CN110331942A - 一种用于破极硬岩石的反循环钻机上的滚刀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于破极硬岩石的反循环钻机的滚刀，包括主轴、刀壳和破岩齿。刀壳包括相邻设置的主刀壳和背刀壳；破岩齿包括设在主刀壳上的主齿和设在背刀壳上的背齿；每个主齿的主齿齿头凸出主刀壳的外周面的高度为12.5～15mm，主齿齿头的底部半径为18～20mm，主齿齿头的顶面是半径为5～6mm的球弧面，侧面是与顶面顺滑连接且半径为20～30mm的球弧面；背齿镶嵌在背刀壳的外周面上开设的两圈背齿孔中，两圈背齿孔的间距为15～20mm并错开布置；每个背齿的背齿齿根为圆柱体，背齿齿头为半球体。本发明的滚刀能在钻机施加1.5～3倍岩石的抗压强度的作用力时实现对抗压强度大于160MPa的岩石破岩。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于破极硬岩石的反循环钻机上的滚刀，主要用于钻破抗压强度大于160MPa的极硬岩石。
背景技术
在进行海上风电场高桩承台钢管桩嵌岩基础施工中，需要穿越中微风化岩石进行嵌岩钻孔施工，所穿越的中微风化岩石抗压强度集中在120～150MPa，属于硬岩，岩体完整性好，采用目前现有的大直径反循环嵌岩钻机变径钻头刀具进行嵌岩钻孔进尺速度及硬岩破碎效率偏低，且在钻进过程中，镶齿滚刀的磨损程度高，使用寿命低。
目前，国内各施工单位使用的反井钻机在破碎高强度硬岩时，其钻头滚刀刀具主要来自德国、美国、意大利和韩国等进口品牌，存在价格昂贵、磨损率高、寿命短、钻进效率低等问题。国内各大刀具厂家对于高强度硬岩破碎滚刀刀具的技术研发，也一直处于不断探索和实践中。
现有的滚刀刀具的设计缺陷及早期磨损失效情况如下：
(1)滚刀刀具上的主破岩齿40传递作用力的面积小，主破岩齿40的形状没有弧度，不能够产生侧向分力，不利于产生裂缝闭合，破岩效率低；
(2)滚刀刀具上的主破岩齿40凸出刀壳表面的高度仅为10mm(见图1)，小于破碎岩石厚度的2倍，破碎小石块及石粉容易产生堵塞(见图2)并产生二次破碎，不利于主破岩齿40连续破岩，且刀壳4容易被磨损；
(3)滚刀刀具主轴的抗压强度低，为4t～8t，不具备传递大于1.5倍岩石抗压强度作用力的能力。当岩石的抗压强达到160MPa时，一个现有的滚刀刀具同时有4～5个破岩齿接触硬岩岩面，经过计算，破碎该硬岩需要的抗压强度为＝160MPa×1.5(经验破岩系数)×9.8(重力常数)×5(破岩齿的数量)＝11760kg＝11.76t，该抗压强度大于现有滚刀刀具主轴的最大抗压强度8t。因此现有的滚刀刀具无法提供足够的抗压强度进行该硬岩的破碎。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种用于破极硬岩石的反循环钻机上的滚刀，它能在钻机施加1.5～3倍岩石的抗压强度的作用力时钻破抗压强度大于160MPa的岩石。
本发明的目的是这样实现的：一种用于破极硬岩石的反循环钻机的滚刀，包括主轴、套装在主轴上的刀壳和安装在刀壳的外表面上的破岩齿。
所述刀壳包括相邻设置的主刀壳和背刀壳，主刀壳和背刀壳均为圆台形，且主刀壳的上底位于刀壳的一端，背刀壳的上底位于刀壳的另一端；
所述破岩齿包括设在主刀壳上的主齿和设在背刀壳上的背齿；其中，
所述主齿镶嵌在主刀壳的外周面上均布开设的主齿孔中；每个主齿包括设于主齿孔内的主齿齿根和位于主齿齿根的顶部且外凸于所述主刀壳的外周面的主齿齿头；所述主齿齿根是半径为18～20mm的圆柱体；所述主齿齿头凸出主刀壳的外周面的高度为12.5～15mm，主齿齿头的顶面是半径为5～6mm的球弧面，主齿齿头的侧面是与顶面顺滑连接且半径为20～30mm的球弧面；
所述背齿镶嵌在所述背刀壳的外周面上开设的两圈背齿孔中，该两圈背齿孔的间距为15～20mm并错开布置；每个背齿包括设于背齿孔内的背齿齿根和位于背齿齿根的顶部且外凸于所述背刀壳的外周面的背齿齿头；所述背齿齿根为圆柱体；所述背齿齿头为半球体。
上述的用于破极硬岩石的反循环钻机上的滚刀，其中，所述主轴包括一段位于刀壳内腔中的圆轴和两段各自位于圆轴两端且凸出所述刀壳的两端面的方轴；所述圆轴的中部设有凸缘，该凸缘的外径小于主刀壳的内径；该凸缘的主侧和背侧各自依次设置一个推力轴承和轴套，每个轴套内均设有一圈滚柱，两个轴套和滚柱的外端均设置密封圈；位于凸缘背侧的轴套的外端还设有端盖。
上述的用于破极硬岩石的反循环钻机上的滚刀，其中，所述主轴的主侧端面的中心轴向开设一个通到主轴中部的轴向油道，该轴向油道内设置一个压力平衡活塞；所述主轴的凸缘外周面上径向开设一个与轴向油道连通的径向油道。
本发明的用于破极硬岩石的反循环钻机上的滚刀具有以下特点：由于安装在主刀壳上的主齿的齿头呈半个橄榄球形，即齿头的侧面为球弧面，能在挤压破岩时产生不断变化的多角度的侧向分力，使岩石疲劳，开裂，裂缝延伸，裂缝闭合，脱落；另外由于主齿的齿头具有12.5～15mm的凸出主刀壳表面的高度，便于脱落的小石块或石粉被实时吸走，有效阻止了脱落石块或石粉阻碍主齿再次接触鲜岩而产生二次破碎，因此提高了破岩效率。本发明的滚刀，能在钻机施加1.5～3倍岩石的抗压强度的作用力(扭矩力和下压力)时，钻破抗压强度大于160MPa的岩石，并且破岩的速度能达到25cm/h。
附图说明
图1是现有技术的用于大口径反循环钻机上的滚刀的局部结构示意图；
图2是现有技术的用于大口径反循环钻机上的滚刀的工作状态图；
图3是本发明的用于破极硬岩石的反循环钻机上的滚刀的立体图；
图4是本发明的用于破极硬岩石的反循环钻机上的滚刀的主视图；
图5是本发明的用于破极硬岩石的反循环钻机上的滚刀的轴向剖面图；
图6是本发明的用于破极硬岩石的反循环钻机上的滚刀的工作状态图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图3至图6，本发明的用于破极硬岩石的反循环钻机的滚刀，包括主轴1、套装在主轴1上的刀壳和安装在刀壳的外表面上的破岩齿。
主轴1包括一段位于刀壳内腔中的圆轴和两段各自位于圆轴两端且凸出刀壳的两端面的方轴；圆轴的中部设有凸缘，该凸缘的主侧和背侧各自依次设置一个推力轴承11和轴套12、13，每个轴套12、13内均设有一圈滚柱14、15，两个轴套12、13与滚柱14、15的外端均设置密封圈16；位于凸缘背侧的轴套13的外端还设有端盖17。主轴1的主侧端面的中心轴向开设一个通到主轴1中部的轴向油道18，该轴向油道18内设置一个压力平衡活塞180；主轴1的凸缘外周面上径向开设一个与轴向油道18连通的径向油道19。主轴1的两头方轴上各自开设刀座连接孔10。轴向油道18和径向油道19内充满用于滚柱14、15滑动和两个推力轴承11运转的润滑油。当滚刀在水下50米工作时其外部压力为5Kg，大于轴向油道18和径向油道19内的润滑油的压力时，压力平衡活塞180将根据内外压力差移动位置，进而产生平衡。
刀壳包括相邻设置的主刀壳21和背刀壳22，主刀壳21和背刀壳22均为圆台形，且主刀壳21的上底位于刀壳的一端，背刀壳22的上底位于刀壳的另一端。
破岩齿包括设在主刀壳21上的主齿31和设在背刀壳22上的背齿32；其中：
主齿31镶嵌在主刀壳21的外周面上均布开设的主齿孔中；每个主齿31包括设于主齿孔内的主齿齿根和位于主齿齿根的顶部且外凸于主刀壳21的外周面的主齿齿头；主齿齿根是半径为18～20mm的圆柱体；主齿齿头凸出主刀壳21的外周面的高度为12.5～15mm，主齿齿头呈半个橄榄球形，即主齿齿头的顶面是半径为5～6mm的球弧面，主齿齿头的侧面是与顶面顺滑连接且半径为20～30mm的球弧面；
背齿32镶嵌在背刀壳22的外周面上开设的两圈背齿孔中，该两圈背齿孔的间距为b＝15～20mm并错开布置；每个背齿32包括设于背齿孔内的背齿齿根和位于背齿齿根的顶部且外凸于背刀壳22的外周面的背齿齿头，背齿齿根为圆柱体，背齿齿头为半球体。
本发明的反循环钻机的滚刀工作时，先将主轴1通过刀座连接孔10固定安装在钻头的刀座上，然后打开钻机，安装在钻头上的滚刀随钻头公转而产生自转，通过滚刀及滚刀的破岩齿将钻头的扭矩力和自重再加钻机的下压力传递到岩石面上，主刀壳21上的主齿31挤压岩石产生初始裂纹，同时背刀壳22上的背齿32继续挤压岩石产生的初始裂纹，扩张初始裂纹，使岩石出现疲劳，开裂，裂缝闭合，脱落，从而完成破岩工作。
由于钻机的破岩机理是作用力大于反作用力，抗压强度160PMa的岩石实际上也是岩石对破岩滚刀的最大反作用力，要实现钻破抗压强度大于160MPa的岩石应具备的条件是：
1.滚刀上的破岩齿的抗折力应大于岩石的抗压强度；
2.破岩齿贯入岩石面的投影面积应具备传递破岩系数为1.5～3倍的岩石反作用力才能实现高效破抗压强度大于160MPa的岩石，破岩的单位面积系数越大破岩效率越高；
3.破岩齿的侧面应对岩石产生不断变化的多角度的侧向分力，使岩石疲劳，开裂，裂缝延伸，裂缝闭合，脱落；
4.破岩齿的齿头应具备足够的凸出高度，便于脱落的小石块或石粉被实时吸走，防止脱落的石块或石粉阻碍破岩齿再次接触鲜岩而产生二次破碎，降低破岩效率。
本发明的用于钻破极硬岩石的反循环钻机的滚刀，由于安装在主刀壳21上的主齿31的主齿齿头呈半个橄榄形，即主齿齿头的侧面为球弧面，能在挤压破岩时产生不断变化的多角度(30°～60°)的侧向分力，使岩石疲劳，开裂，裂缝延伸，裂缝闭合，脱落(见图6)，另外由于主齿31的主齿齿头具有12.5～15mm的凸出主刀壳21的表面的高度，便于脱落的小石块或石粉被实时吸走，有效阻止了脱落石块或石粉阻碍主齿31再次接触鲜岩而产生二次破碎，因此提高了破岩效率。本发明的滚刀，能在钻机施加1.5～3倍岩石的抗压强度的作用力(扭矩力和下压力)时，钻破抗压强度大于160MPa的岩石，且破岩速度能达到25cm/h。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。
Claims (3)
1.一种用于破极硬岩石的反循环钻机的滚刀，包括主轴、套装在主轴上的刀壳和安装在刀壳的外表面上的破岩齿，其特征在于，
所述刀壳包括相邻设置的主刀壳和背刀壳，主刀壳和背刀壳均为圆台形，且主刀壳的上底位于刀壳的一端，背刀壳的上底位于刀壳的另一端；
所述破岩齿包括设在主刀壳上的主齿和设在背刀壳上的背齿；其中，
所述主齿镶嵌在主刀壳的外周面上均布开设的主齿孔中；每个主齿包括设于主齿孔内的主齿齿根和位于主齿齿根的顶部且外凸于所述主刀壳的外周面的主齿齿头；所述主齿齿根是半径为18～20mm的圆柱体；所述主齿齿头凸出主刀壳的外周面的高度为12.5～15mm，主齿齿头的顶面是半径为5～6mm的球弧面，主齿齿头的侧面是与顶面顺滑连接且半径为20～30mm的球弧面；
所述背齿镶嵌在所述背刀壳的外周面上开设的两圈背齿孔中，该两圈背齿孔的间距为15～20mm并错开布置；每个背齿包括设于背齿孔内的背齿齿根和位于背齿齿根的顶部且外凸于所述背刀壳的外周面的背齿齿头；所述背齿齿根为圆柱体；所述背齿齿头为半球体。
2.根据权利要求1所述的用于破极硬岩石的反循环钻机上的滚刀，其特征在于，所述主轴包括一段位于刀壳内腔中的圆轴和两段各自位于圆轴两端且凸出所述刀壳的两端面的方轴；所述圆轴的中部设有凸缘，该凸缘的外径小于主刀壳的内径；该凸缘的主侧和背侧各自依次设置一个推力轴承和轴套，每个轴套内均设有一圈滚柱，两个轴套和滚柱的外端均设置密封圈；位于凸缘背侧的轴套的外端还设有端盖。
3.根据权利要求2所述的用于破极硬岩石的反循环钻机上的滚刀，其特征在于，所述主轴的主侧端面的中心轴向开设一个通到主轴中部的轴向油道，该轴向油道内设置一个压力平衡活塞；所述主轴的凸缘外周面上径向开设一个与轴向油道连通的径向油道。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191015 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |