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，尤其涉及一種單牙輪鉆頭。

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?，F(xiàn)今鉆井工程中所使用的鉆頭主要有牙輪鉆頭和PDC(聚晶金剛石復(fù)合片)鉆頭。

牙輪鉆頭上的牙輪通過軸承系統(tǒng)與鉆頭體形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，鉆頭工作時(shí)，鉆頭體旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)牙輪繞鉆頭軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，牙輪還會(huì)繞自身的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，牙輪上的切削齒在上述兩種運(yùn)動(dòng)的合成下作復(fù)雜的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，牙輪鉆頭屬非固定切削齒鉆頭。

單牙輪鉆頭是牙輪鉆頭中的一種，是鉆井工程中使用的主要破巖工具之一，特別是在深井超深井的小井眼鉆井中發(fā)揮著重要的作用。單牙輪鉆頭主要利用牙輪上的牙齒(切削齒)對(duì)巖石的擠壓刮切作用破巖，牙輪上的切削齒在井底以網(wǎng)狀形式刮切巖石。單牙輪鉆頭牙輪上的切削齒一部分(牙輪前端)始終與井底接觸破巖，一部分切削齒輪換與井底接觸破巖,這就把單牙輪鉆頭的牙輪分成了恒接觸區(qū)(牙輪前端，如圖9的附圖標(biāo)記21)和交替接觸區(qū)(如圖9的附圖標(biāo)記22)。

單牙輪鉆頭鉆進(jìn)過程中牙輪繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還繞自身的軸線自轉(zhuǎn)，牙輪上的切削齒相對(duì)井底巖石的刮切方向在不斷地變化：牙輪恒接觸區(qū)上的切削齒在刮切巖石過程中，其相對(duì)巖石的刮切方向在0～360°之間不斷變化；牙輪交替接觸區(qū)上的切削齒在刮切巖石過程中，其相對(duì)巖石的刮切方向在0～180°之間變化。這使單牙輪鉆頭上無法直接應(yīng)用極適合于以刮切形式破巖的聚晶金剛石復(fù)合片(PDC齒)等耐磨性極強(qiáng)的金剛石類切削齒。原因在于聚晶金剛石復(fù)合片(PDC齒)是由基體和聚晶金剛石層兩部分組成，對(duì)巖石起主要刮切效果的是聚晶金剛石層，PDC齒刮切工作時(shí)具有方向性，只能是聚晶金剛石層在前基體在后。如果PDC齒在工作過程中直接受到反向作用力，很容易造成聚晶金剛石層的崩裂，嚴(yán)重降低PDC齒的工作壽命，甚至在極短的時(shí)間內(nèi)使PDC齒損壞失效。

因此，現(xiàn)有單牙輪鉆頭上的切削齒一般為硬質(zhì)合金齒，硬質(zhì)合金齒的耐磨性遠(yuǎn)不及PDC齒等金剛石類切削齒。切削齒的耐磨性不足是單牙輪鉆頭的致命弱點(diǎn)，切削齒易磨損嚴(yán)重影響了單牙輪鉆頭的使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：提供一種切削齒可旋轉(zhuǎn)的單牙輪鉆頭，解決現(xiàn)有技術(shù)牙輪鉆頭無法采用復(fù)合齒(例如PDC齒)的問題，同時(shí)其即使采用與現(xiàn)有技術(shù)一致的切削齒(如硬質(zhì)合金齒)時(shí)，切削齒的磨損及磨損鈍化速度也均更好。

本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種旋轉(zhuǎn)齒單牙輪鉆頭，包括鉆頭體，以及轉(zhuǎn)動(dòng)連接于鉆頭體上的牙輪，牙輪上設(shè)置有切削齒，牙輪上的切削齒至少有一顆為旋轉(zhuǎn)齒，旋轉(zhuǎn)齒與牙輪形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，旋轉(zhuǎn)齒的前切削面或旋轉(zhuǎn)齒的前切削面的幾何中心相對(duì)旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸線偏移，且旋轉(zhuǎn)齒的后切削面或后切削面的幾何中心在前切削面的偏移方同側(cè)，前切削面相對(duì)后切削面靠近旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸線，并能繞旋轉(zhuǎn)軸線在牙輪上旋轉(zhuǎn)。

本專利所述前切削面(也可以稱為前刀面)是指切削齒對(duì)井底地層切削工作時(shí)，切下的切屑沿其流出的表面。而后切削面(也可以稱為后刀面)則是指切削齒與井底地層相對(duì)的表面，后切削面一般是正對(duì)著切削深度(進(jìn)給方向)的面。通常而言，前切削面與后切削面的交線形成切削刃，它擔(dān)任主要切削工作。

相對(duì)于常規(guī)的硬質(zhì)合金齒而言，由基體和固結(jié)于基體上的耐磨層復(fù)合而成的復(fù)合齒，其前切削面為耐磨層的前端面，而后切削面則是耐磨層和/或基體的側(cè)面。所謂耐磨層是相對(duì)基體而言，其耐磨性更強(qiáng)，對(duì)于聚晶金剛石復(fù)合片或聚晶金剛石復(fù)合齒或聚晶金剛石與孕鑲金剛石相復(fù)合而成的復(fù)合齒而言，其耐磨層為聚晶金剛石層，而基體則是硬質(zhì)合金或孕鑲金剛石等，基體處在耐磨層的后部推持支撐著耐磨層的前端面在前進(jìn)行破巖工作。

因此，本專利主要想保護(hù)一種旋轉(zhuǎn)齒單牙輪鉆頭，包括鉆頭體，以及轉(zhuǎn)動(dòng)連接于鉆頭體上的牙輪，牙輪上設(shè)置有切削齒，牙輪上的切削齒至少有一顆為旋轉(zhuǎn)齒，旋轉(zhuǎn)齒與牙輪形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，旋轉(zhuǎn)齒具有耐磨層和基體，并以耐磨層的前端面的幾何中心為臨界點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)齒整體或包括該幾何中心的大部分相對(duì)旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸線偏移，且耐磨層的前端面相對(duì)基體靠近旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸線，并能繞旋轉(zhuǎn)軸線在牙輪上旋轉(zhuǎn)。

此外，顯然，本專利的旋轉(zhuǎn)齒也可以應(yīng)用于硬質(zhì)合金齒、立方碳化硼或孕鑲金剛石齒(塊)等齒，此時(shí)旋轉(zhuǎn)齒就無耐磨層和基體之分。

對(duì)于聚晶金剛石復(fù)合片或聚晶金剛石復(fù)合齒或聚晶金剛石與孕鑲金剛石相復(fù)合而成的復(fù)合齒而言，其耐磨層為聚晶金剛石層，而基體則是硬質(zhì)合金或孕鑲金剛石等，此時(shí)聚晶金剛石層的前端面則是前切削面，根據(jù)其前端面形狀的不同，前切削面可以是平面(例如最常見的規(guī)則圓柱體PDC齒，其聚晶金剛石層的前端面為一圓形平面)、曲面(例如金剛石層在基體上形成一錐形、半球形或屋脊形/楔形等的前端面)或異形面等各種表面。同樣的，后切削面根據(jù)金剛石層或基體側(cè)面形狀的不同，可以是圓柱面(例如常見的規(guī)則圓柱體PDC齒，其聚晶金剛石層的側(cè)面為圓柱面)或其他柱面，也可以是平面等。

聚晶金剛石復(fù)合片又稱PDC齒(Polycrystalline Diamond Compact)或PDC復(fù)合片，由聚晶金剛石層和基體兩部分組成(參見圖10)。PDC齒采用金剛石微粉與硬質(zhì)合金基片在超高壓高溫條件下燒結(jié)而成。金剛石微粉形成PDC齒的聚晶金剛石層，硬質(zhì)合金基片成為PDC齒的基體。PDC齒既具有金剛石的高硬度、高耐磨性，又具有硬質(zhì)合金的強(qiáng)度與抗沖擊韌性，是制造切削刀具、鉆井鉆頭及其他耐磨工具的理想材料。PDC齒適合于以刮切的方式工作，由于PDC齒的聚晶金剛石層的硬度和耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金材料的基體，因此PDC齒在刮切工作時(shí)具有自銳性，即聚晶金剛石層的磨損速度明顯慢于基體，使PDC齒的切削刃(硬而耐磨的金剛石層)始終保持銳利狀態(tài)。

PDC齒刮切工作時(shí)，起主要刮切作用的是聚晶金剛石層。PDC齒的聚晶金剛石層硬而脆，基體相對(duì)軟但具有很好的抗沖擊韌性，因此PDC齒刮切工作時(shí)具有方向性，只能是聚晶金剛石層在前基體在后進(jìn)行刮切(如圖11)，即基體處在聚晶金剛石層的后部推持支撐著聚晶金剛石層。如果PDC齒在工作過程中反向運(yùn)動(dòng)，基體在前聚晶金剛石層在后進(jìn)行刮切，聚晶金剛石層直接受到反向作用力，很容易造成聚晶金剛石層的崩裂或脫落，嚴(yán)重降低PDC齒的工作壽命，甚至在極短的時(shí)間內(nèi)使PDC齒損壞失效。

本專利較現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

1、本專利牙輪上的旋轉(zhuǎn)齒接觸巖石與巖石互作用破巖時(shí)，無論切削齒與巖石接觸時(shí)的開始狀態(tài)如何，當(dāng)切削齒受到巖石的作用力時(shí)，由于牙輪上的旋轉(zhuǎn)齒能相對(duì)牙輪轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)齒的前切削面或旋轉(zhuǎn)齒的前切削面的幾何中心相對(duì)旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸線偏移，且旋轉(zhuǎn)齒的后切削面均在偏移方同側(cè)或旋轉(zhuǎn)齒的后切削面的幾何中心在偏移方同側(cè)。在巖石反力的作用下，旋轉(zhuǎn)齒均會(huì)旋轉(zhuǎn)至齒的前切削面在前，旋轉(zhuǎn)齒的前切削面的背面在后來刮切巖石，且在刮切破巖過程中，無論牙輪如何旋轉(zhuǎn)，牙輪上的旋轉(zhuǎn)齒均會(huì)是以前切削面在前、前切削面的背面在后的方位來刮切破巖。旋轉(zhuǎn)齒上的切削元件相對(duì)旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸線偏移，在外力的作用下，沿垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的平面的力(分力)將會(huì)推動(dòng)旋轉(zhuǎn)齒繞其旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，使旋轉(zhuǎn)齒的前切削面的法線順著刮切方向來切削破巖，切削齒的前切削面法向始終指向刮切方向。本專利偏置的旋轉(zhuǎn)齒具有方位自調(diào)節(jié)自適應(yīng)功能，使旋轉(zhuǎn)齒上的切削元件始終以前切削面在前、前切削面的背面在后的方位來刮切破巖。這樣，本專利上就能使用耐磨性強(qiáng)的金剛石類切削齒，特別是能使用極適合于以刮切方式破巖的PDC齒。本專利所采用的結(jié)構(gòu)方案為金剛石類切削齒，特別是PDC齒應(yīng)用在單牙輪鉆頭上提供了條件。

2、本專利牙輪上的旋轉(zhuǎn)齒可相對(duì)牙輪轉(zhuǎn)動(dòng)且旋轉(zhuǎn)齒的切削元件偏置，旋轉(zhuǎn)齒始終以穩(wěn)定的刮切面相對(duì)巖石刮切工作。無論鉆頭牙輪如何旋轉(zhuǎn)，牙輪及其上的旋轉(zhuǎn)齒的位置如何，不管牙輪上切削齒的刮切運(yùn)動(dòng)方向如何變化，牙輪上的旋轉(zhuǎn)齒始終會(huì)以其前切削面在前、前切削面的背面在后的方位刮切巖石，旋轉(zhuǎn)齒相對(duì)巖石的刮切工作方向始終不變，這有利于減緩切削齒的磨損。切削齒始終相對(duì)巖石的刮切摩擦方向不變，較普通單牙輪上的切削齒工作時(shí)相對(duì)巖石的刮切方向不斷變化的工作方式，本專利即使采用與現(xiàn)有技術(shù)一致的切削齒(如硬質(zhì)合金齒)，其切削齒的磨損及磨損鈍化速度也均要好。

3、本專利上的旋轉(zhuǎn)齒上的切削元件可采用耐磨性強(qiáng)且極適合以刮切方式破巖的PDC齒，PDC齒在刮切工作時(shí)具有良好的自銳性，聚晶金剛石層的磨損速度明顯慢于基體。普通單牙輪鉆頭上的切削齒在鉆頭破巖工作過程中，切削齒相對(duì)巖石之間的刮切方向在不斷變化(牙輪恒接觸區(qū)上的切削齒刮切破巖時(shí)相對(duì)巖石的刮切方向在0～360°之間不斷變化；牙輪交替接觸區(qū)上的切削齒在刮切破巖時(shí)相對(duì)巖石的刮切方向在0～180°之間變化)，牙輪上的硬質(zhì)合金齒在刮切方向不斷變化的過程中齒頂菱角會(huì)被磨圓鈍化，刮切效率降低。旋轉(zhuǎn)齒上采用PDC齒，無論牙輪如何旋轉(zhuǎn)，切削齒的方位如何，旋轉(zhuǎn)齒上的PDC齒始終會(huì)以聚晶金剛石層在前基體在后的工作方位刮切巖石，PDC齒相對(duì)巖石的刮切方向始終保持不變，PDC齒始終以正常的方向刮切破巖，其有利于PDC齒刮切破巖優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮，能充分利用PDC齒的耐磨性和自銳特性。PDC齒相對(duì)硬質(zhì)合金齒更易于侵入巖石、更易于刮切破巖。因此，單牙輪鉆頭的牙輪上使用旋轉(zhuǎn)齒能明顯提高鉆頭使用壽命的同時(shí)，提高鉆頭切削齒的刮切效率和鉆頭的破巖效率。

4、單牙輪鉆頭只有一個(gè)牙輪，易于小井眼化，本應(yīng)是深井、超深井鉆井中很好的鉆井工具，但由于單牙輪鉆頭現(xiàn)有的切削齒耐磨性差，刮切破巖效率較低，限制了單牙輪鉆頭的應(yīng)用效果，因此在鉆井施工中已慢慢很少使用單牙輪鉆頭了。本專利提出的旋轉(zhuǎn)齒結(jié)構(gòu)，使極適合于以刮切形式破巖的PDC齒能應(yīng)用在單牙輪鉆頭上，提高了鉆頭的破巖效率和使用壽命，這將擴(kuò)寬單牙輪鉆頭的使用范圍，增強(qiáng)單牙輪鉆頭在鉆井中(特別是深井及小井眼中)的應(yīng)用價(jià)值。

作為選擇，旋轉(zhuǎn)齒的前切削面朝向其旋轉(zhuǎn)軸線。作為進(jìn)一步選擇，旋轉(zhuǎn)齒的前切削面的過幾何中心的法線與其旋轉(zhuǎn)軸線相交。

作為選擇，旋轉(zhuǎn)齒包括與牙輪轉(zhuǎn)動(dòng)連接的旋轉(zhuǎn)軸，以及固定在旋轉(zhuǎn)軸上的切削元件，切削元件選自聚晶金剛石復(fù)合片、聚晶金剛石復(fù)合齒(即聚晶金剛石與基體采取前述復(fù)合片形式以外的復(fù)合形式，統(tǒng)稱為“聚晶金剛石復(fù)合齒”)、熱穩(wěn)定聚晶金剛石復(fù)合齒、孕鑲金剛石齒(塊)、立方碳化硼、陶瓷齒、或聚晶金剛石與孕鑲金剛石相復(fù)合而成的復(fù)合齒中的一種或多種，且切削元件為聚晶金剛石復(fù)合片、聚晶金剛石復(fù)合齒、或聚晶金剛石與孕鑲金剛石相復(fù)合而成的復(fù)合齒時(shí)，其切削齒的聚晶金剛石層的前端面為前切削面。該方案中，由于本專利采用旋轉(zhuǎn)齒的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)齒上的切削元件可以以穩(wěn)定的方向相對(duì)巖石刮切工作，因此本專利的旋轉(zhuǎn)齒上可使用耐磨性更好的上述切削元件，以提高鉆頭切削齒及整個(gè)鉆頭的使用壽命和破巖效率。

作為選擇，旋轉(zhuǎn)齒的前切削面或旋轉(zhuǎn)齒的前切削面的幾何中心相對(duì)旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸線的偏移距大于旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸半徑的八分之一，小于旋轉(zhuǎn)軸半徑的兩倍。該方案中，為使旋轉(zhuǎn)齒與巖石互作用工作時(shí)能順利旋轉(zhuǎn)至正確的刮切方向，并保持良好的刮切方位，旋轉(zhuǎn)齒的前切削面或旋轉(zhuǎn)齒的前切削面的幾何中心相對(duì)旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸線的偏移距不能太小，偏移距越大越易于旋轉(zhuǎn)齒的順利旋轉(zhuǎn)，驅(qū)使旋轉(zhuǎn)齒旋轉(zhuǎn)到正常方位的驅(qū)動(dòng)力也將越足，也越易于保證旋轉(zhuǎn)齒在牙輪不斷旋轉(zhuǎn)的過程中能保持良好的刮切方位。但偏移距也不能太大，太大的偏移距將使旋轉(zhuǎn)齒占據(jù)較大的旋轉(zhuǎn)空間，造成牙輪布齒空間的浪費(fèi)。作為進(jìn)一步選擇，旋轉(zhuǎn)齒的前切削面或旋轉(zhuǎn)齒的前切削面的幾何中心相對(duì)旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸線的偏移距在1～32mm之間。

作為選擇，旋轉(zhuǎn)齒上的切削元件為1-6個(gè)。該方案中，旋轉(zhuǎn)齒上的切削元件可以為1個(gè)，也可以為多個(gè)，可根據(jù)鉆頭尺寸、旋轉(zhuǎn)齒大小及切削元件的實(shí)際大小來設(shè)置旋轉(zhuǎn)齒上切削元件的數(shù)量。作為進(jìn)一步選擇，旋轉(zhuǎn)齒上的切削元件為1個(gè)、2個(gè)或3個(gè)。

作為選擇，旋轉(zhuǎn)齒設(shè)置在牙輪的恒接觸區(qū)上。該方案中，單牙輪鉆頭破巖工作過程中，牙輪恒接觸區(qū)上的切削齒始終與井底接觸破巖，其磨損速度快于其他區(qū)域上的切削齒。牙輪的恒接觸區(qū)上設(shè)置旋轉(zhuǎn)齒將能明顯提高該區(qū)域切削齒的耐磨性和刮切效率，從而提高鉆頭的使用壽命和破巖效率。

作為選擇，旋轉(zhuǎn)齒設(shè)置在牙輪的交替接觸區(qū)上。該方案中，旋轉(zhuǎn)齒設(shè)置在牙輪的交替接觸區(qū)上將能明顯提高該區(qū)域切削齒的耐磨性和刮切效率。

作為選擇，旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸與牙輪之間設(shè)置有限制旋轉(zhuǎn)齒在旋轉(zhuǎn)軸線方向上的運(yùn)動(dòng)的鎖緊結(jié)構(gòu)。該方案中，旋轉(zhuǎn)齒設(shè)置在牙輪上時(shí)，為防止旋轉(zhuǎn)齒沿旋轉(zhuǎn)軸線的方向竄動(dòng)或沿軸線脫落，可在旋轉(zhuǎn)齒與牙輪之間設(shè)置鎖緊結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)齒的可靠性和安全性。這里的鎖緊是指將旋轉(zhuǎn)齒沿旋轉(zhuǎn)軸線的方向限位，防止旋轉(zhuǎn)齒沿旋轉(zhuǎn)軸線的方向竄動(dòng)或脫落，并不限制旋轉(zhuǎn)齒相對(duì)牙輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。作為進(jìn)一步選擇，旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸與牙輪之間采用滾珠鎖緊。滾珠鎖緊可在盡量減少影響旋轉(zhuǎn)齒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)齒沿其旋轉(zhuǎn)軸線方向限位和軸向鎖緊，且便于加工。

作為選擇，旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸與牙輪之間設(shè)置有密封結(jié)構(gòu)。該方案中，鉆頭工作時(shí)處在鉆井液、巖屑等環(huán)境中，旋轉(zhuǎn)齒可相對(duì)牙輪旋轉(zhuǎn)，為防止其他物質(zhì)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)齒與牙輪的旋轉(zhuǎn)副之間可在旋轉(zhuǎn)齒與牙輪之間設(shè)置密封結(jié)構(gòu)，以減小旋轉(zhuǎn)副的磨損，延長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)副的使用壽命。

前述本發(fā)明主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個(gè)方案，均為本發(fā)明可采用并要求保護(hù)的方案；且本發(fā)明，(各非沖突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本發(fā)明方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識(shí)可明了有多種組合，均為本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案，在此不做窮舉。

附圖說明

圖1、圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的旋轉(zhuǎn)齒刮切破巖時(shí)的示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸為設(shè)置有階梯的軸頸狀的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸為圓柱形的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6、圖7為本發(fā)明實(shí)施例1的旋轉(zhuǎn)齒上的切削元件為2個(gè)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例4、實(shí)施例5的旋轉(zhuǎn)齒與牙輪之間設(shè)置有鎖緊結(jié)構(gòu)及密封結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為單牙輪鉆頭的牙輪與井底巖石接觸時(shí)的接觸區(qū)域劃分示意圖。

圖10為常規(guī)PDC齒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11為常規(guī)PDC齒正常刮切破巖時(shí)的示意圖。

圖12、圖13、圖14為本發(fā)明實(shí)施例1的旋轉(zhuǎn)齒上的切削元件的形狀分別為半圓柱形、楔形和豎向設(shè)置的圓柱形的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、鉆頭體，2、牙輪，21、恒接觸區(qū)，22、交替接觸區(qū)，3、旋轉(zhuǎn)齒；31、PDC齒基體，32、PDC齒的聚晶金剛石層，33、旋轉(zhuǎn)齒的前切削面，34、旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸線，35、旋轉(zhuǎn)齒的后切削面，36、旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸，37、旋轉(zhuǎn)齒的前切削面的背面，4、巖石；5、密封結(jié)構(gòu)，6、鎖緊結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下列非限制性實(shí)施例用于說明本發(fā)明。

實(shí)施例1：

參考圖1-3所示，一種旋轉(zhuǎn)齒單牙輪鉆頭，包括鉆頭體1和牙輪2，牙輪2與鉆頭體1為轉(zhuǎn)動(dòng)連接，牙輪2能相對(duì)鉆頭體1轉(zhuǎn)動(dòng)，牙輪2上設(shè)置有切削齒，牙輪2上的切削齒至少有一顆為旋轉(zhuǎn)齒3，旋轉(zhuǎn)齒3與牙輪2形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，旋轉(zhuǎn)齒3能相對(duì)牙輪2轉(zhuǎn)動(dòng)。作為選擇，如本實(shí)施例所示，旋轉(zhuǎn)齒3包括與牙輪2轉(zhuǎn)動(dòng)連接的旋轉(zhuǎn)軸36，以及固定在旋轉(zhuǎn)軸36上的切削元件，牙輪2上對(duì)應(yīng)設(shè)有容納匹配旋轉(zhuǎn)齒3的旋轉(zhuǎn)軸36的軸孔，旋轉(zhuǎn)軸36插入軸孔內(nèi)在牙輪2上旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)軸36可以有多種形式，例如圖4、7為旋轉(zhuǎn)齒3的旋轉(zhuǎn)軸36為設(shè)置有階梯的軸頸狀，圖5、6為旋轉(zhuǎn)齒3的旋轉(zhuǎn)軸36為圓柱形。切削元件固結(jié)于旋轉(zhuǎn)軸36的頂面，其前端面(耐磨層的前端面)與旋轉(zhuǎn)軸36的頂面成一夾角，切削元件與旋轉(zhuǎn)軸36的固結(jié)形式也可以有多種方式：例如圖4、5所示，其部分基體和耐磨層側(cè)面陷入固定于頂面內(nèi)，或者如圖6、7所示，在頂面內(nèi)形成一凸臺(tái)，其基體部分側(cè)面陷入固定于凸臺(tái)內(nèi)，而耐磨層則出露于凸臺(tái)外。旋轉(zhuǎn)齒3的切削元件的前切削面33或前切削面33的幾何中心O相對(duì)旋轉(zhuǎn)齒3的旋轉(zhuǎn)軸線34偏移，且旋轉(zhuǎn)齒3的切削元件的后切削面35或后切削面35的幾何中心在前切削面33的偏移方同側(cè)，前切削面33相對(duì)后切削面35靠近旋轉(zhuǎn)齒的旋轉(zhuǎn)軸線34，并能繞旋轉(zhuǎn)軸線34在牙輪2上旋轉(zhuǎn)。作為選擇，旋轉(zhuǎn)齒3上的切削元件為聚晶金剛石復(fù)合片(PDC齒)、聚晶金剛石復(fù)合齒、熱穩(wěn)定聚晶金剛石復(fù)合齒、孕鑲金剛石齒(塊)、立方碳化硼、陶瓷齒、或聚晶金剛石與孕鑲金剛石相復(fù)合而成的復(fù)合齒。作為進(jìn)一步選擇，旋轉(zhuǎn)齒3上的切削元件為聚晶金剛石復(fù)合片(PDC齒)。聚晶金剛石復(fù)合片由聚晶金剛石層32和基體31兩部分組成(參見圖10)，其中聚晶金剛石層32的前端面即為切削元件的前切削面33，側(cè)面為后切削面35(參考圖3)。作為選擇，旋轉(zhuǎn)齒3上的切削元件的形狀為半圓柱形(參考圖12)、楔形(參考圖13)或豎向設(shè)置的圓柱形(參考圖14)等。作為選擇，旋轉(zhuǎn)齒3的前切削面33或旋轉(zhuǎn)齒3的前切削面33的幾何中心O相對(duì)旋轉(zhuǎn)齒3的旋轉(zhuǎn)軸線34的偏移距S大于旋轉(zhuǎn)齒3的旋轉(zhuǎn)軸36半徑(旋轉(zhuǎn)軸36置于軸孔內(nèi)的圓柱或軸頸部分的半徑)的八分之一，小于旋轉(zhuǎn)軸36半徑的兩倍(參考圖3、圖8)。作為進(jìn)一步選擇，旋轉(zhuǎn)齒3的前切削面33或旋轉(zhuǎn)齒3的前切削面33的幾何中心相對(duì)旋轉(zhuǎn)齒3的旋轉(zhuǎn)軸線34的偏移距S在1～32mm之間。旋轉(zhuǎn)齒上的切削元件可以為1個(gè)，也可以為多個(gè)。作為選擇，旋轉(zhuǎn)齒3上的切削元件為1-6個(gè)。作為進(jìn)一步選擇，旋轉(zhuǎn)齒3上的切削元件為1個(gè)(如圖1、圖2)、2個(gè)(如圖6、圖7)或3個(gè)。切削單元1個(gè)時(shí)，優(yōu)選旋轉(zhuǎn)齒的前切削面的過幾何中心的法線與其旋轉(zhuǎn)軸線相交。當(dāng)切削單元多個(gè)時(shí)，各切削單元的前切削面33并排朝向旋轉(zhuǎn)軸線34，并相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線34左右均布。

實(shí)施例2：

參考圖1、2、9所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，其區(qū)別在于：旋轉(zhuǎn)齒3設(shè)置在牙輪2的恒接觸區(qū)21上。

實(shí)施例3：

參考圖1、2、9所示，本實(shí)施例與實(shí)施例2基本相同，其區(qū)別在于：旋轉(zhuǎn)齒3設(shè)置在牙輪2的交替接觸區(qū)22上。

實(shí)施例4：

參考圖8所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，其區(qū)別在于：旋轉(zhuǎn)齒3的旋轉(zhuǎn)軸與牙輪2之間設(shè)置有限制旋轉(zhuǎn)齒3沿旋轉(zhuǎn)軸線34方向相對(duì)牙輪2運(yùn)動(dòng)的鎖緊結(jié)構(gòu)6。旋轉(zhuǎn)齒3與牙輪2之間可設(shè)置彈性擋圈結(jié)構(gòu)，以防止旋轉(zhuǎn)齒3沿旋轉(zhuǎn)軸線34的方向竄動(dòng)或沿軸線脫落，旋轉(zhuǎn)齒3與牙輪2之間可設(shè)置螺紋結(jié)構(gòu)，通過螺帽將旋轉(zhuǎn)齒3限位在牙輪2的旋轉(zhuǎn)齒孔內(nèi)防止旋轉(zhuǎn)齒沿旋轉(zhuǎn)軸線的方向竄動(dòng)或脫落。作為進(jìn)一步選擇，旋轉(zhuǎn)齒3與牙輪2之間采用滾珠鎖緊(如圖8)。

實(shí)施例5：

參考圖8所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，其區(qū)別在于：旋轉(zhuǎn)齒3與牙輪2之間設(shè)置有密封結(jié)構(gòu)5。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。