第二章回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆具及鉆頭

1、巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)第二章第二章 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆具及鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆具及鉆頭巖土鉆鑿工藝學(xué)巖土鉆鑿工藝學(xué) 第一節(jié)巖心鉆具的組成第一節(jié)巖心鉆具的組成 第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭 第三節(jié)金剛石鉆頭第三節(jié)金剛石鉆頭 第四節(jié)鋼粒鉆頭第四節(jié)鋼粒鉆頭 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)第一節(jié)第一節(jié) 巖心鉆具的組成巖心鉆具的組成 鉆具：鉆具：鉆頭鉆頭+巖心管巖心管+異徑接頭異徑接頭+取粉管取粉管+扶正器（或擴(kuò)孔器）扶正器（或擴(kuò)孔器）+鉆鋌鉆鋌+鉆桿鉆桿+和主動(dòng)鉆桿和主動(dòng)鉆桿+水接頭等組成。水接頭等組成。 巖心管：巖心管：是在鉆進(jìn)時(shí)容納巖心的，同時(shí)也承受和傳遞鉆壓是在鉆進(jìn)時(shí)容納巖心的，同時(shí)也承受和傳

2、遞鉆壓和扭矩，帶動(dòng)鉆頭工作。巖心管的長(zhǎng)度限制了回次進(jìn)尺的長(zhǎng)度。和扭矩，帶動(dòng)鉆頭工作。巖心管的長(zhǎng)度限制了回次進(jìn)尺的長(zhǎng)度。 異徑接頭：異徑接頭：是用來(lái)連接巖心管和鉆桿柱的。是用來(lái)連接巖心管和鉆桿柱的。 取粉管：取粉管：用于巖粉量大，沖洗液不足的情況下，收集大粒用于巖粉量大，沖洗液不足的情況下，收集大粒巖屑。在鋼粒鉆進(jìn)中，必須帶有取粉管。巖屑。在鋼粒鉆進(jìn)中，必須帶有取粉管。 一、鉆具各部分名稱(chēng)及作用一、鉆具各部分名稱(chēng)及作用巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)主動(dòng)鉆桿主動(dòng)鉆桿 又稱(chēng)機(jī)上鉆桿，位于鉆桿柱的最上部，由鉆機(jī)立軸或動(dòng)力頭的又稱(chēng)機(jī)上鉆桿，位于鉆桿柱的最上部，由鉆機(jī)立軸或動(dòng)力頭的卡盤(pán)夾持，或由轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)非圓形

3、卡套帶動(dòng)回轉(zhuǎn)，向其下端連接的孔內(nèi)卡盤(pán)夾持，或由轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)非圓形卡套帶動(dòng)回轉(zhuǎn)，向其下端連接的孔內(nèi)鉆桿傳遞回轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和軸向力。主動(dòng)鉆桿的斷面尺寸大，便于卡盤(pán)鉆桿傳遞回轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和軸向力。主動(dòng)鉆桿的斷面尺寸大，便于卡盤(pán)夾持回轉(zhuǎn)，不易彎曲，其斷面形狀有圓形、兩方、四方、六方和雙夾持回轉(zhuǎn)，不易彎曲，其斷面形狀有圓形、兩方、四方、六方和雙鍵槽形。常用的主動(dòng)鉆桿長(zhǎng)度是鍵槽形。常用的主動(dòng)鉆桿長(zhǎng)度是4.5m或或6m。 鉆鋌鉆鋌 在大口徑鉆進(jìn)中常會(huì)用到鉆鋌。鉆鋌直徑大于鉆桿，位于鉆在大口徑鉆進(jìn)中常會(huì)用到鉆鋌。鉆鋌直徑大于鉆桿，位于鉆桿柱的最下部。其主要特點(diǎn)是壁厚大（相當(dāng)于鉆桿壁厚的桿柱的最下部。其主要特點(diǎn)是壁厚大（相當(dāng)

4、于鉆桿壁厚的46倍），具有較大的質(zhì)量、強(qiáng)度和剛度。鉆鋌的主要作用是：倍），具有較大的質(zhì)量、強(qiáng)度和剛度。鉆鋌的主要作用是： 給給鉆頭施加鉆壓；鉆頭施加鉆壓； 保證復(fù)雜應(yīng)力條件下的必要強(qiáng)度；保證復(fù)雜應(yīng)力條件下的必要強(qiáng)度； 減輕鉆頭減輕鉆頭的振動(dòng)，使其工作穩(wěn)定；的振動(dòng)，使其工作穩(wěn)定； 控制孔斜?？刂瓶仔?。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)1、鉆桿柱的功用：、鉆桿柱的功用：（1）鉆壓和扭矩傳遞給鉆頭；）鉆壓和扭矩傳遞給鉆頭；（2）提供輸送沖洗介質(zhì)的通道；）提供輸送沖洗介質(zhì)的通道；（3）鉆桿柱還是提取巖心的通道。）鉆桿柱還是提取巖心的通道。二、鉆桿柱二、鉆桿柱 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)2、鉆桿柱的材質(zhì)：

5、、鉆桿柱的材質(zhì)： 常規(guī)的鉆桿由不同成分的常規(guī)的鉆桿由不同成分的合金無(wú)縫鋼管合金無(wú)縫鋼管制成，合金成分有制成，合金成分有Mn、MnSi、MnB、MnMo、MnMoVB等，并且限制磷、硫等有害成分等，并且限制磷、硫等有害成分不得大于不得大于0.04%，按照，按照GB3423-82的規(guī)定，用作鉆桿柱的鋼管力學(xué)的規(guī)定，用作鉆桿柱的鋼管力學(xué)性能如表性能如表2-1所列。所列。表表2-1 鉆桿鋼管的力學(xué)性能鉆桿鋼管的力學(xué)性能(不小于表中數(shù)據(jù)不小于表中數(shù)據(jù))表表 鋼鋼 級(jí)級(jí)屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)s(MPa)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度p(MPa)伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率s(%)DZ40DZ50DZ55DZ60DZ65DZ75400500550

6、600650750650700750780800850141212121210巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)3、鉆桿柱的連接方式、鉆桿柱的連接方式 圖圖2-1 鉆桿柱的連接方式鉆桿柱的連接方式 1-內(nèi)絲鉆桿內(nèi)絲鉆桿; 2-外絲鉆桿外絲鉆桿; 3-公鎖接頭公鎖接頭;4-母鎖接頭母鎖接頭; 5-接箍接箍 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué) 鉆桿對(duì)連接螺紋的要求十分嚴(yán)格。鉆探管材螺紋鉆桿對(duì)連接螺紋的要求十分嚴(yán)格。鉆探管材螺紋是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，并已定為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，并已定為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB3423-82）。）。一般鉆桿采用一般鉆桿采用螺距螺距48mm每邊傾斜每邊傾斜5的梯形螺紋的梯形螺紋，為了防止應(yīng)力集中

7、，螺紋根部有規(guī)定的為了防止應(yīng)力集中，螺紋根部有規(guī)定的圓弧角圓弧角。螺。螺紋部分承受著交變應(yīng)力，所以它既要有足夠的強(qiáng)度，紋部分承受著交變應(yīng)力，所以它既要有足夠的強(qiáng)度，又要能在經(jīng)常擰卸中耐磨。同時(shí)鉆管中承受著沖洗又要能在經(jīng)常擰卸中耐磨。同時(shí)鉆管中承受著沖洗液流的高壓作用，要求在鉆桿接頭端部有專(zhuān)門(mén)的端液流的高壓作用，要求在鉆桿接頭端部有專(zhuān)門(mén)的端面密封。面密封。 3.1 螺紋連接螺紋連接 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)3.2 焊接連接焊接連接 這種鉆桿的兩端與鉆桿接頭之間用焊接的方法連接起來(lái)，這種鉆桿的兩端與鉆桿接頭之間用焊接的方法連接起來(lái)，接頭之間再用螺紋。在水井、地?zé)峋@進(jìn)中常采用烘裝焊接接頭之間再

8、用螺紋。在水井、地?zé)峋@進(jìn)中常采用烘裝焊接連接方式的鉆桿，在金剛石繩索取心鉆進(jìn)中則采用對(duì)焊連接連接方式的鉆桿，在金剛石繩索取心鉆進(jìn)中則采用對(duì)焊連接的鉆桿。的鉆桿。 為減少升降工序中擰卸鉆桿的次數(shù)與時(shí)間，由為減少升降工序中擰卸鉆桿的次數(shù)與時(shí)間，由24根鉆根鉆桿連接成桿連接成立根立根，一次升降一個(gè)立根，在鉆孔過(guò)程中不再卸開(kāi)。，一次升降一個(gè)立根，在鉆孔過(guò)程中不再卸開(kāi)。為便于擰卸，立根之間用兩個(gè)一組的公母鎖接頭連接（圖為便于擰卸，立根之間用兩個(gè)一組的公母鎖接頭連接（圖2-1），其外徑與接箍相同。為了升降鉆具擰卸與掛提引器方），其外徑與接箍相同。為了升降鉆具擰卸與掛提引器方便，公母鎖接頭上均開(kāi)有方切口。

9、公母鎖接頭上的連接螺紋便，公母鎖接頭上均開(kāi)有方切口。公母鎖接頭上的連接螺紋錐度大、螺距大，自動(dòng)對(duì)中好，擰卸省力又省時(shí)。錐度大、螺距大，自動(dòng)對(duì)中好，擰卸省力又省時(shí)。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)表表2-2 普通鉆桿及其連接的主要規(guī)格普通鉆桿及其連接的主要規(guī)格YB235-70 加加厚厚方方式式 鉆鉆 桿桿 接接 箍箍 鎖鎖 接接 頭頭外徑內(nèi)徑長(zhǎng)度(m)每米質(zhì)量(kg/m)附加量(kg/根)外徑長(zhǎng)度質(zhì)量(kg/個(gè)外徑內(nèi)徑切口寬公鎖接頭長(zhǎng)母鎖接頭長(zhǎng)連接后全長(zhǎng)內(nèi)內(nèi)加加厚厚4250603239483.04.54.54.566.047.990.650.961.445765751301401401.41.72

10、.04576575222838404550165190215230255290355395445外外加加厚厚6073894859696.06.08.07.9911.419.481.52.53.5861051181401651652.74.75.28610512144.5 6850 50241 355310 280481 533 除單獨(dú)說(shuō)明者外，表中單位均為mm。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)三、鉆桿柱的受力三、鉆桿柱的受力（ 1 ）軸向壓力和拉力）軸向壓力和拉力 當(dāng)鉆孔達(dá)到一定深度時(shí)，孔內(nèi)鉆桿柱的重力已當(dāng)鉆孔達(dá)到一定深度時(shí)，孔內(nèi)鉆桿柱的重力已超過(guò)了鉆頭所能承受的鉆壓值，則必須減壓鉆進(jìn)。超過(guò)了鉆

11、頭所能承受的鉆壓值，則必須減壓鉆進(jìn)。即上部鉆桿柱受拉，其中孔口處拉力最大，向下逐即上部鉆桿柱受拉，其中孔口處拉力最大，向下逐漸減小；下部鉆桿柱受壓，孔底壓力最大（圖漸減??；下部鉆桿柱受壓，孔底壓力最大（圖2-3）。在某一深處軸向力等于零，稱(chēng)之為）。在某一深處軸向力等于零，稱(chēng)之為零斷面或零斷面或中和點(diǎn)中和點(diǎn)。在施工中我們應(yīng)該設(shè)計(jì)使中和點(diǎn)落在剛度。在施工中我們應(yīng)該設(shè)計(jì)使中和點(diǎn)落在剛度大、抗彎能力強(qiáng)的鉆鋌上，保證上部的鉆桿處于受大、抗彎能力強(qiáng)的鉆鋌上，保證上部的鉆桿處于受拉伸的穩(wěn)定狀態(tài)。即使在小口徑的條件下不可能使拉伸的穩(wěn)定狀態(tài)。即使在小口徑的條件下不可能使用鉆鋌，也應(yīng)避免落在強(qiáng)度和剛度較弱的舊鉆桿

12、上，用鉆鋌，也應(yīng)避免落在強(qiáng)度和剛度較弱的舊鉆桿上，以免加劇其受壓彎曲，在自轉(zhuǎn)中造成疲勞破壞。以免加劇其受壓彎曲，在自轉(zhuǎn)中造成疲勞破壞。 軸向力分布示意圖 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)（ 2 ）扭矩）扭矩 鉆進(jìn)中鉆桿柱受到扭矩的作用，在鉆桿柱各個(gè)截面上都產(chǎn)鉆進(jìn)中鉆桿柱受到扭矩的作用，在鉆桿柱各個(gè)截面上都產(chǎn)生剪應(yīng)力。生剪應(yīng)力。 鉆桿柱在孔口處承受的扭矩最大，在孔底最小。鉆桿柱在孔口處承受的扭矩最大，在孔底最小。（ 3 ）彎矩與離心力）彎矩與離心力 已經(jīng)彎曲的鉆桿柱在軸向力的作用下，將受到彎矩的作用，已經(jīng)彎曲的鉆桿柱在軸向力的作用下，將受到彎矩的作用，如繞自身軸旋轉(zhuǎn)則會(huì)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力。如鉆桿柱公

13、轉(zhuǎn)，則如繞自身軸旋轉(zhuǎn)則會(huì)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力。如鉆桿柱公轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生離心力。離心力又將加劇鉆桿柱的彎曲變形。產(chǎn)生離心力。離心力又將加劇鉆桿柱的彎曲變形。巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)（ 4 ）縱振、扭振與擺振）縱振、扭振與擺振 孔底跳躍式的破碎巖石（尤其是沖擊鉆進(jìn)、牙輪鉆進(jìn)或沖孔底跳躍式的破碎巖石（尤其是沖擊鉆進(jìn)、牙輪鉆進(jìn)或沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)破碎巖石的條件下）會(huì)引起鉆桿柱的縱向振動(dòng)，在擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)破碎巖石的條件下）會(huì)引起鉆桿柱的縱向振動(dòng)，在中和點(diǎn)附近產(chǎn)生交變的軸向應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生共振時(shí)，鉆桿柱容易中和點(diǎn)附近產(chǎn)生交變的軸向應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生共振時(shí)，鉆桿柱容易疲勞破壞。當(dāng)孔底巖石對(duì)鉆頭的回轉(zhuǎn)阻力不斷變化時(shí)，會(huì)引起疲勞破壞

14、。當(dāng)孔底巖石對(duì)鉆頭的回轉(zhuǎn)阻力不斷變化時(shí)，會(huì)引起鉆桿柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而產(chǎn)生交變的剪應(yīng)力。在某一臨界轉(zhuǎn)速鉆桿柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而產(chǎn)生交變的剪應(yīng)力。在某一臨界轉(zhuǎn)速下，鉆桿柱會(huì)出現(xiàn)擺振，其結(jié)果是迫使鉆桿柱公轉(zhuǎn)，引起鉆桿下，鉆桿柱會(huì)出現(xiàn)擺振，其結(jié)果是迫使鉆桿柱公轉(zhuǎn)，引起鉆桿柱嚴(yán)重的偏磨。柱嚴(yán)重的偏磨。 由以上分析不難看出，鉆桿柱受力嚴(yán)重部位是下部、孔口由以上分析不難看出，鉆桿柱受力嚴(yán)重部位是下部、孔口處和零斷面附近。處和零斷面附近。巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)四、鉆桿柱的工作狀態(tài)四、鉆桿柱的工作狀態(tài) 在在起下鉆時(shí)起下鉆時(shí)，鉆桿柱不接觸孔底，整個(gè)鉆桿柱處于懸持，鉆桿柱不接觸孔底，整個(gè)鉆桿柱處于懸持狀態(tài)，在自

15、重作用下，鉆桿柱處于狀態(tài)，在自重作用下，鉆桿柱處于受拉伸受拉伸的穩(wěn)定狀態(tài)。的穩(wěn)定狀態(tài)。 在在正常鉆進(jìn)時(shí)正常鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆桿柱自身的偏心和由于自重失穩(wěn)，由于鉆桿柱自身的偏心和由于自重失穩(wěn)而產(chǎn)生的某些彎曲，造成鉆桿柱有一定的質(zhì)量偏離回轉(zhuǎn)中心。而產(chǎn)生的某些彎曲，造成鉆桿柱有一定的質(zhì)量偏離回轉(zhuǎn)中心。這些偏心質(zhì)量在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生離心力，更促使鉆桿柱彎曲。這些偏心質(zhì)量在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生離心力，更促使鉆桿柱彎曲。與此同時(shí)，鉆桿柱給孔底工作的鉆頭傳送所需鉆壓主要依賴(lài)與此同時(shí)，鉆桿柱給孔底工作的鉆頭傳送所需鉆壓主要依賴(lài)于鉆桿柱自身的質(zhì)量，多余的部分由鉆機(jī)提拉而減壓；如果于鉆桿柱自身的質(zhì)量，多余的部分由鉆機(jī)提拉而減

16、壓；如果壓力不足，則需靠鉆機(jī)補(bǔ)充（即所謂加壓鉆進(jìn)）。壓力不足，則需靠鉆機(jī)補(bǔ)充（即所謂加壓鉆進(jìn)）。 在離心力、縱向壓力和扭矩的聯(lián)合作用下，在離心力、縱向壓力和扭矩的聯(lián)合作用下，鉆桿柱軸線鉆桿柱軸線一般呈變節(jié)距的空間螺旋彎曲曲線形狀一般呈變節(jié)距的空間螺旋彎曲曲線形狀。巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)半波長(zhǎng)：半波長(zhǎng)：把鉆桿柱中心線和鉆孔的軸線相交兩點(diǎn)間的一段縱向長(zhǎng)把鉆桿柱中心線和鉆孔的軸線相交兩點(diǎn)間的一段縱向長(zhǎng)度稱(chēng)為半波長(zhǎng)，以度稱(chēng)為半波長(zhǎng)，以l表示。表示。 根據(jù)薩爾基索夫的理論推導(dǎo)，距零斷面距離為根據(jù)薩爾基索夫的理論推導(dǎo)，距零斷面距離為Z處的半波長(zhǎng)可處的半波長(zhǎng)可按下式計(jì)算。按下式計(jì)算。 式中：式中： q

17、-鉆桿柱在沖洗液中單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，鉆桿柱在沖洗液中單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，kg/m； -鉆桿柱轉(zhuǎn)速，鉆桿柱轉(zhuǎn)速，r/min；Z-所求斷面距零斷面的距離，在零斷面以下壓縮部分取負(fù)號(hào)，反之所求斷面距零斷面的距離，在零斷面以下壓縮部分取負(fù)號(hào)，反之取正號(hào)，取正號(hào)，m；J-鉆桿柱橫斷面的軸慣性矩，鉆桿柱橫斷面的軸慣性矩，cm4。 （m）巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)鉆桿柱在孔內(nèi)的實(shí)際彎曲狀態(tài)：鉆桿柱在孔內(nèi)的實(shí)際彎曲狀態(tài)：螺旋彎曲螺旋彎曲。鉆桿柱在孔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可能有三種形式：鉆桿柱在孔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可能有三種形式： （1）鉆桿柱圍繞自身彎曲軸線旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）。鉆桿柱自轉(zhuǎn)時(shí)）鉆桿柱圍繞自身彎曲軸線旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）。鉆桿柱自

18、轉(zhuǎn)時(shí)在整個(gè)圓周上與孔壁接觸，產(chǎn)生均勻的磨損，但受到交變彎曲在整個(gè)圓周上與孔壁接觸，產(chǎn)生均勻的磨損，但受到交變彎曲應(yīng)力的作用。應(yīng)力的作用。 （2）鉆桿柱圍繞鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)并沿著孔壁滑動(dòng)（公轉(zhuǎn)）。鉆）鉆桿柱圍繞鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)并沿著孔壁滑動(dòng)（公轉(zhuǎn)）。鉆桿柱公轉(zhuǎn)時(shí)不受交變彎曲應(yīng)力的作用，但產(chǎn)生一邊偏磨。桿柱公轉(zhuǎn)時(shí)不受交變彎曲應(yīng)力的作用，但產(chǎn)生一邊偏磨。 （3）鉆桿柱圍繞鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)，但不是沿著孔壁滑動(dòng)而是沿）鉆桿柱圍繞鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)，但不是沿著孔壁滑動(dòng)而是沿著孔壁反向滾動(dòng)（公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合），鉆桿柱同時(shí)圍繞自身著孔壁反向滾動(dòng)（公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合），鉆桿柱同時(shí)圍繞自身軸線和鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)。其磨損均勻，也受到交變彎

19、曲應(yīng)力的作軸線和鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)。其磨損均勻，也受到交變彎曲應(yīng)力的作用，但循環(huán)次數(shù)比第一種形式低得多。用，但循環(huán)次數(shù)比第一種形式低得多。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)第二節(jié)第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金鉆頭 機(jī)械式鉆進(jìn)方法主要有：機(jī)械式鉆進(jìn)方法主要有： 硬質(zhì)合金、金剛石、鋼粒、牙輪鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)（伴有循環(huán)沖洗介硬質(zhì)合金、金剛石、鋼粒、牙輪鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)（伴有循環(huán)沖洗介質(zhì)）和長(zhǎng)螺旋回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)（干式）；質(zhì)）和長(zhǎng)螺旋回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)（干式）； 采用液動(dòng)、氣動(dòng)孔底沖擊器的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；采用液動(dòng)、氣動(dòng)孔底沖擊器的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)； 鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)；鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)； 振動(dòng)鉆進(jìn)。振動(dòng)鉆進(jìn)。 選擇回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭的一般原則是：在軟巖和

20、中硬巖層中用硬質(zhì)選擇回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用鉆頭的一般原則是：在軟巖和中硬巖層中用硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆頭；在中硬及部分中硬以上巖層中采用銑齒牙輪鉆頭；在合金回轉(zhuǎn)鉆頭；在中硬及部分中硬以上巖層中采用銑齒牙輪鉆頭；在硬巖中采用金剛石鉆頭或鋼粒鉆頭；在硬脆巖層中采用鑲齒牙輪鉆頭。硬巖中采用金剛石鉆頭或鋼粒鉆頭；在硬脆巖層中采用鑲齒牙輪鉆頭。巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)一、鉆探用硬質(zhì)合金的特性一、鉆探用硬質(zhì)合金的特性 通常鉆頭切削具采用鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金。碳化鎢為骨架材料，它通常鉆頭切削具采用鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金。碳化鎢為骨架材料，它的高硬度保證了硬質(zhì)合金的耐磨性；鈷粉為粘結(jié)劑，保證了硬質(zhì)合的高硬度保證了硬質(zhì)合金的耐磨性；鈷粉為粘

21、結(jié)劑，保證了硬質(zhì)合金的韌性。金的韌性。 表表4-1中列出了中列出了YG類(lèi)硬質(zhì)合金的性能對(duì)比資料。由表中數(shù)據(jù)可類(lèi)硬質(zhì)合金的性能對(duì)比資料。由表中數(shù)據(jù)可知，隨著含鈷量的增大，硬質(zhì)合金的耐磨性有所減弱，而抗彎強(qiáng)度、知，隨著含鈷量的增大，硬質(zhì)合金的耐磨性有所減弱，而抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性有所提高。在成分相同的鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金中，沖擊韌性有所提高。在成分相同的鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金中，WC的顆粒的顆粒越細(xì)，則硬質(zhì)合金的硬度越大，耐磨性越強(qiáng)。反之抗彎強(qiáng)度提高，越細(xì)，則硬質(zhì)合金的硬度越大，耐磨性越強(qiáng)。反之抗彎強(qiáng)度提高，韌性增強(qiáng)。韌性增強(qiáng)。 實(shí)踐證明，采用含鈷量不高的粗顆粒硬質(zhì)合金切削具有助于提實(shí)踐證明，采用含鈷量不高的粗顆

22、粒硬質(zhì)合金切削具有助于提高鉆進(jìn)效率，并保證一定的鉆頭壽命。高鉆進(jìn)效率，并保證一定的鉆頭壽命。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)表表4-1 YG類(lèi)硬質(zhì)合金的性能表類(lèi)硬質(zhì)合金的性能表 合金牌號(hào)化學(xué)成分（）物理機(jī)械性質(zhì)特性及用途W(wǎng)CCo密度（g/cm3）硬度（HRA）抗彎強(qiáng)度（MPa）YG3x97315.015.3921050耐磨性最好,沖擊韌性最差,用于金屬切削YG4c96414.915.2901400適用于均質(zhì)和軟質(zhì)互層地層中回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)YA69193614.415.0921400加有少量TaC成分,提高了硬度YG694614.615.089.51400適用于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，使用效果僅次于YG4cYG6x94

23、614.615.0911350細(xì)粒合金，強(qiáng)度接近YA6，耐磨性較YA6高YG892814.014.8891500地質(zhì)勘探和石油回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用主要品種YG8c92814.014.8881750粗粒合金，沖擊韌性較高適于沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)YG11c891114.014.4872000耐磨性最差，沖擊韌性最高，適于沖擊回轉(zhuǎn)鑿巖YG15851513.914.1872000注：硬質(zhì)合金中的附加字母注：硬質(zhì)合金中的附加字母x表示細(xì)粒合金，表示細(xì)粒合金，c表示粗粒合金。表示粗粒合金。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)選用硬質(zhì)合金切削具的基本原則：選用硬質(zhì)合金切削具的基本原則： 硬質(zhì)合金切削具主要有薄片狀、方柱狀、八角柱狀

24、和針狀等。硬質(zhì)合金切削具主要有薄片狀、方柱狀、八角柱狀和針狀等。 確定硬質(zhì)合金的牌號(hào)后，選擇切削具形狀與規(guī)格的一般原則：確定硬質(zhì)合金的牌號(hào)后，選擇切削具形狀與規(guī)格的一般原則： 片狀硬質(zhì)合金：刃薄，易于壓入和切削巖石，但抗彎能力差，片狀硬質(zhì)合金：刃薄，易于壓入和切削巖石，但抗彎能力差，適用于適用于級(jí)軟巖，它在鉆頭體上的出刃應(yīng)大些。級(jí)軟巖，它在鉆頭體上的出刃應(yīng)大些。 柱狀硬質(zhì)合金：抗彎能力較強(qiáng)，壓入阻力也較小，主要適用于柱狀硬質(zhì)合金：抗彎能力較強(qiáng)，壓入阻力也較小，主要適用于級(jí)中硬巖石，其中級(jí)中硬巖石，其中八角柱狀八角柱狀切削具抗崩能力強(qiáng)，利于排粉和切削具抗崩能力強(qiáng)，利于排粉和破巖，并易于焊牢，故在

25、較硬巖層和裂隙發(fā)育的地層中得到廣泛的破巖，并易于焊牢，故在較硬巖層和裂隙發(fā)育的地層中得到廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用。 針狀和薄片狀硬質(zhì)合金：主要用于鑲焊自磨式鉆頭，在硬地層針狀和薄片狀硬質(zhì)合金：主要用于鑲焊自磨式鉆頭，在硬地層或研磨性巖石中使用?；蜓心バ詭r石中使用。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)二、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程二、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的孔底碎巖過(guò)程 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，切削具在軸向力的作用下壓入巖石，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，切削具在軸向力的作用下壓入巖石，在回轉(zhuǎn)水平力的作用下沿孔底破碎巖石。軸向力和水平在回轉(zhuǎn)水平力的作用下沿孔底破碎巖石。軸向力和水平力的共同作用導(dǎo)致孔底巖石以薄的螺旋層形式被連續(xù)破力的共同作用導(dǎo)致孔底

26、巖石以薄的螺旋層形式被連續(xù)破碎。碎。 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速vm取決于切削具切入巖石的深取決于切削具切入巖石的深度和鉆頭轉(zhuǎn)速：度和鉆頭轉(zhuǎn)速：vm=60nmh1 式中：式中：n-鉆頭轉(zhuǎn)速，鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min；m-鉆頭上切削具個(gè)鉆頭上切削具個(gè)數(shù)；數(shù)；h1-每個(gè)切削具每轉(zhuǎn)切入巖石的深度。每個(gè)切削具每轉(zhuǎn)切入巖石的深度。巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)影響切入深度的主要因素有：影響切入深度的主要因素有： (1) 巖石破碎工具上的軸向力大??；巖石破碎工具上的軸向力大?。?(2) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及破碎下來(lái)的巖屑從孔底清巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及破碎下來(lái)的巖屑從孔底清除的速度；除的速度； (3) 切

27、削具的硬度、幾何形狀及其在鉆頭工作唇面上切削具的硬度、幾何形狀及其在鉆頭工作唇面上的布置方式；的布置方式； (4) 鉆頭的轉(zhuǎn)速與切削具的磨鈍程度。鉆頭的轉(zhuǎn)速與切削具的磨鈍程度。巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)（一）塑性巖石的孔底破碎過(guò)程（一）塑性巖石的孔底破碎過(guò)程 鉆頭上切削具切入巖石的必要條件是：切削具與巖石接觸面上鉆頭上切削具切入巖石的必要條件是：切削具與巖石接觸面上的單位壓力必須大于（最小等于）巖石的極限抗壓入硬度，即：的單位壓力必須大于（最小等于）巖石的極限抗壓入硬度，即： PyHyF0 式中：式中：Hy-巖石的壓入硬度；巖石的壓入硬度；F0-切削具刃尖處與巖石的接觸面積。切削具刃尖處與巖

28、石的接觸面積。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué) 當(dāng)磨銳式鉆頭上的切削具未磨鈍時(shí)，切入深度可用下式表達(dá)：當(dāng)磨銳式鉆頭上的切削具未磨鈍時(shí)，切入深度可用下式表達(dá)： 式中：式中：Py-切削具上的軸載力，切削具上的軸載力，N；b-切削具的刃寬，切削具的刃寬，mm；-切削具的刃角，度；切削具的刃角，度；Hy-巖石的壓入硬度；巖石的壓入硬度；-考慮到摩擦力的系數(shù)（考慮到摩擦力的系數(shù)（永遠(yuǎn)小于永遠(yuǎn)小于1）。）。 圖圖4-1 單個(gè)切削具示意圖單個(gè)切削具示意圖 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué) 鉆進(jìn)過(guò)程中，切削具前面的巖石在分力鉆進(jìn)過(guò)程中，切削具前面的巖石在分力F的作用下不斷產(chǎn)生塑的作用下不斷產(chǎn)生塑性流動(dòng)，并向自由面滑

29、移，即所謂切削作用（圖性流動(dòng)，并向自由面滑移，即所謂切削作用（圖4-2）。這與軟金）。這與軟金屬的切削加工沒(méi)有多大區(qū)別，切削過(guò)程基本上是平穩(wěn)的，水平力屬的切削加工沒(méi)有多大區(qū)別，切削過(guò)程基本上是平穩(wěn)的，水平力Px變化不大。同時(shí)，切削具在塑性巖石中形成的切槽與刃寬基本吻合。變化不大。同時(shí)，切削具在塑性巖石中形成的切槽與刃寬基本吻合。 圖圖43 塑性巖石中的回轉(zhuǎn)切削塑性巖石中的回轉(zhuǎn)切削Py-軸向壓力；軸向壓力； Px-水平力；水平力； h0-切入深度；切入深度；b-切削槽寬（切削具寬度）切削槽寬（切削具寬度）圖圖4-2 切削具在雙向力作用下破碎切削具在雙向力作用下破碎塑性巖石塑性巖石 巖土鉆鑿工程學(xué)

30、巖土鉆鑿工程學(xué)（二）脆性巖石的孔底破碎過(guò)程（二）脆性巖石的孔底破碎過(guò)程 塑性巖石破碎是以連續(xù)平穩(wěn)的切削為主，而脆性巖石破碎的顯塑性巖石破碎是以連續(xù)平穩(wěn)的切削為主，而脆性巖石破碎的顯著特點(diǎn)則是在切削具的作用下以著特點(diǎn)則是在切削具的作用下以跳躍式的剪切破碎跳躍式的剪切破碎為主（圖為主（圖4-4）。）。巖石破碎大體分三個(gè)階段：巖石破碎大體分三個(gè)階段： 圖圖4-4 切削具破碎彈塑性巖石的過(guò)程切削具破碎彈塑性巖石的過(guò)程 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué) (1) 切削具在雙向力作用下吃入巖石，使刃前巖石沿剪切面破碎，切削具在雙向力作用下吃入巖石，使刃前巖石沿剪切面破碎，Px力減小，繼續(xù)前移，碰撞刃前巖石圖力減

31、小，繼續(xù)前移，碰撞刃前巖石圖4-4(a)。 (2) 切削具刃前接觸巖石的部分面積很小，對(duì)前方巖石產(chǎn)生較大切削具刃前接觸巖石的部分面積很小，對(duì)前方巖石產(chǎn)生較大的擠壓力，壓碎刃前的巖石，隨著的擠壓力，壓碎刃前的巖石，隨著Px力增大，使巖石產(chǎn)生小的剪切力增大，使巖石產(chǎn)生小的剪切破碎圖破碎圖4-4(b)。繼續(xù)向前推進(jìn)可能重復(fù)產(chǎn)生若干次小剪切，碎。繼續(xù)向前推進(jìn)可能重復(fù)產(chǎn)生若干次小剪切，碎裂的巖屑向自由面崩出圖裂的巖屑向自由面崩出圖4-4(c)。 (3) 當(dāng)切削具前端接觸巖石的面積較大時(shí)，前進(jìn)受阻。一方面切當(dāng)切削具前端接觸巖石的面積較大時(shí)，前進(jìn)受阻。一方面切削具繼續(xù)擠壓前方的巖石（部分被壓成粉狀）；另一方

32、面削具繼續(xù)擠壓前方的巖石（部分被壓成粉狀）；另一方面Px力急劇力急劇增大，當(dāng)增大，當(dāng)Px力達(dá)到極限值時(shí)，迫使巖石沿剪切面產(chǎn)生大的剪切破碎，力達(dá)到極限值時(shí)，迫使巖石沿剪切面產(chǎn)生大的剪切破碎，并在刃尖前留下一些被壓實(shí)的巖粉，然后并在刃尖前留下一些被壓實(shí)的巖粉，然后Px力突然減小圖力突然減小圖4-4(d)。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué) 切削具不斷向前推進(jìn)，重復(fù)著碰撞、壓碎、小剪切、大剪切的切削具不斷向前推進(jìn)，重復(fù)著碰撞、壓碎、小剪切、大剪切的循環(huán)過(guò)程。在每次循環(huán)中，切削具兩側(cè)的巖石也會(huì)和刃前巖石一樣，循環(huán)過(guò)程。在每次循環(huán)中，切削具兩側(cè)的巖石也會(huì)和刃前巖石一樣，分別產(chǎn)生一組相近似的小剪切體和大剪切體

33、，使切槽斷面近似于梯分別產(chǎn)生一組相近似的小剪切體和大剪切體，使切槽斷面近似于梯形圖形圖4-4(e)。由于剪切過(guò)程是在孔底局部夾持和小剪切、大剪。由于剪切過(guò)程是在孔底局部夾持和小剪切、大剪切交替出現(xiàn)的條件下進(jìn)行的，故孔底和切槽邊沿都是粗糙不平的，切交替出現(xiàn)的條件下進(jìn)行的，故孔底和切槽邊沿都是粗糙不平的，而且有規(guī)律地變化著。而且有規(guī)律地變化著。 當(dāng)數(shù)次小剪切使槽壁也產(chǎn)生側(cè)崩時(shí)，便改善當(dāng)數(shù)次小剪切使槽壁也產(chǎn)生側(cè)崩時(shí)，便改善了切削具的夾持狀態(tài)，為大剪切創(chuàng)造了條件，如圖了切削具的夾持狀態(tài)，為大剪切創(chuàng)造了條件，如圖4-4(f)、(g)所示，所示，圖圖4-4(f)中中b為切削具刃寬，為切削具刃寬，B1為大剪

34、切時(shí)巖石的切槽寬。整個(gè)破碎為大剪切時(shí)巖石的切槽寬。整個(gè)破碎過(guò)程沿著傾角為過(guò)程沿著傾角為的螺旋面進(jìn)行。的螺旋面進(jìn)行。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué) 綜上所述，用切削具破碎脆性巖石時(shí)，在每個(gè)剪切循環(huán)中和各綜上所述，用切削具破碎脆性巖石時(shí)，在每個(gè)剪切循環(huán)中和各個(gè)循環(huán)之間，水平力個(gè)循環(huán)之間，水平力Px都是跳躍式的有規(guī)律地變化著（圖都是跳躍式的有規(guī)律地變化著（圖45）；）；而在塑性巖石中，水平力而在塑性巖石中，水平力Px沒(méi)有顯著的變化，基本上可以認(rèn)為是常沒(méi)有顯著的變化，基本上可以認(rèn)為是常量。量。 圖圖4-5 水平力的跳躍過(guò)程水平力的跳躍過(guò)程 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)（三）硬質(zhì)合金切削具的磨損（三）硬

35、質(zhì)合金切削具的磨損 鉆進(jìn)中由于切削具被磨損，鉆速將逐漸衰減，切削具磨損越快，鉆進(jìn)中由于切削具被磨損，鉆速將逐漸衰減，切削具磨損越快，則衰減越厲害。則衰減越厲害。 費(fèi)得洛夫等人用魚(yú)尾鉆頭對(duì)硬質(zhì)合金切削具的磨損問(wèn)題進(jìn)行過(guò)費(fèi)得洛夫等人用魚(yú)尾鉆頭對(duì)硬質(zhì)合金切削具的磨損問(wèn)題進(jìn)行過(guò)大量研究，得出如圖大量研究，得出如圖4-6中的磨損曲線。中的磨損曲線。 圖圖4-6 不同比壓下切削具的磨損情況不同比壓下切削具的磨損情況-表面碎巖；表面碎巖； -體積碎巖體積碎巖 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)（1）曲線）曲線：當(dāng)：當(dāng)0時(shí)，切削具未能有效地吃入巖石，鉆進(jìn)處于時(shí)，切削具未能有效地吃入巖石，鉆進(jìn)處于表面破碎狀態(tài)。此時(shí)切

36、削具單位時(shí)間的磨損量表面破碎狀態(tài)。此時(shí)切削具單位時(shí)間的磨損量W正比于切削具上的正比于切削具上的比壓比壓。（2）曲線）曲線：當(dāng)：當(dāng)0時(shí)，巖石呈體積破碎。隨著切削具上的比壓時(shí)，巖石呈體積破碎。隨著切削具上的比壓增大，單位時(shí)間的磨損量增大，單位時(shí)間的磨損量W不僅未增加，反而出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。不僅未增加，反而出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。即在體積破碎條件下，切削具的磨損主要不取決于軸向壓力，而取即在體積破碎條件下，切削具的磨損主要不取決于軸向壓力，而取決于巖石的硬度、切削具的材質(zhì)及切削具的磨鈍面積。決于巖石的硬度、切削具的材質(zhì)及切削具的磨鈍面積。 費(fèi)得洛夫提出，在一定條件下切削具的磨鈍面積與其初始面積費(fèi)得洛夫提出，在

37、一定條件下切削具的磨鈍面積與其初始面積和鉆進(jìn)時(shí)間有關(guān)和鉆進(jìn)時(shí)間有關(guān) ；硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速隨著切削具接觸面積的硬質(zhì)合金鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速隨著切削具接觸面積的增大而下降，其瞬時(shí)機(jī)械鉆速增大而下降，其瞬時(shí)機(jī)械鉆速vm與切削刃磨鈍面積的平方成反比。與切削刃磨鈍面積的平方成反比。（有關(guān)理論推導(dǎo)可參閱教材。）（有關(guān)理論推導(dǎo)可參閱教材。）巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)切削具在孔底磨損的實(shí)際狀況：切削具在孔底磨損的實(shí)際狀況： 前述理論分析的基礎(chǔ)是假定切削具刃部為均勻磨損，實(shí)際上在前述理論分析的基礎(chǔ)是假定切削具刃部為均勻磨損，實(shí)際上在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭硬質(zhì)合金切削具出刃的內(nèi)、外側(cè)磨損量是不均勻鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭硬質(zhì)合

38、金切削具出刃的內(nèi)、外側(cè)磨損量是不均勻的（圖的（圖4-7），即），即 ：y外外y內(nèi)內(nèi)y， t外外t內(nèi)內(nèi)t 。圖圖4-7 切削刃的實(shí)際磨損情況切削刃的實(shí)際磨損情況y-切削刃磨損高度切削刃磨損高度; y內(nèi)，內(nèi)， y外外-切削刃內(nèi)、切削刃內(nèi)、外側(cè)磨損高度外側(cè)磨損高度; t-刃端磨損寬度刃端磨損寬度; t內(nèi)，內(nèi)，t外外-刃端內(nèi)、外側(cè)磨損寬度刃端內(nèi)、外側(cè)磨損寬度; b-環(huán)槽寬度環(huán)槽寬度; r,R-環(huán)槽內(nèi)、外徑環(huán)槽內(nèi)、外徑 由于磨損不均勻，切削刃中部磨損還不由于磨損不均勻，切削刃中部磨損還不大，而內(nèi)外兩側(cè)已成鈍刃，嚴(yán)重影響切大，而內(nèi)外兩側(cè)已成鈍刃，嚴(yán)重影響切入作用。所以，不均勻磨損對(duì)鉆進(jìn)是十入作用。所以，不

39、均勻磨損對(duì)鉆進(jìn)是十分不利的。分不利的。巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué) 切削具底端也不是像想象的那樣，被磨損成平面，而是呈圓弧切削具底端也不是像想象的那樣，被磨損成平面，而是呈圓弧形，刃前緣和后緣磨損更厲害（圖形，刃前緣和后緣磨損更厲害（圖4-8）。）。 圖圖48切削具刃端磨損的切削具刃端磨損的理想情況（理想情況（a）與實(shí)際情況（）與實(shí)際情況（b） 切削刃底端的不均勻磨損使得切削具在孔底能有某些切削刃底端的不均勻磨損使得切削具在孔底能有某些“自銳自銳”作用，這樣的磨損是對(duì)鉆進(jìn)有利的，如果切削刃與巖石的接觸面積作用，這樣的磨損是對(duì)鉆進(jìn)有利的，如果切削刃與巖石的接觸面積在磨損中不變，則磨損不會(huì)影響鉆速

40、，只影響鉆頭壽命。在磨損中不變，則磨損不會(huì)影響鉆速，只影響鉆頭壽命。巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)三、取心式硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)要素三、取心式硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)要素 硬質(zhì)合金鉆頭包括取心鉆頭和不取心全面鉆頭，本節(jié)僅討論取硬質(zhì)合金鉆頭包括取心鉆頭和不取心全面鉆頭，本節(jié)僅討論取心鉆頭。心鉆頭。 一定數(shù)量的硬質(zhì)合金切削具，按一定的形式排布在鉆頭體上，可一定數(shù)量的硬質(zhì)合金切削具，按一定的形式排布在鉆頭體上，可形成鉆進(jìn)不同地層的鉆頭結(jié)構(gòu)。這些決定鉆頭結(jié)構(gòu)的因素稱(chēng)為硬質(zhì)形成鉆進(jìn)不同地層的鉆頭結(jié)構(gòu)。這些決定鉆頭結(jié)構(gòu)的因素稱(chēng)為硬質(zhì)合金鉆頭的合金鉆頭的結(jié)構(gòu)要素結(jié)構(gòu)要素。 取心式硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)要素取心式硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)

41、要素包括：包括：鉆頭體，切削具出刃，切鉆頭體，切削具出刃，切削具鑲焊角度，切削具在鉆頭體上的布置方式，切削具在鉆頭體上削具鑲焊角度，切削具在鉆頭體上的布置方式，切削具在鉆頭體上的數(shù)目，鉆頭的水口與水槽。的數(shù)目，鉆頭的水口與水槽。巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)1、鉆頭體、鉆頭體 鉆頭體是切削具的支撐體，它把軸載和扭矩傳遞給切削具，承鉆頭體是切削具的支撐體，它把軸載和扭矩傳遞給切削具，承受切削具破巖的反作用力和孔底的動(dòng)載效應(yīng)，并長(zhǎng)時(shí)間處于孔底的受切削具破巖的反作用力和孔底的動(dòng)載效應(yīng)，并長(zhǎng)時(shí)間處于孔底的摩擦環(huán)境中。因此，鉆頭體要用摩擦環(huán)境中。因此，鉆頭體要用DZ-40地質(zhì)鉆探用無(wú)縫鋼管制成。地質(zhì)鉆探用

42、無(wú)縫鋼管制成。鉆頭體上端車(chē)有與巖心管連接的外螺紋，其內(nèi)壁上有為卡取巖心設(shè)鉆頭體上端車(chē)有與巖心管連接的外螺紋，其內(nèi)壁上有為卡取巖心設(shè)計(jì)的內(nèi)錐度。計(jì)的內(nèi)錐度。 圖圖49 硬質(zhì)合金鉆頭體硬質(zhì)合金鉆頭體巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)2、切削具出刃、切削具出刃 切削具出刃指的是切削具在鉆頭體內(nèi)、切削具出刃指的是切削具在鉆頭體內(nèi)、外側(cè)和底唇面突出的一定高度，其出刃高外側(cè)和底唇面突出的一定高度，其出刃高度取決于巖石的硬度、均質(zhì)性和在該巖石度取決于巖石的硬度、均質(zhì)性和在該巖石中的鉆進(jìn)速度。中的鉆進(jìn)速度。 (1) 內(nèi)、外出刃：其作用是保證鉆頭體內(nèi)、外出刃：其作用是保證鉆頭體與孔壁、鉆頭體與巖心之間留有一定的間與孔

43、壁、鉆頭體與巖心之間留有一定的間隙，以避免鉆頭體承受來(lái)自孔壁和巖心的隙，以避免鉆頭體承受來(lái)自孔壁和巖心的摩擦力，并為循環(huán)沖洗提供通道。一般對(duì)摩擦力，并為循環(huán)沖洗提供通道。一般對(duì)于軟巖層應(yīng)取較大的出刃值。于軟巖層應(yīng)取較大的出刃值。 (2) 底出刃：底出刃的作用是保證切削具底出刃：底出刃的作用是保證切削具能順利地切入巖石，并為沖洗液及時(shí)冷卻能順利地切入巖石，并為沖洗液及時(shí)冷卻切削具和排除孔底巖粉提供通道。切削具和排除孔底巖粉提供通道。圖圖 410 硬質(zhì)合金鉆頭底出刃示意圖硬質(zhì)合金鉆頭底出刃示意圖 b-環(huán)槽寬度；環(huán)槽寬度；r環(huán)槽內(nèi)半徑環(huán)槽內(nèi)半徑巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)表表 硬質(zhì)合金切削具出刃規(guī)格

44、硬質(zhì)合金切削具出刃規(guī)格 單位：?jiǎn)挝唬簃m 巖石性質(zhì)巖石性質(zhì)內(nèi)出刃內(nèi)出刃外出刃外出刃底出刃底出刃松軟、塑性、粘性、弱研磨性22.52.5335中硬、強(qiáng)研磨性11.51.5223 若鉆進(jìn)遇水膨脹或單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量巖粉的軟地若鉆進(jìn)遇水膨脹或單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量巖粉的軟地層，則一般加大出刃也不能滿(mǎn)足要求。這時(shí)必須在鉆頭層，則一般加大出刃也不能滿(mǎn)足要求。這時(shí)必須在鉆頭體上加焊肋骨，以增大內(nèi)、外環(huán)狀空間，一般取內(nèi)、外體上加焊肋骨，以增大內(nèi)、外環(huán)狀空間，一般取內(nèi)、外出刃出刃36mm，底出刃，底出刃45mm。巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué) 底出刃大小包括切削具的切入深度和過(guò)水間隙（圖底出刃大小包括切削具的切入深

45、度和過(guò)水間隙（圖4-11），）， 即即H=h1+h2。 若若H值過(guò)大，值過(guò)大， 容易在硬巖和裂隙性巖層中造成切削具容易在硬巖和裂隙性巖層中造成切削具崩斷，崩斷， 故應(yīng)在鉆頭體上增加補(bǔ)強(qiáng)部分，有很好的防崩效果。故應(yīng)在鉆頭體上增加補(bǔ)強(qiáng)部分，有很好的防崩效果。 鉆頭的底出刃可以排成平底式，也可以排成階梯式。后者可使鉆頭的底出刃可以排成平底式，也可以排成階梯式。后者可使孔底巖石破碎成臺(tái)階形（圖孔底巖石破碎成臺(tái)階形（圖4-12），即在孔底形成掏槽。這樣為上），即在孔底形成掏槽。這樣為上面一排切削具破碎巖石創(chuàng)造了第二個(gè)自由面，使體積破碎更容易。面一排切削具破碎巖石創(chuàng)造了第二個(gè)自由面，使體積破碎更容易。尤其

46、對(duì)具有一定脆性及較硬的巖層效果更佳。尤其對(duì)具有一定脆性及較硬的巖層效果更佳。 圖412 階梯形環(huán)狀孔底示意圖 圖圖 411 硬質(zhì)合金切削具底出刃和補(bǔ)強(qiáng)硬質(zhì)合金切削具底出刃和補(bǔ)強(qiáng)H切削具底出刃；切削具底出刃；h0-切入深度；切入深度；h1-鉆頭底面過(guò)水間鉆頭底面過(guò)水間巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)3. 切削具的鑲焊角度切削具的鑲焊角度 針對(duì)不同性質(zhì)的巖層，可以把具有一定刃角針對(duì)不同性質(zhì)的巖層，可以把具有一定刃角的切削具以不同的的切削具以不同的前角（亦稱(chēng)鑲焊角）鑲焊在鉆頭體上，從而獲得不同的鉆進(jìn)效果。前角（亦稱(chēng)鑲焊角）鑲焊在鉆頭體上，從而獲得不同的鉆進(jìn)效果。 切削具在鉆頭唇面上有三種鑲焊方式：切削具

47、以正前角斜鑲的稱(chēng)切削具在鉆頭唇面上有三種鑲焊方式：切削具以正前角斜鑲的稱(chēng)為正斜鑲圖為正斜鑲圖4-13(a)，垂直擺放的為直鑲圖，垂直擺放的為直鑲圖4-13(b)，以負(fù)前，以負(fù)前角斜鑲的稱(chēng)為負(fù)斜鑲圖角斜鑲的稱(chēng)為負(fù)斜鑲圖4-13(c)。圖圖4-13 切削具的鑲焊方式切削具的鑲焊方式 -切削角切削角; -刃角刃角; -前角前角; -切切削具相對(duì)于鉆頭徑向的扭轉(zhuǎn)角削具相對(duì)于鉆頭徑向的扭轉(zhuǎn)角; 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué) 究竟選擇何種鑲焊角形式（正斜鑲、直鑲、負(fù)斜鑲），應(yīng)考慮究竟選擇何種鑲焊角形式（正斜鑲、直鑲、負(fù)斜鑲），應(yīng)考慮下述原則：下述原則： (1) 對(duì)所鉆巖石切入和回轉(zhuǎn)阻力?。粚?duì)所鉆巖石切入和

48、回轉(zhuǎn)阻力小； (2) 某種鑲焊形式可保證鉆頭體上的切削具有較大的抗彎和抗磨某種鑲焊形式可保證鉆頭體上的切削具有較大的抗彎和抗磨損能力；損能力； (3) 有利于及時(shí)排除巖粉；有利于及時(shí)排除巖粉； (4) 磨損后的切削具應(yīng)保持一定的切削能力，即端面的接觸面積磨損后的切削具應(yīng)保持一定的切削能力，即端面的接觸面積不能過(guò)快地增大。不能過(guò)快地增大。 上述條件很難同時(shí)滿(mǎn)足，設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)應(yīng)根據(jù)巖性，有所側(cè)重地考上述條件很難同時(shí)滿(mǎn)足，設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)應(yīng)根據(jù)巖性，有所側(cè)重地考慮。慮。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué) 分析表明，在切入深度相同的條件下，切入巖石所需的分析表明，在切入深度相同的條件下，切入巖石所需的軸向力軸向力

49、Py和水平力和水平力Px正斜鑲最大，直鑲次之，負(fù)斜鑲最??；正斜鑲最大，直鑲次之，負(fù)斜鑲最??；當(dāng)磨損體積相同時(shí)，切削刃端的磨損面積正斜鑲最大，直鑲當(dāng)磨損體積相同時(shí)，切削刃端的磨損面積正斜鑲最大，直鑲次之，負(fù)斜鑲最??；當(dāng)三者出刃大小一致時(shí)，切削刃上的彎次之，負(fù)斜鑲最小；當(dāng)三者出刃大小一致時(shí)，切削刃上的彎矩正斜鑲最大，直鑲次之，負(fù)斜鑲最小；排粉條件是正斜鑲矩正斜鑲最大，直鑲次之，負(fù)斜鑲最小；排粉條件是正斜鑲最好，直鑲次之，負(fù)斜鑲最差。所以，通常正斜鑲的鉆頭在最好，直鑲次之，負(fù)斜鑲最差。所以，通常正斜鑲的鉆頭在軟巖中具有高鉆速，而負(fù)斜鑲鉆頭適用于硬巖和非均質(zhì)巖層，軟巖中具有高鉆速，而負(fù)斜鑲鉆頭適用于硬

50、巖和非均質(zhì)巖層，最常用的是直鑲。最常用的是直鑲。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué) 不同刃角的切削具使用范圍也不同，其推薦值如下：不同刃角的切削具使用范圍也不同，其推薦值如下： (1) =4550，用于，用于級(jí)非裂隙性巖石；級(jí)非裂隙性巖石； (2) =65，用于，用于級(jí)巖石；級(jí)巖石； (3) =90的小切削具，用于自磨式鉆頭。的小切削具，用于自磨式鉆頭。 切削角切削角的大小應(yīng)根據(jù)所鉆巖性來(lái)選擇。一般來(lái)說(shuō)，鉆進(jìn)軟的大小應(yīng)根據(jù)所鉆巖性來(lái)選擇。一般來(lái)說(shuō)，鉆進(jìn)軟巖巖應(yīng)取小些，但不宜過(guò)小。因?yàn)閼?yīng)取小些，但不宜過(guò)小。因?yàn)檫^(guò)小可能使切削具后面直接過(guò)小可能使切削具后面直接與巖面摩擦。與巖面摩擦。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖

51、土鉆鑿工程學(xué)4. 切削具在鉆頭體上的布置方式切削具在鉆頭體上的布置方式 硬質(zhì)合金鉆頭切削具的排列方式很多，按切削具在鉆頭體唇面硬質(zhì)合金鉆頭切削具的排列方式很多，按切削具在鉆頭體唇面上的分布圈數(shù)，可分為單環(huán)排列、雙環(huán)排列和多環(huán)排列（圖上的分布圈數(shù)，可分為單環(huán)排列、雙環(huán)排列和多環(huán)排列（圖4-14）。）。再加上切削具擺放的密集程度，是否扭轉(zhuǎn)一定的角度等因素都可有再加上切削具擺放的密集程度，是否扭轉(zhuǎn)一定的角度等因素都可有所變化，從而構(gòu)成多種類(lèi)型的鉆頭形式。所變化，從而構(gòu)成多種類(lèi)型的鉆頭形式。圖4-11 切削具在鉆頭體上的布置(a)-單環(huán)排列； (b)-雙環(huán)排列； (c)-多環(huán)排列 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆

52、鑿工程學(xué)確定切削具布置方式時(shí)應(yīng)考慮以下原則：確定切削具布置方式時(shí)應(yīng)考慮以下原則： (1) 能保證鉆頭在孔底工作平穩(wěn)；能保證鉆頭在孔底工作平穩(wěn)； (2) 雙環(huán)、多環(huán)排列或分組排列時(shí)，每個(gè)切削具只破碎孔底的一雙環(huán)、多環(huán)排列或分組排列時(shí)，每個(gè)切削具只破碎孔底的一部分，疊加起來(lái)完成整個(gè)環(huán)狀切槽的切削，如果各環(huán)之間能相互造部分，疊加起來(lái)完成整個(gè)環(huán)狀切槽的切削，如果各環(huán)之間能相互造成自由面，則破巖效果更佳；成自由面，則破巖效果更佳； (3) 盡量使每個(gè)切削具負(fù)擔(dān)的破巖量接近，避免局部磨損過(guò)甚；盡量使每個(gè)切削具負(fù)擔(dān)的破巖量接近，避免局部磨損過(guò)甚； (4) 切削具之間應(yīng)保持一定的距離，以利于排粉；切削具之間應(yīng)

53、保持一定的距離，以利于排粉； (5) 對(duì)切削具的鑲焊和修磨方便。對(duì)切削具的鑲焊和修磨方便。 巖土鉆鑿工程學(xué)巖土鉆鑿工程學(xué)5. 切削具在鉆頭體上的數(shù)目切削具在鉆頭體上的數(shù)目 一般鉆頭上切削具數(shù)目越多，同時(shí)參加破巖的切削點(diǎn)就多，鉆一般鉆頭上切削具數(shù)目越多，同時(shí)參加破巖的切削點(diǎn)就多，鉆頭壽命較長(zhǎng)。但是，由于軸向載荷有限，單個(gè)切削具上的載荷不足，頭壽命較長(zhǎng)。但是，由于軸向載荷有限，單個(gè)切削具上的載荷不足，只能形成表面破碎；加之切削具數(shù)目太多，則巖石破碎處于相互夾只能形成表面破碎；加之切削具數(shù)目太多，則巖石破碎處于相互夾持狀態(tài)，使剪切體變小，造成重復(fù)破碎，孔底冷卻效果變差，最終持狀態(tài)，使剪切體變小，造成重復(fù)破碎，孔底冷卻效