CN208518607U - 一种改进的旋翼块式扩孔钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种改进的旋翼块式扩孔钻具，由钻头与轴柄组成，在轴柄上有连接口，钻头包括直径面、第一倾斜外圆面、倾斜面、第二倾斜外圆面、第一垂直外圆面、以及第二垂直外圆面，第一垂直外圆面、第二垂直外圆面垂直于顶面、底面，第一倾斜外圆面布置在第一垂直外圆面的顶部与顶面之间，第二倾斜外圆面布置在第一垂直外圆面与第二垂直外圆面之间，第一倾斜外圆面与倾斜面之间设有迎面，直径面与第二垂直外圆面之间增设垂直迎面，直径面与第二倾斜外圆面之间增设倾斜迎面。本实用新型在钻凿过程中，直径面受力面积减小，垂直迎面与碎石颗粒的相向运动协调，能够使钻头受到碎石颗粒的反作用力减小，从而减小了钻头对岩层进行钻孔时的阻力。

Description

一种改进的旋翼块式扩孔钻具

技术领域

本实用新型涉及地质矿产勘查设备技术领域，具体的说，是指一种改进的旋翼块式扩孔钻具。

背景技术

跟管钻具应用于地质矿产勘查领域，在众多复杂的地层钻进施工中，塌孔、埋钻是施工人员经常遇到的并且又十分头疼的问题，采用常规的钻进工艺方法很难保证钻孔的质量和施工效率。潜孔冲击器跟管钻进技术充分利用了潜孔冲击器高效冲击破碎岩石的优势，在高效碎岩钻进的同时，跟入套管保护钻孔的孔壁，利用套管的刚性导向作用，可以抑制钻孔弯曲，保证钻孔的直线度，因此跟管扩孔钻具在国内外也被广泛应用于坚硬、破碎、松散等复杂地层的工程钻孔施工中。潜孔冲击器跟管钻进技术是通过钻杆与潜孔冲击器驱动钻具冲击和回转，带动钻具上的偏心扩孔头自转，扩孔头在偏心力作用下展开，因此被称之为“旋翼块式扩孔钻具”，之后钻头展开的直径大于跟管和管靴的外径，从而达到扩孔的目的。

现有技术中的钻具存在以下三点问题:

1、在施工现场实际工作过程中，由于钻头的直径面与外圆面相交为一锐角面，当钻头对岩层进行钻孔时阻力较大，容易造成钻凿破岩后形成的碎石颗粒排渣不畅的问题，进而影响到钻机的切削效果及掘进速度，同时如图1、图2所示，虚线左侧的钻头部分的钢体容易被加速磨蚀，致使钢体抱不住半圆齿而出现过早脱落的问题，这种钻具寿命较短，一旦被磨损后不能再继续使用，最终报废；

2、当地质岩性不均匀时，钻具的机械运动会造成很大的轴向振动、周向振动和横向振动，这种振动对钻探工程影响很大：其一，钻具的机械振动很容易造成钻头、钻杆等机具的破坏；其二，由于机械振动，钻头的保径定心性不好，会造成井孔扩大、失圆、孔斜等问题，为后期工程增加难度；其三，由于机械振动会降低钻进速度，影响进尺，严重时会造成钻井失败；其四，由于钻具的机械振动，井孔扩大，增加能量消耗，因此减少钻具振动是钻探工程中亟待解决的一个重要问题。

3、现有技术中的钻具在半圆齿的安装过程中，如图1所示的钻头俯视图，倾斜面上两个半圆齿之间的间距过小，采用安装工具安装这两个半圆齿时，由于安装工具的管壁较厚，安装工具不能伸入到半圆齿的空穴侧壁上，即便是能够伸入空穴壁上，也不能准确的将齿头安放在钻头的空穴中，从而影响了钻头的安装效率，并且现有技术中的钻具，半圆齿的布置不均匀，在钻孔时，容易加速钻头的损坏，使钻孔工作效率降低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种改进的旋翼块式扩孔钻具，以解决现有技术中的钻头对岩层进行钻孔时阻力较大，容易造成钻凿破岩后形成的碎石颗粒排渣不畅，并且钻头部分的钢体容易被加速磨蚀的问题；现有技术中的钻头保径定心性差的问题；现有技术中的钻头上半圆齿不便于安装的问题，本实用新型通过下述技术方案实现：

一种改进的旋翼块式扩孔钻具，由钻头与轴柄组成，在轴柄上设有用于连接潜孔冲击器的连接口，所述钻头包括顶面、底面、直径面、第一倾斜外圆面、倾斜面、第二倾斜外圆面、第一垂直外圆面、以及第二垂直外圆面，顶面与底面相互平行，第一垂直外圆面、第二垂直外圆面垂直于顶面、底面，第一倾斜外圆面倾斜布置在第一垂直外圆面的顶部与顶面之间，第二倾斜外圆面倾斜布置在第一垂直外圆面的底部与第二垂直外圆面的顶部之间，在第一倾斜外圆面与倾斜面之间设有迎面，在直径面与第二垂直外圆面之间增设与直径面呈钝角的垂直迎面，在直径面与第二倾斜外圆面之间增设位于垂直迎面上方的倾斜迎面，并且在顶面上过盈连接有锥形齿，在第一倾斜外圆面、迎面、倾斜面、第二倾斜外圆面、倾斜迎面上过盈连接有半圆齿，在第二垂直外圆面、垂直迎面上过盈连接有平顶齿。

本实用新型将现有技术中钻头的直径面与外圆面相交为一锐角面，改进为在直径面与第二垂直外圆面之间增设垂直迎面，并且垂直迎面与直径面呈钝角，当钻头在钻凿过程中，直径面受力面积减小，垂直迎面与碎石颗粒的相向运动协调，能够使钻头受到碎石颗粒的反作用力减小，从而减小了钻头对岩层进行钻孔时的阻力。所述直径面与第二倾斜外圆面之间增设位于垂直迎面上方的倾斜迎面，目的是进一步减小碎石颗粒的阻力，由于倾斜迎面位于垂直迎面的上方，因此倾斜迎面进一步减小了垂直迎面的受力面积，并且倾斜迎面使得直径面至倾斜外圆面为坡度递增的形状，当钻头在钻凿过程中，总是经由倾斜迎面与底面的最薄处开始受力，从而能够达到进一步减小碎石颗粒阻力的目的。

本实用新型将现有技术中钻头的一体式垂直外圆面改进为具有两个阶梯的阶梯状外圆面，当钻头在钻凿过程中，随着顶面上锥形齿与第一倾斜外圆面上半圆齿的钻进，钻头的第一垂直外圆面始终首先进入土层，这样第一垂直外圆面以下的孔底即形成一个凹槽；第二倾斜外圆面上的半圆齿同时对第二阶梯的土体进行钻凿，使整个孔底与钻头形成形状适配的台阶状，孔底的凹槽则起到对钻头的顶面、第一倾斜外圆面、第一垂直外圆面的固定作用，使钻具具有较好的定心性，在钻头钻凿的过程中，钻具的轴向振动、周向振动和横向振动能够得到有效减小，从而不会造成井孔扩大、失圆、孔斜等问题，同时使钻具的使用寿命更长久。

本实用新型在第一倾斜外圆面与倾斜面之间增设迎面，能够将现有技术中的倾斜面上的一个半圆齿移动至迎面上，在对钻头进行半圆齿安装时，由于迎面分别与第一倾斜外圆面、倾斜面彼此独立，因此使安装半圆齿的工具容易伸入空穴的侧壁上，从而便于半圆齿的安装。

所述顶面上过盈连接有锥形齿，以便于钻头对孔底进行钻凿；第一倾斜外圆面、迎面、倾斜面、第二倾斜外圆面、倾斜迎面上过盈连接有半圆齿，以便于钻头对锥形齿所钻凿的岩石等进一步破碎；第二垂直外圆面、垂直迎面上过盈连接有平顶齿，以防止钢体的加速磨蚀。

进一步的，所述第一垂直外圆面的高度为18毫米，当第一垂直外圆面的高度为18毫米时，孔底凹槽周围的土体能够对钻头形成良好的约束力，从而使钻具的轴向振动、周向振动和横向振动能够得到有效减小。

进一步的，所述垂直迎面与直径面之间的夹角α为120°，当垂直迎面与直径面之间的夹角α为120°时，垂直迎面与碎石颗粒的相向运动是摩擦力最小的相向运动，有利于减小钻头所受的阻力。

进一步的，所述倾斜迎面与底面之间的夹角β为55°，当倾斜迎面与底面之间的夹角β为55°时，既能保证倾斜迎面处的结构强度，同时又能保证倾斜迎面的倾斜角度使得钻头钻凿时是由倾斜迎面与底面的最薄处开始受力。

进一步的，所述钻头与轴柄的交界处设有截面形状为大于1/4圆弧的环形凹槽，现有技术中，常常在钻头与轴柄的交界处设置截面形状为1/4的圆弧结构，这种结构能够缓解一部分的应力集中现象，但是截面形状为大于1/4圆弧的环形凹槽增大了钢体内应力分布的范围，在钻头承受冲击荷载时，能够将应力更广泛的分散到钢体内，从而使钻头不易发生非正常断裂的破坏形式，保证了钻头使用寿命的长久。

进一步的，所述平顶齿、锥形齿、半圆齿采用硬质合金材料制作而成，所述钻头与轴柄采用FF710钢制作而成。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度高和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，而FF710钢具有较高的断裂韧性和较低的疲劳裂纹扩展速率，适用于制造高强度连接件和轴类零件。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本实用新型在直径面与第二垂直外圆面之间增设垂直迎面，当钻头在钻凿过程中，直径面受力面积减小，垂直迎面与碎石颗粒的相向运动协调，能够使钻头受到碎石颗粒的反作用力减小，从而减小了钻头对岩层进行钻孔时的阻力；

(2)本实用新型具有两个阶梯的阶梯状外圆面，当钻头在钻凿过程中，随着顶面上锥形齿与第一倾斜外圆面上半圆齿的钻进，钻头的第一垂直外圆面始终首先进入土层，这样第一垂直外圆面以下的孔底即形成一个凹槽；第二倾斜外圆面上的半圆齿同时对第二阶梯的土体进行钻凿，使整个孔底与钻头形成形状适配的台阶状，孔底的凹槽则起到对钻头的顶面、第一倾斜外圆面、第一垂直外圆面的固定作用，使钻具具有较好的定心性，在钻头钻凿的过程中，钻具的轴向振动、周向振动和横向振动能够得到有效减小，从而不会造成井孔扩大、失圆、孔斜等问题，同时使钻具的使用寿命更长久；

(3)本实用新型在第一倾斜外圆面与倾斜面之间增设迎面，能够将现有技术中的倾斜面上的一个半圆齿移动至迎面上，在对钻头进行半圆齿安装时，由于迎面分别与第一倾斜外圆面、倾斜面彼此独立，因此使安装半圆齿的工具容易伸入空穴的侧壁上，从而便于半圆齿的安装；

(4)本实用新型的第一垂直外圆面的高度为18毫米时，孔底凹槽周围的土体能够对钻头形成良好的约束力，从而使钻具的轴向振动、周向振动和横向振动能够得到有效减小；

(5)本实用新型的垂直迎面与直径面之间的夹角α为120°时，垂直迎面与碎石颗粒的相向运动是摩擦力最小的相向运动，有利于减小钻头所受的阻力；

(6)本实用新型的倾斜迎面与底面之间的夹角β为55°时，既能保证倾斜迎面处的结构强度，同时又能保证倾斜迎面的倾斜角度使得钻头钻凿时是由倾斜迎面与底面的最薄处开始受力；

(7)本实用新型钻头与轴柄的交界处设有截面形状为大于1/4圆弧的环形凹槽，增大了钢体内应力分布的范围，在钻头承受冲击荷载时，能够将应力更广泛的分散到钢体内，从而使钻头不易发生非正常断裂的破坏形式，保证了钻头使用寿命的长久。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：

图1为现有技术钻头的俯视图；

图2为现有技术钻头的主视图；

图3为本实用新型的立体图；

图4为本实用新型的俯视图；

图5为本实用新型的主视图；

图6为本实用新型的环形凹槽结构示意图；

其中：1—钻头，2—轴柄，3—直径面，4—第一倾斜外圆面，5—迎面，6—倾斜面，7—第一垂直外圆面，8—第二倾斜外圆面，9—倾斜迎面，10—第二垂直外圆面，11—垂直迎面，12—平顶齿，13—半圆齿，14—锥形齿，15—环形凹槽。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

一种改进的旋翼块式扩孔钻具，如图1至图6所示，由钻头1与轴柄2组成，在轴柄2上设有用于连接潜孔冲击器的连接口，所述钻头1包括顶面、底面、直径面3、第一倾斜外圆面4、倾斜面6、第二倾斜外圆面8、第一垂直外圆面7、以及第二垂直外圆面10，顶面与底面相互平行，第一垂直外圆面7、第二垂直外圆面10垂直于顶面、底面，第一倾斜外圆面4倾斜布置在第一垂直外圆面7的顶部与顶面之间，第二倾斜外圆面8倾斜布置在第一垂直外圆面7的底部与第二垂直外圆面10的顶部之间，并且第一垂直外圆面7的高度为18毫米。当钻头1在钻凿过程中，阶梯状钻头1的钻具具有较好的定心性，能够使钻具的轴向振动、周向振动和横向振动能够得到有效减小，从而不会造成井孔扩大、失圆、孔斜等问题，同时使钻具的使用寿命更长久。

如图1至图6所示，所述第一倾斜外圆面4与倾斜面6之间设有迎面5，能够将现有技术中的倾斜面6上的一个半圆齿13移动至迎面5上，在对钻头1进行半圆齿13安装时，由于迎面5分别与第一倾斜外圆面4、倾斜面6彼此独立，因此使安装半圆齿13的工具容易伸入空穴的侧壁上，从而便于半圆齿13的安装。在直径面3与第二垂直外圆面10之间增设与直径面3呈钝角的垂直迎面11，优选的，垂直迎面11与直径面3之间的夹角α为120°，当钻头1在钻凿过程中，直径面3受力面积减小，垂直迎面11与碎石颗粒的相向运动协调，能够使钻头1受到碎石颗粒的反作用力减小，从而减小了钻头1对岩层进行钻孔时的阻力。在直径面3与第二倾斜外圆面8之间增设位于垂直迎面11上方的倾斜迎面9，优选的，倾斜迎面9与底面之间的夹角β为55°。

如图1至图6所示，所述顶面上过盈连接有锥形齿14，在第一倾斜外圆面4、迎面5、倾斜面6、第二倾斜外圆面8、倾斜迎面9上过盈连接有半圆齿13，在第二垂直外圆面10、垂直迎面11上过盈连接有平顶齿12。所述顶面上过盈连接有锥形齿14，以便于钻头1对孔底进行钻凿；第一倾斜外圆面4、迎面5、倾斜面6、第二倾斜外圆面8、倾斜迎面9上过盈连接有半圆齿13，以便于钻头1对锥形齿14所钻凿的岩石等进一步破碎；第二垂直外圆面10、垂直迎面11上过盈连接有平顶齿12，以防止钢体的加速磨蚀。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1至图6所示，所述钻头1与轴柄2的交界处设有截面形状为大于1/4圆弧的环形凹槽15，现有技术中，常常在钻头1与轴柄2的交界处设置截面形状为1/4的圆弧结构，这种结构能够缓解一部分的应力集中现象，但是截面形状为大于1/4圆弧的环形凹槽15增大了钢体内应力分布的范围，在钻头1承受冲击荷载时，能够将应力更广泛的分散到钢体内，从而使钻头不易发生非正常断裂的破坏形式，保证了钻头1使用寿命的长久。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1至图6所示，所述平顶齿12、锥形齿14、半圆齿13采用硬质合金材料制作而成，所述钻头1与轴柄2采用FF710钢制作而成。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度高和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，而FF710钢具有较高的断裂韧性和较低的疲劳裂纹扩展速率，适用于制造高强度连接件和轴类零件。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解为：在不脱离本实用新型的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种改进的旋翼块式扩孔钻具，由钻头(1)与轴柄(2)组成，在轴柄(2)上设有用于连接潜孔冲击器的连接口，其特征在于：所述钻头(1)包括顶面、底面、直径面(3)、第一倾斜外圆面(4)、倾斜面(6)、第二倾斜外圆面(8)、第一垂直外圆面(7)、以及第二垂直外圆面(10)，顶面与底面相互平行，第一垂直外圆面(7)、第二垂直外圆面(10)垂直于顶面、底面，第一倾斜外圆面(4)倾斜布置在第一垂直外圆面(7)的顶部与顶面之间，第二倾斜外圆面(8)倾斜布置在第一垂直外圆面(7)的底部与第二垂直外圆面(10)的顶部之间，在第一倾斜外圆面(4)与倾斜面(6)之间设有迎面(5)，在直径面(3)与第二垂直外圆面(10)之间增设与直径面(3)呈钝角的垂直迎面(11)，在直径面(3)与第二倾斜外圆面(8)之间增设位于垂直迎面(11)上方的倾斜迎面(9)，并且在顶面上过盈连接有锥形齿(14)，在第一倾斜外圆面(4)、迎面(5)、倾斜面(6)、第二倾斜外圆面(8)、倾斜迎面(9)上过盈连接有半圆齿(13)，在第二垂直外圆面(10)、垂直迎面(11)上过盈连接有平顶齿(12)。

2.根据权利要求1所述的一种改进的旋翼块式扩孔钻具，其特征在于：所述第一垂直外圆面(7)的高度为18毫米。

3.根据权利要求1所述的一种改进的旋翼块式扩孔钻具，其特征在于：所述垂直迎面(11)与直径面(3)之间的夹角α为120°。

4.根据权利要求1所述的一种改进的旋翼块式扩孔钻具，其特征在于：所述倾斜迎面(9)与底面之间的夹角β为55°。

5.根据权利要求1所述的一种改进的旋翼块式扩孔钻具，其特征在于：所述钻头(1)与轴柄(2)的交界处设有截面形状为大于1/4圆弧的环形凹槽(15)。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种改进的旋翼块式扩孔钻具，其特征在于：所述平顶齿(12)、锥形齿(14)、半圆齿(13)采用硬质合金材料制作而成，所述钻头(1)与轴柄(2)采用FF710钢制作而成。