一種寬齒牙輪複合鑽頭的製作方法

2023-04-23 15:10:56

專利名稱：一種寬齒牙輪複合鑽頭的製作方法
技術領域：
本發明屬於石油天然氣、礦山工程、建築基礎工程施工、地質、水文等鑽探設備技術領域，具體的講涉及一種複合鑽頭。
背景技術：
鑽頭是鑽井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具。牙輪鑽頭和PDC鑽頭是鑽井工程中常用的鑽頭。目前鑽井工程中所使用的三牙輪鑽頭包括鋼齒鑽頭(又稱銑齒鑽頭)和硬質合金齒鑽頭(又稱鑲齒鑽頭)。鋼齒鑽頭是在牙輪坯體上直接銑出切削齒，齒的強度較低、耐磨性較差，一般用於軟地層；鑲齒鑽頭在牙輪體預留的齒孔內鑲固硬質合金牙齒(以下簡稱硬質合金齒或牙齒)，硬質合金齒的硬度和耐磨性明顯優於鋼齒，一般用於較硬地層。三牙輪鑽頭主要以衝擊壓碎的形式破巖，即牙齒通過對巖石的衝擊、擠壓和伴有少量的滑移刮切來破碎巖石，其缺點是能量利用率不高，破巖效率較低，且鑽頭工作過程中，軸承受到的衝擊大，動載係數大。在結構形式上，為了滿足鑲齒牙輪鑽頭衝壓破碎破巖工作方式的需要，現有鑽頭採用了以下三個技術手段:其一，現有鑲齒牙輪鑽頭上的切削齒(牙齒)的下部鑲固部分均為圓柱型，上部出露部分由下部圓柱向牙齒軸線逐漸收縮過渡，多為楔形或錐形，牙齒的齒頂寬度均明顯小於下部鑲固部分的直徑，以形成較尖銳的衝擊頭部。由於牙齒受的動載大，且牙齒尺寸相對較小，所以容易發生牙齒的整體或局部斷裂。其二，現有大多數鑲齒三牙輪鑽頭牙輪上牙齒的齒頂無偏轉(即齒頂偏轉角為0° )，也有少量鑽頭的部分齒圈的牙齒(切削齒)齒頂有偏轉，偏轉角一般在50°以內。牙齒的偏轉是為了迎合牙齒衝擊壓入巖石後的滑移刮切方向，以增加牙齒對巖石的滑移刮切效果(量)。其三，多數三牙輪鑽頭的牙輪存在偏移，其目的在於，偏移使牙輪在井底巖石上滾動破巖時無法發生純滾動，使牙輪上的牙齒破巖時滑移增大，偏移值越大牙輪上的牙齒滑移刮切越明顯，但同時也因滑移產生的磨損也越大。PDC鑽頭以刮切形式破碎巖石，PDC鑽頭能夠有效破巖鑽進形成進尺的前提是roc齒能有效地吃入地層巖石。PDC齒吃入巖石後在鑽頭體的旋轉帶動下，對巖石形成切削作用使巖石破碎。當巖石很硬PDC難以吃入巖石，或PDC齒有磨損後難以吃入巖石時，PDC鑽頭破巖效率將明顯降低。美國貝克休斯公司提出一種牙輪-PDC混合式鑽頭(在美國及其他國家均提出了專利申請，如PTC W02010/132232等)，該鑽頭在傳統的PDC切削結構基礎上增加了牙輪切削結構，由固定切削結構和牙輪切削結構組合而成。其中，牙輪-PDC混合式鑽頭的固定切削結構是由若干I3DC固定刀翼組成，固定刀翼上布置有固定切削齒(即PDC齒)，當鑽頭旋轉鑽進時，固定刀翼上的PDC齒以刮切方式破巖；牙輪-PDC混合式鑽頭的牙輪切削結構與牙輪鑽頭類似，牙輪上的牙齒主要以衝擊壓碎的方式破巖。由於牙輪以衝擊壓碎的方式破巖，牙輪工作過程中產生的上下振動會直接影響roc固定切削結構的工作穩定性，從而導致下述不良後果:首先，縱向振動帶來的衝擊載荷容易引起PDC齒的損壞，減短鑽頭的使用壽命；其次，縱向振動會使固定切削結構中的PDC齒的吃入深度發生頻繁變化，嚴重時甚至可能造成PDC齒頻繁脫離井底，從而在一定程度上降低鑽頭的破巖效率。此外，該複合鑽頭上的牙輪仍以衝擊壓碎的方式破巖，牙輪軸承的工況與三牙輪鑽頭的相似，導致軸承工作壽命短，而軸承的工作壽命對鑽頭的整體壽命形成了明顯的制約。

發明內容
本發明的目的在於:提供一種寬齒牙輪複合鑽頭，其提出一種新的牙輪結構形式，該複合鑽頭，牙輪工作平穩，鑽頭工作穩定性好，相對現有複合鑽頭具有更高破巖效率的同時，還具有更長的鑽頭牙齒和軸承的壽命，從而具有更長的鑽頭使用壽命。本發明目的通過下述技術方案來實現:
一種寬齒牙輪複合鑽頭，包括鑽頭體、固定切削結構和至少一個牙輪，所述牙輪和所述固定切削結構布置在所述鑽頭體上，所述固定切削結構上設置有固定切削齒，所述牙輪通過軸承結構與所述鑽頭體形成轉動連接，其特徵在於:所述牙輪上鑲固有橫鑲牙齒，且橫鑲牙齒的齒頂偏轉角α的取值範圍是70° ( I α I <90°，橫鑲牙齒的鑲固部分的橫斷面輪廓為非圓形。牙齒的結構是影響牙輪鑽頭鑽進效率的關鍵因素之一。鑲齒牙輪鑽頭的牙齒與牙輪上的齒孔通常採用過盈配合(或鑲焊等)方式鑲固在牙輪上。牙齒的下部與牙輪齒孔形成過盈配合(該部分稱為牙齒的鑲固部分)，牙齒與齒孔形成過盈配合的表面一般為圓柱面；牙齒的上部位於牙輪殼體的表面之外，用於直接接觸、破碎巖石(該部分稱為牙齒的工作部分，也稱為牙齒的冠部或頭部)，通常情況下，牙齒冠部的徑向(垂直於牙齒軸線方向，平行牙齒下部圓柱的直徑方向)尺寸小於鑲固部分的圓柱直徑。牙齒鑲固部分的尺寸(直徑和高度)和過盈量是決定固齒強度的關鍵，而牙齒冠部的形狀和尺寸則是決定牙齒工作性能的關鍵。通常所謂的「齒型」或「齒形」就是指依據牙齒冠部形狀和尺寸的特徵而對牙齒作的分類。常見的牙齒齒型(或齒形)包括球形齒、錐形齒、楔形齒、勺形齒、偏心勺形齒、邊楔齒等。依據牙齒冠部幾何形體主要特徵的不同，可以將牙齒分為迴轉體類牙齒和非迴轉體類牙齒兩大類。迴轉體類牙齒的冠部表面為與牙齒中心線同軸的迴轉曲面，如球形齒和錐形齒。若牙齒的冠部表面為非迴轉曲面，或雖為迴轉曲面但其迴轉中心與牙齒中心不同軸，這樣的牙齒均為非迴轉體類牙齒，如楔形齒、勺形齒、偏心勺形齒和邊楔齒等。表徵牙齒冠部形狀和尺寸的主要參數為牙齒的出露高度h、牙齒的齒頂寬度W和牙齒的齒頂厚度T (見圖4)。出露高度h是指牙齒出露於牙輪殼體表面之外的高度，簡稱出露高度或齒高；牙齒的齒頂寬度W是指牙齒的齒頂區域在垂直於牙齒軸線的平面內的最大橫向尺寸，簡稱齒頂寬度；牙齒的厚度T是指牙齒齒頂區域在垂直於牙齒寬度方向的最大橫向尺寸，簡稱齒頂厚度。齒頂寬度和齒頂厚度代表了牙齒頂部的橫向尺寸，橫向尺寸越小，牙齒越尖銳、越容易侵入巖石，但同時也越容易發生強度失效。就對牙齒破巖效率的影響而言，牙齒的寬度具有比較特殊的意義，原因在於:儘管牙輪鑽頭主要以壓碎作用破碎巖石，但鑽頭牙齒在與巖石接觸時的相對滑移運動可使牙齒產生刮切破巖的效果，此時，牙齒的寬度越大，滑移刮切時掃過的面積就越大，刮切破巖的效果也就越明顯。鑲齒牙輪鑽頭的牙齒一般多按照齒頂寬方向與牙輪母線平行的方向鑲固(如圖5中的齒5)。也可先分析預測牙齒滑移刮切運動的方向，然後按照齒頂寬與刮切運動方向相垂直或接近垂直的方向鑲固牙齒(如圖5中的齒6)。
然而，由於牙齒冠部形狀的特殊性，牙齒「齒頂區域」的概念具有一定的模糊性，因而需要加以具體的約定，以達到對各種形狀的牙齒都能按照統一的方法度量齒頂寬度和齒頂厚度的目的。為此，特作約定如下:N為一自然數，在縱向距牙齒冠部最高點h/N的位置做一個垂直於牙齒軸線的平面P (見圖4)，牙齒上由該平面至牙齒冠部最高點之間的區域為牙齒的N分齒頂區域。在牙齒的N分齒頂區域內，垂直於牙齒軸線的最大橫向尺寸，為牙齒的N分齒頂寬度(也即:牙齒的N分齒頂區域在平面P上投影的最大寬度);最大橫向尺寸在P平面上所對應的方向為齒頂齒寬方向；該齒頂區域在垂直於齒頂寬度方向上的最大橫向尺寸，為牙齒的N分齒頂厚度。在圖4中，標明了楔形齒的4分齒頂區域(P平面至牙齒頂部最高點之間的區域)、4分齒頂寬度W、齒頂寬度方向以及4分齒頂厚度T。通常情況下，牙齒冠部的形狀都是由根部到頂部越來越尖銳，所以在平面P上的牙齒橫截面寬度/厚度，就等於牙齒的N分齒頂寬度/厚度。由定義可知，齒頂寬度和齒頂厚度的區別只對非迴轉體類牙齒才有意義。齒頂偏轉角是指齒頂線(平行於牙齒的齒頂寬度方向，通過齒頂最高點或最高區域的中心，且與牙齒軸線相垂直的直線段)與牙齒所在牙輪的輪錐母線(輪錐面上與牙齒軸線相交的母線)的夾角(如圖5、圖6所示的角α )，一般指齒頂線與輪錐母線所成的銳角或直角。本說明書中規定:從齒頂沿牙齒軸線方向向牙輪體看，齒頂線相對牙輪的輪錐母線逆時針偏轉時為正偏轉，反之則為負偏轉。現有大多數牙輪鑽頭牙輪上的切削齒的齒頂無偏轉(即齒頂偏轉角為0° )，或有少量鑽頭的部分齒圈的牙齒齒頂有偏轉，偏轉角一般在50°以內。為便於闡述，本說明書中界定:牙齒的齒頂偏轉角大於50°時，可稱為橫鑲牙齒。本發明的橫鑲牙齒的齒頂偏轉角α的取值範圍是70° ( I α I >2的效果。(2)本發明的牙輪以近似靜壓的方式壓碾、劈裂破巖，在井底巖石上碾壓、劈裂出一圈圈的圓環型破碎帶,牙輪齒圈以極大的接觸應力作用於巖石,不僅會形成破碎槽,還會在破碎槽的底部及周邊未破碎的巖石上碾壓出破損裂紋和擴展裂紋。已形成的破碎槽和裂紋，使固定切削結構上的固定切削齒更易於吃入井底巖石和刮切破巖，進一步提升了固定切削結構的破巖能力。本發明牙輪碾壓、劈裂破巖方式和固定切削結構的刮切破巖方式相結合能明顯提高鑽頭的破巖效率。(3)本發明牙輪上的橫鑲牙齒的牙齒齒頂線垂直於或接近垂直於牙輪母線，從而能在實現碾壓、劈裂破碎巖石的同時，顯著降低牙齒相對於井底巖石的滑移。本發明牙齒與巖石的互作用方式及破巖機理與常規牙輪鑽頭相比發生了明顯的改變，其全新的布齒方式、齒形和破巖方式，減小了牙輪上的牙齒對巖石的衝擊和滑移刮切，能明顯改善牙齒的受力情況和磨損，提高牙齒的壽命，特別適宜於在研磨性強的硬地層鑽進。(4)本發明牙輪工作平穩，減小了鑽頭牙齒與巖石相互作用時的動載，牙齒破碎巖石時所受的載荷比普通牙輪鑽頭牙齒破巖時受的載荷平穩，有利於增強牙齒鑲固的可靠性，減少鑲齒的掉落和斷裂。作為優選，所述橫鑲牙齒的4分齒頂寬度不小於牙齒鑲固部分的寬度。上述方案中，橫鑲牙齒的4分齒頂寬度不小於牙齒鑲固部分的寬度，使同齒圈上的相鄰鑲齒間的空當間隔大大減小，減小了齒圈的不連續性，實現齒圈牙齒良好地以滾動碾壓、劈裂的方式破碎巖石，複合鑽頭工作穩定性好，上述有益效果更好。作為優選，所述橫鑲牙齒的鑲固部分的柱面上設置有平行於牙齒軸線的齒狀直紋條(簡稱條齒)，且橫鑲牙齒通過鑲固部分柱面上的齒狀直條嵌入牙輪齒孔壁的方式，或齒狀直條與牙輪齒孔形成多點接觸式的過盈配合方式鑲固於牙輪的齒孔內。如圖20，橫鑲牙齒的下部鑲固部分的柱面上設置有多個平行於牙齒軸線的條齒，分布在鑲固部分柱面上的條齒呈鋸齒狀，與直齒輪的輪齒相似。當牙齒鑲固部分的柱面上設置有條齒時，鑲固部分的橫斷面輪廓是指由各條齒的頂點所形成的包絡線的輪廓。牙齒鑲固部分的橫斷面輪廓的形狀與牙輪齒孔形狀相似，但徑向尺寸大於牙輪齒孔的徑向尺寸。當兩者徑向尺寸的偏差較大時(特別是當條齒頂部較尖銳時)，在牙齒壓入牙輪齒孔的過程中，條齒會嵌入或侵入齒孔的孔壁，從而實現牙齒的鑲固；當兩者徑向尺寸的偏差較小時(特別是當條齒頂部較鈍時)，在牙齒壓入牙輪齒孔的過程中，各條齒的頂部與齒孔的孔壁形成多點接觸式的過盈配合，這樣也可實現牙齒的鑲固。現有鑲齒牙輪鑽頭牙輪上的牙齒下部鑲固部分均為圓柱形，牙齒通過面接觸過盈配合方式鑲固於牙輪上，牙齒與牙輪齒孔間的過盈配合量要求非常高，過盈量決定牙齒鑲固的強度和可靠性。過盈量太大將引起牙輪齒孔變形過大，易引起牙輪齒孔開裂，影響固齒強度、固齒可靠性和牙輪殼體強度；過盈量太小，固齒強度不夠，牙齒鑲固不牢，可靠性低。因此，這種鑲固方式對齒孔與牙齒柱面的尺寸精度、公差要求和表面粗糙度等加工質量要求均較高，為便於加工及保證鑲固質量，一般過盈配合均採用圓柱形，牙齒均需進行精磨加工。為便於增加齒頂寬度，本發明的橫鑲牙齒的下部鑲固部分的橫斷面輪廓為非圓形，為保證鑲嵌可靠度和鑲嵌質量，牙齒的鑲固部分的柱面上設有條齒，採用嵌入或多點接觸過盈配合的方式鑲固於牙輪的齒孔內。採用這種方式固齒，對牙齒與齒孔的徑向尺寸差(過盈量)、形位精度以及表面質量的寬容度明顯增大，可大大降低牙齒及齒孔的加工尺寸(精度、公差)要求、表面粗糙度等加工質量要求，易於實現牙齒非圓形柱狀製造成型，同時也能保證牙齒的鑲嵌可靠度和鑲嵌質量。作為進一步優選，所述牙輪上的橫鑲牙齒的齒頂偏轉角α的取值範圍是80。≤I α I ≤90。。橫鑲牙齒的齒頂偏轉角α的取值範圍是80° ( | α | <90°，能使齒圈上相鄰齒間的空當間隔更小，減小齒圈的不連續性，齒圈的齒頂輪廓更接近於圓形，複合鑽頭工作穩定性好，上述有益效果更好。作為優選，所述橫鑲牙齒的4分齒頂寬度大於等於鑲固部分的長度。上述方案中，齒頂寬度W等於鑲固部分的長度LI時，便於牙齒外表面的精加工，生產製造時易於對牙齒與牙輪齒孔之間過盈量的控制；便於控制牙齒的加工尺寸和牙齒的鑲固質量。上述方案中齒頂寬度W大於鑲固部分的長度LI，進一步突破現有技術牙齒尖銳形式的慣性思維，形成一上大下小的類似蘑菇狀。較大的齒頂寬度能明顯減小齒圈相鄰齒的空當間隔和齒圈的不連續性，齒圈的齒頂輪廓更接近於圓形，更便於牙輪上的牙齒以滾動碾壓、劈裂方式作用於巖石，易於達到以靜壓方式壓碾、劈裂破巖的效果。該結構的橫鑲牙齒可在不增加鑲固部分尺寸、牙輪齒孔尺寸，及不減小牙輪齒孔間的間距的前提下達到增大齒頂寬度的目的，其在保證了牙齒鑲固可靠度的同時還保證了牙輪殼體的強度。該結構的橫鑲牙齒有眾多的結構形式 ，其中有幾種較佳的結構:本發明該結構橫鑲牙齒的一種，橫鑲牙齒的下部鑲固部分與上部出露部分經臺階過渡，臺階面邊緣輪廓為圓形；本發明該結構橫鑲牙齒的一種，橫鑲牙齒的下部鑲固部分與上部出露部分經臺階過渡，臺階面邊緣輪廓為鍵形。這種下部鑲固部分與上部出露部分經臺階過渡的橫鑲牙齒，其臺階面可坐壓在牙輪齒孔的孔口面上，使牙齒工作時的軸向壓力通過齒孔孔口面來承擔，不再由齒孔低的牙輪殼體來承擔。這樣，牙齒工作時作用於牙輪殼體的載荷將大大改善，能明顯提高牙輪體的載荷分布均勻度和殼體的可靠性及安全性；或，可減小牙輪齒孔孔底與牙輪內軸承孔之間的厚度，從而增大牙輪內軸承孔的尺寸，即增大牙輪內軸承的尺寸，提高牙輪軸承的強度和使用壽命，進而延長鑽頭使用壽命。作為優選，所述橫鑲牙齒的齒頂為沿齒的軸線方向向上凸起的弧形。上述方案中，橫鑲牙齒的齒頂採用弧形時，同一齒圈上的橫鑲牙齒的齒頂所組成的齒圈(輪廓)更接近圓形，有利於牙輪的平穩工作，減少牙齒的衝擊載荷，降低牙輪工作時的載荷波動，有利於齒圈及牙輪以靜壓方式壓碾、劈裂破巖，有利於提高軸承和牙齒的壽命，並提高複合鑽頭工作穩定性。作為優選，所述橫鑲牙齒的齒頂順著齒頂寬方向的輪廓線沿齒的軸線方向的投影為圓弧形。上述方案中，由於牙輪齒圈上的牙齒軸線往往與牙輪軸線不垂直，特別是靠近牙輪尖部的齒圈牙齒的軸線與牙輪軸線夾角較小，當齒圈周長較小，齒圈上齒數較少時，齒圈圓度較差。將橫鑲牙齒的齒頂寬方向的輪廓沿齒的軸線方向的投影設計為圓弧形，能改善齒圈的圓度，使齒圈(輪廓)更接近於圓形，有利於牙輪的平穩工作，減少牙齒的衝擊載荷，降低牙輪工作時的載荷波動，有利於牙輪齒圈以靜壓方式壓碾、劈裂破巖，有利於提高軸承和牙齒的壽命，並提高複合鑽頭工作穩定性。作為優選，所述牙輪上不同齒圈的橫鑲牙齒全部或部分交錯布置。上述方案中，牙輪為旋轉錐形體，牙輪在井底滾動破巖時，各齒圈上的牙齒從一顆滾動輪換到另一顆，不同齒圈的橫鑲牙齒交錯布置，不同齒圈上的齒能相互彌補齒圈因同齒圈鑲齒間間隔空當引起的齒圈不圓度，使牙輪工作更平穩，減少牙齒的衝擊載荷，降低牙輪工作時的載荷波動，有利於牙輪齒圈以靜壓方式壓碾、劈裂破巖，有利於提高軸承和牙齒的壽命。而且，牙輪上橫鑲牙齒的齒頂線垂直於或接近垂直於牙輪母線，牙齒接觸井底的時間明顯變長，牙輪由於牙齒交替而產生的縱向振動明顯變弱，特別是當兩個齒圈上的橫鑲牙齒在牙輪圓周方向上彼此交錯布置時，牙輪的縱向振動更弱，牙輪工作平穩，縱向振動小，有利於提高軸承的壽命，減少牙齒的靜強度失效和疲勞強度失效，並提高複合鑽頭工作穩定性。作為優選，所述橫鑲牙齒的齒頂兩端(沿齒頂寬的兩端)設有倒圓角或倒角。上述方案中，橫鑲牙齒的齒頂兩端如不設倒圓角或倒角過渡，齒頂兩端將為尖角，牙齒與巖石作用破巖時，尖角處易形成應力集中，易使齒頂端部疲勞損壞或局部斷裂。齒頂兩端設倒圓角或倒角，能有效改善齒頂端部的應力分配降低應力集中，延長牙齒使用壽命。作為優選，所述牙輪上的齒圈與所述固定切削結構上的固定切削齒徑向同軌布置。同軌是指切削齒在鑽頭上的徑向位置相同，即距鑽頭軸線距離相等。牙輪齒圈與固定切削齒徑向同軌布置時，齒圈上的齒與固定切削齒在井底同一環形區域上輪流作用破巖。井底巖石被牙輪上的牙齒碾壓、劈裂後，在碾壓、劈裂出的破碎槽上固定切削齒再進行刮切，切削齒同軌布齒有利於固定切削齒的吃入，便於提高鑽頭的破巖效率。作為優選，所述牙輪上的橫鑲牙齒的4分齒頂厚度不大於牙齒鑲固部分寬度的四分之一。橫鑲牙齒的4分齒頂厚度不大於牙齒鑲固部分寬度的四分之一，即橫鑲牙齒的齒頂厚度較小，在該臨界值下，更有利於牙齒滾動碾壓時對巖石的擠壓劈裂作用，提高鑽頭牙輪的破巖效率，特別是對高硬度難鑽地層，破巖效果更好，從而提高複合鑽頭的破巖效率。作為優選，所述鑽頭體上的每個牙輪的偏移值不大於鑽頭直徑的1.5%。該臨界值下的牙輪的偏移值，使齒圈及牙輪以純滾動或更接近純滾動的形式滾動工作，更有利於齒圈及牙輪以滾動碾壓、劈裂的方式破碎巖石；同時，還能減少牙輪上牙齒的滑移刮切，減少牙齒的磨損，延長牙齒使用壽命。牙輪上的橫鑲牙齒的牙齒齒頂線垂直於或接近垂直於牙輪母線，同時牙輪的偏移值很小，在實現碾壓、劈裂破碎巖石的同時，還能顯著降低牙齒相對於井底巖石的滑移。本發明牙輪上的牙齒與巖石的互作用方式及破巖機理與常規牙輪鑽頭相比發生了明顯的改變，其全新的布齒方式、齒形和破 巖方式，減小了牙輪上的牙齒對巖石的衝擊和滑移刮切，能明顯改善牙齒的受力情況和磨損，提高牙齒的壽命，特別適宜於在硬地層及研磨性強的硬地層中鑽進。作為優選，所述橫鑲牙齒的齒頂偏轉角α的取值範圍是85° ≤| α | ≤90°，且鑽頭體上牙輪的偏移值不大於鑽頭直徑的0.5%。理論上來說，鑽頭牙輪上橫鑲牙齒的齒頂偏轉角越接近90°、牙輪的偏移值越小，齒圈的連續性越好、齒圈的齒頂輪廓越接近於圓形。在該方案的各參數的組合臨界值之上，最有利於牙輪的平穩工作，減少牙齒的衝擊載荷，降低牙輪工作時的載荷波動，提高複合鑽頭的工作穩定性；同時最有利於牙輪齒圈以靜壓方式壓碾、劈裂破巖，破巖效率最高，並顯著提高軸承和牙齒的壽命，複合鑽頭破巖效率高。更優選，所述橫鑲牙齒的齒頂偏轉角α=90°，且鑽頭上牙輪不偏移(偏移值為O)。在鑽頭其他幾何參數不變，牙齒尺寸也不變時，齒頂偏轉角α=90°能使齒間空當最小，齒圈的連續性最好，齒圈的齒頂輪廓最接近於圓形；牙輪不偏移，能使牙輪純滾動效果最好。齒頂偏轉角α=90°、牙輪不偏移，是實現齒圈及牙輪以純滾動(或接近純滾動)碾壓、劈裂破碎巖石的極優參數，鑽頭破巖效率高。作為優選，所述橫鑲牙齒沿齒頂厚度方向上的兩個側面為內凹曲面，且牙齒的4分齒頂寬度不小於牙齒鑲固部分寬度、4分齒頂厚度不大於牙齒鑲固部分寬度的四分之一。牙輪牙齒沿齒頂厚方向上的兩個側面為內凹曲面，在縱向(沿牙齒軸線方向)上牙齒齒頂厚度較小，從齒頂往下齒厚的增加緩慢，其有利於牙齒碾壓、壓入巖石，並有利於牙齒壓入後對巖石的擠壓劈裂作用；且其有利於牙齒在磨損時減緩牙齒齒頂厚度的增大，使牙輪牙齒持續保持較小的齒頂厚，延長牙輪牙齒對巖石的壓入、擠壓、劈裂破碎效果。作為優選，所述橫鑲牙齒的下部鑲固部分的橫截面的輪廓由兩邊圓弧中間直線段連接而成，即為鍵形。作為優選，所述異型寬鑲齒的下部鑲固部分的橫截面的輪廓為兩端圓弧中間由圓弧段連接而成。
上述兩方案中，橫鑲牙齒的下部鑲固部分的橫截面的輪廓由兩邊圓弧中間直線段連接而成，即為鍵形；或異型寬鑲齒的下部鑲固部分的橫截面的輪廓為兩端圓弧中間由圓弧段連接而成時。這兩種輪廓的柱面較其他非圓形輪廓的柱面加工難度要低，加工時易於操作和實現，工藝性好。它們所對應的齒孔也易於銑削加工，加工工藝性好。


圖1為本發明寬齒牙輪複合鑽頭的結構示意圖。圖中，複合鑽頭上設置兩固定翼固定切削結構和兩牙輪，兩固定翼和兩牙輪相間布置。圖2為本發明圖1所示結構沿鑽頭軸線俯視(逆鑽頭鑽進方向看)時的視圖，即俯視圖。圖3為本發明寬齒牙輪複合鑽頭的牙輪的牙齒齒圈與固定切削結構上的固定切削齒沿鑽頭徑向覆蓋的示意圖。 圖4為牙齒4分齒頂寬度W及厚度T (以楔形齒為例)示意圖。圖5為現有牙輪鑽頭上的鑲齒的齒頂無偏轉鑲固或齒頂有較小偏轉角(I α<50° )鑲固時的示意圖。圖6為本發明橫鑲牙齒的齒頂線與牙輪的輪錐母線夾角(齒頂偏轉角)α的取值範圍是70。彡I α I < 90。或α =90°時的示意圖。圖7為鑽頭上的牙輪偏移時的示意圖。圖8為本發明圖1所示結構鑽頭的某牙輪沿牙輪軸線從牙輪尖部向牙輪底看時的示意圖。圖9為寬齒牙輪複合鑽頭上設置三固定翼固定切削結構和三牙輪時的鑽頭俯視圖。固定翼和牙輪之間均相間布置。圖10為本發明橫鑲牙齒鑲固於牙輪非圓形齒孔後，垂直牙齒軸線剖切時的局部首1J視圖。圖11為本發明橫鑲牙齒的鑲固部分的橫截面的輪廓(及牙輪齒孔的橫截面輪廓)為兩端圓弧中間由圓弧段連接而成時的示意圖。圖12為本發明的橫鑲牙齒4分齒頂寬度W等於齒的鑲固部分長度LI，但大於鑲固部分寬度Wl時的橫鑲牙齒結構示意圖。圖13為圖12所示橫鑲牙齒沿牙齒軸線從牙齒頂部向齒底看時的示意圖。圖14為圖12所示橫鑲牙齒鑲固於牙輪齒孔後，沿牙齒軸線剖切時的局部剖視圖。圖15為本發明蘑燕狀橫鑲牙齒的一種,橫鑲牙齒的下部鑲固部分與上部出露部分經臺階過渡，臺階面輪廓為鍵形時的橫鑲牙齒示意圖。圖16為圖15所示橫鑲牙齒沿牙齒軸線從牙齒頂部向齒底看時的示意圖。圖17為本發明蘑燕狀橫鑲牙齒的一種,橫鑲牙齒的下部鑲固部分與上部出露部分經臺階過渡，臺階面輪廓為圓形時的橫鑲牙齒示意圖。圖18為圖17所示橫鑲牙齒沿牙齒軸線從牙齒頂部向齒底看時的示意圖。圖19為圖15或圖17所示蘑菇狀橫鑲牙齒鑲固於牙輪非圓形齒孔後，沿牙齒軸線剖切時的局部剖視圖。圖20為本發明的牙輪上採用鑲固部分的柱面上設置有平行於牙齒軸線的齒狀直條(簡稱條齒)的橫鑲牙齒，橫鑲牙齒未壓入牙輪上的齒孔內前，齒孔輪廓大小處於橫鑲牙齒鑲固部分條齒的齒頂輪廓與凹底輪廓之間的示意圖。圖21為本發明牙輪上採用鑲固部分的柱面上設置有平行於牙齒的軸線的條齒的橫鑲牙齒，橫鑲牙齒鑲固於牙輪非圓形齒孔後，垂直牙齒軸線剖切時的局部剖視圖。圖22為本發明橫鑲牙齒鑲固部分的柱面上設置有平行於牙齒軸線的條齒，橫鑲牙齒齒頂寬度等於牙齒的鑲固部分長度但大於鑲固部分寬度時的橫鑲牙齒結構示意圖。圖23為圖22所示橫鑲牙齒鑲固於牙輪齒孔後，沿牙齒軸線剖切時的局部剖視圖。圖24為本發明蘑菇狀橫鑲牙齒的一種，橫鑲牙齒鑲固部分的柱面上設置有平行於牙齒軸線的條齒，橫鑲牙齒的下部鑲固部分與上部出露部分經臺階過渡，臺階面輪廓為鍵形，齒頂寬度大於下部鑲固部分長度時的橫鑲牙齒示意圖。圖25為本發明蘑菇狀橫鑲牙齒的一種，橫鑲牙齒鑲固部分的柱面上設置有平行於牙齒軸線的條齒，橫鑲牙齒的下部鑲固部分與上部出露部分經臺階過渡，臺階面輪廓為圓形，齒頂寬度大於下部鑲固部分長度時的橫鑲牙齒示意圖。圖26為圖24或圖25所示橫鑲牙齒鑲固於牙輪齒孔後,沿牙齒軸線剖切時的局部首1J視圖。圖27為橫鑲牙齒以條齒嵌入牙輪齒孔壁的方式鑲固於牙輪齒孔內的示意圖。圖28為橫鑲牙齒以條齒與牙輪齒孔形成多點接觸式的過盈配合方式鑲固於牙輪齒孔內的不意圖。圖29為本發明的橫鑲牙齒沿齒頂厚度方向上的兩個側面為內凹曲面，沿牙齒齒頂寬度方向看時的牙齒示意圖。圖30為本發明寬齒牙輪複合鑽頭的牙輪上採用圖15或圖24所示蘑菇狀橫鑲牙齒時的鑽頭俯視圖。圖31為本發明橫鑲牙齒的齒頂順著齒頂線方向的輪廓線沿齒的軸線方向的投影為圓弧形時的結構不意圖。圖32為圖31所示結構橫鑲牙齒沿牙齒軸線從牙齒頂部向齒底看時的示意圖。
具體實施例方式下列非限制性實施例用於說明本發明。如圖1至圖32所示，基本例為:包括鑽頭體1、固定切削結構4和至少一個牙輪2，牙輪2和固定切削結構4布置在鑽頭體I上，固定切削結構4上設置有固定切削齒41，牙輪通過軸承結構與鑽頭體I形成轉動連接，牙輪2上鑲固有橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉角α的取值範圍是70° ( I α I ( 90°，橫鑲牙齒3的鑲固部分31的橫斷面輪廓為非圓形。作為優選，橫鑲牙齒3可以為硬質合金齒、用金剛石加強的硬質合金齒、孕鑲金剛石齒等。本發明方案的每一橫鑲牙齒均可實現其作用，為了便於示例，各圖中均採用最常見的雙牙輪+雙固定翼的複合鑽頭或三牙輪+三固定翼的複合鑽頭，每一牙輪的各齒圈均為橫鑲牙齒，其並不代表與基本例以及其他優選例的衝突，僅為直觀示例，本領域技術人員不存在理解障礙。作為基本例的優選一，橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度W不小於牙齒鑲固部分31的寬度Wl。作為優選一的更優選，鑽頭體I上的至少一個牙輪2上至少有I個齒圈上，橫鑲牙齒3數目佔所在齒圈牙齒數的比率至少為50%。進一步優選，鑽頭體I的至少一個牙輪2上至少有I個齒圈均採用橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉角α的取值範圍是70° ( I α I ( 90° ;作為進一步優選，鑽頭體I上的每個牙輪都至少有I個齒圈採用橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉角α的取值範圍是70° ( I α | <90°。作為更優選，鑽頭體I上的每個牙輪都至少有I個齒圈採用4分齒頂寬度W不小於牙齒鑲固部31的寬度Wl的橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉角α的取值範圍是70° < | α | < 90°。作為進一步優選，鑽頭體I上的每個牙輪都至少有I個齒圈採用4分齒頂寬度W不小於牙齒鑲固部分31寬度Wl的橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉角α的取值範圍是80° ( I α I ( 90°。更優選，鑽頭體I上的每個牙輪都至少有I個齒圈採用4分齒頂寬度W不小於牙齒鑲固部分31的寬度Wl的橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉角α的取值範圍是80。( I α I彡90。。如圖6、圖9至圖18所示。作為優選二，橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度W大於等於鑲固部分31的長度LI。更優選，橫鑲牙齒3的齒頂偏轉角α的取值範圍是80° ( I α | <90°。橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度W等於鑲固部分的長度，圖12至14所示。橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度W大於鑲固部分31的長度LI，形成一上大下小的類似蘑菇狀，如圖15至19所示。圖15、16所示為本發明蘑菇狀橫鑲牙齒3的一種，橫鑲牙齒3的下部鑲固部分31與上部出露部分經臺階過渡，臺階面邊緣輪廓為鍵形。圖17、18所示為本發明蘑菇狀橫鑲牙齒3的一種，橫鑲牙齒3的下部鑲固部分31與上部出露部分經臺階過渡，臺階面邊緣輪廓為圓形。作為優選三，橫鑲牙齒3的齒頂為沿齒的軸線方向向上凸起的弧形，如圖14、19所示，橫鑲牙齒3的齒頂為圓弧狀。作為優選四，橫鑲牙齒3的齒頂順著齒頂寬方向的輪廓線沿齒的軸線方向的投影為圓弧形，如圖30、31所示，其能改善齒圈的圓度。作為優選五，牙輪2上的不同齒圈的橫鑲牙齒3全部或部分交錯布置。不同齒圈可以齒數相等，不同齒圈的每一橫鑲牙齒間均交錯；也可齒數不等，如內圈相對外圈每隔2個齒或更多齒交錯，或者間隔I個與多個的混雜方式等。如圖8所示，牙輪2上的第一、二排(靠牙輪底面的為第一排)齒圈的橫鑲牙齒3在牙輪輪錐周向上相互錯位布置。作為優選六，橫鑲牙齒3的齒頂兩端(沿齒頂寬的兩端)設有倒圓角或倒角，如圖14、19所示。作為優選七，所述橫鑲牙齒3的鑲固部分的柱面上設置有平行於牙齒軸線的齒狀直條(簡稱條齒)(如圖22、24、25)，且橫鑲牙齒3通過鑲固部分31柱面上的條齒嵌入牙輪齒孔壁的方式(如圖21、27)，或條齒與牙輪齒孔形成多點接觸式的過盈配合的方式鑲固於牙輪2的齒孔內(如圖28)。此時，鑲固部分的長度或寬度按照其橫截面的條齒凸頂輪廓進行計算，如圖20所示，鑲固部分的長度或寬度為條齒凸頂輪廓311 (所圍成區域)的長度或覽度。

作為優選八，所述橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度大於等於鑲固部分31的長度LI。如12、22所不，橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度等於鑲固部分31的長度LI ;如15、17、24、25所不，橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度大於鑲固部分31的長度LI。
作為優選九，所述牙輪2上的齒圈與所述固定切削結構4上的固定切削齒41徑向同軌布置。如圖3所示，牙輪上的齒圈3a與固定切削齒41a徑向同軌布置。作為優選十，所述橫鑲牙齒3的下部鑲固部分31的橫截面的輪廓由兩邊圓弧中間直線段連接而成，如圖10、13、16、18、21所示。或者,如圖11所示，圖中橫鑲牙齒3鑲固部分31的橫截面的輪廓(及牙輪齒孔的橫截面輪廓)由兩邊圓弧中間圓弧段連接而成。作為基本例及其優選一至十中任一的更優選A，鑽頭體I上的每個牙輪2的偏移值不大於鑽頭直徑的1.5%。作為基本例及其優選一至十中任一的更優選B，牙輪2上的橫鑲牙齒3的4分齒頂厚度不大於牙齒鑲固部分31寬度的四分之一,如圖13、16、18所不。作為更優選A或B的進一步優選，鑽頭體I上至少有50%的齒圈採用橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉角α的取值範圍是85° ( I α | <90°，且鑽頭體I上牙輪2的偏移值不大於鑽頭直徑的0.5%。更優選，鑽頭體I上至少有50%的齒圈採用橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉角α =90° (即橫鑲牙齒3的齒頂線與牙輪2的輪錐母線垂直)，且鑽頭體I上牙輪2不偏移(偏移值為0)，如圖1、2、8、9、30所示。更優選，橫鑲牙齒3沿齒頂厚度方向上的兩個側面為內凹曲面(如圖29),且牙齒的4分齒頂寬度W不小於牙齒鑲固部分31寬度Wl、4分齒頂厚度不大於牙齒鑲固部分31寬度Wl的四分之一。需要特別聲明的是，以上基本例及其各優選既為本發明的若干實施例，同時也是各種可選實施手段，本領域技術人員可知，上述各種可選實施手段可以進行各種可行的自由組合，由此可以產生更多的實施例，其均應在本發明的保護範圍內，並用以支持權利要求的保護:
比如，優選一至十之間的任意組合即可成為若干實施例；乃至，優選一的更優選(如，鑽頭體I上的至少一個牙輪2上至少有I個齒圈均採用橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉角α的取值範圍是70° ( I α I ( 90° ;或，鑽頭體I上的每個牙輪2都至少有I個齒圈採用橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉角α的取值範圍是70° ( I α | <90° ;或，鑽頭體I上的每個牙輪都至少有I個齒圈採用4分齒頂寬度W不小於牙齒鑲固部分31的寬度的橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉角α的取值範圍是70° ( I α | <90° ;等等)，也可與優選二至十之間任意組合，成為更多的實施例。在此不作更多的窮盡舉例，本領域技術人員可知其他的更多組合方式。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、組合、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種寬齒牙輪複合鑽頭，包括鑽頭體(I)、固定切削結構(4)和至少一個牙輪(2)，所述牙輪(2)和所述固定切削結構(4)布置在所述鑽頭體(I)上，所述固定切削結構(4)上設置有固定切削齒(41)，所述牙輪(2)通過軸承結構與所述鑽頭體(I)形成轉動連接，其特徵在於:所述牙輪(2)上鑲固有橫鑲牙齒(3)，且橫鑲牙齒(3)的齒頂偏轉角α的取值範圍是70° ( I α I <90。，橫鑲牙齒的鑲固部分(31)的橫斷面輪廓為非圓形。
2.按權利要求1所述的寬齒牙輪複合鑽頭，其特徵在於:所述橫鑲牙齒(3)的4分齒頂寬度不小於牙齒鑲固部分(31)的寬度。
3.按權利要求1所述的寬齒牙輪複合鑽頭，其特徵在於:所述橫鑲牙齒(3)的鑲固部分(31)的柱面上設置有平行於牙齒的軸線的齒狀直條，且橫鑲牙齒(3)通過鑲固部分(31)柱面上的齒狀直條嵌入牙輪(2)齒孔壁的方式，或齒狀直條與牙輪(2)齒孔形成多點接觸式的過盈配合方式鑲固於牙輪(2)的齒孔內。
4.按權利要求1所述的寬齒牙輪複合鑽頭，其特徵在於:所述牙輪(2)上的齒圈與所述固定切削結構(4 )上的固定切削齒(41)徑向同軌布置。
5.按權利要求1所述的寬齒牙輪複合鑽頭，其特徵在於:所述橫鑲牙齒(3)的4分齒頂寬度大於等於鑲固部分(31)的長度。
6.按權利要求1所述的寬齒牙輪複合鑽頭，其特徵在於:所述牙輪(2)上的不同齒圈的橫鑲牙齒(3)全部或部分交錯布置。
7.按權利要求1至6中任一權利要求中所述的寬齒牙輪複合鑽頭，其特徵在於:所述牙輪(2)上的橫鑲牙齒(3)的4分齒頂厚度不大於牙齒鑲固部分(31)寬度的四分之一。
8.按權利要求1至6中任一權利要求中所述的寬齒牙輪複合鑽頭，其特徵在於:所述鑽頭體(I)上的每個牙輪(2)的偏移值不大於鑽頭直徑的1.5%。
9.按權利要求7或8所述的寬齒牙輪複合鑽頭，其特徵在於:所述橫鑲牙齒(3)的齒頂偏轉角α的取值範圍是85° ( I α | <90°，且鑽頭體(I)上牙輪(2)的偏移值不大於鑽頭直徑的0.5%。
10.按權利要求9所述的寬齒牙輪複合鑽頭，其特徵在於:所述橫鑲牙齒(3)沿齒頂厚度方向上的兩個側面為內凹曲面，且牙齒的4分齒頂寬度不小於牙齒鑲固部分(31)寬度、4分齒頂厚度不大於牙齒鑲固部分(31)寬度的四分之一。
全文摘要
本發明公開了一種寬齒牙輪複合鑽頭，屬於石油天然氣、礦山工程、建築基礎工程施工、地質、水文等鑽探設備技術領域，具體的講涉及一種寬齒牙輪複合鑽頭。包括鑽頭體、固定切削結構和至少一個牙輪，牙輪和固定切削結構布置在鑽頭體上，固定切削結構上設置有固定切削齒，牙輪通過軸承結構與鑽頭體形成轉動連接，牙輪上鑲固有橫鑲牙齒，且橫鑲牙齒的齒頂偏轉角α的取值範圍是70°≤|α|≤90°，橫鑲牙齒的鑲固部分的橫斷面輪廓為非圓形。本發明提出一種新的牙輪結構形式，該複合鑽頭，牙輪工作平穩，鑽頭工作穩定性好，相對現有複合鑽頭具有更高破巖效率的同時，還具有更長的鑽頭牙齒和軸承的壽命，從而具有更長的鑽頭使用壽命。
文檔編號E21B10/16GK103089153SQ201310063630
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者楊迎新, 陳鍊, 任海濤, 林敏 , 包澤軍, 石擎天, 張春亮, 牛世偉 申請人:西南石油大學