围绕用于钻地钻头的滚珠装填孔的表面耐磨堆焊 优先权声明
本申请要求提交于2007年2月22日、名称为″围绕用于钻地钻头的滚珠装填孔的表面耐磨堆焊″的美国临时专利申请序列No.60/902,690的提交日期的权益,以及提交于2008年2月15日、名称为″围绕用于钻地钻头的滚珠装填孔的表面耐磨堆焊″的美国实用新型专利申请序列No.12/032,334的优先权。
【技术领域】
本发明通常涉及牙轮钻地钻头,尤其涉及围绕用于钻头滚珠塞销的焊接点的表面耐磨堆焊图案。
背景技术
旋转牙轮钻头具有典型地由焊接在一起的三个头部制造而成的主体。每个头部具有钻头牙掌,所述钻头牙掌具有用于支撑旋转牙轮的悬垂牙轮轴(bearing pin)。当钻头旋转时,牙轮旋转以崩解地层。
许多钻头通过将锁定滚珠放置到位于牙轮和牙轮轴上的配合凹槽中而将牙轮固定在牙轮轴上。滚珠通道从凹槽穿过钻头牙掌延伸到外表面。滚珠插入滚珠通道的入口中,随后定位塞销放入所述通道中。定位塞销被焊接到钻头牙掌的外表面上。
多年来,人们将表面耐磨堆焊施加到钻头的一部分上以防止磨损。在现有技术中,表面耐磨堆焊通常施加到牙轮的齿和保径面上。同样,表面耐磨堆焊通常施加到每个钻头牙掌的裙部上。裙部是位于滚珠塞销入口下方的每个钻头牙掌的弯曲下端。表面耐磨堆焊还沿着前缘之一从裙部向上延伸一定的距离。通常,表面耐磨堆焊不施加到滚珠塞销上的焊接点上。
【发明内容】
在本发明中,表面耐磨堆焊施加在至少部分地围绕滚珠塞销孔入口的钻头牙掌的外表面上。下部表面耐磨堆焊焊道在邻近钻头牙掌裙部的滚珠塞销入口下方弯曲。上部表面耐磨堆焊焊道至少部分地围绕滚珠塞销并在其上方弯曲。在优选实施例中,上部焊道的前端和后端连接下部焊道,形成围绕滚珠塞销入口的通常椭圆形表面耐磨堆焊周边。
另外,一个或多个横向表面耐磨堆焊焊道在滚珠塞销上方从前缘向后缘延伸。横向焊道相对于钻头的旋转轴线倾斜。横向焊道的前端在比后端连接钻头牙掌后缘位置低的位置处连接钻头牙掌前缘。
位于上部弯曲焊道和主体与钻头牙掌接合处之间的钻头牙掌外表面的中心部没有与钻头轴线垂直的任何表面耐磨堆焊焊道。所述钻头牙掌的中心部更易受到由于钻压造成的应力。在表面耐磨堆焊焊道边缘处会发生应力裂缝。如果这个区域内的表面耐磨堆焊焊道沿与旋转轴线垂直的方向笔直地延伸,任何裂缝都会导致钻头牙掌断裂。
【附图说明】
图1是根据本发明构造的钻地钻头的前视图。
图2是图1所示钻地钻头的钻头牙掌之一的一部分的剖视图。
图3是图1所示钻头的头部之一在与另一头部装配之前的前视图。
图4是图3所示头部前侧的侧视图。
【具体实施方式】
参考图1,钻地钻头11具有由焊接在一起的三个头部13组成的主体。每个头部13的上部延伸段形成大体上圆锥形杆。在所述杆部上切削出用于连接到钻柱上的螺纹15。
参考图4,显示了在焊接到其它头部上之前的一个头部13。每个头部13具有上主体部16(如图4所示),其焊接到其它头部13的上主体部上。钻头牙掌17形成头部13的外部并且具有从主体部分16向下悬垂的下部。钻头牙掌17的下部(如图4所示)的厚度沿向下方向减小。牙轮轴或轴19与每个钻头牙掌17整体形成并且向内、向下延伸。
参考图2,牙轮21旋转安装到每个牙轮轴19上。牙轮21具有位于其外部上的多个切削元件23,所述切削元件可以是在牙轮21的支撑金属上铣削出的齿,如图所示。可选地,切削元件23可以包括安装在牙轮21上地配合孔中的硬质镶嵌件,例如碳化钨。
在本实例中,牙轮21具有支承套筒25,所述支承套筒位于牙轮21的中心腔中并且与牙轮轴19旋转接合以形成轴颈轴承。轴颈轴承充满润滑剂。牙轮腔开口处的密封件27密封位于牙轮轴19和牙轮21之间间隙内的润滑剂并且还防止来自井孔的碎屑和流体进入牙轮腔。润滑剂从储存器(未显示)通过延伸到每个钻头牙掌17中的润滑剂通道29进行供应。压力补偿器(未显示)使通道29内的润滑剂压力和外部井孔的流体压力平衡。图1显示了补偿器帽31,所述补偿器帽组成压力补偿器的一部分并且定位在位于钻头牙掌17上端处的过渡区域32上。
再次参考图2,在头部13彼此焊接之前,每个牙轮21安装在牙轮轴19上。在本实施例中,每个牙轮21通过多个锁定滚珠或定位滚珠固定在其牙轮轴19上。滚珠33位于由牙轮21的腔室中的凹槽34和牙轮轴19的外部上的配合凹槽36界定的环形空间内。凹槽34、36具有半圆形横截面以在牙轮21插到牙轮轴19上并且凹槽34、36对准时界定圆形横截面。
当凹槽34、36对准时,滚珠37以与配合凹槽34、36对准的方式插入从钻头牙掌17的外侧向内延伸到牙轮轴19的上侧的滚珠通道35中。在所有滚珠33已经放入凹槽34、36中之后,技术人员将滚珠塞销37安装在通道35中。滚珠塞销37包括具有内端38的杆,所述内端部分地为圆柱形以封闭通道35与配合凹槽34、36的连通。滚珠塞销37防止滚珠33从配合凹槽34、36滚回到滚珠通道35中。滚珠塞销37具有外端40,其在本实施例中凹入到滚珠通道35的进口中很短距离。焊接点39形成在凹陷区域内,从而将滚珠塞销40焊接到钻头牙掌17的主体上。
图3显示了在头部13之一在焊接到其它头部上之前并且在安装其牙轮21(图2)之前的另一视图。通常,在钻头牙掌17和牙轮轴19内已钻出滚珠通道35。在这一点上,优选地,表面耐磨堆焊施加到钻头牙掌17的外表面上的各种位置上。优选地,每个钻头牙掌17上的表面耐磨堆焊包括下部弓形或弯曲焊道41,所述焊道沿着钻头牙掌17的外侧的弯曲下边缘或裙部延伸。焊道41优选地从钻头牙掌17的前缘43延伸到后缘45。如果希望的话,为了增大下部弓形焊道41的宽度,可以使用一个以上的焊道,每个焊道是端部向上的弓形。下部弓形焊道41位于滚珠通道35入口下方的选定范围内并且部分地围绕所述滚珠通道35的入口弯曲。
一个或多个上部弓形或弯曲焊道47同样布置在钻头牙掌17的位于滚珠通道35入口上方的外表面上并且部分地围绕所述滚珠通道35的入口延伸。每个上部弓形焊道47从前缘43延伸到后缘45并且连接下部弓形焊道41。上部弓形焊道47是端部向下的弯曲形状,在所示实施例中,具有与下部弓形焊道41大致相同的曲率半径。下部焊道和上部焊道41、47完全围绕无表面耐磨堆焊的区域49。在本实施例中,区域49通常为椭圆形,但是如果希望的话,也可以为圆形。滚珠通道35的入口大体上位于区域49的中心。区域49形成围绕滚珠通道35的入口的边界,所述边界没有表面耐磨堆焊。
还可以在钻头牙掌17的外表面上施加各种图案的附加表面耐磨堆焊,包括将表面耐磨堆焊布置在钻头牙掌17的大体上全部外表面上,但不包括区域49和用于与夹具接合以在头部13彼此焊接时将其固定在适当位置的凹窝的另一可能区域(未显示)。在所示实例中,沿着钻头牙掌17的前缘布置向上延伸的前缘焊道51。
同样,一个或多个横向焊道53定位在仅位于上部弓形焊道47上方的钻头牙掌17的外表面上。横向焊道53从位于上部弓形焊道47处的前缘焊道51通常向上延伸到后缘45。优选地,横向表面耐磨堆焊焊道53至少在钻头牙掌17的下部连接头部13的上主体部16(图4)的位置附近不沿着与钻头牙掌17的纵向轴线55垂直的方向延伸。相反,每个横向表面耐磨堆焊焊道53相对于纵向轴线55以锐角倾斜。图4中以虚线表示在钻头牙掌17的下部与上主体部16相接处垂直于轴线55的横截面57。当承受压缩载荷时,横截面57的附近承受相当大的应力,如果钻头牙掌17断裂时,有可能在平面57的附近折断。人们不希望通常平行且靠近横截面57延伸的任何表面耐磨堆焊焊道,因为有可能在焊道边缘处产生应力裂缝,所述裂缝会开裂并且导致钻头牙掌17从头部13的剩余上主体部16上折断。限定区域49的光滑弯曲焊道41、47避免了在横截面57的区域内产生应力裂缝,因为两者都不是与轴线55垂直的直线。
优选地,通过自动装置施加表面耐磨堆焊,所述自动装置使粉末状表面耐磨堆焊材料通过通道流入电弧。自动装置以及表面耐磨堆焊的成分可以是传统的。典型地,表面耐磨堆焊将包括位于钢、镍、钴或其合金基体内的碳化钨团粒。碳化钨可以是各种类型和尺寸,例如,烧结碳化钨、铸造碳化钨或粗晶碳化钨。
这里描述的表面耐磨堆焊图案尤其适用于自动表面耐磨堆焊。位于滚珠入口上方和下方的平滑曲线允许提供无表面耐磨堆焊区域,用于随后插入锁定滚珠和焊接滚珠塞销。在位于滚珠塞销上方和位于钻头牙掌与钻头体接合部下方区域内避免直线形表面耐磨堆焊降低了牙掌破裂的可能。
尽管只显示了本发明的一种形式,对本领域技术人员显而易见的是,本发明不限于此,在不脱离本发明范围的情况下可以进行各种改变。