CN105378209B - 钻头 - Google Patents

Abstract

一种钻头，其包括：主体部，主体部包括从主体部延伸的三个腿部，所述三个腿部围绕主体部的周缘设置；锥形切割件，锥形切割件以可旋转的方式安装在每个腿部上，锥形切割件定位成允许在锥形切割件与主体部之间具有间隙；突出部，突出部从主体部延伸到间隙中，其中，突出部促使钻屑远离主体部的在腿部与主体部相接位置处的基部区域。

Description

钻头

技术领域

本发明涉及一种三牙轮钻头(tri cone drill bit)。

背景技术

参照图1，示出了典型的三牙轮钻头，该三牙轮钻头包括具有大致圆筒形外表面的主体部，该大致圆筒形外表面包括螺纹部(未示出)，钻头通过该螺纹部连接至钻柱(未示出)的端部。

从主体12沿轴向向下的方向(尽管图1示出了在相反的取向上的钻头)延伸的是关于主体部的中心纵向轴线等距地间隔开的三个腿部。

所述三个腿部连接至能够相对于腿部旋转的三个锥形切割元件，所述腿部相对于主体部固定。锥形切割元件通常设置有若干排齿。

对钻头使用寿命期间的检查一致地表明：空气和碎片状材料的流动必须沿循一定的路径，以从钻头下面离开并随后从钻头周围离开。

本发明试图提供一种有助于将碎片状材料从钻头下面移除的钻头，并且因此提供一种在钻凿操作期间提供增大的效率的钻头。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了一种钻头，该钻头包括：

主体部，主体部包括从主体部延伸的三个腿部，所述三个腿部围绕主体部的周缘设置；

锥形切割件，所述锥形切割件以可旋转的方式安装在每个腿部上，所述锥形切割件定位成允许在锥形切割件与主体部之间具有间隙；

突出部，所述突出部从主体部延伸到所述间隙中，

其中，突出部促使钻屑离开主体部的在其腿部与主体部相接位置处的基部区域。

在一种形式中，突出部形成有距所述三个腿部大致等距离的顶端。在另一种形式中，突出部包括位于顶端与主体部的基部区域之间的斜表面。在另一种形式中，斜表面延伸经过主体部的基部区域，直至主体部的外表面处。在又一种形式中，突出部包括会聚在顶端处的多个斜面。在另一种形式中，斜面为凸状的，从而在斜面之间限定出脊部。

在一种形式中，钻头还包括一个或更多个出气口，所述一个或更多个出气口位于主体部的基部区域上并且构造成将空气大致引向锥形切割件。在另一种形式中，所述一个或更多个出气口为具有沿关于主体部的纵向轴线成径向的方向的长轴线的长形。在另一种形式中，出气口位于主体部的基部区域的周缘处并位于腿部占据的区域之间。在又一种形式中，腿部和所述一个或更多个出气口定位在脊部中，斜面随后形成用于使钻屑流动通过的通道，通道起始于顶端、在腿部与所述一个或更多个出气口之间穿过、并且延伸直至主体部的外表面。根据最后形式，出气口呈喷嘴的形式。

附图说明

根据下面结合附图对本发明的各种非限制性实施方式的详细描述，本发明将变得更好理解，在附图中：

图1为现有技术的三牙轮钻头的视图；

图2为根据本发明的三牙轮钻头的视图；

图3为以渲染表示的方式示出的根据本发明的三牙轮钻头的替代性视图；

图4为根据本发明的平面图；

图5为根据本发明的截面图；以及

图6为根据本发明的替代性截面图。

部件列表

1.现有技术钻头

2.钻头的主体部

3.腿部

4.切割牙轮

5.主体部的基部区域

6.出气口

7.根据本发明的钻头

8.突出部

9.突出部的顶端

10.脊部

11.突出部的斜面

12.通道

13.主体部的外表面

14.扇状部

15.修改的出气口

16.牙爪尖

17.轴承

具体实施方式

前面仅描述了本发明的一些实施方式，并且可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下对其进行修改和改变，这些实施方式为说明性的而非限制性的。

在本说明书的上下文中，词语“包括(comprising)”意指“主要包括但未必仅包括”或者“具有(having)”或“包括(including)”，而并非“仅由…组成”。词语“包括(comprising)”的诸如“包括(comprise)”和“包括(comprises)”之类的变型具有对应的变化意义。

图1中示出了典型的三牙轮钻头。该钻头1可以与钻柱(未示出)联接。钻头具有主体部2，从主体部2沿与主体部2和所附接的钻柱大致共线的方向延伸有三个腿部3。腿部3围绕钻头的周缘以等间距定位，并且腿部3各自适于安装锥形切割件4。锥形切割件4各自构造成围绕旋转轴线旋转。锥形切割件4通常具有齿或研磨面，使得三个旋转牙轮形成钻面，从而穿透或磨透与钻面接触的材料。

锥形切割件4移除的材料——称为钻屑或切割屑——通过切割件4的旋转作用以及钻头在正被钻凿的孔中的行进而被大致朝向主体部2的基部区域5抽取。主体部2的基部区域5位于腿部3与主体部2相接的大致区域中。

未从基部区域5抽离的钻屑可能聚积在正被钻凿的孔中并大致在钻头的附近。这种材料的聚积可能导致对材料的再次磨削，从而降低钻凿的生产率并且导致对钻头的额外的研磨磨损。将钻屑从锥形切割件4移除、并且更通常地为从基部区域5移除对钻头1的钻凿效率和使用寿命而言都至关重要。

仍参照图1，钻头1包括一个或更多个出气口6。出气口构造成将高压空气喷吹到正在钻凿的孔中。出于已描述的原因，该空气将钻屑从钻面的前部逐出并移除。出气口6一般位于主体部2周缘处并位于腿部3之间。在某些实施方式中，出气口6定位成与腿部3相邻或者大致相邻，而在图1的实施方式中，出气口6与腿部等距离。

在三牙轮钻头使用寿命期间的检查一致地表明：空气和碎片状材料的流动必须沿循一定的路径，以从牙轮4下面离开并且远离基部区域5。在钻孔过程中，由牙轮4产生的切割屑被喷射到主体部2的基部区域5上。由于基部区域5的平坦特征，钻屑将聚积在此并且与离开孔的切割屑的流发生干涉。这导致钻屑在钻头1的区域中的严重的湍流(turbulence)，从而妨碍试图从钻头下面离开并且离开孔的颗粒的流动。

另外，出气口6的定位使移动离开基部区域5的钻屑的一部分将被夹带在引向孔的气流中。这种夹带将连续地使一部分钻屑返回到钻头1正在钻凿的孔中，而非使之如所期望的那样离开钻头。这种现象也增加了在以上段落中讨论的钻屑流中的湍流。

本发明试图增大从正在钻凿的孔以及从钻头移除钻屑的速率，以增大钻凿的生产率并减小对钻头的研磨性磨损。

图2示出了根据本发明的三牙轮钻头7的某一实施方式。在该实施方式中，基部区域5适于包括突出部8。该突出部8构造成从基部区域5延伸到基部区域5与切割牙轮4之间的间隙或空间中。

根据某些实施方式，突出部8将大致会聚至顶端9。在图2的实施方式中，该顶端9被尖锐地限定，而在其他实施方式中，顶端9可以为钝的或者被不太尖锐地限定。在图2的实施方式中，突出部8和顶端9对称地设置在主体部2的基部区域5上。这种构型包括距腿部3和牙轮4中的每一者大致等距离地定位的顶端9。另外，在这种构型中，顶端9在三个牙轮4的相接点下面的居中位置处。

当一部分钻屑通过牙轮4的旋转以及钻头在正在钻凿的孔中的行进而被朝向主体部2的基部区域5输送时，切割屑将必然落在突出部8上，而不是落在图1的现有技术钻头1的平坦的基部区域5上。必然落在突出部8上的切割屑通过突出部的斜面11被引向主体部2的基部区域5的周缘。突出部8的作用在于防止切割屑在钻头的区域中聚积以及湍流。这使得切割屑移开钻头7和正在钻凿的孔的速度增大，从而减少对割屑的再次磨削，这继而实现了更大的钻凿生产率以及对钻头的减小的研磨性磨损。

钻头7的突出部8在软的沼泽地面中钻凿时也是有利的。与具有颗粒切割屑一样，与现有技术的钻头1的平坦的基部区域相比，突出部8更有效地引导软的土壤和切割屑离开基部区域5。这将减小钻头被软的材料堵塞的情况，被软的材料堵塞会导致钻头变得陷入孔中。钻头的陷入是花费长的停工时间来矫正并且会最终导致钻头的过早失效的主要问题。

图2中示出的实施方式的突出部8由会聚在顶端9处的多个斜面形成。在示出的非限制性实施方式中，每个斜面均为凹形的，从而在相邻的斜面11之间形成脊部10。在其他实施方式中，突出部和/或突出部的面可以采取所需的任何形状。文中所列举的突出部的示例并非穷举的，而仅意在说明可能的形式。突出部可以采取所需的任何形状，不同的形状在例如钻凿速度、加工费用以及用于不同的钻凿介质的磨损轮廓方面可能提供不同的优势。一个这种示例形式为不具有多个面的突出部，例如平滑的堤状部或圆顶状部。根据钻的应用，这种突出部可以具有凹形轮廓或凸状轮廓。替代性地，突出部可以具有凹形部和凸状部的组合，例如具有三维高斯曲线形状的突出部。突出部还可以具有类似于具有如应用所需的多个面的金字塔的平坦面。在一些钻凿应用中，也可能需要具有或不具有尖锐顶端的锥形突出部。

用于突出部的斜面11的不同角度还可以发现用于不同应用的益处。例如，当钻凿硬的地面时，使用浅角度可能是有利的，从而允许腿部3更大并且因此更坚固。在诸如此类的应用中，在钻头内部使用的钢量也可以增大以赋予额外的强度。

返回至图2的实施方式，脊部10已被设置成限定明显的通道12。这些通道提供用于使切割屑无障碍地经过诸如腿部3和出气口15之类的障碍物的路径。这种效果通过将腿部3和出气口15平滑地模制到脊部10中而进一步改善。

根据图2的实施方式，可以使突出部8的斜面11延伸经过主体部2的基部区域，直至主体部的外表面13处。这在主体部的外侧表面中有效地产生扇状部14，从而允许通道12以比其他可能的坡度更陡峭的坡度延续。

再次磨削的减小源于本发明还可以减小对钻头7的牙爪尖16的研磨性磨损。这些牙爪尖16保护旋转的牙轮的轴承17。当使用密封轴承时，牙爪尖16的过度磨损导致轴承17变得暴露以及润滑流体的泄漏，从而导致钻头失效。由于密封轴承在采矿和石油领域应用中一般优选为常规的空气轴承，因此本发明可以使得在这些工业中的生产率增益。

将钻屑和其他碎屑从正在钻凿的孔快速移除是钻凿生产率中的关键因素。再一次参照图1，在典型的三牙轮钻头中，出气口6的出口点以距每个腿部大致相等的距离定位在腿部3之间。这种布置使出气口占据了腿部之间可利用空间的约1/3。因此，试图从主体部2的基部区域5离开的约1/3的钻屑可能被夹带在从出气口6流出的高压空气中。这种夹带的材料的一部分将被重新喷吹到正在钻凿的孔中而并非被移除，从而导致对切割屑的再次磨削。

根据本发明的实施方式，出气口15可以定形状成占据用以使钻屑流动离开钻头的路径的更小部分。在具体的非限制性实施方式中，出气口15可以是具有沿着大致径向于主体部的纵向轴线的方向定向的长轴线的长形。在另一非限制性形式中，出气口15可以定位成更靠近钻头7的腿部3。这种布置减小了钻屑离开钻头的基部区域的阻力，并且减少了对由于夹带在喷吹空气中而返回至钻孔的材料的再次磨削。

在图2的实施方式中，长形出气口15定位在突出部8的脊部10内。换句话说，出气口15定位在形成用于输送钻屑和碎屑远离钻头7的通道12的外部。这种布置将出气口15从使切割屑经由通道12流动离开钻头7的路径完全地移除。

如图2中所示，本发明中的出气口可以为钻凿应用所需的简单的孔口或喷嘴。

Claims (7)

1.一种钻头，包括：

主体部，所述主体部包括从所述主体部延伸的三个腿部，所述三个腿部围绕所述主体部的周缘布置；

锥形切割件，所述锥形切割件以可旋转的方式安装在每个腿部上，所述锥形切割件定位成允许在所述锥形切割件与所述主体部之间具有间隙；

一个或更多个出气口，所述一个或更多个出气口位于所述主体部的基部区域处，每个出气口位于所述腿部占据的区域之间并被构造成将空气大致引向所述锥形切割件；

突出部，所述突出部从所述主体部延伸到所述间隙中，其中，所述突出部包括斜表面，所述斜表面包括多个斜面；所述斜表面延伸经过所述主体部的所述基部区域并会聚于所述主体部的外表面处；

其特征在于，相邻的斜面之间限定有脊部，其中，所述斜面中至少一部分具有凹形的截面，凹形的截面在这部分凹形的斜面之间限定出所述脊部，所述腿部和所述一个或更多个出气口定位在所述脊部中，每个斜面因此形成用于钻屑流动通过的通道，所述通道在所述腿部与所述一个或更多个出气口之间穿过、并延伸直至所述主体部的所述外表面；

所述突出部由此限定有多个通道以引导钻屑越过所述腿部离开所述主体部的基部区域，并且，所述多个通道基本上无障碍。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述突出部形成有距所述三个腿部大致等距离的顶端。

3.根据权利要求2所述的钻头，其特征在于，所述斜表面位于所述顶端与所述主体部的基本区域之间。

4.根据权利要求3所述的钻头，其特征在于，所述斜表面包括会聚于所述顶端处的所述多个斜面。

5.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述斜面全部都具有凹形的截面，从而在这部分凹形的斜面之间限定出所述脊部。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的钻头，其特征在于，所述一个或更多个出气口为具有沿着径向于所述主体部的纵向轴线的方向的长轴线的长形。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的钻头，其特征在于，所述出气口呈喷嘴的形式。