JPS6128076B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は削岩ドリル・ビツト、特にこのビツト
に回転カツターを保持するための軸受及び保持機
構に係わる。

回転ドリリングの成功は海底の油田及びガス井
の発見を可能にしたが、回転ロツク・ビツトこそ
この成功を可能にした重要な発明であつた。初期
のドラグ・ビツトでは商業的に掘削できるのは柔
軟な地層に限られたが、H.R.ヒユーズの発明に
なる米国特許第930759号に開示の２コーン式ロツ
ク・ビツトはテキサス州ボーモントに近いスピン
ドルトツプ・フイールドの硬い岩盤を比較的容易
に掘削した。1910年代のこの古い発明は現代の回
転ロツク・バイトに比較して深さも速度もはるか
に劣るものであつた。即ち、開発当初のヒユー
ズ・ビツトで数日を要した深さを現代のビツトな
ら数時間で掘削できる。掘削可能な深度も今日で
はフイート単位ではなくマイル単位である。種々
の改良がロツク・ビツトの性能を飛躍的に向上さ
せたのである。

開発当初のヒユーズ・ビツトは回転カツター
と、摩擦軸受面と、カツター内に保持されるよう
に螺条を設けたリング式保持装置とを具備した。
耐用寿命の長いシールを設けるのが困難なため、
比較的大きい潤滑油タンクが必要であつた。1930
年代までには非密閉式のコロ軸受を有するドリ
ル・ビツトが主流となり、密閉注油式ドリル・ビ
ツトにとつてかわつた。このようなドリル・ビツ
トはルイス・E.ガーフイールド等の米国特許第
2030442号に開示されている。

G.O.アトキンソン等は漏れが極めて少なく、
小さい潤滑油タンクしか必要としないシールに関
して米国特許第3075781号を取得した。圧力補償
装置はシールを挾む両側の圧力差をできるだけ小
さくしてシールの確実性を高める改良であり、こ
の圧力補償装置及び圧力逃がしシステムの最も新
しいものはスチユアート・C.ミルサツプス・ジ
ユニアの米国特許第3942596号に開示されてい
る。また、E.M.ギヤルは究極的に摩擦軸受をド
リル・ビツトに再び採用可能にするＯリング式シ
ールに関して米国特許第3397928号を取得した。
新しい軸受の構成はS.R.スケールズの米国特許第
3922038号に開示されている。このビツトは円筒
状摩擦軸受と、上記ルイス・E.ガーフイールド
等の特許に開示されているのと類似の玉軸受で保
持されるカツターとを具備する。

注油式ロツク・ビツト軸受に玉軸受を使用する
ことには固有の欠点がある。玉自体または玉が配
置されている軌道面が損傷すると金属粒子が摩擦
軸受に進入し、殆ど例外なく軸受を破損させる結
果となる。金属粒子は多くの場合シール・リング
を損傷させ、潤滑油損失及び軸受の急速な破損を
招く。軌道輪に穿孔してこれに玉を導入し、プラ
グを熔接して玉を保持しなければならないから、
ビツトが複雑になり、それだけ製造誤差を生ずる
可能性も増大する。ロツク・ビツトこそ、破損に
対する許容度が低くしかも経費のかかる掘削作業
の焦点とも云うべきものである。

公知のロツク・ビツトにも玉軸受やコロ軸受を
採用せず、完全に摩擦式の軸受及び保持機構を利
用するものがあり、開発当初のヒユーズ・ビツト
でも摩擦軸受だけが採用された。次に摩擦軸受だ
けを採用するビツトのいくつかを簡単に紹介す
る。

F.L.スコツトは米国特許第1803679号に於いて
弾性スナツプ・リングでカツターを保持するよう
に構成した注油式のテーパ状摩擦ロツク・ビツト
軸受を開示している。J.C.ライト等は米国特許第
2049581号に於いてビツトの脚部または頭部に着
脱自在に連結された軸受ピンにスナツプ・リング
で回転自在に取付けたカツターを開示している。
また、W.G.グリーンの米国特許第2814465号は適
当な手段によつて接合されたテーパ円筒状部分を
含み、保持リングによつてカツターに固定された
注油式摩擦軸受を開示している。エドワード・B.
ウイリアムズ・ジユニアの米国特許第3844363号
にはカツター及びシヤフトを摩擦軸受と共にロツ
ク・ビツトに保持するロツク・リングが開示され
ている。E.M.ギヤルの米国特許第3361494号には
テーパ円筒部分を有する摩擦軸受を摩擦プラグ・
ロツク及びピン・ロツク保持システムと共に開示
している。初期に見られた螺条付きリング保持装
置が最近再び見直されている例としてマードツク
等の米国特許第3971600号がある。しかし、今日
商業的に成功を収めているロツク・ビツトはいず
れも玉軸受保持機構を利用している。

螺条付き保持リングにはその実用を制約する原
因と考えられるいくつかの欠点がある。螺条は応
力発生構造として作用し、カツターと咬合させた
状態で回転しないようにリングを固定しなければ
ならない。従つてビツトの頭部に穿孔しなければ
ならないのが普通である。

スナツプ・リングは応力を発生させる溝構造を
具備する場合が多く、掘削作業中に組立溝内へ引
つ込むことにより意図に反してカツター脱落を招
く虞れがある。例えば孔ぐりの時に起こるような
カツターに内向きスラスト荷重が作用すると、リ
ングの負荷によつて生ずる応力がリングを組立溝
へ圧入し、その結果、カツターが脱落する虞れが
ある。

本発明の目的は密閉され且つ注油される軸受及
び圧力補償システムと共に回転自在なカツターを
具備するロツク・ビツト用の改良された摩擦軸受
及びスナツプ・リング保持機構を提供することに
ある。好ましいスナツプ・リングはカツターに形
成したスナツプ・リング保持溝及びカツターを支
持する軸受ピンに前記溝と整列するように形成し
た溝との双方の溝に嵌入できる断面が円形のスナ
ツプ・リングである。これらの溝は好ましくは円
形または半円形の底壁を具備し、一方の溝は少く
ともリングの断面厚と同じ深さの組立溝であり、
他方の溝はリングの断面厚よりも浅い保持溝であ
る。カツターに外向きに（即ち孔壁にむかつて）
スラスト荷重が作用すると、リングと組立溝の間
に間隙を生ずるが、カツターに内向きスラスト荷
重が作用すると、リングは組立溝と保持溝の間に
閉じ込められる。リングは組立溝のオフセツト縁
または組立溝の縁に形成した傾斜壁により発生す
る円錐状力分布の作用下に外向きに保持溝内へ圧
入される。即ち、この円錐状力分布がリングを保
持溝へ圧入し、リングが意図に反して組立溝内へ
移動して連携のカツターが脱落するのを防止す
る。カツターにスラスト荷重が作用した時、組立
溝の縁からこれと対向する保持溝の縁に至る距離
はリングの断面厚よりも小さいから、カツターの
保持はさらに確実になる。

以下添付図面に従つて本発明のその他の目的、
構成要件及び利点をも明らかにする。第１図に示
す本発明の削岩ドリル・ビツト１１には多くの場
合熔接によつて接合される３つのヘツド部分１５
で形成した本体１３が含まれる。本体１３の頂部
には（図示しない）公知のドリル・ストリングに
接続するための螺条１７を形成してある。各ヘツ
ド部分１５は自由端を内下方にむけた片持ちばり
式のシヤフトまたは軸受ピン１９を具備する。各
軸受ピン１９にはほぼ円錐形のカツター２１を回
転自在に取付ける。カツター２１は外側に砕岩歯
２３を、内側に軸受ピン１９を取付けるための中
心孔または軸受孔２５をそれぞれ具備する。軸受
ピン１９に形成された摩擦軸受部材及びカツター
軸受孔２５は潤滑油通路２７と連通している（軸
受面処理については米国特許第3397928号及び第
4012238号を参照されたい）。圧力補償装置２９及
びこれと連携する通路は潤滑油とノズル３２を通
過した後ビツトを囲む周囲流体との圧力差を制限
する潤滑油タンクを構成する（1976年５月17日付
を以てスチユアート・C.ミルサツプス・ジユニ
アの名で出願された米国出願第687131号“削岩ド
リル・ビツト用潤滑油圧補償装置”を参照された
い）。軸受ピン基部に於いて各軸受ピン１９とカ
ツター２１の間に配置したＯリング・シール３１
が潤滑油の流出及び地孔流体の流入を防止する
（Ｏリング・シールに関する米国特許第3397928号
及び潤滑油に関する米国特許第3935114号を参照
されたい）。

第３，４及び５図に示すように、軸受ピン１９
の円筒面３４に環状組立溝３３を形成する。溝３
３は中心線４１上の点を中心とする半円形底部分
３５を具備する。外側壁３７及び内側壁３９は半
円形底部分３５から軸受ピン１９の表面に至る。
尚ここに云う外側壁３７とは軸受ピン１９の内端
または先端４３から遠い方の側壁を指す。外側壁
３７は直線的であり、軸受ピン１９及びカツター
２１の（図示しない）共通軸心に対して垂直であ
る。内側壁３９は軸受ピンの軸心と直交する平面
に対して好ましくは15゜の角度αを形成し、軸受
ピンの軸心に対して非直交の円錐状スラスト面ま
たは傾斜壁である。この内側壁３９は半円形底部
分３５の直径よりも大きい溝３３への入口を形成
し、以下に述べるように有利なスラスト面であ
る。

カツター２１の軸受孔２５内に前記溝３３と整
列する保持溝４５を形成する。溝４５は外側壁４
６及び内側壁５０を具備する。尚、外側壁４６は
軸受ピン１９の先端４３から遠い方の側壁であ
る。断面図に於いて側壁４６は上述の溝３３の底
部３５の半径とほぼ等しい半径の４分円に相当す
る円弧状を呈する。溝４５の深さは円弧の半径よ
りも大きい。第４図の断面に於いて内側壁５０は
一端が小さい半径を介して側壁４６の４分円弧と
つながる直線から成り、他端はテーパ状または円
錐状摩擦先端軸受５２を形成する。

溝３３及び４５は互いに整列して弯曲底を有す
る不規則形状の環状孔を限定するように配置す
る。この環状孔に弯曲した輪廓と好ましくは円形
の断面を有するスナツプ・リング４７を配置す
る。スナツプ・リング４７は弾性金属、好ましく
はピアノ線で形成され、その環径を圧縮したり拡
張したりできるようにギヤツプ４９を含んでいる
（第２図）。リング４７の環径は弛緩させると拡張
して溝４５へ嵌入するように設定する。リング４
７の断面直径は溝３３の半円形部分３５の直径と
ほぼ等しい。

組立溝３３の深さは少くともリング４７の断面
直径と等しく設定する。このように設定すれば、
軸受ピン１９にカツター２１を組立てるためにリ
ング４７を溝３３内へ完全に引込めることができ
る。保持溝４５の深さはリング４７の断面直径の
1/2よりは大きく、断面直径よりは小さい。この
深さは第４図に矢印で示すようにリング４７の断
面直径の1/2よりも好ましくは0.127mm〜0.508mm
（0.005インチ〜0.020インチ）の“オフセツト”
量（図中Ｓで示す）だけ大きい。従つてリング４
７の断面中心線５１は軸受ピン円筒面３４及び保
持溝縁よりも同じ量だけ外側に位置することにな
る。

軸受ピン１９にカツター２１を取付けるには
（図示しない）工具を使用してリング４７を溝３
３へ圧入する。次いでカツター２１を一部だけ軸
受ピン１９に挿着し、工具を取外してから、第４
図のようにテーパ状先端軸受ピン５２の対向面が
咬合するまでカツター２１を外方へ押圧して軸受
ピン１９に圧接させる。リング４７が嵌入できる
ように溝４５を溝３３と整列させる。第４図では
リング４７が溝４５の側壁４６と当接し、側壁５
０とは接触していない。溝３３の側壁３９もリン
グ４７が保持溝４５へ移動できるように間隙C₁
だけリング４７から離れている。リング４７の中
心線５１は軸受ピン１９の面３４より外側の位置
へ好ましくは0.127mm〜0.508mm（0.005インチ〜
0.020インチ）だけずれている。

中心線４１及び５１は軸受ピン軸心と直交する
共通平面上に位置せず、中心線５１は中心線４１
よりも先端４３に近接している。間隙C₁を設定
したから、カツター２１は軸受ピン１９に沿つて
内方へ第５図図示の位置まで移動できる。リング
４７は溝４５の側壁４６と溝３３の側壁３９の隅
部との間に閉じ込められる。円錐状またはテーパ
状スラスト軸受５２の対向面間に間隙C₂が現わ
れる。

カツター２１を第５図図示位置まで挿着した状
態では、組立溝３３の壁３９のオフセツト環状縁
からこれと対向する保持溝４５の外壁４６までの
距離はスナツプ・リング４７の厚さまたは断面直
径よりも小さい。即ち、第５図に於いてスナツ
プ・リング４７の断面直径はＸ＋Ｙであり、壁３
９の縁からこれと対向する溝４６の隅部に至る距
離は前記Ｘ＋Ｙよりも短かい距離Ｘである。従つ
てカツター２１を挿着すればリング４７は組立溝
３３へ引込むことができず、そのまま保持溝４５
内に保持され、カツター２１の脱落が防止され
る。

次に作用態様を説明する。最も一般的な掘削条
件下では第４図に示すように軸受ピン１９に挿着
されたカツター２１に外向スラスト荷重が作用す
る。軸受５２のテーパ面が咬合し、その結果、リ
ング４７と溝３３の壁３７との間に間隙C₃が生
ずるから、リング４７には外力が作用しない。小
さい孔を穿つ場合、カツター２１に内向きスラス
ト荷重が作用することもあり、この内向きスラス
ト荷重はカツター２１を軸受ピン１９から内側へ
押し込もうとする。しかしこの作用は第５図に示
すように側壁４６と側壁３９の間でスラスト荷重
の伝達を行うリング４７によつて抑制される。内
側壁３９はスラスト面として作用し、圧縮反動力
を提供する。

内側壁３９を角度αだけ傾斜するように形成し
たから、カツター２１の回転軸心に対して斜めに
同じ角度αを形成する力の成分Ｆ（第６図）が発
生する。即ち、溝３３の特殊な形状により、リン
グ４７を外方へ拡圧してカツター２１の溝４５へ
嵌入させる３次元的な円錐状力分布が発生する。
これはリング４７が圧縮されて軸受ピン１９の溝
３３へ嵌入し、カツター２１が脱落するのを防止
するように作用する。

第６図は組立溝３３の両側壁３７，３９を互い
に平行に且つ角度αだけ傾斜させた点で第４図及
び第５図の構成と異なる第２構成である。第６図
ではテーパ壁３９がリング４７の表面に垂直な力
成分Ｆを作用させてリングを保持溝４５内へ圧入
するから、“オフセツト”は比較的小さく、場合
によつては不必要である。

第７図には組立溝３３の両側端３７，３８を互
いに平行に且つ軸受ピン中心線に対して垂直に形
成した第３構成を示した。ここでは溝３３の縁ま
たは外壁３９はリング４７の中心線５１から、円
筒状軸受面３４との“オフセツト”に等しい距離
に於いてリング４７と咬合する。カツター２１に
内向きスラスト荷重が加わると、リング４７の表
面と直角に斜め方向から力成分Ｆがリング４７に
作用してリング４７を保持溝４５へ圧入する。

第４図及び第５図の好ましい構成は第６図及び
第７図の構成要件を組合わせたものであり、溝３
３の（壁３７ではなく）壁３９をテーパさせ、
“オフセツト”構成も採用している。オフセツト
量の好ましい範囲としては、角度αを好ましくは
15゜とした時に鋭い縁部ではなく面３９がリング
４７と接触するように設定すればよい。鋭い縁部
はリング４７を急速に摩耗させるから、このよう
に面接触させれば摩耗を軽減する上で有意義であ
る。

第４図乃至第７図に示す３つの構成はいずれも
第５図に関連して述べたようにカツター損失を最
少限に抑制する構成要件を含んでいる。即ち、リ
ング４７の断面厚Ｘ＋Ｙは軸受ピン１９に挿着さ
れたカツター２１に内向きスラスト荷重が作用し
た時の壁３９の縁部からこれと対向する溝４６の
隅部に至る距離Ｘよりも大きい。

以上の説明から明らかなように、本発明は顕著
な利点を伴う種々の改良を提供するものである。
摩擦保持機構を含む注油摩擦軸受面から成る軸受
構造を採用したから、構成が単純化され、確実性
が高められる。また、上述のようなスナツプ・リ
ング及び溝構造を採用したから、カツターが脱落
する虞れは殆どない。リングの中心線と組立溝に
近い軸受面との間に上述のようなオフセツトを設
定したから、斜め方向の力成分が作用してリング
を保持溝へ圧入する。カツターに内向きスラスト
荷重が作用すると、角部のないスラスト面がリン
グと咬合するから、摩耗軽減の点で好都合であ
る。また、前記スラスト面を傾斜させたから、カ
ツターに内向きスラスト荷重が作用するとスナツ
プ・リングが保持溝へ圧入される。リングの外形
及び厚さが溝のそれよりも小さいから、カツター
を確実に保持することができる。

以上本発明を１実施例に従つて説明したが、当
業者には明白なように、本発明はこの実施例に制
限されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しな
い範囲で種々の改変が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のロツク・ビツト実施例を一部
断面で示す部分正面図であり、第２図は第１図図
示ロツク・ビツトの軸受シヤフトまたはピンにカ
ツターを回転自在に保持するスナツプ・リングの
全体図であり、第３図は第１図図示カツター及び
軸受ピンの一部を示す拡大縦断面図であり、第４
図は第１図に於いてスナツプ・リングの断面を囲
んでいるカツター及び軸受ピンの部分を、軸受ピ
ンに挿着されたカツターに外向きスラスト荷重が
作用している状態で示す部分縦断面図であり、第
５図は軸受ピンに挿着されたカツターに内向きス
ラスト荷重が作用している状態で示す第４図と同
様な部分縦断面図であり、第６図はカツターに内
向きスラスト荷重が作用している状態で第２構成
を示す部分縦断面図であり、第７図はカツターに
内向きスラスト荷重が作用している状態で第３構
成を示す部分縦断面図である。 １１……ビツト、１３……本体、１５……ヘツ
ド、１９……軸受ピン、２１……カツター、２３
……砕岩歯、２９……圧力補償装置、３１……Ｏ
リングシール、３３……環状組立溝、４５……保
持溝、４７……スナツプ・リング、Ｓ……オフセ
ツト量。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 密閉され且つ注油されるカツターを回転自在
   に支持する少くとも１つの片持ちばり式軸受ピン
   を具備する削岩ビツトに於いて、 前記ピンの内向きスラスト面を含む摩擦軸受部
   材が前記カツターと前記ピンとの間に設けられて
   いることと、 前記カツター及びピンのいずれか一方に組立溝
   が、他方に前記組立溝と整列する保持溝がそれぞ
   れ形成されていることと、 互いに整列する前記両溝内にスナツプ・リング
   が配置されていることと、 前記保持溝の深さが前記リングの断面厚よりも
   小さいことと、 前記組立溝が少くとも前記リングの断面厚と等
   しい深さ並びに外側壁と内側壁とを有し、該内側
   壁は切頭円錐面を有し、該円錐面はピンの軸に垂
   直な平面に対して選択角度αで傾斜してスナツ
   プ・リングと係合し、且つ前記円錐が内側へスラ
   ストして前記スラスト面から離れる時に、前記軸
   に対して斜めの力成分を発生してスナツプ・リン
   グを保持溝へ圧入することと、 を特徴とするカツター保持機構。 ２ 密閉され且つ注油されるカツターを回転自在
   に支持する少くとも１つの片持ちばり式軸受ピン
   を具備する削岩ビツトに於いて、 前記ピンの内向きスラスト面を含む摩擦軸受部
   材が前記カツターと前記ピンとの間に設けられて
   いることと、 前記ピンに組立溝が、前記カツターに前記組立
   溝と整列する保持溝がそれぞれ形成されているこ
   とと、 互いに整列する前記両溝内にスナツプ・リング
   が配置されていることと、 前記保持溝の深さがリングの断面厚よりも小さ
   いことと、 前記組立溝が少くともリングの断面厚と等しい
   深さ並びに内外側壁を有することと、 前記ピンの面と組立溝の内側壁とが隅部で交差
   することと、 前記内側壁が、ピンの軸に垂直な平面に対して
   選択角度αで傾斜している切頭円錐面を有してス
   ナツプ・リングと係合し、前記円錐が内側へスラ
   ストして前記スラスト面から離れる時にスナツ
   プ・リングを保持溝へ圧入することと、 を特徴とするカツター保持機構。 ３ 密閉され且つ注油されるカツターを回転自在
   に支持する少くとも１つの片持ちばり式軸受ピン
   を具備する削岩ビツトに於いて、 前記ピンの内向きスラスト面を含む摩擦軸受部
   材が前記カツターと前記ピンの間に独占的に設け
   られていることと、 前記密閉を横切る両側の圧力差を制御する調圧
   装置が前記注油のための系内に設けらけれている
   ことと、 前記カツター及びピンのいずれか一方に弯曲底
   壁を有する組立溝が、他方に前記組立溝と整列し
   且つ弯曲底壁を有する保持溝がそれぞれ形成され
   ていることと、 前記両溝内に弯曲断面輪郭を有するスナツプ・
   リングが配置されていることと、 前記保持溝が少くともリングの断面厚の半分に
   等しい深さとスナツプ・リングと係合する弯曲外
   壁とを有することと、 前記組立溝が少くともリングの断面厚に等しい
   深さ並びに内外側壁を有することと、 前記組立溝の内側壁はピンの軸に垂直な平面に
   対して選択角度αで傾斜している切頭円錐面を有
   し、前記円錐が内側へスラストして前記スラスト
   面から離れる時にスナツプ・リングを保持溝の弯
   曲外壁に対して圧入することと、 を特徴とするカツター保持機構。 ４ 密閉され且つ注油されるカツターを回転自在
   に支持する少くとも１つの片持ちばり式軸受ピン
   を具備する削岩ビツトに於いて、 前記ピンの内向きスラスト面を含む摩擦軸受部
   材が前記カツターと前記ピンとの間に独占的に設
   けられていることと、 前記密閉を横切る両側の圧力差を制御する調圧
   装置が前記注油のための系内に設けられているこ
   とと、 前記ピンに実質的に円形の底部を有する組立溝
   が、前記カツターに前記組立溝と整列し且つ実質
   的に円形の側壁を有する保持溝がそれぞれ形成さ
   れていることと、 前記両溝内に円形断面を有するスナツプ・リン
   グが配置されていることと、 前記保持機構が少くともリングの断面厚の半分
   に等しい深さを有することと、 前記組立溝が少くともリングの断面厚に等しい
   深さ並びに内外側壁を有することと、 前記ピンの面と組立溝の内壁とが隅部で交差す
   ることと、 前記内壁はピンの軸に垂直な平面に対して選択
   角度αで傾斜する切頭円錐面を有し、スナツプ・
   リングと縁部接触ではなく面接触を行うことと、 を特徴とするカツター保持機構。