SE531017C2

SE531017C2 - Rock Drilling Tools

Info

Publication number: SE531017C2
Application number: SE0501054A
Authority: SE
Inventors: Roger Noel
Original assignee: Sandvik Intellectual Property
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2005-05-09
Publication date: 2008-11-18
Also published as: EP1882078A1; RU2007145427A; US20090065224A1; WO2006121386A1; ZA200709487B; SE0501054L; CA2606120A1; KR20080013901A

Description

25 30 šäöl 01? Många medel har utvecklats genom åren att förbättra hålets rakhet vid topphammarborrning. De två mest vanliga medlen är: styrkronor och styrrör. 25 30 šäöl 01? Many means have been developed over the years to improve the straightness of the hole in top hammer drilling. The two most common means are: guide crowns and guide tubes.

Styrkronor är försedda med upp till 6 eller 8 skåror på den yttre delen av kjolen.Guide crowns are provided with up to 6 or 8 notches on the outer part of the skirt.

Skåroma år medlet för att förbättra stymingen i det borrade hålet, men de slits oundvikligen ut mycket tidigare än de hårdmetallstift som krossar berget till kax.The notches are the means of improving the steering in the drilled hole, but they inevitably wear out much earlier than the cemented carbide pins that crush the rock into cuttings.

Efter ytterligare någon tid kan borrkronan fortfarande borra, men de styrande organen har försvunnit. Styrrör, såsom visas i U.S. Patent Nr. 6,681 ,875 har yttre diametrar nåra borrkronans diameter. Den mycket höga styvheten hos styrröret tenderar att hålla borrkronan rakt i linje. Tyvärr saktar penetrationshastigheten ner 10 till 20 %. Dessutom motstår ett styrrör inte slageffekten över en lång tidsperiod och oundvikligen bryts anslutningen till borrkronan eller tvingar den övre stången, ansluten därtill, att brytas. De resulterande bormingkostnadema anses vanligen överdrivna och styrrör år inte speciellt accepterade i branschen.After some time, the drill bit can still drill, but the control means have disappeared. Guide tubes, as shown in U.S. Pat. Patent no. 6,681, 875 have outer diameters near the diameter of the drill bit. The very high rigidity of the guide tube tends to keep the drill bit straight in line. Unfortunately, the penetration rate slows down 10 to 20%. In addition, a guide tube does not withstand the impact effect over a long period of time and inevitably the connection to the drill bit breaks or forces the upper rod, connected thereto, to break. The resulting drilling costs are generally considered excessive and guide tubes are not particularly accepted in the industry.

Andra vanliga styrsystem har korta skåror vilka snabbt slits ut och den förväntade förbättringen av borrkronans styrning blir mycket snabbt ineffektiv.Other common control systems have short grooves which wear out quickly and the expected improvement of the drill bit control becomes ineffective very quickly.

Själen mgd uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att anvisa en borrsträng med ett effektivt och beständigt styrorgan.Soul of the Invention An object of the present invention is to provide a drill string with an efficient and durable guide means.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att anvisa ett bergborrelement som undviker överbelastning av gångförbandet anslutande till borrsträngen.Another object of the present invention is to provide a rock drilling element which avoids overloading of the joint connecting to the drill string.

Ytterligare ett syfte med föreliggande uppfinning är att anvisa ett bergborrelement fomigiven med en relativt låg linjär vikt för en hög överiöringseffektivitet av chockvågen.A further object of the present invention is to provide a rock drill element formed with a relatively low linear weight for a high transmission efficiency of the shock wave.

Dessa och andra syften har uppnåtts av ett bergborrelement, en borrsträng och en metod för att överföra slagenergi i en borrstrâng såsom definieras i de efterföljande patentkraven med hänvisning till ritningama.These and other objects have been achieved by a rock drill element, a drill string and a method for transmitting impact energy in a drill string as defined in the appended claims with reference to the drawings.

Kort beskrivning av ritnlngama 10 15 25 30 531 017 Fig. 1A visar schematiskt en tidigare känd/a borrsträng under överföring av en chockvåg.Brief Description of the Drawings Fig. 1A schematically shows a previously known drill string during transmission of a shock wave.

Fig. 1B och 1C visar schematiskt tvà tidigare kända borrsträngsutrustningar under överföring av en chockvàg.Figs. 1B and 1C schematically show two previously known drill string equipment during transmission of a shock wave.

Fig. 2A visar schematiskt en borrstrång enligt föreliggande uppfinning i en sprängvy i tvärsnitt innefattande en skarvstång, en styrstàng och en borrkrona.Fig. 2A schematically shows a drill string according to the present invention in an exploded cross-sectional view comprising a splice rod, a guide rod and a drill bit.

Fig. 28 visar schematiskt styrstàngen enligt föreliggande uppfinning visad i Fig. 2A.Fig. 28 schematically shows the guide rod according to the present invention shown in Fig. 2A.

Fig. 3 visar schematiskt en borrsträng innefattande en styrstâng enligt föreliggande uppfinning under överföring av en chockvàg.Fig. 3 schematically shows a drill string comprising a guide rod according to the present invention during transmission of a shock wave.

Fig. 4A visar schematiskt ett altemativ borrstrâng enligt föreliggande uppfinning i en sprängvy i tvärsnitt med en skarvstàng, en altemativ styrstàng och en borrkrona.Fig. 4A schematically shows an alternative drill string according to the present invention in an exploded cross-sectional view with a splice rod, an alternative guide rod and a drill bit.

Fig. 4B visar schematiskt styrstángen enligt föreliggande uppfinning visad i Fig. 4A.Fig. 4B schematically shows the guide rod according to the present invention shown in Fig. 4A.

Fig. 5 visar schematiskt altemativa borrstrángen under överföring av en chockvàg.Fig. 5 schematically shows the alternative drill string during transmission of a shock wave.

Detal'|erad beskrivning av gppfinningen Den grundläggande idén för styrstången eller bergborrelementet 10 enligt föreliggande uppfinning är att i bästa fall undvika spånningskoncentrationer i ett gângförband, vilka oundvikligen uppstår med de tunga styrrör som erfars i tidigare kända lösningar såsom U.S. Patent Nr. 6,681,875.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The basic idea of the guide rod or rock drill bit 10 of the present invention is to at best avoid stress concentrations in a gangway which inevitably arise with the heavy guide tubes experienced in prior art solutions such as U.S. Pat. Patent no. 6,681,875.

Spânningskoncentrationen i ett konventionellt styrrör är avbildat i Fig. 1A, och medför oundvikligen ett tidigt brott i gängförbandet 5 mellan borrstàng 1 och styrröret 2. Det tidiga brottet har tre specifika ursprung, nämligen tryckchockvågor, torsionsvågor och statiska böjspånningar.The stress concentration in a conventional guide tube is depicted in Fig. 1A, and inevitably causes an early rupture in the threaded connection 5 between drill rod 1 and the guide tube 2. The early rupture has three specific origins, namely pressure shock waves, torsional waves and static bending stresses.

Beträffande tlyckchockvågor: Den tyngre linjära massan hos styrröret 2, åtminstone 105-250 % av den linjära massan av själva borrsträngen, reflekterar en del av infallande chockvågs 4A energi tillbaka till borrstrângen och till borrmaskinen, som resultat av den så kallade städeffekten. Därför àsamkas den 10 15 20 25 30 531 G17 första stången 1, ansluten till styrröret 2 och mer uttryckligen till dess hangängade tapp, av en lokal ökning av tryckspänningnivån. Detta fenomen skall beskrivas ytterligare i detalj nedan med hänvisning till Fig. 1.Regarding accident shock waves: The heavier linear mass of the guide tube 2, at least 105-250% of the linear mass of the drill string itself, reflects some of the energy of the incident shock wave 4A back to the drill string and to the drill, as a result of the so-called cleaning effect. Therefore, the first rod 1, connected to the guide tube 2 and more explicitly to its hinged pin 1, is collected by a local increase in the compressive stress level. This phenomenon will be described in further detail below with reference to Fig. 1.

Beträffande medelrotationsvridmoment och torsionsvågor: Den lägre trögheten för borrstràngen mot den högre trögheten för rörsektionen hos styrröret 3 är känslig för det konstanta medelvridmomentet och torsionsvågorna som utbreder sig längs borrsträngen. Borrstången 1, och mer uttryckligen hangängan hos borrstången, utvecklar höga torsíonsspänningar i varje slag, när hårdmetallstift hos borrkronan slår på bergforrnationen.Regarding average rotational torque and torsional waves: The lower inertia of the drill string towards the higher inertia of the pipe section of the guide tube 3 is sensitive to the constant average torque and the torsional waves propagating along the drill string. The drill rod 1, and more explicitly the male thread of the drill rod, develops high torsional stresses in each stroke, when cemented carbide pins of the drill bit strike the rock formation.

Beträffande statiska böjspânningar: För en given vinkelawikelse hos hålet, ej visat, kan de böjspänningama vara jämnt utslätade på båda sidor om ett gängförband mellan två närliggande något flexibla stänger. Fallet är grundläggande olikt när en del är ett styvt borrör 3. Beroende på borrörets styvhet kan det förmodas att böjspänningama inducerade i hantappen hos stången 1 direkt ansluten till ett styrrör är nästan fördubblad relativt spänningar utvecklade i ett stäng till stäng gängförband.Regarding static bending stresses: For a given angular deviation of the hole, not shown, the bending stresses can be evenly smoothed on both sides of a threaded connection between two adjacent slightly flexible rods. The case is fundamentally different when a part is a rigid drill pipe 3. Depending on the rigidity of the drill pipe, it can be assumed that the bending stresses induced in the handle pin of the rod 1 directly connected to a guide pipe are almost doubled relative to stresses developed in a rod to rod threaded joint.

Alla ovannämnda spänningar (slående, rotation, böjande) kombineras i en resulterande spänningsfördelning, vars lokala övervärden initierar utmattningsbrott och kommer att resultera i fullt brott.All the above stresses (striking, rotation, bending) are combined in a resulting stress distribution, the local values of which initiate fatigue failure and will result in full failure.

Fig. 1B och 1C visar schematiskt två förut kända borrsträngsutrustningar under överföring av en chockvåg. I båda figurema slår kolven pà en nackadapter ansluten till en skarvstàng. Såsom framgår ur dessa figurer beror en chockvåg bLa. på formen och längden L hos kolven. l Fig. 1B har chockvågen en oregelbunden form med hög maxamplitudtopp A. I Fig. fC har chockvågen en rektangulär form med konstant amplitud A. Längden 2L hos varje chockvåg är emellertid alltid två gånger längden L hos kolven.Figs. 1B and 1C schematically show two prior art drill string equipments during the transmission of a shock wave. In both figures, the piston strikes a neck adapter connected to a connecting rod. As can be seen from these figures, a shock wave depends bLa. on the shape and length L of the piston. In Fig. 1B, the shock wave has an irregular shape with a high maximum amplitude peak A. In Fig. 1C, the shock wave has a rectangular shape with a constant amplitude A. However, the length 2L of each shock wave is always twice the length L of the piston.

Fig. 1A visar överföringen och reflexion hos en infallande chockvåg 4A skapad av en borrmaskínskolv. Chockvågen i Fig. 1A är för äskådlighetens skull baserad på en chockvåg som visas i Fig. 1C. En borrstång 1, delvis visad i den vänstra sidan av Fig. 1A, är hårt gängad mot honânden hos ett borrör 2 via 10 15 20 25 30 531 H1? gängförbandet 5. En borrkrona 3 är ansluten till den andra ânden av styrröret, och borrkronan pressas emot berget som skall borras.Fig. 1A shows the transmission and reflection of an incident shock wave 4A created by a drill piston. The shock wave in Fig. 1A is, for the sake of clarity, based on a shock wave shown in Fig. 1C. A drill rod 1, partly shown in the left side of Fig. 1A, is threaded hard against the female end of a drill pipe 2 via 531 H1? the threaded connection 5. A drill bit 3 is connected to the other end of the guide tube, and the drill bit is pressed against the rock to be drilled.

Vid tiden t = -1 färdas chockvågen 4A, visad i dess hela längd vilket betyder två gånger längden för slagkolven, längs stången 1 mot högra sidan av Fig. 1A. Den infallande chockvågen 4A antas färdas genom gängförbandet 5 utan någon reflekterande våg; ett sådant antagande görs endast för diskussionens skull. Ett tyngre gängfömand med partiell reflexion när chockvågen slår emot den skulle obetydligt minska spånningsnivàn hos chockvågen som överförs vidare till styrröret 3, och obetydligt öka spänningsnivån i hangângan, men skulle inte i grund och botten ändra förklaringen. Ett tungt förband skulle förbättra problemet som skall beskrivas endast nâgra få procent.At time t = -1, the shock wave 4A, shown in its entire length, which means twice the length of the percussion piston, travels along the rod 1 towards the right side of Fig. 1A. The incident shock wave 4A is assumed to travel through the threaded connection 5 without any reflecting wave; such an assumption is made only for the sake of discussion. A heavier thread conduction with partial reflection when the shock wave strikes it would insignificantly reduce the voltage level of the shock wave transmitted to the guide tube 3, and slightly increase the voltage level in the slope, but would not fundamentally change the explanation. A heavy bandage would improve the problem to be described by only a few percent.

Vid tiden t = 0 anslår infallande chockvåg på den tyngre rörsektionen 2.At time t = 0, an incident shock wave strikes the heavier pipe section 2.

Vid tiden t = 1 skulle, på grund av den tyngre linjära massan, den infallande chockvägen 4A delas upp in i en Överförd våg 4G som utbreder sig genom röret 2 och en reflekterad våg 4B av samma längd som utbreder sig tillbaka mot borrmaskinen. Den mer eller mindre täta schaffreringen reflekterar spänningsamplituden i båda överförda 4C och reflekterade 4B vågor.At time t = 1, due to the heavier linear mass, the incident shock path 4A would be divided into a transmitted wave 4G extending through the tube 2 and a reflected wave 4B of the same length extending back towards the drill. The more or less dense scaffolding reflects the voltage amplitude in both transmitted 4C and reflected 4B waves.

Chockvågen definieras av dess spänningsnivå och pulslängden. En hög spänningsnivå (typiskt 200 MPA) visas med en tät schaffrering vid tiden t = -1 innan vågen anslår mot det tyngre röret 2. Spånningsnivån är något lägre, och schaffreringen är mindre tät efter att vågen färdats in i rörsektionen. Den reflekterade vågen 4B är avbildad med en mycket gles schaffrering, lutad i en annan riktning som en symbol av en väg som utbreder sig mot den vänstra sidan i Fig. 1A. Emellertid adderar den reflekterade chockvågen 4B till den infallande chockvågen 4A, och därför är spänningsnivån (visad med schaffreringens densitet) maximum.The shock wave is defined by its voltage level and pulse length. A high voltage level (typically 200 MPA) is indicated by a tight enclosure at time t = -1 before the scale strikes the heavier pipe 2. The voltage level is slightly lower, and the enclosure is less dense after the scale travels into the pipe section. The reflected wave 4B is depicted with a very sparse scaffolding, inclined in another direction as a symbol of a path extending towards the left side in Fig. 1A. However, the reflected shock wave 4B adds to the incident shock wave 4A, and therefore the voltage level (shown by the density of the enclosure) is maximum.

Vid tiden t = 2, överförs och reflekteras den första halvan (50 %) av den infallande chockvågen 4A.At time t = 2, the first half (50%) of the incident shock wave 4A is transmitted and reflected.

Vid tiden t = 3 färdas infallande chockvåg 4A till höger ochlängden på stången som utsätts för hög spänningsnivå är kortare än innan. För enkelhetens 10 15 20 25 30 531 G17 skull och för att reducera antalet figurer utbreder sig den överförda vågen 4C till borrkronan som nu anslår berget. Reaktionema vid borrkronan 3 är mycket varierande beroende på borrkronans vikt och bergets hårdhet. Det antas att en borrkrona med samma linjära massa som rörsektionen används och att berget är hard tillräckligt för att motstå borrkronans rörelse och krontrycket. En andra reflekterad tryckchockvág kommer då att påbörjas.At time t = 3, incident shock wave 4A travels to the right and the length of the rod that is exposed to a high voltage level is shorter than before. For the sake of simplicity and to reduce the number of figures, the transmitted wave 4C extends to the drill bit which now strikes the rock. The reactions at the drill bit 3 are very variable depending on the weight of the drill bit and the hardness of the rock. It is assumed that a drill bit with the same linear mass as the pipe section is used and that the rock is hard enough to withstand the movement of the drill bit and the crown pressure. A second reflected pressure shock wave will then be started.

Vid tiden t = 4, överförs den infallande chockvågen 4A helt in i rörsektionen och därför avslutas bildandet av spänningsvågen 4B kommer till en ände.At time t = 4, the incident shock wave 4A is transmitted completely into the pipe section and therefore the formation of the voltage wave 4B ends at one end.

Vid tiden t = 5, är den reflekterade vägen 4B avslutad och färdas till den vänstra sidan i riktning mot borrmaskinen. _ Den mest ogynnsamma tiden för gängförbandet 5 är frán tid omkring t = 0 till omkring t = 4, när infallande 4A och reflekterade 4B spänningvàgor överlagras.At time t = 5, the reflected path 4B is completed and travels to the left side in the direction of the drill. The most unfavorable time for the threaded connection 5 is from time around t = 0 to around t = 4, when incident 4A and reflected 4B voltage waves are superimposed.

Fig. 1A visar en triangel som avbildar position och tid för överlappet mellan infallande och reflekterade vågor. Såsom framgår ur Fig. 1A är gångförbandet 5 utsatt för de ökade spänningsnivåema fràn tiden t = 1 till t = 3. 'Fdsperiodema i den här sammanhanget är mycket korta. eftersom chockvágen färdas i stål med en hastighet av omkring 5200 m/s och en vanlig tidsperiod för en chockvàg att passera ett borrstàls tvärsnitt är omkring en tredjedel av en millisekund (0.33 ms). Denna korta tid motsvarar till spänningsöltrfingen visad i triangelns lodräta basllnje i Fig. 1A från t = 0 till t = 4.Fig. 1A shows a triangle depicting the position and time of the overlap between incident and reflected waves. As can be seen from Fig. 1A, the gangway 5 is exposed to the increased voltage levels from the time t = 1 to t = 3. The feed periods in this context are very short. since the shock wave travels in steel at a speed of about 5200 m / s and a normal time period for a shock wave to pass the cross section of a drill steel is about one third of a millisecond (0.33 ms). This short time corresponds to the voltage drop shown in the vertical baseline of the triangle in Fig. 1A from t = 0 to t = 4.

Till exempel om en infallande chockvåg är 200 MPA och den reflekterade chockvàgen 4B är 40 MPA (endast 20 %) beroende på den högre rörirnpedansen, då är den resulterande spänningsnivàn 240 MPA. Som jämförelse skulle spänningsnivàn 240 MPA utvecklas i ett vanligt stång till stång gängförband, e] visat, i en borrmaskin med 44 % högre energi per slag (E), såsom resultat av formeln: E = IUÄÖI där o är tryckspänning. 10 15 20 25 30 53% 017 Den konventionella borrsträngen kan inte motstå en 44 % ökning av energi per slag. Gângförbandet mellan borrstång och borrör, som utsätts för en 44 % högre spänning, visat sig att vara den svaga punkten i borrstrången.For example, if an incident shock wave is 200 MPA and the reflected shock wave 4B is 40 MPA (only 20%) due to the higher tube impedance, then the resulting voltage level is 240 MPA. For comparison, the voltage level of 240 MPA would be developed in a conventional bar to bar threaded joint, as shown, in a drill with 44% higher energy per stroke (E), as a result of the formula: E = IUÄÖI where o is compressive stress. 10 15 20 25 30 53% 017 The conventional drill string cannot withstand a 44% increase in energy per stroke. The connection between the drill rod and the drill pipe, which is exposed to a 44% higher voltage, proved to be the weak point in the drill string.

Utmattningssprickoma utvecklas vanligtvis i gångförbandet 5, och mer exakt i hangängan, och begränsar livslängden för de tvâ komponentema till intervallet 800 till 2500 borrade meter. De bör noteras att ett standard stång till stång gängförband kan borra från 10 000 till 20 000 borrade meter. Sådana livslângder för stång och borrör registreras ofta på arbetsplatser.The fatigue cracks usually develop in the joint 5, and more precisely in the male thread, and limit the service life of the two components to the range 800 to 2500 drilled meters. It should be noted that a standard bar to bar threaded joint can drill from 10,000 to 20,000 drilled meters. Such service life of rods and drill pipes is often recorded at workplaces.

Syftet med föreliggande uppfinning är att undvika den högre spänningsnivàn som för närvarande uppstår i vilket gängförband som helst mellan borrstången och styrstången.The object of the present invention is to avoid the higher voltage level which currently occurs in any threaded connection between the drill rod and the guide rod.

En utföringsform av en borrsträng enligt föreliggande uppfinning för slående bergborrning innefattande en styrstàng 10 enligt föreliggande uppfinning beskrivs i det följande med hänvisning främst till Fig. 2A och 2B. Styrstàngen 10 innefattar en förlängt första eller slank del 10A med en huvudsakligen cylindrisk grundform med en diameter D1 och en längd L1 och en andra del eller styrdel 10B med en huvudsakligen cylindrisk grundform med en diameter D2 och en längd L2. Styrstången innefattar dessutom en första eller övre ände 11 definierad av en företrädesvis pàsvetsad hylsa eller en hondel 12 och en andra eller lägre ände 13 definierad av en tapp eller handel 14. Tappen 14 har en huvudsakligen cylindrisk yttre gänga 15 och hylsan 12 har en huvudsakligen cylindrisk inre hongänga 16. Den första delen 10A har en yttre diameter D1 ungefär lika med den största diametem hos hongångan 16. Hongångan 16 är försedd i en urtagning i hylsan med en anslagsyta eller botten 18. Den slanka delens 10A yttre diameter D1 är ungefär lika med den största diametern hos nämnda gänga 16. Längden L1 kan definieras som avståndet fràn bottnen 18 till den närmaste positionen där styrdelen 10B har en full diameter D2. Längden L1 är större än längden för kolven som används i borrrnaskinen, det vill säga åtminstone 500 mm. Längden L2 kan definieras som avståndet mellan ändama hos styrdelen 1 OB, vilka ändar har fulla diametrar D2. Styrdelens diameter D2 är 105-250 % av 10 15 20 25 30 531 G17 den slanka delens 10A diameter. När det är fråga om tvärsnittsareorna (i mm2) eller linjär massa (i kg/m) år styrdelen 10B max 250 % av den slanka delen 10A.An embodiment of a drill string according to the present invention for striking rock drilling comprising a guide rod 10 according to the present invention is described in the following with reference mainly to Figs. 2A and 2B. The guide rod 10 comprises an elongated first or slender part 10A with a substantially cylindrical basic shape with a diameter D1 and a length L1 and a second part or guide part 10B with a substantially cylindrical basic shape with a diameter D2 and a length L2. The guide rod further comprises a first or upper end 11 defined by a preferably welded sleeve or a female part 12 and a second or lower end 13 defined by a pin or handle 14. The pin 14 has a substantially cylindrical outer thread 15 and the sleeve 12 has a substantially cylindrical inner female thread 16. The first part 10A has an outer diameter D1 approximately equal to the largest diameter of the female thread 16. The female thread 16 is provided in a recess in the sleeve with a stop surface or bottom 18. The outer diameter 101 of the slender part 10A is approximately equal to the largest diameter of said thread 16. The length L1 can be defined as the distance from the bottom 18 to the nearest position where the guide part 10B has a full diameter D2. The length L1 is greater than the length of the piston used in the drilling machine, i.e. at least 500 mm. The length L2 can be defined as the distance between the ends of the guide part 10B, which ends have full diameters D2. The diameter D2 of the guide part is 105-250% of the diameter 10A of the slender part 10A. In the case of cross-sectional areas (in mm2) or linear mass (in kg / m), the guide part 10B is a maximum of 250% of the slim part 10A.

En spolkanal som är generellt betecknad 19 har utsträckning invändigt i styrstàngen 10, genom vilken ett spolmedium, vanligtvis luft eller vatten, överförs.A flushing channel, generally designated 19, extends internally into the guide rod 10, through which a flushing medium, usually air or water, is transmitted.

Den genomgående spolkanalen 19 är anordnad att föra spolmedium till bergborrkronan 3 för slående topphammarborming. Denna kanal år lämpligen centralt lokaliserad i styrstàngen.The continuous flushing channel 19 is arranged to carry flushing medium to the rock drill bit 3 for striking top hammer drilling. This channel is suitably centrally located in the handlebar.

Den slanka delen 10A och styrdelen 10B år företrädesvis väsentligen cylindriska. En första skuldra 25 och en andra skuldra 26 avgränsar den cylindriska delen av den slanka delen 10A i respektive axiell ände därav. Den första skuldran 25 är anordnad i närheten av hongångan 16.The slender portion 10A and the guide portion 10B are preferably substantially cylindrical. A first shoulder 25 and a second shoulder 26 define the cylindrical portion of the slender portion 10A at each axial end thereof. The first shoulder 25 is arranged in the vicinity of the female passage 16.

Fig. 3 visar överföringen av en chockvág liknande Fig. 1A med identisk chockvågsöverföring och -reflexion, applicerad på en borrsträng enligt föreliggande uppfinning innefattande styrstángen 10 enligt föreliggande uppfinning. Styrstången 10 innefattar en tillräckligt lång, slank stångdel 10A, definierad pà ett sådant sätt att gângförbandet 5 år absolut lokaliserat utanför triangeln där infallande 4A och reflekterade 4B chockvågor överlappar.Fig. 3 shows the transmission of a shock wave similar to Fig. 1A with identical shock wave transmission and reflection, applied to a drill string according to the present invention comprising the guide rod 10 according to the present invention. The guide rod 10 comprises a sufficiently long, slender rod portion 10A, defined in such a way that the gangway 5 is absolutely located outside the triangle where incident 4A and reflected 4B shock waves overlap.

Vid tiden t = -1, t = O och t = 1 utsätts gângförbandet 5 för den infallande chockvågen 4A, liknande vilket som helst gângförband mellan två standardstänger.At time t = -1, t = 0 and t = 1, the walkway 5 is exposed to the incident shock wave 4A, similar to any walkway between two standard bars.

Vid tiden t = 2 har infallande chockvägen 4A redan upphört och spänningsnivän är nära noll. Detta uppstår innan den reflekterade chockvågen 4B när gângförbandet 5 i motsatt riktning.At time t = 2, the incident shock path 4A has already ceased and the voltage level is close to zero. This occurs before the reflected shock wave 4B reaches the gangway 5 in the opposite direction.

Vid tiden t = 3, t = 4 och t = 5 färdas en harmlös reflekterad våg 4B genom gângförbandet 5 utan märkbar påverkan på styrstången 10 liv.At times t = 3, t = 4 and t = 5, a harmless reflected wave 4B travels through the gangway 5 without appreciable effect on the life of the guide rod 10.

Den grundläggande idén för styrstången 10 enligt föreliggande uppfinning âr att hålla änddelen eller delen av styrstången vänd bort från borrkronan 3 så identisk som möjligt som borrstàngen 1 ansluten därtill och därigenom undvika den negativa påverkan av en 105 % till 150 % tyngre linjär massa hos det konventionella styrröret, som lokalt höjer tryck-, .rotations- och böjspänningar. För att undvika någon ökning av tryckspänningar som har sin grund i slagpulser i 10 15 25 30 531 01? gångförbandet 5, som är det mest känslig området, skall denna slanka del 10A av styrstången 10 ha en längd lika med eller företrädesvis längre än slagkolven, vilket betyder att längden för den slanka delen 10A borde vara åtminstone 500 mm. Denna slanka del 10A samtidigt ståtar ut vrldmomentpuiser och böjspânningarna innan de överförs till gängförbandet 5 och överförs in i den mycket känsliga hangângan hos stången 1 ansluten därtill.The basic idea of the guide rod 10 according to the present invention is to keep the end part or part of the guide rod facing away from the drill bit 3 as identical as possible to the drill rod 1 connected thereto and thereby avoid the negative impact of a 105% to 150% heavier linear mass of the conventional the guide tube, which locally raises compressive, rotational and bending stresses. To avoid any increase in compressive stresses based on beat pulses in 10 15 25 30 531 01? the gait 5, which is the most sensitive area, this slender portion 10A of the guide rod 10 should have a length equal to or preferably longer than the percussion piston, which means that the length of the slender portion 10A should be at least 500 mm. This slender part 10A simultaneously withstands the torque pusher and the bending stresses before they are transferred to the threaded connection 5 and transferred into the very sensitive hanging thread of the rod 1 connected thereto.

Styrdelen 10B hos styrstängen är en rörformig sektion fungerande som ett lager l kontakt med hålväggen för att förbättra stymlngen av borrkronan 3. Det största skälet för att definiera en rörforrnig sektion i stället för till exempel sex långa skåror (splines) är en slutsats från fälterfarenhet, det vill säga styrrör anses vara mindre aggressiva i jordborrning och i mjukbergborrning, eftersom sex skåror kanske försämrar väggen och driver hålet att till kollaps. Den andra delen 10B är helst karbunserad eller värmebehandlad, för att motstå hög förslitning på grund av svår friktion emot abrasivt berg, till en ythàrdhet mellan 48HRC och 62HRC. Den andra delen 10B kan innefatta yttre grunda skåror för att öka spolytan och samtidigt minska det fria utrymmet mellan skåror och hålvägg, för en bättre styming.The guide member 10B of the guide rod is a tubular section acting as a bearing in contact with the hole wall to improve the pitch of the drill bit 3. The main reason for defining a tubular section instead of, for example, six long notches (splines) is a conclusion from field experience. that is, guide tubes are considered to be less aggressive in earth drilling and in soft rock drilling, as six notches may degrade the wall and drive the hole to collapse. The second part 10B is preferably carbonized or heat treated, to withstand high wear due to severe friction against abrasive rock, to a surface hardness between 48HRC and 62HRC. The second part 10B may comprise outer shallow grooves to increase the coil surface and at the same time reduce the free space between grooves and hole wall, for a better control.

Metoden enligt föreliggande uppfinning för överföring av slagenergi från en topphammarenhet till en borrkrona kan sammanfattas på följande sätt.The method of the present invention for transferring impact energy from a top hammer unit to a drill bit can be summarized as follows.

Topphammarenheten har en kolv som ger chockvågor 4A. Varje chockvåg har en längd 2L. Metoden innefattar följande steg: - anordna en borrsträng innefattande en eller flera skarvstânger 1 eller skarvrör, ett bergborrelement 10 såsom definieras ovan, och en borrkrona 3 eller flera eller ett styrrör anslutet till en borrkrona 3, - anslut en ände 11 av nämnda bergborrelement 10, 10', vänd mot kolven, via ett gängförband Still en skarvstång 1 eller ett skarvrör, - accelerera kolven, - slå en ände av borrsträngen att skapa chockvågen 4A, - tillåt mer än halva chockvågen 4A att passera gångförbandet 5 innan någon reflekterad väg 4B är tillåts skapas, och - rotera och slå nämnda borrkrona emot ett bergmaterial för att göra ett hål däri. 10 15 20 25 30 531 C11? 10 Den andra delen 10B kan dessutom vara förändrad i längd för att optimera chockvägens överföring till borrkronan och till berget. En altemativ styrstäng 10' enligt föreliggande uppfinning visas i Fig. 4A, 4B och 5. l motsats till var föregående beskrivning är borrkronans 3 linjära massa ofta inte lika med rörets linjära massa. Borrkronan 3 är mycket tyngre och sä är även gängförbandet mellan den andra delen 10B och borrkronan 3. På grund av denna observation reflekteras mer energi tillbaks till borrmaskinen och överförs inte till berget.The top hammer unit has a piston that produces shock waves 4A. Each shock wave has a length of 2L. The method comprises the following steps: - arranging a drill string comprising one or more splice rods 1 or splice tubes, a rock drill element 10 as defined above, and a drill bit 3 or more or a guide tube connected to a drill bit 3, - connecting one end 11 of said rock drill element 10, 10 ', facing the piston, via a threaded joint Set a splice bar 1 or a splice tube, - accelerate the piston, - strike one end of the drill string to create the shock wave 4A, - allow more than half the shock wave 4A to pass the gangway 5 before any reflected path 4B is allowed to be created, and - rotating and striking said drill bit against a rock material to make a hole therein. 10 15 20 25 30 531 C11? The second part 10B can also be changed in length to optimize the transfer of the shock path to the drill bit and to the rock. An alternative guide rod 10 'according to the present invention is shown in Figs. 4A, 4B and 5. In contrast to each previous description, the linear mass of the drill bit 3 is often not equal to the linear mass of the pipe. The drill bit 3 is much heavier and so is the threaded connection between the second part 10B and the drill bit 3. Due to this observation, more energy is reflected back to the drilling machine and is not transferred to the rock.

Fig. 4A och 4B visar schematiskt en altemativ borrsträng enligt föreliggande uppfinning respektive en altemativ styrstång 10' enligt föreliggande uppfinning, varvid lika siffror betecknar lika särdrag som i den tidigare beskrivna uttöringsformen. Den altemativa styrstângen 10' innefattar fördelarna med styrstången 10 och har så en slank del 10A' och en styrde! 10B'. Den största skillnaden från styrstängen 10 är att längden L2' hos styrdelen 10B' har reducerats. Längden L1' hos den slanka delen 10A' är större än längden för kolven som används i borrrnaskinen, det vill säga åtminstone 500 mm. Den altemativa styrstängen 10' har dessutom möjligheten att ge något mer energi till berget genom den andra delen 10B' av styrstängen 10' och borrkronan 3 i dess helhet. Den totala längden av den andra delen 10B' och borrkronan 3 är utformad - såsom huvudsakligen halva längden av kolven hos bormfaskinen, vilket innebär att deras totala längd är huvudsakligen en fjärdedel av infallande chockvàg 4A. l en sådan konfiguration skapar den första halva chockvägen 4A en första spänningsnivå i styrdelen plus krona arrangemanget, medan den andra halva chockvàgen ytterligare ökar den första spänningsnivàn till ett högre värde. Den förhöjda spänningsnivån kan då skjuta hàrdmetallstiften något ytterligare in i berget. Denna process kan i själva verket förbättra den totala energiöverföringen till berget och den totala effektiviteten. l ljuset av beskrivningen med avseende på Fig. 4A, 4B och 5 år den idealiska längden för styrdelen 10B' plus krona 3 teoretiskt huvudsakligen lika med halva kolvlängden. l själva verket visar optimering i finita element analys att den totala längden hos styrdel plus krona borde vara ungefär en tredjedel av kolvens längd. Detta värde är endast en indikation mot bakgrund av att finita 10 15 20 25 30 531 01? 11 element analysen är det enda sättet att optimera chockvågens överföring till berget under övervägande av den sanna massfördelningen längs röret och kronan. l ett datasimuleringsprov har effektiviteten vid chockvàgsöverföring förbättrats från 0,7245 (med ett konventionellt fullängdsstyrrör) till 0,7677 (med optimerad styrdel 10B' längd), vilket är nästan en 6 % förbättring av energiöverföringen.Figs. 4A and 4B schematically show an alternative drill string according to the present invention and an alternative guide rod 10 'according to the present invention, respectively, wherein like numerals denote like features as in the previously described embodiment. The alternative guide rod 10 'includes the advantages of the guide rod 10 and thus has a slender portion 10A' and a guide! 10B '. The main difference from the guide rod 10 is that the length L2 'of the guide part 10B' has been reduced. The length L1 'of the slender part 10A' is greater than the length of the piston used in the drilling machine, i.e. at least 500 mm. The alternative guide rod 10 'also has the possibility of giving some more energy to the rock through the second part 10B' of the guide rod 10 'and the drill bit 3 in its entirety. The total length of the second part 10B 'and the drill bit 3 is designed - such as substantially half the length of the piston of the drilling machine, which means that their total length is substantially a quarter of the incident shock wave 4A. In such a configuration, the first half shock path 4A creates a first voltage level in the guide member plus the crown arrangement, while the second half shock path further increases the first voltage level to a higher value. The elevated stress level can then push the cemented carbide pins slightly further into the rock. This process can, in fact, improve the overall energy transfer to the rock and the overall efficiency. In the light of the description with respect to Figs. 4A, 4B and 5, the ideal length of the guide part 10B 'plus the crown 3 is theoretically substantially equal to half the piston length. In fact, optimization in finite element analysis shows that the total length of the guide part plus the crown should be about one third of the length of the piston. This value is only an indication in the light of finite 10 15 20 25 30 531 01? The 11 element analysis is the only way to optimize the shock wave's transmission to the rock while considering the true mass distribution along the tube and the crown. In a data simulation test, the efficiency of shockwave transmission has been improved from 0.7245 (with a conventional full-length guide tube) to 0.7677 (with optimized guide portion 10B 'length), which is almost a 6% improvement in energy transfer.

Det borde noteras att optimering av chockvägsöverföringen inte är obligatorisk En något eller även en mycket längre styrdel för förbättrad styrning i hålet (men inte optimerat med hänsyn till energiöverföring) kan syfta till att lösa olika borrningssituationer. Till exempel, när hålrakheten är viktigare än genomträngningshastigheten. En sådan styrstång skulle fortfarande ha fördelen av lägre tryckspänningar, mer jämna rotationsspänningar och mer jämna böjspânningari gängförbandet 5, vilket kommer till stor nytta för borrsträngens livslängd.It should be noted that optimization of the shock path transmission is not mandatory. A slightly or even a much longer control part for improved control in the hole (but not optimized with regard to energy transfer) can aim to solve different drilling situations. For example, when the hole straightness is more important than the penetration speed. Such a guide rod would still have the advantage of lower compressive stresses, more even rotational stresses and more even bending stresses in the threaded joint 5, which is of great benefit for the life of the drill string.

En sådan styrstàng 10 och 10' syftar till att acceptera konventionella borrkronor med en kjol och en hongänga. Borrkronan 3 kan ha antingen en standardkjol eller en styrkjol. De ovannämnda utföringsexemplen av en styrstäng enligt föreliggande uppfinning har företrädesvis en periferisk kontakt (även kallad skulderkontakt) mellan styrstángen 10, 10' och borrkronan 3. Det huvudsakliga skälet för skulderkontakten omkring en stor gänga är att lokalisera chockenergin noggrant där den år användbar vid de periferiska stiften hos borrkronan.Such a guide rod 10 and 10 'aims to accept conventional drill bits with a skirt and a female thread. The drill bit 3 can have either a standard dress or a strength dress. The above-mentioned embodiments of a guide rod according to the present invention preferably have a peripheral contact (also called shoulder contact) between the guide rod 10, 10 'and the drill bit 3. The main reason for the shoulder contact around a large thread is to locate the shock energy accurately where it is useful in the peripheral the pins of the drill bit.

Borrkronan 3 kan altemativt vara formgiven med en hangängad tapp som skall insättas l styrstàngen med en motsvarande hongänga. En karburiserad styrdel som kan motstå hög förslitning kan i det här sammanhanget vara det enda medel för att styra i hålet, så att borrkronans 3 ej behöver integrerade styranordningar.The drill bit 3 can alternatively be designed with a threaded pin which is to be inserted into the guide rod with a corresponding female thread. A carburized guide part which can withstand high wear can in this context be the only means for guiding in the hole, so that the drill bit 3 does not need integrated guide devices.

Den hitintills visade styrstàngen har tills nu en krona direkt ansluten till den. Det är även möjligt att använda styrstängen som ett mellanliggande element vilket ansluter två borrsträngssektioner med olika tvärsnittsytor (l mm2) eller linjär massa (i kg/m). Till exempel överför en 60 mm borrstång slagpulser till 10 15 53'i G1? 12 styrstángen, vilken i sin tur är ansluten till ett eller flera styrrör med tyngre linjär massa. Borrkronan 3 är slutligen ansluten till det sista styrröret.Until now, the guide rod shown so far has a crown directly connected to it. It is also possible to use the guide rod as an intermediate element which connects two drill string sections with different cross-sectional areas (1 mm2) or linear mass (in kg / m). For example, a 60 mm drill rod transmits percussion pulses to 10 15 53'i G1? 12 the guide rod, which in turn is connected to one or more guide tubes with heavier linear mass. The drill bit 3 is finally connected to the last guide tube.

Borrsträngen av stänger skulle altemativt kunna vara en sträng av borrör vari styrstàngen 10, 10' dä ersätts av ett styrrör av liknande geometri men med större dimensioner. Ett sådant styrrör skulle vara väsentligen identiskt med borröret i dess övre ände och ha ett större och tyngre rör i dess undre ände för att passa borrkronans diameter.The drill string of rods could alternatively be a string of drill pipes in which the guide rod 10, 10 'is then replaced by a guide tube of similar geometry but with larger dimensions. Such a guide pipe would be substantially identical to the drill pipe at its upper end and have a larger and heavier pipe at its lower end to fit the diameter of the drill bit.

Föreliggande uppfinning föreslår en styrstång där gängförbandet förflyttas bort från den ogynnsamma refiexytan. Därmed erhålls åtskilliga fördelar, nämligen et effektivt styrorgan med läng livslängd som innebär att undviker överbelastning av gängförbandet som ansluter tili borrsträngen och en högeffektiv chockvàgsöverföring.The present invention proposes a guide rod where the threaded joint is moved away from the unfavorable reflex surface. Thereby several advantages are obtained, namely an efficient guide means with a long service life which means that it avoids overloading of the threaded connection which connects to the drill string and a highly efficient shock wave transmission.

Fastän föreliggande uppfinning har beskrivits i samband med föredragna utföríngstorrner därav kommer det att uppskattas av sådana som är insatta i teknikens ståndpunkt att tillägg, strykningar, modifikationer och ersättningar som inte beskrivits specifikt kan göras utan att awika från uppfinningens omfattning såsom den anges ide bifogade patentkraven.Although the present invention has been described in connection with preferred embodiments thereof, it will be appreciated by those skilled in the art that additions, deletions, modifications and substitutions not specifically described may be made without departing from the scope of the invention as set forth in the appended claims.

Claims

10 15 20 25 30 531 G1? Patent claims

A rock drilling element for use in striking top hammer drilling with an elongate body comprising a first part (10A; 10A ') and a second part (10B; 10B'), said first part (10A; 10A ') having a female (16) or male thread intended to be connected to a drill rod (1) or a drill pipe, characterized in that said first part (10A; 10A ') has an outer diameter (D1) approximately equal to the largest diameter of said thread (16) , said second part (10B; 10B ') has a male (15) or female thread intended to be connected to a drill bit or a guide tube, said second part (10B; 10B') forming a guide part for radial control in a hole to be drilled , and in that the length of the first part (10A; 10A ') is at least 500 mm.

The rock drill element according to claim 1, wherein the outer diameter (D1) of the first part (10A; 10A ') is 90-110% of the largest diameter of the thread associated with said first part (10A; 10A').

The rock drill element according to claim 1 or 2, wherein the outer diameter (D2) of the second part (10B; 10B ') is 105-250% of the outer diameter of the first part (10A; 10A').

The rock drill element according to claim 1, 2 or 3, wherein the cross-sectional area of the second part (10B; 10B ') is a maximum of 250% of the cross-sectional area of the first part (10A; 10A').

The rock drill element according to any one of the preceding claims, wherein the second part (10B; 10B ') has outer grooves.

The rock drill element according to any one of the preceding claims, wherein at least the second part (10B; 10B ') has a surface hardness between 48HRC and 62HRC. 10 15 20 53% C917 14

The rock drill element according to any one of the preceding claims, wherein the first (10A; 10A ') and / or the second part (10B; 10B') consist of a plurality of components, preferably friction welded to each other.

A drill string for striking rock drilling comprising a drill bit, one or more splice rods (1) or splice tubes, characterized in that the drill string further comprises a rock drill element (10; 10 ') as defined in any one of claims 1-7.

A method for transferring impact energy from a top hammer unit to a drill bit, which unit has a piston which provides shock waves (4A), each shock wave having a length (2L), the method comprising the following steps: - arranging a drill string comprising a / one or more splice rods (1) or splice tubes, a rock drill element (10; 10 ') as defined in any one of claims 1-7, and a drill bit (3) or more or a guide tube connected to a drill bit (3), - connect one end (11) of said rock drill element (10; 10 '), facing the piston, via a threaded connection (5) to a splice bar (1) or a splice tube, - accelerating the piston, - striking one end of the drill string to create the shock wave (4A), - allowed more than half of the shock wave (4A) to pass the gangway before any reflected wave (4B) is allowed to be created, and - rotate and saw said drill bit against a rock material to make a hole therein.