[发明专利]旋转式凿岩钻头的轴颈轴承中的空气循环口

说明书

技术领域

本文公开的实施例总体上涉及凿岩钻头。更具体地，本文公开的实施例涉及改进的推力轴承和为凿岩钻头提供改进的推力轴承的方法。

背景技术

在明挖采矿操作中钻入岩层以便能够放置用于挖掘矿石的炸药的钻凿可通过牙轮式空气冲击钻(roller air blast drills)来执行。处于高压(通常为40psi)和高体积(750至2000立方英尺每分钟(cfm))的空气可通过钻柱中的孔而被输送至凿岩钻头。供应到凿岩钻头(例如可以是刀片或牙轮式钻头)的空气从钻头中的孔口或喷嘴离开，冷却钻头的轴承并输送由钻凿产生的碎屑沿钻孔向上离开钻凿工作面。碎屑取决于钻柱和钻孔的尺寸可以以通常5,000至7,000英尺每分钟的(排水)速度沿钻孔向上行进。

旋转式凿岩钻头通常包括一个滚动式切刀元件(其称为锥体)和一个被称为腿部的静止元件(相对于锥体)。图1图示典型的牙轮轴承空气冷却式旋转凿岩钻头10。钻头10包括钻头主体12、螺纹销端14和切割端16。每个腿部13支撑一个牙轮18，该牙轮18可旋转地保持在从每个腿部13悬臂伸出的轴颈轴承(未示出)上。例如，每个牙轮18支撑从牙轮表面延伸的多个硬质合金嵌入件19。凿岩钻头还包括穿过销端14的流体或空气通路，该流体或空气通路与形成在钻头主体12中的高压室(未示出)连通。通常，一个或多个空气喷嘴15将空气从高压室朝钻孔的底部引导。

图2A和2B分别示出凿岩钻头10(不包含牙轮18)的腿部13上的常规轴颈轴承100的横截面视图和俯视图。腿部13包括静止轴颈轴承100，该静止轴颈轴承100在其中具有多个加工的空气通路104，用以提供穿过凿岩钻头并到达轴承表面的空气循环。轴颈轴承100包括轴向负载(推力)轴承表面110和120以及两个径向负载轴承表面130和131，滚子轴承(未示出)可布置在其中。多个滚子轴承可被布置在滚子轴承座圈130和131中，以承受在钻凿期间中施加到腿部13的径向力。而且，轴颈轴承具有滚珠座圈132，滚珠(未示出)可被插入滚珠座圈132中，以将牙轮(图1中的18)保持在腿部13上。

轴向负载轴承表面包括主推力轴承表面110和辅助推力轴承表面120。通常主轴承表面和辅助轴承表面具有加工到轴承表面110、120中的一个或多个空气循环口115、125，该一个或多个空气循环口115、125提供从形成在腿部13中的空气通路104的出口。空气通路104与形成在腿部中的主空气通路105流体连通，主空气通路105则与穿过钻头主体12的高压室(未示出)流体连通。形成在每个腿部13中的空气通路104将空气引导穿过每个轴颈轴承，用以冷却并清洁保持在轴颈和保持在其上的牙轮之间的轴承。

另外，可在辅助推力轴承表面120中加工出凹槽或凹部127，用以允许空气流循环。通常，凹部127可包围辅助推力轴承表面120的总面积的约35％。换句话说，如图2C所示，“阴影”面积代表辅助推力轴承表面120的总面积，因而凹部127占该总面积的约35％。而且，可围绕空气循环口115在主推力轴承表面110中加工出凹槽117并用焊接嵌填体(通常为银嵌填体)填充凹槽117，用以提供操作期间的润滑性。在功能上，两个推力轴承表面110、120中的任意一个可被设计成作为主负载推力轴承表面。在操作中，两个推力轴承表面110、120都与滚动式切刀元件(锥体)(未示出)的相应的推力轴承表面接触，这引起表面的摩擦生热和磨损。

凿岩钻头在钻凿操作期间经受各种力，包括径向、轴向和扭转的负载。轴承系统中的部件被设计成承受这些力。然而，凿岩钻头仅能够在由于施加的力在轴承上引起的磨损和负载引起钻头充分破坏而必须更换为新的钻头之前这么长的时间内操作。因此，这种轴承系统可被认为是凿岩钻头的寿命有限的部件。在硬岩层中，推力轴承表面经受严重的冲击负载和摩擦磨损。这归因于钻凿硬岩层需要的较高的负载。在某些应用中，推力轴承表面的磨损和破坏导致钻头的失效，即使是切割元件仍完好无损。在理想的情形中，切割元件将在轴承系统失效之前完全地磨损。因而，轴承系统的失效可被认为是钻头的过早失效。

因此，存在对于在钻凿操作期间承受施加在轴承表面上的负载的推力轴承能力的改进的需要。

发明内容