本發(fā)明涉及一種地質(zhì)工程用鉆頭，特別是一種適用于自鉆式中空錨固系統(tǒng)的三刃凹面球齒鉆頭。

背景技術(shù)：

隨著水利、能源、交通、礦業(yè)、城市基礎(chǔ)建設(shè)力度的加大，在隧道、邊坡中錨桿支護(hù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。錨桿支護(hù)充分的利用了巖體自穩(wěn)能力。尤其是自鉆式中空錨桿系統(tǒng)，可以快速成孔并注漿，能確保巖體開挖后立即提供支護(hù)力（預(yù)應(yīng)力），防止圍巖的變形和松動(dòng)，增強(qiáng)了巖土工程的穩(wěn)定性。

自鉆式錨桿系統(tǒng)中鉆頭眾多，常用的有“一”字型、“十”字型、球齒型，每種鉆頭都有其特點(diǎn)。根據(jù)不同的地形和巖土特征，選擇不同的鉆頭類型。在泥灰?guī)r、白堊土、礫石、軟弱泥巖的應(yīng)用中，由于鉆進(jìn)效率高，缺乏一種定心效果好的鉆頭，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭易偏離既定線路，造成桿體彎折，影響鉆頭的支護(hù)性能和效果。對(duì)于球齒全鋼鉆頭來(lái)說(shuō)，邊齒的磨損速度成倍于內(nèi)部球齒，邊齒易先磨損而出現(xiàn)打滑、降低鉆進(jìn)效率等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種適用于自鉆式中空錨固系統(tǒng)的三刃凹面球齒鉆頭，在軟弱巖土的施工中，具有邊齒耐磨損，成孔穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，且具有自定心功能，不容易偏移，鑿巖效率高，成孔精度好。

為了實(shí)現(xiàn)解決上述技術(shù)問(wèn)題的目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種適用于自鉆式中空錨固系統(tǒng)的三刃凹面球齒鉆頭，屬于全鋼鉆頭，包括頭部和褲體兩部分；頭部設(shè)有三個(gè)互不相連的切削刃、1個(gè)位于該三個(gè)互不相連的切削刃中間的下凹槽和分布在下凹槽中的4個(gè)球齒；三個(gè)切削刃底部互不連接，位于該三個(gè)切削刃中間的部位即為下凹槽；

所述三個(gè)切削刃均為三角形刀刃，凸出在頭部，三個(gè)切削刃的底部在凹槽所在平面上以鉆頭軸線為中心呈120°角均勻分布；切削刃的刃尖呈圓弧線形，刃兩側(cè)一面為內(nèi)凹圓弧面，另一面為外凸圓弧面；刀刃兩側(cè)面凹凸方向不同形成刀刃的方向；三個(gè)切削刃中兩個(gè)刀刃方向相同，并凹向旋轉(zhuǎn)方向，稱之為主切削刃，另一切削刃凹向旋轉(zhuǎn)方向的反向，稱為副切削刃。主切削刃形狀結(jié)構(gòu)完全相同，任一主切削刃與副切削刃關(guān)于兩切削刃之間的弧形排屑槽平分面相互對(duì)稱；

褲體外壁上均布有三個(gè)形狀相同的圓弧狀排屑槽，使得在鉆頭與孔壁之間形成容屑和排屑空間，用于鉆進(jìn)時(shí)容屑和排屑；在兩個(gè)主削刃旋轉(zhuǎn)方向上方向的兩個(gè)排屑槽中各分布有一個(gè)出水孔，出水孔的兩端分別連通排屑槽和鉆頭內(nèi)部的盲孔；出水孔在排屑槽的一端偏離排屑槽中心設(shè)置，相對(duì)于排屑槽的中心分別偏離兩個(gè)主切削刃，出水孔角度斜向上，與鉆頭軸線夾角為60°～80°；與無(wú)出水孔排屑槽相鄰的主切削刃下方，在鉆頭外壁上設(shè)有1個(gè)通水孔，通水孔方向垂直或近似垂直于鉆頭中心軸線設(shè)置，進(jìn)通水孔一端與鉆頭內(nèi)部的盲孔聯(lián)通，另一端連通于排屑槽之外的鉆頭外壁；褲體內(nèi)部設(shè)有螺紋腔體，可與自鉆式桿體的外螺紋旋合，并實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)所需的能量傳遞，并通過(guò)內(nèi)部腔體與通水孔相通，使壓力水得以流通；頭部下凹槽依次交替與切削刃底部、排屑槽相交形成六邊狀的下凹槽，六邊均為圓弧狀凹向鉆頭中心軸線；

4個(gè)半球型的球齒中的三個(gè)球齒中心分布在與鉆頭軸線同心的外側(cè)圓周上，并且球齒的外緣貼近切削刃底部；三個(gè)外圈球齒分布角度與三個(gè)切削刃分別相同，靠近副切削刃的外圈球齒的中心到鉆頭中心的距離短于其他兩個(gè)外圈球齒，使得該處球齒的外緣與切削刃間隙稍大；靠中心的為第四球齒，第四球齒的中心位于在下凹槽中心附近，距離鉆頭中心距離小于1個(gè)球齒半徑，且第四球齒靠近主切削刃附近的兩個(gè)外圈球齒，并與這兩個(gè)球齒的中心距相等。

這些技術(shù)方案，包括改進(jìn)的技術(shù)方案以及進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案也可以互相組合或者結(jié)合，從而達(dá)到更好的技術(shù)效果。

本發(fā)明的適用于自鉆式中空錨固系統(tǒng)的三刃凹面球齒鉆頭，各個(gè)部件作用的工作方式為：

兩個(gè)主切削刃刀刃方向相同，可以迅速嵌入破壞巖土結(jié)構(gòu)，并將破碎后的巖土碎屑剝?nèi)肱判疾壑校缓笱杆倥c水流混合成泥漿排出孔外；

副切削刃的刀刃方向與主切削刃相反，對(duì)于巖土粒塊的作用方向與主切削刃相反，嵌入巖土中并向外撥動(dòng)巖土粒塊，對(duì)于較為堅(jiān)硬頑固的巖土粒塊，在主切削刃和副切削刃的交替作用下，更容易被破壞和排出；

在軟弱的巖土地質(zhì)條件下，如泥灰?guī)r等，鉆孔支護(hù)時(shí)，三個(gè)三角形刀刃凸出在頭部，相比球齒鉆頭，工作時(shí)可迅速的嵌入土層，破壞土層結(jié)構(gòu)，刀刃不滑動(dòng)，剪切效果好；主切削刃和副切削刃交替作用，對(duì)于破壞堅(jiān)硬頑固的粒塊更為有效，起到增加鉆進(jìn)效率的目的。

中部下凹槽一方面讓切削刃凸出鉆頭，在切削時(shí)先破壞孔周圍土層，中部土層后破壞，卡在槽中，起到定心作用，在鉆孔較深時(shí)，很好的減小或避免鉆頭和鉆孔的偏斜。另一方面，下凹槽的存在增加了容屑空間，避免鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生卡鉆現(xiàn)象。

球齒的分布規(guī)律可以保證鉆進(jìn)時(shí)刀刃及球齒覆蓋整個(gè)孔范圍內(nèi)的巖土；在小范圍內(nèi)布置相同的球齒，球齒的磨損速度大致相同，球齒保持較高的利用率，布局更為合理。

兩個(gè)出水孔斜向上設(shè)置可以使水流直接沖洗到孔底，冷卻刃部，并及時(shí)沖走兩個(gè)主切削刃剝落下來(lái)的碎屑，避免碎屑在堵塞導(dǎo)致卡鉆。

通水孔設(shè)置在排屑槽外的鉆頭外壁上，并與非對(duì)稱刀刃垂直對(duì)應(yīng)，通水孔方向水平或近似水平設(shè)置，可以達(dá)到的效果是：通壓力水時(shí)，可以沖洗孔壁附著或松動(dòng)的巖土碎屑。在兩個(gè)出水孔和一個(gè)通水孔分別作用下，使得鉆頭刃部得以及時(shí)冷卻，并沖洗帶走鉆孔孔壁上松動(dòng)的碎屑，保證鉆孔大小，在注漿時(shí)可以形成不低于要求的注漿厚度。

本發(fā)明的技術(shù)方案，具有很多先進(jìn)的技術(shù)設(shè)計(jì)。

出水孔的兩端分別連通排屑槽和鉆頭內(nèi)部的盲孔，用于通壓力水，提前潤(rùn)濕待切削的巖土，偏離排屑槽中心設(shè)置，避免水流方向直接與進(jìn)入排屑槽的碎屑反向沖擊，有利于排屑；壓力水一方面提前潤(rùn)濕帶切削的巖土并冷卻切削刃，一方面水流經(jīng)孔底孔壁折回后與進(jìn)入出水孔所在的排屑槽中的巖土碎屑混合形成泥漿，排出孔外。

通水孔用于通壓力水，沖洗孔壁上的松散碎屑，并與沒有進(jìn)入排屑槽，存留在鉆頭外壁和孔壁之間空間的碎屑混合形成泥漿，排出孔外，避免碎屑在狹小區(qū)域囤積卡鉆。

在主切削刃的作用下，大部分巖土碎屑經(jīng)主切削刃剝落作用進(jìn)入位于主切削刃旋轉(zhuǎn)方向上方向的兩個(gè)排屑槽中，還有一小部分碎屑會(huì)進(jìn)入另一排屑槽或填充在鉆頭外壁與孔壁之間的空隙中。有針對(duì)性的布置不同作用的出水孔和通水孔，既能保證壓力水流與排屑槽中的碎屑充分迅速地混合成泥漿，也能保證鉆頭外壁與孔壁之間的松散碎屑得以快速有效的沖刷和混合，形成泥漿并排出孔外，大大改善碎屑的清理效果，避免碎屑囤積影響鉆頭鉆進(jìn)效率。

球齒的外緣貼近切削刃底部，可以避免鉆孔時(shí)外圈球齒與切削刃之間隙過(guò)大形成切削死角。

三個(gè)外圈球齒如果和三個(gè)切削刃有對(duì)應(yīng)，方便排屑；如果不對(duì)應(yīng)，會(huì)阻礙球齒破碎后的巖土碎屑進(jìn)入排屑槽中，影響鉆進(jìn)效率。

由于靠近副切削刃的外圈球齒的中心到鉆頭中心的距離短于其他兩個(gè)外圈球齒，使得該處球齒的外緣與切削刃間隙稍大，這樣可以使得外圈球齒中心在徑向分布上分布點(diǎn)更多，外圈球齒覆蓋的切削范圍更廣，切削效果更好。

球齒中心距離鉆頭中心太近起不到切削效果，離中心太遠(yuǎn)會(huì)在鉆頭中心形成切削死角，且中心球齒應(yīng)與外圈球齒保持一定距離，避免過(guò)于擁擠使碎屑堆積。同時(shí)中心球齒靠近兩個(gè)主切削刃附近的外圈球齒，使得在兩個(gè)主切削刃所在的兩個(gè)直徑方向形成覆蓋面完整的復(fù)合型切削刃。兩個(gè)主切削刃及對(duì)應(yīng)的球齒起到主要的破碎和剝落巖土作用，副切削刃及其對(duì)應(yīng)的球齒則起到補(bǔ)充和改善破碎效果的作用。

通過(guò)采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下的有益效果：

弧面三角形刀刃在松軟巖土中可較容易地嵌入巖土中并形成剝削作用下，提高鉆進(jìn)效率，凹槽結(jié)構(gòu)使鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中具有定心效果，成孔精度高，鉆進(jìn)更穩(wěn)定，桿體徑向變形小，保護(hù)桿體不易疲勞或剪切損壞；主切削刃和副切削刃圓弧刀刃方向不同，對(duì)于巖土中堅(jiān)硬頑固的粒塊有不同的作用力和效果，提高鉆進(jìn)效率；出水孔和通水孔在排屑槽的非中心位置和鉆頭外壁位置分別布置，使得壓力水有效潤(rùn)濕巖土和切削刃的同時(shí)，避免壓力水和巖土碎屑直接反向沖擊；對(duì)于排屑槽之外的巖土碎屑，在水平通水孔的作用下也得到了有效的沖刷和混合，改善了巖土碎屑和壓力水的整體混合沖洗效果，避免碎屑卡死鉆頭，提高排屑和鉆進(jìn)效率。通過(guò)對(duì)三個(gè)切削刃，以及設(shè)置出水孔和通水孔進(jìn)行不同但明確的分工，整體的鉆進(jìn)效率更高，下凹槽的設(shè)計(jì)也使得成孔精度也得到了提升。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的適用于自鉆式中空錨固系統(tǒng)的三刃凹面球齒鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的適用于自鉆式中空錨固系統(tǒng)的三刃凹面球齒鉆頭的主視圖。

圖3是本發(fā)明的適用于自鉆式中空錨固系統(tǒng)的三刃凹面球齒鉆頭的俯視圖。

圖4是適用于自鉆式中空錨固系統(tǒng)的三刃凹面球齒鉆頭的A-A剖視圖。

圖中，11-主切削刃，12-副切削刃，13-主切削刃，2-下凹槽，31-第一球齒，32-第二球齒，33-第三球齒，34-第四球齒，41-第一出水孔，42-通水孔，43-第二出水孔，51-第一排屑槽，52-第三排屑槽，53-第三排屑槽。

附圖1-4僅為左旋鉆頭，右旋鉆頭仍然適合以上描述，但是與左旋鉆頭反向設(shè)置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步解釋說(shuō)明。但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于具體的實(shí)施方式。

實(shí)施例1

如圖1-4所示，本發(fā)明的適用于自鉆式中空錨固系統(tǒng)的三刃凹面球齒鉆頭，包括頭部和褲體兩部分。頭部設(shè)有三個(gè)切削刃、1個(gè)下凹槽2和分布在下凹槽2中的4個(gè)球齒。褲體外壁上均布有三個(gè)圓弧狀排屑槽，用于鉆進(jìn)時(shí)容屑排屑；在排屑槽中分布有第一出水孔41和第二出水孔43，褲體外壁上設(shè)有1個(gè)通水孔42，用于通壓力水，沖洗巖屑和冷卻鉆頭切削刃。褲體內(nèi)部設(shè)有螺紋腔體，可與自鉆式桿體的外螺紋旋合，并實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)所需的能量傳遞，并通過(guò)內(nèi)部腔體與通水孔42相通。

在軟弱的巖土地質(zhì)條件下，如泥灰?guī)r、鉆孔支護(hù)時(shí)，三個(gè)三角形刀刃凸出在頭部，相比球齒鉆頭，工作時(shí)可迅速的嵌入土層，破壞土層結(jié)構(gòu)，刀刃不滑動(dòng)，剪切效果好，起到增加切削效率的目的。主切削刃11和主切削刃13為主刀刃，破壞并剝落破碎的巖土；副切削刃12為副刀刃，起到破壞巖土完整性的作用。中部下凹槽2一方面讓切削刃凸出鉆頭，在切削時(shí)先破壞孔周圍土層，中部土層后破壞，卡在槽中，起到定心作用，在鉆孔較深時(shí)，很好的減小或避免鉆頭和鉆孔的偏斜。另一方面，下凹槽2的存在增加了容屑空間，避免鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生卡鉆現(xiàn)象。球齒的分布規(guī)律可以保證鉆進(jìn)時(shí)刀刃及球齒覆蓋整個(gè)孔范圍內(nèi)的巖土。在小范圍內(nèi)布置相同的球齒，球齒的磨損速度大致相同，球齒保持較高的利用率，布局更為合理。第一出水孔41和第二出水孔43斜向上可以使水流直接沖洗到孔底，冷卻刃部，并及時(shí)沖走主切削刃13和主切削刃11剝落下來(lái)的碎屑，避免碎屑在堵塞導(dǎo)致卡鉆。通水孔42水平布置，通壓力水時(shí)，可以沖洗孔壁附著或松動(dòng)的巖土碎屑。在三個(gè)水孔分別作用下，使的鉆頭刃部得以及時(shí)冷卻，并沖洗帶走鉆孔孔壁上松動(dòng)的碎屑，保證鉆孔大小，在注漿時(shí)可以形成不低于要求的注漿厚度。在鉆頭外壁上設(shè)置有3個(gè)均勻分布的排屑槽，在鉆頭與孔壁之間形成容屑和排屑空間。