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Système de palier, notamment pour outils pour le forage du sol, La présente invention concerne les systèmes de paliers, en particulier ceux dénommés habituellement "paliers lisses ou de tourillonnement". Bien que l'invention soit décrite ici dans son application aux outils pour le forage du sol, en particulier aux trépans à molettes rotatives roulant sur la roche, on comprendra que les systèmes de paliers suivant l'invention peuvent être utilisés dans d'autres machines rotatives, chaque fois que les avantages fournis par l'invention peuvent être exploités.
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le système de palier couramment utilité pour le montage des molettes de trépans sur les axes de portât cylindriques épaulés entendant vers le bas et vers l'intérieur à partir du corps du trépan comprend de façon presque universelle une combinaison de paliers à friction et anti-friction, ce dernier étant formé notamment par un jeu de rouleaux et par un jeu de billes disposés dans des guides ou chemins de roulement appareillés de la molette et de l'axe de portée afin d'absor- ber le poids de la charge radiale, bien que les billes résistent également aux charges de poussée orientées axiale ment par rapport à l'ensemble et servent en outre au verrouillage de la molette sur son axe.
Les paliers à friction de ces systèmes ou ensembles peuvent se présenter sous la forme d'un coussinet Introduit à force dans la molette et disposé de façon à prendre appui contre la portée inférieure la plus petite de l'axe, formant un axe-pilote, pour absorber la charge radiale, et d'un disque de butée engagé à force dans la partie interne de la molette afin de prendre appui contre l'extrémité externe non supportée de cet axe-pilote,
Ltépaulement ménagé entre l'axe-pilote et l'embase plus large de l'axe de portée sert également dans un grand nombre de cas de surface de butée et est souvent dénommé épaulement ou bride de butée.
Bien que ces systèmes de paliers donnent des résultats remarquables lors du forage dans la plupart des terrains, dans les conditions généralement rencontrées, ils présentent certains inconvénients. Ainsi, les guidas ou chemins de roulement des rouleaux cèdent parfois par fatigue avant que le système de coupe de certains trépans ne soit complètement émoussé, en particulier dans le cas des trépans utilisés pour le forage en terrains durs, qui comportent pour former le système de coupe des pastilles cylindriques en carbure de
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tungstène comprimé et qui ont été lancés sur le marché par la société HUGHES TOOL COMPANT sous la dénomination "HUCHESET".
Un second inconvénient, qui est 116 en particulier aux paliers de roulement, réside dans le fait que l'espace ménagé dans les chemins de roulement pour la réception des rouleaux ne peut être obtenu qu'en réduisant la quantité de métal formant l'axe de portée, l'épaisseur de l'enveloppe de la molette, ou ces deux paramètres, Cet inconvénient est à l'origine d'un grand nombre de tentatives faites pour supprimer les paliers à rouleaux et revenir aux paliers lisses qui étaient utilisés dans les premières années de l'industrie de fabrication d'outils pour le forage du sol, paliers qui ont été abandonnés en faveur du type composite mentionné ci-avant,
car ils ne pervaient pas être lubrifiés pendant un laps de temps suffisant pour avoir une durée de service égale à celle des systèmes de coupe utilisés vers la fin de la période préliminaire de développement de cette industrie.
En ce qui concerne le coussinet et le disque de butée (qui forment conjointement le -palier du nés du trépan') indiquée ci-avant, on ne rencontre que peu de difficultés tant que les trépans considérés sont utilisés avec les boues de forage employées presque exclusivement jusqu'à ces ders nières années.
Mais lors de l'utilisation d'air et d'autres gaz comme fluide de forage, les surfaces de portée* de certains coussinets fabriqués jusqu'ici commancent à s'user à des vitesses très élevées. Alorsque jusqu'ici la surface périphérique des coussinets s'usait asses lentement pour stabiliser l'ensemble, même s'il se produisait une usure considérablement plus importante dans les paliers anti-frietien, les deux types de paliers s'usent rapidement dans les fluides nouvellement utilisés, et la molette devient lache sur
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son axe, ce qui peut provoquer son inclinaison et son battement;
avec le temps, elle vient alors s'engager dans les molettes voisines, oe qui provoque un blocage de l'ensemble et d'autre perturbations lors du fonctionnement.
Au cours des essais précités ayant pour but de substituer un palier lisse aux rouleaux communément utilisés dans les trépans modernes pour le forage du sol, on a supposé habituelle- ment que chacune des surfaces coopérant par friction doit être formée par un seul matériau ayant une très grande dureté.
De même, on a supposé que chaque surface de portée travaillant à la friction, prévus sur le coussinet, l'axepilote et le disque de butée, doit être en un matériau unique extrêmement dur.
Les matériaux utilisés dans d'autres machines rotatives pour former des paliers lisses montrent par contre que, dans l'esprit des constructeurs, l'une au moins des surfaces tournant l'une par rapport à l'autre doit tre en un matériau unique plus tendre.
Etant donné que l'on ne trouve pas, dans la technique antérieure, de systèmes de paliers de tourillonnement conve- nables, le but principal de l'invention est de créer un tel système de palier de tourillonnement combinant les caractéristi- ques de résistance à l'usure et de résistance à la surchauffe et (ou) au grippage auxquels ces systèmes sont soumis,
Un autre but de 1* invention est de créer un système dans lequel deux éléments pouvant tourner l'un par rapport à l'autre sont disposés de telle sorte qu'une partie au moins de l'un de ces éléments soit tourillonnée par rapport à l'autre,
l'une au moins des surfaces ainsi conjuguées combinant des caractéristiques de résistance à l'abrasion et de résistance à la sur- chauffe et au grippait
Un autre but de l'invention est de créer un palier terminal ou -palier de nez" à friction utilisable entre l'axe de portée
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et la molette d'un trépan rotatif pour le forage du sol comportant, sur l'une au moins des surfaces tournant l'une par rapport à l'autre, des matériaux ayant des qualités de résistance élevée à l'usure et de bonne résistance à la surchauffe et au grippage.
Un autre but encore de l'invention est de créer un palier terminal de ce type dans lequel la surface cylindrique du coussinet qui est introduit à force dana la molette et qui tourne par rapport à la surface également cylindrique de l'axepilote est constituée par des matériaux tels que cette sur face résiste à la fois à l'usure et à la surchauffe et au grippage quand le trépan est utilisé avec une boue, de l'eau, de l'air ou d'autres fluides de forage.
L'invention a encore peur but de créer un système de palier de tourillonnement pour trépans rotatifs pour le forage du sol destiné à remplacer les paliers à rouleaux communément utilisés jusqu'ici pour le montage des molettes rotatives sur les axes de portée associés de ces trépans,'ce palier de tourillonnement ayant de bonnes caractéristiques de résistance à l'abrasion et de résistance à la surchauffe et au grippage.
En d'autres termes, l'un des buts de l'invention est de créer un trépan pour le forage du sol dans lequel les molettes rotatives sont montées sur des axes de portée par des paliers qui sont presque entièrement du type à friction, des paliers anti-friction n'étant utilisés que de façon éventuelle pour retenir les molettes sur les axes de portée, les surfaces de portée présentant à la fois une bonne résistance à l'usure et une bonne résistance à la surchauffe et au grippage.
D'autres buts et avantages encore de l'invention appa- raitront à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatifs et sur lesquels :-
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La fig: 1 ont une vue en élévation avec coupe partielle montrant un trépan à trois molettes comportant un* combinai- son classique de paliers à rouleaux, à billes et à surface lisse, ce trépan utilisant de l'air ou un gaz circulant dans ces paliers pour les lubrifier et les refroidir.
La fig. 2 est une vue en coupe verticale de l'un des trois bras du trépan à molettes représenté ci-avant, comportant exclusivement des paliers lisses, sauf en ce qui concerne un roulement & billes, ainsi qu'un système servant à lubrifier ces surfaces avec de l'huile ou de la graisse.
La fige 3 est une vue en perspective d'un coussinet qui est introduit à force dans la partie inférieure de la cavité formant portée d'une molette rotative, afin de constituer une surface de portée cylindrique. Comme montré, cette surface est fendue longitudinalement et est remplie avec un métal mou ou tendre, afin de présenter des zones en acier dur résistant à l'usure et des zones alternées en métal tendre anti-friction, ces zones coopérant avec la surface de portée opposée en fournissant des caractéristiques supérieures de résistance a l'usure.
La fig. 3A montre une rainure de forme hélicoïdale corres- pondant à une variante du mode de réalisation précédent.
La fig. 4 montre un autre mode de mise en oeuvre de l'invention résultant de l'application de métal anti-friction tendre dans des fentes ménagées dans la partie avant dure non rotative de l'axe de tourillonnement, communément dénommé axe- pilote,
La fig, 4A montre une application de l'invention selon laquelle les fentes sont usinées dans une couche d'alliage dur à base de cobalt ou de fer du type communément utilisé pour former les surfaces de portée et de tourillonnement des trépans pour le forage du sol.
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La fig. 5A montre une surface de portée cylindrique suivant l'invention prévue dans la cavité supérieure de la molette, cette surface remplaçant le palier à rouleaux qui est disposé habituellement dans cette zone.
Les fig. 5B, 50, 5D et 5E représentent d'autres fentes ou gorges prévues dans la surface de portée d'une manière analogue à celle visible sur la fig. 1, l'invention permettant d'utiliser n'importe quelle forme de dépression obtenue par usinage,
Les fig, 6A et 6B, montrent des variantes de réalisation de l'invention selon lesquelles on utilise des incrustations en métal anti-friction tendre dans l'axe fixe du trépan, dans la zone dans laquelle on dispose habituellement un palier à rouleaux dans les trépans de forage usuels.
La fig. 7 est une vue en demi-coupe prise en regardant dans la direction des flèches 7-7 sur la fig. 5A, montrant la disposition et la configuration des fentes remplies d'alliage.
La fig. 8 est une vue en coupe montrant les fentes, prise en regardant dans la direction des flèches 8-8 sur la fig. 6A.
La fige 9 montre les fentes remplies de métal suivant l'invention prévues dans la bride de butée qui coupe l'axe- pilote porté par l'arbre fixe. On a représenté également l'ex- trémité de l'axe-pilote, qui est munie d'une cavité remplie d'alliage durs classique de la série des "Stellites", comme cela est le cas habituellement pour les axes-pilotes des trépans de forage.
La fig. 10 montre un disque de butée qui est habituellement introduit à force et retenu dans la partie inférieure de la cavité de montage de la molette, comme visible sur la fig, 1, afin de venir coopérer avec l'extrémité de l'axe-pilote pour résister aux forces de poussées axiales. La surface de butée dure de ce disque présente une gorge remplie de métal tendre suivant l'invention.
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La fig, 11 est un graphique comparant le fonctionnement dans l'air de coussiuets du type représenté sur la fig. 3 et de coussinets normaux, c'est-à-dire comportant une surface de portée en acier allié trempé.
La fig. 12 est un graphique montrant les résultats d'essais obtenus avec des systèmes analogues, mais travaillant dans l'eau.
La fig. 13 est un graphique formé de rectangles allongea, montrant les résultats obtenus suivant l'invention pour différentes formes de fentes et l'effet du pourcentage d'ar- gent contenu dans les incrustations en métal tendre.
La fig, 14 est un graphique analogue montrant les résultats d'essais effectués sur une surface de touriUonne. ment fixe comme visible sur la fig. 4 lors d'un fonc- tionnement dans l'air et dans une boue de forage formée par une bouillie de bentonite et d'eau avec de la silice pulvérulente, d'une manière en soi bien connue pour le forage des puits de pétrole. lors de la description de l'invention, on se référera de façon répétée aux paliers montés dans les trépans pour le forage du sol tels que ceux représentés sur les fig. 1 et 3.
Ces sytèmes sont choisis à titre illustratif pour l'application de l'invention à cause des efforts importants et des conditions de travail auxquels ils sont soumis* et également à cause du succès remarquable de l'invention dans son application auxdits systèmes. Toutefois, l'invention n'y est pas limitée et est applicable à toutes les surfaces de portée.
Elle n'est pas limitée non plus à la terminologie particulière utilisée ici et couvre tous les équivalents agissant d'une façon analogue pour fournir un résultat similaire.
Les trépane pour le forage du sol tels que ceux repré. sentés sur la fig. 1 comportent, de façon usuelle, une queue uzinée 7, généralement conique et filetée (comme montré), qui
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relie le trépan à la colonne de tiges (non représentée).
Cette queue est prévue à l'extrémité supérieure du corps 8 du trépan, qui est généralement en acier à haute résistance.
Plusieurs bras 6¯ s'étendent vers le bas à partir du corps 8, et un axe de portée 9 s'étend vers l'intérieur et vers le bas à partir de chaque bras. Plusieurs surfaces de portée sont ménagées sur chaque axe 9 pour le montage d'une molette rotative 10. Chaque molette présente des dents en saillie 11, qui sont usinées sur sa surface externe ou qui sont introduites dans des trous prévus dans cette molette (non représentés), ces dents servant à entailler et à désagréger le fond du trou foré ou 'front de taille" lorsque les molettes tournent autour de l'axe longitudinal 12 du trépan.
Lors du forage de trous dans le sol, des forces élevées sont appliquées axialement au trépan par l'intermédiaire de la colonne de tiges et sont transmises nécessairement par les surfaces de portée des molettes 10 et de l'axe 9.
La durée de service du trépan est déterminée par la durée utile des dents 11 ou par la durée utile des surfaces de portée, selon celle qui est la plus courte. Par suite, la totalité de l'espace disponible est utilisée sur l'axe de portée 9 pour éviter qu'il ne s'use trop rapidement par rapport aux dents 11 de la molette, et on a montré d'une façon générale sur la fig. 1 comment le résultat désiré est obtenu.
La partie la plus profonde de la cavité de portée mena* gée dans la molette reçoit à force un disque ou une pastille de butée 14 en acier allié à haute résistance, qui coopère avec l'extrémité inférieure 15 de l'axe de portée 9 pour supporter cette extrémité en antagonisme à l'action des forces de poussée, c'est-à-dire des forces qui sont transmises entre la molette 10 et l'axe de portée 2. parallèlement à l'axe de rotation 13 de cette molette.
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La surface de portée cylindrique voisine 16 prévue sur la partie pilote 22 de l'axe de portée 2. coopère avec une surface appareillée 1 d'un coussinet ± ayant la forme générale représentée sur la fig. 3. Ce coussinet 1 est engagé à force dans une cavité de la molette, juste au-dessus du disque de butée 3,4.. et il tourne avec cette molette, de la même manière que ce disque de butée.
Le palier suivant est formé habituellement par un roulement à billes 17, qui comprend un chemin de roulement 21 ménagé dans la molette 10 et un chemin de roulement 21' ménagé dans l'axe de portée 9, ces chemins de roulement retenant des billes rotatives 21" ayant pour double rôle de supporter les poussées et les charges radiales et de retenir la molette sur l'axe de portée.
Enfin, le palier supérieur est habituellement formé par un roulement à rouleaux 18 comportant un chemin de roulement 18' ménagé dans la molette et un chemin de roulement conjugué 19 i 'nagé dans l'axe de portée, dans lesquels les rouleaux 20 sont assemblés.
Lorsque cela est possible, il est judicieux de lubrifier les surfaces de portée$ décrites ci-avant pour augmenter leurs durées de service. On parvient à ce résultat par deux procédés principaux, dont l'un est représenté sur la fig. 1, sur laquelle la référence 30 désigne un canal central ménagé dans le corps du trépan. Lorsque l'on utilise de l'air, un gaz ou un autre fluide compressible comme agent ou milieu de circulation, une partie de cet agent traverse ce canal, le trou foré 31, le canal en principe horizontal 32 et parvient dans le roulement à billes 17.
Une autre méthode est utilisée si l'on assure la circu- lation d'eau, de boue de forage ou d'autres fluides non com- pressibles, car il est généralement judicieux de réaliser
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l'étanchéité des paliers et de les lubrifier avec de l'huile ou de la graisse pour éviter la pénétration des agents de contamination qui sont contenus dans les fluides de forage.
On peut parvenir à se résultat en prévoyant un diaphragme flexible plié 33 logé dana une cavité 34 qui est ensuite remplie d'huile ou de graisse. Au fur et à Maure que le trépan pénètre dans le sol, la pression hydrostatique extra', par la colonne de fluide qui se trouve dans l'espace annulaire augmente, ce qui provoque le redressement de l'élément flexible 33. Ceci refoule l'huile ou la graisse à travers un perçage '-2. et le canal, en principe horizontal 32, jusque dans le roulement à billes 17. L'élément d'étanchéité 37 retient le lubrifiant dans le système.
Un problème qui se pose de façon répétée à propos de la série de surfaces de portée décrite ci-ayant est l'usure rapide du coussinet 1 et de l'axe-pilote 22 qui résulte indubita. blement du grippage aous l'effet de la chaleur résultant de la friction dans cette sone difficile à refroidir.
Afin de remédier & cet inconvénient, l'invention est appliquée au coussi. net de la manière montrée sur la fig. 3, sur laquelle la référence 1 désigne une surface de portée. On a désigné par la référence g, le métal anti-friction tendre qui est utilisé pour remplir des fentes usinées parallèlement à l'axe longi- tudinal du coussinet, et par la référence 3 les bandes ou plages alternées d'acier trempé séparant et supportant le métal tendre.
Si l'on ae reporte au système représenté sur la fig. 3, on peut considérer d'une façon générale que l'invention con- cerne une surface de portée présentant des sone. alternées en métal dur et en métal tendre. Le métal dur utilisé comme embase est constitué par de l'acier carburé ou cémenté, de l'acier allié, ou un autre alliage dur tels que ceux A base de
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fer ou de cobalt, Des gorges, des fentes ou d'autres dépressions profondes usinées sont ménagées dans la surface du métal de base dur, et un métal tendre ayant de bonnes caractéristiques s'opposant au grippage anti-fristion et d'autres caractéristiques de portée désirables est introduit dans ces dépressions.
En conséquence,, on obtient sur la surface de portée un système composite présentant des zones en métal dur ayant une résistance excellente à l'abrasion et dea sones en .étal tendre ayant d'excellentes caractéristiques s'opposant au grippage. L'utilisation de toutes usinées ou de dépressions permet de ménager un réservoir profond qui Maure une exposition permanente de couches additionnelles de métal ; tendre s'opposant au grippage. Ainsi, le système peut fonc- ' tionner même lorsqu'il s'est produit une usure importante, du fait que des zones alternées de métal dur et de métal mou ou tendre continuent d'être exposées pendant des laps de temps notables.
Le métal de base dur peut être de l'acier cémenté et traité thermiquement, ayant une profondeur de cémentation égale à 2,5 =.par exemple, et les gorges remplies de métal tendre peuvent avoir une profondeur analogue.
En conséquence, les zones alternées continuent d'être exposées tant que l'usure ne dépasse pas cette profondeur.
Il est remarquable de constater que la résistance du système est égale à celle d'une surface formée simplement par de l'acier carburé ou cémenté. Un technicien spécialisé dans ce domaine penserait que l'enlèvement de métal dur ayant une résistance élevée à la traction, au cisaillement et à la compression et le remplissage des fentes par du métal ten- dre pourrait réduire de façon importante la capacité de charge du système. Les essais qui seront décrits ci-après indiquent que ceci n'est pas le cas. Au contraire, la capacité de charge
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est suffisante pour permettre l'application de l'invention à des paliers de trépans pour le forage du sol qui sont soumis à l'effet de charges extrêmement grandes.
Il est également remarquable de constater que l'alliage tendre demeure dans les fentes usinées même s'il n'existe que peu ou pas de liaison entre ces incrustations en métal tendre et le métal de base dur. Une question qui s'est posée dans cette technique est le caractère désirable et la nécessité de réaliser une liaison correcte, mais l'invention montre que cet objectif difficile et coûteux à atteindre n'est pas primordiale Si l'on considère, à titre d'exemple, que les rainures ou gorges 2 remplies d'alliage prévues dans le palier représenté sur la fig. 3 ont une largeur allant de 1,6 à 2,4 mm, et r@e profondeur égale a 1,2 mm.
chacune, la liaison éventuellement prévue est limitée aux petites zones voisines de la jonction entre le métal dur et le métal tendre, Or le système fonctionne de façon remarquable même si la zone ou surface du métal ainsi fixé est très faible par rapport au volume total de l'incrustation en métal tendre. Par ailleurs, on a effectua des essaie sur des éprouvettes comportant des incrustations en alliage d'argent tendre introduites par des moyens mécanique dans la position voulue, sans aucune liaison. Les résultats obtenus ont été analogues à ceux fournis par des éprouvettes dans lesquelles une liaison était prévue.
On a représenté sur la fige 3 une variante d'usinage des rainures dans le métal de base dur formant le coussinet 5'.Comme montré, une entaille hélicoïdale est effectuée dans la surface 1!. du palier; cette entaille produit une rainure unique continue dans laquelle l'incrustation tendre 2' est introduite.
Le système fonctionne de façon satisfaisante' par rapport à celui représenté sur la fig. 3, ce qui indique que la forme particulière choisie pour la rainure profonde n'est
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pas trop critique, Dans ce cas, les plages 3' en métal de base ont une largeur égale à 1,6 mm et la largeur de la. fente est également de 1,6 mm,
L'invention est applicable à d'autres surfaces de portée, comme montré sur les fig. 5A à 5E, sur lesquelles on a représenté un palier lisse qui remplace le roulement à rouleaux usuel 18 visible sur la fig. 1. Sur les fig. 5A et 5D, les dépressions 23 et 23''' remplies de métal tendre sont usinées parallèlement 4 l'axe de rotation 13 de la molette (qui coïncide avec l'axe géométrique de l'axe de portée) en mena* géant des plages 25 et 25''' en métal de base.
Les dépressions 23l ot 23''' remplies de métal tendre se terminent avant d'atteindre l'extrémité de la surf ace de portée, afin de ménager des plages additionnelles Si et 24''' en métal de base aux extrémités des fentes, pour empêcher i'extrusion du métal tendre à partir des fentes. En outre, l'invention est applica- ble de façon évidente à des trépans pour le forage du sol composant des paliers qui sont entièrement du type à friction.
L'application a de tels systèmes est particulièrement avanta* Couse, étant donné qu'il suffit de prévoir un très petit nom- bre de fentes remplies par des incrustations. Par exemple, un essai décrit plus loin montre que quatre fentes (comme montré sur la fig, 5D) suffisent pour fournir des résultats remar- quables.
Sur la fig. 7, une vue en coupe à travers la molette représentée sur la fig. 5A montre plus en détail la manière selon laquelle les fentes sont usinées dans la surface de portée visible sur cette fige 5A, Ces fentes 23 ont une pro- fondeur de 1,6 mm, environ et une largeur de 1,6 mm, et elles sont séparées par des plages 25 ayant une largeur analogue.
On a représenté sur la fig. 10 un troisième système rotatif auquel l'invention est applicable, cette figure
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montrant une tente circulaire 27 ménagée dans le disque de butée 14* et renfermant une masse de métal tendre 28.
La fente est excentrique par rapport à la périphérie circulaire extérieure 29 du disque de butée, afin d'amener le métal tendre en contact avec une zone importante de l'extrémité
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inférieure 1,, de l'axe-pilote 22 lors de la rotation du disque jL±ï, avec la molette 10,
Dans toutes les applications qui précèdent, l'élément 'fixe présente de préférence une surface dure ayant de bonnes caractéristiques de résistance à l'usure et est,par exemple, en acier carburé ou cémenté ou en acier portant une couche externe d'alliage dur à base de fer ou de cobalt.
Le mode de réalisation représenté sur la fig, 3 et
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auquel on s'est référé pr:1nc:lpal "ent ci-avant est obtenu de la façon suivante:-
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On usine le coussinet % sensiblement a ses dimensions finales, mais en laissant une quantité suffisante de matière
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pour permettre une rectification après le traitement their- mique, pour obtenir le jeu approprié entre les surfaces de
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portée appareillées.
Le métal du coussinot correspond 4 la Borne 430 de l' .DIERICAI IRON STEEL IUSTITUTE (AISI)O et métal étant choisi en raison de sa faculté de trompe après carbura. tion et de sa propriété de conserver Da dureté w..1.1cr' la cha-:. leur résultant de la friction. On usine dans la surface de portée 1 visible sur la fig. 3 23 rainures longitudinales
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rectiligne. ayant une profondeur de 0,8 à 1,2 ça.et une largeur égale à 1,6 mm, ce qui ménage des plages \ ayant une largeur de 1,6 mm, et on soumet ensuite le coussinet à une
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cémentation sur une profondeur allant de 2,25 à 2,5 mm. avant qu'il ne soit soumis à des conditions de travail sévères.
Un
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alliage d'agent formé de 15% de manganèse et 85% d'argent est introduit dans les fentes en utilisant un processus de brasage normal. Les plages cémentées sont ensuite trempées à l'huile ou à l'air à des températures allant de 927 à 982 C, dans une atmosphère formée par un gaz naturel, 'afin d'obtenir une dureté Rockwell C égale à 65 environ. Le diamètre intérieur du coussinet est ensuite rectifié pour éliminer les dépôts, les corps étrangers et les déformations résultante du traitement thermique.
On obtient des améliorations remarquables de la durée de service de paliers lisses fabriqués suivant l'invention, comme cela est mis en évidence sur la fig. 11. Sur cette figure, sur laquelle on a porta en abscisses les temps en heures et en ordonnées l'usure en mm sur le diamètre du coussinet ou de l'arbre, on a indiqué des résultats d'essais au cours desquels on conjugue des coussinets du type repré- senté sur la fig, 3 (comportât des incrustations en métal tendre) .. des arbres normaux (ne comportant pas d'incrusta- tions en métal tendre), et également les résultats d'essais effectués en combinant des coussinets normaux (sans incrustations en métal tendre) avec des arbres normaux,
Tous ces systèmes sont essayés dans une position en principe horizontale, sous une charge verticale statique égale à 2.250 kg environ à 83 tours minute en utilisant de l'air comme agent de circulation, de refroidissement et de lubrification,
La référence 43 désigne une courbe montrant la progression de l'usure sur le diamètre d'un arbre normal (ne comportant pas d'incrustations en métal tendre) tournant dans un coussinet normal (sans incrustations en métal tendre) et la référence 44 désigne l'évolution de l'usure sur le diamètre du coussinet. L'arbre est en acier allié cémenté de type AISI 8 720 et a un diamètre égal à 22,85 mm;
la surface de cet
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arbre soumise à la charge statique porte une couche d'une épaisseur de 1,6 mm en alliage à surface dure à base de fer, ayant une dureté Rockwell C allant de 62 à 65. On fabrique le coussinet en acier AISI 430 carbur6, présentant une épaisseur de cémentation allant de 2,25 à 2,5 mm, cet acier étant trempé à l'air à partir d'une température de 982 C de manière à obtenir une dureté Rockwell C allant de 65 à 68.
Ces systèmes sont considérée comme des systèmes normaux au cours des essais en laboratoire, étant donné qu'ils sont identiques, au point de vue dimensions, matières et traitement métallurgique, à des axes-pilotes et à des coussi- nets de type couramment utilisé dans un grand nombre de paliers pour trépans servant au forage du sol.
Ainsi, les courbes 43 et 44 indiquent le degré d'usure sur le diamètre qui serait obtenu sur des surfaces de portée identiques utilisées dans un trépan lors d'un fonctionnement dans des conditions analogues à celles correspondant à l'essai,
La référence 45 désigne une courbe indiquant la performance d'un arbre normal (fabriqué de façon identique à celui de l'arbre dont l'usure est représentée par la courbe 43) lors d'un casai au cours duquel il est combiné à un coussinet renfermant des incrustations en métal tendre comme montré sur la fig. 3. Ce coussinet est fabriqué en acier allié AISI 430 et présente 23 fontes d'une largeur de 1,6 mm.et d'une profondeur égale à 1,2 mm, ménageant des plages en métal de base d'une largeur de 1,6 mm.
Il est cémenté sur une épaisseur allant de 2,25 à 2,5 mm.avant l'application d'un alliage tendre renfermant 50% d'argent, 15,5 de cuivre, 15,5% de zinc, 16% de cadmium et 3% de nickel.La courbe indique l'usure sur un diamètre de ce coussinet lorsqu'il coopère avec un arbre correspondant à la courbe ,, dans les mêmes conditions que celles qui sont utilisées quand on essaie les systèmes correspondant aux courbes 43 et 44.
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La référence 47 désigne une courbe indiquant la perfor- mance d'un arbre identique à ceux correspondant aux courbes 42. et lorsqu'on le soumet à un essai en combinaison avec un coussinet analogue à celui correspondant à la courbe 46, mais présentant des incrustations tendres renfermant 85% d'argent et 15% de manganèse. La courbe 48 montre l'usure du coussinet appareillé lors d'un essai effectué dans des condi- tions identiques a celles de l'autre essai illustré par la fig, 11.
Cette fig, 11 met donc en évidence les caractéristiques de résistance à l'usure supérieures obtenues lors de l'ap- plication de l'invention à des surfaces de portée quand on utilise de l'air comme agent de circulation. En comparant l'usure des trois systèmes après un temps de travail de
50 heures, on voit que l'usure diamétrale totale d'un système standard est égale à 3,55 mm. (1,40 + 2,15), tandis que l'usure totaledu système utilisant un alliage à 50% d'argent dans le coussinet n'est que de 1,09 mm, l'usure du système utilisant un alliage d'argent à 85% dans le coussinet étant 'gale 1. 0,78m.
Quand on utilise de l'eau comme agent de circulation, on obtient les résultats remarquables indiqués sur la fig. 12, les coordonnées étant les mêmes que précédemment. Dans ce cas, les courbes 49 et 50 indiquent respectivement la performance d'un arbre et d'un coussinet normaux (las matériaux et le traitement métallurgique sont identiques aux échantillons normaux dont la performance est illustrée sur la fig, 11) lors d'un essai effectué sous une charge de 2.50 kg à 83 tours/ minute. La courbe 51 indique la performance obtenue dans les mêmes conditions pour un coussinet fabriqué de façon identique à ceux décrits ci-avant mais présentant 23 rainures longitu- dinales remplies d'un alliage renfermant 85% d'argent et 15% de manganèse .
La référence 52 désigne une courbe indiquant la performance de l'arbre normal appareillé.
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En conséquence, les résultats représentés par la fig.
12 justifient l'application de l'invention à des paliers travaillant dans l'eau.
Etant donné que les résultats des essais représentés sur la fig, 11 indiquent qu'un alliage d'argent renfermant 85% d'argent donne des résultats supérieurs à un alliage renfermant seulement 50% d'argent, d'autres essais ont été effectués pour déterminer la relation entre la performance du palier et la teneur en argent. On a indiqué sur la fig. 13 les résultats de ces essais. Cette figure montre en outre l'effet résultant de la modification de la géométrie des dépressions obtenues par usinage. Tous les arbres sont de type normal et sont identiques à ceux décrits ci-avant, les coussinets étant eux-mêmes @ dentiques à ceux décrits précédemment, sauf en ce quiconcerne les variations intentionnelles des rainures usinées et les modifications de composition de l'alliage.
Tous les échantillons ont été essayés sous une charge statique correspondant à 2,700 kg à 83 tours/minutes, en utilisant de l'air comme agent de circulation. Pour simplifier la présentation des données, on a indiqué en ordonnées sur la fig. 13 la somme de l'usure diamétrale de l'arbre et de la moitié de l'usure diamétrale du coussinet, et on a porté en abscisses les indications des largeurs des rainures, exprimées en mm, ainsi que le pourcentage d'argent en poids dans l'alliage.
Les références 53 à 60 indiquent les résultats des essais effectués sur des échantillons identiques, sauf en ce qui concerne la composition des incrustations tendres. Le mode de présentation utilisé pour ces résultats est destiné à indiquer l'effet, sur la performance obtenue, des variatiens du pourcentage d'argent utilisé dans l'alliage d'argent.
De préférence, au cours de ces essais, tous les alliages
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devraient renfermer les mêmes éléments en combinaison avec de l'argent, la seule modification concernant le pourcentage d'argent dans chacun d'eux. Malheureusement, les alliages d'argent de ce type ne peuvent pas être obtenus aisément, Il a donc été nécessaire de soumettre aux essais les alliages pouvant être obtenus, et pour cette raison les éléments d'alliages qui ne sont pas formés par de l'argent sont différents. Ainsi, la référence 53 correspond à la performance d'un échantillon renfermant un alliage formé de 85% d'argent et de 15% de manganèse.
La composition qui correspond à l'échantillon représenté en 54 correspond à 58/60 % d'argent, 26/28% de cuivre, 11,13 % de zinc et , 1-2% d'étain. La référence 55 rorrespond à une composition renfermant 50 % d'argent, 15,5 % de cuivre, 15,5 % de sine$ 16 56 de cadmium et 3 % de nickel. Les références 56 et 57 correspondent à un alliage renfermant 31,5 % d'argent, 34 % de cuivre, 15,5 % de sine et 19 % de cadmium. La référence 50 correspond à un alliage renfermant 15 % d'argent, 80 % de cuivre et 5 % de phosphore. La référence 59 correspond à un alliage renfermant 7 % d'argent, 8 % d'étain et 85 % de cuivre.
La référence 60 correspond à une quantiténulle d'argent, les éléments du système ne comportant pas de rainures (c'est-à-dire que les arbres et les coussinets sont normaux).
Bien que les constituants des alliages qui ne sont pas formés par de l'argent soient différents des uns des autres, il demeure évident que, plus la teneur en argent est élevés plus la performance est intéressante.
Les modifications de la forme géométrique des fentes profondes remplie'! d'alliage ont une influence négligeable sur la performance de ces paliers, ce qui est en soi remarquable. La référence 53 indique les résultats obtenus quand on utilise 23 rainures d'une largeur de 1,6 mm,chacune,
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séparées par des plages en métal de base ayant une largeur égale à 1,6 mm, La référence 61 désigne un système comportant 17 rainures d'une largeur de 2,4 mm séparées par des plages ayant également 2,4 mm.
La référence 62 désigne un système comportant 11 rainures ayant une largeur de 3, 2 mm séparées par des plages ayant également 3,2 mm, La référence 63 désigne un système comportant 4 rainures d'une largeur de 2,4 mm écartées de 90 , les piages ayant environ 15 mm. delarge. La référence 64 désigne un système comportant une rainure hélicoïdale d'une largeur de 1,6 ma usinée selon un pas tel que l'on obtienne une rainure par cm. Toutes les rainures prévues dans les systèmes correspondant aux rectangles 53 et 61 à 64 ont une profondeur égale à 1,2 mm et contiennent un alliage tendre renfermant 85% d'argent et 15% de manganèse.
Ainsi, les résultats des essais n'indiquent qu'une faible différence de performance entre les coussinets ayant des rainures de formes différentes. Les fig. 5A, 5B, 5C, 5D et 5E illustrent plusieurs types possibles de dépressions obtenues par usinage qui peuvent être utilisées pour les paliers lisses principaux compte tenu des résultats obtenus.
Les références 56 et 57 désignent des rectangles indiquant les résultats d'essais qui montrent qu'une liaison entre l'alliage tendre et le métal de base n'est pas nécessaire. Les coussinets désignée par la référence 56 renferment un alliage tendre formé par 31,5 % d'argent, 34 % de cuivre, 15,5 % de sine et 19 % de cadmium, qui est introduit à l'état solide, à la température ambiante, dans des fentes d'une largeur de 1,6 mm. Le coussinet correspondant à la référence 57 renferme le même alliage, qui est lié au métal de base par rotation du système alors que l'alliage tendre est à l'état fondu, comme décrit plus loin.
On voit que le coussinet 56 renfermant l'alliage introduit mécaniquement soutient de façon satisfaisante la comparaison avec le coussinet 57.
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Des recherches ont montré que des coussinets suivant l'invention ne fonctionnent pas de façon exceptionnellement bonne quand le milieu ambiant renferme de grandes quantités d'agent de contamination abrasif. Il semble que les particules abrasives tendent à pénétrer dans les incrustations tendres, en créant ainsi une surface chargée d'abrasif qui use la zone de contact de la surface de portée immobile.
Pour tenter de transférer l'usure à la surface de contact plus grande (surface périphérique interne) de l'organe rotatif, on ménage, dans la surface fixe d'échantillons analogues au point de vue aspect à la partie en saillie du système repré- senté sur la fig. 4, des fentes remplies de métal tendre. Dans ces échantillons, l'élément rotatif est formé par un coussinet normal en acier AISI 430 tel que décrit précédemment.
Les arbres sont en acier AISI 8,720, traités thermiquement et durcis ou trempés en surface de la manière précédemment dé- crite, et ils présentent des incrustations tendres déposées dans des fentes longitudinales par brasage, ces incrustations étant formées par un alliage renfermant 85% d'argent et 15% de manganèse. La fig. 14 indique les résultats d'essais effectués sur des échantillons montés à rotation autour d'un arbre horizontal et soumis à l'effet d'une charge statique verticale de 2,700 kg, à une vitesse de rotation égale à
83 tours/minute.
On a porté en abscisses les temps en heures nécessaires pour que l'usure sur le diamètre atteigne 2,5 mm,
Les références 65 et 66 se rapportent respectivement aux résultats obtenus avec des arbres normaux (pas d'incrustations tendres) et avec des arbres comportant des incrustations en métal tendre au cours d'un essai effectué dans de l'air à titre d'agent de circulation. Les références 3 et 68 indiquent respectivement les résultats obtenus avec des arbres normaux et des arbres présentant des incrustations en métal tendre lors d'essais effectués dans un milieu de circulation formé par
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une boue de bentonite et de silice, qui est le fluide de circulation communément utilisé dans le tubage et le trou foré au cours du forage de puits de pétrole.
Cet agent ' renferme des agents de contamination qui pénètrent dans les paliers des trépans non étanches, ce qui pose ainsi en pratique un problème courant.
Comme indiqué par la référence 68 sur la fig. 4, l'invention fournit, lorsqu'elle est appliquée à la surface de portée fixe, une amélioration très nette dans le cas de l'utilisation d'un agent de circulation chargé d'agents de contamination, Quand on fait circuler de l'air à travers le palier, on obtient une amélioration très importante comme indiqué par la référence 66. Ainsi, l'application de l'invention à la surface de p@@tée fixe est prouvée, et les fig. 4, 4A, 6A et 6B illustrent quelques formes géométriques possibles utilisables pour les fentes.
Etant donné que l'invention peut s'appliquer avec succès à la fois aux surfaces de portésa rotatives et fixes, on effectue un essai pour déterminer la performance d'un palier dans lequel l'invention a été appliquée simultanément aux deux surfaces. La surface est formée par un coussinet renfermant un alliage formé de 85% d'argent et 15% de manganèse, appliqué dans des fentes d'une largeur de 1,6 mm, et d'une profondeur de 1,2 mm, séparées par des plages d'une largeur de 1,6 mm.
Le métal de base est formé par une couche de revêtement à base de fer durci en surface, recouvrant un arbre en acier AISI 8.720 traité thermiquement de la manière indiquée précédemment. Une rainure hélicoïdale d'une largeur de 1,6 =.environ est taillée dans le métal de base durci en surface, en formant une spire complète s'étendant sur 360 . Cet échantillon, essayé à l'air, s'use de la même manière que l'échantillon
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correspondant au rectangle 53 sur la fig. 13, ce qui indique que l'invention peut être appliquée simultanément à la surface rotative et*la surface fixe du palier.
Des essais ont été effectués avec des résultats satis- faisants pour déterminer la possibilité d'appliquer l'invention à des surfaces lubrifiées par de l'huile ou de la graisse, Les systèmes utilisés au cours de ces essais sont analogues à celui représenté sur la fig. 2 pour un trépan de forage du sol, la référence 36 désignant la surface de portée à laquelle l'invention est appliquée. Le système est rempli de lubrifiant et est rendu étanche à la partie arrière de la molette par un joint 37, qui est formé par un ressort métallique en forme de cuvette recouvert de manière élastique. On a fait travailler de tels trépans dans des conditions usuelles pour les trépans servant au forage du sol.
Les résultats obtenue indiquent que, tant que le joint 37 fonctionne de façon correc- te, les paliers lisse$ fournissent un fonctionnement comparable à celui obtenu dans les trépans comportant des roulements à rouleaux du type représenté sur la fige 1. Ainsi, les rouleaux peuvent être supprimés, et qui augmente la résistance et la simplicité des paliers des trépans. On soumet plusieurs types d'échantillons à des essais, y compris des types comportant des fentes remplies d'incrustations prévues dans les paliers principaux des molettes, d'une manière analogue à celle indiquée sur les fig. 5A, 5B et 5C.
On ne note que très peu de différence au point de vue per- formance, comme pour les essaie analogues effectués sur les paliers de ne* ou paliers terminaux décrits précédemment.
Toutefois, quand le joint 37 vient à se rompre, l'extrusion des incrustations cendres a partir des fentes des molettes rotatives est plus rapide que cela n'est désirable, probablement à cause des agents de contamination qui sont présents
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dans la boue de forage. Les essais de laboratoire décrite ci-avant montrent que l'application de l'invention à l'élément fixe( comme montré sur les fige 6A et 6B) permet de remédier à cet inconvénient. La référence 69 désigne les fentes remplies d'alliage tendre et la référence 70 les zones alternées en métal de base dur résistant à l'usure.
Un autre mode de mise en oeuvre de l'invention appliquée aux éléments fixes est représenté sur la fig. 4A, sur laquelle la référence 38 désigne l'arbre fixe, qui est équipé d'un palier lisse comportant des baguettes d'incrustation tendres 39 s'opposant au grippage, des plages en acier trempé 40 et une bande circonférentielle 40' en alliage dur, par exemple à base de fer ou de cobalt. Ce système est obtenu par application d'un alliage dur et usinage des rainures dans celui-ci et dans l'acier. Les incrustations tendres sont appliquées dans les fentes comme dans les autres systèmes, puis rectifiées. Etant donné que la bande d'alliage 40' est dure, des bandes alternées de métal dur et de métal tendre sur une même face sont obtenues, suivant 1*' invention.
Bien entendu, l'alliage tendre 39 peut être .introduit dans de l'acier trempé sans utiliser l'alliage dur 40',comme montré sur la fig. 4.
Une autre application encore de l'invention est repré- sentée sur la fig, 9, qui est une vue en perspective de l'axe-pilote, désigné par la référence 22'. Dans un tel système, il est usuel d'utiliser un métal dur en alliage à base de cobalt dénommé "Stellite", comme indiqué par la référence 41, pour résister aux poussées transmises par le disque de butée 14' visible sur la fig. 10. Une telle incrustation en métal tendre peut être utilisée dans cette zone du fait des résultats obtenus lors d'une application à d'autres surfaces de portée immobiles. Une autre surface utilisée parfois pour résister aux poussées est indiquée en
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41'. Elle est souvent dénommée bride de butée.
L'invention peut être utilisée pour cette surface par application d'incrustations en métal tendre 42 dans des fentes telles que celles représentées,
Comme indiqué précédemment, les résultats optima sont obtenus en utilisant une matière d'incrustation tendre renfermant un pourcentage élevé d'argent, ou bien de l'argent ' sans élément additionnel. L'argent pur se comporte à tous égards d'une façon analogue à celle d'un alliage renfermant 85% d'argent et 15% de manganèse, mais il est plus difficile à obtenir et plus coûteux. Toutefois, d'autres métaux disposés dans la partie inférieure de la série électromotrice peuvent être utilisés suivant l'invention, à condition qu'ils soient tendres et qu'ils présentent des caractéristiques anti-friction ou s'opposant au grippage.
On peut citer par exemple le plomb, l'étain, le cuivre, l'antimoine, le rhodium, le platine, le palladium, l'or, l'indium, le bismuth, le béryllium, le zinc, l'alliminium, etc, séparément ou en combinaison.
L'exemple de fabrication mentionné ci-avant indique que les incrustations tendres sont introduites dans les fentes de la surface de portée carburée par brasage, le système en métal de base dur étant ensuite trempé à l'huile ou à l'air à partir dune température de 927 à 940 C. Ce processus donne satisfaction si la matière formant les incrustations a une température de fusion supérieure à 927 C, comme l'argent ou un alliage formé de 85% d'argent et de15 % de manganèse.
Autrement, l'alliage fond pendant la trempe. Ce processus donne également satisfaction si l'alliage tendre a une température de fusion tellement basse qu'il puisse être déposé dans les fentes par fusion après durcissement du métal de base sans recuit de celui-ci. Le plom& et l'étain, par exemple, fondent respectivement à 3499 et 232 C, ces deux températures étant suffisamment faibles pour ne pas modifier la dureté du
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métal de base. Si les métaux choisis ne satisfont pas aux conditions précitées, le métal de base est ramolli, éventuellement à un degré tel qu'il perd sa résistance à l'usure et ses caractéristiques anti-abrasives.
En conséquence, un nouveau procédé a été créé pour remédier à cet inconvénient. Ce procédé consiste à introduire le métal tendre dans le coussinet carburé à l'état solide, sans serrage, et à rendre étanches les deux extrémités du système. Ce système est ensuite disposé dans un tour ou une autre machine capable d'assurer sa rotation autour de son axe longitudinal. Pendant la rotation de la pièce, habituellement à une vitesse variant entre 700 et 900 tours/ minute, cette pièce est chauffée à une température suffisante pour provoquer la fusion du métal rendre et à partir de la- quelle le métal dur peut être refroidi brusquement ou trempé.
La force centrifuge engendrée par la rotation refoule le métal en fusion dans les fentes, et un refroidissement ultérieur par un courant de fluide dirigé sur le système rotatif solidifie ce métal tendre et durcit le métal de base.
En outre, les incrustations tendres peuvent être introduites par des moyens mécaniques dans les fcntes usinées, ce qui correspond à une variante de mise en oeuvre de l'invention.
Ce processus est particulièrement avantageux dans le cas d'alliages à base de cadmium, étant donné que, lorsqu'il fond, cet élément émet des gaz ayant des effets nocifs cumulatifs sur les êtres humains, à cause de sa nature toxique. Des .résultats encourageants ne sont pas obtenus lors de l'utilisa- tion d'un alliage à base de cadmium, mais la possibilité d'emploi d'incrustations introduites mécaniquement est néanmoins prouvée. L'alliage d'argent, par exemple, peut être introduit mécaniquement dans les fentes en donnant des résultais intéressante, comme cela est indiqué par des résultats illustrés en sur la fig. 13.
Par suite, ce processus peut être utilisé
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cerne autre méthode d'application du métal tendre ai, pour une raison quelconque, l'une des deux méthodes précédentes n'est pas applicable.
Les avantages qui sont obtenus lors de la mise en oeuvre de l'invention décrite ci-avant apparaissent maintenant.
La combinaison, sur une surface de portée, de bandes alternées de métaux fournissant une surface composite ayant une résistance excellente à l'usure et à l'abrasion, ainsi que des caractéristiques anti-friction et s'opposant au grippage, est particulièrement importante.
En outre, l'utilisation d'incrustations en métal tendre ayant uns épaisseur considérable par rapport à l'épaisseur de la base en métal dur conserve le. avantages du matériau com- posite, même quand une usure très importante s'est produite.
Par ailleurs, le fait que les particules d'incrustations en métal tendre s'étalent sur la surface de portée pour fournir des résultats remarquables permet l'application du métal tendre sans exiger de liaison entre les métaux dur et tendre. Cette constatation permet ainsi l'utilisation de systèmes ne comportant qu'un nombre relativement faible de fentes remplies de métal tendre, de sorte que de petites quantités de métaux tendres coûteux sont seules nécessaires.
L'invention permet le remplacement des roulements à rouleaux ou à billes des systèmes tels que les systèmes de paliers pour trépans par des paliers lisses. Ceux-ci augmentent la résistance et la durée de service des trépans assemblés, en fournissant pour les paliers une durée de service qui est presque égale à celle du système de coupe.
Des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrit", dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention.
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Bearing system, in particular for tools for drilling the ground. The present invention relates to bearing systems, in particular those usually referred to as “plain or journal bearings”. Although the invention is described here in its application to tools for drilling soil, in particular to rotary knurled drill bits rolling on rock, it will be understood that the bearing systems according to the invention can be used in other machines. rotary, whenever the advantages provided by the invention can be exploited.
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the commonly used bearing system for mounting bit rolls on the shouldered cylindrical bearing pins extending down and inward from the bit body almost universally includes a combination of friction and anti-friction bearings , the latter being formed in particular by a set of rollers and by a set of balls arranged in guides or matching raceways of the wheel and of the bearing axis in order to absorb the weight of the radial load, although that the balls also resist thrust loads oriented axially relative to the assembly and also serve to lock the wheel on its axis.
The friction bearings of these systems or assemblies can be in the form of a bushing Force-introduced into the wheel and arranged so as to bear against the smaller lower bearing surface of the axis, forming a pilot axis, to absorb the radial load, and a stop disc forcibly engaged in the internal part of the wheel in order to bear against the unsupported external end of this pilot axis,
The shoulder formed between the pilot pin and the wider base of the bearing pin also serves in a large number of cases as a stop surface and is often referred to as a shoulder or a stop flange.
Although these bearing systems give remarkable results when drilling in most terrains, under the conditions generally encountered they have certain drawbacks. Thus, the guidas or raceways of the rollers sometimes give way through fatigue before the cutting system of certain bits is completely blunt, in particular in the case of bits used for drilling in hard ground, which have to form the system of cuts cylindrical carbide pellets
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compressed tungsten and which were launched on the market by the company HUGHES TOOL COMPANT under the name "HUCHESET".
A second drawback, which is 116 in particular with rolling bearings, resides in the fact that the space left in the raceways for receiving the rollers can only be obtained by reducing the quantity of metal forming the axis of the roller. reach, the thickness of the wheel casing, or both of these parameters.This drawback is at the origin of a large number of attempts to do away with the roller bearings and revert to the plain bearings that were used in the early years of the industry of manufacturing tools for ground drilling, bearings which have been abandoned in favor of the composite type mentioned above,
because they could not be lubricated for a sufficient period of time to have a service life equal to that of the cutting systems used towards the end of the preliminary period of development of this industry.
As regards the bearing and the thrust disc (which together form the -bearing of the born of the bit ') indicated above, only few difficulties are encountered as long as the bits considered are used with the drilling muds almost employed. exclusively up to the last few years.
However, when using air and other gases as a drilling fluid, the bearing surfaces * of some bearings manufactured heretofore start to wear at very high speeds. While hitherto the peripheral surface of the bearings has worn slowly enough to stabilize the assembly, even if there is considerably more wear in the anti-frieze bearings, both types of bearings wear out quickly in fluids. newly used, and the dial becomes loose on
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its axis, which can cause it to tilt and flutter;
over time, it then engages in the neighboring knobs, which causes blocking of the assembly and other disturbances during operation.
During the above-mentioned tests aimed at substituting a plain bearing for the rollers commonly used in modern drill bits for soil drilling, it has usually been assumed that each of the frictionally cooperating surfaces must be formed by a single material having a very high density. great hardness.
Likewise, it has been assumed that each friction-working bearing surface provided on the bearing, the pilot shaft and the thrust disk must be of a single extremely hard material.
The materials used in other rotary machines to form plain bearings show on the other hand that, in the minds of the manufacturers, at least one of the surfaces rotating with respect to one another must be made of a single, more tender.
Since suitable journal bearing systems have not been found in the prior art, the main object of the invention is to provide such a journal bearing system combining the characteristics of resistance to pressure. wear and resistance to overheating and / or seizure to which these systems are subjected,
Another object of the invention is to provide a system in which two elements capable of rotating with respect to each other are arranged such that at least part of one of these elements is journaled with respect to each other. the other,
at least one of the surfaces thus conjugated combining characteristics of abrasion resistance and resistance to overheating and seizing
Another object of the invention is to create a friction end bearing or nose-bearing which can be used between the bearing axis.
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and the wheel of a rotary drill bit for drilling the soil comprising, on at least one of the surfaces rotating relative to one another, materials having qualities of high wear resistance and good resistance overheating and seizing.
Yet another object of the invention is to create an end bearing of this type in which the cylindrical surface of the bearing which is introduced by force into the wheel and which rotates with respect to the also cylindrical surface of the pilot shaft is formed by Materials such as this face resist both wear and overheating and galling when the bit is used with mud, water, air or other drilling fluids.
Another object of the invention is to create a journal bearing system for rotary bits for soil drilling intended to replace the roller bearings commonly used heretofore for mounting the rotary knurls on the associated bearing axes of these bits. , 'this journal bearing having good characteristics of abrasion resistance and resistance to overheating and seizing.
In other words, one of the aims of the invention is to create a drill bit for soil drilling in which the rotary knurls are mounted on bearing pins by bearings which are almost entirely of the friction type, Anti-friction bearings are only used if necessary to retain the rollers on the bearing pins, the bearing surfaces having both good wear resistance and good resistance to overheating and seizing.
Still other aims and advantages of the invention will become apparent on reading the description which follows, given with reference to the appended drawings, given without limitation and in which: -
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Fig: 1 is an elevational view partially in section showing a three-wheel bit comprising a * classic combination of roller, ball and smooth surface bearings, this bit using air or gas circulating in these bearings to lubricate and cool them.
Fig. 2 is a vertical sectional view of one of the three arms of the knurled drill bit shown above, comprising only plain bearings, except with regard to a bearing & balls, as well as a system serving to lubricate these surfaces with oil or fat.
Fig 3 is a perspective view of a pad which is forced into the lower part of the cavity forming the bearing surface of a rotary wheel, in order to constitute a cylindrical bearing surface. As shown, this surface is slit longitudinally and is filled with a soft or soft metal, in order to present areas of wear resistant hard steel and alternating areas of anti-friction soft metal, these areas cooperating with the bearing surface. opposite by providing superior wear resistance characteristics.
Fig. 3A shows a groove of helical shape corresponding to a variant of the previous embodiment.
Fig. 4 shows another embodiment of the invention resulting from the application of soft anti-friction metal in slots made in the hard non-rotating front part of the journal axis, commonly referred to as the pilot axis,
FIG. 4A shows an application of the invention according to which the slots are machined in a layer of hard alloy based on cobalt or iron of the type commonly used to form the bearing and journal surfaces of the bits for drilling the ground.
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Fig. 5A shows a cylindrical bearing surface according to the invention provided in the upper cavity of the wheel, this surface replacing the roller bearing which is usually arranged in this zone.
Figs. 5B, 50, 5D and 5E show other slots or grooves provided in the bearing surface in a manner analogous to that shown in FIG. 1, the invention making it possible to use any form of depression obtained by machining,
FIGS, 6A and 6B, show alternative embodiments of the invention according to which soft anti-friction metal inlays are used in the fixed axis of the bit, in the zone in which a roller bearing is usually placed in the usual drill bits.
Fig. 7 is a half-sectional view taken looking in the direction of arrows 7-7 in FIG. 5A, showing the arrangement and configuration of the slots filled with alloy.
Fig. 8 is a sectional view showing the slits, taken looking in the direction of arrows 8-8 in FIG. 6A.
Fig. 9 shows the slots filled with metal according to the invention provided in the stop flange which intersects the pilot axis carried by the fixed shaft. Also shown is the end of the pilot shaft, which is provided with a cavity filled with conventional hard alloys of the "Stellites" series, as is usually the case for the pilot shafts of drill bits. drilling.
Fig. 10 shows a stop disc which is usually force-fed and retained in the lower part of the mounting cavity of the thumbwheel, as shown in fig, 1, in order to cooperate with the end of the pilot shaft to resist axial thrust forces. The hard abutment surface of this disc has a groove filled with soft metal according to the invention.
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Fig. 11 is a graph comparing the operation in air of cushions of the type shown in fig. 3 and normal bearings, that is to say comprising a bearing surface of hardened alloy steel.
Fig. 12 is a graph showing the results of tests obtained with similar systems, but working in water.
Fig. 13 is a graph formed of elongated rectangles, showing the results obtained according to the invention for different shapes of slits and the effect of the percentage of silver contained in the soft metal inlays.
Fig. 14 is a similar graph showing the results of tests carried out on a bearing surface. fixed as visible in fig. 4 when operated in air and in a drilling mud formed by a slurry of bentonite and water with powdered silica, in a manner well known per se for drilling oil wells. during the description of the invention, reference will be made repeatedly to the bearings mounted in the bits for drilling the ground such as those shown in FIGS. 1 and 3.
These systems are chosen by way of illustration for the application of the invention because of the significant stresses and the working conditions to which they are subjected * and also because of the remarkable success of the invention in its application to said systems. However, the invention is not limited thereto and is applicable to all bearing surfaces.
It is also not limited to the particular terminology used herein and covers all equivalents acting in an analogous fashion to provide a similar result.
Bits for soil drilling such as those shown. felt in fig. 1 include, in the usual way, an uzine tail 7, generally conical and threaded (as shown), which
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connects the bit to the column of rods (not shown).
This shank is provided at the upper end of the body 8 of the bit, which is generally made of high strength steel.
Several arms 6¯ extend downward from body 8, and a reach pin 9 extends inward and downward from each arm. Several bearing surfaces are provided on each axis 9 for mounting a rotary wheel 10. Each wheel has projecting teeth 11, which are machined on its outer surface or which are inserted into holes provided in this wheel (not shown ), these teeth serving to notch and break up the bottom of the drilled hole or 'cutting face' when the wheels rotate around the longitudinal axis 12 of the bit.
When drilling holes in the ground, high forces are applied axially to the bit through the column of rods and are necessarily transmitted by the bearing surfaces of the knurling wheels 10 and of the axis 9.
The service life of the bit is determined by the useful life of the teeth 11 or by the useful life of the bearing surfaces, whichever is shorter. Consequently, all of the available space is used on the bearing axis 9 to prevent it from wearing out too quickly with respect to the teeth 11 of the wheel, and it has been shown in general on the fig. 1 how the desired result is achieved.
The deepest part of the bearing cavity mena * ged in the wheel is force-fed a disc or a stop disc 14 made of high-strength alloy steel, which cooperates with the lower end 15 of the bearing shaft 9 to support this end in antagonism to the action of the thrust forces, that is to say forces which are transmitted between the wheel 10 and the bearing axis 2. parallel to the axis of rotation 13 of this wheel.
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The adjacent cylindrical bearing surface 16 provided on the pilot part 22 of the bearing axis 2. cooperates with a matched surface 1 of a bearing ± having the general shape shown in FIG. 3. This bearing 1 is forcibly engaged in a cavity of the thumbwheel, just above the stop disc 3, 4 .. and it turns with this thumbwheel, in the same way as this stop disc.
The next bearing is usually formed by a ball bearing 17, which comprises a raceway 21 formed in the wheel 10 and a raceway 21 'formed in the bearing axis 9, these raceways retaining the rotating balls 21 "having the dual role of supporting thrusts and radial loads and of retaining the wheel on the bearing axis.
Finally, the upper bearing is usually formed by a roller bearing 18 comprising a raceway 18 'formed in the wheel and a mating raceway 19 i' swam in the bearing axis, in which the rollers 20 are assembled.
When possible, it is a good idea to lubricate the bearing surfaces $ described above to increase their service lives. This is achieved by two main methods, one of which is shown in FIG. 1, on which the reference 30 designates a central channel formed in the body of the bit. When using air, a gas or another compressible fluid as a circulating medium or medium, part of this agent passes through this channel, the drilled hole 31, the generally horizontal channel 32 and reaches the bearing at balls 17.
Another method is used if the circulation of water, drilling mud, or other non-compressible fluids is provided, as it usually makes sense to achieve
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sealing the bearings and lubricating them with oil or grease to prevent the penetration of contaminants that are contained in the drilling fluids.
This can be achieved by providing a flexible, folded diaphragm 33 housed in a cavity 34 which is then filled with oil or grease. As the drill bit penetrates the ground, the extra hydrostatic pressure, by the column of fluid which is in the annular space, increases, which causes the straightening of the flexible element 33. This pushes back the fluid. oil or grease through a hole '-2. and the channel, in principle horizontal 32, into the ball bearing 17. The sealing element 37 retains the lubricant in the system.
A problem which arises repeatedly in connection with the series of bearing surfaces described above is the rapid wear of the bush 1 and of the pilot shaft 22 which results undoubtedly. seizure due to heat resulting from friction in this difficult to cool area.
In order to remedy this drawback, the invention is applied to the cushion. net as shown in fig. 3, on which the reference 1 designates a bearing surface. The reference g denotes the soft anti-friction metal which is used to fill slots machined parallel to the longitudinal axis of the bearing, and the reference 3 the bands or alternating areas of hardened steel separating and supporting soft metal.
If we refer to the system shown in fig. 3, the invention may generally be considered to relate to a bearing surface having sones. alternating hard metal and soft metal. The hard metal used as a base consists of carburized or case-hardened steel, alloy steel, or another hard alloy such as those based on
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iron or cobalt, Machined grooves, slots or other deep depressions are formed in the surface of the hard base metal, and a soft metal having good characteristics opposing anti-scuff seizure and other characteristics of desirable reach is introduced into these depressions.
As a result, there is obtained on the bearing surface a composite system having hard metal areas having excellent abrasion resistance and soft metal areas having excellent anti-seizing characteristics. The use of all machined or depressions makes it possible to spare a deep reservoir which allows a permanent exposure of additional layers of metal; tender opposing seizure. Thus, the system can operate even when heavy wear has occurred, as alternating areas of hard metal and soft or soft metal continue to be exposed for substantial periods of time.
The hard base metal can be case-hardened and heat-treated steel, having a case-hardening depth of 2.5 =, for example, and the grooves filled with soft metal can have a similar depth.
As a result, the alternating areas continue to be exposed as long as the wear does not exceed this depth.
It is remarkable to note that the resistance of the system is equal to that of a surface formed simply by carburized or case-hardened steel. A technician in this field would think that removing hard metal with high tensile, shear and compressive strength and filling slots with soft metal could significantly reduce the load capacity of the system. . The tests which will be described below indicate that this is not the case. On the contrary, the load capacity
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is sufficient to allow the application of the invention to bearings of bits for drilling the ground which are subjected to the effect of extremely large loads.
It is also noteworthy that the soft alloy remains in the machined slots even though there is little or no bond between these soft metal inlays and the hard base metal. A question which has arisen in this art is the desirability and necessity of achieving a correct bond, but the invention shows that this difficult and expensive objective to achieve is not paramount. 'example, that the grooves or grooves 2 filled with alloy provided in the bearing shown in FIG. 3 have a width ranging from 1.6 to 2.4 mm, and r @ e depth equal to 1.2 mm.
each, the possible connection provided is limited to the small areas adjacent to the junction between the hard metal and the soft metal, Now the system operates remarkably even if the area or surface of the metal thus fixed is very small compared to the total volume of the soft metal inlay. Furthermore, tests were carried out on specimens comprising inlays in soft silver alloy introduced by mechanical means in the desired position, without any connection. The results obtained were similar to those provided by test pieces in which a bond was provided.
There is shown in pin 3 a variant of machining grooves in the hard base metal forming the bearing 5 '. As shown, a helical notch is made in the surface 1 !. of the landing; this notch produces a single continuous groove in which the soft inlay 2 'is introduced.
The system operates satisfactorily with respect to that shown in FIG. 3, indicating that the particular shape chosen for the deep groove is not
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not too critical, In this case, the 3 'base metal pads have a width equal to 1.6 mm and the width of the. slot is also 1.6mm,
The invention is applicable to other bearing surfaces, as shown in Figs. 5A to 5E, on which there is shown a plain bearing which replaces the usual roller bearing 18 visible in FIG. 1. In fig. 5A and 5D, the 23 and 23 '' 'depressions filled with soft metal are machined in parallel 4 the axis of rotation 13 of the wheel (which coincides with the geometric axis of the reach axis) in mena * giant ranges 25 and 25 '' 'in base metal.
The 23l ot 23 '' 'depressions filled with soft metal terminate before reaching the end of the surf ace of span, in order to provide additional areas Si and 24' '' of base metal at the ends of the slots, for prevent extrusion of soft metal from the slots. In addition, the invention is obviously applicable to ground drilling bits comprising bearings which are entirely of the friction type.
The application to such systems is particularly advantageous, since it suffices to provide a very small number of slots filled with inlays. For example, a test described later shows that four slits (as shown in Fig. 5D) are sufficient to provide remarkable results.
In fig. 7, a sectional view through the thumbwheel shown in FIG. 5A shows in more detail the manner in which the slots are machined into the bearing surface visible on this pin 5A. These slots 23 have a depth of approximately 1.6 mm and a width of 1.6 mm, and they are separated by areas 25 having a similar width.
There is shown in FIG. 10 a third rotary system to which the invention is applicable, this figure
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showing a circular tent 27 formed in the stop disc 14 * and containing a mass of soft metal 28.
The slot is eccentric with respect to the outer circular periphery 29 of the stop disc, in order to bring the soft metal into contact with a large area of the end.
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lower 1 ,, of the pilot axis 22 during the rotation of the disc jL ± ï, with the wheel 10,
In all of the foregoing applications, the fixed element preferably has a hard surface having good wear resistance characteristics and is, for example, of carburized or case-hardened steel or of steel bearing an outer layer of hard alloy. based on iron or cobalt.
The embodiment shown in fig, 3 and
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to which we referred to pr: 1nc: lpal "ent above is obtained as follows: -
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The% bushing is machined substantially to its final dimensions, but leaving a sufficient quantity of material
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to allow a rectification after the treatment, to obtain the appropriate clearance between the surfaces of
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range paired.
The metal of the cushion corresponds to the Terminal 430 of the .DIERICAI IRON STEEL IUSTITUTE (AISI) O and metal being chosen because of its faculty of trunk after carbura. tion and its property of retaining Da hardness w..1.1cr 'the cha- :. them resulting in friction. It is machined in the bearing surface 1 visible in FIG. 3 23 longitudinal grooves
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straight. having a depth of 0.8 to 1.2 μs and a width of 1.6 mm, which leaves areas \ having a width of 1.6 mm, and the pad is then subjected to a
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case hardening to a depth ranging from 2.25 to 2.5 mm. before he is subjected to severe working conditions.
A
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Agent alloy formed from 15% manganese and 85% silver is introduced into the slots using a normal brazing process. The hardened pads are then quenched in oil or in air at temperatures ranging from 927 to 982 C, in an atmosphere formed by natural gas, in order to obtain a Rockwell C hardness equal to approximately 65. The inner diameter of the bushing is then rectified to remove deposits, foreign bodies and deformations resulting from heat treatment.
Remarkable improvements in the service life of plain bearings manufactured according to the invention are obtained, as shown in FIG. 11. In this figure, on which we plotted on the abscissa the times in hours and on the ordinate the wear in mm on the diameter of the bearing or the shaft, we have indicated the results of tests during which we combine bearings of the type shown in fig, 3 (with soft metal inlays) .. normal shafts (not with soft metal inlays), and also the results of tests carried out by combining bearings normal (without soft metal inlays) with normal shafts,
All these systems are tested in a position which is in principle horizontal, under a static vertical load equal to approximately 2,250 kg at 83 rpm, using air as a circulating, cooling and lubricating medium,
Reference 43 denotes a curve showing the progression of wear over the diameter of a normal shaft (not including soft metal inlays) rotating in a normal bushing (without soft metal inlays) and 44 designates evolution of wear on the diameter of the bearing. The shaft is made of AISI 8 720 type case-hardened alloy steel and has a diameter of 22.85 mm;
the surface of this
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The shaft subjected to the static load bears a layer 1.6 mm thick of hard-surface iron-based alloy, having a Rockwell C hardness ranging from 62 to 65. The bearing is manufactured from AISI 430 carbur6 steel, having a cementation thickness ranging from 2.25 to 2.5 mm, this steel being quenched in air from a temperature of 982 C so as to obtain a Rockwell C hardness ranging from 65 to 68.
These systems are considered to be normal systems during laboratory tests, since they are identical, from the point of view of dimensions, materials and metallurgical treatment, to pilot axes and to bushings of the type commonly used in a large number of bearings for drill bits used for drilling the soil.
Thus, the curves 43 and 44 indicate the degree of wear on the diameter that would be obtained on identical bearing surfaces used in a bit during operation under conditions similar to those corresponding to the test,
Reference 45 designates a curve indicating the performance of a normal shaft (manufactured identically to that of the shaft whose wear is represented by curve 43) during a casai in which it is combined with a bearing containing soft metal inlays as shown in fig. 3. This pad is made of AISI 430 alloy steel and has 23 castings with a width of 1.6 mm. And a depth of 1.2 mm, leaving base metal areas with a width of 1 , 6 mm.
It is case-hardened to a thickness ranging from 2.25 to 2.5 mm. Before the application of a soft alloy containing 50% silver, 15.5 copper, 15.5% zinc, 16% cadmium and 3% nickel.The curve indicates the wear on a diameter of this bearing when it cooperates with a shaft corresponding to the curve, under the same conditions as those which are used when testing the systems corresponding to curves 43 and 44.
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Reference 47 denotes a curve indicating the performance of a shaft identical to those corresponding to curves 42. and when subjected to a test in combination with a bearing similar to that corresponding to curve 46, but exhibiting encrustation tender containing 85% silver and 15% manganese. Curve 48 shows the wear of the fitted bearing during a test carried out under conditions identical to those of the other test illustrated in fig, 11.
This FIG. 11 therefore demonstrates the superior wear resistance characteristics obtained during the application of the invention to bearing surfaces when air is used as the circulation medium. By comparing the wear of the three systems after a working time of
50 hours, we see that the total diametral wear of a standard system is equal to 3.55 mm. (1.40 + 2.15), while the total wear of the system using 50% silver alloy in the bearing is only 1.09mm, the wear of the system using silver alloy at 85% in the bearing being equal to 1. 0.78m.
When water is used as a circulation medium, the remarkable results shown in fig. 12, the coordinates being the same as before. In this case, the curves 49 and 50 indicate the performance of a normal shaft and a bearing, respectively (the materials and the metallurgical treatment are identical to the normal samples, the performance of which is shown in fig, 11) during a test carried out under a load of 2.50 kg at 83 revolutions / minute. Curve 51 indicates the performance obtained under the same conditions for a bearing manufactured in an identical manner to those described above but having 23 longitudinal grooves filled with an alloy containing 85% silver and 15% manganese.
Reference numeral 52 denotes a curve indicating the performance of the matched normal shaft.
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Consequently, the results shown in FIG.
12 justify the application of the invention to bearings working in water.
Since the results of the tests shown in Fig. 11 indicate that a silver alloy containing 85% silver gives better results than an alloy containing only 50% silver, further tests were carried out to determine the relationship between bearing performance and silver content. It has been indicated in FIG. 13 the results of these tests. This figure also shows the effect resulting from the modification of the geometry of the depressions obtained by machining. All the shafts are of the normal type and are identical to those described above, the bearings themselves being dentical to those described above, except for intentional variations in machined grooves and changes in alloy composition.
All samples were tested under a static load corresponding to 2,700 kg at 83 rpm, using air as the circulating agent. To simplify the presentation of the data, the ordinate has been indicated in FIG. 13 the sum of the diametral wear of the shaft and half of the diametral wear of the bearing, and the indications of the widths of the grooves, expressed in mm, as well as the percentage of silver by weight have been shown on the abscissa in the alloy.
References 53 to 60 indicate the results of tests carried out on identical samples, except as regards the composition of the soft encrustation. The mode of presentation used for these results is intended to indicate the effect, on the performance obtained, of the variations in the percentage of silver used in the silver alloy.
Preferably, during these tests, all the alloys
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should contain the same elements in combination with silver, the only modification being the percentage of silver in each of them. Unfortunately, silver alloys of this type cannot be easily obtained. It has therefore been necessary to test the alloys obtainable, and for this reason the alloying elements which are not formed by silver. money are different. Thus, the reference 53 corresponds to the performance of a sample containing an alloy formed from 85% silver and 15% manganese.
The composition which corresponds to the sample shown in 54 corresponds to 58/60% silver, 26/28% copper, 11.13% zinc and, 1-2% tin. Reference 55 corresponds to a composition containing 50% silver, 15.5% copper, 15.5% sine 16 56 cadmium and 3% nickel. The references 56 and 57 correspond to an alloy containing 31.5% silver, 34% copper, 15.5% sine and 19% cadmium. Reference 50 corresponds to an alloy containing 15% silver, 80% copper and 5% phosphorus. Reference 59 corresponds to an alloy containing 7% silver, 8% tin and 85% copper.
The reference 60 corresponds to a zero quantity of silver, the elements of the system having no grooves (i.e. the shafts and bearings are normal).
Although the constituents of the alloys which are not formed by silver are different from each other, it remains obvious that the higher the silver content, the better the performance.
Changes in the geometric shape of the deep slits filled '! Alloy have negligible influence on the performance of these bearings, which in itself is remarkable. Reference 53 indicates the results obtained when using 23 grooves with a width of 1.6 mm, each,
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separated by base metal areas having a width equal to 1.6 mm, the reference 61 designates a system comprising 17 grooves with a width of 2.4 mm separated by areas also having 2.4 mm.
Reference 62 designates a system comprising 11 grooves having a width of 3.2 mm separated by areas also having 3.2 mm, Reference 63 designates a system comprising 4 grooves with a width of 2.4 mm separated by 90, the legs having about 15 mm. wide. Reference 64 designates a system comprising a helical groove with a width of 1.6 ma machined at a pitch such that one groove per cm is obtained. All the grooves provided in the systems corresponding to rectangles 53 and 61 to 64 have a depth equal to 1.2 mm and contain a soft alloy containing 85% silver and 15% manganese.
Thus, the test results indicate only a small difference in performance between bearings having grooves of different shapes. Figs. 5A, 5B, 5C, 5D and 5E illustrate several possible types of depressions obtained by machining which can be used for the main plain bearings given the results obtained.
The references 56 and 57 denote rectangles indicating the test results which show that a bond between the soft alloy and the base metal is not necessary. The bearings designated by the reference 56 contain a soft alloy formed by 31.5% silver, 34% copper, 15.5% sine and 19% cadmium, which is introduced in the solid state, at temperature ambient, in slots 1.6 mm wide. The bearing corresponding to the reference 57 contains the same alloy, which is bonded to the base metal by rotating the system while the soft alloy is in the molten state, as described below.
It can be seen that the bearing 56 containing the mechanically introduced alloy satisfactorily compares with the bearing 57.
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Research has shown that pads according to the invention do not perform exceptionally well when the surrounding environment contains large amounts of abrasive contaminant. It appears that the abrasive particles tend to penetrate the soft encrustation, thus creating an abrasive charged surface which wears down the contact area of the stationary bearing surface.
In an attempt to transfer the wear to the larger contact surface (internal peripheral surface) of the rotary member, specimens similar in appearance to the protruding part of the system shown are provided in the fixed surface. felt in fig. 4, slots filled with soft metal. In these samples, the rotating element is formed by a normal bearing in AISI 430 steel as described previously.
The shafts are made of AISI 8.720 steel, heat treated and surface hardened or quenched in the manner previously described, and they have soft encrustation deposited in longitudinal slots by brazing, these encrustation being formed by an alloy containing 85% of silver and 15% manganese. Fig. 14 indicates the results of tests carried out on samples mounted to rotate around a horizontal shaft and subjected to the effect of a vertical static load of 2,700 kg, at a speed of rotation equal to
83 revolutions / minute.
We plotted on the abscissa the times in hours necessary for the wear on the diameter to reach 2.5 mm,
References 65 and 66 relate respectively to the results obtained with normal shafts (no soft encrustation) and with shafts comprising soft metal encrustation during a test carried out in air as a protective agent. circulation. References 3 and 68 respectively indicate the results obtained with normal shafts and shafts exhibiting soft metal encrustation during tests carried out in a circulation medium formed by
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a silica bentonite slurry, which is the circulation fluid commonly used in the casing and hole drilled during oil well drilling.
This agent contains contaminants which penetrate into the bearings of leaking bits, thus in practice a common problem.
As indicated by the reference 68 in FIG. 4, the invention provides, when applied to the fixed bearing surface, a very marked improvement in the case of the use of a traffic agent loaded with contaminants, when circulating air through the bearing a very significant improvement is obtained as indicated by the numeral 66. Thus, the application of the invention to the fixed foot surface is proved, and Figs. 4, 4A, 6A and 6B illustrate some possible geometric shapes that can be used for the slots.
Since the invention can be applied successfully to both rotating and stationary bearing surfaces, a test is carried out to determine the performance of a bearing in which the invention has been applied simultaneously to both surfaces. The surface is formed by a pad containing an alloy formed of 85% silver and 15% manganese, applied in slots with a width of 1.6 mm, and a depth of 1.2 mm, separated by beaches with a width of 1.6 mm.
The base metal is formed by a coating layer based on hardened iron on the surface, covering an AISI 8.720 steel shaft heat treated as indicated above. A helical groove approximately 1.6 = wide is cut into the surface hardened base metal, forming a full turn extending 360 °. This sample, tested in air, wears out in the same way as the sample
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corresponding to rectangle 53 in FIG. 13, which indicates that the invention can be applied simultaneously to the rotating surface and * the fixed surface of the bearing.
Tests were carried out with satisfactory results to determine the possibility of applying the invention to surfaces lubricated by oil or grease. The systems used in these tests are similar to that shown in fig. 2 for a ground drill bit, the reference 36 designating the bearing surface to which the invention is applied. The system is filled with lubricant and is sealed at the rear part of the thumbwheel by a seal 37, which is formed by a resiliently covered cup-shaped metal spring. Such bits were made to work under conditions customary for the bits used for drilling the ground.
The results obtained indicate that, as long as the seal 37 is functioning correctly, the sliding bearings $ provide operation comparable to that obtained in drill bits having roller bearings of the type shown in fig 1. Thus, the rollers can be eliminated, and which increases the strength and simplicity of the bit bearings. Several types of samples were tested, including types having slots filled with incrustations provided in the main bearings of the rolls, in a manner analogous to that shown in Figs. 5A, 5B and 5C.
Very little difference is noted from the point of view of performance, as for the analogous tests carried out on the bearings of ne * or terminal bearings described above.
However, when the seal 37 does break, the extrusion of the ash encrustations from the slots of the rotary knobs is faster than desirable, possibly due to the contaminants that are present.
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in the drilling mud. The laboratory tests described above show that the application of the invention to the fixed element (as shown in the figures 6A and 6B) makes it possible to remedy this drawback. The numeral 69 denotes the slots filled with soft alloy and the numeral 70 the alternating areas of wear resistant hard base metal.
Another embodiment of the invention applied to fixed elements is shown in FIG. 4A, on which the reference 38 designates the fixed shaft, which is equipped with a plain bearing comprising soft encrustation rods 39 opposing seizing, hardened steel pads 40 and a circumferential band 40 'of hard alloy , for example based on iron or cobalt. This system is obtained by applying a hard alloy and machining the grooves in it and in the steel. Soft inlays are applied in the cracks as in other systems, then ground. Since the alloy strip 40 'is hard, alternating bands of hard metal and soft metal on one side are obtained according to the invention.
Of course, the soft alloy 39 can be introduced into hardened steel without using the hard alloy 40 ', as shown in FIG. 4.
Yet another application of the invention is shown in FIG. 9, which is a perspective view of the pilot axis, designated by the reference 22 '. In such a system, it is customary to use a hard metal made of a cobalt-based alloy called "Stellite", as indicated by the reference 41, to resist the thrusts transmitted by the stop disc 14 'visible in FIG. 10. Such a soft metal inlay can be used in this area due to the results obtained when applied to other stationary bearing surfaces. Another surface sometimes used to resist pushes is indicated in
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41 '. It is often referred to as a stop flange.
The invention can be used for this surface by applying soft metal inlays 42 in slots such as those shown,
As previously indicated, optimum results are obtained by using a soft encrustation material containing a high percentage of silver, or silver without additional elements. Pure silver behaves in all respects analogous to an alloy containing 85% silver and 15% manganese, but it is more difficult to obtain and more expensive. However, other metals arranged in the lower part of the electromotive series can be used according to the invention, provided that they are soft and that they have anti-friction or anti-seizing characteristics.
Mention may be made, for example, of lead, tin, copper, antimony, rhodium, platinum, palladium, gold, indium, bismuth, beryllium, zinc, alliminium, etc. , separately or in combination.
The aforementioned manufacturing example indicates that the soft encrustation is introduced into the slots in the carburized seating surface by brazing, with the hard base metal system then being oil or air quenched from a base metal system. temperature from 927 to 940 C. This process is satisfactory if the material forming the encrustation has a melting point above 927 C, such as silver or an alloy formed from 85% silver and 15% manganese.
Otherwise, the alloy melts during quenching. This process is also satisfactory if the soft alloy has such a low melting temperature that it can be deposited in the slots by melting after hardening of the base metal without annealing thereof. Lead and tin, for example, melt at 3499 and 232 C, respectively, these two temperatures being low enough not to modify the hardness of the material.
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base metal. If the metals chosen do not meet the above conditions, the base metal is softened, possibly to such an extent that it loses its wear resistance and anti-abrasive characteristics.
As a result, a new method has been created to overcome this drawback. This process consists of introducing the soft metal into the carburized bearing in the solid state, without clamping, and sealing the two ends of the system. This system is then placed in a lathe or another machine capable of ensuring its rotation around its longitudinal axis. During the rotation of the part, usually at a speed varying between 700 and 900 revolutions / minute, this part is heated to a temperature sufficient to cause the metal to melt to render and from which the hard metal can be cooled abruptly or soaked.
The centrifugal force generated by the rotation pushes the molten metal back into the slots, and subsequent cooling by a stream of fluid directed at the rotating system solidifies this soft metal and hardens the parent metal.
In addition, the soft incrustations can be introduced by mechanical means into the machined fcntes, which corresponds to an alternative embodiment of the invention.
This process is particularly advantageous in the case of cadmium-based alloys, since, when it melts, this element emits gases which have cumulative harmful effects on humans, due to its toxic nature. Encouraging results are not obtained when using a cadmium-based alloy, but the possibility of using mechanically introduced incrustations is nevertheless proven. The silver alloy, for example, can be introduced mechanically into the slots giving interesting results, as indicated by results illustrated in fig. 13.
Hence, this process can be used
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identifies another method of applying the soft metal ai, for some reason one of the previous two methods is not applicable.
The advantages which are obtained during the implementation of the invention described above now appear.
Of particular importance is the combination on a bearing surface of alternating bands of metals providing a composite surface having excellent wear and abrasion resistance, as well as anti-friction and anti-seize characteristics.
In addition, the use of soft metal inlays having a considerable thickness relative to the thickness of the hard metal base maintains the. advantages of the composite material, even when severe wear has occurred.
Furthermore, the fact that the soft metal encrustation particles spread over the bearing surface to provide remarkable results allows the application of the soft metal without requiring a bond between the hard and soft metals. This finding thus allows the use of systems comprising only a relatively small number of slots filled with soft metal, so that only small quantities of expensive soft metals are necessary.
The invention allows the replacement of roller or ball bearings in systems such as bearing systems for drill bits by plain bearings. These increase the strength and service life of the assembled bits, providing the bearings with a service life that is almost equal to that of the cutting system.
Modifications can be made to the embodiments described ", in the field of technical equivalences, without departing from the invention.