牙轮钻机

第5章牙轮钻机让人真正得到全面发展，这是教育理论的核心和本质问题；如何塑造社会发展进步所需要的人，这是教育的本质问题。武汉理工大学机电工程学院第5章牙轮钻机武汉理工大学机电工程学院第一节牙轮钻机的发展概况第二节牙轮钻头的类型第三节牙轮钻头运动学及凿岩原理第四节KY—250A型牙轮钻机第六节牙轮钻机的发展第五节牙轮钻机工作参数的确定5.1牙轮钻机的发展概况我国从1958年起研制牙轮钻机，自1976年定型并批量生产HYZ-250C牙轮钻机以后，牙轮钻机的研制和应用迅速发展起来。首先研制了KY系列牙轮钻机，钻孔范围为120~310mm，有五种机型，其中KY-250钻机已有近五十台应用于各种大型露天矿，其性能相当于美国45-R钻机；近年来，又开发了YZ系列牙轮钻机，钻孔范围为90~380mm，有三种机型。其中YZ-35、YZ-55钻机的性能与美国的同类型产品45-R、60-R钻机不相上下，且略高于原苏联同类型钻机250MH、C320的水平。当前，我国牙轮钻机的设计、制造水平和钻孔技术己经达到了世界先进水平。国产牙轮钻机的技术特征列于表5-1。国外牙轮钻机的技术特征列于表5-2。返回5.2牙轮钻头的构造三牙轮钻头由切削元件（牙轮），轴承和钻头体（牙爪）三个主要部分组成。牙轮安装在轴承上，绕着轴承芯轴转动，轴承芯轴则与钻头体连成一体，当钻头转动时，具有一定轴芯偏移和轴芯倾角的牙轮将产生挤压，铲凿和刮削作用，在地层中产生最佳的钻进效果。比较一三牙轮钻头的构造主要部件是牙爪、牙轮和轴承。三个牙爪12合并在一起，焊接成一个整体。与钻杆连接的端部螺纹，一般为英制圆锥管螺纹。三个牙轮l分别套在三个牙爪12下端的轴颈10上。滚珠6从牙爪背上的塞销孔送入滚珠轴承跑道内，滚珠将牙轮限定在牙爪轴颈上。将塞销11尾部堵焊在牙爪背上。为了防止轴承过热和被异物堵塞，采用压气或气水混合物冷却并吹洗轴承。由中空钻杆通入钻头的压缩空气或气水混合物，大部分经中央喷管喷出，用于排碴；少部分经由轴承风道13进入滚珠轴承跑道和小轴端部，用以冷却和吹洗轴承。为了防止突然停风时岩碴倒流入轴承风道，在钻头内腔安装有止逆阀。⒈牙爪（钻头体）牙爪是形状复杂的异形体。其主要部分是各轴承的轴颈2、3、4，爪背9以及牙爪体上部与钻杆相联接的螺纹8。轴颈轴线与钻头轴线的夹角β叫做轴倾角，一般为50°~55°。为了减少爪背9的磨损，在爪背与孔壁之间有1°30′~5°的夹角。为了增强爪尖1的抗磨损能力，在爪尖外表堆焊一薄层硬质合金粉，并镶焊一些平头合金柱(如图5-2)。钻机施加给钻头上的轴压，通过轴颈及轴承传给牙轮。为了增强轴颈的耐磨性，在轴颈4和小轴端面10上堆焊有耐磨合金层5。⒉牙轮（切削元件）在牙轮的外表面上钻有若干排孔，用冷压方法将硬质合金柱压入孔内。每一排柱齿都构成一个齿圈。各齿圈之间有一定宽度的齿槽，满足排渣需要。在背锥上镶嵌有平头硬质合金柱7、8，防止背锥磨损。牙轮内部设有滚柱跑道、滚珠跑道、滑套和止推块空腔。⒉牙轮（布齿方式）各牙轮的中间齿圈相间布置，互不重复——自洁式布齿。内齿圈部分重复；边齿圈相互重复；布齿原则⑴各齿圈上的柱齿齿痕能完全覆盖孔底；⑵各牙轮任何时候接触孔底的齿数相等——三牙轮负载均匀；⒊轴承牙轮钻头按轴承的类型一般分为两类：滑动轴承钻头和滚动轴承钻头，具有滑动—滚珠轴承结构的钻头叫滑动轴承钻头，而具有滚柱—滚珠轴承结构的钻头叫滚动轴承钻头。为了防止钻井液进入轴承，并适应各种不同转速的要求，密封轴承钻头采用了特殊的密封件材料和结构。在钻进作业时，储存在压力补偿储油密封系统中的润滑脂，不断的供给轴承，减少了磨擦扭矩和磨损。为了延长钻头寿命，承受极大冲击载荷的轴承采用优质合金钢材制成，并对轴承表面进行特殊热处理。在牙轮内孔表面嵌有能减少磨擦的合金，在轴颈上焊有抗咬合的耐磨合金，因此滑动轴承的使用寿命较长。密封轴承二三牙轮钻头的类型三牙轮钻头按齿形分为两大类：铣齿钻头和镶齿钻头。为了在具有不同硬度的各类地层中钻进，铣齿钻头的切削齿和镶齿钻头中所用的硬质合金齿被加工成各种不同的形状和尺寸。（川石牌）三牙轮钻头所用的镶齿有以下几种：球形，锥球形，瓢形，偏顶瓢形，多边形，平头形以适应各类地层。（川石牌）三牙轮钻头的硬度分为七个等级：极软，软，中软，中等，中硬，硬，极硬等，铣齿钻头的硬度等级分别由数字1至7代表，镶齿钻头的硬度等级分别由数字11至77代表。正确选择适合地层硬度等级的齿形是获得最大机械钻速的关键。SH系列三牙轮钻头最佳的布齿位置和齿所选用的优质硬质合金钢材，有助于钻头在钻进中获得最大效率；选用最佳密封压缩量、具有特殊密封结构的优化密封设计，有效地提高了轴承密封的性能；改善的外排齿结构和表面硬化处理的裙部使钻头具有更好的规径保护；可限制压差并防止泥沙堵塞传压孔的先进贮油补偿结构增加轴承润滑的可靠性；牙爪轴头堆焊耐磨合金材料，牙轮内孔表面进行特殊工艺处理，因此提高轴承承载能力和延长使用寿命。SHJ系列金属密封滑动轴承喷射式镶齿钻头1.SHJ系列镶齿钻头不仅保留了SH系列钻头的优点，而且采用了世界最新的金属密封技术，确保轴承密封更有效，更持久，适应更高转速；2.采用最佳的布齿结构和选用优质硬质合金齿材料有助于钻头在钻进中获得最大效率；3.牙爪轴颈堆焊耐磨合金材料，牙轮内孔表面进行特殊工艺处理。因此提高了轴承承载能力、延长了使用寿命。SHT系GT齿滑动密封轴承喷射式钻头1.SHT系列镶齿钻头不仅保留了SH系列镶齿钻头的优点，而且采用了最新的GT技术，大幅度的增加钻头的规径保护能力和机械转速；2.切削元件采用最新的瓢形硬质合金齿，具有更大的直径和出刃高度，提高了钻进速度；3.特殊的橡胶密封结构和新型的胶圈材料加强了大轴密封系统的可靠性，延长了密封寿命；4.新型的压差式储油密封补偿系统更可靠。SK系列镶齿非密封空气滚动轴承钻头1.特殊的钻头结构适合于矿山钻进使用；2.最佳齿面结构设计使钻头既具有最大的井底覆盖率，又增大了牙轮体间的排屑通道，因此钻头钻进更平稳，能保持更高的钻进速度；3.轴承具有更高的负荷强度，更强的耐磨性，适应更快的转速和具有更长的使用寿命；4.SK系列的三牙轮钻头使用压缩空气作为穿孔介质。合理的喷嘴角度不仅增加排屑率，而且将喷屑对牙轮的冲蚀减至最小；5.牙爪背部镶嵌平头硬质合金保径齿，牙爪裙部敷焊碳化钨耐磨合金粉以延缓规径磨损。XMP系列滚动密封轴承镶齿钻头1.优化牙轮齿面结构布置和优选硬质合金齿材料、齿形，有助于提高牙轮齿的破岩效率。2.滚动加钢球锁紧牙轮轴承结构，具有承受较高钻压和适应高转速的能力。3.止推轴承副表面焊敷耐磨合金和减磨处理，提高了钻头承受轴向载荷和止推面抗咬合的能力。4.加强牙轮外排齿，牙爪裙部焊敷高耐磨合金增强钻头保径。三牙轮钻头结构参数090轴倾角β的大小，直接影响着牙轮轴承的受力状况和轴承的强度。减小轴倾角，可以使轴承的径向负荷减小。随着岩石硬度的提高，轴压力必须增大。为了减小轴承的径向负荷以延长钻头的寿命，而适当地减小轴倾角。但是轴倾角减小后，相邻两牙轮之间的轴间角减小了，轴承的结构尺寸也随之减小，从而削弱了轴承的强度。从增加轴承尺寸来提高轴承强度的方法来说，希望尽量增大轴倾角。矿用牙轮钻头的轴倾角多采用β=54°。孔底角α应保证有足够的轴向推力。当牙轮磨损后，可通过止推轴承的磨损并在轴向推力的作用下，使牙轮向外移位，保证钻孔直径不因牙轮的磨损而变小。四牙轮钻头使用中的问题牙轮钻头使用中常见的问题是规径的极度磨损，这一问题的严重性随着地层硬度的增加而增加。为了加强规径保护，在牙轮规径面嵌有硬质合金保径齿，并且在钻头裙部和钢齿钻头的齿面焊敷耐磨性强的合金材料。钻井液是直接影响钻井工作成功的最重要因素之一。在操作中所需要的钻井液随不同的钻井条件而不断更换。川石牌三牙轮钻头适合在所有钻井液中工作。返回5.3牙轮钻头运动学及凿岩原理工作时，加压机构通过钻杆给钻头施以很高的轴向压力，牙轮则被压在孔底上。当回转供风机构使钻具以一定的转速回转时，钻头上的各个牙轮，既绕钻杆轴线公转，又可以绕本身轴线自转。在设计牙轮钻头时，需要确定牙轮的运动学参数；在选用牙轮钻头时，必须了解因牙轮的布置方式不同，致使运动状态不同，其破碎岩石的效果也不同。牙轮在孔底的运动是非常复杂的，其运动学参数不仅与钻杆的运动参数、轴压力、牙轮布置方式、牙轮形状有关，而且还与孔底的环境、轴承的好坏、钻杆的变形等因素有关。返回一、牙轮的运动分析及其转速的计算(1)只考虑钻头上一个单锥牙轮的运动，钻头的孔底角为零；(2)钻杆匀速转动；(3)孔底为刚体；(4)不超顶不移轴布置和移轴布置的牙轮作纯滚动，超顶布置的牙轮由于轴压力的作用获得最大转速。牙轮锥体的顶点落在钻杆轴线上，称为不超顶不移轴布置。假设1.不超顶不移轴布置牙轮锥体的顶点落在钻杆轴线上，称为不超顶不移轴布置。以牙轮轴OA为动参考系，则OA轴连同牙轮绕钻杆轴线的转动为牵连运动，牙轮绕OA轴的自转为相对运动。根据运动的合成原理，有LTHvvv动点的相对速度矢量动点的牵连速度矢量动点的绝对速度矢量孔底接触线Om上的最外一点m，其vT、vL方向如图所示，它们在x轴上的投影为零0LxTxHxvvv0LyTyHyvvv0LTrR0LTrnRnsinTTLnrRnn牙轮锥半顶角牙轮锥体的顶点落在钻杆轴线上，称为不超顶不移轴布置。牙轮作纯滚动，m点的绝对速度在y轴上的投影为零牙轮转速钻杆转速⒉移轴布置牙轮轴线OA相对于钻头X轴线移动一垂直距离s，称为移轴布置。点m的速度为、，将它们投影到x轴上，有TvLvTTLxTxHxsmOvvvsinm点在x方向的绝对速度，即沿接触线方向的滑动速度，负号表示速度方向为所设x轴的负方向，mm/s；移轴距，mmOm与x轴正向的夹角，同样，根据假设(4)，对于m点0HyLyTyvvv0cosLTrmO03030LTnrmomonmosinTTLnnrmon移轴引起牙轮沿接触线方向滑动，滑动速度的大小与移轴距和钻杆转速成正比；当牙轮锥半顶角和钻杆转速相同时，移轴布置与不超顶不移轴布置的牙轮转速大小相等。结论⒊超顶布置⑴牙轮轴线与钻杆轴线相交，但锥顶点不在钻杆轴线上，对副锥来说就是超顶布置设超顶量为K，以锥顶点0'为原点，建立坐标系。TTKxv)(sinLLxv此两式即为、的分布函数，它们的方向和在接触线上的分布如图中的速度图所示。由图可见，、在x轴上的投影为零，所以0LxTxHxvvvTvLv速度矢量在y方向上的分量表达式TLTLTLyTyHyKxxKxvvv)sin(sin)(TvLv由叠加后的速度图可见，在接触线上存在一个绝对速度为零的纯滚动点o“。令上式的左边为零，可求得这个纯滚动点的坐标为LTvvLvTvsinLTTKx对于在接触线上到锥顶点0'的距离为x的点，其牵连速度和相对速度的大小分别为⒊超顶布置⑵LTvvTvLv当x=K时，则ωL=0，此时牙轮卡死不转；当x增大时，ωL亦增大，纯滚动点O向大端方向移动。当纯滚动点处于接触线右端点m时，牙轮的转速最大，此时sinrmoxsinmaxTLsinmaxTLnnrKsin1或Δ称为牙轮最大转速时的速度降低系数超顶布置使牙轮的转速比不超顶不移轴布置时降低了，而且在接触线上除一个纯滚动点外，其余各点在截圆切线方向上有滑动。结论sinLTTKx代入得sinTTLnrRnn不超顶不移轴布置时二牙轮的纵向振动上述运动分析中，为了简化问题，把牙轮看作是光面锥轮。事实上牙齿在锥面外是有一定高度的。钻孔时，牙轮绕本身轴线旋转而滚动，交替地由二个齿着地变为一个齿着地，如图所示。当A、B两齿同时着地时，齿圈中心C的位置最低；当B齿离地变为A齿着地后，齿