CN219826718U - 具有剪切破碎功能的风钻钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及了具有剪切破碎功能的风钻钻头，具有按钻进方向呈前后分布的多个工作面，形成最前端工作面和至少一个非前端工作面；最前端的工作面由前端刀具组构成，最前端工作面之后的非前端工作面由非前端刀具组构成；所述前端刀具组用于钻出钻槽，所述非前端刀具组用于在钻槽的后开口边缘附近进行钻进，对钻槽的后开口边缘提供向钻槽内方向的力而形成剪切式破坏，并扩大钻槽的后开口。本实用新型的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头，通过前后分布的工作面具有距离差的设计，可使位于后侧的工作面对其前侧的工作面所形成的钻槽在后开口的边缘处进行剪切破碎，大幅提高了破碎效率；设计巧妙，钻进速度快，能耗相对较低。

Description

具有剪切破碎功能的风钻钻头

技术领域

本实用新型涉及凿岩钻孔设备领域，特别是涉及一种具有剪切破碎功能的风钻钻头。

背景技术

传统冲击式凿岩钻头在作业时，包括冲凿、回转和清渣三个主要过程，其中冲凿作业对岩石产生了破坏，并完成对岩石的钻进。其破坏机理和过程如下：

1、跃进式破坏：作用于钻头刀具上的外载荷增加时，岩石首先产生弹性形变，刀具伸入的深度也随之增加；但当外载荷增至一定值时，侵深迅速增加，载荷下降产生了第一次跃进式破坏；此后载荷增加时，侵深又随压力的增加而增大；当其达到一定值以后，将发生第二次跃进式破坏，依次循环，使钻头刀具深入岩石内部，并将与刀具接触的岩石剪切压碎，形成刻痕和岩粉。

2、产生承压核：由于第一步的跃进式破坏，刀具伸入岩石部位产生岩粉，岩粉与下部的岩石组成阻碍刀具的承压核；它的形成改变了刀具作用在岩石的边界条件，从而改变了岩石内部应力分布。

3、形成破碎漏斗；在刀具侵入岩石发生跃进式破坏的时候，刀具和岩粉向外面施加压力，对岩石表面形成小范围的剪切破坏，并形成细小剪切破碎颗粒，在岩石上形成漏斗状的崩碎坑，称之破碎漏斗；其中，不论压头形式、侵入方式及岩石的种类如何，漏斗的顶角变化都不大，一般为120-150°。

上述岩石的冲击破坏机理同样遵从于岩石强度和破坏机理，根据岩石强度和破坏机理，岩石强度包括抗压强度(单轴抗压强度和三轴抗压强度)、抗剪强度(包括直剪抗剪强度、双轴抗剪强度和三轴抗剪强度)、抗拉强度。其中强度大小依次为：三轴抗压强度、单轴抗压强度、三轴抗剪强度、直剪抗剪强度、抗拉强度。其中岩石的单轴抗压强度是直剪抗剪强度和抗拉强度的10-15倍，而三轴抗压强度和三轴抗剪强度随着外力增加而增加，明显大于单轴抗压和单轴抗剪强度。

上述岩石破坏机理说明岩石抗压、不抗剪、更不抗拉。为此，如果想对岩石进行破坏，最好多采用剪切破坏和拉破坏，减少压力破坏。

冲击式钻头对岩石钻进属于在岩石内聚力包裹下的三轴抗压破坏，因受到岩石自身内聚力的保护，刀具不能对岩石产生整体承压破坏和剪切破坏，只能通过冲击压力压碎少量岩石形成上述岩粉，又通过岩粉和刀具挤压周边产生破碎漏斗，单次冲击破坏岩石的功效很低，所以，钻具只有通过往复冲击破坏才能完成对岩石的钻进。正因为此，冲击式钻头钻进速度缓慢、能耗高、对刀具强度要求高。

传统冲击风钻钻头有常用的一字型合金片钻头、十字型合金片钻头、球形柱齿钻头、扩孔钻头等。其凿岩钻进的方式都是采用上述冲击破坏方式。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种具有剪切破碎功能的风钻钻头，通过前后分布的工作面具有距离差的设计，可使位于后侧的工作面对其前侧的工作面所形成的槽进行侧壁上的剪切破碎，大幅提高了破碎效率；设计巧妙，钻进速度快，能耗相对较低。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：具有剪切破碎功能的风钻钻头，其特征在于：具有按钻进方向呈前后分布的多个工作面，形成最前端工作面和至少一个非前端工作面；最前端的工作面由前端刀具组构成，最前端工作面之后的非前端工作面由非前端刀具组构成；所述前端刀具组用于钻出钻槽，所述非前端刀具组用于在钻槽的后开口边缘附近进行钻进，对钻槽的后开口边缘提供向钻槽内方向的力而形成剪切式破坏，并扩大钻槽的后开口。

进一步地，所述前端刀具组作用于被钻处时，形成破碎漏斗，该破碎漏斗为向前并向四周扩散的裂隙，被钻处由破碎漏斗形成碎块，该碎块脱落后形成钻槽新的前端。

进一步地，所述非前端刀具组作用于钻槽的后开口边缘附近位置时，形成剪切破坏裂隙，该剪切破坏裂隙为主要向钻槽内壁扩散的裂隙，钻槽后开口边缘由剪切破坏裂隙形成碎块，该碎块脱落后形成钻槽新的后开口。

进一步地，所述风钻钻头还包括刀具安装座；所述前端刀具组和非前端刀具组皆安装在刀具安装座的前端。

进一步地，前端刀具组与非前端刀具组按序由内向外由前向后布置。

进一步地，前端刀具组与非前端刀具组按序由外向内由前向后布置。

进一步地，所述前端刀具组包括至少一个刀具。

进一步地，所述前端刀具组包括多个刀具，多个刀具规则分布。

进一步地，所述非前端刀具组包括至少一个刀具。

进一步地，所述非前端刀具组包括多个刀具，多个刀具规则分布。

本实用新型的优点：本实用新型的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头，通过前后分布的工作面具有距离差的设计，可使位于后侧的工作面对其前侧的工作面所形成的钻槽在后开口的边缘处进行剪切破碎，大幅提高了破碎效率；设计巧妙，钻进速度快，能耗相对较低。

附图说明

图1为实施例一至实施例三的具有剪切破碎功能的风钻钻头的钻进原理的示意图；

图2为实施例一的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的立体示意图；

图3为实施例一的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的主视示意图；

图4为实施例一的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的仰视示意图；

图5为图4的A-A的剖视示意图；

图6为实施例一的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的左视示意图；

图7为图6的B-B的剖视示意图；

图8为实施例二的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的立体示意图；

图9为实施例二的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的主视示意图；

图10为实施例三的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的立体示意图；

图11为实施例三的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的主视示意图；

图12为实施例三的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的仰视示意图；

图13为实施例四至实施例七的具有剪切破碎功能的风钻钻头的钻进原理的示意图；

图14为实施例四的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的立体示意图；

图15为实施例四的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的主视示意图；

图16为实施例四的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的仰视示意图；

图17为图16的C-C的剖视示意图；

图18为实施例五的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的立体示意图；

图19为实施例五的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的主视示意图；

图20为实施例六的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的立体示意图；

图21为实施例六的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的主视示意图；

图22为实施例七的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的立体示意图；

图23为实施例七的一种具有剪切破碎功能的风钻钻头的主视示意图。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解，下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不对本实用新型的保护范围构成限定。

以下实施例提供了具有剪切破碎功能的风钻钻头，皆具有按钻进方向呈前后分布的多个工作面1，形成最前端工作面和至少一个非前端工作面；最前端的工作面1由前端刀具组2构成，最前端工作面之后的非前端工作面由非前端刀具组3构成；所述前端刀具组2用于钻出钻槽4，所述非前端刀具组3用于在钻槽4的后开口边缘附近进行钻进，对钻槽4的后开口边缘提供向钻槽内方向的力而形成剪切式破坏，并扩大钻槽4的后开口；前端刀具组2与非前端刀具组3皆采用至少一个刀具。

以下实施例提供的具有剪切破碎功能的风钻钻头中，所述前端刀具组2作用于被钻处时，形成破碎漏斗5，该破碎漏斗为向前并向四周扩散的裂隙，被钻处由破碎漏斗形成碎块，该碎块脱落后形成钻槽4新的前端；破碎漏斗即为现有的钻进方式(冲击钻进)所形成的。

以下实施例提供的具有剪切破碎功能的风钻钻头中，所述非前端刀具组3作用于钻槽的后开口边缘附近位置时，形成剪切破坏裂隙6，该剪切破坏裂隙为主要向钻槽4内壁扩散的裂隙，钻槽4后开口边缘由剪切破坏裂隙形成碎块，该碎块脱落后形成钻槽4新的后开口。

以下实施例提供的具有剪切破碎功能的风钻钻头中，所述风钻钻头还包括刀具安装座9；所述前端刀具组2和非前端刀具组3皆安装在刀具安装座9的前端。

在实际应用中，刀具可采用现有的任意钻头形式，包括但不限于具有一字型合金片的刀具(下称一字型刀具)，具有两片平行的一字型合金片的刀具(下称平行刀具)，具有十字型合金片的刀具(下称十字型刀具)，工作面为方形平面的刀具(下称方形刀具)，工作面为圆头的刀具(下称圆头刀具)，工作面为楔形的刀具(下称楔形刀具)；前端刀具组2或非前端刀具组3在采用多个刀具时，可以同种或不同种刀具进行任意组合。

圆头的刀具进行冲击破坏的效果较好，所以主要进行冲击式破坏的前端刀具组2优选为圆头刀具，也可优选为圆头刀具与其它刀具的组合。

主要进行剪切破坏的非前端刀具组3可根据实际情况进行选择：

当前端刀具组2与非前端刀具组3按序由内向外由前向后布置时，非前端刀具组3优选为具有特定破坏方向的一字型刀具、平行刀具、十字型刀具、楔形刀具、方形刀具，此特定破坏方向是指主要向钻槽内破坏的方向，使刀具作用于钻槽开口边缘而形成剪切式破坏，所以，非前端刀具组3进一步优选为一字型刀具、平行刀具、楔形刀具，并更进一步优选为楔形刀具；由于刀具一般进行旋转冲击动作，所以楔形刀具的刀刃一般位于其所加工区域的外周侧，这样楔形刀具的斜面即可朝向钻槽内的方向，并随着钻头的旋转始终保持向钻槽内的方向。

当前端刀具组2与非前端刀具组3按序由外向内由前向后布置时，非前端刀具组3可任意选择，对于非中间区域的非前端刀具组3可按照上段所述的非前端刀具组3进行选择，而位于中间区域的非前端刀具组3，由于非前端刀具组3所冲击的位置形成了凸台的形状，所以，中间区域的非前端刀具组3优选为圆头刀具，这样，圆头刀具的冲击力可在凸台后端面的中心位置向四周扩散，进而达到凸台的外壁侧，可充分实现剪切的功能。

按照上述的前端刀具组2、非前端刀具组3、以及刀具安装座9的具体设计，给出实施例一至七的具体方案：

实施例一

请参照图2至图7所示，本实施例提供的具有剪切破碎功能的风钻钻头，具有三个工作面，前端刀具组2与非前端刀具组3按序由内向外由前向后布置，刀具安装座9的前端成圆柱状，第一组非前端刀具组3安装在刀具安装座9圆柱侧面的前端位置，第二组非前端刀具组3安装在刀具安装座9圆柱的前端面靠近外周的位置；刀具安装座9圆柱的前端面的中间区域向前凸起形成凸起部；前端刀具组2安装在凸起部上；前端刀具组2具体包括三个球头刀具，并沿凸起部的圆周均匀规则分布，球头刀具的头部略向外倾斜；三个球头刀具构成最前端工作面，在对被钻处进行钻进时，先通过冲击的方式形成钻槽；第二组非前端刀具组具体包括两个楔形刀具，并对称的设置在圆柱前端面的左右两侧，该组楔形刀具的前端具有切削刃，该切削刃设置在楔形刀具远离圆柱中心的一侧，并大体与圆柱前端面的外圆对应；第一组非前端刀具组也包括两个楔形刀具，并对称的设置在圆柱前端面的上下两侧，该组楔形刀具的前端具有切削刃，该切削刃也设置在楔形刀具远离圆柱中心的一侧；第一组非前端钻头的两个楔形刀具之间在位于圆柱外侧对应的扇形区域构成排渣区域8；刀具安装座9的内侧还设置有水路7；水路7在凸起部顶端的中心处设置有开口，在凸起部靠近第二组非前端钻头的一侧设置有开口，在凸起部靠近第一组非前端钻头的一侧设置有开口。

实施例二

请参照图8和图9所示，本实施例提供的具有剪切破碎功能的风钻钻头，具有两个工作面，前端刀具组2与非前端刀具组3按序由内向外由前向后布置，刀具安装座9的前端成圆柱状，该圆柱状被从端面以平行且对称的左右两条线向后切割；切割掉部分所在区域作为排渣区域；非前端刀具组3安装在刀具安装座9的前端面靠近外周的位置；刀具安装座9圆柱的前端面的中间区域向前凸起形成凸起部；前端刀具组2安装在凸起部上；前端刀具组2具体包括两个球头刀具，对称分布在凸起部前端的左右两侧，球头刀具的头部略向外倾斜；两个球头刀具构成最前端工作面，在对被钻处进行钻进时，先形成钻槽；钻下的碎块由钻头之间的间隔处排出；第一组非前端刀具组具体包括两个楔形刀具，并对称的设置在圆柱前端面的上下两侧，该组楔形刀具的前端具有切削刃，该切削刃设置在楔形刀具远离圆柱中心的一侧，并大体与圆柱前端面的外圆对应；刀具安装座9的内侧还设置有水路7；水路7在凸起部顶端的中心处设置有开口，在凸起部靠近非前端钻头的一侧设置有开口。

实施例三

请参照图10至图12所示，本实施例与实施例一的不同点在于：前端刀具组2具体包括两个球头刀具和两个楔形刀具；两个球头刀具对称分布在凸起部前端面的上下两侧，两个楔形刀具对称分布在凸起部前端面的左右两侧，该组楔形刀具的前端具有切削刃，该切削刃设置在楔形刀具远离圆柱中心的一侧，并大体与凸起部前端面的外圆对应；其它与实施例一相同。

请参照图1所示，实施例一至三的具有剪切破碎功能的风钻钻头的工作原理大体一致，皆是在钻进的过程中，前端刀具组2先对被钻位置进行钻进，前端刀具组一般采用球头刀具，球头刀具的作用力向前并向四周幅射，对被钻处冲击产生破碎漏斗，被钻处在冲击的作用下形成碎块并脱落，形成钻槽，随着不断冲击，钻槽加深，非前端刀具组与钻槽后开口边缘处接触时，非前端刀具组采用的钻头可提供特定方向的力，当如实施例一至三的楔形刀具设计时，楔形刀具在钻进时，楔形刀具通过切削刃对钻槽后开口边缘进行冲击，并通过楔面向钻槽内壁方向提供剪切力，形成剪切破坏裂隙，进而形成碎块而脱落，由于钻槽内壁与钻头具有一定的间隙，钻槽后开口边缘处易向钻槽内剪切式破碎，比现有的正面冲击，破碎更轻松。

实施例四

如图14至图17所示，本实施例提供的具有剪切破碎功能的风钻钻头，具有三个工作面，前端刀具组2与非前端刀具组3按序由外向内由前向后布置，刀具安装座9的前端成圆柱状，圆柱前端面的中心区域向内凹陷，形成凹槽；凹槽呈沉孔式设置，沉孔式凹槽的前段和后段皆为圆柱状，使凹槽具有台阶面和后端面；第一组非前端刀具组3安装后端面的中心区域，第二组非前端刀具组3安装在台阶面；前端刀具组2安装在圆柱前端面靠近外周的位置上；前端刀具组2具体包括四个球头刀具和四个楔形刀具；四个球头刀具和四个楔形刀具均匀分布(球头刀具分布在上、下、左、右；楔形刀具分布在左上、左下、右上、右下)；其中，楔形刀具的前端具有切削刃，其中一组两个对称的楔形刀具(左上、右下)的切削刃设置在楔形刀具远离圆柱中心的一侧，并大体与圆柱前端面的外圆对应，另一组两个对称的楔形刀具(左下、右上)的切削刃设置在楔形刀具靠近圆柱中心的一侧，并大体与圆柱前端面的内圆(凹槽的前开口边缘)对应；第二组非前端刀具组具体包括两个方形刀具，两个方形刀具对称的设置在台阶面的上侧和下侧；第一组非前端刀具组包括一个球头刀具；在凹槽后端面与凹槽内壁相结合的位置还开设有通向刀具安装座9外侧的通孔，作为排渣区域8；刀具安装座9的内侧还设置有水路7；水路7在凹槽后端面靠近外周的区域设置有开口，在台阶面上设置有开口。

实施例五

本实施例与实施例四的不同点在于：刀具安装座9的前端成圆柱状，该圆柱状被从端面以平行且对称的左右两条线向后切割；切割掉部分所在区域作为排渣区域；圆柱前端面的中心区域向内凹陷，形成凹槽；凹槽呈沉孔式设置，沉孔式凹槽的前段为圆台状、后段为圆柱状，其凹槽具有斜面和后端面；前端刀具组2具体包括四个球头刀具；四个球头刀具两两对称设置在刀具安装座9的切割后圆柱状的顶面上(具体为上侧中间偏左、上侧中间偏右、下侧中间偏左、下侧中间偏右)，第二组非前端刀具组3安装在斜面上；水路7在斜面靠近前端的位置设置有开口；其它与实施例四相同。

实施例六

本实施例与实施例五的不同点在于：前端刀具组2除了四个球头刀具还包括两个楔形刀具；两个楔形刀具对称设置有刀具安装座前端面的上下两侧，其中一个楔形刀具位于上侧两个球头刀具之间的位置，另一个楔形刀具位于下侧两球头刀具之间；该组楔形刀具的前端具有切削刃，该切削刃设置在楔形刀具远离圆柱中心的一侧，并大体与圆柱前端面的外圆对应；其它与实施例五相同。

实施例七

本实施例提供的具有剪切破碎功能的风钻钻头，具有两个工作面，前端刀具组2与非前端刀具组3按序由外向内由前向后布置，刀具安装座9的前端成圆柱状，该圆柱状被从端面以平行且对称的左右两条线向后切割；切割掉部分所在区域作为排渣区域；切割后的圆柱前端面的中心区域向内凹陷，形成凹槽；凹槽呈圆柱状，使凹槽具有后端面；非前端刀具组3安装后端面的中心区域，前端刀具组2安装在圆柱前端面靠近外周的位置上；前端刀具组2包括四个球头刀具，四个球头刀具两两对称设置在刀具安装座9的切割后圆柱状的顶面上(具体为上侧中间偏左、上侧中间偏右、下侧中间偏左、下侧中间偏右)，非前端刀具组3包括一个球头刀具；凹槽在圆柱被切割后，在左侧和右侧形成开口，作为排渣区域；水路7在凹槽后端面靠近外周的区域设置有开口。

请参照图13所示，实施例四至七的具有剪切破碎功能的风钻钻头的原理大体一致，皆是在钻进的过程中，前端刀具组2先对被钻位置进行钻进，前端刀具组主要采用球头刀具进行开槽，还可配合采用楔形刀具辅助开槽，球头刀具的作用力向前并向四周辐射，楔形刀具对被钻处施加径向的向外或向内的力(通过楔形刀具的斜面的朝向来决定力的方向)，进而使被钻处产生破碎漏斗(楔形刀具与球头刀具配合使用时，可以清理球头刀具产生的破坏漏斗的碎块，有利于球头刀具形成新的破坏漏斗，从而加快钻进速度)，被钻处在冲击的作用下形成碎块并脱落，形成环形的钻槽，随着不断冲击，钻槽加深；非前端刀具组与环形钻槽后开口的内边缘处接触时，如采用实施例四或实施例六的方形刀具时，方形刀具通过冲击和挤压，可提供向钻槽内壁方向的剪切力，使环形钻槽后开口的内边缘处形成剪切破坏裂隙，进而形成碎块而脱落，还可如实施例七的球头刀具，由于环形钻槽内圈被钻处四周皆为空而形成凸台(例如在岩石上钻进时，会形成岩芯柱)，此时，采用球头刀具对凸台(岩芯柱)的中心提供向前向四周挤压的力，容易使凸台外壁(环形钻槽内圈)向四周进行剪切而形成剪切破坏裂隙，进而形成碎块脱落，相对于现有的正面冲击，破碎更轻松。

上述实施例的设计思路就是利用了被钻处的钻槽后边缘处更容易被剪切击碎的原理，通过刀具的分布，优先为被钻处的钻槽后边缘处提供剪切力，而多个工作面，可将被钻处的平面形成多层的边缘(类似台阶)，进而形成以剪切破碎为主的钻进方式，进而大幅提高破碎容易度和破碎效率，由于将现有的冲击破碎变为主要以剪切破碎的方式，通过前端刀具组制造槽，多层非前端刀具组对槽的边缘破碎，用巧劲对被钻处进行破碎，进而也降低了能耗。

上述实施例不应以任何方式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效转换的方式获得的技术方案均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.具有剪切破碎功能的风钻钻头，其特征在于：具有按钻进方向呈前后分布的多个工作面，形成最前端工作面和至少一个非前端工作面；最前端的工作面由前端刀具组构成，最前端工作面之后的非前端工作面由非前端刀具组构成；所述前端刀具组用于钻出钻槽，所述非前端刀具组用于在钻槽的后开口边缘附近进行钻进，对钻槽的后开口边缘提供向钻槽内方向的力而形成剪切式破坏，并扩大钻槽的后开口。

2.根据权利要求1所述的具有剪切破碎功能的风钻钻头，其特征在于：所述前端刀具组作用于被钻处时，形成破碎漏斗，该破碎漏斗为向前并向四周扩散的裂隙，被钻处由破碎漏斗形成碎块，该碎块脱落后形成钻槽新的前端。

3.根据权利要求1或2所述的具有剪切破碎功能的风钻钻头，其特征在于：所述非前端刀具组作用于钻槽的后开口边缘附近位置时，形成剪切破坏裂隙，该剪切破坏裂隙为主要向钻槽内壁扩散的裂隙，钻槽后开口边缘由剪切破坏裂隙形成碎块，该碎块脱落后形成钻槽新的后开口。

4.根据权利要求3所述的具有剪切破碎功能的风钻钻头，其特征在于：所述风钻钻头还包括刀具安装座；所述前端刀具组和非前端刀具组皆安装在刀具安装座的前端。

5.根据权利要求4所述的具有剪切破碎功能的风钻钻头，其特征在于：前端刀具组与非前端刀具组按序由内向外由前向后布置。

6.根据权利要求4所述的具有剪切破碎功能的风钻钻头，其特征在于：前端刀具组与非前端刀具组按序由外向内由前向后布置。

7.根据权利要求5或6所述的具有剪切破碎功能的风钻钻头，其特征在于：所述前端刀具组包括至少一个刀具。

8.根据权利要求5或6所述的具有剪切破碎功能的风钻钻头，其特征在于：所述前端刀具组包括多个刀具，多个刀具规则分布。

9.根据权利要求5或6所述的具有剪切破碎功能的风钻钻头，其特征在于：所述非前端刀具组包括至少一个刀具。

10.根据权利要求5或6所述的具有剪切破碎功能的风钻钻头，其特征在于：所述非前端刀具组包括多个刀具，多个刀具规则分布。