JPS6128077B2 - - 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・ビツ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・ビツトで数日はかかつた深さを現代のバイト
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・バ
イトにとつて代わつた。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
可能性も大きくなる。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
の焦点とも言うべきものである。

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
因になつていると思わ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んで
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にカツターに内向き
にスラスト荷重が加わると、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、カツターに内向きにスラスト
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加わる時、組立
溝の縁からこれと対向する保持溝の縁までの距離
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
た片持ちばり方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上に位置する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。尚ここに言う外側壁３７とは軸受ピン１
９の内端または先端４３から遠い方の側壁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１９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１９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から遠隔の側壁である。
断面図に於いて側壁４６は上述の溝３３の底部３
５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、
弯曲した輪郭と好ましくは円形の断面形状を有す
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４７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1/
２よりは大きく、断面直径よりは小さい。この深
さはリング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”と呼ばれる量（図中Ｓで示
す）だけ大きい。従つて、リング４７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、工具を取外す。次いで第４
図ようにテーパ状先端軸受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１
９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５０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５
１は軸受ピン１９の面３４より外側の位置へ好ま
しくは0.127〜0.508mm（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３９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を挿者すればリング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
件に於いては第４図に示すように軸受ピン１９に
挿着されたカツター２１に外向きスラスト荷重が
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Ｆ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図の構成とは異なる第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４７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の両側壁３７，３９を互
いに平行に且つ軸受ピン１９の中心線に対して垂
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
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
作用してこれを保持溝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Ｓの好ましい範囲としては、角度αを好ましく
は15゜とした時に鋭い縁端部ではなく面３９がリ
ング４７と接触するように設定すればよい。鋭い
縁端部はリング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好都
合である。

第４図乃至第７図に示す３つの構成はいずれも
既に第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
加わつた時の壁３９の縁端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
な利点を伴な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
リングの保持溝へ圧入する。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……ドリル・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、３
１……Ｏリング・シール、３３……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、
   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、前記溝内にスナツプ・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
   く、前記組立溝の深さが少くともリングの断面厚
   と等しく、前記組立溝、保持溝及びスナツプ・リ
   ングが、カツターにスラスト荷重が作用した時、
   リングを保持溝へ閉じ込めるような形状をなすこ
   とと、 特徴とするカツター保持機構。 ２ 前記保持溝の深さをリングの断面厚よりは小
   さく、断面厚の1/2よりは大きくすることによ
   り、カツターに対するスラスト荷重が除かれると
   リングと咬合してこれを保持溝へ圧入するオフセ
   ツト縁を限定することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載のカツター保持機構。 ３ 前記カツターに内向きスラスト荷重が作用し
   ている時の、組立溝のオフセツト環状部分からこ
   れと対向する保持溝縁までの距離を、リングの断
   面厚よりも小さくすることによつてリングを保持
   溝内に保持することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載のカツター保持機構。 ４ 前記溝の底壁を弯曲させ、前記リングの断面
   が弯曲輪廓を呈するように構成したことを特徴と
   する特許請求の範囲第３項に記載のカツター保持
   機構。 ５ 前記リング及び前記溝底壁の断面をほぼ円形
   及び半円形にそれぞれ形成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第４項に記載のカツター保持機
   構。