SE530424C2 - Bergborrverktyg, borrstång samt kopplingshylsa - Google Patents

Description

530 424 rotationsrörelserna till kronan, utsätts för korrosiva angrepp, som i kombination med pulserande belastningar i form av stötvågor och böjrörelser, initierar sprickor, vilka efterhand växer sig stora för att slutligen leda till utmattning.

Särskilt känsliga för sprickbildning är gängspårbottnarna i borrstångens hangänga, därju borrstången har liten tvärsnittsarea. En annan livslängdsbestämmande faktor är den ofrånkomliga förslitning av gängorna, som uppstår då dessas flanker nöter mot varandra såsom ett resultat av såväl de intermittent återkommande, axiella stötkrafterna, som den relativa rotationsrörelse, som ständigt är verksam, då vridmomentet överförs mellan kopplingshylsan och borrstången. Till skillnad från stumt åtdragna gängförband av konventionellt slag är sålunda det svårt utsatta gängförbandet i en bergborr beroende av att vridmomentöverföringen mellan kopplingshylsan och borrstången ombesörjer en ”ständig” inskruvning av hangängan i hongängan, vilket leder till förslitning av i första hand de flanker hos gängorna som drar ihop förbandet. Särskilt besvärande i ekonomiskt avseende blir gängförslitningen om borrstångens hangänga förbrukas snabbare än kopplingshylsans hongänga, eftersom detta kräver byte av den dyra borrstången före erforderligt byte av den billigare kopplingshylsan. En ytterligare faktor av betydelse för såväl borrens livslängd som dess tekniska prestanda, är gängförbandets förmåga att motverka , utböjning, det vill säga borrstångens tendens att böja eller svänga ut i vinkel mot kopplingshylsan. ldealt bör borrstången och kopplingshylsan sträcka sig utmed en gemensam geometrisk centrumaxel (i förlängning av nackadaptern) för att säkerställa att det borrade hålet blir önskvärt rakt. Ju längre förslitningen av gängorna fortskrider, desto mer försämras styvheten och ökas glappet i förbandet mellan kopplingshylsan och borrstången, varvid utböjningsfenomenen fortplantar sig in i gängförbandet och accelererar förslitningen.

Problemet med förtidig förslitning av hangängan i gängförbandet mellan en borrstång och en kopplingshylsa har uppmärksammats genom US 6196598 (SE 521790), närmare bestämt genom att hangängan utförs med en slitvolym (proportionell mot tvärsnittsarean) som är 5 á 25 % större än hongängans slitvolym. På så sätt säkerställs att den jämförelsevis dyra borrstången ej behöver kasseras och bytas innan den billigare kopplingshylsans hongänga förbrukats. Emellertid löser denna åtgärd varken problemet med 20 25 30 530 424 korrosionsutmattning eller problemet med successivt växande glapp och utböjning. i yppgfinnindens svften och särdraa Föreliggande uppfinning tar sikte på att undanröja åtminstone en del av ovannämnda brister hos det kända bergborrverktyget och skapa ett förbättrat verktyg. Ett primärt syfte med uppfinningen är därför att skapa ett för praktisk topphammarborrning lämpat bergborrverktyg, vilket har optimala egenskaper med avseende på såväl tekniska prestanda som ekonomisk attraktivitet, framförallt genom att kunna erbjuda en lång livslängd och en uthålligt tillförlitlig funktionsduglighet under hela sin verksamma livslängd. Sålunda skall användaren inte enbart kunna räkna med att borrstången håller minst lika länge som kopplingshylsan, utan även att borrstången effektivt och långvarigt motstår dels, enligt en aspekt av uppfinningen, tendenserna till korrosionsutmattning, dels de utböjningsfenomen som ökar gängglapp, som ofrånkomligen uppstår under praktisk borrning i berg med skiftande struktur. Ett ytterligare syfte är att skapa ett bergborrverktyg, som är konstruktivt enkelt och därför billigt att tillverka och lätt att använda.

Enligt uppfinningen nås åtminstone det primära syftet med det uppfinningsenliga bergborrverktyget medelst de särdrag, som är angivna i patentkravets 1 kännetecknande del. Fördelaktiga utföranden av bergborrverktyget är vidare angivna i de osjälvständiga patentkraven 2-4.

Dessutom hänför sig uppfinningen till en borrstång och en kopplingshylsa som sådana. Särdragen hos den uppfinningsenliga borrstången framgår av det självständiga patentkravet 5. Särdragen hos den uppfinningsenliga kopplingshylsan är definierade i det självständiga patentkravet 8.

Ytterligare belvsnind av teknikens ståndpunkt Genom US 6,547,891 är tidigare känd en för topphammarborrningsutrustningar avsedd borrstång med en hangänga, som är utförd iett korrosionsbeständigt, martensitiskt stål. ldetta fall innehåller skriften - utöver den specificerade materialanvändningen -inte några uppgifter om hur 20 25 30 530 424 en borrstång skulle kunna optimeras med avseende på hangängans förmåga att åstadkomma ett glappfritt gängförband.

Gängförband för bergborrverktyg av olika slag är vidare beskrivna i SE 9904324-2, SE 0103407-3 och SE 0201989-1.

Kort beskrivning av bifogade ritningar Uppfinningen kommer nedan att beskrivas närmare med hänvisning till efterföljande ritningar, vari lika beteckningar avser lika delar. Emedan varken den adapter till vilken den ena änden av verktygets borrstång ansluts, eller den krona, som ansluts till borrstångens motsatta ände, är av närmare intresse, har dessa komponenter lika litet som själva borrmaskinen, visats på ritningarna.

På ritningarna är därför: QS Fig.

Fig. en sidovy av en borrstång, N en förstorad längdsektion genom en för samverkan med borrstången avsedd kopplingshylsa, F lg. 3 en förstorad vy visande den ände av borrstången som samverkar med kopplingshylsan, F lg.

Fig. -ß en tvärsektion genom borrstången, 01 en extremt förstorad detaljvy visande utformningen av ett gängförband mellan borrstången och kopplingshylsan enligt Fig. 2 och 3 eller Fig. 6 och 7, Fig. 6 en förstorad längdsektion genom en alternativ utföringsform av en kopplingshylsa enligt uppfinningen avsedd för samverkan med borrstången, Fig. 7 en förstorad vy visande en ände av en alternativ utföringsform av en borrstång enligt uppfinningen, och Fig. 8 en sprängvy av en konventionell borrsträng.

Detalierad beskrivning av föredragna utföranden ïuopfiflflinqefl Den i sin helhet med 1 betecknade borrstången innefattar motsatta ändar 2, 3, sådana dessa representeras av plana, rlngformiga ändytor, och har en längd, som är mångfaldigt större än dess diameter. I praktiken kan stången 1 ha en längd av 4-6 meter och en största diameter av cirka 38 mm. Änden 2 kallas vanligen nackände eftersom denna alltid skall vara vänd mot 20 25 30 530 424 nackadaptern. len huvudsektion S, som sträcker sig utmed större delen av totallängden har stången konventionell, hexagonal tvärsnittsform (se Fig. 4), varvid en central spolkanal 4 sträcker sig genomgående från ände till ände. På avstånd från de båda ändarna 2,3 upphör den hexagonala tvärsnittsformen och övergår i generellt rotationssymmetriska ytor i vilka är utformade utvändiga gängor, det vill säga hangängor. Närmare bestämt är en första hangänga 5 utformad i anslutning till änden 2, medan en andra hangänga 6 är utformad i anslutning till änden 3. Den sistnämnda gängan 6 är avsedd att skruvas fast i en hongänga i en borrkrona eller i ytterligare en kopplingshylsa av konventionell typ och har underordnat intresse.

Kopplingshylsan 7 är i detta fall exterlört cylindrisk och innefattar två hålrum 8,9, vilka åtskiljs av en mellanvägg 10, och mynnar i motsatta ändar 11,12 av hylsan. Mellanväggen 10 har en axiell tjocklek L5. Varje enskilt hålrum 8,9 avgränsas av cylinderformade väggpartier eller kjolar 13,14. På insidorna av dessa är utformade hongängor 15,16, av vilka den förstnämnda är avsedd att samverka med hangängan 5 på stången 1, medan den sistnämnda är avsedd att samverka med en hangänga på en tapp ingående i nackadaptern, som har till uppgift att driva borrverktyget. De båda hålrummen 8,9 kommunicerar med varandra via ett centralt hål 17, som sträcker sig genom mellanväggen 10.

Då stångens hangänga 5 och hylsans hongänga 15 samverkar under arbete bottnar ändytan 2 mot ytan 18 på mellanväggen 10. På analogt sätt bottnar adaptertappens ände mot den motsatta, plana ytan 19 på mellanväggen 10.

Enligt uppfinningen kan åtminstone hangängan 5 på borrstången 1 vara förfärdigad av ett martensitiskt, rostfritt stål. Lämpligast är i såfall att borrstången i sin helhet är tillverkad av detta material, varvid de båda hangängorna 5,6 utgör integrerade delar av stångkroppen. Stålet kan med fördel vara av det slag som beskrivs i US 6,547,891, det vill säga ha en struktur innefattande huvudsakligen martensit och innehållande åtminstone 10 vikt-% krom (Cr), samt minimala mängder kol (C) respektive kväve (N). Stålet kan även innehålla varierande mängder molybden (Mo), volframkarbid (WC), och koppar (Cu). Martensithalten bör uppgå till minst 50 vikt-%, lämpligen minst 75 vikt-%.

Genom att förfärdiga borrstången av en korrosionsbeständig legering erhålls till följd av kromtillsatsen ett passivt ytskikt, som effektivt motverkar 20 25 30 530 424 korrosion, framförallt i gängspårens bottnar. l jämförelse med konventionella stål reduceras därför korrosionshastigheten ide känsliga gängspårbottnarna högst påtagligt. Utförda tester har sålunda pekat på en minst 50-procentig ökning av livslängden (från cirka 2000 till cirka 3000 borrmeter). i' Det rostfria materialets positiva inverkan på borrstångens livslängd är följaktligen ovedersäglig. Dock har de önskvärda korrosionsegenskaperna vunnits på bekostnad av materialets slitstyrka. Sålunda har martensitstålet i stången en hårdhet av cirka 50 HRC, medan konventionellt stångmaterial iform av härdat stål har en ythårdhet inom området 57-62 HRC.

Materialet i hylsan 7 kan med fördel utgöras av härdat låglegerat stål, till exempel sätthärdat eller uppkolat stål, eftersom problemen med korrosionsutmattning i hylsan ej är lika kritiska som problemen med dylik utmattning i borrstångens gängspårbottnar.

Nu hänvisas till Fig. 5 som i förstorad skala illustrerar de båda skruvformiga gängvallar 5A, 15A, som bildar hangängan respektive hongängan.

Hangängvallen 5A har en profilform som definieras av en topp 20 och två flanker 21,22, vilka avgränsar ett spår 23, som har en botten 24 och sträcker sig skruvformigt utmed stången i likhet med själva vallen. Profilformen är i detta fall symmetrisk genom att flankema 21,22 är snedställda i lika stora vinklar. l exemplet har gängvalltoppen 20 formen av skruvformig yta med en bredd B1, som bestämmer gängvallens 5A tvärsnittsarea. Tvärsnittsarean för hangängans 5 gängvall 5A beräknas från en tangent T1 till hongängans 15 topp 20, medan tvärsnittsarean för hongängans 15 gängvall 15A beräknas från en tangent T2 till hangängans 5 topp 25, sådana dessa representeras av de streckade fälten i Fig. 5. Vidare har hangängans spårbotten 24 en mjukt rundad tvärsnittsform, som i huvudsak definieras av en båglinje. Gängvallens 5A tvärsnittsarea är större än spårets 23 imaginära tvärsnittsarea. Den imaginära tvärsnittsarean hos spåret 23 bestäms av arean mellan tangenten T1, bottnen 24 och flankerna 21 samt 22.

På samma sätt som hangängvallen 5A avgränsas hongängvallen 15A av en topp 25 och två flanker 26,27, mellan vilka avgränsas ett skruvformigt spår 28 med en botten 29. l exemplet definieras denna spårbotten 29 av en rak generatris. Hongängvallens topp 25 har en bredd B2, som kan vara mindre än toppytans 20 bredd B1. Detta innebär att hongängvallens 15A tvärsnittsarea kan i 20 25 30 SBU 424 vara mindre än hangängvallens, varav följer att hangängvallens slitvolym kan vara större än hongängvallens slitvolym. l exemplet uppgår hongängvallens 15A slitvolym till cirka 81,8 % av hangängvallens slitvolym. Med andra ord är hangängvallens slitvolym cirka 22 % större än hongängvallens slitvolym. Denna proportion mellan respektive slitvolymer kan dock variera högst avsevärt, framförallt i beroende av materialvalet i stången respektive kopplingshylsan.

Närmare bestämt kan hangängvallen 5A ha en proportionsvis större slitvolym ju större skillnad i slitstyrka/ythårdhet, som föreligger mellan det rostfria stålet i hangängan och det härdade stålet i kopplingshylsan. l praktiken kan därför hangängvallen ges en slitvolym som är mer än 20 eller 25 %, tex 50-75%, större än hongängvallens slitvolym. l Fig. 3 betecknar A, B, C, D och E ett antal axiellt åtskilda tvärplan, vilka sträcker sig l rät vinkel mot stångens centrum axel CL och mellan vilka stången 1 uppvisar längdsektioner av olika beskaffenhet. Mellan planen A och B sträcker sig hangängan 5 med full gänga (med undantag för en avsmalnande äntringsyta 37 i anslutning till ändytan 2). Gängvallens ytterdiameter (räknad utmed gängtoppen 20) är betecknad D1, medan D2 betecknar innerdiametern i spårbottnen 24. Mellan planen B och C utbreder sig en generellt cylindrisk mantelyta 30 i vilken gängspåret 23 går ut. Mantelytan 30 kan med fördel ha samma diameter som gängans 5 ytterdiameter D1. Mellan planen C och D avgränsas vidare en rotationssymmetrisk, närmare bestämt cylindrisk styryta 31, vilken har en diameter D3 som är större än mantelytans 30 diameter och därmed även större än gängans ytterdiameter D1. Denna styryta 31 är utformad mellan hangängan och en avsmalnad midja eller reduktion 32, vilken sträcker sig mellan tvärplanen D och E. Ungefär mittemellan tvärplanen D och E har midjan 32 en minsta diameter D4, som med fördel är högst lika stor som hangängans 5 innerdiameter D2. Lämpligen är midjans 32 minsta diameter D4 till och med något mindre än gängspårbottnens diameter D2. Midjan 32 övergår i styrytan 31 respektive den sexkantiga huvudsektion 3 via konkavt välvda, successivt utvidgande övergångsytor 33, 34. Den sexkantiga huvudsektionen kan alternativt utgöras av en rund sektion.

Den i F ig. 4 visade sexkantprofilen, som bildar borrstångens huvudsektion S, har en tvärsnittsarea som bestäms av breddmåttet H mellan två 20 25 30 530 424 diametralt motsatta, plana ytor. Spolkanalens 4 innerdiameter, som är betecknad D5, är betydligt mindre än måttet H.

De olika stångsektionernas axiella längder är betecknad L1, L2, L3 och L4. Av Fig. 3 framgår att gängans 5 längd L1 är större än mantelytans 30 längd L2, vilken i sin tur är större än styrytans 31 längd L3. Just styrytan 31 har en begränsad längd L3. Närmare bestämt kan styrytan 31 vara betydligt kortare eller smalare än den mantelyta 30 i vilken gängspåret går ut. Borrstångens 1 styryta 31 har en diameter D3, som är minst dubbelt så stor som dess axiella längd L3. Midjans 32 längd L4 kan med fördel vara endast något mindre än fullprofilgängans längd L1. l ett praktiskt utförande har hangängan 5 en längd L1 av 75 mm och en ytterdiameter D1 av 38,7 mm, medan innerdiametern D2 i gängspårbottnen uppgår till 34 mm. Detta innebär att hangängvallen har en höjd av cirka 2,3 mm.

Mantelytan 30 kan ha en längd L2 av 17 mm och en diameter av 38,7 mm, det vill säga samma diameter som gängans ytterdiameter D1. Styrytan 31 har däremot en diameter D3, som är större än diametern D1, och som, i det praktiska exemplet, uppgår 39,1 mm. Med andra ord uppgår skillnaden i diameter till mellan styrytan 31 och mantelytan 30 till 0,4 mm. Styrytans 31 axiella utsträckning L3 kan då vara begränsad till 7 mm. Midjans 32 minsta diameter D4 uppgår i exemplet till 32,9 mm. Med andra ord är diametern D4 i detta fall cirka 1,1 mm mindre än gängspårbottnens diameter D2. Midjans axiella längd L4 uppgår till cirka 57 mm.

Kopplingshylsan 7 (se Fig. 2) kan vara utformad med en mellan hongängan 15 och hylsans fria ända 11 belägen, invändig styryta 35 för samverkan med den utvändiga styrytan 31 på borrstången. Även denna styryta 35 är rotationssymmetrisk, helst cylindrisk, varvid densamma har en diameter D6, som är endast något större än styrytans 31 diameter D3. Styrytan 35 har en axiell längd L6, vilken är större än mellanväggens 10 tjocklek L5. I det praktiska utförandeexemplet uppgår D6 till 39,2 millimeter, vilket innebär att spelet mellan ytorna 31, 35 uppgår till enbart 0,05 millimeter. Med andra ord är passningen mellan styrytorna 31, 35 fin.

Mellan styrytan 35 och hylsans ändyta 11 är utformad en äntringsfas 36 för att underlätta borrstångens införande i hylsan. 20 25 30 53Û 424 Då borrstångens hangänga 5 skruvas in i hylsans hongänga 15 till fullt ingrepp med ändytan 2 ansatt mot väggytan 18, lokaliseras styrytan 31 i omedelbar närheten av äntringsfasen 36. Med andra ord är styrytan 31 i detta tillstånd maximalt axiellt flärmad från kopplingshylsans mellanvägg 10. Detta innebär att eventuella tendenser hos borrstången att böja ut eller svänga inuti hylsan effektivt motverkas av de samverkande styrytorna 31 ,35.ß Genom att midjan 32, vilken är anordnad axiellt innanför hangängan 5, har en reducerad diameter erhålls en flexibilitet eller elastisk eftergivlighet i jämförelse med såväl den sexkantiga huvudprofilen S som de olika sektionerna närmare stångänden, vilka ju är kraftigare än midjan. Detta innebär att borrstångens tendenser till utböjning, som ofrånkomligen uppstår under praktisk borrning, tas upp av den elastiska midjan snarare än att fortplanta sig till gängförbandet mellan borrstången och hylsan. l Fig. 6 visas en alternativ utföringsform av en kopplingshylsa 7' enligt föreliggande uppfinning, varvid kopplingshylsan 7' skiljer sig från den i Fig. 2 beskrivna hylsan främst genom att en första hongänga 15' direkt ansluter till ändytan 11' eller till en äntringsfas 36' utan någon mellanliggande styryta och genom att den första hongängans 15' slitvolym är mindre än en andra hongängas 16' slitvolym. Således innefattar kopplingshylsan 7' två i motsatta riktningar mynnande hålrum 8', 9', vilka är åtskilda av en mellanvägg 10' och i vilka är utformade hongängor15', 16'. Den första hongängan 15' utgörs av en gängvall 15A' med en topp 25' och två flanker 26', 27' som avgränsar ett skruvformigt spår 28' med en botten 29'. Gängvallens bredd är mindre än spårets bredd. Den andra hongängan 16' utgörs av en gängvall med en topp och två flanker som avgränsar ett skruvforrnigt spår med en botten. Gängvallens bredd hos den första hongängan 15' är mindre än gängvallens bredd hos den andra hongängan 16'. l Fig. 7 visas en alternativ utföringsform av en nackände till en borrstång 1' enligt föreliggande uppfinning, varvid borrstången 1' skiljer sig från den i Fig. 1 och 3 beskrivna borrstången främst genom att midjan 32' i huvudsak direkt ansluter till hangängan 5' utan någon mellanliggande styryta. Den fria änden 2' är avsedd att upptas i hålrummet 8' i hylsan 7”.

En grundläggande fördel med det av borrstången, kopplingshylsan och en krona sammansatta borrverktyget enligt uppfinningen, är att detsamma 530 424 har optimerade egenskaper med avseende på såväl livslängd (olika slitvolymer i gängorna) som tekniska prestanda. Sålunda motverkar i förekommande fall användningen av det martensitiska, rostfria stålet i borrstångens hangänga i långtgående utsträckning korrosionsutmattning däri. Samtidigt säkerställs att den dyrbara borrstången erhåller minst lika lång livslängd som den billigare kopplingshylsan. Sist, men inte minst, ombesörjer den flexibla midjan den effekten att borrstångens utböjningsrörelser tas upp i midjan, utan att fortplantas in i själva gängförbandet. Även om uppfinningen ovan beskrivits i samband med ett för drifterborrning avsett bergborrverktyg som innefattar endast en borrstång och en i kopplingshylsa, är densamma även tillämpbar på bergborrverktyg med två eller i flera stänger respektive kopplingshylsor.

Claims (8)

20 30 40 530 424 ll Patentkrav

1. Bergborrverktyg innefattande en borrstång (1 ;1"') med en hangänga (5;5'), och en kopplingshylsa (7:7') med en hongänga_(15:15') för samverkan med borrstångens hangänga, kännetecknat av att borrstångens (1 ;1') hangänga (5;5') består av ett martensitiskt, rostfritt stål, av att kopplingshylsan består av härdat låglegerat stål, och av att axiellt innanför hangängan (5;5') är utformad en midja (32;32') i vilken borrstången (1 ;1') har sin minsta diameter och av att hangängan (5;5') har en slitvolym, som är större än samverkande hongängas (15;15') slitvolym och av att borrstången (1 ;1') innefattar en i anslutning till en fri ände (2;2') därav utformad hangänga (5;5') i form av en skruvformig gängvall (5A) med en topp (20) och två flanker (21 ,22), som avgränsar ett likaledes skruvforrnigt spår (23) med en botten (24), varvid hangängvallens slitvolym är åtminstone 20 % större än en tvärsnittsarea hos en motsvarande hongängvall (15A) hos hongängan (15).

2. Bergborrverktyg enligt krav 1, kännetecknat av att hangängvallens (5A) slitvolym hos hangängan (5;5') är åtminstone 22 % större än hongängvallens (15A;15A') slitvolym.

3. Bergborrverktyg enligt något av föregående krav, kännetecknat av att martensithalten i det rostfria stålet uppgår till minst 50 vikt-%, lämpligen minst 75 vikt-%.

4. Bergborrverktyg enligt något av föregående krav, kännetecknat av att midjan (32') i huvudsak direkt ansluter till hangängan (5').

5. Borrstàng för bergborrverktyg, innefattande en i anslutning till en fri ände (2;2') utformad hangänga (5;5') i form av en skruvformig gängvall (5A) med en topp (20) och två flanker (21,22), som avgränsar ett likaledes skruvformigt spår (23) med en botten (24), varvid spåret (23) har en imaginär tvärsnittsarea, kännetecknad av att sagda hangänga (5;5') består av ett martensitiskt, rostfritt stål, av att axiellt innanför hangängan är utformad en midja i (32;32”) i vilken borrstången har sin minsta diameter, och av att hangängans 50 530 424 12 (5;5') gängvall (5A) har en tvärsnittsarea vilken är större än spårets (23) imaginära tvärsnittsarea och av att hangängvallens tvärsnittsarea är åtminstone 20 % större än en tvärsnittsarea hos en motsvarande hongängvall (15A;15A') hos hongängan (15;15“).

6. Borrstången enligt krav 5, kännetecknad av att hangängvallens (5A) slitvolym hos hangängan (5;5') är åtminstone 22 % större än hongängvallens (15A;15A') slitvolym.

7. Borrstången enligt något av kraven 5 och 6, kännetecknad av att martensithalten i det rostfria stålet uppgår till minst 50 vikt-%, lämpligen minst 75 vikt-%.

8. Kopplingshylsa för bergborrverktyg, varvid kopplingshylsan innefattar två i motsatta riktningar mynnande hålrum (8,9;8',9'), vilka är åtskilda av en mellanvägg (10;10') och i vilka är utformade hongängor (15,16;15',16'), kännetecknad av att en första hongänga (15;15') utgörs av en gängvall (15A;15A') med en topp (25;25') och två flanker (26,27;26',27') som avgränsar ett skruvformigt spår (28;28') med en botten (29;29'), varvid gängvallens bredd är mindre än spårets bredd och av att en andra hongänga (16;16') utgörs av en gängvall med en topp och två flanker som avgränsar ett skruvformigt spår med en botten, varvid gängvallens bredd hos den första hongängan (15;15') är mindre än gängvallens bredd hos den andra hongängan (16;16').