專利名稱：一種寬齒牙輪復(fù)合鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體的講涉及一種復(fù)合鉆頭。
背景技術(shù)：
鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具。牙輪鉆頭和PDC鉆頭是鉆井工程中常用的鉆頭。目前鉆井工程中所使用的三牙輪鉆頭包括鋼齒鉆頭(又稱銑齒鉆頭)和硬質(zhì)合金齒鉆頭(又稱鑲齒鉆頭)。鋼齒鉆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，一般用于軟地層；鑲齒鉆頭在牙輪體預(yù)留的齒孔內(nèi)鑲固硬質(zhì)合金牙齒(以下簡稱硬質(zhì)合金齒或牙齒)，硬質(zhì)合金齒的硬度和耐磨性明顯優(yōu)于鋼齒，一般用于較硬地層。三牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破巖，即牙齒通過對巖石的沖擊、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，且鉆頭工作過程中，軸承受到的沖擊大，動載系數(shù)大。在結(jié)構(gòu)形式上，為了滿足鑲齒牙輪鉆頭沖壓破碎破巖工作方式的需要，現(xiàn)有鉆頭采用了以下三個技術(shù)手段:其一，現(xiàn)有鑲齒牙輪鉆頭上的切削齒(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于下部鑲固部分的直徑，以形成較尖銳的沖擊頭部。由于牙齒受的動載大，且牙齒尺寸相對較小，所以容易發(fā)生牙齒的整體或局部斷裂。其二，現(xiàn)有大多數(shù)鑲齒三牙輪鉆頭牙輪上牙齒的齒頂無偏轉(zhuǎn)(即齒頂偏轉(zhuǎn)角為0° )，也有少量鉆頭的部分齒圈的牙齒(切削齒)齒頂有偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角一般在50°以內(nèi)。牙齒的偏轉(zhuǎn)是為了迎合牙齒沖擊壓入巖石后的滑移刮切方向，以增加牙齒對巖石的滑移刮切效果(量)。其三，多數(shù)三牙輪鉆頭的牙輪存在偏移，其目的在于，偏移使牙輪在井底巖石上滾動破巖時無法發(fā)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(chǎn)生的磨損也越大。PDC鉆頭以刮切形式破碎巖石，PDC鉆頭能夠有效破巖鉆進形成進尺的前提是roc齒能有效地吃入地層巖石。PDC齒吃入巖石后在鉆頭體的旋轉(zhuǎn)帶動下，對巖石形成切削作用使巖石破碎。當(dāng)巖石很硬PDC難以吃入巖石，或PDC齒有磨損后難以吃入巖石時，PDC鉆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混合式鉆頭(在美國及其他國家均提出了專利申請，如PTC W02010/132232等)，該鉆頭在傳統(tǒng)的PDC切削結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了牙輪切削結(jié)構(gòu)，由固定切削結(jié)構(gòu)和牙輪切削結(jié)構(gòu)組合而成。其中，牙輪-PDC混合式鉆頭的固定切削結(jié)構(gòu)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(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進時，固定刀翼上的PDC齒以刮切方式破巖；牙輪-PDC混合式鉆頭的牙輪切削結(jié)構(gòu)與牙輪鉆頭類似，牙輪上的牙齒主要以沖擊壓碎的方式破巖。由于牙輪以沖擊壓碎的方式破巖，牙輪工作過程中產(chǎn)生的上下振動會直接影響roc固定切削結(jié)構(gòu)的工作穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致下述不良后果:首先，縱向振動帶來的沖擊載荷容易引起PDC齒的損壞，減短鉆頭的使用壽命；其次，縱向振動會使固定切削結(jié)構(gòu)中的PDC齒的吃入深度發(fā)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鉆頭的破巖效率。此外，該復(fù)合鉆頭上的牙輪仍以沖擊壓碎的方式破巖，牙輪軸承的工況與三牙輪鉆頭的相似，導(dǎo)致軸承工作壽命短，而軸承的工作壽命對鉆頭的整體壽命形成了明顯的制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于:提供一種寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，其提出一種新的牙輪結(jié)構(gòu)形式，該復(fù)合鉆頭，牙輪工作平穩(wěn)，鉆頭工作穩(wěn)定性好，相對現(xiàn)有復(fù)合鉆頭具有更高破巖效率的同時，還具有更長的鉆頭牙齒和軸承的壽命，從而具有更長的鉆頭使用壽命。本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，包括鉆頭體、固定切削結(jié)構(gòu)和至少一個牙輪，所述牙輪和所述固定切削結(jié)構(gòu)布置在所述鉆頭體上，所述固定切削結(jié)構(gòu)上設(shè)置有固定切削齒，所述牙輪通過軸承結(jié)構(gòu)與所述鉆頭體形成轉(zhuǎn)動連接，其特征在于:所述牙輪上鑲固有橫鑲牙齒，且橫鑲牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是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(jié)構(gòu)是影響牙輪鉆頭鉆進效率的關(guān)鍵因素之一。鑲齒牙輪鉆頭的牙齒與牙輪上的齒孔通常采用過盈配合(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；牙齒的上部位于牙輪殼體的表面之外，用于直接接觸、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(垂直于牙齒軸線方向，平行牙齒下部圓柱的直徑方向)尺寸小于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(guān)鍵，而牙齒冠部的形狀和尺寸則是決定牙齒工作性能的關(guān)鍵。通常所謂的“齒型”或“齒形”就是指依據(jù)牙齒冠部形狀和尺寸的特征而對牙齒作的分類。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(jù)牙齒冠部幾何形體主要特征的不同，可以將牙齒分為回轉(zhuǎn)體類牙齒和非回轉(zhuǎn)體類牙齒兩大類?；剞D(zhuǎn)體類牙齒的冠部表面為與牙齒中心線同軸的回轉(zhuǎn)曲面，如球形齒和錐形齒。若牙齒的冠部表面為非回轉(zhuǎn)曲面，或雖為回轉(zhuǎn)曲面但其回轉(zhuǎn)中心與牙齒中心不同軸，這樣的牙齒均為非回轉(zhuǎn)體類牙齒，如楔形齒、勺形齒、偏心勺形齒和邊楔齒等。表征牙齒冠部形狀和尺寸的主要參數(shù)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是指牙齒出露于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(qū)域在垂直于牙齒軸線的平面內(nèi)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(qū)域在垂直于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(fā)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，原因在于:盡管牙輪鉆頭主要以壓碎作用破碎巖石，但鉆頭牙齒在與巖石接觸時的相對滑移運動可使牙齒產(chǎn)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。鑲齒牙輪鉆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(yù)測牙齒滑移刮切運動的方向，然后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，由于牙齒冠部形狀的特殊性，牙齒“齒頂區(qū)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(tǒng)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(shù)，在縱向距牙齒冠部最高點h/N的位置做一個垂直于牙齒軸線的平面P (見圖4)，牙齒上由該平面至牙齒冠部最高點之間的區(qū)域為牙齒的N分齒頂區(qū)域。在牙齒的N分齒頂區(qū)域內(nèi)，垂直于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(qū)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(yīng)的方向為齒頂齒寬方向；該齒頂區(qū)域在垂直于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(qū)域(P平面至牙齒頂部最高點之間的區(qū)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，就等于牙齒的N分齒頂寬度/厚度。由定義可知，齒頂寬度和齒頂厚度的區(qū)別只對非回轉(zhuǎn)體類牙齒才有意義。齒頂偏轉(zhuǎn)角是指齒頂線(平行于牙齒的齒頂寬度方向，通過齒頂最高點或最高區(qū)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(guī)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(zhuǎn)時為正偏轉(zhuǎn)，反之則為負偏轉(zhuǎn)?，F(xiàn)有大多數(shù)牙輪鉆頭牙輪上的切削齒的齒頂無偏轉(zhuǎn)(即齒頂偏轉(zhuǎn)角為0° )，或有少量鉆頭的部分齒圈的牙齒齒頂有偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角一般在50°以內(nèi)。為便于闡述，本說明書中界定:牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角大于50°時，可稱為橫鑲牙齒。本發(fā)明的橫鑲牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70° ( I α I <90°，橫鑲牙齒為非回轉(zhuǎn)體類牙齒。牙輪的偏移是指:牙輪的極軸面(過牙輪軸線且平行于鉆頭軸線的平面)相對鉆頭中心線的偏移距離。如圖7所示，為沿鉆頭鉆進方向(沿鉆頭軸線從鉆頭螺紋端向牙輪端)看時，鉆頭牙輪在垂直于鉆頭軸線的平面上的投影示意圖，圖中牙輪的軸線投影與鉆頭中心之間的距離S即為鉆頭偏移值。寬齒牙輪復(fù)合鉆頭的牙輪上采用橫鑲牙齒，且橫鑲牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍在70° 90°或-90° -70°之間，使同齒圈上與橫鑲牙齒相鄰鑲齒間的空當(dāng)間隔大大減小，減小了齒圈的不連續(xù)性，而同齒圈上相鄰橫鑲牙齒之間的空當(dāng)更小。橫鑲牙齒的鑲固部分的橫斷面輪廓為非圓形。橫鑲牙齒鑲固部分的橫向(垂直牙齒高度方向)最大尺寸為鑲固部分的長度，垂直長度方向的最大橫向尺寸為鑲固部分的寬度(如圖16，LI為鑲固部分的長度，Wl為鑲固部分的寬度)。此種鑲固部分的橫斷面輪廓為非圓形的牙齒，其上部出露部分的齒頂寬可沿下部鑲固部分的長度方向設(shè)計得很長，齒頂寬可明顯長于常規(guī)牙齒，且下部鑲固部分的長度可為適應(yīng)齒頂寬的加長而加長。即鑲固部分橫斷面為非圓形為牙齒的長齒頂寬提供了便利和條件。對于每一橫鑲牙齒，及多個連續(xù)橫鑲牙齒的聯(lián)合而言，其在井底的工作模式為近似純滾動的碾壓、劈裂，利用橫鑲牙齒對巖石的大的接觸應(yīng)力和擠壓來破碎巖石，即以接近靜壓的方式壓碾、劈裂破巖，破巖方式與普通牙輪鉆頭有明顯區(qū)別。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是: (I)本發(fā)明的復(fù)合鉆頭，其提出了一種新的牙輪結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式的寬齒牙輪突破現(xiàn)有技術(shù)對鑲齒牙輪鉆頭的種種慣性思維，采用橫鑲牙齒，利用牙輪上的橫鑲牙齒對巖石的碾壓、劈裂來破巖，與常規(guī)牙輪鉆頭的沖擊壓碎破巖方式有本質(zhì)的不同。當(dāng)橫鑲牙齒的齒頂線垂直于或接近垂直于牙輪母線時，牙齒接觸井底的時間明顯變長，牙輪由于牙齒交替而產(chǎn)生的縱向(即鉆頭軸向)振動明顯變?nèi)酰瑢τ诿恳粰M鑲牙齒而言，利用橫鑲牙齒對巖石的大的接觸應(yīng)力和擠壓來破碎巖石，從而實現(xiàn)以接近靜壓的方式壓碾、劈裂破巖的目的，對硬巖特別是硬脆性巖石的破巖效率高。進一步地，橫鑲牙齒的下部鑲固部分的橫斷面輪廓為非圓形，由此下部鑲固部分可沿齒頂寬度方向加長，以適應(yīng)齒頂寬度的增加，改善齒頂寬度增加后下部鑲固部分的受力，可提高牙齒與牙輪齒孔之間的鑲固可靠度，便于齒頂寬度的增加。采用橫鑲牙齒，同齒圈上相鄰齒之間的空當(dāng)較小，進而較長齒頂?shù)臋M鑲牙齒形成一個個接近圓形的齒盤，更有利于前述以接近靜壓的方式壓碾、劈裂破巖目的的實現(xiàn)，前述下部鑲固部分的橫斷面輪廓為非圓形則為該目的的實現(xiàn)進一步提供更優(yōu)勢的基礎(chǔ)。而且，由于本發(fā)明的牙輪以近似純滾動的碾壓、劈裂方式作用于巖石，牙輪工作平穩(wěn)，牙輪由于牙齒交替而產(chǎn)生的縱向振動明顯變?nèi)酰@頭振動小，有利于提高軸承的壽命，減少牙齒的靜強度失效和疲勞強度失效，延長牙輪部分的壽命；同時牙輪工作平穩(wěn)，鉆頭振動小，由此使得與其復(fù)合的固定切削齒的工作狀況優(yōu)于現(xiàn)有牙輪-PDC復(fù)合鉆頭的固定切削齒工況，既有利于固定PDC齒的穩(wěn)定刮切，提高破巖效率，又能減少固定PDC齒的沖擊損壞，延長固定切削結(jié)構(gòu)的壽命。由此本發(fā)明牙輪牙齒、軸承及固定切削齒的使用壽命將均得以延長，使得鉆頭整體壽命明顯優(yōu)于現(xiàn)有牙輪-PDC復(fù)合鉆頭，且鉆頭鉆進時穩(wěn)定性好，鉆進效率更高。如上所述，該方案在打破現(xiàn)有技術(shù)慣性思維，提出上述創(chuàng)新思維的同時，相比現(xiàn)有復(fù)合鉆頭，既使得牙輪部分取得了更良好的工作效果，同時又解決了現(xiàn)有復(fù)合鉆頭因復(fù)合導(dǎo)致的對固定切削結(jié)構(gòu)的不利影響，取得了預(yù)料不到的1+1>>2的效果。(2)本發(fā)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(huán)型破碎帶,牙輪齒圈以極大的接觸應(yīng)力作用于巖石,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(jié)構(gòu)上的固定切削齒更易于吃入井底巖石和刮切破巖，進一步提升了固定切削結(jié)構(gòu)的破巖能力。本發(fā)明牙輪碾壓、劈裂破巖方式和固定切削結(jié)構(gòu)的刮切破巖方式相結(jié)合能明顯提高鉆頭的破巖效率。(3)本發(fā)明牙輪上的橫鑲牙齒的牙齒齒頂線垂直于或接近垂直于牙輪母線，從而能在實現(xiàn)碾壓、劈裂破碎巖石的同時，顯著降低牙齒相對于井底巖石的滑移。本發(fā)明牙齒與巖石的互作用方式及破巖機理與常規(guī)牙輪鉆頭相比發(fā)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沖擊和滑移刮切，能明顯改善牙齒的受力情況和磨損，提高牙齒的壽命，特別適宜于在研磨性強的硬地層鉆進。(4)本發(fā)明牙輪工作平穩(wěn)，減小了鉆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鉆頭牙齒破巖時受的載荷平穩(wěn)，有利于增強牙齒鑲固的可靠性，減少鑲齒的掉落和斷裂。作為優(yōu)選，所述橫鑲牙齒的4分齒頂寬度不小于牙齒鑲固部分的寬度。上述方案中，橫鑲牙齒的4分齒頂寬度不小于牙齒鑲固部分的寬度，使同齒圈上的相鄰鑲齒間的空當(dāng)間隔大大減小，減小了齒圈的不連續(xù)性，實現(xiàn)齒圈牙齒良好地以滾動碾壓、劈裂的方式破碎巖石，復(fù)合鉆頭工作穩(wěn)定性好，上述有益效果更好。作為優(yōu)選，所述橫鑲牙齒的鑲固部分的柱面上設(shè)置有平行于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于牙輪的齒孔內(nèi)。如圖20，橫鑲牙齒的下部鑲固部分的柱面上設(shè)置有多個平行于牙齒軸線的條齒，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(dāng)牙齒鑲固部分的柱面上設(shè)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(luò)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，但徑向尺寸大于牙輪齒孔的徑向尺寸。當(dāng)兩者徑向尺寸的偏差較大時(特別是當(dāng)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(xiàn)牙齒的鑲固；當(dāng)兩者徑向尺寸的偏差較小時(特別是當(dāng)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(xiàn)牙齒的鑲固?，F(xiàn)有鑲齒牙輪鉆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于牙輪上，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(zhì)量要求均較高，為便于加工及保證鑲固質(zhì)量，一般過盈配合均采用圓柱形，牙齒均需進行精磨加工。為便于增加齒頂寬度，本發(fā)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(zhì)量，牙齒的鑲固部分的柱面上設(shè)有條齒，采用嵌入或多點接觸過盈配合的方式鑲固于牙輪的齒孔內(nèi)。采用這種方式固齒，對牙齒與齒孔的徑向尺寸差(過盈量)、形位精度以及表面質(zhì)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(zhì)量要求，易于實現(xiàn)牙齒非圓形柱狀制造成型，同時也能保證牙齒的鑲嵌可靠度和鑲嵌質(zhì)量。作為進一步優(yōu)選，所述牙輪上的橫鑲牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是80?！躀 α I ≤90。。橫鑲牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是80° ( | α | <90°，能使齒圈上相鄰齒間的空當(dāng)間隔更小，減小齒圈的不連續(xù)性，齒圈的齒頂輪廓更接近于圓形，復(fù)合鉆頭工作穩(wěn)定性好，上述有益效果更好。作為優(yōu)選，所述橫鑲牙齒的4分齒頂寬度大于等于鑲固部分的長度。上述方案中，齒頂寬度W等于鑲固部分的長度LI時，便于牙齒外表面的精加工，生產(chǎn)制造時易于對牙齒與牙輪齒孔之間過盈量的控制；便于控制牙齒的加工尺寸和牙齒的鑲固質(zhì)量。上述方案中齒頂寬度W大于鑲固部分的長度LI，進一步突破現(xiàn)有技術(shù)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(dāng)間隔和齒圈的不連續(xù)性，齒圈的齒頂輪廓更接近于圓形，更便于牙輪上的牙齒以滾動碾壓、劈裂方式作用于巖石，易于達到以靜壓方式壓碾、劈裂破巖的效果。該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的橫鑲牙齒有眾多的結(jié)構(gòu)形式 ，其中有幾種較佳的結(jié)構(gòu):本發(fā)明該結(jié)構(gòu)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(jīng)臺階過渡，臺階面邊緣輪廓為圓形；本發(fā)明該結(jié)構(gòu)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(jīng)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(jīng)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(dān)，不再由齒孔低的牙輪殼體來承擔(dān)。這樣，牙齒工作時作用于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(nèi)軸承孔之間的厚度，從而增大牙輪內(nèi)軸承孔的尺寸，即增大牙輪內(nèi)軸承的尺寸，提高牙輪軸承的強度和使用壽命，進而延長鉆頭使用壽命。作為優(yōu)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，橫鑲牙齒的齒頂采用弧形時，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，有利于牙輪的平穩(wěn)工作，減少牙齒的沖擊載荷，降低牙輪工作時的載荷波動，有利于齒圈及牙輪以靜壓方式壓碾、劈裂破巖，有利于提高軸承和牙齒的壽命，并提高復(fù)合鉆頭工作穩(wěn)定性。作為優(yōu)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，由于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(dāng)齒圈周長較小，齒圈上齒數(shù)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(shè)計為圓弧形，能改善齒圈的圓度，使齒圈(輪廓)更接近于圓形，有利于牙輪的平穩(wěn)工作，減少牙齒的沖擊載荷，降低牙輪工作時的載荷波動，有利于牙輪齒圈以靜壓方式壓碾、劈裂破巖，有利于提高軸承和牙齒的壽命，并提高復(fù)合鉆頭工作穩(wěn)定性。作為優(yōu)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(zhuǎn)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(dāng)引起的齒圈不圓度，使牙輪工作更平穩(wěn)，減少牙齒的沖擊載荷，降低牙輪工作時的載荷波動，有利于牙輪齒圈以靜壓方式壓碾、劈裂破巖，有利于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于或接近垂直于牙輪母線，牙齒接觸井底的時間明顯變長，牙輪由于牙齒交替而產(chǎn)生的縱向振動明顯變?nèi)?，特別是當(dāng)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(wěn)，縱向振動小，有利于提高軸承的壽命，減少牙齒的靜強度失效和疲勞強度失效，并提高復(fù)合鉆頭工作穩(wěn)定性。作為優(yōu)選，所述橫鑲牙齒的齒頂兩端(沿齒頂寬的兩端)設(shè)有倒圓角或倒角。上述方案中，橫鑲牙齒的齒頂兩端如不設(shè)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(yīng)力集中，易使齒頂端部疲勞損壞或局部斷裂。齒頂兩端設(shè)倒圓角或倒角，能有效改善齒頂端部的應(yīng)力分配降低應(yīng)力集中，延長牙齒使用壽命。作為優(yōu)選，所述牙輪上的齒圈與所述固定切削結(jié)構(gòu)上的固定切削齒徑向同軌布置。同軌是指切削齒在鉆頭上的徑向位置相同，即距鉆頭軸線距離相等。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(huán)形區(qū)域上輪流作用破巖。井底巖石被牙輪上的牙齒碾壓、劈裂后，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于固定切削齒的吃入，便于提高鉆頭的破巖效率。作為優(yōu)選，所述牙輪上的橫鑲牙齒的4分齒頂厚度不大于牙齒鑲固部分寬度的四分之一。橫鑲牙齒的4分齒頂厚度不大于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，更有利于牙齒滾動碾壓時對巖石的擠壓劈裂作用，提高鉆頭牙輪的破巖效率，特別是對高硬度難鉆地層，破巖效果更好，從而提高復(fù)合鉆頭的破巖效率。作為優(yōu)選，所述鉆頭體上的每個牙輪的偏移值不大于鉆頭直徑的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，更有利于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于或接近垂直于牙輪母線，同時牙輪的偏移值很小，在實現(xiàn)碾壓、劈裂破碎巖石的同時，還能顯著降低牙齒相對于井底巖石的滑移。本發(fā)明牙輪上的牙齒與巖石的互作用方式及破巖機理與常規(guī)牙輪鉆頭相比發(fā)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沖擊和滑移刮切，能明顯改善牙齒的受力情況和磨損，提高牙齒的壽命，特別適宜于在硬地層及研磨性強的硬地層中鉆進。作為優(yōu)選，所述橫鑲牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是85° ≤| α | ≤90°，且鉆頭體上牙輪的偏移值不大于鉆頭直徑的0.5%。理論上來說，鉆頭牙輪上橫鑲牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角越接近90°、牙輪的偏移值越小，齒圈的連續(xù)性越好、齒圈的齒頂輪廓越接近于圓形。在該方案的各參數(shù)的組合臨界值之上，最有利于牙輪的平穩(wěn)工作，減少牙齒的沖擊載荷，降低牙輪工作時的載荷波動，提高復(fù)合鉆頭的工作穩(wěn)定性；同時最有利于牙輪齒圈以靜壓方式壓碾、劈裂破巖，破巖效率最高，并顯著提高軸承和牙齒的壽命，復(fù)合鉆頭破巖效率高。更優(yōu)選，所述橫鑲牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α=90°，且鉆頭上牙輪不偏移(偏移值為O)。在鉆頭其他幾何參數(shù)不變，牙齒尺寸也不變時，齒頂偏轉(zhuǎn)角α=90°能使齒間空當(dāng)最小，齒圈的連續(xù)性最好，齒圈的齒頂輪廓最接近于圓形；牙輪不偏移，能使牙輪純滾動效果最好。齒頂偏轉(zhuǎn)角α=90°、牙輪不偏移，是實現(xiàn)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(yōu)參數(shù)，鉆頭破巖效率高。作為優(yōu)選，所述橫鑲牙齒沿齒頂厚度方向上的兩個側(cè)面為內(nèi)凹曲面，且牙齒的4分齒頂寬度不小于牙齒鑲固部分寬度、4分齒頂厚度不大于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(cè)面為內(nèi)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，其有利于牙齒碾壓、壓入巖石，并有利于牙齒壓入后對巖石的擠壓劈裂作用；且其有利于牙齒在磨損時減緩牙齒齒頂厚度的增大，使牙輪牙齒持續(xù)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(yōu)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(yōu)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，加工時易于操作和實現(xiàn)，工藝性好。它們所對應(yīng)的齒孔也易于銑削加工，加工工藝性好。


圖1為本發(fā)明寬齒牙輪復(fù)合鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，復(fù)合鉆頭上設(shè)置兩固定翼固定切削結(jié)構(gòu)和兩牙輪，兩固定翼和兩牙輪相間布置。圖2為本發(fā)明圖1所示結(jié)構(gòu)沿鉆頭軸線俯視(逆鉆頭鉆進方向看)時的視圖，即俯視圖。圖3為本發(fā)明寬齒牙輪復(fù)合鉆頭的牙輪的牙齒齒圈與固定切削結(jié)構(gòu)上的固定切削齒沿鉆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(xiàn)有牙輪鉆頭上的鑲齒的齒頂無偏轉(zhuǎn)鑲固或齒頂有較小偏轉(zhuǎn)角(I α<50° )鑲固時的示意圖。圖6為本發(fā)明橫鑲牙齒的齒頂線與牙輪的輪錐母線夾角(齒頂偏轉(zhuǎn)角)α的取值范圍是70。彡I α I < 90?；颚?=90°時的示意圖。圖7為鉆頭上的牙輪偏移時的示意圖。圖8為本發(fā)明圖1所示結(jié)構(gòu)鉆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為寬齒牙輪復(fù)合鉆頭上設(shè)置三固定翼固定切削結(jié)構(gòu)和三牙輪時的鉆頭俯視圖。固定翼和牙輪之間均相間布置。圖10為本發(fā)明橫鑲牙齒鑲固于牙輪非圓形齒孔后，垂直牙齒軸線剖切時的局部首1J視圖。圖11為本發(fā)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(fā)明的橫鑲牙齒4分齒頂寬度W等于齒的鑲固部分長度LI，但大于鑲固部分寬度Wl時的橫鑲牙齒結(jié)構(gòu)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所示橫鑲牙齒鑲固于牙輪齒孔后，沿牙齒軸線剖切時的局部剖視圖。圖15為本發(fā)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(jīng)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(fā)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(jīng)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于牙輪非圓形齒孔后，沿牙齒軸線剖切時的局部剖視圖。圖20為本發(fā)明的牙輪上采用鑲固部分的柱面上設(shè)置有平行于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(nèi)前，齒孔輪廓大小處于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(fā)明牙輪上采用鑲固部分的柱面上設(shè)置有平行于牙齒的軸線的條齒的橫鑲牙齒，橫鑲牙齒鑲固于牙輪非圓形齒孔后，垂直牙齒軸線剖切時的局部剖視圖。圖22為本發(fā)明橫鑲牙齒鑲固部分的柱面上設(shè)置有平行于牙齒軸線的條齒，橫鑲牙齒齒頂寬度等于牙齒的鑲固部分長度但大于鑲固部分寬度時的橫鑲牙齒結(jié)構(gòu)示意圖。圖23為圖22所示橫鑲牙齒鑲固于牙輪齒孔后，沿牙齒軸線剖切時的局部剖視圖。圖24為本發(fā)明蘑菇狀橫鑲牙齒的一種，橫鑲牙齒鑲固部分的柱面上設(shè)置有平行于牙齒軸線的條齒，橫鑲牙齒的下部鑲固部分與上部出露部分經(jīng)臺階過渡，臺階面輪廓為鍵形，齒頂寬度大于下部鑲固部分長度時的橫鑲牙齒示意圖。圖25為本發(fā)明蘑菇狀橫鑲牙齒的一種，橫鑲牙齒鑲固部分的柱面上設(shè)置有平行于牙齒軸線的條齒，橫鑲牙齒的下部鑲固部分與上部出露部分經(jīng)臺階過渡，臺階面輪廓為圓形，齒頂寬度大于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所示橫鑲牙齒鑲固于牙輪齒孔后,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于牙輪齒孔內(nèi)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于牙輪齒孔內(nèi)的不意圖。圖29為本發(fā)明的橫鑲牙齒沿齒頂厚度方向上的兩個側(cè)面為內(nèi)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(fā)明寬齒牙輪復(fù)合鉆頭的牙輪上采用圖15或圖24所示蘑菇狀橫鑲牙齒時的鉆頭俯視圖。圖31為本發(fā)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(jié)構(gòu)不意圖。圖32為圖31所示結(jié)構(gòu)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于說明本發(fā)明。如圖1至圖32所示，基本例為:包括鉆頭體1、固定切削結(jié)構(gòu)4和至少一個牙輪2，牙輪2和固定切削結(jié)構(gòu)4布置在鉆頭體I上，固定切削結(jié)構(gòu)4上設(shè)置有固定切削齒41，牙輪通過軸承結(jié)構(gòu)與鉆頭體I形成轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角α的取值范圍是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(yōu)選，橫鑲牙齒3可以為硬質(zhì)合金齒、用金剛石加強的硬質(zhì)合金齒、孕鑲金剛石齒等。本發(fā)明方案的每一橫鑲牙齒均可實現(xiàn)其作用，為了便于示例，各圖中均采用最常見的雙牙輪+雙固定翼的復(fù)合鉆頭或三牙輪+三固定翼的復(fù)合鉆頭，每一牙輪的各齒圈均為橫鑲牙齒，其并不代表與基本例以及其他優(yōu)選例的沖突，僅為直觀示例，本領(lǐng)域技術(shù)人員不存在理解障礙。作為基本例的優(yōu)選一，橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度W不小于牙齒鑲固部分31的寬度Wl。作為優(yōu)選一的更優(yōu)選，鉆頭體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(shù)目占所在齒圈牙齒數(shù)的比率至少為50%。進一步優(yōu)選，鉆頭體I的至少一個牙輪2上至少有I個齒圈均采用橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70° ( I α I ( 90° ;作為進一步優(yōu)選，鉆頭體I上的每個牙輪都至少有I個齒圈采用橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70° ( I α | <90°。作為更優(yōu)選，鉆頭體I上的每個牙輪都至少有I個齒圈采用4分齒頂寬度W不小于牙齒鑲固部31的寬度Wl的橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70° < | α | < 90°。作為進一步優(yōu)選，鉆頭體I上的每個牙輪都至少有I個齒圈采用4分齒頂寬度W不小于牙齒鑲固部分31寬度Wl的橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是80° ( I α I ( 90°。更優(yōu)選，鉆頭體I上的每個牙輪都至少有I個齒圈采用4分齒頂寬度W不小于牙齒鑲固部分31的寬度Wl的橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是80。( I α I彡90。。如圖6、圖9至圖18所示。作為優(yōu)選二，橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度W大于等于鑲固部分31的長度LI。更優(yōu)選，橫鑲牙齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是80° ( I α | <90°。橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度W等于鑲固部分的長度，圖12至14所示。橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度W大于鑲固部分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(fā)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(jīng)臺階過渡，臺階面邊緣輪廓為鍵形。圖17、18所示為本發(fā)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(jīng)臺階過渡，臺階面邊緣輪廓為圓形。作為優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(shù)相等，不同齒圈的每一橫鑲牙齒間均交錯；也可齒數(shù)不等，如內(nèi)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(yōu)選六，橫鑲牙齒3的齒頂兩端(沿齒頂寬的兩端)設(shè)有倒圓角或倒角，如圖14、19所示。作為優(yōu)選七，所述橫鑲牙齒3的鑲固部分的柱面上設(shè)置有平行于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于牙輪2的齒孔內(nèi)(如圖28)。此時，鑲固部分的長度或?qū)挾劝凑掌錂M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?qū)挾葹闂l齒凸頂輪廓311 (所圍成區(qū)域)的長度或覽度。

作為優(yōu)選八，所述橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度大于等于鑲固部分31的長度LI。如12、22所不，橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度等于鑲固部分31的長度LI ;如15、17、24、25所不，橫鑲牙齒3的4分齒頂寬度大于鑲固部分31的長度LI。
作為優(yōu)選九，所述牙輪2上的齒圈與所述固定切削結(jié)構(gòu)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(yōu)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?；蛘?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(yōu)選一至十中任一的更優(yōu)選A，鉆頭體I上的每個牙輪2的偏移值不大于鉆頭直徑的1.5%。作為基本例及其優(yōu)選一至十中任一的更優(yōu)選B，牙輪2上的橫鑲牙齒3的4分齒頂厚度不大于牙齒鑲固部分31寬度的四分之一,如圖13、16、18所不。作為更優(yōu)選A或B的進一步優(yōu)選，鉆頭體I上至少有50%的齒圈采用橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是85° ( I α | <90°，且鉆頭體I上牙輪2的偏移值不大于鉆頭直徑的0.5%。更優(yōu)選，鉆頭體I上至少有50%的齒圈采用橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α =90° (即橫鑲牙齒3的齒頂線與牙輪2的輪錐母線垂直)，且鉆頭體I上牙輪2不偏移(偏移值為0)，如圖1、2、8、9、30所示。更優(yōu)選，橫鑲牙齒3沿齒頂厚度方向上的兩個側(cè)面為內(nèi)凹曲面(如圖29),且牙齒的4分齒頂寬度W不小于牙齒鑲固部分31寬度Wl、4分齒頂厚度不大于牙齒鑲固部分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(yōu)選既為本發(fā)明的若干實施例，同時也是各種可選實施手段，本領(lǐng)域技術(shù)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(chǎn)生更多的實施例，其均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)，并用以支持權(quán)利要求的保護:
比如，優(yōu)選一至十之間的任意組合即可成為若干實施例；乃至，優(yōu)選一的更優(yōu)選(如，鉆頭體I上的至少一個牙輪2上至少有I個齒圈均采用橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70° ( I α I ( 90° ;或，鉆頭體I上的每個牙輪2都至少有I個齒圈采用橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70° ( I α | <90° ;或，鉆頭體I上的每個牙輪都至少有I個齒圈采用4分齒頂寬度W不小于牙齒鑲固部分31的寬度的橫鑲牙齒3，且橫鑲牙齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70° ( I α | <90° ;等等)，也可與優(yōu)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(lǐng)域技術(shù)人員可知其他的更多組合方式。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、組合、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，包括鉆頭體(I)、固定切削結(jié)構(gòu)(4)和至少一個牙輪(2)，所述牙輪(2)和所述固定切削結(jié)構(gòu)(4)布置在所述鉆頭體(I)上，所述固定切削結(jié)構(gòu)(4)上設(shè)置有固定切削齒(41)，所述牙輪(2)通過軸承結(jié)構(gòu)與所述鉆頭體(I)形成轉(zhuǎn)動連接，其特征在于: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(zhuǎn)角α的取值范圍是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(quán)利要求1所述的寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述橫鑲牙齒(3)的4分齒頂寬度不小于牙齒鑲固部分(31)的寬度。
3.按權(quán)利要求1所述的寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述橫鑲牙齒(3)的鑲固部分(31)的柱面上設(shè)置有平行于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于牙輪(2)的齒孔內(nèi)。
4.按權(quán)利要求1所述的寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述牙輪(2)上的齒圈與所述固定切削結(jié)構(gòu)(4 )上的固定切削齒(41)徑向同軌布置。
5.按權(quán)利要求1所述的寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述橫鑲牙齒(3)的4分齒頂寬度大于等于鑲固部分(31)的長度。
6.按權(quán)利要求1所述的寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于: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(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求中所述的寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述牙輪(2)上的橫鑲牙齒(3)的4分齒頂厚度不大于牙齒鑲固部分(31)寬度的四分之一。
8.按權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求中所述的寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述鉆頭體(I)上的每個牙輪(2)的偏移值不大于鉆頭直徑的1.5%。
9.按權(quán)利要求7或8所述的寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述橫鑲牙齒(3)的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是85° ( I α | <90°，且鉆頭體(I)上牙輪(2)的偏移值不大于鉆頭直徑的0.5%。
10.按權(quán)利要求9所述的寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述橫鑲牙齒(3)沿齒頂厚度方向上的兩個側(cè)面為內(nèi)凹曲面，且牙齒的4分齒頂寬度不小于牙齒鑲固部分(31)寬度、4分齒頂厚度不大于牙齒鑲固部分(31)寬度的四分之一。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬齒牙輪復(fù)合鉆頭，屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體的講涉及一種寬齒牙輪復(fù)合鉆頭。包括鉆頭體、固定切削結(jié)構(gòu)和至少一個牙輪，牙輪和固定切削結(jié)構(gòu)布置在鉆頭體上，固定切削結(jié)構(gòu)上設(shè)置有固定切削齒，牙輪通過軸承結(jié)構(gòu)與鉆頭體形成轉(zhuǎn)動連接，牙輪上鑲固有橫鑲牙齒，且橫鑲牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70°≤|α|≤90°，橫鑲牙齒的鑲固部分的橫斷面輪廓為非圓形。本發(fā)明提出一種新的牙輪結(jié)構(gòu)形式，該復(fù)合鉆頭，牙輪工作平穩(wěn)，鉆頭工作穩(wěn)定性好，相對現(xiàn)有復(fù)合鉆頭具有更高破巖效率的同時，還具有更長的鉆頭牙齒和軸承的壽命，從而具有更長的鉆頭使用壽命。
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(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者楊迎新, 陳煉, 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(xué)