CN1329617C - 钻孔机器的旋转切削钻头组件、柔性的套筒密封件以及钢钻杆组件 - Google Patents

Abstract

一个旋转切削钻头组件，其包括一个钻头主体、一个通过按钮弹簧夹连接到所述钻头主体的适配接合器以及一个柔性的套筒密封件。柔性的套筒密封件包括一个管头、一个连接到所述管头上的具有凹口的轴环、一个连接到所述轴环上的杆以及一个环状腔。所述轴环设置在钻头主体和适配接合器之间，并且杆设置在适配接合器的环状的钻孔中。本发明的套筒密封件在适配接合器的钻孔、适配接合器的按钮开口、钻头主体的腔、钻头主体的按钮开口以及一体的按钮之间提供液密的密封，以使水传送到邻近所述顶钻头嵌入件处而没有大量的泄漏或者压力损耗。

Description

钻孔机器的旋转切削钻头组件、柔性的套筒密封件以及钢钻杆组件

本发明是2001年9月17日提出的美国临时申请No.60/322645的一个继续申请。

技术领域

本发明涉及一种用于钻孔机器的旋转切削钻头组件、柔性的套筒密封件以及钢钻杆组件。

背景技术

既从矿工操作安全的立场也从他们生产率的立场来看，在过去的几十年内，地下采煤矿所采用的程序已经被大大地改善了。然而，采矿操作一直被看作是劳动密集的，是煤的定价方面的一个重要因素。另外，目前的采矿程序必然继续地提出严峻的职业安全的困难。而目前具体的对于特定工作层的地下采矿的技术可以是多种技术途径。所给出的采煤操作顺序倾向于遵循一种普遍的模式，即一种或另一种机械在矿层面作业以取煤，煤然后被从矿井搬运到地表面。在这个提取过程中，逐渐增大的扩大的地下洞或穴被产生。在实施该过程时，洞顶的直接相邻部分或者支撑部分的结构完整性受到危害。因此，所述的顶一定要被加固。

各种技术已经被发展并继续被发展来实现顶的完整性，然而，在这些技术中的一种重要的和很流行的技术，提供了对在本领域中称为“顶螺栓”的技术的利用。典型地，用于螺栓连接的程序包括首先实施垂直和预定角度钻孔贯通最近开采过的矿区的顶。这个钻孔通常至少延伸过岩层的一个预定的宽度。其次，细长的钢螺栓被插入到钻孔中并锚固在那里。

在过去，作为在采矿和施工中被使用的旋转钻孔和取芯的工具已被制造成带有钻头切削头和传统的烧结碳化物嵌入件以延长工具的使用寿命。典型的切割工具可以用单独的或连续的切削表面或刃，但是更频繁地使用大量分离的切削元件或取芯钻头以顺序地或有角度的布置在一个旋转钻头或某种类型的钻孔机上。

在所有这些现有的工具中遭遇的一个主要问题是快速磨损和伴随机器停工时间的高费用的替换。部分由于更高速度的设备及更大的摩擦力和拉应力，这样快的工具磨损和破损，引导工具朝着具有一些更大的碳化物嵌入件或钻尖的构形而重新设计，在许多应用中的所述构形已经导致了更高的粉尘等级和增加了与采矿安全的规则相反的起火危险。邻近于钻头处为顶钻尖钻孔操作提供的具有压力的水被使用以减少粉尘和提高钻孔速率。

过去湿式的碳化物钻孔利用60-80psi范围内的低压下的水或其它的冲洗液体的传送。这种现有技术方法的结果是一个使用烧结碳化物嵌入件的单独的旋转钻头，如图中所示的这种类型的顶钻头，应被期望在损坏或磨坏之前钻至少一个4英尺(4′)的钻孔，或者可以钻好几个这样的钻孔，尽管在一些坚硬的岩石地层中，可能要求两个或更多的现有技术的碳化物钻头来钻一个单独的4′钻孔。例如在美国专利No.5303787中所描述的，即使在使用现有技术的传统方法时，湿式的钻孔提高了性能、减少了粉尘和产生了显著效果。只在工业上作了一些关于水压变化的比较测试，九(9)个嵌入件旋转顶钻头在80psi的常规水压下进行操作以在平均1380英尺/钻头(ft/bit)情况下在岩石中能钻12420英尺。在这个比较测试中，具有相同构形的18个旋转顶钻头能在水压300psi下进行操作以在相同的矿山和300psi的水压的情况下在岩石中能钻72822英尺，平均4056(ft/bit)英尺/钻头。

在许多事例中，在已经形成的钻孔中钢钻杆的某些相互连接的部件受摩擦啮合的效果而被丢失。对于大多数情况，所述钢钻杆部件通过能滑动的配合凸凹接头而被相互连接，这些接头没有用于提供拉力耦合而允许从钻孔中用力取出。减轻所述钢钻杆丢失的许多尝试通常注意到销的使用，销被驱动通过配合的孔，配合的孔被形成在所述的凹凸接头中。然而，在实际的采矿操作中发现这种配置不实用。矿工通常在稍微接近倾斜的姿势下工作，他们保持完全不欣赏先进行冲击和锤击操作以插入销，然后当所述钢钻杆退出所述钻孔时，接着除去所述的销的要求。从人体工程学的观点来说，在矿井环境中的这样拆卸是既危险又完全不符合实际的。已经采用了快速搭扣按钮以简化所述钢钻杆组件的安装，使矿工能用一种方便的方式快速地安装所述钢钻杆。然而，这样的耦合装置上的快速搭扣按钮易经受泄漏，导致在湿式的钻孔操作中所不希望的水压损耗。

发明内容

一个旋转切削钻头组件，其包括一个钻头主体、一个通过按钮弹簧夹连接到所述钻头主体的适配接合器以及一个柔性的套筒密封件。柔性的套筒密封件包括一个管头、一个连接到所述管头上的具有凹口的轴环、一个连接到所述轴环上的杆以及一个环状腔。所述轴环设置在钻头主体和适配接合器之间，并且杆设置在适配接合器的环状的钻孔中。本发明的套筒密封件在适配接合器的钻孔、适配接合器的按钮开口、钻头主体的腔、钻头主体的按钮开口以及一体的按钮之间提供液密的密封，以使水传送到邻近所述顶钻头嵌入件处而没有大量的泄漏或者压力损耗。

附图说明

图1是一种被用于开采矿层的具有用于钻孔的顶钻头的采矿装置的截面绘图；

图2是一个钻头组件的截面图；

图3是一个对图2中所描述的钻头组件的分解图；

图4是沿图3中线4-4的一个截面图；

图5是对于按图3中所描述的钻头的纵轴旋转90度的观测线而得到的在图2中所描述的钻头组件的另一个分解图；

具体实施方式

参照图1，一个典型的顶钻孔机器通常用10描述。机器10结合采矿作业中现在经常遇到的相对低的煤层操作设计而成。例如，在所述煤层中煤的搬移后期形成的地下洞12的顶，用14表示，可能是约30英尺一样低，仍有充分大小的高度来进行采矿作业。在传统的采矿操作中，在从所述矿层中把给定数量的煤或其它矿物质取出之后，取出和往返机械装置从最近开采过的矿区被移开，钻孔机器10向前以帮助完成必要的顶螺栓连接操作以固定顶14。吊杆部件16被矿工操作以及其可以被降低以致钻机轴头18接触到所述洞的工作面。由于提供一个垂直的钻孔，矿工将启动钢部件的驱入部插入钻机轴头18的接收腔和卡盘内。

驱动钢部件通常在它们的末端结合一个钻头，当在限定有一个一致的垂直钻进轴方向的方式中通过吊杆16提升钻机轴头18时，该钻机轴头18旋转该装配组件。在图1中用30表示的一个驱动钢部件被插入到钻机轴头18的卡盘接收腔中。一个“最后的钻杆部(finisher)”直接或间接地附属于这个驱动钢部件30，该最后的钻杆部充当一个用于所述钻头的保持器而保证钻孔操作。这样一个最后的钻杆部部件在图1中用32表示，而传统的由碳化物形成的所述钻头用34表示。

为了用于低煤层中，需要连续进行这种钻头的延长操作，如图1中36所表示的，预定数量的中间延伸部件被插入到驱动钢部件30和最后的钻杆部部件32之间以获得所需要的钻孔高度。当然，所有的所述部件的长度将依赖于所遇到的矿层高度。

在钻孔完成后，钢钻杆组件必须被从孔中移开以及在这方面普通的操作是降低的吊杆16和轴头18。当该轴头18被降低时，驱动钢部件30的驱入部38直接从可旋转卡盘的接收腔向外滑动。抓紧驱动钢30的所露出的杆部以及随后的延长部36以及最后的钻杆部34，然后矿工通过手从成形的钻孔中引导该钢钻杆。在现有技术的设计中，在快速搭扣安接耦合器和环箍弹簧之前，该钢钻杆被期待以在重力和它的部件的影响下向下降落。这些部件然后被装配于矿山洞窟中以用于下一个钻孔操作。然而，由于钻孔操作的严峻的环境以及由于在上部的煤层结构等的奇特状态，这样的钢钻杆组件的取出不是一直有效的。离轴的钻孔和部件的弯曲常常发生以及其相关的多个不同部件不能容易地从钻孔中滑动出来。很显然地，钢钻杆经常被留下而楔牢在钻孔中以及由于手工尝试移动而深深地楔入在孔中的钢钻杆和钻头而使矿山事故发生。

一些钻头主体和钢钻杆中间部分普遍地被环箍弹簧夹子和快速搭扣按钮连接到一起而减少钢钻杆在钻孔中由于楔入到钻孔内的丢失。图2说明了一个具有圆柱形钻孔48(图4)的适配接合器58，该适配接合器有一个中央部分45，该中央部分45具有一个外部的六边形的尺寸和外形，其尺寸和外形与钢钻杆26的外部的尺寸和外形相同。适配接合器有一个上部的突出部分46，如图4中能最清楚地看到的该突出部分46具有以能够相配于和紧紧地安装进钻头的主体54的六边形的外部的表面。适配接合器的较低部分53紧紧地安装进六边形钢钻杆32的六边形孔中。如所熟知的以及现有技术中的常规方法，适配接合器被一个环箍弹簧51连接到钢钻杆。一个套筒密封件56配合安装进上面的突出部分。在该实施例中所说明的该较低的部分53是六边形的。当钢钻杆36由多个部件所构成的时候，如美国专利NO.4226290和NO.4632195中那样，这样的一个六边形设计就被要求。

该钻头主体54通过一个具有按钮62的弹簧夹子60被连接到适配接合器。该按钮62被接收进该钻头主体54的一个圆形的开口55中。适配接合器58有一个用于在装配期间将弹簧夹子连接到其上的凹槽49。弹簧夹子的后部64被挂接到适配接合器的下游端47上并被放置成被凹槽49接收进去，按钮被推在适配接合器58上直到该按钮62被接收进开口57。其次套筒密封件56有一个凹口59，凹口59首先和弹簧夹子60排列对准，并且其次被推进适配接合器孔中直到管头68的底壁66邻接着适配接合器的端壁47。在套筒密封件56插到适配接合器上面之后，该套筒密封件56、弹簧夹子60和适配接合器58的组合体都被插进了钻头54。该组合体首先被排列对齐以使得按钮被放射状地设置成与钻头中的开口55轴向对准。当该组合体被直接推进钻头内，该套筒密封件和该适配接合器的一个前向端被放置在钻头主体内部，直到按钮62邻接到钻头的上游端44。然后该按钮可以被手工地向内压下以使得组合体(56，58，60)能够进一步地前进到钻头的主体54的接收腔中。然后组合体(56，58，60)向内前进到钻头直到按钮62锁扣到钻头主体的开口55中以及钻头上游端44同时地接触到轴环45。

如在图2中所看到的，钻头主体54的内部腔有一个形成环状表面43的阶梯状的孔。该阶梯状钻孔的上游部63有一个大的六边形横截面以及该阶梯状孔的下游部61是圆柱形的。腔的下游圆柱形部分61转换成半球形部分。该套筒密封件在管头68和该套筒密封件的杆65之间有一个中间轴环69。该轴环69在环状表面43和将该套筒密封件固定就位的适配接合器上游端壁47之间被夹紧。

或者，钻头的上游端壁44和按钮62的轮廓能够被构造成形成配合的凸轮表面以使得当该适配接合器组合体(56，58，60)被向内推进时，按钮62被径向地朝向套筒密封件56的孔的中心移动，以便按钮可以滑动越过该上游端壁而进入到钻头组件直到它锁合扣进到开口55内。这样的配合锁扣按钮是被普通技术人员所熟知的。

该弹簧夹子能用多种不同类型的弹簧钢制作出来，在一个示范性的实施例中该弹簧钢是.018X.255弹簧钢，热处理44-50RW“C”。该套筒密封件由柔韧性的材料制作成，该材料在增压到300磅/平方英寸(psi)时具有良好的密封特性，如60硬度计(Durometer)EPDM。

图2中的钻头组件具有适配接合器的较低部分53，该较低部分能被插入到中空的钢钻杆32中，该钢钻杆32被连接到一个常规的驱动机构(未示出)，该驱动机构旋转该钢钻杆。一个在图4-6中被描绘的旋转的顶钻30包括一个固定在钻头本体54中的切削嵌入件52。该嵌入件能够通过任何适当的方法来保持在该钻头本体的凹槽中，如铜焊、摩擦配合等。如水这样的冲洗液体被引导通过钻头本体的出口67以在通常的方式下冷却和冲洗该嵌入件52。

水通过通道71(在阴影中示出的)被从钢钻杆52的内部传递到出口67。尽管在具体的实施例中描述了两个通道71，应当被理解申请人不限制本发明的范围只包括两个通道。申请人认为依赖于特定的应用可能不需要任何大致轴向地定向的通道或可以在钻头本体中具有任意数量的这样的通道。在湿式的钻孔操作中，该通道将为液体(例如水)的流动提供到钻头本体前端的路径，即，液体将通过通道71流动。申请人还认为为了湿式的钻孔操作，该钻头本体的外部表面可以包括平面、或者在表面上的其他一些凹凸，以提供一个通道而使得液体和碎屑能从切割嵌入件的附近排走。

本钻孔方法的主要的目的是传递大量的水到该顶钻嵌入件以冲洗掉碎屑并冷却该嵌入件，特别地在很热的切割刃处。因此，在本发明中的水压在50到300磅/平方英寸(psi)的范围内。

该套筒密封件56阻止不希望的水压损耗，否则可能由于水在搭扣按钮62和适配接合器中相应的开口57之间被泄露而发生水压损耗。该套筒密封件又限制水在适配接合器的下游端和钻头本体之间被泄露。

在操作中，随着钻头图2中示出的组件34被插入到双吊杆顶锚栓冲击机(未示出)或类似设备的钢钻杆32上。该锚栓冲击机(和其他相当的机器)可以带有旋转速度的可变调整，那么该方法的特点可能被在转数/分(rpm)的适度的范围内的最佳状态或期望的转速条件下被预先选择和提前设置到机器中。当钻孔被形成时，操作者然后给钻头增加推力以到最大预设机器推位。这时在动力压力在50到300磅/平方英寸(psi)的范围内的条件下操作者施加全水压以传输到钻头嵌入件。在钻孔操作期间的钻头邻近的水的供应增加了钻孔的速度、冷却了钻头以及帮助抑制粉尘。该套筒密封件减少了钻头尖端的泄露和不期望的压力损耗，不然泄露和压力损耗就会减少顶钻的钻孔速度和效率。

现在很明显地，本发明相对于现有技术的目的和优点都被充分地知道了。但是本发明所公开的形式的变化和改变对于所属采矿工具领域的技术人员来说将变得很显然。

Claims (4)

1.一种旋转切削钻头组件(18)，包括：

a)一个钻头主体(54)，其具有一个轴向的前端部、一个轴向的后端部(44)、一个按钮开口(55)和一个阶梯形的环状腔，所述按钮开口(55)与所述阶梯形的环状腔连通，所述阶梯形的环状腔具有一个上游部(63)、一个连接到所述上游部(63)的环状表面部(43)以及一个连接到所述环状表面部(43)的下游部(61)；

b)一个适配接合器(58)，具有一个上部的凸的部分(46)、一个较低的部分(53)以及一个环状的钻孔(48)，所述上部的凸的部分(46)具有一个前端壁(47)和一个与所述环状的钻孔连通的按钮开口(57)，所述上部的凸的部分(46)可移除地设置在所述钻头主体的环状腔的上游部(63)中，所述适配接合器的按钮开口(57)与所述钻头主体的按钮开口(55)对齐；

c)一个柔性的套筒密封件(56)，具有一个管头(68)、一个连接到所述管头(68)上的轴环(69)、一个连接到所述轴环(69)上的杆(65)以及一个环状腔，所述轴环(69)具有一个凹口(59)，所述轴环(69)可移除地设置在所述钻头主体的阶梯形的腔的环状表面部(43)和所述适配接合器的前端壁(47)之间；以及

d)一个弹簧夹(60)，具有一个一体的按钮(62)，所述弹簧夹(60)连接到所述适配接合器的上部的凸的部分(46)上并且可移除地设置在所述柔性的套筒密封件的轴环的凹口(59)内，并且所述按钮(62)可移动地设置在所述钻头主体的按钮开口(55)以及所述适配接合器的按钮开口(57)内，

其中所述套筒密封件(56)在所述适配接合器的钻孔(48)、所述适配接合器的按钮开口(57)、所述钻头主体(54)的腔、所述钻头主体的按钮开口(55)以及所述一体的按钮(62)之间提供紧密的液体密封。

2.如权利要求1所述的旋转切削钻头组件，其特征在于，所述上部的凸的部分(46)有六边形的横截面并且所述阶梯形的环状腔的上游部(63)具有六边形的横截面。

3.一种柔性的套筒密封件(56)，其用于在一个顶部钻孔组件中在钻头主体(54)和适配接合器(58)之间提供紧密的液体密封，所述适配接合器(58)通过一个按钮弹簧夹(60)连接所述钻头主体(54)，所述套筒密封件(56)包括：

一个管头(68)；

一个连接到所述管头(68)上的轴环(69)，所述轴环(69)具有一个用于容纳所述按钮弹簧夹(60)的侧向的凹口(59)；

一个连接到所述轴环(69)上的杆(65)；以及

一个环状腔。

4.一种用于钻孔机器(10)的钢钻杆组件，所述钻孔机器(10)具有一个带有用于容纳所述钢钻杆组件的卡盘的钻机轴头，所述的钢钻杆组件包括：

一个驱动钢部件(30)；

一个最后的钻杆部钢钻杆(32)，其中所述的最后的钻杆部钢钻杆(32)连接到所述驱动钢部件；以及

一个连接到所述最后的钻杆部钢钻杆(32)的旋转切削钻头组件(18)，所述旋转切削钻头组件(18)包括：

a)一个钻头主体(54)，其具有一个轴向的前端部、一个轴向的后端部(44)、一个按钮开口(55)和一个阶梯形的环状腔，所述按钮开口(55)与所述阶梯形的环状腔连通，所述阶梯形的环状腔具有一个上游部(63)、一个连接到所述上游部(63)的环状表面部(43)以及一个连接到所述环状表面部(43)的下游部(61)；

b)一个适配接合器(58)，具有一个上部的凸的部分(46)、一个较低的部分(53)以及一个环状的钻孔(48)，所述上部的凸的部分(46)具有一个前端壁(47)和一个与所述环状的钻孔连通的按钮开口(57)，所述上部的凸的部分(46)可移除地设置在所述钻头主体的环状腔的上游部(63)中，所述适配接合器的按钮开口(57)与所述钻头主体的按钮开口(55)对齐；

c)一个柔性的套筒密封件(56)，具有一个管头(68)、一个连接到所述管头(68)上的轴环(69)、一个连接到所述轴环(69)上的杆(65)以及一个环状腔，所述轴环(69)具有一个凹口(59)，所述轴环(69)可移除地设置在所述钻头主体的阶梯形的腔的环状表面部(43)和所述适配接合器的前端壁(47)之间；以及

d)一个弹簧夹(60)，具有一个一体的按钮(62)，所述弹簧夹(60)连接到所述适配接合器的上部的凸的部分(46)上并且可移除地设置在所述柔性的套筒密封件的轴环的凹口(59)内，并且所述按钮(62)可移动地设置在所述钻头主体的按钮开口(55)以及所述适配接合器的按钮开口(57)内，

其中所述套筒密封件(56)在所述适配接合器的钻孔(48)、所述适配接合器的按钮开口(57)、所述钻头主体(54)的腔、所述钻头主体的按钮开口(55)以及所述一体的按钮(62)之间提供紧密的液体密封。

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