的最小压力。这样可以有助于确保递送足够的空气至轴承和滚子以使其发挥功能。压力可根据所采用的具体的钻机和压缩机、操作高度以及其他因素而变化。流道——包括喷嘴——的尺寸可根据压力影响的变量变化以产生期望的压力。对于压力而言理想的是，保持低于提供空气的压缩机能够调节的水平，这样可降低整体输出。

发明内容

数十年来，旋转式锥形钻头中的流体流道和开口的结构基本上保持不变。本发明的实施方式旨在优化经过钻头的流体的流动。优化流体流动可改善钻头的冷却和钻头的运行。

本发明的实施方式包括一种空气冷却的钻地钻头，该空气冷却的钻地钻头包括多个凸出件，所述多个凸出件各自具有设置在凸出件上的锥形件和轴承结构，该轴承结构包括允许锥形件相对于凸出件旋转的多个滚子轴承和滚珠轴承。每个凸出件包括位于凸出件的末梢端处的销凸缘。第一滚子座圈位于销凸缘的远侧。多个第一滚子承坐在第一滚子座圈上。止推凸缘位于第一滚子座圈的远侧。滚珠座圈位于止推凸缘的远侧。多个滚珠轴承承坐在滚珠座圈上。滚珠座圈凸缘位于滚珠座圈的远侧。第二滚子座圈位于滚珠座圈凸缘的远侧。多个第二滚子承坐在第二滚子座圈上。第二滚子座圈凸缘位于第二滚子座圈的远侧。凸出件包括：设置在销凸缘的背向第一滚子座圈的表面中的至少一个销凸缘通气槽，和/或设置在止推凸缘的面向第一滚子的表面中的至少一个止推凸缘通气槽。至少一个销凸缘通气槽沿轴承的承载侧的方向敞开。至少一个止推凸缘通气槽沿轴承的承载侧的方向敞开。多个流道设置在凸出件内以将流体供给至该至少一个销凸缘通气槽和至少一个止推凸缘通气槽。

本发明的其他实施方式提供了一种空气冷却的钻地钻头，所述空气冷却的钻地钻头包括多个凸出件，所述多个凸出件各自具有设置在凸出件上的锥形件和轴承结构，该轴承结构包括允许锥形相对于凸出件旋转的多个滚子轴承和滚珠轴承。每个凸出件包括位于凸出件的末梢端处的销凸缘。第一滚子座圈位于销凸缘的远侧。多个第一滚子承坐在第一滚子座圈上。止推凸缘位于第一滚子座圈的远侧。滚珠座圈位于止推凸缘的远侧。多个滚珠轴承承坐在滚珠座圈上。滚珠座圈凸缘位于滚珠座圈的远侧。第二滚子座圈位于滚珠座圈凸缘的远侧。多个第二滚子承坐在第二滚子座圈上。第二滚子座圈凸缘位于第二滚子座圈的远侧。多个第二滚子座圈空气离开槽设置成位于第二滚子座圈凸缘的远侧。第二滚子座圈空气离开槽设置用于产生基本上完全地围绕钻头的空气帘。凸出件内的多个流道将流体供给至多个第二滚子座圈空气离开槽。

另外，本发明的实施方式涉及一种用于设计空气冷却的钻地钻头的方法，所述空气冷却的钻地钻头包括多个凸出件，所述多个凸出件各自具有设置在凸出件上的锥形件和轴承结构，该轴承结构包括允许锥形件相对于凸出件旋转的多个滚子和轴承。每个凸出件包括位于凸出件的末梢端处的销凸缘。第一滚子座圈位于销凸缘的远侧。多个第一滚子承坐在第一滚子座圈上。止推凸缘位于第一滚子座圈的远侧。滚珠座圈位于止推凸缘的远侧。多个滚珠轴承承坐在滚珠座圈上。滚珠座圈凸缘位于滚珠座圈的远侧。第二滚子座圈位于滚珠座圈凸缘的远侧。多个第二滚子承坐在第二滚子座圈上。第二滚子座圈凸缘位于第二滚子座圈的远侧。引入从凸出件内的内部流体流道至凸出件的外部的至少一个流体流道和/或增大凸出件的凸缘中的至少一者的至少一部分的厚度，以允许加深TFMS(止推凸缘铣槽)用于增大空气流动。对流体的流量和流速进行分析并且反复地引入和分析直至获得期望的流量和流速为止。

对于本领域的技术人员来说，根据以下仅借助对预期执行本发明的最佳方式的说明的详细描述，本发明的其他目的和优点将变得更加明显，其中，详细描述中仅示出并且描述了本发明的优选实施方式。如将意识到，本发明可以是其他的和不同的实施方式，并且本发明的若干细节可以在不背离本发明的情况下在各个明显的方面做出修改。因此，附图和说明书应被认为实质上是说明性的而不是限制性的。

附图说明

当结合附图考虑时，本发明的上述目的和优点将被更清楚地理解，在附图中：

图1示出了处于直立钻探位置的已知的旋转式钻头设计的视图；

图2示出了图1中所示的设计旋转成使得一个锥形件为水平的视图；

图3示出了从图2中所示的A-A方向观察的视图；

图4示出了图1至图3中所示的设计的视图，其中仅示出一个凸出件，并且移除了锥形件；

图5示出了图4中所示视图的特写；

图6示出了图1至图5中所示的设计中的凸出件中的一者的视图，其中，滚子轴承和滚珠轴承就位；

图7示出了将被组装在图6中所示的凸出件上的锥形件的视图；

图8示出了图6中所示的凸出件的视图，其中，移除了轴承部件；

图9示出了图6中所示的凸出件的截面图；

图10示出了图示了针对图1至图9中所示的两个不同尺寸的钻头的平均流率的图表；

图11示出了根据本发明的凸出件的实施方式；

图12和图13示出了根据本发明的销凸缘槽的实施方式的特写视图；

图14示出了根据本发明的止推凸缘通气槽的实施方式的特写视图；

图15示出了根据本发明的止推凸缘的实施方式；

图16示出了根据本发明的止推凸缘槽的实施方式的侧边缘的特写视图；

图17示出了根据本发明的轴颈的一部分的实施方式的截面图；

图18示出了根据本发明的凸出件及锥形件的实施方式的一部分以及小滚子、滚珠轴承和大滚子的一部分；

图18a示出了凸出件及锥形件的已知设计的一部分的特写视图，包括滚珠轴承和大滚子的一部分；

图19示出了根据本发明的钻头结构的实施方式的截面图，示出了凸出件中的内部流动路径；

图20示出了根据本发明的钻头结构的实施方式的与图19中所示实施方式垂直的截面图；

图21示出了根据本发明的凸出件的实施方式，其中，轴承结构包括就位的大滚子、小滚子和滚珠轴承，示出了流体流动；

图22示出了凸出件的已知的设计，轴承结构包括就位的大滚子、小滚子和滚珠轴承，示出了流体流动；以及

图23至图36示出了图示了根据本发明的实施方式在钻头的整个使用寿命中的流体流动方面的改善的图表。

具体实施方式

尽管轴承失效的事实已经众所周知，但是随着时间的经过，旋转式锥形钻头的设计从根本上没有太大变化。为了设法确定钻头失效的原因，对已经失效的钝的钻头进行了检查和分析。对失效的性质进行了分析。在负载条件下对处于未用过和磨损的两个状态下的钻头设计进行了计算机分析。通过对负载条件下的钻头的分析，机械加工所需的间隙和装配公差可能被结合在轴承的非承载侧，从而使轴承的承载侧磨损(starving)。

确认了失效的两个主要的源头。一个源头是内部轴承失效。第二个源头是由于污染而使外部轴承剥落，从而导致轴承表面的不规则承载。

分析了失效之后，对钻头的设计进行分析以确定增大空气流率和模式以用于改进的冷却和清洁性的方式。这些分析确定了对流体流动具有明显的消极效应的凸出件的元件设计。轴承/滚子设计和轴承表面的分析结果没有从根本上改变设计，从而保持基本的设计和几何形状不变。

因而，对基本的几何形状做出修改从而使性能方面明显的改进。因此，可以在不需要改变钻头的制造过程的情况下实施本发明的实施方式。然而，已经以多种方式优化了流体流动的几何形状以更好地冷却和清洁轴承腔。

修改的目的可包括增大以给定压力流动通过轴承的流体，增大至内部轴承的空气流动——这是因缺乏冷却空气而导致的早期失效的主要源头，以及/或者对增大的流进行重新分配，从而使通过轴承的流和全部轴承象限(bearing quadrant)的平均压力最大化。增大流增大了包括轴承和滚子的轴承结构的冷却。特别地，增大钻头承载侧上的空气将使得轴承运行更清洁、更冷却并且更持久。特别地，减少轴承结构的承载侧上的污染将延迟由于剥落、点蚀和锈蚀导致的磨损。

根据对现有设计的分析，发现至内部轴承的空气流量是最少的。按照这样的思路，该空气流量占进入轴承的流量的近似大约6％。当出现磨损时，流量从该最低水平减少，降至大约3％。

钻头设计的修改包括个体几何形状修改、组合的几何形状修改、对称的几何形状修改和流体几何形状细化。按照这样的思路，确认个体几何形状修改，个体几何形状修改中的任一者都改善了流体流动。因而，进行各种的个体修改以进一步改善流体流动。同样也在对称地设置的个体几何形状修改或个体几何形状修改的组合中发现了优点。此外，通过分析流体几何形状，发现了在流动结构中存在的再循环区域以及对轴承结构的修改可包括减小或消除再循环区域的修改。可采用个体几何形状修改、个体几何形状修改的组合、对称设置的几何形状修改和/或流体流动几何形状修改中的任一者或更多者来改善流体流动并且因此提高轴承寿命。

如上面所描述并且如图9中所示出的，围绕锥形件的周边流出锥形件与凸出件之间的空气有助于防止碎屑进入锥形件与凸出件之间的空间并且因此避免进入轴承座圈。除了发现在未用过钻头和磨损的钻头中的低流率之外，分析表明：在磨损且承载的条件下，随着在使用期间轴承的磨损，通过主要的滚子座圈的承载侧的质量流率和主要的滚子座圈的承载侧上的空气的离开速度减小。随着空气流减小，由于缺乏冷却而导致磨损增大。由于空气流量减小，碎屑将在图9中所示的下部周边间隙42处进入锥形件与凸出件之间的空间。

根据钻头是否处于承载或非承载状态，钻头的流动特征变化很大。在非承载状态下，如所设计的，所有的部件组装成均匀地、周向地围绕轴承轴线。另一方面，在承载状态下，在使用期间所经历的情况下对钻头进行分析，当压力将施加至进入被钻探的材料中的钻头组件，所有部件都接触在图5中所示的承载侧2上。在承载的情况下，制造和组装钻头所需的间隙被推至钻头的与承载侧相背对的一侧。该非承载侧4位于如图5中所示的轴承的顶部上。在钻头的非承载侧上的较大的间隙减小了在轴承的具有减小的间隙的承载侧上的空气流量。空气将自然地选择阻力最小的路径和/或通过钻头结构的存在较少的碎屑的最短路径，并且周边间隙在轴承的非承载侧上是最大的。

现有的解决方案仅解决了在未用过的、非承载状态下的流动，其未准确地反映在使用期间和磨损之后的情况。图10是图示了针对所分析的两个尺寸的钻头在未用过状态和磨损状态下的空气流率、速度和压力的平均值。特别地，钻头具有大约11英寸或大约12.25英寸的直径。磨损被假设为至轴向轴承和径向轴承大约0.050英寸，这模拟了通常在钻头的使用寿命的大约一半至三分之二的点处的磨损。如可以在图10中看到的，流率受到了这种小量的磨损的很大的影响。

本发明的实施方式解决了已知钻头设计的缺点，以重新分配流动通过轴承结构的空气，避免碎屑进入轴承并且当在使用期间磨损发展时保护轴承的磨损侧。本发明的实施方式可包括针对钻头设计的很多不同的变化中的一者或更多者以改进空气流动并且减少磨损。对空气流动的改进可包括空气围绕轴承结构的更均匀的流动并且在轴承的整个寿命期间保持该流动。改进可减少从未用过状态至磨损状态的磨损。一些最明显的改善是针对在磨损状态下通过轴承的空气流动的。通过增大空气流，本发明的实施方式降低了磨损率和轴承的失效率。

通过使空气围绕轴承结构更均匀地或对称的流动通过轴承，可以减小空气从入口至出口流动通过轴承的距离。对称可以是相对于水平面和竖直面的。离开流可以相对于竖直面对称。然而，离开流不能相对于水平面对称。这是因为在轴承的下导引边缘上的空气离开槽将被碎屑填满和/或在此种碎屑可引起最大损害的位置中提供碎屑路径。流体流可以相对于从下止点旋转大约20°的平面对称。这是由于钻头在使用期间旋转引起迫使下止点移动。流体流动可以关于平面或围绕平面对称。

凸出件设计的修改包括：凸出件内的流动路径、允许空气离开凸出件的通气孔、凸出件凸缘中的凹槽和/或槽、空气流动凹槽和/或槽的轮廓、和/或拐角轮廓方面的改变。一些改变有助于消除具有少量空气流动或没有空气流动的死区。修改可以采用任何组合或全部一起的方式以获得多种程度的空气流动改善。

图11示出了根据本发明的凸出件的实施方式。图11中所示实施方式包括位于销凸缘47中的槽71。在本实施例中，销凸缘槽71是在销凸缘中铣削的单独的、战略性地定向的槽。这是与图8中所示的具有呈不同取向的多个浅槽的已知的设计的不同之处。

在图11中所示的实施方式中，销凸缘槽设置在销凸缘的底部边缘上。销凸缘槽可以以与凸出件的下止点成一定角度地延伸穿过销凸缘以使得在使用期间轴承上的负载从轴承的下止点移位。销凸缘槽的深度可以是销凸缘厚度的大约50％至大约75％。

通常，销凸缘包括如图11中所示的一个槽。然而，通过多于一个槽、一个设置成不同于本文中所示或所描述的并且或者具有不同于本文中所描述的尺寸的槽也可以获得改善的空气流动。

在图11中所示的销凸缘槽的实施方式中，销凸缘槽延伸成具有彼此不平行的侧部，使得销凸缘槽具有朝向销凸缘的外边缘的扩大的宽度，如图12中所示。按照这样的思路，销凸缘槽可以具有介于大约10°至150°之间的发散角度。然而，销凸缘可以敞开成具有任何发散的几何形状。发散的几何形状可有助于分散出来自凸出件端部处的止推按钮的空气。

为了增大通过槽比如销凸缘槽或本文中描述的任何其他槽的流体流，在其中形成有槽(多个槽)的凸缘的厚度与已知的设计相比可以增大。这样可以增大槽(多个槽)的深度，并且从而增大通过槽(多个槽)的流体流。因此，凸缘可具有与轴承的总长度相比增大的厚度。在某些情况下，这样可以减小轴承的尺寸，比如与已知的设计相比，滚子具有减小的长度和/或滚珠轴承具有减小的直径。

为了进一步改善空气流动，销凸缘槽以及凸出件中的其他槽和凹槽的边缘可以修改成不同于已知的设计。按照这样的思路，销凸缘槽的内部开口和外部开口的边缘可包括倒角，并且介于销凸缘槽的侧部73与底部表面75之间的毗邻部分、以及销凸缘的内部表面和外部表面可以是圆形的。根据图13中所示的一个实施方式，倒角相对于销凸缘槽的侧部和底部表面呈大约60°的角度。另外，介于倒角与底部表面75之间的毗邻部分77可以是如图13中所示的圆形。倒角角度和圆形的毗邻部分两者可帮助减小已发现存在于销凸缘槽的边缘内和边缘处的再循环区域。

倒角的角度可以在大约35°与大约75°之间变化。通常，圆形的毗邻部分是圆弧的，但是可具有其它的曲率。销凸缘槽的侧部73和底部表面可以是平面的。然而，侧部和/或底部表面可具有其他轮廓。与介于销凸缘槽与销凸缘的内侧表面和外侧表面之间的毗邻部分一样，介于销凸缘槽的侧部与底部表面之间的毗邻部分可包括弧形的交叉部分。替代性地，侧部和底部表面可以相交成直角或具有倒角。

止推凸缘49也可包括设置成大致与销凸缘通气槽一致的通气槽81。在该区域中的止推凸缘中设置通气槽81可产生在凸出件上方的流动路径，该流动路径增大至钻头组件的临界承载表面的流动，如图21中由箭头83指示的。该流动路径可以被认为是“动力清洗装置(power washer)”。该动力清洗装置在理想地将可能是离开槽的位置处增加了高流动区域。在该位置处的离开槽由于其相对于钻头承载侧的位置将聚集有碎屑。动力清洗装置可产生“虚拟的”离开槽。通过冷却和减少碎屑，该特征单独地可提供磨损率方面的明显的降低以及轴承寿命的增大。

在图11中所示的实施方式中，止推凸缘通气槽81与沿图11中所示的取向的销凸缘槽一致。在该位置中，止推凸缘通气槽可以以与凸出件的下止点成一定角度地延伸穿过止推凸缘以使得在使用期间负载从下止点移位。止推凸缘通气槽的深度可以是止推凸缘的厚度的大约40％至大约75％。

在图11中所示的止推凸缘通气槽的实施方式中，止推凸缘通气槽延伸成具有大致彼此平行的侧部，使得止推凸缘通气槽具有恒定的宽度。按照这样的思路，销凸缘槽的宽度可以是止推凸缘槽的宽度的大约50％至大约250％。

止推凸缘通气槽的表面可包括平的和/或弧形的表面。图14中所示实施方式包括平的侧表面79和底部表面81以及介于两个平的表面之间的弯曲的区域83。侧部和底部表面也可相交呈直角、倒角或较小的弧形部。止推凸缘通气槽的整个表面也可以是弯曲的。

与销凸缘槽一样，为了进一步改善空气流动，止推凸缘通气槽的边缘也可修改成不同于已知的设计。按照这样的思路，止推凸缘通气槽的内部开口和外部开口的边缘可包括倒角85，并且介于侧表面79与底部表面75之间的毗邻部分和止推凸缘通气槽的弧形毗邻部分83、以及止推凸缘的内部表面和外部表面可以是圆形的。根据图14中所示的一个实施方式，倒角相对于销凸缘槽的侧部和底部表面呈大约60°的角度。另外，介于倒角85与侧表面79、底部表面75之间的毗邻部分87以及弧形的毗邻部分83可以是圆形的，如图14中所示。倒角的角度可以在大约35°与大约75°之间变化。通常，圆形的边界是圆弧的，但是可具有其它的曲率。倒角角度和圆形的毗邻部分两者可帮助减小已发现存在于止推凸缘通气槽的边缘内和边缘处的再循环区域。倒角与其它表面之间的过渡部可以被认为是混用的边缘。图14也图示了滚珠座圈释放切口103。这种混用的边缘不包括以90°角度相交的拐角。

可以包括在本发明的实施方式中的针对钻头设计的另一改进是在小滚子座圈中的一个或更多个通气孔。图11中所示的实施方式包括两个小滚子座圈通气孔89。小滚子座圈通气孔的位置可以变化。通常，孔位于凸出件的非承载侧上。孔(多个孔)可以相对于负载的中心或相对于凸出件的下止点对称地设置。

小滚子座圈通气孔(多个孔)的尺寸可以变化。尺寸一定不能大到使得孔(多个孔)干涉小滚子的操作。通常，小滚子座圈通气孔的直径为其定位的座圈的长度的大约20％至大约50％。

与设计中的其他表面的交叉部类似，位于小滚子座圈处的小座圈通气孔的边缘可具有除了90°拐角之外的轮廓。通过将分隔部引入设计来消除尖锐的90°的边缘可有助于通过减少和/或消除湍流和/或流动中的止区而便于流动通过轴承。

止推轴承可包括除了止推凸缘通气槽之外的其他流道。按照这样的思路，在止推凸缘的面向小滚子座圈的表面中可以设置有至少一个止推凸缘铣槽91。

止推凸缘铣槽(多个止推凸缘铣槽)的取向和设置可以变化。图15中所示的实施方式包括两个止推凸缘铣槽91。止推凸缘铣槽(多个止推凸缘铣槽)的深度可以是止推凸缘厚度的大约40％至大约75％。止推凸缘铣槽(多个止推凸缘铣槽)的宽度通常可从止推凸缘的内部朝向凸缘的外部增大。止推凸缘铣槽的底部表面的大部分可以是大致平的。

然而，侧表面可以是弧形的以消除或减小再循环区域。分析结果确认止推凸缘铣槽的侧表面95为出现再循环的区域。该表面的曲率可以减小或消除再循环区域。图16示出了止推凸缘铣槽可以具有的曲率的示例。如图16中示出了复杂的曲率。按照这样的思路，图16中所示的实施方式包括多个弧形的以及平的部分。止推凸缘铣槽的侧表面可具有其他曲率，并且由减小或消除该区域中的再循环的弧形的和平的表面的其他组合组成。

除了具有弧形的表面之外，介于止推凸缘铣槽的侧表面95与底部表面93之间的毗邻部分可包括如上面结合销凸缘槽和止推凸缘通气槽所描述的倒角和/或弧形部。类似地，介于止推凸缘的侧表面的底部表面93之间的毗邻部分可包括与销凸缘槽和止推凸缘通气槽类似的倒角或弧形的表面。

如图15中所示的实施方式中，止推凸缘空气孔57可至少部分地打开至止推凸缘铣槽中。如图15中所示，止推凸缘空气孔与止推凸缘铣槽的底部表面的交叉部可包括倒角和/或弧形的表面。

同样如图15中所示，止推凸缘可包括小滚子座圈空气凹槽101。小滚子座圈空气凹槽可完全地围绕止推凸缘延伸。此种小滚子座圈空气凹槽的实施方式提供了连接止推凸缘通气槽、止推凸缘铣槽和止推凸缘空气孔的流动路径，该止推凸缘空气孔可至少部分地打开在小滚子座圈空气凹槽中。在一些实施方式中，小滚子座圈空气凹槽可不完全地围绕止推凸缘延伸。

小滚子座圈空气凹槽可延伸至止推凸缘的表面中至与止推凸缘通气槽、止推凸缘铣槽和止推凸缘空气孔同样的深度。这样可以产生通过小滚子座圈空气凹槽、止推凸缘通气槽、止推凸缘铣槽和止推凸缘空气孔的更均匀的流体几何形状。如果止推凸缘通气槽和/或止推凸缘铣槽(多个止推凸缘铣槽)与小滚子座圈空气凹槽不在一个平面上，则通常止推凸缘通气槽和/或止推凸缘铣槽(多个止推凸缘铣槽)在他们的深度的大约10％至大约25％内。如果止推凸缘通气槽和/或止推凸缘铣槽(多个止推凸缘铣槽)与小滚子座圈空气凹槽不在一个平面上，则通常止推凸缘通气槽和/或止推凸缘铣槽(多个止推凸缘铣槽)与小滚子座圈空气凹槽的交叉部是圆形的并且/或者包括倒角。这样可以帮助减小再循环区域并且增大流量。

小滚子座圈空气凹槽的侧表面的边缘在他们与止推凸缘铣槽的侧表面边缘、止推凸缘通气槽的侧表面、止推凸缘的表面和/或止推凸缘空气孔的侧部相交的位置处可包括倒角和/或弧线。滚珠装载孔63与滚珠座圈31的交叉部也可包括倒角和/或弧线。通常，如果本文中描述的各种表面的任何交叉部包括倒角，则倒角的交叉部和表面(多个表面)是混用的，比如通过倒弧形或倒圆角，而不是以离散的角度相交。圆形的或混用的边缘可帮助减小再循环区域、湍流和死区并且增大流量。

为了进一步改善空气流动，滚珠座圈与大滚子座圈和/或止推凸缘之间的凸缘51可包括至少一个滚珠座圈释放切口103。如果凸出件包括滚珠座圈释放切口，那么切口的数量可以变化。图11中所示的实施方式在凸缘51和止推凸缘中的每一者上包括六个滚珠座圈释放切口。切口可以围绕凸缘51和止推凸缘对称地设置。替代性地或另外地，在其它方面，滚珠座圈释放切口可以设置成与一个或更多个其他特征一致，比如止推凸缘通气槽、止推凸缘铣槽等等。凸缘51和止推凸缘上的滚珠座圈释放切口可以对准。按照这样的思路，滚珠座圈释放切口可以根据一个实施方式设置为间隔大约120°。滚珠座圈释放切口可以从间隔大约20°至间隔大约180°设置。在其它方面，该距离可取决于切口的数量。

滚珠座圈释放切口(多个滚珠座圈释放切口)可完全地延伸穿过凸缘51和/或止推凸缘的厚度。滚珠座圈释放切口的侧部105可以是弧形的，如图11中所示的实施方式中。替代性地，滚珠座圈释放切口的侧部可以是平的、并且与滚珠座圈释放切口的底部表面107以直角相遇。介于滚珠座圈释放切口的侧表面与滚珠座圈释放切口的底部表面和/或凸缘51的侧表面和/或止推凸缘之间的毗邻部分可包括如上所述的倒角和/或弧形的表面。与倒角的/弧形的的表面中的任一者一样，可以采用以上描述的角度。

根据本发明的钻头设计的实施方式的进一步改进可包括设置在流动越过/通过大滚子座圈之后在轴颈的基部处的一个或更多个空气离开槽。离开槽(多个离开槽)的开口可面向外以相对于轴颈的中心轴线垂直地导引空气。轴颈是轴承轴的从凸出件的端部突出的部分。通常，如图8中所示，轴颈141以相对于凸出件或钻头轴线成一定角度地延伸。轴颈配装至锥形件的程度通常为钻头本体从顶部至底部的大约三分之一，使得凸出件轴线与钻头轴线相同。

图11中所示的实施方式包括三个空气离开槽109、110。如图11中所示，槽设置成间隔大约30°至大约110°，其中两个空气离开槽位于凸出件的相对两侧上并且一个空气离开槽位于顶部上。图11中所示的视图未示出位于凸出件的与槽110相背对的侧上的槽。图11中所示的视图中的凸出件的顶部处的槽109与凸出件的承载侧相背对。如此设置，使得槽109可形成相对于由销凸缘槽和止推凸缘通气槽形成的“动力清洗装置”的偏置。

凸出件可包括槽110和相对侧上的槽。实际上，凸出件可包括围绕凸出件的多个槽，只要来自槽的凸出件流动将穿过下述平面保持平衡即可：所述平面平分或接近平分包括或接近包括槽109和/或涉及定中心在轴承的承载/非承载区域上的竖直的或接近竖直的平面的其他特征在内的平面。这样可意味着在平面的每侧上设置相同数量的槽，或可以设置不同数量的槽。槽的布置可以是相对于以上平面中的一个平面是对称的或几乎对称的。另一方面，如果通过槽产生的流动是对称的，那么槽可以不设置成相对以上平面中的一个平面对称。

如与已知的设计相比，在本发明的实施方式中可包括的离开槽(多个离开槽)110的优点可包括离开槽(多个离开槽)110在数量、位置和尺寸方面是可以操控的，以产生期望的空气流动分配和/或以建立有效的空气帘。已知的排气槽允许大多数空气离开通过轴承的顶部，而不建立用于排除碎屑的空气帘。

限定大滚子座圈的凸缘53可包括完全地或部分地围绕其圆周延伸的空气凹槽108。大滚子座圈空气凹槽108可有助于围绕整个凸出件和锥形件周向地分配流体流动。凹槽可以选择性地设置成以一定间隔间断地或不间断地围绕圆周，以如所期望的操控轴承象限之间的流动。图11a以截面图示了大滚子座圈空气凹槽的实施方式。

在本发明的实施方式中可包括的对流体流动的其他改进可包括被定轮廓为产生发散的几何形状的凸缘表面。图16中示出了凸出件和锥形件的一部分的实施方式。图18示出了小滚子23、小滚子座圈空气凹槽、小滚子座圈25、止推凸缘49、轴承座圈31和25、轴承19、大滚子21以及大滚子座圈33和27的一部分。如图18中所示，凸缘49和凸缘51的端表面以及锥形件上的互补的表面可具有产生用于流体流动的空间并且产生具有发散的几何形状的流体流动的轮廓。例如，如图18中所示，凸缘的边缘可以是圆形的，而不是包括如已知设计中的倒角。针对轴颈和相应的锥形件上的凸缘表面的改变可积极地影响沿向外方向流动的流体，其在凸出件的下部末端处离开轴颈的末梢端。例如，倒角的消除可消除会破坏流动模式的尖锐的边缘。相反，根据已知的设计，凸缘之间的流体量具有消极地影响沿向外方向的流动的合并的或最多平行的几何形状，如图18a中所示。

除了改变凸出件的外部表面的设计之外，本发明可包括对凸出件内的流动路径的改进。图19和图20在两个相互垂直的截面示出了凸出件中的内部流道。如图19中所示，已经对将流体从长形空气孔111导引至凸出件内的其它流道——比如流道119——的滚珠装载通道125中的滚珠塞113进行了修改，以减小再循环区域。例如，滚珠塞上的导引表面113已经被修改使得其边缘与长形空气孔的边缘比如在交叉点117处以及与流道119在交叉点121处相遇。另外，流道的侧壁的轮廓可以被改变以改善流体流动。此外，在一些实施方式中，流道的直径可以被扩张——特别地，在点117与点121之间——以增大相同区域中围绕滚珠塞113的中心杆的流体流。这样可以提供增大的流量，以供给附加的流动出口，比如，小滚子座圈通气孔(多个小滚子座圈通气孔)89，可增加供给通道123作为流道119的分支。

图20中所示的截面图示出了提供从通道119至小滚子座圈的流动的小滚子座圈通气孔供给通道123和130，该通道119供给止推按钮。如图20中所示，滚珠塞杆113和交叉孔可以设置在不同平面中以有助于围绕滚珠塞杆113的流体运动。通常，与滚珠装载孔交叉的孔构造用于减小再循环区域。另外，滚珠塞杆可以缩短并且杆的下部本体可以加长。滚珠塞杆头部可以具有凹形的下部。同样，全部孔直径可以最大化并且中心孔可以相对于销凸缘偏置。对于滚珠塞和孔做出的所有这些修改可以减小再循环。

图21示出了根据本发明的实施方式的凸出件的视图，其示出了空气流动，并且，滚子和轴承就位。本实施方式包括以上讨论的全部特征以改善钻头结构中的流体流动，从而说明通过钻头的流动。按照这样的思路，销凸缘槽71与止推凸缘通气槽81的对齐有助于产生流下凸出件和锥形件的内部的流体的流动，如由箭头125图示的。根据使用的钻头，该流体流动直接地朝向承载的下止点或承载下止点的任一侧的大约35°之内。这样确保了流体在临界区域中流动，易于碎屑的积累。

帮助围绕钻头结构分配流体的其他特征包括小滚子座圈通气孔，在图21中所示的实施方式包括两个小滚子座圈通气孔。这些通气孔产生由箭头127指示的流动。该流动进一步由止推凸缘铣槽91和滚珠座圈释放切口103导引。

另外，流体流动通过止推凸缘孔59产生由箭头129指示的流动并且滚珠装载孔产生由箭头131指示的流动。此外，离开槽109产生由箭头133指示的流动。

围绕钻头的空气的分配有助于产生围绕钻头的空气帘125。这可有助于更高效地冷却轴承结构。流动还可以帮助防止碎屑进入在凸出件与锥形件之间的周边间隙42中。另外，根据本发明的修改可增大流体离开速度。通过增大承载侧上的质量流率和承载侧上的离开速度可以增大空气帘的效果。随着象限之间的压力变化减小，也可以增大空气帘的效果。按照这样的思路，低压区域会允许更多碎屑进入轴承。

这与图22中所示的已知钻头结构中的流体流动相反。如图22中所示，流体流动沿图22中所示取向被全部导引至结构的上半部分中。按照这样的思路，销凸缘槽55和止推凸缘孔57如由箭头135指示的横向地或向上地导引流动离开几何形状下止点。另外，滚珠装载孔如由箭头137指示的导引空气向上。此外，主排气槽和副排气槽如由箭头139指示的导引流体。所有这些元件产生围绕轴承的圆周的一部分的流体的导向，从而导致不充分的冷却和碎屑渗入轴承结构。

图23至图32中详细地示出了流体流动和钻头寿命方面的改善。按照这样的思路，图23图示了图表，其示出了当对比图21中所示的本发明的实施方式相对于图8中所示的已知的设计时在未用过状态与磨损状态之间两个钻头尺寸中关键测量值的改善。测量值是所分析的两个尺寸的平均值，并且包括总体流量、平均压力、承载侧上的离开速度(EVLS)、承载侧上的质量流率(MFRLS)、以及内部轴承流体流动。如图23中所示，本发明的实施方式可提供对这些测量值的明显的改善。图23是基于未用过状态和磨损状态的测量值。

图24示出了图示了图23中所示值贯穿未用过状态的分析过程的进展的图表。图25示出了图24中所示的相同的进展，但是是用于磨损状态的。

图26至图28示出了在与例如图8中所示已知的钻头设计相比，包括本发明的实施方式的各个方面的钻头结构中在未用过和磨损条件下的各种参数的改善。例如，图26示出了在内部轴承处的流体流动方面的改善。如图26中所示，本发明的每个方面可改善处于磨损条件下的轴承流动。另外，本发明的每个方面示出了除了各自的几何形状修改之外在未用过条件下的改善的轴承流动。图27示出了承载侧上的质量流率的改善并且图28示出了承载侧上的离开速度的改善。

轴承结构和相关的流体流动可以相对于象限进行分析。按照这样的思路，图21中所示的结构可以分成象限，图29至图32示出了分析处于不同象限Q1、Q2、Q3、Q4中的钻头的改善。由于当钻头旋转时负载移位，因此象限从水平和竖直移位。事实上，根据在使用期间钻头的旋转有多快，负载下止点可以从下止点移位大约5°至大约35°。

图29和图30示出了图21中所示实施方式相对于图8中示出的已知设计之间在未用过状态和磨损状态下的离开流动和平均压力中的改善。未示出改善的唯一一个象限为处于磨损状态的象限Q2。这是因为现有的设计已经将大多数的流动导引至象限Q2。如在图29中可以看到的，所有其他的象限都具有改善，并且象限Q3和Q4经历了在未用过状态和磨损状态下在空气流动方面明显的改善。另外，如图30中所示，与已知的设计相比，所有象限都具有在未用过和磨损的两个状态下在平均象限压力方面明显的改善。

对称地设置的流动路径可有助于保证围绕钻头不存在特别脆弱的区域，碎屑能更容易地渗入此种区域。在某些情况下，特征可以相对于图21中所示视图的右侧和左侧对称地设置，比如小滚子座圈通气孔。然而，不可能关于图21中所示视图中的上部象限和下部象限对称地设置。例如，流体离开槽不能位于下部象限中，因为下导引边缘定位在此处。此种离开槽将快速地聚集有碎屑或允许碎屑进入相对于钻头的轴承结构的最差的区域。

图31和图32示出了比较根据本发明的实施方式的不同修改在未用过和磨损情况下象限Q1至象限Q4中的离开流动。图33示出了图示通过在未用过状态和磨损状态下的轴承的总体流量占基线流量的百分比的图表，其示出了各种个体几何形状修改、组合的几何形状修改、对称的几何形状修改和流体几何形状的细节的效果。图33中涉及的阶段I和阶段III涉及各种修改的计算机分析。阶段II和阶段IV涉及计算机分析的实验验证。

图34示出了图示了对于两个不同尺寸的钻头在未用过状态和磨损状态下的各种流动参数之间的差的图表。图35图示了示出了具有已知的和改良的设计的两个不同尺寸的钻头在未用过状态和磨损状态下的总体流率占总体流量的百分比。

本发明可包括用于设计钻头的方法。该方法可包括分析钻头的轴承结构中的流动。比如以上描述的一个或更多个修改可以引入轴承结构。可以针对包括个别修改和两个或更多个修改的组合的修改中的每一者的轴承进行流动分析。可以更改修改的特征，比如位置、尺寸、取向、相对于其他修改的定位。因而可以对流动进行重新分析。可以执行这些步骤的多重的迭代以产生钻头设计。可以对由各种修改产生的流动的相互作用进行分析以确定流动是否相互抵消。

通常，修改设计元素使得它们不相互抵消，而是一起工作以产生协调的流动。从流体的进入点至流体的离开点可以获得协调的流动。

通常，协调的流动避免了抵消流动。例如，来自入口的流动不抵消来自其他入口的流动或来自出口的流动，反之亦然。另外，协调的流动可以被认为当从销凸缘至离开槽的空气流动大致沿直线时存在。此外，协调的流动可以被认为当流体相对于轴承组件大致向外流动时存在。如果存在协调的流动，那么流体基本上均匀地流入和流出轴承。按照这样的思路，流动通常在象限中是平衡的，并且尽可能均匀地分配，除了由于不能将离开槽定位在轴承的底部上——因为离开槽会非常快速地被填充碎屑——轴承的底部处的流率将通常总是低于轴承的上部区域之外。

也对是否对称地设置设计元件将改善流动进行了分析。在某些情况下，局部对称提供了最佳的改善。局部对称可包括关于仅一个轴线比如竖直轴线的对称。设计元件也可被调整以创建当空气从入口移动至出口时在流动中的流动模式，比如涡模式或旋转运动。

本发明的实施方式的优点可包括增大流动和轴承寿命。流动可以在轴承结构的整个使用期间都是可持续的用于以更好的冷却和清洁轴承，从而得到更持久、可持续的轴承使用期限。再循环区域可以减小，以减小流动限制和流动损耗。可以产生如上所述的动力清洗装置流动区域。再循环区域存在于流体不向外移动的地方。动力清洗装置流动区域可潜在地倒置用于内部轴承和主滚子轴承座圈的承载侧的磨损率曲线的斜率。动力清洗装置流动区域可延伸轴承结构的整个轴向长度至“虚拟的”离开槽。这样可以使可移动至内部轴承的切口平齐。动力清洗装置流动区域可将钻头的经受过最高的故障率的区域变成具有某些最高相对流率的区域。这可产生以上描述的增大的流率和压力。本发明的实施方式还可产生如上所描述的空气帘。空气帘对于保持尽可能地接近100％的碎屑排出可能是重要的。除了在离开槽处之外，在围绕周边的任何点处的空气帘的缺乏可被认为是高危碎屑进入点。贯穿本发明的发展，通过使用快速成型部件的实验结果对计算机化的分析通过进行了证实和验证。

本发明的前述说明示出了并且描述了本发明。另外，公开内容示出并且描述的仅是本发明的优选实施方式，但是如上所述，应理解的是，本发明能够用于各种其他组合、变型和环境，并且能够根据上述教示和/或相关领域的技能或知识而在如本文中表达的创造性概念的范围内进行改变或修改。本文中上述的实施方式还意在阐释已知的为执行本发明的最佳模式并且使本领域的技术人员能够者这样的或者其他的实施方式中使用本发明，以及根据对本发明使用或具体应用的需要进行各种修改。因此，该描述并非意在将本发明限制为本文中公开的形式。同样，其意在将所附权利要求理解为包括替代性实施方式。

Claims (45)

1.一种空气冷却的钻地钻头，包括：多个凸出件，所述多个凸出件各自具有轴承结构和设置在所述凸出件上的锥形件，所述轴承结构包括允许所述锥形件相对于所述凸出件旋转的多个滚子轴承和滚珠轴承，每个凸出件包括：位于所述凸出件的末梢端处的销凸缘，位于所述销凸缘的远侧的第一滚子座圈，承坐在所述第一滚子座圈上的多个第一滚子，位于所述第一滚子座圈的远侧的止推凸缘，位于所述止推凸缘的远侧的滚珠座圈，承坐在所述滚子座圈上的多个滚珠轴承，位于所述滚珠座圈的远侧的滚珠座圈凸缘，位于所述滚珠座圈凸缘的远侧的第二滚子座圈，承坐在所述第二滚子座圈上的多个第二滚子，以及位于所述第二滚子座圈的远侧的第二滚子座圈凸缘，所述钻头包括：

下述中的至少一者：

至少一个销凸缘通气槽，所述至少一个销凸缘通气槽位于所述销凸缘的背向所述第一滚子座圈的表面中，其中，所述至少一个销凸缘通气槽沿所述轴承的承载侧的方向敞开，或者

至少一个止推凸缘通气槽，所述至少一个止推凸缘通气槽位于所述止推凸缘的面向所述第一滚子的表面中，其中，所述至少一个止推凸缘通气槽沿所述轴承的所述承载侧的方向敞开；以及

位于所述凸出件内的多个流道，所述多个流道用以将流体供给至所述至少一个销凸缘通气槽或所述至少一个止推凸缘通气槽。

2.根据权利要求1所述的钻头，还包括：

位于所述第一滚子座圈中的至少一个第一滚子座圈通气孔。

3.根据权利要求2所述的钻头，其中，所述至少一个第一滚子座圈通气孔与所述轴承的所述承载侧相背地设置。

4.根据权利要求2所述的钻头，其中，所述钻头包括与所述凸出件的所述承载侧相背地设置的两个第一滚子座圈通气孔，其中，所述通气孔与所述至少一个销凸缘通气槽相背地对称地设置。

5.根据权利要求1所述的钻头，还包括：

至少一个滚珠座圈释放切口，所述至少一个滚珠座圈释放切口设置在所述滚珠座圈凸缘的边缘中或所述止推凸缘的边缘中。

6.根据权利要求1所述的钻头，还包括：

设置在所述第二滚子座圈凸缘上的至少一个第二滚子座圈凸缘空气凹槽。

7.根据权利要求1所述的钻头，还包括：

位于所述止推凸缘的面向所述第一滚子的表面中的至少一个止推凸缘槽；以及

位于所述止推凸缘的面向所述第一滚子的表面中的第一滚子座圈空气凹槽，其中，所述至少一个止推凸缘槽、所述至少一个止推凸缘通气槽和所述第一滚子座圈空气凹槽延伸入所述止推凸缘的所述表面中大致相同的距离。

8.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述销凸缘、止推凸缘和滚珠座圈凸缘的侧表面是圆形的，并且其中，所述锥形件的与所述销凸缘、止推凸缘和滚珠座圈凸缘的侧部相对地设置的内部表面上的表面是圆形的。

9.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个销凸缘槽具有随着距轴颈的中心轴线的距离的增大而增大的宽度。

10.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个销凸缘槽的外边缘包括倒角和介于所述倒角与所述至少一个销凸缘槽的表面和所述销凸缘的侧表面之间的圆形过渡部。

11.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述至少一个销凸缘通气槽与所述至少一个止推凸缘通气槽关于平面对称地设置。

12.根据权利要求11所述的钻头，其中，所述平面穿过所述钻头的下止点，从而产生协调的流动分配并且不抵消流动。

13.根据权利要求11所述的钻头，其中，所述平面相对于穿过所述钻头的下止点的平面成角度。

14.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述凸出件上的或所述锥形件的内部表面上的表面不以90°的拐角相交。

15.根据权利要求1所述的钻头，还包括：

开设在所述滚珠座圈中并且构造成允许滚珠轴承被引入所述滚珠座圈的滚珠装载孔以及滚珠装载通道；

滚珠塞，所述滚珠塞构造成被设置在所述滚珠装载通道中，所述滚珠塞包括凹形下部；

多个通道，所述多个通道与所述滚珠装载通道相交，所述多个通道设置成并使直径最大化成使得在所述多个通道中不存在再循环区域；以及

位于所述凸出件中的中心通道，所述中心通道相对于所述销凸缘偏移。

16.根据权利要求15所述的钻头，其中，所述滚珠装载通道、滚珠塞杆、与所述滚珠装载通道相交的多个通道、以及位于所述凸出件中的中心通道被设计成用以减小再循环区域，从而增大流体流。

17.一种空气冷却的钻地钻头，包括：多个凸出件，所述多个凸出件各自具有轴承结构和设置在所述凸出件上的锥形件，所述轴承结构包括允许所述锥形件相对于所述凸出件旋转的多个滚子轴承和滚珠轴承，每个凸出件包括：位于所述凸出件的末梢端处的销凸缘，位于所述销凸缘的远侧的第一滚子座圈，承坐在所述第一滚子座圈上的多个第一滚子，位于所述第一滚子座圈的远侧的止推凸缘，位于所述止推凸缘的远侧的滚珠座圈，承坐在所述滚子座圈上的多个滚珠轴承，位于所述滚珠座圈的远侧的滚珠座圈凸缘，位于所述滚珠座圈凸缘的远侧的第二滚子座圈，承坐在所述第二滚子座圈上的多个第二滚子，以及位于所述第二滚子座圈的远侧的第二滚子座圈凸缘，所述钻头包括：

位于所述第二滚子座圈凸缘的远侧的多个第二滚子座圈空气离开槽，其中，所述第二滚子座圈空气离开槽设置成产生基本上完全地围绕所述轴承的周边的空气帘；以及

位于所述凸出件内的多个流道，所述多个流道用以将流体供给至所述多个第二滚子座圈空气离开槽。

18.根据权利要求17所述的钻头，还包括：

下述中的至少一者：

至少一个销凸缘通气槽，所述至少一个销凸缘通气槽位于所述销凸缘的背向所述第一滚子座圈的表面中，其中，所述至少一个销凸缘通气槽沿所述轴承的承载侧的方向敞开；以及

至少一个止推凸缘通气槽，所述至少一个止推凸缘通气槽位于所述止推凸缘的面向所述第一滚子的表面中，其中，所述至少一个止推凸缘通气槽沿所述轴承的所述承载侧的所述方向敞开。

19.根据权利要求17所述的钻头，还包括：

位于所述第一滚子座圈中的至少一个第一滚子座圈通气孔。

20.根据权利要求19所述的钻头，其中，所述至少一个第一滚子座圈通气孔与所述轴承的所述承载侧相背地设置。

21.根据权利要求17所述的钻头，其中，所述钻头包括与所述凸出件的所述承载侧相背地设置的两个第一滚子座圈通气孔，其中，所述通气孔与所述至少一个销凸缘通气槽相背地对称地设置。

22.根据权利要求17所述的钻头，还包括：

至少一个滚珠座圈释放切口，所述至少一个滚珠座圈释放切口设置在所述滚珠座圈凸缘的边缘中或所述止推凸缘的边缘中。

23.根据权利要求17所述的钻头，还包括：

设置在所述第二滚子座圈凸缘上的至少一个第二滚子座圈凸缘空气凹槽。

24.根据权利要求17所述的钻头，还包括：

位于所述止推凸缘的面向所述第一滚子的表面中的至少一个止推凸缘槽；以及

位于所述止推凸缘的面向所述第一滚子的表面中的第一滚子座圈空气凹槽，其中，所述至少一个止推凸缘槽、所述至少一个止推凸缘通气槽和所述第一滚子座圈空气凹槽延伸入所述止推凸缘的所述表面中大致相同的距离。

25.根据权利要求17所述的钻头，其中，所述销凸缘、止推凸缘和滚珠座圈凸缘的侧表面是圆形的，并且其中，所述锥形件的与所述销凸缘、止推凸缘和滚珠座圈凸缘的侧部相对地设置的内部表面上的表面是圆形的。

26.根据权利要求17所述的钻头，其中，所述至少一个销凸缘槽具有随着距轴颈的中心轴线的距离的增大而增大的宽度。

27.根据权利要求17所述的钻头，其中，所述至少一个销凸缘槽的外边缘包括倒角和介于所述倒角与所述至少一个销凸缘槽的表面和所述销凸缘的侧表面之间的圆形过渡部。

28.根据权利要求17所述的钻头，其中，所述多个第二滚子座圈空气离开槽关于平面对称地设置。

29.根据权利要求17所述的钻头，其中，所述平面穿过所述钻头的下止点，从而产生协调的流动分配并且不抵消流动。

30.根据权利要求17所述的钻头，其中，所述平面相对于穿过所述钻头的下止点的平面成角度。

31.根据权利要求17所述的钻头，其中，所述凸出件上的或所述锥形件的内部表面上的表面不以90°的拐角相交。

32.根据权利要求17所述的钻头，还包括：

开设在所述滚珠座圈中并且构造成允许滚珠轴承被引入所述滚珠座圈的滚珠装载孔以及滚珠装载通道；

滚珠塞，所述滚珠塞构造成被设置在所述滚珠装载通道中，所述滚珠塞包括凹形下部；

多个通道，所述多个通道与所述滚珠装载通道相交，所述多个通道设置成并使直径最大化成使得在所述多个通道中不存在再循环区域；以及

位于所述凸出件中的中心通道，所述中心通道相对于所述销凸缘偏移。

33.根据权利要求32所述的钻头，其中，所述滚珠装载通道、滚珠塞杆、与所述滚珠装载通道相交的多个通道、以及位于所述凸出件中的中心通道被设计成用以减小再循环区域，从而增大流体流。

34.一种用于设计空气冷却的钻地钻头的方法，所述钻头包括：多个凸出件，所述多个凸出件各自具有轴承结构和设置在所述凸出件上的锥形件，所述轴承结构包括允许所述锥形件相对于所述凸出件旋转的多个滚子轴承和滚珠轴承，每个凸出件包括：位于所述凸出件的末梢端处的销凸缘，位于所述销凸缘的远侧的第一滚子座圈，承坐在所述第一滚子座圈上的多个第一滚子，位于所述第一滚子座圈的远侧的止推凸缘，位于所述止推凸缘的远侧的滚珠座圈，承坐在所述滚子座圈上的多个滚珠轴承，位于所述滚珠座圈的远侧的滚珠座圈凸缘，位于所述滚珠座圈凸缘的远侧的第二滚子座圈，承坐在所述第二滚子座圈上的多个第二滚子，以及第二滚子座圈凸缘，所述方法包括：

修改从所述凸出件内的内部流体流道至所述凸出件的外部的至少一个流体流道，和/或通过增加所述凸出件的所述凸缘中的至少一者的至少一部分的厚度修改和/或引入所述凸缘中的至少一者的表面中的流体流道，从而增大所述流道的深度并且增大通过所述流道的流体流；

分析流体的流量和流速；以及

重复所述引入和所述分析，直至获得期望的流量和流速为止。

35.根据权利要求34所述的方法，其中，将多个流道引入所述凸出件和/或所述凸出件的至少一个凸缘中。

36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述多个流道关于所述凸出件和/或相对于轴颈的至少一个轴线对称地设置。

37.根据权利要求34所述的方法，还包括：

分析所述钻头的设计以确定再循环区域并且变更所述钻头的设计以减小或消除所述再循环区域。

38.根据权利要求34所述的方法，其中，将从所述凸出件内的内部流体流道至所述凸出件的外部的所述至少一个流体流道和/或在所述凸出件的所述凸缘中的至少一者中的至少一个流体流道关于平面对称地设置。

39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述平面穿过所述钻头的下止点，从而产生协调的流动分配并且不抵消流动。

40.根据权利要求38所述的方法，其中，所述平面相对于穿过所述钻头的下止点的平面呈角度，从而产生协调的流动分配并且消除抵消流动。

41.根据权利要求34所述的方法，其中，使所述凸出件上的或所述锥形件的内部表面上的表面不以90°的拐角相交。

42.根据权利要求34所述的方法，还包括：

提供开设在所述滚珠座圈中并构造成允许滚珠轴承被引入所述滚珠座圈的滚珠装载孔以及滚珠装载通道；

提供滚珠塞，所述滚珠塞构造成被设置在所述滚珠装载通道中，所述滚珠塞包括凹形的下部；

提供与所述滚珠装载通道相交的多个通道，所述多个通道设置成并使直径最大化成使得在所述多个通道中不存在再循环区域；并且

在所述凸出件中提供相对于所述销凸缘偏移的中心通道。

43.根据权利要求42所述的钻头，还包括：

将所述滚珠装载通道、滚珠塞杆、与所述滚珠装载通道相交的多个通道、以及位于所述凸出件中的中心通道设计成减小再循环区域，从而增大流体流。

44.根据权利要求34所述的方法，其中，在所述钻头处于未用过状态和磨损状态的情况下对流体的流量和流速进行分析。

45.根据权利要求34所述的钻头，还包括：

贯穿所述过程通过实验测试证实和验证所述分析。