CN109854181A - 一种矿用内通孔开合式pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用矿用通孔开合式PDC钻头，横梁体右端用球头销柱分别固定在钻头体横梁槽壁的球形凹坑处，球头销柱之间用固定销柱固定，有开合、闭合2种工作状态，钻头横梁体与钻头体之间有固定结构及开合设计结构，开合力大小可调可控，PDC钻头为铰链式固定结构，横梁体右端用球头销柱分别固定在钻头体横梁槽壁的球形凹坑处，球头销柱之间用固定销柱固定，横梁体固定在钻头体的横梁体槽内，横梁体左端绕右端球头销柱旋转开启，用球头弹簧柱塞弹卡定位结构实现横梁正常开闭，横梁体闭合状态下球头压缩弹簧，球头固定在钻头体的横梁体槽左侧的球形凹坑内，横梁体受到外力后，球头滑出凹坑进而打开横梁体。

Description

一种矿用内通孔开合式PDC钻头

技术领域

本发明涉及一种PDC钻头技术领域，特别是一种矿用通孔开合式PDC钻头。

背景技术

煤矿瓦斯抽采达标是保证煤矿安全的重要举措。井下瓦斯抽采孔施工中，如钻遇松软煤层，即普氏系数f<1或松散中硬煤层，钻孔钻至预定孔深，当钻杆退钻后，已有钻孔会因为失去钻杆支撑而坍塌，无法形成有效的瓦斯抽采通道。大通径钻杆结合内通孔钻头全孔不提钻下筛管工艺可有效解决煤矿松软破碎煤层瓦斯抽采孔施工时成孔难题，瓦斯抽防孔钻至预定孔深厚，卸开后置水辫，连接固定装置的筛管通过大通径钻杆内部通道下方至内通孔钻头处，钻机操作人员通过推送筛管，打开内通孔钻头横梁体，待固定装置伸出内通孔钻头后，倒刺张开固定在孔底，然后操作人员再依次把钻杆退钻至孔口处。退钻后筛管则预留在已有钻孔内，通过筛管不同部位预留孔抽吸钻孔轨迹范围内的瓦斯，从而保证煤矿井下瓦斯安全。但有时96mm内通孔钻头横梁体无法正常开合，松软及破碎煤层大通径钻杆全孔不提钻下筛管工艺的关键在于内通孔钻头横梁体的开合力，如果横梁体开合力过大，因为受筛管自然弯曲的摩擦力等影响，操作人员无法推开横梁体，从而造成钻孔失效；如果横梁体开合力偏小，压风排渣钻进过程中，当压风作用于横梁体时会提前推开横梁体，此时影响正常钻进，并且也影响钻头正常寿命。

针对此问题，需要设计新的矿用通孔开合式PDC钻头，优化设计横梁体与钻头横梁体槽之间的固定、开闭方式及尺寸配合公差，最终确定最优的横梁体开合力,各设计参数成功地用于批量化内通孔钻头生产。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用矿用通孔开合式PDC钻头，横梁体右端用球头销柱(5)分别固定在钻头体横梁槽壁的球形凹坑处，球头销柱(5)之间用固定销柱(4)固定，从而横梁体固定在钻头体(1)的横梁体(3)槽内。

优选的，所述矿用通孔开合式PDC钻头在全孔不提钻下筛管工艺施工过程中主要有开合、闭合2种工作状态，钻头横梁体与钻头体之间有固定结构及开合设计结构，开合设计结构的开合力大小可调可控。

优选的，所述矿用通孔开合式PDC钻头为铰链式固定结构，横梁体右端用球头销柱(5)分别固定在钻头体横梁槽壁的球形凹坑处，球头销柱(5)之间用固定销柱(4)固定，从而横梁体固定在钻头体(1)的横梁体(3)槽内。

优选的，横梁体(3)左端绕右端球头销柱(5)旋转开启，旋转角度为0-95度，用球头弹簧柱塞(2)弹卡定位结构实现横梁正常开闭，横梁体(3)闭合状态下球头压缩弹簧，球头固定在钻头体(1)的横梁体(3)槽左侧的球形凹坑内，当横梁体(3)受到外力后，球头滑出凹坑进而打开横梁体(3)。

优选的，所述球头弹簧柱塞(2)直径为8mm。

优选的，矿用通孔开合式PDC钻头的横梁体开合力大小受横梁体(3)与钻头体(1)槽之间的配合尺寸公差与球头弹簧柱塞(2)的单侧出漏量影响。

优选的，所述矿用通孔开合式PDC钻头的内通孔钻头加工时，钻头体(1)，横梁体(3)主要组件均经过高温焊接，钻头体1需要铜钎焊保径条，银钎焊PDC复合片，在高达1000摄氏度温度下，焊接前后的横梁体3槽尺寸与形位公差惠发生微变，同样横梁体3在焊接PDC复合片时，经过高达700摄氏度高温后，横梁体3尺寸与形位公差也会发生变化。

优选的，所述矿用通孔开合式PDC钻头的横梁体(3)与钻头体(1)槽之间的配合尺寸公差优化时，采用单因素分析法分析钻头体槽与横梁体之间公差大小对横梁体开合力的影响：钻头体1与横梁体3分3组加工，每组加工10支钻头，各零件的尺寸分别为：第1组横梁体、槽公差为0.15-0.25mm，第2组横梁体、槽公差为0.25-0.35mm，第3组横梁体、槽公差为0.35-0.45mm。

优选的，所述矿用通孔开合式PDC钻头的内通孔钻头装配时球头弹簧柱塞的单侧出漏量为0.4-0.5mm，30支钻头装配完毕后，采用拉力计分别测量30支φ96mm内通孔钻头的横梁体3开合力，其中第1组横梁体开合力平均值为79.6N，第2组横梁体开合力平均值为54.2N，第3组横梁体开合力平均值为32.8N。

优选的，所述矿用通孔开合式PDC钻头横梁体槽与横梁体(3)的尺寸公差分别选用0.2-0.25mm与-0.05-0.10mm。

本发明的有益效果：

φ96mm内通孔钻头的铰链式横梁体固定结构、球头主塞开启结构设计合理，横梁体槽与横梁体3尺寸公差分别选用0.2-0.25mm与-0.05-0.10mm时，横梁体开合力平均值为54.2N，此开合力适合煤矿井下压风排渣钻进，并且不会出现矿方横梁体无法开启的质量问题。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本发明实施例的PDC钻头状态图，其中图1(a)为开合状态图，图1(b)为闭合状态图；

附图2为根据本发明实施例的PDC通孔钻头结构示意图；

附图3为根据本发明实施例的内通孔钻头加工流程图。

具体实施方式

以φ96mm内通孔钻头时遇到的工艺技术难题为例，说明横梁体开合与锁闭的合理设计参数。

一、φ96mm内通孔PDC钻头设计与加工流程

1、φ96mm内通孔钻头设计：φ96mm内通孔钻头在全孔不提钻下筛管工艺施工过程中主要有开合、闭合2种工作状态，如图1所示。为达到内通孔钻头设计目的，需要使钻头横梁体与钻头体之间有固定结构及开合设计结构，固定结构应简单可靠，开合结构设计时应考虑开合力大小可调可控。图1(a)为开合状态图，图1(b)为闭合状态图。

将φ96mm内通孔钻头2种工作状态对比分析直销固定方式与铰链式固定方式后，选用如图2所示的铰链式固定结构，横梁体右端用球头销柱(5)分别固定在钻头体横梁槽壁的球形凹坑处，球头销柱(5)之间用固定销柱(4)固定，从而横梁体固定在钻头体(1)的横梁体(3)槽内。

横梁体(3)左端绕右端球头销柱(5)旋转开启，旋转角度为0-95度，用球头弹簧柱塞(2)弹卡定位结构实现横梁正常开闭，横梁体(3)闭合状态下球头压缩弹簧，球头固定在钻头体(1)的横梁体(3)槽左侧的球形凹坑内，当横梁体(3)受到外力后，球头滑出凹坑进而打开横梁体(3)。

球头弹簧柱塞(2)直径为8mm。

φ96mm内通孔钻头横梁体开合力大小主要受横梁体(3)与钻头体(1)槽之间的配合尺寸公差与球头弹簧柱塞(2)的单侧出漏量影响。

2、φ96mm内通孔钻头加工流程，如图3所示，内通孔钻头加工时，钻头体1，横梁体3主要组件均经过高温焊接，钻头体1需要铜钎焊保径条，银钎焊PDC复合片，在高达1000摄氏度温度下，焊接前后的横梁体3槽尺寸与形位公差惠发生微变，同样横梁体3在焊接PDC复合片时，经过高达700摄氏度高温后，横梁体3尺寸与形位公差也会发生变化。如果横梁体3与钻头体1的横梁体槽尺寸公差如果配合不当，会造成横梁体1开合力过紧或过松。如果钻头体1与横梁体3上均已焊接保径条与复合片，无法对钻头体1与横梁体3配合尺寸再加工，所以从设计角度控制钻头体槽与横梁体尺寸公差比较关键。

φ96mm内通孔钻头横梁体3与钻头体1槽之间的配合尺寸公差优化时，采用单因素分析法分析钻头体槽与横梁体之间公差大小对横梁体开合力的影响：钻头体1与横梁体3分3组加工，每组加工10支钻头，各零件的尺寸分别为：第1组横梁体、槽公差为0.15-0.25mm，第2组横梁体、槽公差为0.25-0.35mm，第3组横梁体、槽公差为0.35-0.45mm。

钻头体1与横梁体3加工完成后，各零件公差值符合要求，经过统计分析第1组实测横梁体、槽配合公差平均值0.185mm，第2组实测横梁体、槽配合公差平均值0.263mm，第3组实测横梁体、槽配合公差平均值0.391mm。

内通孔钻头装配时球头弹簧柱塞的单侧出漏量为0.4-0.5mm，30支钻头装配完毕后，采用拉力计分别测量30支φ96mm内通孔钻头的横梁体3开合力，其中第1组横梁体开合力平均值为79.6N，第2组横梁体开合力平均值为54.2N，第3组横梁体开合力平均值为32.8N。

根据钻进施工经验，煤矿井下压风排渣钻进时，φ96mm内通孔钻头处的压风压力将为0.35-0.5atm，钻进过程中压风在横梁体3上的作用力为35-48N。第1组横梁体3开启压力过大，不利于横梁体3开启，第3组横梁体开合力过小，钻进过程中横梁体可能会打开，第2组横梁体3开合力平均值为54.2N更能满足钻进需要。因此横梁体3槽与横梁体3的尺寸公差分别选用0.2-0.25mm与-0.05-0.10mm。

本实施例的φ96mm内通孔钻头的铰链式横梁体固定结构、球头主塞开启结构设计合理，横梁体槽与横梁体3尺寸公差分别选用0.2-0.25mm与-0.05-0.10mm时，横梁体开合力平均值为54.2N，此开合力适合煤矿井下压风排渣钻进，并且不会出现矿方横梁体无法开启的质量问题。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (10)

1.一种用矿用通孔开合式PDC钻头，其特征在于：横梁体右端用球头销柱(5)分别固定在钻头体横梁槽壁的球形凹坑处，球头销柱(5)之间用固定销柱(4)固定，从而横梁体固定在钻头体(1)的横梁体(3)槽内。

2.根据权利要求1所述的一种用矿用通孔开合式PDC钻头，其特征在于：所述矿用通孔开合式PDC钻头在全孔不提钻下筛管工艺施工过程中主要有开合、闭合2种工作状态，钻头横梁体与钻头体之间有固定结构及开合设计结构，开合设计结构的开合力大小可调可控。

3.根据权利要求1所述的一种用矿用通孔开合式PDC钻头，其特征在于：所述矿用通孔开合式PDC钻头为铰链式固定结构，横梁体右端用球头销柱(5)分别固定在钻头体横梁槽壁的球形凹坑处，球头销柱(5)之间用固定销柱(4)固定，从而横梁体固定在钻头体(1)的横梁体(3)槽内。

4.根据权利要求1所述的一种用矿用通孔开合式PDC钻头，其特征在于：横梁体(3)左端绕右端球头销柱(5)旋转开启，旋转角度为0-95度，用球头弹簧柱塞(2)弹卡定位结构实现横梁正常开闭，横梁体(3)闭合状态下球头压缩弹簧，球头固定在钻头体(1)的横梁体(3)槽左侧的球形凹坑内，当横梁体(3)受到外力后，球头滑出凹坑进而打开横梁体(3)。

5.根据权利要求4所述的一种用矿用通孔开合式PDC钻头，其特征在于：所述球头弹簧柱塞(2)直径为8mm。

6.根据权利要求1所述的一种用矿用通孔开合式PDC钻头，其特征在于：横梁体(3)开合力大小受横梁体(3)与钻头体(1)槽之间的配合尺寸公差与球头弹簧柱塞(2)的单侧出漏量影响。

7.根据权利要求1所述的一种用矿用通孔开合式PDC钻头，其特征在于：所述矿用通孔开合式PDC钻头的内通孔钻头加工时，钻头体(1)，横梁体(3)主要组件均经过高温焊接，钻头体1需要铜钎焊保径条，银钎焊PDC复合片，在高达1000摄氏度温度下，焊接前后的横梁体3槽尺寸与形位公差惠发生微变，同样横梁体3在焊接PDC复合片时，经过高达700摄氏度高温后，横梁体3尺寸与形位公差也会发生变化。

8.根据权利要求1所述的一种用矿用通孔开合式PDC钻头，其特征在于：所述矿用通孔开合式PDC钻头的横梁体(3)与钻头体(1)槽之间的配合尺寸公差优化时，采用单因素分析法分析钻头体槽与横梁体之间公差大小对横梁体开合力的影响：钻头体1与横梁体3分3组加工，每组加工10支钻头，各零件的尺寸分别为：第1组横梁体、槽公差为0.15-0.25mm，第2组横梁体、槽公差为0.25-0.35mm，第3组横梁体、槽公差为0.35-0.45mm。

9.根据权利要求4所述的一种用矿用通孔开合式PDC钻头，其特征在于：所述矿用通孔开合式PDC钻头的内通孔钻头装配时球头弹簧柱塞的单侧出漏量为0.4-0.5mm，30支钻头装配完毕后，采用拉力计分别测量30支φ96mm内通孔钻头的横梁体3开合力，其中第1组横梁体开合力平均值为79.6N，第2组横梁体开合力平均值为54.2N，第3组横梁体开合力平均值为32.8N。

10.根据权利要求1所述的一种用矿用通孔开合式PDC钻头，其特征在于：所述矿用通孔开合式PDC钻头横梁体槽与横梁体(3)的尺寸公差分别选用0.2-0.25mm与-0.05-0.10mm。