JPH0345192B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、アースボーリングビツトに係り、更
に詳細には穿孔中アースボーリングビツトの内部
の潤滑液の内圧がビツトを囲繞する穿孔液体の静
圧とバランスさせる静圧コンペンスエータを含む
潤滑装置により潤滑されるよう構成されたアース
ボーリングビツトに係る。本発明に於ける特定の
改善は、各カツタと軸受シヤフトとの間に配置さ
れこれらの間に潤滑液を閉じ込め、軸受及び潤滑
装置へ不純物が侵入することを阻止するシール組
立体に関するものである。

従来の技術 激しい圧力変化を含む苛酷な環境に於て剛固な
（通常金属製）フエースシールを使用することは、
本願出願人と同一の譲受人に譲渡された米国特許
第4516641号に記載されている如く、石油や鉱物
を採取するための深い井戸を穿孔する場合に有用
である。この米国特許に於ては、フエースシール
の好ましい実施例は「ロール／圧縮」金属フエー
スシールと呼ばれてよいものである。

「剪断／圧縮」金属フエースシールとして知ら
れている他の一つの種類のシールがあり、その一
つの例が1983年12月20日付にて発行された米国特
許第4421327号に記載されている。また剪断／圧
縮シールをアースボーリングビツトに適用する試
みの一つの例が、1984年８月21日付にて発行され
た米国特許第4466622号に記載されている。

発明の概要 本発明の目的は、アースボーリングビツトに組
込まれる剛固なフエースシールの性能を、特にそ
れを非対称型に修正することによつて改善するこ
とである。

かかる目的は、下記の基準を満す構造を有する
非対称型の金属フエースシール半体を設けること
により達成される。

D_h＞A_pＳ D_c＞A_pＳ〔（Ｓ−１）／Ｓ〕^1/2 ここに D_hは軸受のスラスト面が接触した状態に於け
る軸受シヤフト側のシール半体の組立撓みであ
り、 D_cは軸受のスラスト面が接触した状態に於け
るカツタ側のシール半体の組立撓みであり、 A_pはカツタの軸線方向の遊びであり、 Ｓはカツタの運動に対するシールの運動比であ
る。

上述の基準に加えて、シール半体の構造は下記
の式を満すようになつていることが好ましい。

D_c≒D_h〔（Ｓ−１）／Ｓ〕^1/2 以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。

添付の図に於て、符号１１はアースボーリング
ビツトを示しており、かかるアースボーリングビ
ツトはねじを有する上端部１３と、斜め下方に延
在する片持支持された軸受シヤフト１７を支持す
る脚部１５とを有する。脚部１５は米国特許第
4276946号に記載されている如き型式の圧力補償
装置（コンペンスエータ）１９を含んでいる。

一連の潤滑液通路２１により、回転可能なカツ
タ２３と軸受シヤフト１７との間の軸受領域内の
空間２２の如き全ての空間に潤滑液が存在するこ
とが確保されるようになつている。

カツタ２３は複数個の土掻崩し歯２５を有して
おり、これらの歯は図示の実施例に於ては焼結さ
れた炭化タングステンであり、カツタ２３に設け
られた嵌合孔内に締り嵌めによつて保持されてい
る。

カツタ２３はスナツプリングリテーナ２７によ
り軸受シヤフト１７上に保持されており、かかる
リテーナ２７は米国特許第4236764号に記載され
た型式のものであつてよい。

カツタ２３の軸受面と軸受シヤフト１７の軸受
面との間に潤滑液を保持すべく、非対称の剪断／
圧縮シール組立体２９が配置されており、該シー
ルは第２図に明瞭に示されている。

第２図には、軸受シヤフト１７の一部及びその
特徴的なワイシヤツの裾形をなす部分３０が拡大
図として示されている。部分３０は剪断／圧縮シ
ール組立体２９を越えて延在しており、またカツ
タ２３の開口部３１の小径部を越えて延在してい
る。カツタ２３に設けられたゲージリーミングイ
ンサート３３が第１図に図示されており、その一
部が第２図に示されている。

剪断／圧縮シール組立体２９は互いに対向する
一対の円周方向壁３５及び３７を有するシール溝
内に配置されており、壁３５は軸受シヤフト１７
に形成されており、壁３７はカツタ２３に形成さ
れている。更にカツタ２３及び軸受シヤフトの部
分３０にそれぞれ互いに対向し半径方向に延在す
る一対のインナ端壁３９及びアウタ端壁４１が設
けられている。

上述の如く郭定されたシール溝内には、互いに
対向するシール面４９を有し両者の間に潤滑液空
間５１を郭定する一対の剛固なリング即ちインナ
金属リング４５及びアウタ金属リング４７が配置
されている。各剛固なリング４５及び４７に対応
してエナジヤイザリング（弾性リング）５３及び
５５が設けられており、一方のエナジヤイザリン
グ５３は軸受シヤフト１７に対しリング４７をシ
ールしており、他方のエナジヤイザリング５５は
カツタ２３に対しリング４５をシールしている。
これらのエナジヤイザリング５３はそれぞれ剛固
なアウタ（シヤフト側）リング４７の対応する一
対の面５７及び５９に滑りを生じないよう締り嵌
めにより係合しており、エナジヤイザリング５５
は剛固なインナ（カツタ側）リング４５の対応す
る一対の面６１及び６３に滑りを生じないよう締
り嵌めにより係合している。

更に各エナジヤイザリングは端壁４１，３９の
一部、周方向壁３５，３７の一部、及びこれらの
間の曲面に係合する湾曲部６９，７１を有してい
る。エナジヤイザリング５３，５５とこれに対向
する当接面との間の締り嵌め、即ち半径方向の圧
縮により滑りが防止されるようになつている。

剛固なリング４５，４７と端壁３９，４１との
間の軸線方向のクリアランスは小さく設定されて
いる。この点については米国特許第4516641号を
参照されたい。

エナジヤイザリング５３及び５５の断面の大き
さ及び寸法の差異は、シール組立体の各シール半
体（一つのエナジヤイザリングと対応する剛固な
リング）が互いに他に対し非対称となるよう設定
されていることに留意されたい。特にエナジヤイ
ザリング５５はエナジヤイザリング５３よりも半
径方向の寸法が小さく且剛性が高い。

エナジヤイザリングの寸法及び物理的性質を決
定するために典型的な荷重撓み曲線を分析するこ
とは不十分である、なぜならそれは種々の軸線方
向撓みについてシール組立体全体に働く面圧荷重
の測定値だからである。シール組立体の各シール
半体について個別に荷重撓み曲線を求めることが
必要であることが解つた。

下記の条件が得られない場合には有用なシール
組立体を得ることができない。

D_h＞A_pＳ D_c＞A_pＳ〔（Ｓ−１）／Ｓ〕^1/2 ここに D_hは軸受のスラスト面が接触した状態に於け
る軸受シヤフト側のシール半体の組立撓みであ
り、 D_cは軸受のスラスト面が接触した状態に於け
るカツタ側のシール半体の組立撓みであり、 A_pはカツタの軸線方向の遊びであり、 Ｓはカツタの運動に対するシール組立体の運動
比である。

好ましい実施例に於ては、上述の基準に加え
て、D_hとD_cとの間に下記の関係が得られる。

D_c≒D_h〔（Ｓ−１）／Ｓ〕^1/2 米国特許第4516641号に記載されている如く、
この型式のフエースシールは穿孔中に動圧補償を
行い得るものでなければならない。カツタに及ぼ
される複雑な力によつて惹起される穿孔中のシー
ル組立体の運動及び部品の組立てを行い得るよう
必然的に設けられるクリアランスにより、空間８
５の容積が迅速に変化される。潤滑液の粘性及び
空間８５と圧力コンペンスエータ１９との間の流
れの制限により、空間８５の容積変化ほど迅速に
該容積変化を補償することができない。かくして
所要の補償を行うべく穿孔中にシール組立体の軸
線方向の運動が生じる。この軸線方向の運動がシ
ール組立体の寿命、従つてアースボーリングビツ
トの寿命にとつて有害であるか否かは、シール組
立体の構造及び軸線方向のクリアランスにより決
定される。

米国特許第4516641号に記載されたロール／圧
縮型シール組立体に於ては、エラストマエナジヤ
イザリングがシール組立体の位置に拘らず剛固な
シールリング及びシールリセス面の両方に対し良
好な把持作用を維持するようになつている。この
ことは組立撓みが生じる前に於てもＯリング型の
エナジヤイザリングが半径方向に圧縮されている
ことによる。本願に記載されている如き剪断／圧
縮型シール組立体に於ては、シール組立体の両方
の半体の軸線方向の撓みを生じることなくエナジ
ヤイザリングが半径方向に圧縮することはない。
従つて各半体の軸線方向の撓みが存在しない場合
には、シールリセス面及び剛固なリングに対する
エナジヤイザリングの把持作用は生じない。もし
エナジヤイザリングの把持作用がなくなると、エ
ナジヤイザリングがシールリセス又は剛固なリン
グに対し相対的に軸線方向及び周方向に滑り、そ
の結果シールが破損したりシールの寿命が低下す
ることがある。

アースボーリングビツトに使用される剪断／圧
縮型シールは、穿孔中に生じるシール組立体の軸
線方向の補償運動によりエナジヤイザリングが軸
線方向又は周方向に滑らないよう設計されなけれ
ばならない。このことは各シール半体の軸線方向
の組立撓みがシール組立体の補償運動中に於ける
各シール半体のその座より離れる方向への軸線方
向の最大運動よりも大きいことを確保することに
よつて達成される。カツタ及びシール組立体の最
大の運動は、カツタの軸線方向の遊び及びカツタ
の運動に対するシール組立体の運動の比により決
定される。

軸受シヤフト側のシール半体の組立撓みD_hが
カツタの軸線方向の遊びA_pとカツタの運動に対
するシール組立体の運動の比Ｓとの積よりも大き
い場合には、穿孔中常にシヤフトのエナジヤイザ
リングが半径方向に圧縮される。またカツタ側の
シール半体の組立撓みD_cがカツタの軸線方向の
遊びA_pとカツタの運動に対するシール組立体の
運動の比Ｓと〔（Ｓ−１）／Ｓ〕^1/2との積よりも大
きい場合には、穿孔中カツタのエナジヤイザリン
グが半径方向に圧縮された状態に維持される。更
にアースボーリングビツトのシールリセス内の制
限された空間をできるだけ有効に利用し、作動中
に於ける面圧荷重の変動を低減するようシール組
立体の設計を最適化することができる。このこと
はシール組立体がその各シール半体の組立撓みが
以下の関係を有するよう設計されることにより達
成される。

D_c≒D_h〔（Ｓ−１）／Ｓ〕^1/2 好ましい実施例に於て上述の関係を達成するた
めには、軸受シヤフトのシール半体、即ちエナジ
ヤイザリング５３及び剛固なリング４７は0.112
〜0.220cmの範囲の軸線方向の撓みに対し18.1〜
32.7Kgの範囲にて変化する面圧荷重を発生しなけ
ればならない。これと同一の面圧荷重の変動に対
し、カツタのシール半体、即ちエナジヤイザリン
グ５５及び剛固なリング４５は0.058〜0.106cmの
範囲の軸線方向の撓みを有しなければならない。
シヤフト上に於けるカツタの軸線方向の遊びA_p
は約0.050cmであり、カツタの運動に対するシー
ル組立体の運動の比Ｓは約1.31〜１であるものと
思われる。この比は1985年５月13日付にて出願さ
れた米国特許出願第733455号に記載された式を用
いて概算される。この式は第２図に示された各部
の寸法の記号を用いて以下の如く表現される。

Ｓ＝2G−Ｃ／Ｈ＋Ｃ＋2A ここにＳはカツタのシヤフトに対する単位相対
運動に対するシールの運動の比であり、 Ｈは0.323in²（2.08cm²）（軸受シヤフトのエナジ
ヤイザリングの有効環状面積）であり、 Ｃは0.0in²（0.0cm²）（カツタのエナジヤイザリン
グの有効環状面積）であり、 Ａは1.807in²（11.66cm²）（剛固なリングの有効環
状面積）であり、 Ｇは2.573in²（16.60cm²）（シール溝の有効環状面
積）である。

環状面積Ｈ、Ａ、Ｇはシヤフト１７の直径が
7.54cmでありカツタのシールリセス面３７の直径
が9.14cmであるアースボーリングビツトのための
第２図に示されたシール組立体について計算され
た。約55のデユーロメータ硬さを有するエラスト
マを使用する第２図に示されたジオメトリーと同
様のエナジヤイザリングのジオメトリーは上述の
荷重撓みデータを生ずるものでなければならな
い。或る与えられた撓みに対する面圧荷重はエラ
ストマのデユーロメータ硬さを調節することによ
つて変化されてよい。

大気圧の条件下にて剪断／圧縮フエースシール
を使用するには、シール組立体の全撓みが予測さ
れる端部の遊びよりも大きければよい。このこと
により、エナジヤイザリングは完全にはリラツク
スせず、面圧荷重を維持するだけでなく、自らを
シールの座に把持し、これによりエナジヤイザリ
ングの滑り及びシールの滑りを阻止する。

高い静圧が導入され、またアースボーリングビ
ツトは片持支持型軸受を有するため、上述の要件
はエナジヤイザリングが完全にはリラツクスしな
いことを確保するには不十分になる。本明細書の
始めの部分に於て記述した如く、各シール半体が
軸線方向の遊び及びカツタの運動に対するシール
の運動の比により決定される或る値（各シール半
体によつて異なる）よりも大きい組立撓みを受け
ることが必要になる。これらの要件が満されなけ
れば、エナジヤイザリングが完全にリラツクスし
た状態になるとエナジヤイザリングが軸線方向及
び周方向に滑るようになる。たとえ一時的である
にせよエナジヤイザリングが完全にリラツクスす
ると、滑りが生じるだけでなく、エナジヤイザリ
ングとその座との間の接触面圧がなくなることに
起因して軸受内に異物が侵入するようになる。そ
の結果アースボーリングビツトのシール及び軸受
が早期に損傷するようになる。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々
の実施例が可能であることは当業者にとつて明ら
かであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はアースボーリングビツトの３分の１の
部分を示す縦断面図であり、回転可能なカツタと
シヤフトとの間に潤滑液をシールするために使用
される剪断／圧縮型の非対称シールを示してい
る。第２図は第１図に示されたシール組立体の拡
大部分断面図である。 １１……アースボーリングビツト、１３……上
端部、１５……脚部、１７……軸受シヤフト、１
９……圧力補償装置（コンペンスエータ）、２１
……潤滑液通路、２２……空間、２３……カツ
タ、２５……歯、２７……スナツプリングリテー
ナ、２９……シール組立体、３０……ワイシヤツ
の裾形をなす部分、３１……開口部、３３……イ
ンサート、３５，３７……周方向壁、３９，４１
……端壁、４５，４７……金属リング（剛固なリ
ング）、４９……シール面、５１……潤滑液空間、
５３，５５……エナジヤイザリング、５７，５
９，６１，６３……面、６９，７１……湾曲部、
８５……空間。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸受シヤフトにシール式に取付けられ圧力補
   償器を有する潤滑装置によつて潤滑されている少
   なくとも一つの回転可能なカツタを有する型式の
   アースボーリングビツトにして、 本体と、 前記本体より斜下方に且内方に延在する片持ち
   支持された軸受シヤフトと、 前記軸受シヤフトの周りに回転可能に取付けら
   れ、間〓によつて軸線方向及び半径方向の遊びを
   有するカツタと、 前記本体内に配置され静圧補償器を含む潤滑装
   置と、 前記カツタ上に形成された円周方向に延在する
   周縁壁と前記軸受シヤフト上に形成された円周方
   向に延在する周縁壁とからなる一対の互いに向い
   合つた周縁壁と、前記周縁壁の各々に交差し半径
   方向に延在する一対の互いに向い合つた端壁とを
   有するシール溝と、 前記シール溝内に配置された一対の剛固なリン
   グ４５，４７であつて、各々互いに向い合い且係
   合しているシール面４９を有する剛固なリング
   と、 前記シール溝内に配置された一対の弾性剪断圧
   縮エナジヤイザリング５３，５５であつて、その
   一方は前記シール溝の対応する周縁壁にシール係
   合しているインナ環状面と前記剛固なリングにシ
   ール係合している反対側のアウタ環状面を有して
   おりその他方は前記シール溝の対応する周縁壁に
   シール係合しているアウタ環状面と前記剛固なリ
   ングにシール係合している反対側のインナ環状面
   を有するエナジヤイザリングと、 を含み、前記剛固なリングは前記軸受シヤフト上
   に前記カツタを取付ける時に前記シール溝の前記
   二つの端壁の間に配置され、潤滑剤と周囲の穿孔
   流体との間の動的な圧力差に曝されることによつ
   て軸線方向に駆動されるようになつており、互い
   に係合した前記一対の剛固なリングの軸線方向の
   長さは前記シール溝の軸線方向最少長さより小さ
   く、前記カツタが前記軸受シヤフト上で外方にス
   ラスト荷重を与えられることによつて少なくとも
   一つの軸線方向の間〓が生成されこれによつて前
   記カツタが前記軸受シヤフトに対して相対的に移
   動する時前記剛固なリングが前記シール溝の二つ
   の端壁の間にて拘束を受けることなく軸線方向に
   運動することができるようになつており、 前記一対の剛固なリングと前記一対のエナジヤ
   イザリングからなるシール組立体のうち剛固なリ
   ングの一方とそれに対応するエナジヤイザリング
   からなるシール半体の各々は、 D_h＞A_pＳ D_c＞A_pＳ［（Ｓ−１）／Ｓ］^1/2 ここに D_hは軸受のスラスト面が互いに接触している
   時の軸受シヤフト側のシール半体の組立撓み、 D_cは軸受のスラスト面が互いに接触している
   時のカツタ側のシール半体の組立撓み、 A_pはカツタの軸線方向の遊び、 Ｓはカツタの運動に対するシール組立体の運動
   比、 なる荷重撓み曲線を有することを特徴とするアー
   スボーリングビツト。