(57)【要約】荷重応答流体ベアリングが、スラスト・ベアリングまたはジャーナル・ベアリングの形態で提供される。これは、厳しい荷重環境下で、相対的な回転に応答して磨耗を最小化するものである。相対的な回転要素間の空間中に置かれるリング状のベアリング本体（６）は、少なくとも１つの動的表面（２２）と複数の支持領域（Ｂ０）を定義する。複数の柔軟領域（３７）は、ベアリングの実質的に円形の本体の範囲によって限定され、隣り合う支持領域（Ｂ０）の間に配置される。柔軟領域（３７）の各々は、第１のビーム状要素（３８）と、第２のビーム状要素（３９）有する。柔軟領域（４４）における少なくとも１つの部分的に弱めた幾何学的形状は、第１と第２のビーム状要素の中間に位置する。相対回転要素からベアリングに荷重が作用すると、ビーム状要素（３８，３９）と部分的に弱めた幾何学的形状（４４）が変形して、動的表面を変形させることにより、動的なインターフェースに潤滑剤を押し込めるための流体力学上の幾何学的形状を形成する。【選択図】図１
2004512448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的な回転要素を支持し、ガイドする荷重応答流体ベアリングにおいて、
（ａ）一般に円形形状をした連続リング状の本体と、
（ｂ）前記本体によって定義される少なくとも１つの動的表面と、
（ｃ）前記本体によって定義される複数の支持領域であって、前記少なくとも１つの動的表面と一般に相対した関係で方向付けられた静的表面を定義する前記各支持領域と、
（ｄ）隣接した支持領域間で前記本体によって定義される複数の柔軟領域であって、前記複数の支持領域の１つと結合する第１のヒンジを持つ第１のビームと、前記複数の支持領域の１つと隣接する支持領域と結合する第２のヒンジを持つ第２のビームを有する前記各柔軟領域と、そして
（ｅ） 前記本体によって定義され、前記柔軟領域の少なくとも１つを仲介し、そして前記第１と第２のビームを相互に連結する柔軟関節領域を定義する少なくとも１つの部分的に弱めた幾何学的形状と、
を備えたことを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項２】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの動的表面がほぼ円筒形状をしていることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項３】
請求項２記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記円筒形状が円筒外面をなすことを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項４】
請求項２記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記円筒形状が円筒内面をなすことを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項５】
請求項２記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの動的表面が、一般に相対した関係にある２つの動的表面であって、前記動的表面の１つが内面を形成するものであり、前記動的表面の他方が外面を形成するものであることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項６】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの動的表面がほぼ平坦な形状であることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項７】
請求項６記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの動的表面が一般に相対した関係にある２つの動的表面であることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項８】
請求項６記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、
（ａ）前記本体が少なくとも１つのアンダーカット領域を有し、前記少なくとも１つのアンダーカット領域が第１の側面と第２の側面を有し、そして
（ｂ）前記第１と第２の側面がほぼ平行な関係をもって配置されていることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項９】
請求項６記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、
（ａ）前記本体が少なくとも１つのアンダーカット領域を有し、前記少なくとも１つのアンダーカット領域が第１の側面と第２の側面を有し、そして
（ｂ）前記第１と第２の側面がほぼ半径方向に方向付けられて配置されていることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項１０】
請求項９記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記第１のビームが第１のサイド、第２のサイドおよび厚さを有し、前記厚さが前記第１のサイドから前記第２のサイドにかけて薄くなっていくテーパを有することを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項１１】
請求項９記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記第２のビームが第１のサイド、第２のサイドおよび厚さを有し、前記厚さが前記第１のサイドから前記第２のサイドにかけて薄くなっていくテーパを有することを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項１２】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、
（ａ）前記第１のビームが平均周上ビーム長さを有し、
（ｂ）前記支持領域が平均周上支持領域長さを有し、そして
（ｃ）前記平均周上ビーム長さを、前記平均周上支持領域長さで割った比が２から３の範囲にあることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項１３】
請求項１２記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記比が２．４から２．６の範囲にあることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項１４】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの部分的に弱めた幾何学的形状が少なくとも１つの窪みであることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項１５】
請求項１４記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの窪みがスロットであることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項１６】
請求項１４記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの窪みが前記動的表面を横切ることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項１７】
請求項１４記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの窪みが前記本体の前記支持領域間を通る少なくとも１つの潤滑経路を形成することを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項１８】
請求項１４記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの窪みが複数の窪みであることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項１９】
請求項１４記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの窪みがほぼ相対した関係を持って配置された複数の窪みであることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項２０】
請求項１９記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記複数の窪みの各々がＬ型形状を有し、全体としてＳ型形状を形成する第２のビーム構造を定義することを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項２１】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの部分的に弱めた幾何学的形状が、前記第２のビームを通り抜けて伸びる少なくとも１つの穴であることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項２２】
請求項２１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの穴が、前記第２のビームを通り抜けて伸びる複数の穴であることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項２３】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記少なくとも１つの部分的に弱めた幾何学的形状が、少なくとも１つの窪みを定義し、前記第２のビームを通り抜けて少なくとも部分的に伸びる少なくとも１つの穴を持つことを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項２４】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記第１のヒンジの結合が溝によって定義される厚さを持つことを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項２５】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記第２のヒンジの結合が溝によって定義される厚さを持つことを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項２６】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、
（ａ） 前記第１のビームが厚さを持ち、
（ｂ） 前記第１のヒンジにおける前記厚さが第１のディメンションを持ち、
（ｃ） 前記柔軟関節領域における前記厚さが第２のディメンションを持ち、そして
（ｄ）前記第１のディメンションが前記第２のディメンションにほぼ等しいことを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項２７】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、
（ａ）前記第一のビームが厚さを持ち、
（ｂ）前記第１のヒンジにおける前記厚さが第１のディメンションを持ち、
（ｃ）前記柔軟関節における前記厚さが第２のディメンションを持ち、そして
（ｄ）前記第１のディメンションが前記第２のディメンションより大きいことを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項２８】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記第２のビームが前記第２のヒンジから前記柔軟関節領域にかけて変化する厚さを有することを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項２９】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記第２のビームがＳ字を形成することを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項３０】
請求項１記載の荷重応答流体ベアリングにおいて、前記ベアリングが潤滑特性を有する材料をコーティングしたものであることを特徴とする荷重応答流体ベアリング。
【請求項３１】
第２の相対回転要素によって支持される第１の回転要素を支持し、ガイドし、そして潤滑する荷重応答流体ベアリング組み立てにおいて、
（ａ）前記第１と第２の相対回転要素によって定義される第１と第２の相対回転表面が空間を有し、その空間内に潤滑剤を持ち、
（ｂ）前記第１と第２の相対回転表面間に配置される一般に円形形状をした連続リング状の本体と、
（ｃ）前記本体によって定義され、前記第１の相対回転表面との間に動的インターフェースを形成する少なくとも１つの動的表面と、
（ｄ）前記本体によって定義される複数の支持領域であって、前記少なくとも１つの動的表面と一般に相対する関係に方向付けられた静的表面を定義し、前記第２の相対回転表面との噛みあい状態を維持する位置に置かれる前記各支持領域と、
（ｅ）前記本体の隣接した支持領域間において定義される複数の柔軟領域であって、前記複数の支持領域の１つと結合する第１のヒンジを持つ第１のビームと、前記複数の支持領域の１つと隣接する支持領域と結合する第２のヒンジを持つ第２のビームを有し、前記第１と第２のビームが荷重により変形し、前記潤滑剤を前記動的インターフェースに押し込むために、前記少なくとも１つの動的表面において居部的な流体力学上の幾何学的形状を定義する前記各柔軟領域と、そして
（ｆ）前記本体によって定義され、前記柔軟領域の前記少なくとも１つを仲介し、前記第１と第２のビームを相互に連結する柔軟関節領域を定義する少なくとも１つの部分的に弱めた幾何学的形状と、
を備えた荷重応答流体ベアリング組み立て。
【請求項３２】
請求項３１に記載の荷重応答流体ベアリング組み立てにおいて、前記第２の表面に固体潤滑剤コーティングが施されていることを特徴とする荷重応答流体ベアリング組み立て。
【請求項３３】
請求項３２に記載の荷重応答流体ベアリング組み立てにおいて、前記固体潤滑剤が銀メッキであることを特徴とする荷重応答流体ベアリング組み立て。
【請求項３４】
請求項３１に記載の荷重応答流体ベアリング組み立てにおいて、前記動的表面の硬度が前記第１の表面の硬度に比べ高いことを特徴とする荷重応答流体ベアリング組み立て。
【請求項３５】
請求項３１に記載の荷重応答流体ベアリング組み立てにおいて、
（ａ）ロータリ・コーン型のドリル・ビットのシャフト支持構造が前記第１の相対回転表面を定義し、そして
（ｂ）ロータリ・コーン型のドリル・ビットのロータリ・コーンが前記第２の相対回転表面を定義することを特徴とする荷重応答流体ベアリング組み立て。
【請求項３６】
請求項３５に記載の荷重応答流体ベアリング組み立てにおいて、
（ａ）ロータリ・シャフト・シールが前記シャフト支持構造との間で動的シーリング・インターフェースを定義し、そして
（ｂ）前記ロータリ・シャフト・シールが前記動的シーリング・インターフェースに前記潤滑剤を押し込むための流体力学上の幾何学的形状を定義することを特徴とする荷重応答流体ベアリング組み立て。
【請求項３７】
請求項３６に記載の荷重応答流体ベアリング組み立てにおいて、前記潤滑剤が液体潤滑油であることを特徴とする荷重応答流体ベアリング組み立て。
【請求項３８】
請求項３７に記載の荷重応答流体ベアリング組み立てにおいて、前記液体潤滑油が合成潤滑油であることを特徴とする荷重応答流体ベアリング組み立て。
【請求項３９】
請求項３１に記載の荷重応答流体ベアリング組み立てにおいて、
（ａ）ロータリ・コーン型のドリル・ビットのロータリ・コーンが前記第１の相対回転表面を定義し、そして
（ｂ）ロータリ・コーン型のドリル・ビットのシャフト支持構造が前記第２の相対回転表面を定義することを特徴とする荷重応答流体ベアリング組み立て。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
この発明は、一般にはロータリ・コーン型のロック・ビットを有する密封型ベアリングにおいて、その速度および耐荷能力を著しく向上させために信頼性の高いベアリングとシール・システムを提供することにある。またより詳細には、荷重に応答する弾性的な可撓性を有するベアリングの設計に関するものであり、その設計は相対的な回転に対応して、荷重の負荷されたベアリング表面に流体潤滑を提供するものである。そのために、先行技術であるドリル・ビット・ベアリングに比べ発熱が小さい一方、高速・高負荷を伝達するベアリングを実現すると共に、現状削岩ビットに使われているグリースに比べ弾性シールへの適合性を改善した、合成油のような液体油タイプの潤滑剤を本ベアリングの潤滑のために使用している。
【０００２】
ロータリ・ドリルの技術は、石油やガスを得るための井戸を掘るときに、地面を掘り進むために使われる。その際に遭遇する岩を削岩するために、ドリル・ビットは中空のドリル・ストリングの底の部分に取り付けて用いられる。
【０００３】
ロータリ・コーン型のロック・ビットは、一般に削岩のために使用される。そのようなビットの設計では、切断刃のパターンを組込んだロータリ・コーンはドリル・ビットの下側端部でシャフト支持構造に取り付けられる。ビットが回転するとき、ロータリ・コーンはシャフトに対して回転し、そしてボア・ホールの底部で回転する。また、ドリル・ストリングの重量は切断刃を通じて作用し、岩を小さな切断片に破壊する。地球の表面へ切断片を移送するために、掘削流体は、ドリル・ストリングを通って、ボア・ホールの底部へ循環する。そのような良く知られた先行技術であるドリル・ビットの例はデントンの米国特許５，４５６，３２７等に示されている。
【０００４】
スラストおよびジャーナル・ベアリングは、典型的にはドリル・ストリングの重さをシャフトからロータリ・コーンへ伝えるために使用される。そして、ボール・ベアリングは典型的にはロータリ・コーンをシャフトに固定するために使用される。グリース・タイプの潤滑材はベアリングを潤滑するために提供され、これは井戸ボアの穴の圧力に対して圧力バランスのとれたものとなっている。ドリル・ビット・ベアリングは、高温、高荷重、強い衝撃、およびロータリ・コーンとシャフトの間の複雑な動きを含む非常に苛酷な条件の下で作動することが予測される。厳しい幾何学的な制約により、ベアリングのサイズは小さい。このような小さいサイズににもかかわらず、これらのベアリングには厳しい荷重が負荷される。また、ベアリングの接触応力は非常に高いレベルに達する。その結果、高速で運転し、特に高荷重が作用する場合、ベアリングの性能は貧弱であり、それがハード・ロック・ドリリングの寿命を限定することになる。
【０００５】
従来のロック・ビット・ベアリングは境界潤滑方式で運転されており、重ベアリング荷重を伝達する助けとするために、グラファイト、二硫化モリブデン、粉末状フッ化カルシウム、銅粒子、そして様々なタイプの石鹸のような固体潤滑材を大量に含有したグリースで潤滑されていた。そのようなグリースの例は、ニューカムの米国特許４，３５８，３８４およびランドリの米国特許５，０１５，４０１に記述されている。
【０００６】
エラストマ製のロータリ・シールは潤滑材を保持し、かつ非常に摩耗性のある掘削流体を排除するためにロータリ・コーンとシャフトの間の動的シールの関係を確立するために使用される。そのようなシールの例はムードック等の米国特許３，７６５，４９５、及びカルジーの米国特許４，６１０，３１９に記述されている。ベアリングに加えて、ロータリ・シールもまた、高速ロータリ・コーン・ビットで使用されるベアリング・システムの信頼性および寿命を決定づけるウイーク・リンクとなる。第１に、ロック・ビット・ベアリング・グリースに含まれる固体潤滑剤はエラストマ製のロータリ・シールにとっては非常に摩耗性が高いものである。第２に、これらのシールはドリル・ビットが作動する環境中の苛酷な磨耗性のある掘削流体により磨耗しやすい。第３に、速度が増加したとき、ベアリングとロータリ・シールによる大きな発生熱は、シールのエラストマ材料の熱劣化を引き起こすということである。高速運転に関連し、シールの高い摩耗率を引き起こすこれらのファクタは、初期のシール破損、ベアリングへの摩耗性流体の侵入、そして厳しい場合には、ロータリ・コーンの脱落というロスによって早期のベアリング破損へと結びつくものである。
【０００７】
その有効寿命が終わった時にドリル・ビットを交換するには、まず最初に井戸から全ドリル・ストリングを引き上げる必要がある。そのようなビット交換のためには長時間にわたる工程が必要となり、その無駄時間は、特に深い井戸の場合、井戸掘削コストの主要な要素となる。したがって、油田およびガス田の掘削コストを顕著に低減するためには、ロータリ・コーン・ロック・ビットに使われるベアリングおよびシール・システムの信頼性および寿命を改善することが不可欠である。
【０００８】
発明の概要
本発明の目的は、硬質岩を削岩する際に使用されるシールド・ベアリング・ロータリ・コーン型のロック・ビットで使われるベアリングのように高負荷軸受荷重を対象とした機械装置で使用するための、信頼性の高いベアリングおよびシール・システムを提供することである。
【０００９】
ベアリング摩耗を最小にし、焼付きを防止し、ベアリング・インタフェースで磨耗が生じたとしても有効性を維持しつつ、高負荷荷重、高速下での運転を許容するためにベアリング摩擦を低減させたコンパクトな流体潤滑ベアリングを提供することも本発明の別の目的である。
【００１０】
潤滑材、ベアリング、エラストマ製シール、および関連するコンポーネントの熱に起因する劣化を防止するために、ベアリングでの熱の発生を低減することもまた本発明の別の目的である。
【００１１】
固体潤滑剤粒子を多く含有しているグリースタイプ潤滑材を使用する一方、ベアリング表面に流体潤滑を提供することができるベアリングを提供することも本発明の別の目的である。
【００１２】
合成石油のような液体油タイプの潤滑剤の環境下で高負荷運転することができるシールド・ベアリング・ロータリ・コーン型のロック・ビット用のベアリングを供給することも本発明の別の目的である。
【００１３】
低摩擦運転を維持する一方、高い衝撃荷重に耐えることができるコンパクトなベアリングを提供することも本発明の別の目的である。
【００１４】
高粘性合成石油のような液体油タイプの潤滑剤を使用した、シールド・ベアリング・システムのシールおよびベアリングを完全な状態に維持するシールド・ベアリング・ロータリー・コーン型のロック・ビットを提供することも本発明の別の目的である。
【００１５】
広範囲な荷重条件にわたって低摩擦運転できるコンパクトなベアリングを提供することも本発明の別の目的である。
【００１６】
基本的なコンセプトの見地から見れば、本発明は相対的に回転する要素を支持し、そしてガイドするための一般にリング状の形状を有する改善されたベアリング設計を提供するものである。ベアリング表面に作用する荷重および圧力に対応して応答するベアリング表面の起伏を作り出すため、および、相対的な回転要素の対となる表面の間で、初期の流体力学的なクサビ角を作り出すため、弾性的な柔軟領域がベアリング構造に組み込まれている。これらの起伏によって作られた、徐々に収れん（コンバージング）する幾何学的形状は、相対的な回転が生じることによって相対的な回転要素とベアリングの間の動的インターフェースに予測可能な大きさの潤滑剤膜を押し込むという流体力学上の強い作用を促進する。この膜は物理的に、動的表面を互いに引き離すことになり、したがって高負荷荷重と高速度を組み合わせた環境下での運転を可能とする一方、激しい面の接触を最小限にし、摩擦、磨耗、そしてベアリングによって発生する熱を低減させる。本発明のベアリングは、一般に円形形状をした連続リング状の本体を持っている。そして、本体は少なくとも１つの動的表面を定義し、動的な面と一般に相対する関係で方向付けられた静止の面を定義することになる複数の支持領域を定義する。複数の可撓性のある領域は、隣接した支持領域間におけるアンダカット領域によって定義される。そしてこのアンダカット領域は開放されていることが望ましい。即ち、ベアリングのビーム状部分の幅方向に対して一端から他端まで通り抜けるていることである。可撓性のある領域の各々は、複数の支持領域の１つと接続する第１のヒンジを持つ第１のビームと、別の支持領域と接続する第２のヒンジを持つ第２のビームとを有する。また、前記第１と第２のビームを連結する柔軟な関節領域を定義することになる第１と第２ビーム間における部分的に弱めた幾何学的形状を有する。第１および第２のヒンジの柔軟性は、第１および第２のビームのそれぞれの厚さ、または穴を使うとか、ヒンジを定義する溝や窪みを使用することによってコントロールすることができる。ヒンジの柔軟性は材質選定によってもコントロールすることができる。
【００１７】
半径方向荷重が作用する、内側又は外側の円筒形状を形成するほぼ円筒状の形態においては、少なくとも一つの動的表面が形成される。そして、軸方向荷重を受けるほぼ平坦な形態においては少なくとも一つの動的表面が交互に形成される。少なくとも１つの動的表面は、さらに、一般に相対する関係にある２つの動的表面からなる。例えば、半径方向荷重を支持するための円筒内面を形成する動的表面の一つと、円筒外面を形成する他の動的表面のような場合である。または、軸方向スラスト荷重を支持するための平坦面を形成する２つの動的表面のような場合である。
【００１８】
柔軟な関節領域を定義する部分的に弱めた幾何学的形状は、単数または複数の窪み、或いは単数または複数の穴、或いは１またはそれ以上の窪みと１又はそれ以上の穴の組み合わせのように、どんなものでも適切な形状であれば可能である。部分的に弱めた幾何学的形状を形成する窪みは、オープン・エンドなスロットあるいはクロースド・エンドなスロットのように、どんなものでも適切な形状であれば可能である。例えば、スロットはベアリングの半径方向幅全体にわたって横切って伸びていても良い。そして、スロットは一般に丸、オーバル（オブラウンド）あるいは楕円形、またはＬ字状の形であっても良い。また窪みは、深さの変化するものでも良い。例えば、本発明のスラスト・ベアリングに関する実施例においては、半径方向の幅を横切って設けられている柔軟な関節部分の柔軟性を制御するという観点から、一端から他端にかけて深くなるようにしている。窪みの壁は、動的表面に対してほぼ垂直、あるいは動的表面に対して鋭角となるような場合も含み、それが適切であればどんな角度でも可能である。同様に、部分的に弱めた幾何学的形状を形成するための穴についても、任意の適切な形状および方向を持たせることができる。例えば、部分的に弱めた幾何学的形状を形成するためのベアリングのその部分全体にわたって、またはその一部に穴を設けることができる。そして、それは一般には円、オーバル（オブラウンド）、あるいは楕円形状でも良い。壁と穴の方向は、一般に任意の適切な角度とすることができる。即ち、動的表面に対しほぼ垂直、あるいは動的表面に対してある角度を持たせたものの他、動的表面に対してほぼ平行なものも含まれる。複数の穴および／または窪みが部分的に弱めた幾何学的形状を形成するために使用されるとき、それらは適切な方法により、互いに一定の関係のある位置に設けられる。例えばそれらは互いに隣り合った位置、あるいは一般に相対する関係にある位置に設けることができる。もし望むなら、部分的に弱めた幾何学的形状は、動的表面に潤滑剤を供給するための１又はそれ以上の潤滑剤の通路を形成することができる。
【００１９】
第１と第２ビームは、制御された変形を実現するためには、どんな形状であっても適切なものであれば可能である。例えば、ほぼ平行な厚さを持たせることや、制御された柔軟性を得るために、回転速度の方向にあわせた方向にテーパをつけ、そして／または回転速度の方向と直行する方向にテーパをつけることである。本発明のベアリングがスラスト・ベアリングの形態で使用される場合、第１と第２ビームの側面が、一般にアーチ形をしていることが望ましい。また、ラジアル・ベアリングの形態で使用される場合には、側面が一般に平坦な形をしていることが望ましい。動的表面と第１と第２ビームの側面とが交差した部分が面取り、円弧形状、あるいは楕円形状のようなエッジ処理がなされていることは更に望ましい。、第１のビームの円周上の平均長さを支持領域の円周上の平均長さで割った比率は、たとえ大きく変えることができるとしても、それは最適な流体潤滑を生じさせるため、２と３の間、好ましくは２．５とすべきである。
【００２０】
この発明は、荷重応答弾性柔軟性ベアリングの設計を適用することによって、高速のシールド・ベアリングを使用したロータリ・コーン型のロック・ビットのための高信頼性ベアリングとシール・システムを提供するものである。そしてその設計においては熱の発生を押さえ、流体潤滑油又は合成潤滑油のような液体潤滑剤により潤滑されたベアリングを使用する一方、荷重の負荷されたベアリングの表面に流体潤滑を提供するものである。また、これらの潤滑油は、現在ロック・ビットにおいて使用されている固体潤滑剤を含有した密着性潤滑グリースに比べ、エラストマ製シールに対する高い適合性を有する。特に、シールド・ベアリング・ロータリ・コーン型のロック・ビットのための最適なベアリングとシール・システムとしては、１又はそれ以上の荷重応答流体ベアリングから成るものが望ましい。この荷重応答流体ベアリングについては、弾力のある圧縮タイプのロータリ・シールの関係で前述したものである。そして、このロータリ・シールは、硬質岩石層を貫通して掘削するドリル・ビットの高速回転により良く適合させるために、シールとシャフトの間の動的なシーリング・インターフェースに潤滑剤の流体膜を押し込むための流体力学上の幾何学的形状を定義するものである。
【００２１】
ここで考えているドリル・ビットの構造は、一般にロータリ・コーン型のロック・ビットとして知られている。ドリル・ビットの本体構造は少なくとも１つ、普通は複数のアーム構造（典型的に３個）を持つ。そして、その各々はアーム構造から突き出た支持シャフトを持っており、それはカッティング構造を持ったロータリ・コーンを支持する。スラストおよびジャーナル・ベアリング、これらは前述した流体ベアリングの形態の内の少なくとも１つであるが、これらはロータリ・コーンの回転ガイドのため、およびシャフトからロータリ・コーンにドリル・ストリングの重量を伝達するために使用される。
【００２２】
ビットが回転する時、ロータリ・コーンはボア・ホールの底部に対して回転する。また、ドリル・ストリングの重量はカッティング構造を経由して作用し、岩石層を破壊して切断片にする。掘削流体は、ドリル・ストリングを通って下方へ循環する。そして、切断片を地球表面まで移送するために、そこから１又はそれ以上のドリル・ビット・オリフィスを通ってボア・ホールの底部に循環する。
【００２３】
潤滑材はベアリングを潤滑するために提供される。この潤滑材はグラファイト、二硫化モリブデン、粉末状フッ化カルシュウム、１つ又はそれ以上のタイプの石鹸ベースと混合した銅の粒子のような固体潤滑材が大量に混ぜられているグリースであっても良い。しかし、ロータリ・シールの損傷を最小にし、それによってドリル・ビット・ベアリングの有効寿命を延長するために、潤滑剤は、液体油タイプの潤滑剤であることが望ましい。特に、４０℃において９００センチストークスかまたはそれ以上の高粘度合成潤滑剤が望ましい。任意の適切な形状を有するリング状のロータリ・シールは潤滑材を保持し、かつ削岩流体を排除するためにロータリ・コーンとシャフトの間の密封状態を確立するために使用される。好適なシールは、弾力のある材料から成形されたリング状本体を有する圧縮型のシールである。この弾力のある材料は、ロータリ・コーンと噛み合うことにより静的なシーリングを確立し、更にシャフトと噛みあうことにより、相対的な回転インターフェースでのシーリングを確立する。好適なシールは、流体力学上のウェッジング作用を促進するために、シーリングの潤滑剤側において、軸方向に変化する形状を定義する動的なシール・リップを有する。このウェッジング作用とは、動的なシーリング・インターフェースでの相対的な回転に対応して、潤滑剤膜をそのインターフェース内に押し込むことである。そして削岩流体を排除するために、そのシールの削岩流体側は軸方向に急激に変化しない形状としている。潤滑剤膜の存在によって、このシール形式は、シールの表面とシャフトの対になる表面との間の直接的な摩擦接触を排除し、その結果、不適当な熱発生とシール摩耗のない高速運転を許容することとなる。このようなシールは、先行技術である米国特許４，６１０，３１９，　 ５，２３０，５２０， 　５，７３８，３５８， 　５，８７３，５７６，　 ６，０３６，１９２，　 ６，１０９，６１８および６，１２０，０３６，に記述されている。そして前記特許は総ての目的のために、引用によりここに組み込まれる。ロータリ・シールは、エラストマ、ゴム状のシール材、様々な他の重合体のシール材、またはそれらの組み合わせを含む、適切なシーリング材料のいずれかで構成しても良い。
【００２４】
ロータリ・コーン・ロック・ビットへ流体ベアリングと流体シールを組み合わせて組み込むことによって、相乗効果を有するベアリングおよびシール・システムが提供される。それにより、高負荷荷重条件下での高速運転を可能とする一方、ビットの長寿命化を可能ならしめる。
【００２５】
本発明のベアリングは、ロック・ビットに使用されるベアリングの摩耗性能を強化することを主目的として設計されたが、回転要素としてのベアリング・ハウジング又はシャフトのいずれか、もしくはその両方を持ったその他のタイプの回転装置にもまた応用できる。そのような装置の例としては、ダウンホール・ドリリング・モータ、ダウンホール・ロータリ操縦装置、ロータリ・コントロール装置、そしてベアリングに高負荷がかかる、構造、採鉱、ドレッジングおよびポンプにおいて使用される装置が含まれるが、しかしこれに限定されるものでもない。
【００２６】
発明の詳細な説明
まず最初に、図面１を参照すると、岩石層を貫通するボア・ホールを堀り進むために使用するロータリ・コーン・ロック・ビット本体構造の下側部分が、部分断面図の１の位置に示されており、ここには本発明の改善されたベアリングおよびシール・システムが組込まれている。
【００２７】
ビットの本体構造は、掘削リグで支持されるドリル・ストリングに接続できるものである。本体構造の下側端部は、突起したシャフト３のようなシャフト支持構造によって保持されている。そのシャフトはタングステン・カーバイトや多結晶ダイヤモンドのような硬度の高い材料からできた複数のカッター・インサート１０を備えたロータリ・コーン２を支持しており、ドリル・ビットとして岩石層を切断するカッター・インサートは重量が負荷された状態で回転する。ビットにかかる合計重量は、たとえ１つのコーン・アセンブリだけが使われたとしても典型的には図１に示すような３個のコーン・アセンブリで分担される。掘削流体は、ドリル・ストリングを通って、１つ以上のドリル・ビットのオリフィス（図１に図示せず）を経由して、地表面へ切断片を移送するためにボア・ホールの底へ循環する。コーン・アセンブリは、一体的な本体構造を形成するために一体的に溶接されたアーム１１によって支持される。本体構造、シャフト３およびロータリ・コーン２、さらにその切断歯は、本発明の精神および範囲から外れない限り適切な数の形態としても良い。
【００２８】
ロータリ・コーン２は複数個の玉軸受け９によってシャフト３と共にアセンブリ内に保持される。シャフト３およびロータリ・コーン２は、玉軸受け９を受ける互いに相対する反対側のベアリング・レースをなし、その玉軸受けはドリル穴７Ｂを通って取り入れられる。玉軸受け９を取り入れた後、従来のドリル・ビットのプラグ・メンバー（図１には図示せず）がドリル穴７Ｂに挿入され、その後密封、溶接またはその他の適切な手段によって保持される。プラグ・メンバーは、ベアリング・レースの一部分を形成し、ベアリング・インタフェースへ潤滑剤を導くための潤滑剤の伝達経路を有する。ロータリ・コーン２は玉軸受け９によって保持されるように図示されているが、ロータリ・コーン２は、発明の精神および範囲を逸脱しないかぎり、どんな他の適切な手段によって保持されてもかまわない。
【００２９】
ロータリ・コーン２とシャフト３との間の相対的な回転面における荷重は、ジャーナル軸受４および４Ａ、およびスラスト軸受６によって分担され、それらの１つ又はそれ以上は、ここで述べる流体力学的形式のものである。そのような流体ベアリングの静的荷重は、円周上複数の位置におけるベアリングの柔軟な部分によって、効率的な流体潤滑のウェッジングを起こす幾何学的形状を生じさせる。それによって、ベアリングの厳しい動的表面と、対になる厳しい相対的な回転表面を切り離し、その結果、摩擦、ベアリング摩耗、トルクおよび熱発生を最小化する。
【００３０】
ベアリングは、ロータリ・コーン２とシャフト３間の全ての空間を満たす潤滑剤によって潤滑される。この潤滑剤が満たされている空間は、潤滑剤の供給システム（図示せず）と連結されており、そのシステムは従来の種類のもので、周辺の掘削流体の環境から潤滑剤を仕切るためにピストン、ゴム・ブーツ、またはベローズを組込んでいる。そして、本質的に掘削して穴を掘り下げる高圧の静水圧環境と潤滑剤の圧力はバランスを保つ。ロータリ・コーン２の内部と潤滑剤の供給システムの間の連結は、一連のドリル穴７Ａおよび７Ｂによって行われる。掘削流体環境を含め、ベアリング部分のすべての位置において、圧力つりあいピストン、ゴム・ブーツ、又はベローズは高い静水圧（典型的には、数千ポンド／平方インチの圧力）を潤滑剤にかけている。潤滑剤供給システムは、発明の精神および範囲を逸脱しないかぎり、どんな他の適切な手段を採用してもかまわない。例えば、潤滑剤供給システムとして、ヒューズ・ツール社が所有する米国特許Ｎｏ． ４，３７５，２４２において示されている形式のものを採用すれば便利であるし、またこのほかの都合の良い形式の潤滑剤供給システムであってもよい。しかしながら、潤滑剤供給システムは、スプリング負荷方式、デファレンシャル・エリア・ピストン方式、またはフロー制限方式等によって、周辺の静水圧よりわずかに高くした潤滑剤圧力を得るものであることが望ましい。潤滑剤の圧力が掘削されたボアの環の中で生じる周辺静水圧に比べ約２００〜３００ｐｓｉ程度高い方が良い。この圧力差はロータリ・コーン２の動揺や交互運動によって生じる圧力変動を越えるように意図したものであるが、ロータリ・シール８（以下に述べる）の軸方向の動きをシール溝内に留める観点からも望ましいものであり、また、ゆがみによって引き起こされるシール摩耗を防止するために、シールを環境側の溝壁面に押しつけるものである。従来のシールの寿命はシールに作用する圧力差によって著しく減少するが、以下に述べるように、好適な流体シールは、その程度の圧力差の下であっても優れた寿命を持っている。また、環境上存在する研摩材に対するシールの抵抗力は、そのような圧力差によって現実に著しく改善されたことを試験によって実証した。
【００３１】
潤滑されたベアリングおよびシャフトは、研磨剤の入った削岩流体と切断片からロータリ・シャフト・シール８によって保護される。そしてそれは任意の適切な形態をとっても構わない。好ましいシール（図示したものであるが）は、流体潤滑されたシールであって、シャフト３によって動的なシール・インターフェース１２（シャフトに対するシールの偏形した足跡状の隠れ線によって表わす）を構成し、また、ロータリ・コーン２との間で静的なシーリング・インターフェースを構成するものである。動的なシーリング・インタフェース１２は、潤滑剤側（ロータリ・コーン２の内部に面する部分であるが）において非円状のエッジ形状１４を持つ。これは、潤滑剤膜を動的なシーリング・インタフェース１２内に導入するための流体力学上の押し込み機能を促進させるためのものである。好適なシールの動的なシーリング・インタフェース１２においては、削岩流体が流体力学上の影響を及ぼすことを防止し、削岩流体が入らないようにするため、シールの削岩流体側には円状のエッジ１６が設けられている。高速ロック・ビットでは、この種のシールは、シールの劣化（硬化、圧縮永久変形、膨潤および割れのようなもの）に関係する温度を最小にするために、動的なシーリング・インターフェースにおいて熱発生率を低下させるという重要な長所を有する。またシール８とシャフト３の間の摩耗も低減する。このことは、ロータリ・シールの破損に関連する摩耗剤の侵入を防ぐことにより、ベアリングの寿命を改善することになる。
【００３２】
上述した動的なシーリングのインターフェースの形状は米国特許Ｎｏ． ４，６１０，３１９に従った動的なシーリング・リップを組み込んだシールによって確立することができる。そのシールは、シーリングの潤滑剤側がテーパーのある渦巻状の表面を持っており、シールの動的な面を潤滑するように相対的な回転運動に対応して潤滑剤と協同して作用するものであり、潤滑剤に接触し、またシャフト３の表面に接触するよう配置されている。
【００３３】
さて、図２乃至２Ｄを参照すると、本発明のスラスト・ベアリング６の詳細が示されている。図２Ｄに示すように、スラスト・ベアリング６は、互いに相対的な回転が可能なように、第１の表面２０と第２の表面３０の間にはさまれている。スラスト・ベアリング６は、第１の表面２０と接触する動的表面２２と第２の表面３０と接触する静止表面３２をそれぞれ持っている。
【００３４】
図２乃至２Ｄの実施例においては、静止表面３２では、多数の可撓性領域３７を構成する多数のアンダカット領域３４によって中断が生じるが、動的表面２２は中断のないほぼフラットな表面である。多数のアンダカット領域３４は両端開放であり、ベアリングの半径方向幅を完全に横断したものであることが望ましい。中断（例えば溝や、スロット）のない動的表面２２のフラットな面の幾何学的形状は、ベアリング面が接触する領域を最大化し、そして負荷される荷重に対する平均ベアリング圧力を最小化する。
【００３５】
図２Ａと２Ｄは、動的なインタフェースにおける流体潤滑に応答するスラスト・ベアリング断面の重要な詳細部分を示す。ベアリングの反復連続して設けてあるセグメント３５の各々は図２Ｄに示すように、長さＢ０を有する支持領域３６と長さＢ１＋Ｂ２からなる可撓領域３７によって定義される。ベアリング・セグメントの支持領域３６は、本質的にはベアリングの剛体部分として特徴づけられる。反復して設けてあるセグメント３５の可撓領域３７は、第１のビーム状部分３８、第２のビーム状部分３９、および部分的に弱めた幾何学的形状４４を有する柔軟な関節部分５０によって特徴づけられる。この実施例では、部分的に弱めた幾何学的形状４４は、スロット状の形状をしている。しかし、それは本発明の精神および範囲から外れない限り、後に示す図との関係で後ほど説明するような様々な幾何学的形状のように、この他の特定の形状にすることができる。第１のビーム状部分３８は第１のヒンジ４０によって支持領域３６に結合されている。また、第２のビーム状部分３９は第２のヒンジ４２によって別の支持領域３６に結合されている。
【００３６】
図２乃至２Ｄに示す実施例では、第１のビーム状部分３８、第２のビーム状部分３９、および部分的に弱めた幾何学的形状４４の各々が、ベアリングの半径方向幅の全体にわたって存在している。
【００３７】
反復して設けてあるセグメント３５の数は、本発明のロータリ・コーン・ドリル・ビットで使用されるベアリングに関しては、典型的には最小２個から１０個まである。そして、これはベアリング・サイズ、厚さ、ベアリング材料および耐荷能力に依存して決まるものである。しかしながら、ドリル・ビット以外の装置において使用される大きなサイズの本発明に係るベアリングの場合、反復して設けてあるセグメントの数に上限はない。
【００３８】
図２乃至２Ｄに示す幾何学的形状のベアリングに静的な荷重が負荷されたとき、可撓領域３７の弾性変形は第１の表面２０と動的な表面２２との間に初期ギャップを作り出す。そして部分的に弱めた幾何学的形状４４の近傍においてそのギャップは最大となることを、詳細な有限要素法解析によって確認している。初期ギャップが存在することにより、第１の表面２０と第２の表面３０との間で相対的な回転運動が開始されるとすぐに流体潤滑の作用が進展することが確実になる。
【００３９】
荷重Ｆおよび相対的回転Ｖが作用する、第１の表面２０と第２の表面３０との間において、図２Ｄの誇張したスケールの図で示すように、ベアリングの可撓領域３７は動的表面２２の望ましい変形形状を作り出す。荷重の作用下、第１のビーム状部分３８は第１のヒンジ４０の周りにヒンジ固定され、第１の表面２０から離れる方向に変形する。第２のビーム状部分３９は第２のヒンジ４２の周りにヒンジ固定され、第１の表面２０から離れる方向に変形する。部分的に弱めた幾何学的形状４４の影響で、可撓性の関節５０の位置で、第１のビーム状部分３８と第２のビーム状部分３９の間に曲げ変形が生じる。第１のヒンジ４０、第２のヒンジ４２および可撓性の関節５０の柔軟性は対応する位置の厚さを変えること、あるいは後で別の図との関係で説明するように、部分的に使用する材料の量を減らすことにより、制御することができる。荷重が作用する下での動的表面２２の変形と、流体力学上の圧力分布は、第１のヒンジ４０と第２のヒンジ４２の柔軟性、柔軟な関節部分５０の柔軟性、及び第１のビーム状部分３８と第２のビーム状部分３９の剛性によって決定される。荷重の分布は初期のフラットな動的表面２２を変形させ、コンバージングな（徐々に変形が縮小する）表面部分２２Ａを形成し、その結果、第１のビーム状部分３８の領域において、動的な表面２２と対になる第１の表面２０との間に、回転方向に徐々にギャップが縮小するようになる。また、初期のフラットな動的表面２２を変形させることにより、ダイバージングな（徐々に変形が拡大する）表面部分２２Ｂを形成し、その結果、第２のビーム状部分３９の領域において、動的な表面２２と対になる第１の表面２０との間に、徐々にギャップが拡大する（回転方向に）。ギャップが徐々に拡大し、そして減少する部分の相対的なスパンは、柔軟な関節部分５０を構成する部分的に弱めた幾何学的形状４４の位置によって決まる。図２Ｄに示すように、相対速度と徐々に減少するギャップは流体の圧力を発生させ、それは最大値Ｐｍａｘまで上がる（周囲の静水圧以上）。静荷重条件の場合に比べ、流体の圧力上昇により、第１のビーム状部分３８および第２のビーム状部分３９の変形と、柔軟な関節部分５０の近傍におけるギャップの大きさは相対的な回転の下に増加する。
【００４０】
流体力学上のウェッジング（押し込み）作用は、相対的に回転する第１の表面２０からベアリングの動的表面２２を離すような力が作用する油膜の厚さと圧力を作り出す。油膜厚さは、図２Ｄに示すように、最小値ｈｏから最大値ｈ１まで変化する。従って、発生した油膜圧力は動的表面２２の厳しい部分の大部分と第１の表面２０との間において直接こすれるような接触を無くすることができる十分に高いものである。図２乃至２Ｄに示す実施例が油田のドリル・ビットにおいて使用されるとき、ダウンホールにおいて存在する高圧の静水圧は、加圧されない領域や泡が形成されるのを防止し、動的なベアリング・インターフェイスに連続的な油膜を維持するために、ベアリングの動的表面２２上にどんな溝をも設けることを必要としないで、第１の表面２０と動的表面２２の間に潤滑剤を自動的に強制注入する。地表で使用される装置では、そのような静水圧が存在しないので、加圧された潤滑剤により、溝を設けることなくベアリングの動的表面２２に潤滑剤を供給する。
【００４１】
ベアリングの静止表面３２のインターフェイスにおける摩擦力は流体力学的に潤滑された第１の表面２０と動的表面２２の間の動的なインターフェイスにおけるものより著しく大きいという事実によって、回転運転中、ベアリングの静止表面３２は第２の表面３０に対して静止したままである。スタートアップ時と同様、運転中の潜在的な滑りを防ぐために、静止表面３２および／または第２の表面３０は高い摩擦を保証するため、粗れた表面仕上げとしておくべきである。サンドブラストかエッチング、あるいはその他の同様な適切な方法によって粗れた仕上面を得ることができる。
【００４２】
図２Ｂは、ベアリングの支持領域３６を、内径から外径までの全幅を横断するベアリングの断面図を示す。静止表面３２の外径側には、動的表面２２上のエッジ処理４６の長さ又は距離を越える寸法のエッジを除去した幾何学的形状部分４８が設けられている。エッジを除去した幾何学的形状部分４８の目的は、ベアリング上のエッジ荷重を低減し、高いエッジ応力も低減することである。例えば、本発明のベアリングが油田ドリル・ビット内で使用されるとき、掘削作業中、軸方向のスラスト荷重との関係で、ロータリ・コーン２（図１に示す）上に不可避的な曲げモーメントによって高いエッジ応力生ずる。エッジを除去した幾何学的形状部分４８は動的表面２２に対する荷重を支持するために十分な剛性を持たせるよう設計されるが、そのような荷重下であってもエッジ処理４６におけるエッジ荷重を十分に低減できる程度にフレキシブルなものにしなければならない。そして、そのようにすることによって、動的表面２２および第１の表面２０の磨耗を低減することになる。
【００４３】
本発明を開発していく過程で、望ましい大きさのベアリングの変形を生じさせ、そして必要な流体圧力を供給できるような特定の幾何学的形状の寸法を決定するために、更に油田のロック・ビットで応用する場合に共通する荷重および速度の範囲内で、最小および最大の油膜厚さを決定するために広範囲な流体弾性力学の解析（これには詳細な有限要素法解析および流体潤滑解析が含まれる）を実施した。必要な荷重範囲に対して、ベアリング寸法を最適化するために幾何学上のパラメータを体系的に変えて、解析のための膨大なマトリックス演算を実施した。最小油膜厚さは選択した特定の幾何学的パラメータの組み合わせに依存し、ドリル・ビットの典型的な荷重範囲に対しては、最小油膜厚さｈｏは約２０〜１００マイクロ・インチの厚さに変えて設計できることが明らかになった。また解析においては、液体油タイプの潤滑剤と共に、グリースをもカバーする潤滑剤の粘性範囲とした他、ベアリング材料の材料特性（例えば、弾性係数、とポアソン比）のバリエーションをも考慮して実施した。解析の結果、油田のロック・ビットにおいて一般に遭遇する極端に高い荷重条件下においてさえ、誘起される流体油膜厚さの大きさは、スラスト・ベアリングの動的表面２２とこれに対となる第１の表面２０との間における激しい接触と摩擦係数を著しく減少させることができるということを予測できた。後で議論するように、グリースと液体潤滑剤の両方に関してここで述べた多数の幾何学的形状に基づいてベアリング試験を実施し、本発明によって得られる著しい性能上の利点（摩擦の低減、低温での運転、高い運転荷重と速度に関する性能）を確認した。ここで開示した実施例は、相対的な回転が望ましい方向にあるものとして論じてきたが、解析結果や試験結果からは、第２のビーム状部分３９の変形によって生ずる流体力学上の押し込み作用によって、逆方向の回転条件下でもまた本質的な潤滑が行われることが判った。
【００４４】
本発明のスラスト・ベアリングの実施例についての研究室レベルでの試験中、オリジナルの試験片の動的表面２２に０．００１インチの銀メッキを施した。このような銀メッキは油田のロータリ・コーン・ドリル・ビットや境界潤滑を提供する同種のものに使われる先行技術のブッシュ・タイプのスラスト・ベアリングに対して一般に行われているものである。試験装置の対になる第１の表面２０は、ドリル・ビット・コーン・アセンブリのスラスト面と同じように、ステライトによる硬化された面である。試験中、流体潤滑は設計スラスト荷重の範囲の全体にわたって例外的に低い摩擦係数を示した。その後、オーバロード条件となり、ベアリングがもはや流体力学的に作用していない、例えば潤滑油膜がもはや荷重を支持していないような状態になっているということをトルクの急激な上昇によって示されるまでは、スラスト荷重は漸増的に増加していった。
【００４５】
オーバロード条件下における高いトルクは、動的表面２２の最も厳しい部分の潤滑の不足に基づくものである。例えば、支持領域３６によって直接支持されている位置（例えば、図２Ｄの最小油膜厚さｈｏの位置を参照のこと）であり、荷重に対応して撓まない部分である。銀めっきしたスラスト・ベアリングでは、一旦オーバーロード条件が生じれば、柔軟な銀メッキのコーティングは、すぐに寸法的にダメージを受ける。特に動的表面２２の部分では支持領域３６によって直接サポートされることになる。一旦、オーバーロードにより銀メッキがダメージを受けたならば、正常な設計荷重の範囲において再試験した場合であっても、ベアリングはもはや流体力学的な挙動はしない。これは、一旦銀メッキの摩耗が生じたならば、荷重が負荷された状態であっても動的な表面２２の撓み角がメッキの摩耗を越えず、コンバージングなギャップによって流体潤滑にとって適切な押し込み角が生じないからである。実際、メッキの摩耗は、流体潤滑にとって悪い方向の傾き角を生じさせると考えられる。なぜなら、現在の荷重が前に作用したオーバーロード状態よりも低いとしても、ベアリングの柔軟な部分がベアリングの磨耗した部分よりも高い位置へ、跳ね返るからである。
【００４６】
更なる試験によって、動的表面２２がオーバーロード状態に対して、より許容性のある耐磨耗性の表面とするために、動的表面２２に銀メッキを施すことは望ましくないことであることが判った。銀メッキがオーバロード環境下での境界潤滑の基準を提供することになるので、動的表面２２よりむしろこれに対となる第１の表面２０に銀コーティングまたは他の適切な犠牲的コーティングを施すことが却って好ましい。そのような好ましいコーティングを施したものにオーバロード環境を負荷した時、または荷重が負荷された状態でスタート・アップした時、銀メッキはまだ磨耗していないが、しかし第１の表面２０から銀メッキは均一に剥がれており、メッキされていないスラスト・ベアリングの流体力学的な押し込み角には影響を与えない。銀メッキされた第１の表面２０上をコーティングされていないベアリングが動くことは許容でき、またオーバーロード条件下でも耐えきれる。そしてその後に、正常な設計荷重をかけたときであっても、例外的に低い摩擦係数を示し、まだ流体力学的に機能し続けることが試験から判明している。
【００４７】
第１の表面２０は、最良のベアリング耐摩耗性を有する動的表面２２より柔らかくかつ耐磨耗性が低いものとすべきである。そうすればオーバーロード条件下やスタート・アップ時の荷重条件下において、高い許容性を得ることができるからである。このことは、上述したように、第１の表面２０を銀でコーティングすることにより、又は別の犠牲的コーティングや他の適切な方法で達成するこができる。スラストベアリングの動的表面２２を耐摩耗性コーティングや他の適切な耐摩耗性表面処理で処理すること、または／およびスラスト・ベアリングを損耗にたいする抵抗力の高い耐磨耗性材料、例えば硬化したベリリュウム銅のような材料で作ることが望ましい。
【００４８】
たとえ、ベリリウム銅が本発明において適切な材料であるとして述べているとしても、本発明の精神および範囲から外れずれることなく、適切な弾性係数、強度、耐熱性、および境界潤滑特性をもった別の適切な材料を使用することもできる。材料選択の範囲としては、鋼、チタン、アルミニウム、球状黒鉛鋳鉄、白鋳鉄などが含まれる。必要であれば、第１の表面２０および／または動的表面２２に、良好な潤滑特性を得るための適切なコーティング、オーバー・レイ、あるいは表面処理を施すことができる。たとえば、ベース材料およびこれに対となる材料として使用されるものに適したものとして銀メッキ、炭化、窒化、ステライト・オーバーレイ、コルモノイ・オーバーレイ、ボロナイジング等がある。
【００４９】
ここで開示した本発明の種々の実施例に係る幾何学的形状は、従来の機械加工、インベストメント鋳造法、ダイカスト、型鍛造等たくさんの異なったプロセスによって加工することができる。そして、このことは当該技術において熟達したものであれば自明のことである。放電加工もユニークなアンダカット領域を加工するために使用することができる。
【００５０】
本発明のベアリング設計は、当初油田のロータリ・コーン・ロック・ビットのような装置に対して、現在の最先端の設計技術では達成できない高負荷と高速運転の組み合わせた環境下で運用できるように開発されたものである。しかし、本原理は一般に多くのタイプの装置で使用されるスラストおよびジャーナルベアリングの両方に適用可能であるが、例えば、ポンプ、油田の回転噴出防止装置、ダイバータ、油田のダウンホール用泥水モータのシールド・ベアリング・アッセンブリ、および、スペースが限定的で動作条件の厳しいこの他の応用に限定されるものではない。
【００５１】
図３と４は、ラジアルまたはジャーナルベアリング４（図１のビット・アセンブリで示したジャーナル軸受４および４Ａのようなもの）における本発明（スラストベアリングに関して図２から２Ｄに関連して論議したもの）の特徴点を持った実施例を示す。スラスト・ベアリングとは違って、ジャーナル・ベアリング内径とシャフト外径の間の通常のクリアランスにおいて、典型的にはロータリー・コーン・ロック・ビットにおいて使用されているような、従来の平坦なスリーブ・タイプ・ジャーナル・ベアリングであっても、荷重が作用する下ではコンバージングなギャップが生じることに注意を要する。このコンバージングなギャップは、ベアリングの最大圧力の発生する位置、または最小のクリアランス位置において薄い潤滑剤膜を押し込むという流体力学上の作用をある程度生じさせるということは、既に知られている。しかしながら、ここで述べた荷重応答ベアリングの幾何学的形状についての実施例によって、最小膜厚さを著しく増加させ、その結果摩擦係数を減少させ、ジャーナル・ベアリングの性能を増強することになる。
【００５２】
図３は、ベアリングの動的表面２２が、ジャーナルベアリング４の内径側にあり、一般的なシリンダ内面を形成するベアリングの発明に係る実施例を示したものである。動的表面２２は、動的表面２２とほぼ平行で、一般的なシリンダ外面を形成する第１の表面２０に対して対になる。同様に、静止表面３２はベアリングの外側にあり、これと対になる第２の表面３０とほぼ平行である。また、第２の表面３０は、一般的にシリンダ内面を形成する。挿入を容易にし、動的表面２２の望ましくない変形を生じることなく、熱膨張差を吸収するような十分な空間を保証するため、ジャーナル・ベアリングの内径および外径の両方の位置において小さなクリアランスが必要になる。ラジアル荷重と相対的な回転速度Ｖの下で、第１の表面２０と第２の表面３０の間において、ジャーナル・ベアリング４の動的表面２２は、第１の表面２０と動的表面２２の間にコンバージングなギャップを形成するため変形する。そして、本発明のスラスト・ベアリングの実施例に関して図２から２Ｄにおいて述べたのと同様な方法で、このことを図３に誇張したスケールで示している。流体力学上の挙動によって、ジャーナル・ベアリングの最大荷重を伝達する位置におけるベアリングのセグメントに沿って厚さがｈ１からｈｏに変化する潤滑膜を押し込むことになる。より厚い潤滑剤の膜は摩擦を減少させ、ベアリングの性能を強化する。そして従来の平坦なスリーブ状のジャーナル・ベアリングに比べ、より低温での運転を可能にし、より高荷重、高速度の組み合わせ条件に対しても耐え得るものとなる。
【００５３】
図４は、ベアリングの動的表面２２が外径側にあり、それが一般にシリンダ外面を形成するようなジャーナル・ベアリングの実施例を示す。動的表面２２は第１の表面２０に対して対になる。静止表面３２は第２の表面３０に対して対になり、それは一般にはシリンダ内側を形成することになる。相対的な回転Ｖ、と第１の表面２０と第２の表面３０間に作用する荷重Ｆは、図３において説明したものと同様な方法で、流体力学上の潤滑作用を起こす。
【００５４】
図５〜１７は、相対的な回転運動をする要素間において、スラスト・ベアリング又はジャーナル・ベアリングとして組み込むことができる本発明に係る特定の特徴的部分に関して、その多数のバリエーションを示す。図５〜１７において述べる特徴的な幾何学的形状はスラスト・ベアリングの実施例について示したものである。しかしながら図３および４は、スラスト・ベアリングに関して前に述べた本発明の幾何学的特長部分を、ジャーナル・ベアリングにおいてどのように実施することができるかについて例示したものであり、図５〜１７に示す特徴的部分についてもそれ自体スラスト・ベアリングと同様ジャーナル・ベアリングにおいても使用することができる。
【００５５】
図５と５Ａは、第１のビーム状部分３８が部分的に弱めた幾何学的形状４４に結びつくテーパー状部分３８Ａを組み入れた反復連続するセグメントの詳細を示したものである。テーパをつけた目的は、最大膜厚位置から膜厚を徐々に小さくしていくために、荷重が負荷された状態の下で、動的表面２２の変形の大きさと、変形した形状をコントロールすることであり、典型的には部分的に弱めた幾何学的形状４４の近傍である柔軟な関節部分５０から第１のヒンジ４０にかけて膜厚が徐々に小さくなる。たとえ図示されていないとしても、図２Ｄに関連して述べたように、流体潤滑膜の厚さが徐々に増加していく部分において、動的表面２２の変形の大きさおよび形状をコントロールするために第２のビーム状部分３９も、第２のヒンジ４２から部分的に弱めた幾何学的形状４４にかけてテーパーのついた幾何学的形状とすることができる。
【００５６】
図６と６Ａは、部分的に弱めた幾何学的形状４４の別の実施例を示したものであり、ベアリングの動的表面２２上に窪みを形成したものである。図６と６Ａは、スロット又は溝状の形状を有する窪みであるが、本発明の精神および範囲からはずれることなく、他の適切な形状とするこができる。窪みは、潤滑剤を強制的に供給するための流体圧力に依存することなく、潤滑剤をより効率的に、そして直接的にベアリングの動的表面の柔軟な関節部分５０の近傍に供給することを可能にする。従って、低い周辺圧力、例えば大気圧条件、とすることにより、アプリケーションに対応した適切な形態とすることができる。窪みを持つ形式による部分的に弱めた幾何学的形状４４の存在は、動的表面２２の接触面積を減少させ、そして与えられた荷重に対して動的表面２２における平均接触圧力を増加させることになる。しかしながら、窪みの数が少なくその幾何学的形状が小さい場合、接触圧力の増加の程度は比較的小さい。窪みを動的表面２２に組み入れる場合は常に、窪みと動的表面２２の間のエッジ部は潤滑剤膜の乱れを最小限にするために円弧か面取りによってエッジ処理すべきである。
【００５７】
図７は、部分的に弱めた幾何学的形状４４をベアリングの全幅にわたって設ける必要がないことを示したものである。そのような部分的に弱めた幾何学的形状４４は、ベアリング幅の一部に設けることができ、その場合であっても柔軟な関節部分５０の持つ目的を達成することができ、そして潤滑剤を動的表面２２に供給することができる。
【００５８】
図８と８Ａは、第１のビーム状部分３８が、部分的に弱めた幾何学的形状４４に結びつくテーパー状の幾何学的形状を持つものであり、図６又は７の例外的な実施例を示すものである。
【００５９】
図９と９Ａは、ベアリングの可撓性領域３７を定義づけるアンダカット領域３４が、第２のヒンジ４２から部分的に弱めた幾何学的形状４４を通って第１のビーム状部分３８に至るまでの間を角度をつけた形状にすることができることを示したものである。この実施例における第２のビーム状部分３９の厚さは、第２のヒンジ４２から部分的に弱めた幾何学的形状４４にかけて増加するものとなっている。
【００６０】
図１０と１０Ａは追加した溝またはスロットを示す。第１のヒンジ溝５２と第２のヒンジ溝５４は、大きな設計自由度を与え、負荷された荷重の下で、好ましい変形形状を得るために変える必要がある幾何学的パラメータを、第１のヒンジ４０と第２のヒンジ４２の柔軟性をコントロールすることにより、独立して制御できるようにするものである。これらの溝は、ヒンジの厚さをコントロールすることになるため、第１のヒンジ４０と第２のヒンジ４２において、より明確なヒンジとして作用を発揮させることになる。これらの位置における、より明確なヒンジとしての作用により以下のことが可能となる。すなわち荷重が負荷された状態でベアリングの動的表面２２が、第１のビーム状部分３８と第２のビーム状部分３９に相当する部分において、動的表面２２と対になる第１の表面２０（図示せず）との間でコンバージングなテーパーとダイバージングなテーパーを持つように変形することである。しかし、動的表面２２は、第２のビーム状部分３９の全長にわたって平坦であるのと同様第１のビーム状部分３８の全長にわたってもほぼ平坦である。この実施例は、ベアリングの設計およびその性能面において大きな自由度を提供する。しかしながら、これはベアリング厚さの厚いものであることが要求される。また図１０および１０Ａは、部分的に弱めた幾何学的形状４４が、一般に相対する関係にある複数の窪みであり、柔軟な関節部分５０を定義するものであることを示している。
【００６１】
第１のヒンジ４０と第２のヒンジ４２における柔軟性をコントロールするため、第１のヒンジ溝５２と第２のヒンジ溝５４を使用することに対する代案として、柔軟な関節部分５０の柔軟性をコントロールするために部分的に弱めた幾何学的形状４４の実施例に対して適用できる種々の方法について議論したものと同様、穴や溝をパターン化して配備した別の方法もヒンジの柔軟性をコントロールするために使用される。
【００６２】
図１１から１４は、部分的に弱めた幾何学的形状４４が少なくとも貫通した複数の穴から構成される実施例について示したものである。そしてその貫通穴は第１のビーム状部分３８と第２のビーム状部分３９の間に柔軟な関節部分５０を提供するものであり、ベアリングの動的表面２２へ潤滑剤を供給する通路にもなる。前に述べた動的表面２２上の溝に相対する、穴の使用は、動的表面２２と対になっている第１の表面２０（図示せず）との間の動的インターフェース領域へ潤滑剤を供給を行う一方、荷重のかかったベアリング領域の損失を最小限にする。
【００６３】
図１１ー１１Ｃは、本発明の実施例における好適なスラスト・ベアリングの断面詳細図、平面図、および底面図を示したものである。そしてここでは部分的に弱めた幾何学的形状４４は、パターン化した複数の穴でできている。平面図である図１１は、ベアリング反復連続するセグメントに対して部分的に弱めた幾何学的形状４４を定義づける二つの穴の列による不連続部分をのぞいては、動的表面２２はほぼ平坦で不連続部分のないものであることを示している。穴の数は、第２のヒンジ４２側の列から第１のビーム状部分３８側の列へ移動するとき増加する。そのために穴の周辺に直接的に残った材料によって柔軟な関節部分５０が定義づけられる。この幾何学的形状の例では、第１の列に２個の穴が、そして第２のヒンジ４２から離れた第２の列には３個の穴ある。これによって、荷重が負荷された状態の下で動的表面２２の変形が徐々に大きくなる部分に、潤滑剤が供給されるようになる。これは、荷重が負荷された状態の下で動的表面２２の変形が徐々に小さくなる部分、すなわち第１のビーム状部分３８の全長にわたってであるが、に存在する動的表面の接触領域を最小化するという観点に立てば望ましいものである。
【００６４】
この実施例の中に示すその他の幾何学的な特徴のすべては、図２から２Ｄに関して述べたものと同様である。図１１−１１Ｃは、スラストベアリングを例示したものであるが、柔軟な関節部分を形成させるためにパターン化された穴によって部分的に弱めた幾何学的形状４４を形成するというコンセプトは、本発明の流体ジャーナル・ベアリングに対しても等しく適用できるということを認識することができる。
【００６５】
油田の回転するダイバータのような応用例では、スラスト・ベアリングは、極度に負荷の大きい条件下で回転し始めなければならない。そして、そのことによってスラスト・ベアリングとそれに対になる表面の早期の磨耗を生じさせることになる。これに関しては、スタート・アップ時にベアリングを潤滑する初期の流体静止膜を作り出し、回転運転中に膜厚を強化し、そして逆転回転する間でも膜厚さを改善するために、パターン化した穴を経由して、動的表面２２と第１の表面２０との間のインターフェースに加圧した油を循環させることによって解決することができる。
【００６６】
図１２と１２Ａは、部分的に弱めた幾何学的形状４４を形成する貫通穴を示したものである。アンダカット領域３４では、第２のヒンジ４２から穴４４を過ぎて第１のビーム状部分３８に至る柔軟部分において角度がつけられている。また図１２と１２Ａは、ベアリングの柔軟領域を定義するアンダカット領域３４は、第２のヒンジ４２から部分的に弱めた幾何学的形状４４を通って第１のビーム状部分３８に至るまで、角度がつけられていることを示している。この実施例において、第２のビーム状部分３９の厚さは第２のヒンジ４２から部分的に弱めた幾何学的形状４４にいたるまで増加する。
【００６７】
図１３と１３Ａは、窪み４４Ａと貫通穴４４Ｂの組み合わせにより形成された、より明確な部分的に弱めた幾何学的形状を示す。
【００６８】
図１４と１４Ａは、動的表面２２を横断する窪み４４Ａと貫通穴４４Ｂの組み合わせにより形成された、より明確な部分的に弱めた幾何学的形状を示す。
【００６９】
図１５および１５Ａは、本発明に係る別の実施例を示したものであり、そこでは部分的に弱めた幾何学的形状４４は一般に相対したＬ型形状の窪みによって作られており、Ｓ字型の第２のビーム状部分３９を定義するものである。第２のビーム状部分３９は、第２のヒンジ４２の位置において支持領域３６に接続されている。そして、第１のビーム状部分３８のインターフェース部分が柔軟な関節部分５０に接続されている。そのために前に述べた実施例の場合のように、初期荷重は第１のヒンジ４０にヒンジ固定された第１のビーム状部分３８を変形させ、第２のヒンジ４２にヒンジ固定された第２のビーム状部分３９も変形させる。そして、柔軟な関節部分５０において第１のビーム状部分３８と第２のビーム状部分３９の間を曲げ変形させる。そのために、第１のビーム状部分３８に沿った動的表面２２の部分は、第１の表面（図示せず）の相対的な回転に対応して、流体力学上の油膜を発生させるコンバージェントな形状を構成することになると考えられる。
【００７０】
図１６と１６Ａは、図１５と１５Ａにおいて示した実施例を多少変えた別の実施例を示すものである。ここで、第１のヒンジ溝５２はより明確なヒンジとしての挙動させるため、図１０と１０Ａとの関係において前に説明した方法により、第１のヒンジ４０の厚さと柔軟性をコントロールするものである。図１６は、第１のビーム状部分３８の下側が、第１のビーム状部分３８の剛性を増加させるための輪郭形状を有するものを示す。その結果、荷重に応答して変形する時、第１のビーム状部分３８は平坦な状態のままで湾曲しない形状を維持し、第１のビーム状部分３８と対になる第１の表面２０（図示せず）との間において、膜厚さが直線的に徐々に小さくなっていく。
【００７１】
図１７と１７Ａは、図１５と１５Ａにおいて開示した一般的な配置を改善したものを示し、動的表面２２のコンバージング面部分の領域を最大化するものであり、そのために、動的荷重の伝達能力を最大化する。部分的に弱めた幾何学的形状４４は相対するＬ字型の窪みによって形成されており、Ｕ字型の第２のビーム状部分３９を定義する。第２のビーム状部分３９は、第２のヒンジ４２の位置において支持領域３６に接続されており、柔軟な関節部分５０において第１のビーム状部分３８と接続する。前述した実施例の場合には、初期の荷重は第１のヒンジ４０の位置において、第１のビーム状部分３８を変形させ、第２のヒンジ４２の位置において第２のビーム状部分３９を変形させ、そして、柔軟な関節部分５０の位置において第１のビーム状部分３８と第２のビーム状部分３９との間に曲げを生じさせる。そのために、第１のビーム状部分３８に沿った動的表面２２の部分は、第１の表面２０（図示せず）との相対的な回転に対応して、流体力学上の油膜を発生させるコンバージェントな形状になるものと考えられる。
【００７２】
図１８はベアリングの摩擦係数と荷重の関係を表したグラフであり、本発明に係る荷重応答流体ベアリングのスラスト・ベアリングと、比較できるサイズの銀メッキしたベリリュウム銅製のスラスト・ブッシュであって、従来油田のロータリ・コーン・ロック・ビットに使用されているものとについて、その性能を広範囲な研究室レベルの試験によって比較したものである。ドリル・ビット・ベアリングの設計上の摩擦係数は、ドリル・ビット・グリースを使用している場合には典型的には約０．０２５であり、不安定な形で約０．０１５から約０．０３５までの範囲で変化する。
【００７３】
本発明の最適な流体力学上の実行領域においては、摩擦係数は典型的には０．００４から０．００６の範囲の中にあって極端にスムースである。したがって、従来のベアリングにおいて許容されている荷重よりも本質的に高い荷重レベルにおいてでも、従来技術に比べ約５倍まで性能向上している。グラフに示すように、低荷重領域では、摩擦係数は徐々に増加していき、典型的には０．００８またはそれ以上に達する。図１８のグラフで判るように、荷重が最適範囲を超えると、摩擦は急激に上昇し、そしてベアリングは焼きつく。しかしながら、焼き付き荷重は従来のドリル・ビット・スラスト・ベアリングであって従来サイズのものより相当に高い。本発明の柔軟領域における柔軟性に関する適切なサイジングを行うことによって、予測される運転条件を一括して、図１８のグラフに示す最適な流体力学上の性能ゾーンを調節することができる。
【００７４】
本発明の試験においては、従来技術よりはるかに低い摩擦係数が得られたことだけでなく、ベアリング温度が、同一試験条件において約１００°Ｆ低くなった。この温度の低下は、油田のロータリ・コーン・ドリル・ビットのような応用例においては特別に重要なものである。これには、エラストマ製のロータリ・シャフト・シール８（図１を参照）が、ベアリングにとって極めて有害な研磨剤を含んだ掘削流体の侵入を防止するために、ベアリングの近くに配置されている。シャフト３（図１参照）にも伝達されるベアリングの発生熱を低減することによって、ロータリ・シャフト・シール８はより低温で使用されることになり、これはロータリ・シャフト・シール８の寿命を延ばすことになる。その結果、研磨剤がベアリングへ侵入するのを防止することによってドリル・ビット自身の寿命も延長されることになる。
【００７５】
図１９−２１は、荷重応答弾性柔軟ベアリングの最適な流体力学上の性能ゾーンを荷重条件の広い範囲にわたって広げる本発明の実施例を示す。
【００７６】
図１９は、２つのスラスト・ベアリング６と６Ａ、第１の機械要素５８、第２の機械要素６０、を使ったベアリング・アセンブリを示す。そして第２の機械要素６０は前記第１の機械要素５８および荷重伝達リング６２との間にそれぞれ相対的な回転を伴っている。スラスト・ベアリング６は第１の機械要素５８に対しては静止した状態でとどまっている。そしてスラスト・ベアリング６Ａは第２の機械要素６０に対しては静止した状態でとどまっている。２つのスラスト・ベアリング６および６Ａは、ベアリング間の設計上の違いから、明らかに最適な耐荷重性能が異なっている。すなわち、スラスト・ベアリング６Ａの第１のビーム状部分３８Ａのビーム板厚Ｔ１は、スラスト・ベアリング６の第１のビーム状部分３８のビーム板厚Ｔ１に比べると厚くなっている。このことは、スラスト・ベアリング６Ａは、スラスト・ベアリング６に比べて、より高い荷重条件下で最適な潤滑および摩擦係数が得られるようになっている。したがって、スラスト・ベアリング６の最適な流体力学上の性能ゾーン内の低荷重領域においては、スラスト・ベアリング６とそれと対になった荷重伝達リング６２の面との間のインターフェースにおいて、相対的な回転が生じ、また、スラスト・ベアリング６の最適な性能ゾーンを越える大荷重領域であって、スラスト・ベアリング６Ａの最適な流体力学上の性能ゾーン内にある場合には、相対的な回転はスラスト・ベアリング６Ａとそれと対になった荷重伝達リング６２の面との間のインターフェースに移行する。
【００７７】
もし２つのスラスト・ベアリング６と６Ａの位置を単に図示された位置から交換しても図１９に示すベアリング配列は等しく有効であるということを認識することができる。さらに、スラスト・ベアリング６と６Ａの最適な耐荷重性能を変える特定の方法として、例えば第１のビーム状部分３８と３８Ａの厚さを変えるという方法が示されたが、本発明の精神および範囲から離れることなくその他の方法も使用できることについても認識できる。例えば、第１のビーム状部分３８と３８Ａの長さを変えたり、ここで述べた流体力学上の作用に影響を及ぼす他の特徴的部分の大きさを変えたり、スラスト・ベアリング６Ａとは弾性率の異なった材料をスラスト・ベアリング６に使用する等の方法である。
【００７８】
図２０は、機械要素１２０と機械要素２２０の間にはさまれたスラスト・ベアリング１０６を示す。そして前記機械要素１２０および機械要素２２０はそれぞれ互いに相対的に回転する。スラスト・ベアリング１０６は、面する機械要素１２０に対して動的表面１２２を定義し、面する機械要素２２０に対して、一般に動的表面１２２と相対する関係を持つ動的表面２２２を定義する。スラスト・ベアリング１０６は、２つの相対する動的表面１２２と２２２が弾性的変形を起こし、そしてそれぞれ対になった面のインターフェースにおいて流体力学上の作用を生じるさせる。スラスト・ベアリング１０６の動的表面１２２と動的表面２２２は、それぞれの支持構造における設計上の違いによって支配されるので、異なった最適の耐荷能力を有している。例えば、動的表面１２２を支持する第１のビーム状部分１３８の板厚Ｔ１に比較して、動的表面２２２を支持する第１のビーム状部分２３８の板厚Ｔ２は、厚くなっているからである。このことによって、動的表面２２２は動的表面１２２に比べてより高い荷重において最適な潤滑および摩擦係数が得られるように適合させられている。したがって、動的表面１２２の最適な流体力学上の実行ゾーン内での低荷重領域においては、動的表面１２２とそれに対応する機械要素１２０の表面間のインターフェースにおいて、相対的な回転が生じる。そして、動的表面１２２の最適な実行ゾーンを超えるより大きい荷重領域であって、動的表面２２２の最適な流体力学上の実行ゾーン内にある場合には、相対的な回転は動的表面２２２とそれに対応する機械要素１２０の表面間のインターフェースに移転する。そのようなベアリング・アセンブリは、非常に広い荷重範囲にわたって、低い摩擦係数を持つことになる。この実施例では、第１のビーム状部分１３８は支持領域１３６に接続され、また、第１のビーム状部分２３８は支持領域２３６に接続される。また、静止表面３２は、支持領域１３６と支持領域２３６の間で同質的に接続される。
【００７９】
さらに、動的表面１２２と２２２の最適な耐荷能力を変える特定方法として、例えば、第１のビーム状部分１３８と２３８の板厚を変えることが示されているが、これは発明を何れかの方法に限定することを意図するものではなく、本発明の精神および範囲から外れない限り、他の等価な効果を有する方法も使用することができるということを認識できる。例えば、第１のビーム状部分１３８および２３８の長さを変えることや、ここで述べた流体力学上の作用に影響を与えるその他の特徴的部分の大きさを変えることなどの方法がある。ここで説明しかつ示した荷重応答弾性柔軟ベアリングの全てのバリエーションに関する実施例に対し、与えられたベアリング内において、個々の反復連続するセグメントの流体力学上の性能を変えることが可能であることについても認識することができる。
【００８０】
図２１は、すきまばめを用いた、機械要素１２０と機械要素２２０の間にはさまれたジャーナル・ベアリング１０４を示す。前記機械要素１２０および機械要素２２０は、それぞれ互いに相対的に回転する。ジャーナル・ベアリング１０４は、機械要素１２０に面する表面を動的表面１２２と定義し、機械要素２２０に面し、動的表面１２２に一般に相対する表面を動的表面２２２と定義する。オプションによって決定されるような異なった最適な耐荷能力を持つジャーナル・ベアリング１０４の動的表面１２２および動的表面２２２は、図１９および２０との関係において上で述べた。例えば、動的表面１２２を支持する第１のビーム状部分１３８の板厚Ｔ１に比べ、動的表面２２２を支持する第１のビーム状部分２３８の板厚Ｔ２の厚さが厚い場合である。このことは、動的表面２２２は動的表面１２２に比べより高い荷重下において最適な潤滑と摩擦係数を提供することになる。したがって、動的表面１２２の最適な流体力学上の実行ゾーン内での低荷重領域では、動的表面１２２とそれに対となる機械要素１２０の表面間のインターフェースにおいて、相対的な回転が生じる。そして、動的表面１２２の最適な実行ゾーンを超えるより大きい荷重領域であって、動的表面２２２の最適な流体力学上の実行ゾーン内にある場合には、相対的な回転は動的表面２２２とそれに対となる機械要素１２０の表面間のインターフェースに移転する。
【００８１】
ここで、図２−２Ｄを参照すると、スラスト・ベアリング６の可撓領域３７は、互いにほぼ平行な第１のアンダカット側面４１および第２のアンダカット側面４３を持つアンダカット領域３４によって作られている。そして、第１のビーム状部分３８の軸方向厚さはベアリングの半径幅全体にわたって一定である。支持領域３６は周方向平均長さＢ０をもち、第１のビーム状部分３８は周方向平均ビーム長さＢ１を持つ。最適な流体圧力まで圧力を発達させるためには、Ｂ１／Ｂ０比が約２．５に等しくなることが求められる。しかしながら、互いにほぼ平行な第１のアンダカット側面４１および第２のアンダカット側面４３を持つベアリングでは、この最適な比は動的表面２２の平均径の中心においてのみ達成される。第１のビーム状部分３８の軸方向の厚さがベアリングの半径方向幅全体にわたって一定であるので、第１のアンダカット側面４１および第２のアンダカット側面４３は、第１のビーム状部分３８が内径側の端面部分で過度に剛とならないように互いにほぼ平行となっている。この種の幾何学的形状で、動的表面２２の変形の均一性は半径方向幅全体にわたって確保される。
【００８２】
図２２−２２Ｅは、最大の油膜厚さと荷重伝達能力を提供する多くの最適化された、テーパに特徴があるスラスト・ベアリング６を示す。アンダーカット領域３４の第１のアンダカット側面４１および第２のアンダカット側面４３は、半径方向の方向性をもって形成されている。Ｂ１／Ｂ０の比が全ての半径方向位置においてより効率的になるようにセットできる。そして、もし必要なら流体力学上の最適比２．５にほぼ等しくセットすることができる。第１のビーム状部分３８の軸方向の厚さはベアリングの中心の方に向かって徐々に薄くなるように、ベアリングの半径方向に沿って変化する。このように、第１のアンダカット側面４１および第２のアンダカット側面４３が、ほぼ半径方向の方向性をもっている、すなわちビームの周方向長さＢ１がベアリング中心に向かって短くなるにもかかわらず、第１のビーム状部分３８の柔軟性はベアリングの半径方向幅全体にわたって均一にできる。同様に、第２のビーム状部分３９の軸方向の厚さは、好ましくはベアリングの中心の方に向って徐々に薄くなるように、ベアリングの半径方向幅に沿って変化する。このように、第２のビーム状部分３９の柔軟性はベアリングの半径方向幅全体にわたって一定にできる。同様に、柔軟な関節部分５０の軸方向厚さは、好ましくはベアリングの中心の方に向って徐々に薄くなるように、ベアリングの半径方向幅に沿って変化する。このように、柔軟な関節部分５０の柔軟性はベアリングの半径方向幅全体にわたって一定にできる。前の図に関連して述べた他のスラスト・ベアリングの実施例においても、油膜厚さと、荷重伝達能力を増大させるためにこれらと同じ最適化アプローチを使うことができるということについて認識できる。図２２−２２Ｄのスラスト・ベアリングに関連して述べたＢ１／Ｂ０の最適比は、本発明のジャーナル・ベアリングの実施例に対しても適用できるということについても認識できる。
【００８３】
図２２−２２Ｄに示したスラスト・ベアリングは、例えば図２−２Ｃに示すベアリングの反対の回転方向に対して図示されていることに注意を要する。
【００８４】
どんな応用に対しても、前に述べたように、ベアリングが逆回転させられた時、本発明のベアリングは流体力学的潤滑をある程度提供することになるが、ベアリングが使用される位置によって要求される特定の回転方向に対してベアリングを設計すべきである。ドリル・ビット用のスラスト・ベアリングの設計の場合には、例えば、ベアリングの回転方向を決定するとき、ベアリングの動的表面がコーンまたはシャフトのいずれに面することが望ましいかどうかについて考えなければならない。
【００８５】
前にも述べたことだか、本発明は上述した中で明らかにした全ての目的および特徴を得るために、またここで開示した装置にとって本来的なその他の目的および特徴とを一緒にして得るために良く適合させたものであることは明らかである。
【００８６】
本技術に熟練している人々にとっては明らかに容易であるように、本発明は、発明の精神およびその範囲から離れることなく他の特定の形態で容易に作り出すことができる。したがって、本実施例は単に例証となるものであり、限定的なものではないということについて考慮すべきである。本発明の範囲は、前述した説明よりもクレームにおいて示されているが、クレームと等価な手段および範囲内にある全ての変更は、したがってその中に含まれることを意味する。
【図面の簡単な説明】
添付した図面に示された好適な実施例を参照することによって、本発明について上で言及した特徴点、利点および目的に到達し、前に簡潔に要約した発明の更に詳細な説明を理解することができる。そのような図面は、本明細書の一部として組み込まれている。
しかしながら、添付した図面は本発明の典型的な実施例のみを示したものであり、したがって、その範囲に限定して考えるべきではないことに注意が必要である。本発明は、他の等価な効果を有する実施例によっても本発明を実施できるからである。
【図１】
図１は、ロータリ・コーン型のドリル・ビットにおけるロータリ・コーン・アセンブリを示す断面図である。この図は本発明の原理を具体化した荷重応答流体ラジアル・ベアリングと荷重応答流体スラスト・ベアリングの各々を示している。
【図２】
図２は図１の荷重応答流体スラスト・ベアリングの平面図である。
図２Ａは図１および図２に示す荷重応答流体スラスト・ベアリングの断面図であり、図２の線分２Ａ−２Ａに沿った部分である。
図２Ｂは図１および図２に示す荷重応答流体スラスト・ベアリングの断面図であり、図２の線分２Ｂ−２Ｂに沿った部分である。
図２Ｃは図１および図２，２Ａ，２Ｂに示す荷重応答流体スラスト・ベアリングの底面図である。
図２Ｄは、本発明に係る荷重応答流体ベアリングの連続反復するセグメントの一つが、荷重で変形した状態を示す図解的な説明図である。運転中の荷重と相対回転速度の結果生じる流体圧力分布と、ベアリング・セグメントの荷重による変形状態を、本発明のコンセプトの理解を容易にすることを図るために誇張して示している。
【図３】
図３は、荷重応答流体ジャーナルまたはラジアル・ベアリングの連続反復するセグメントの内の一つについて、荷重による変形状態を示した図解的な説明図である。この場合には、シャフト表面のような円筒面の外面において荷重応答流体潤滑を形成するため、ベアリングの内側面に動的表面を有している。
【図４】
図４は、荷重応答流体ジャーナルまたはラジアル・ベアリングの連続反復するセグメントの内の一つについて、荷重による変形状態を示した図解的な説明図である。この場合、ハウジングやシャフトの内側面のような円筒面の内面に荷重応答流体潤滑を形成するため、一般的な円筒ジャーナル・ベアリングの外側面に動的表面を有している。
【図５】
図５は、ほぼ平坦な動的表面を有する荷重応答流体スラスト・ベアリングの断片的な平面図である。
図５Ａは、図５の線分５Ａ−５Ａに沿った部分の断面図であり、ヒンジ結合したビームと中間的に弱めた部分または関節部分を定義づけるベアリング底面の幾何学的形状示す。そして中間的に弱めた部分または関節部分は、下側に向いた溝またはスロットで定義される。
【図６】
図６は荷重応答流体スラスト・ベアリングの断片的な平面図である。この場合、ほぼ上方に向いた溝によって分断された平坦な動的表面を持つ。
図６Ａは、図６の線分６Ａ−６Ａに沿った部分の断面図であり、ヒンジ結合したビームと中間的に弱めた部分または関節部分を定義づけるベアリング底面の幾何学的形状示す。そして中間的に弱めた部分または関節部分は、上方に向いた溝またはスロットと、ベアリングのその他のアンダーカット領域で定義づけられる。
【図７】
図７は荷重応答流体スラスト・ベアリングの断片的な平面図である。この場合、ほぼ上方に向いた溝によって分断された平坦な動的表面を持つ。そして、その溝は本質的に動的表面を横切って延びるが、スラスト・ベアリングの内側円弧のエッジとだけ交差するものである。
【図８】
図８は荷重応答流体スラスト・ベアリングの断片的な平面図である。この場合、本質的に図６にも示したような、上方に向いた溝によって分断された平坦な動的表面を持つ。
図８Ａは、図８の線分８Ａ−８Ａに沿った部分の断面図であり、テーパー状の形状を有するベアリング底面の幾何学的形状示す。 その形状はヒンジ結合されたビームの一つのコントロールされた柔軟性を定義すると共に、中間的に弱めた部分または関節部分の領域におけるほぼ平坦な幾何学的形状を定義する。そして中間的に弱めた部分または関節部分は、上方へ向いた溝またはスロットによって更に部分的に定義される。
【図９】
図９は荷重応答流体スラスト・ベアリングの断片的な平面図である。この場合、ほぼ上方に向いた溝によって分断された平坦な動的表面を持つ。
図９Ａは、図９の線分９Ａ−９Ａに沿った部分の断面図であり、スラスト・ベアリング底面の幾何学的形状示す。そして、テーパーのついた表面によってビームの柔軟性の制御を行うものであり、スラスト・ベアリングの第２のヒンジから部分的に弱めた部分にかけて、第２のビームの厚さを増加させている。
【図１０】
図１０は、図８と９で示したものと同じ幾何学的形状をした動的表面を有する荷重応答流体スラスト・ベアリングの断片的な平面図である。
図１０Ａは、図１０の線分１０Ａ−１０Ａに沿った部分の断面図であり、スラスト・ベアリングの底面の幾何学的形状を示す。ベアリングの弱めた関節部分を定義づけるために設けた上方に向いた溝と、共に設けられた下方に向いた底面側の溝とによってビームの柔軟性の制御を図るものである。また、ビーム・ヒンジの柔軟性を高め、そして荷重が作用する場合にベアリングの望ましい変形形状を得るために、変えることができる幾何学的パラメータを独立して制御できるようにするため、下方に向いた側面のスリットを設けている。
【図１１】
図１１は本発明の別の実施例の平面図を示したものである。これは、複数の戦略的に配置された貫通穴によって定義される弱めた領域を提供することによって荷重応答流体ベアリングの制御された柔軟性を達成するものである。又この穴は、ベアリングの動的表面に潤滑剤を供給するものでもある。
図１１Ａは、図１１の線分１１Ａ−１１Ａに沿った部分の断面図であり、図示された連続反復するベアリングの部分におけるビーム間の関節を提供するために部分的に弱めた部分に設けられた貫通穴位置を示す。
図１１Ｂは、図１１の線分１１Ｂ−１１Ｂに沿った部分の断面図であり、ベアリングの穴がない横断面を示す。
図１１Ｃは図１１に示す荷重応答流体ベアリングの底面図を示し、弱めるための穿孔とベアリングの支持領域およびビーム領域との関係を示したものである。
【図１２】
図１２は図１１−１１Ｃと同様、荷重応答流体スラスト・ベアリングの断片的な平面図である。これは、弱めることを制御するための穿孔を示すものであり、穿孔はベアリングの平坦な動的表面と交差する。
図１２Ａは、図１２の線分１２Ａ−１２ＡＢに沿った部分の断面図であり、ベアリングのヒンジ領域間の柔軟部分における、テーパーのついた下側表面によって部分的に定義されるベアリングのアンダーカット領域を示す。
【図１３】
図１３は、同様に荷重応答流体スラスト・ベアリングの断片的な平面図である。これは、関節を定義するために配置された、弱めることを制御するための穿孔を示すものであり、穿孔はベアリングの平坦な動的表面と交差する。
図１３Ａは、図１３の線分１３Ａ−１３Ａに沿った部分の断面図であり、より明白な部分的に弱めた部分を提供するために、弱めるための溝がベアリングの下面を横断する状態を示す。
【図１４】
図１４は、図１３と１３Ａに示したのと同様な、荷重応答流体スラスト・ベアリングの断片的な平面図である。これは、ベアリングの関節部分において明白な部分的に弱めた部分を設けるために、上方に向いた横断スロットと交差するいくつかの穿孔と、その他の穿孔を持っている。
図１４Ａは、図１４の線分１４Ａ−１４Ａに沿った部分の断面図であり、ベアリングのヒンジ領域間における柔軟部分のテーパーのついた下側表面によって部分的に定義されるベアリングのアンダーカット領域を示すものである。
【図１５】
図１５は、荷重応答流体スラスト・ベアリングの断片的な平面図である。これは、ベアリングの部分的に弱めた部分を定義するＳ字状の第２のビーム構造のスロットが横断する平坦な上面を有する。
図１５Ａは、図１５の線分１５Ａ−１５Ａに沿った部分の断面図であり、ベアリングのアンダーカット領域と関係するＳ字状または、渦巻き状の第２のビームの幾何学的な形状を示す。
【図１６】
図１６は、図１５−１５Ａの実施例と同様に、荷重応答流体スラスト・ベアリングの断片的な平面図である。
図１６Ａは、図１６の線分１６Ａ−１６Ａに沿った部分の断面図であり、ヒンジの柔軟性を高め、ビーム構造の制御された柔軟性のために、輪郭をとり、そして横断した溝を組み込んだベアリング下面領域のアンダーカットを示す。
【図１７】
図１７は、図１６−１６Ａに示した実施例と同様、荷重応答流体スラスト・ベアリングの断片的な平面図である。この場合ビームのヒンジでの異なった相互連結であるＳ字状あるいは渦巻き状の第２のビームの幾何学的形状を持っている。
【図１８】
図１８は、摩擦係数を荷重との関係でグラフに表したものであり、従来技術であるベアリングの焼き付き限界と本発明の原理を使用した荷重応答流体スラストおよびラジアル・ベアリングの焼き付き限界とを対比して示したものである。さらに本発明によって提供される最適な流体力学上の性能ゾーンが広い範囲を有していることも示している。
【図１９】
図１９は、本発明に係る一組の荷重応答流体ベアリングの部分的な断面図である。これは、荷重応答の異なった特性と異なった最適性能ゾーンを持ち、荷重と圧力条件の広い範囲にわたって使用できる例外的なベアリング性能を提供するものである。
【図２０】
図２０は単一の一体化したベアリング・ユニットである荷重応答流体ベアリングの部分的な断面図である。異なった荷重応答をもつ連続反復的なセグメントを有しているため、図１９の実施例と同様な広い範囲のベアリング性能を提供するものである。
【図２１】
図２１は、ジャーナル・ベアリングのようなラジアル・ベアリングの荷重応答流体ベアリングのコンセプトを示した部分的な断面図であり、図２０の実施例と本質的に同じく一体化したものであり、広い範囲のベアリング性能を提供するものである。
【図２２】
図２２は、本発明の原理を適用した荷重応答流体スラスト・ベアリングの平面図である。これは、荷重が負荷された状態において、ベアリングの制御された柔軟性が流体潤滑ベアリングの幾何学的形状を達成するようにするため、ベアリングの動的および静的表面において、半径方向に方向性を持たせた幾何学的特徴を有するものを示している。
図２２Ａは、図２２の線分２２Ａ−２２Ａに沿った部分の断面図である。
図２２Ｂは、図２２の線分２２Ｂ−２２Ｂに沿った部分の断面図であり、ベアリングの無負荷状態のものを示す。そして、半径方向スロットは平坦な動的表面を横断することを示している。また、ビーム間の部分的に弱められた関節部分を持ち、ヒンジ結合されたビームを定義するベアリングのアンダーカット領域の幾何学的形状を示したものである。
図２２Ｃは、図２２の線分２２Ｃ−２２Ｃに沿った部分の断面図である。
図２２Ｄは、図２２の線分２２Ｄ−２２Ｄに沿った部分の断面図であり、上方へ面し、半径方向に方向性を持たせたスロットを通る部分であり、さらにベアリングに設けたテーパ状の幾何学的形状を強調している。
そして図２２Ｅは、図２２の線分２２Ｅ−２２Ｅに沿った部分の断面図である。
【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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