JP7733683B2 - Thread Clearance - Google Patents
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Description
本発明は、打撃穿孔ツール、特に、ドリルビット及びドリルロッドに限定されないが、それらのためのねじ継手の一部を形成する雌型部分に関する。 The present invention relates to a female portion forming part of a threaded joint for a percussive drilling tool, particularly, but not exclusively, a drill bit and a drill rod.
打撃穿孔は、相互接続された雄ねじ及び雌ねじによって互いにエンドツーエンドで結合された複数の細長いドリルストリングロッドを介して、長いボアホールを形成するために使用される。代替的に、ドリルビットは、単一のロッドに接続されてもよい。確立された技術では、削岩機ビットから伝達された衝撃を、ボアホールの底部の岩石に打ち込むことによって岩石を破壊する。削岩機ビットは、ドリルストリングの一端において、最端のドリルストリングロッド上の雄ねじを介して、ドリルビット上の雌ねじに取り付けられる。典型的には、岩石を破壊するのに必要なエネルギーは、ドリルストリングの端部に（シャンクアダプタを介して）接触する油圧駆動ピストンによって生成され、ドリルストリングを介してドリルビットまで伝搬する応力（又は衝撃）波を生成する。従来のねじ継手は、ＵＳ４，３３２，５０２、ＵＳ４，３９８，７５６、ＵＳ４，６８７，３６８及びＤＥ２８００８８７に記載されている。 Percussion drilling is used to create long boreholes via multiple elongated drill string rods joined end-to-end by interconnected external and internal threads. Alternatively, the drill bit may be connected to a single rod. An established technique involves breaking rock by driving an impact transmitted from a rock drill bit into the rock at the bottom of the borehole. The rock drill bit is attached at one end of the drill string via external threads on the endmost drill string rod and internal threads on the drill bit. Typically, the energy required to break the rock is generated by a hydraulically driven piston that contacts the end of the drill string (via a shank adapter) and generates a stress (or shock) wave that propagates through the drill string to the drill bit. Conventional threaded joints are described in U.S. Pat. Nos. 4,332,502, 4,398,756, 4,687,368, and DE 2800887.
ドリルストリングロッド間及び最端のドリルストリングロッドとドリルビットとの間などの打撃穿孔ツールのねじ継手は、ドリルストリングを伝播する応力波から、穿孔中に曲げ力を受ける。これらの曲げモーメントは、ねじ継手を疲労させ、継手のねじ部分内での破損につながる可能性がある。最終的には、応力により、ねじ継手が摩耗し、最終的には故障する。 Threaded joints in percussive drilling tools, such as those between drill string rods and between the most distal drill string rod and the drill bit, are subjected to bending forces during drilling from stress waves propagating through the drill string. These bending moments can fatigue the threaded joints and lead to fractures within the threaded portion of the joint. Ultimately, the stresses cause the threaded joints to wear and ultimately fail.
したがって、打撃穿孔ツールの性能を向上させ、ねじ継手の故障のリスクを低減するために、ねじ継手の応力を低減することが望ましい。ねじ継手の応力を低減するための１つの解決策は、雄ねじの直径を大きくすることであるが、これに伴う問題は、ねじ継手の雌型部分が弱まることであり、これは破断する可能性がより高くなることを意味する。したがって、解決すべき問題は、ねじ継手の応力をどのように減少させ、したがってそれらの寿命を延ばすかである。 It is therefore desirable to reduce stress in threaded joints in order to improve the performance of percussion drilling tools and reduce the risk of threaded joint failure. One solution to reducing stress in threaded joints is to increase the diameter of the male thread, but the problem with this is that the female part of the threaded joint becomes weaker, meaning that it is more likely to fracture. The problem to be solved is therefore how to reduce stress in threaded joints and therefore extend their lifespan.
本発明の目的は、打撃穿孔ツールのためのねじ継手の新規かつ改良された設計を提供することである。この目的は、打撃穿孔ツールのためのねじ継手の一部を形成する雌型部分を提供することによって達成され、この雌型部分は、軸方向端部を有する取り付けスリーブであって、取り付けスリーブは、軸方向端部と比較して取り付けスリーブの反対側の端部に軸方向内壁を有する内部キャビティを取り囲み、取り付けスリーブは、長さＬ１を有する少なくとも１つの実質的に円筒形の雌ねじ部、軸方向端部に向かうねじ入口、及び軸方向内壁に向かうねじ出口を有する、取り付けスリーブと、軸方向内壁とねじ出口との間に配置され、長さＬ２及び直径Ｄ１を有するねじクリアランス部と、ねじ入口とスリーブの軸方向端部との間に配置され、長さＬ３を有する案内部とを備え、０ｍｍ＜Ｌ３－Ｌ２＜１２ｍｍであることを特徴とする。より好ましくは５ｍｍ＜Ｌ３－Ｌ２＜１１．５ｍｍであり、さらに好ましくは７ｍｍ＜Ｌ３－Ｌ２＜１１．１ｍｍである。 It is an object of the present invention to provide a new and improved design of a threaded joint for a hammer drilling tool. This object is achieved by providing a female part forming part of a threaded joint for a hammer drilling tool, the female part comprising: a mounting sleeve having an axial end, the mounting sleeve enclosing an internal cavity having an axial inner wall at an opposite end of the mounting sleeve compared to the axial end, the mounting sleeve having at least one substantially cylindrical internal threading portion having a length L1 , a thread entry point towards the axial end, and a thread exit point towards the axial inner wall; a thread clearance portion arranged between the axial inner wall and the thread exit point, the thread clearance portion having a length L2 and a diameter D1 ; and a guide portion arranged between the thread entry point and the axial end of the sleeve, the guide portion having a length L3 , wherein 0 mm < L3 - L2 < 12 mm, more preferably 5 mm < L3 - L2 < 11.5 mm, and even more preferably 7 mm < L3 - L2 < 11.1 mm.
有利には、これにより、ねじ継手の雌型部分の応力が低減され、雌型部分の破損のリスクが減少することを意味する。さらに、雌型部分の応力が増加すると、雄ねじ部の直径を増加させることができ、打撃穿孔ツールの性能を向上させる。 Advantageously, this reduces stress in the female portion of the threaded joint, meaning the risk of female portion fracture is reduced. Furthermore, increased stress in the female portion allows the diameter of the male thread to be increased, improving the performance of the percussion drilling tool.
好ましくは、Ｌ１は２５～５６ｍｍ、より好ましくは３０～４５ｍｍである。好ましくは、雌ねじの全長（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）は、７０～８６ｍｍである。有利には、これは、性能を向上させるためのねじ部の最適な長さである。 Preferably, L1 is between 25 and 56 mm, more preferably between 30 and 45 mm. Preferably, the total length of the female thread (L1+L2+L3) is between 70 and 86 mm. Advantageously, this is the optimum length of the thread for improved performance.
好ましくは、Ｌ２／Ｌ１＞０．０１×Ｄ１である。有利には、ねじ部の長さと比較したねじクリアランス領域の長さの比を増加させることは、ねじクリアランス領域の応力が減少することを意味する。 Preferably, L 2 /L 1 >0.01 x D 1. Advantageously, increasing the ratio of the length of the thread clearance area compared to the length of the thread means that the stresses in the thread clearance area are reduced.
好ましくは、Ｌ２／Ｌ１＞２６％、より好ましくはＬ２／Ｌ１＞３２％である。有利には、ねじ部の長さと比較したねじクリアランス領域の長さの比を増加させることは、ねじクリアランス領域の応力が減少することを意味する。 Preferably, L2 / L1 > 26%, more preferably L2 / L1 > 32%. Advantageously, increasing the ratio of the length of the thread clearance area compared to the length of the thread means that the stresses in the thread clearance area are reduced.
好ましくは、Ｌ２／Ｌ１＜６５％、より好ましくは＜５０％である。有利には、これにより、確実なねじ接続を達成するのに十分な長さがねじ部に提供される。 Preferably, L2 / L1 < 65%, more preferably < 50%. Advantageously, this provides the threads with sufficient length to achieve a reliable threaded connection.
好ましくは、Ｌ２／Ｄ１＞３０％、より好ましくはＬ１／Ｄ１＞３８％である。有利には、ねじ部の直径と比較したねじクリアランス領域の長さの比を増加させることは、ねじクリアランス領域の応力が減少することを意味する。したがって、ねじクリアランス及び雌ねじの直径を大きくすることができ、その結果、雄部の直径を大きくすることができ、雄部の性能を向上させ、雌型部品のスカート破損のリスクを低減することにつながる。 Preferably, L2 / D1 > 30%, more preferably L1 / D1 > 38%. Advantageously, increasing the ratio of the length of the thread clearance area compared to the diameter of the thread means that stresses in the thread clearance area are reduced. Thus, the thread clearance and the diameter of the female thread can be increased, which in turn allows for a larger diameter of the male part, improving the performance of the male part and reducing the risk of skirt failure on the female part.
好ましくは、Ｌ２／Ｄ１＜６５％、より好ましくは＜５０％である。有利には、これにより、確実なねじ接続が可能になる。 Preferably, L2 / D1 < 65%, more preferably < 50%. Advantageously, this allows for a secure threaded connection.
一実施形態では、雌型部分はドリルビットである。代替的な実施形態では、雌型部分はドリルストリングロッドの雌端部である。 In one embodiment, the female portion is a drill bit. In an alternative embodiment, the female portion is the female end of a drill string rod.
ここで、本発明の具体的な実施態様を、単なる例として、添付の図面を参照して説明する。 Specific embodiments of the present invention will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings.
図１は、ドリルロッド４が従来の設計のドリルビット６にねじ結合されている打撃穿孔ツール２を示す。打撃穿孔ツール２は、特にトップハンマー穿孔に使用される。表面ピストン（図示せず）によって生成された衝撃波は、ドリルロッド４からドリルビット６まで嵌合面を通って移動する。ドリルロッド４は、一方の端部が雄端部１０によって終端され、第２の反対側の端部が長手方向軸１４を有する雌端部１２によって終端される、軸方向に延びる主長セクション８を備える。ドリルロッド４は、他のさらなるドリルロッドとエンドツーエンドで結合されて、別のねじ継手を介してドリルストリング（図示せず）を形成することができる。図２は、代替的に、ドリルビット６が２つの雄端部１０を有する単一のドリルロッド４に接続され得ることを示している。 Figure 1 shows a percussive drilling tool 2 in which a drill rod 4 is threadedly coupled to a drill bit 6 of conventional design. The percussive drilling tool 2 is used, among other things, for tophammer drilling. A shock wave generated by a surface piston (not shown) travels from the drill rod 4 to the drill bit 6 through a mating surface. The drill rod 4 has an axially extending main length section 8 terminated at one end by a male end 10 and at a second, opposite end by a female end 12 having a longitudinal axis 14. The drill rod 4 can be connected end-to-end with other additional drill rods to form a drill string (not shown) via another threaded joint. Figure 2 shows that, alternatively, the drill bit 6 can be connected to a single drill rod 4 having two male ends 10.
図３は、取り付けスリーブ１８と、ドリルロッドの雄端部１０を受け入れるための中空空間である内部キャビティ２０とを有するドリルロッド４の雌端部１２の断面を示す。 Figure 3 shows a cross section of the female end 12 of a drill rod 4, including a mounting sleeve 18 and an internal cavity 20, which is a hollow space for receiving the male end 10 of the drill rod.
図４は、ドリルビット６の断面を示し、ドリルビット６は、例えば砕石手段を備える従来設計の軸方向最前部のドリルヘッド１６（最も典型的には、ドリルヘッド（図示せず）から軸方向前方に突出する複数の耐摩耗性切削ボタンである）と、ドリルロッド４の雄端部１０を受け入れるための軸方向に延びる内部キャビティ２０を備える取り付けスリーブ１８とを備える。 Figure 4 shows a cross section of a drill bit 6, which comprises an axially forward-most drill head 16 of conventional design, e.g., provided with a rock breaking means (most typically a plurality of wear-resistant cutting buttons projecting axially forward from the drill head (not shown)), and a mounting sleeve 18 with an axially extending internal cavity 20 for receiving the male end 10 of the drill rod 4.
本発明は、打撃穿孔ツール２のためのねじ継手の一部を形成する雌型部分２２の特別な設計に関する。雌型部分２２は、ドリルロッド４の雌端部１２又はドリルビット６のいずれかであり得る。 The present invention relates to a special design of a female portion 22 that forms part of a threaded joint for a percussion drilling tool 2. The female portion 22 can be either the female end 12 of the drill rod 4 or the drill bit 6.
図５は、雌型部分２２のキャビティ２０の内部プロファイルの断面を示し、言い換えれば、図５は、図３又は図４の内部の拡大図である。キャビティ２０は、ドリルロッド４の雄端部１０と当接するための軸方向内壁２４を有する。さらに、キャビティ２０は、軸方向内壁２４と比較して軸方向反対側の端部にねじ入口２８と、軸方向内壁２４により近いねじ出口３０とを有する少なくとも１つの実質的に円筒形の雌ねじ部２６を有する。ねじ部２６は、ねじ入口２８とねじ出口３０との間の長さとして定義される長さＬ１を有する。雌型部分２２のキャビティ２０はまた、軸方向内壁２４とねじ部２６との間に配置されたねじクリアランス部３２を有する。ねじクリアランス部３２は、周方向に凹んだ凹部である。ねじクリアランス部３２は、ねじ出口３０と軸方向内壁２４との間の長さとして定義される長さＬ２を有する。ねじクリアランス部は、直径Ｄ１を有する。ロッド４の雄端部１０を正しい位置に案内するために、ねじクリアランス部３２と比較してねじ部２６の反対側の端部に案内部５０がある。案内部５０は、ねじ入口２８とスリーブ１８の軸方向端部５２との間の長さとして定義される長さＬ３を有する。案内部５０は、案内部５０の全体にわたって一定の直径であってもよく、又は任意選択的に、少なくとも２つの異なる直径を有するように段差が付いていてもよい。 Figure 5 shows a cross section of the internal profile of the cavity 20 of the female part 22; in other words, Figure 5 is an enlarged view of the inside of Figure 3 or Figure 4. The cavity 20 has an axial inner wall 24 for abutting against the male end 10 of the drill rod 4. Furthermore, the cavity 20 has at least one substantially cylindrical female threaded portion 26 having a threaded inlet 28 at an axially opposite end compared to the axial inner wall 24 and a threaded outlet 30 closer to the axial inner wall 24. The threaded portion 26 has a length L1 defined as the length between the threaded inlet 28 and the threaded outlet 30. The cavity 20 of the female part 22 also has a thread clearance portion 32 arranged between the axial inner wall 24 and the threaded portion 26. The thread clearance portion 32 is a recessed portion recessed in the circumferential direction. The thread clearance portion 32 has a length L2 defined as the length between the threaded outlet 30 and the axial inner wall 24. The thread clearance portion has a diameter D1 . To guide the male end 10 of the rod 4 into the correct position, there is a pilot portion 50 at the opposite end of the threaded portion 26 compared to the thread clearance portion 32. The pilot portion 50 has a length L3 , which is defined as the length between the threaded entry 28 and the axial end 52 of the sleeve 18. The pilot portion 50 may be of a constant diameter throughout the pilot portion 50, or may optionally be stepped to have at least two different diameters.
従来の設計と比較して、Ｌ２をＬ１及び／又はＬ３と比較した比は増加している。 Compared to conventional designs, the ratio of L2 compared to L1 and/or L3 is increased.
本発明による雌型部分２２のＬ３－Ｌ２は、＜１２ｍｍ、より好ましくは＜１１．５ｍｍ、さらにより好ましくは＜１１ｍｍである。本発明による雌型部分２２のＬ３－Ｌ２は、＞０ｍｍ、より好ましくは＞５ｍｍ、さらにより好ましくは＞７ｍｍである。一実施形態では、Ｌ１は２５～５６ｍｍ、より好ましくは３０～４５ｍｍである。 L3 - L2 of the female part 22 according to the present invention is <12 mm, more preferably <11.5 mm, even more preferably <11 mm. L3 - L2 of the female part 22 according to the present invention is >0 mm, more preferably >5 mm, even more preferably >7 mm. In one embodiment, L1 is 25 to 56 mm, more preferably 30 to 45 mm.
一実施形態では、Ｌ２／Ｌ１＞０．０１×Ｄ１である。 In one embodiment, L2/L1>0.01× D1 .
一実施形態では、Ｌ２／Ｌ１＞２６％、より好ましくは＞３２％である。 In one embodiment, L 2 /L 1 >26%, more preferably >32%.
一実施形態では、Ｌ２／Ｌ１＜６５％、より好ましくは＜５０％である。 In one embodiment, L 2 /L 1 <65%, more preferably <50%.
一実施形態では、Ｌ２／Ｄ１＞３０％、より好ましくは＞３８％である。 In one embodiment, L 2 /D 1 >30%, more preferably >38%.
一実施形態では、Ｌ２／Ｄ１＜６５％、より好ましくは＜５０％である。 In one embodiment, L 2 /D 1 <65%, more preferably <50%.
好ましくは、雌型部分２２は、打撃穿孔ツール２のためのねじ継手３４を形成するために使用され、雌型部分２２と隣接するロッドの雄端部１０との間に、肩部接触とは対照的に底部接触がある。言い換えると、雌型部分の軸方向内壁２４と隣接するロッド４の雄端部１０との間に接触がある。 Preferably, the female portion 22 used to form the threaded joint 34 for the percussion drilling tool 2 has bottom contact, as opposed to shoulder contact, between the female portion 22 and the male end 10 of the adjacent rod. In other words, there is contact between the axial inner wall 24 of the female portion and the male end 10 of the adjacent rod 4.
本発明の雌型部分２２及び本発明ではない雌型部分に曲げ力を加えたソフトウェアシミュレーションプログラミングを行った。表１は、従来技術及び本発明の雌型部分２２の応力測定値の概要を示しており、ねじクリアランスの領域の応力は本発明のサンプルの方が低いことが明らかに分かる。
A software simulation was performed in which bending forces were applied to the female portion 22 of the present invention and to a female portion other than the present invention. Table 1 summarizes the stress measurements for the prior art and the female portion 22 of the present invention, clearly showing that the stress in the area of the thread clearance is lower for the sample of the present invention.
Claims (10)
軸方向端部（５２）を有する取り付けスリーブ（１８）であって、前記取り付けスリーブ（１８）は、前記軸方向端部（５２）と比較して前記取り付けスリーブ（１８）の反対側の端部に軸方向内壁（２４）を有する内部キャビティ（２０）を取り囲み、
前記取り付けスリーブ（１８）は、長さＬ１を有する少なくとも１つの実質的に円筒形の雌ねじ部（２６）、前記軸方向端部（５２）に向かうねじ入口（２８）、及び前記軸方向内壁（２４）に向かうねじ出口（３０）を有する、
取り付けスリーブ（１８）と、
前記軸方向内壁（２４）と前記ねじ出口（３０）との間に配置され、長さＬ２及び直径Ｄ１を有するねじクリアランス部と（３２）、
前記ねじ入口（２８）と前記スリーブ（１８）の前記軸方向端部（５２）との間に配置され、長さＬ３を有する案内部（５０）とを備え、
Ｌ １ が２５～５６ｍｍであり、Ｌ １ ＋Ｌ ２ ＋Ｌ ３ の全長は、７０～８６ｍｍであり、
０ｍｍ＜Ｌ３－Ｌ２＜１２ｍｍであることを特徴とする、
雌型部分（２２）。 A female part (22) forming part of a threaded joint (34) for a percussion drilling tool (2),
a mounting sleeve (18) having an axial end (52), said mounting sleeve (18) enclosing an internal cavity (20) having an axial inner wall (24) at an opposite end of said mounting sleeve (18) compared to said axial end (52);
The mounting sleeve (18) has at least one substantially cylindrical internal threaded portion (26) having a length L1 , a threaded entrance (28) toward the axial end (52), and a threaded exit (30) toward the axial inner wall (24).
a mounting sleeve (18);
a thread clearance portion (32) disposed between the axial inner wall (24) and the thread outlet (30) and having a length L2 and a diameter D1 ;
a guide portion (50) disposed between the threaded inlet (28) and the axial end (52) of the sleeve (18) and having a length L3 ;
L1 is 25 to 56 mm, and the total length of L1 + L2 + L3 is 70 to 86 mm;
0 mm<L 3 -L 2 <12 mm;
Female part (22).
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