钻岩设备及其阴性部件和阳性部件.pdf

本发明涉及一种用于包括阴性部件和阳性部件的类型的钻岩设备的螺纹接头部，阴性部件和阳性部件通过螺纹接头部互相连接。关于包括呈螺旋螺纹牙形式的内部梯形螺纹的类型的阴性部件(1)，本发明是尤其有优势的，其中所述螺纹牙由顶部和两个侧面(12a，12b)界定，具有底部(14)的凹槽(13)在两个顶部之间延伸，且螺纹牙在前端和后端之间延伸多圈，螺纹顶部接触与阴性部件的中心轴线同心的假想柱体或锥体。根据本发明，螺纹凹槽的底部(14)沿凹槽的延伸部分的至少一部分具有凹形和部分圆形截面形状，并经由凹形半径过渡部(22)转变到侧面，半径过渡部(22)的半径(r2)在从螺纹前端朝后端的方向上减小，同时，凹槽底部(14)的半径(r1)在同一方向上增大。

1.  钻岩设备，包括阴性部件(1)和阳性部件(2)，所述阴性部件(1)和所述阳性部件(2)能够通过螺纹接头部彼此相连，在所述螺纹接头部中，包括所述阴性部件(1)中的内部梯形螺纹(3)和所述阳性部件(2)上的外部梯形螺纹(4)，所述螺纹中的每一个为螺旋形螺纹牙的形式，该螺旋形螺纹牙由顶部(11，16)和两个侧面(12a，12b；17a，17b)界定，具有底部(14，19)的凹槽(13，18)在两个顶部之间延伸，且螺纹牙在所述钻岩设备的前端和后端(5，6；7，8)之间延伸多圈，各个螺纹顶部接触与中心轴线(C)同心的假想柱体或锥体，其特征在于，所述螺纹(3)中的至少一个的凹槽底部(14)沿所述凹槽的延伸部分的至少一部分具有凹形和部分圆形截面形状，并经由凹形半径过渡部(22)转变到所述侧面(12a，12b)，所述凹形半径过渡部(22)的半径(r2)在从所述螺纹牙的一端朝另一端的轴向方向上减小，同时，所述凹槽底部(14)的半径(r1)在同一方向上增大。

2.  如权利要求1所述的钻岩设备，其特征在于，各个侧面(12a，12b)沿其整个延伸部分具有均匀的宽度。

3.  如权利要求2所述的钻岩设备，其特征在于，两个侧面(12a，12b)等宽。

4.  如前述权利要求中任一项所述的钻岩设备，其特征在于，在沿所述螺纹的延伸部分的任意截面(A)中，所述凹槽底部(14)和所述半径过渡部(22)的半径(r1，r2)等大，同时形成一个全半径轮廓。

5.  如前述权利要求中任一项所述的钻岩设备，其特征在于，在沿所述螺纹的延伸部分的任意截面(C)中，所述半径过渡部(22)的半径(r2)是最小的，而所述凹槽底部(14)的半径(r1)是无穷大的。

6.  如前述权利要求中任一项所述的钻岩设备，其特征在于，所述凹槽底部(14)的半径(r1)在任意截面中是最小的，并朝向另一截面均匀地增大，同时，所述半径过渡部(22)的半径(r2)在相同方向上均匀地减小。

7.  用于钻岩设备的阴性部件，包括呈螺旋螺纹牙形式的内部梯形螺纹(3)，所述螺纹牙由顶部(11)和两个侧面(12a，12b)界定，具有底部(14)的凹槽(13)在两个顶部之间延伸，并且所述螺纹牙在前端(5)和后端(6)之间延伸多圈，所述顶部(11)接触与所述阴性部件的中心轴线(C)同心的假想柱体或锥体，其特征在于，所述凹槽(13)的所述底部(14)沿所述凹槽的延伸部分的至少一部分具有凹形和部分圆形截面形状，并经由凹形半径过渡部(22)转变到所述侧面(12a，12b)，所述半径过渡部(22)的半径(r2)在从所述螺纹的所述前端(5)朝所述后端(6)的方向上减小，同时，所述凹槽底部(14)的半径(r1)在同一方向上增大。

8.  如权利要求7所述的阴性部件，其特征在于，各个侧面(12a，12b)沿其整个延伸部分具有均匀的宽度。

9.  如权利要求8所述的阴性部件，其特征在于，所述两个侧面(12a，12b)等宽。

10.  如权利要求7-9中任一项所述的阴性部件，其特征在于，在最靠近所述前端的截面(A)中，所述凹槽底部(14)和所述半径过渡部(21)的半径(r1，r2)等大，同时形成一个全半径轮廓。

11.  如权利要求7-10中任一项所述的阴性部件，其特征在于，在螺纹的所述后端附近的截面(C)中，所述半径过渡部(21)的半径(r2)是最小的，而所述凹槽底部(14)的半径(r1)是无穷大的。

12.  如权利要求7-11中任一项所述的阴性部件，其特征在于，所述凹槽底部(14)的半径(r1)在所述螺纹的所述前端处最小，并朝所述螺纹的所述后端均匀地增大，同时，所述半径过渡部(22)的半径(r2)在相同方向上均匀地减小。

13.  用于钻岩设备的阳性部件，包括呈螺旋螺纹牙形式的外部梯形螺纹，所述螺纹牙由顶部(16)和两个侧面(17a，17b)界定，具有底部(19)的凹槽(18)在两个顶部之间延伸，并且所述螺纹牙在所述阳性部件的前端(7)和后端(8)之间延伸多圈，所述顶部接触与所述阳性部件的中心轴线(C)同心的假想柱体或锥体，其特征在于，所述凹槽的所述底部(19)沿所述凹槽的延伸部分的至少一部分具有凹形和部分圆形截面形状，并经由凹形半径过渡部转变到所述侧面(17a，17b)，所述半径过渡部的半径在从所述螺纹的前端朝后端的方向上增大，同时，凹槽底部的半径在同一方向上减小。

钻岩设备及其阴性部件和阳性部件
技术领域
在第一方面中，本发明涉及一种包括阴性部件和阳性部件的类型的钻岩设备，阴性部件和阳性部件能够通过螺纹接头部彼此相连，在螺纹接头部中，包括阴性部件中的内部梯形螺纹和阳性部件上的外部梯形螺纹，螺纹中的每一个包括螺旋形螺纹牙，该螺旋形螺纹牙由顶部和两个侧面界定，具有底部的凹槽在顶部和两个侧面之间延伸，且螺纹牙在前端和后端之间延伸多圈，所述顶部接触与中心轴线同心的假想柱体或锥体。
在进一步的方面中，本发明还分别涉及这样的阴性部件和阳性部件。
背景技术
实际上，通常上述类型的钻凿设备用于冲击式钻凿或顶锤式钻凿，即其中冲击运动以及旋转运动被传递到钻头的钻凿。这类设备可使用不同的部件以最变化的方式组装，这些部件通过不同类型的螺纹接头部连接在一起。但是，一般地，阳性部件由杆组成，而阴性部件由连接套筒、钻头或变径套筒组成。在不同部件之间的螺纹接头部中，经常地，梯形螺纹是优选的，而不是所谓的圆螺纹是优选的，因为对比于最后提到的圆螺纹，首先提到的梯形螺纹可按相对简单的方式彼此分离。但是，梯形螺纹的问题是，在相邻于螺纹牙的两个侧面和中间凹槽底部之间的凹形半径过渡部处出现应力集中，这导致材料疲劳且因此降低上述部件的使用寿命。这种应力集中，集中在半径过渡部倾斜的“较陡处”，在阴性部件中变得尤其令人讨厌，尤其是在最靠近阴性部件的前端或口端的第一个螺纹圈中，这里阴性部件上的弯曲负荷最大。
事实上，梯形螺纹接头部中的应力集中问题通过US 4040756和US6196598已经以有很好的方式解决，即通过在圆螺纹中形成的所述类型的所谓的全半径轮廓的阴性部件以及阳性部件的螺纹中形成凹槽底部，同时，螺纹的顶部或牙顶保持一般为梯形螺纹并且由在两个相对端经由若干凸形弧线转变到两个侧面的直母线而界定的轮廓形状。以这样的方式，侧面将直接转变到截面圆弧形凹槽底部，而其间根本没有任何半径过渡部。换句话说，侧面转变到略微圆形凹槽底部，其中出现应力集中的风险很小或者不存在。
然而，所述专利文件中已知的螺纹的缺点是，螺纹轮廓沿螺纹前端和后端之间的整个轴向延伸是一致的。这意味着在上述所有易碎的阴性部件中材料的量不仅在发现弯曲负荷的区域，即邻近阴性部件的前部口端减少，而且也沿螺纹延伸的其余部分到后端的区域减少。材料减少不必要地削弱了强度并减少了阴性部件的使用寿命。
还在阳性部件中发现了所述类型的不必要的材料减小，但是在这种情况下，阳性部件中材料减小没有在阴性部件中重要。
通过US 6293360，梯形螺纹是先前知道的，其轮廓沿一圈螺纹的几个部分连续变化。然而，在这种情况下，轮廓变化限于螺纹的出口或入口，而轮廓的其余部分沿入口和出口之间的所有圈都是相同的。
发明内容
本发明的目的在于消除先前已知钻岩设备的上述缺点并且提供一种改进的设备。因此，本发明的主要目的是提供一种钻岩设备，其阴性部件和阳性部件能够通过螺纹接头部连接到一起，一方面使其免受可导致材料疲劳的局部应力集中，并且另一方面，确保螺纹可被形成而没有通过不必要的材料减小削弱相应的部件。尤其，本发明的目的在于提供具有最佳强度和使用寿命的阴性部件，不仅由于在其最敏感部位，即前部口端的疲劳风险被降为最低，而且由于在前部口端保持了最佳的材料量。
附图说明
在附图中：
图1是示出包括在钻岩设备中的两个部件或元件，即阳性部件和阴性部件的分解透视图，这两个部件都以截面状态示意性地示出，
图2是示出阳性部件连接到阴性部件的透视图，
图3是示出阳性部件和阳性部件上的外部梯形螺纹以及阴性部件和阴性部件中的内部梯形螺纹的纵截面分解图，
图4A-C是示出图3的截面A、B和C中的阴性螺纹的轮廓形状的一系列放大详细截面，
图5是示出彼此互相接合的阴性螺纹和阳性螺纹部分的放大纵截面，
图6是示出彼此分离的阴性螺纹和阳性螺纹的分解图，以及
图7是穿过根据本发明形成有螺纹的阳性部件的纵截面。
具体实施方式
在图1和图2中，示出了阴性部件1和阳性部件2，这两个部件能够通过螺纹接头部彼此联接或连接，螺纹接头部包括阴性部件1中的内螺纹或阴性螺纹3以及阳性部件2上的外螺纹或阳性螺纹4。两个部件所共有的中心轴线由C标示。阴性螺纹3从前端5(参见图3)朝由6标示的后端延伸。阳性螺纹4从前端7朝后端8延伸。在此实例中，示出的阳性螺纹4的前端7位于阳性部件的例如由端面9表示的前端附近，冲洗管道10在端面9中打开。然而，例如在螺纹和端面9之间形成柱形引导面也是可行的。以类似的方式，阴性螺纹3可以在阴性部件1的口端附近开始，或者在进入到阴性部件的一段距离处开始。
应当强调的是，阴性部件1以及阳性部件2在图1和图2中以截面形式示意性示出。实际上，套筒状阴性部件可包括在连接器或联接套筒、变径套筒(reduction sleeve)或钻头中。唯一重要的是，阴性部件包括具有内螺纹的中空空间。螺纹3、4中的每一个都由梯形螺纹组成，其在此实例中具有柱形的基本形状。
现参考图3-6，其详细示出了根据本发明的螺纹接头部。通常钻孔方向在图3中是向下的。
在图6中，示出了阴性部件3由螺纹牙组成，螺纹牙由顶部11(或牙顶)以及两个侧面12a、12b界定。具有底部14(或根部)的凹槽13在两个顶部11之间延伸。侧面12a、12b经由凸形半径过渡部15转变到顶部11。在每个螺纹的典型方式中，螺纹牙3在其两个相对端螺旋延伸多圈(例如三圈或更多圈)。
以类似方式，阳性部件4具有螺旋螺纹牙形状，其由顶部16(或牙顶)以及两个侧面17a、17b界定。具有底部19(或根部)的凹槽18在两个顶部16之间延伸。还是在这种情况中，侧面17a、17b经由凸形半径过渡部20转变到顶部16。同时，凹槽底部19的表面经由凹形半径过渡部21转变到侧面。
在示出的实例中，本发明仅应用于阴性螺纹3，而阳性螺纹4仍具有常规梯形轮廓，以致不仅顶部16而且凹槽底部19为柱形表面的形式(由平行于中心轴线C的直母线产生)。
在实例中，侧面角达到55°(两倍的侧面角＝110°)。此外，阳性螺纹4的底部19界定出略微小于阴性螺纹3的顶部11直径的直径。以这样的方式，表面11和19之间形成了一个窄隙，如在图5中看到的。而且，顶部表面11和侧面12a、12b之间的凸形半径过渡部15具有略微大于在阳性螺纹的凹槽底部19和邻近的侧面17a、17b之间的凹形半径过渡部21的半径。这意味着两个配合螺纹之间的接触严格地限制到侧面接触。更准确地说，在操作期间的接触限于挤压侧面12a、17a之间的接触(参见图5)，而拉开侧面12b、17b基本仅当部件彼此分离时起作用。
就目前为止描述的所示螺纹接头部而言，其基本上都是先前已知的。
为了使本发明的基本思想清楚，现参考图3和图4，其中图3一方面示出了阳性部件4由具有沿螺纹整个长度基本相同轮廓形状的真正的梯形螺纹组成，且另一方面示出了阴性部件3由梯形螺纹组成，其轮廓形状已根据本发明做了修改。更准确地说，阴性螺纹已经在凹槽底部做了修改，而梯形螺纹的轮廓形状特征在螺纹牙的顶部和侧面保持不变。
在图4A-C中，示出了表征本发明特征的凹槽13的轮廓形状的连续变化，不同的截面A、B和C分别沿阴性螺纹的第一、第三和第五圈截取。在此实例中，轮廓变化从截面A中所谓的全半径轮廓变化到截面C中真正的梯形轮廓。因而，在梯形轮廓截面中，凹槽底部14由柱状表面组成，其被认为由直母线产生且具有由W1标示的宽度(或轴向延伸)。此柱状表面14经由半径过渡部22转变到两个侧面12a、12b，半径过渡部22的半径等大并标示为r2。以与柱状表面14相同的方式，半径过渡部22具有标示为W2的一定宽度。
在截面A中，凹槽底部14由包括在假想圆中的弧线组成，其具有半径r1并且在切向点TP处触到侧面12a、12b。因此，确切地在此截面中，螺纹的凹槽底部具有与US 4040756和US 6196598中显示的阴性螺纹相同的轮廓形状。
在从截面A适当的轴向距离处，轮廓形状开始改变。在截面B中，具有宽度W1的凹槽底部14被给予比截面A中大的半径r1，与此同时，开始形成具有宽度W2和减小的半径r2的凹形半径过渡部22。此轮廓变化朝螺纹后端继续进行，以便在截面C中完成，这时半径r1无穷大，与此同时，半径过渡部22的半径r2最小。换句话说，凹槽底部14的半径r1从前面截面A中的最小增加变成后面截面C中无穷大，与此同时，半径过渡部22的半径r2以相反方式从截面A中的最大值减小到截面C中的最小值。
根据本发明的螺纹接头部的基本优点是，在较陡地倾斜或窄的半径过渡部中的应力集中问题得以解决，而没有通过过度的材料减少而不必要地削弱阴性部件。在阴性部件受到大的弯曲负荷的区域，即在前部口端附近，相应地根本不需要形成半径过渡部。因此，形成半径过渡部可在这些无害的区域开始，即在口端后面的适当的圈数(或圈的几个部分)开始。
即使本发明在钻岩设备的阴性部件中是尤其有利的，但是本发明可能也适用于包括在阳性部件中的外部螺纹。图7清楚地显示了此实施方式，从图7可看到，所有螺纹顶部16(以与前面实例中阴性螺纹的螺纹顶部11相同的方式)接触共同的假想柱体，与此同时，螺纹凹槽的深度和形状在轴向间隔开的截面中变化。但是，在此情况下，凹槽底部的最小深度(或升高)最靠近阳性部件2的前端9，而其最大深度在螺纹的后端8处。换句话说，适当的凹槽底部的半径在沿阳性部件向后的方向上减小，与此同时，半径过渡部的半径增大。适当地但是不是必要地，螺纹凹槽底部可以在前端具有真正的梯形轮廓形状，而在后端具有全半径轮廓。
实际上，上述阴性部件和阳性部件可由钢制造，而螺纹通过车削形成，更准确地说通过基于程序控制的刀具的适当纵向进给的现代车削技术形成，所述刀具同时通过径向方向的快速的间歇式运动横向进给。
本发明不仅仅限于上面描述和附图中显示的实施方式。因此，所描述的凹槽底部的轮廓形状的变化可在螺纹的任意截面处开始和停止。假设底部和半径过渡部的变化以上述方式实现，则不需要凹槽底部在其一端具有全半径轮廓，且在其另一端具有梯形轮廓。而且，本发明可应用于两个螺纹侧面不等宽的螺纹，例如在实例中显示的。因此，以US 4040756中公开的方式，螺纹的至少一个的挤压侧面被给予比拉开侧面更宽的宽度。自然，本发明还适用于具有双入口的螺纹以及具有锥形基本形状而不是柱状形状的螺纹。
瑞典专利申请No.0701371-7的公开内容在此通过引用并入，本申请要该专利申请的优先权。