[0001] 本发明涉及岩石破坏工具，更具体地，本发明涉及具有空气钻孔能力的牙轮钻头。该工具可用于在采矿和金矿工业中的井筒钻孔操作期间通过露天开采法对高硬度和最高硬度的岩石进行钻孔。

[0002] 已知的是，牙轮钻头具有滚刀，该滚刀通过保持滚珠轴承和两个滚柱轴承安装在腿轴上，其中两个滚柱轴承都是锥形的并且保持滚珠轴承位于它们之间。(USSR4
Certificate of Authorship No1229297，MIIK E 21 B 10/22，publ.07.05.1986，Bulletin No17)。

[0003] 这种钻头具有以下的缺点：

[0004] 1)具有锥形滚刀的现代钻头(尤其是那些用于对硬的岩石进行钻孔的钻头)的普遍缺点被认为是钻头腿部的重量支撑能力不足。已知的是，通用三牙轮钻头的一个部分(腿部)的轴承支撑件的制造方案为：“滚子-球-滚子”或“滚子-滑动球”。甚至工业中世界著名的领头羊公司也制造这样的钻头，其中加载到钻头腿部上的允许载荷仅仅等于为优化对硬的岩石进行有效钻孔所采取的尺寸的60-70％。已知的是，钻头故障的主要原因是滚刀之一的腿部的断裂或锁定(其占据了故障的超过80％)。例如，在2007年，对于Krivoy Rog铁矿石区中岩石的钻孔，平均钻孔深度为166米(根据Protodyakonov比例，岩石的刚度系数f＝16-19)。因此，钻头的硬合金切割结构的使用寿命超过钻头腿部的使用寿命的几倍。

[0005] 2)具有滚刀的三牙轮钻头的一个部分(段)的轴承支撑件将大约三分之一的载荷施加到钻头上。因为每个腿部的轴线与水平成大约37-39°的角度，所以施加到一个腿部上的总载荷可分为径向分量和轴向分量。施加到支撑件上的载荷的径向分量仅仅由端部和周边滚柱轴承维持，并且相应地以35至65％的比分布在它们之间。(Drill Bits.Digest.Publication 3.PalyiPA.Korneev K.E.″Depths″.1971，第446页)。每个轴承支撑件(尤其是轴上的轴承座圈)以轴、滚子和滚刀的金属容量的极限支承载荷。

[0006] 3)目的在于对软的岩石、中等硬度的岩石和硬的岩石进行钻孔的钻头的腿部、轴承组件和滚刀设计中的不同非常明显，使得甚至对于相同尺寸的钻头的复合元件的标准化都是绝对不可能的。这是牙轮钻头昂贵的真实原因。

[0007] 4)施加到轴承支撑件上的载荷的轴向分量是可变的并且是负值，这对钻头的岩石破坏特征没有影响。其方向沿着轴的轴线并且将总载荷的超过60％施加到一个支撑件上。传统“滚子-球-滚子”支撑件中的推力载荷由双向保持滚珠轴承施加。其保持推力载荷，该推力载荷的方向指向端部轴承的方向和相反的方向：轴的基部的方向。两侧的载荷导致保持滚珠轴承快速磨损并且造成大的轴向游隙。已知的是，当支撑件中具有3-5mm的游隙时，圆柱形滚子相对于轴承座圈出现偏差，并且支撑件发生卡死，其中锥形滚柱轴承的载荷区域角度显著下降。

[0008] 钻头敞开轴承支撑件是已知的，其具有带有轴的腿部、滚刀、靠近轴的基部安装的周边保持锥形滚柱轴承、以及端部锥形滚柱轴承，滚刀布置在该端部锥形滚柱轴承上。因此，周边轴承借助弹簧圈固定在轴上和滚刀的本体中。端部轴承安装在轴上，以便能够自由地沿着轴向(纵向地)旋转，并且其通过盘形弹簧推靠轴的肩部。

[0009] 支撑件的这种变型包括锥形滚柱轴承、圆柱形滚柱轴承和滚子推力轴承。(PCT国际申请WO2005/021923A1，MIIK7：E 21 B 10/22。国际公开日：2005年3月10日)。

[0010] 钻头的这种类似物具有以下的缺点：

[0011] 1)钻头类似物的制造者错误地没有将传统的双向保持滚珠轴承包括到支撑件的设计概念中，保持轴承的替代(假想)功能已经集中在周边锥形滚柱轴承上，尽管已知的是后者仅仅能够应对一侧的推力载荷。钻头类似物的支撑件设计概念(PCT申请WO2005/021923的附图的图1、2)包括典型的7000型单排锥形滚柱轴承的理念。根据GOST333-71(R.D.Beyzelman，B.V.Tsypkin，L.Ya.Perel.Bearings.Digest.Publication b，M.″MechanicalEngineerin″，1975，p.52-53。还被称为Digest)，7000型是主要的一种轴承。7000型轴承的接触角为a＝10-17°。

[0012] 单排锥形滚柱轴承仅仅能够应对一侧的推力载荷。允许加载到7000型轴承上的推力载荷不能超过未使用的允许径向载荷的70％。如上所述，传统三牙轮钻头的端部滚柱轴承保持支撑件上的径向载荷的大约35％。这个值平衡了轴承座圈和轴承滚子的材料强度极限。附加推力载荷可能变成端部轴承致命故障和滚刀腿部锁定的原因，该附加推力载荷的值超过允许的端部轴承载荷的径向分量的2-2.5倍。

[0013] 2)钻头类似物的端部轴承的内圈安装在轴上，以便能够沿着轴的轴线随机地(自发地)旋转，该轴包括周边轴承的侧面处的圆柱形肩部。设置在肩部和端部轴承的内圈之间的盘形弹簧呈现为确保两个滚柱轴承的元件的初步轴向张力和动力封闭，这声称消除了支撑件中游隙(间隙)的可能性。

[0014] 然而，对钻头类似物的支撑件的部件的相互作用的运动静力学分析已经示出了以下情况：

[0015] a)当滚刀本体不能常规地移动(滚刀的本体由绝对刚性表面支撑)时，施加到轴(腿部)上的载荷的径向分量分布在两个滚柱轴承(PCT申请WO2005/021923的图1)之间。通过轴上的圆柱形肩部，推力载荷完全施加到盘形弹簧上并且使其存在极大的缺陷。因为端部滚柱轴承的所有元件都已经封闭在彼此之间并且与滚刀本体一起封闭，所以在支撑件中仅仅能够获得的运动方向是轴通过端部轴承的内圈孔沿着滚刀顶部的方向的纵向旋转。

[0016] 在这个方面，周边锥形滚柱轴承的内圈与锥形滚子、保持器和轴一起将沿着滚刀顶部的方向运动。因此，假想保持周边滚柱轴承打开，原因是位于轴的轴线上方的滚子不再能够与外圈接触。于是，径向游隙超过允许的特定值好几倍(Digest，p.168，表14)。结果，轴承的载荷区域角度显著降低(下降60-90°的值而不是最佳的170-180°的值)，并且施加给轴承元件的压力可能勉强超过允许的值。

[0017] b)当轴不能够常规地运动时，施加到滚刀上的载荷的轴向分量沿着轴的轴线在其基部的方向上指向。通过滚刀本体、端部轴承的外圈、滚子和内圈，推力载荷完全施加到盘形弹簧上并且使其存在极大的缺陷。于是，滚刀的本体、端部轴承、盘形弹簧和(假想)保持周边锥形滚柱轴承的外圈将沿着轴基部的方向运动，运动的值等于盘形弹簧变形的尺寸。(假想保持)周边滚柱轴承再次打开，其径向游隙快速上升，并且轴承的载荷区域角度显著降低。考虑到当施加到钻头的滚刀的支撑件上的载荷是钻孔且在任何情况下重复时，支撑件中附加的轴向和径向振动将对钻头的使用寿命具有极为不利的影响。这就是旨在要最小化且严格地限制任何支撑件中径向和轴向间隙的确切原因。

[0018] 钻头类似物的支撑件设计的主要缺点在于，现实中的假想周边保持锥形滚柱轴承不会对支撑件中的轴向游隙值有任何影响。

[0019] 3)另一类型的钻头(包括一个单排锥形滚柱轴承、一个具有圆柱形滚子的滚柱轴承和一个推力滚珠轴承)类似物的轴承支撑件(PCT申请WO2005/021923的图2)不符合锥形和推力轴承的简单实用规则，具体而言：

[0020] a)单排锥形滚柱轴承在支撑件中应当构建至少一对(Digest，p.53第2段；p.169，图3-b，3-d)。

[0021] b)推力轴承在其推力圈应当如何安装在轴上和本体中方面具有某些独特性。例如，需要利用标准张紧水平将一个推力圈牢固地安装在轴上，而应当以标准松弛水平组装另一个推力圈，该松弛水平等于0.2-0.4mm。确保松弛在于，第二推力圈的内径比轴的直径宽0.2-0.4mm。本体内用于安装第二圈的凹槽的直径应当比推力轴承的外径宽0.5-1mm。在其顶部上，GOST在与“圈-轴”对和“圈-本体”对分隔开的推力表面的最小允许宽度方面包括强制要求(Digest，p.520-523表19)。

[0022] 钻头类似物的制造者忽视了所有这些要求(将PCT申请WO2005/021923的附图，图2)。例如，他们将一个推力圈以径向游隙安装在轴上(可旋转地安装)，而另一个圈和滚动元件与保持器一起布置在轴的外侧。已经拒绝了有关推力滚珠轴承的圈的推力表面的要求宽度的规定，他们使用盘形弹簧端部(线性接触)作为推力圈的推力表面。

[0023] c)假想周边保持锥形滚柱轴承借助螺纹衬套布置在滚刀的本体中，但是螺纹联接的目的不是支持动态径向载荷。为此，在需要时，将与轴承一起牢固地安装在主体中的圆柱形衬垫、杯等与圆柱形联接表面的径向张紧一起使用(例如：Digest，p.380图2和p.381图3)。

[0024] 图1和2(PCT申请WO2005/021923)中表示的支撑件不满足有关钻头支撑件设计的简单要求，原因是没有提供确保轴向游隙值限制的原理元素。

[0025] 最接近的类似物(即原型)被认为是钻头，其包括本体和岩石破坏元件，其中岩石破坏元件借助于轴承支撑件以一个位于另一个内侧的方式安装在本体上，其中组装于内部的岩石破坏元件相对于钻头的轴线成一定角度地定位，而处于外部的岩石破坏元件相对于钻头的轴线沿着相反的方向定位(USSR Certificate of Authorship No 512282，MIIK2：E21 B 9/08，publ.30.04.1976，Bulletin No 16)。

[0026] 钻头原型具有以下的缺点：

[0027] 1)钻头的轴承支撑件被提供为一体式，并且与它们在三牙轮钻头中具有的方式相同，它们设置有保持滚珠轴承，保持滚珠轴承借助于进入孔和球塞被安装在支撑件中。这样的保持轴承在轴向游隙值之上没有提供预加载或电流控制的任何可能性。

[0028] 2)滚刀的腔体中的本体上的轴承座圈产品的技术非常复杂并且耗时，就像三牙轮钻头所基于的技术一样。

[0029] 3)和其它钻头一样，钻头原型的主要部件(本体、轴承支撑件和滚刀设备)的使用寿命彼此大不相同。例如，在来自试拌台的钻头样品的测试操作时，确定的是，对于首次而言，轴承支撑件的使用寿命已经几倍于锰铁钨矿-钴岩石破坏元件的使用寿命。这是有可能的，原因在于钻头原型的支撑件中的轴承载荷区的角度等于360°，但是在并行测试之后在三牙轮钻头中其变得不大于160-175°。

[0030] 当设置有硬合金切刀的钻头原型的岩石破坏元件的工作表面磨损已经到100％时，钻头本体的磨损不大于25％，且轴承支撑件的磨损为35％。这种一半磨损的钻头不会被修复，原因是钻头原型的设计没有提供改变或复原磨损的部件的可能性。

[0031] 本发明的目的在于充分地增加钻头的使用寿命、其效率和通用性。

[0032] 本发明的目的在于，该钻头包括本体和岩石破坏元件，该岩石破坏元件借助于轴承支撑件以一个位于另一个内侧的方式安装在本体上，其中组装于内部的岩石破坏元件相对于钻头的轴线成一定角度地定位，位于外部的岩石破坏元件相对于钻头的轴线沿着相反的方向定位，根据本发明，岩石破坏元件提供为由耐磨材料制成的可更换的喷射喷嘴(矩阵)，并且该喷射喷嘴设置有由坚硬材料制成的切刀，在岩石破坏元件的顶部上，每一个岩石破坏元件的轴承支撑件设置有用于调节轴向游隙值(或初步张紧)的装置。

[0033] 钻头的这种设计提供了以下的优点：

[0034] -使用可更换的喷射喷嘴(矩阵)作为复合元件，其能够快速地去除和经受磨损，从而允许维持钻头的可靠操作，直到所有元件(本体、滚刀和轴承支撑件)完全磨损；

[0035] -使用可更换的喷射喷嘴，即滚刀的可移除设备，其可根据需要在硬合金切刀(包括尖端为菱形的切刀)的数量、尺寸和形状上可能不同，确保钻头的标准化。于是，目的在于对软的岩石、中等硬度的岩石、硬的岩石和最高硬度的岩石进行钻孔的具有确定尺寸的所述钻头可能：仅仅在可更换的喷射喷嘴设备的切刀的材料和几何形状上不同。

[0036] -可更换的喷射喷嘴允许使用较廉价的材料用于钻头的本体和岩石破坏元件的本体部分，其中可更换的喷射喷嘴可以由高硬度钢和具有硬度、耐磨性等特定性能的合金制成；

[0037] -岩石破坏元件的抗磨损的设备与仅仅应对有用一侧的推力载荷并且具有3600载荷角度的实心轴承支撑件一起，允许增加钻头的使用寿命3-5倍，原因是仅仅需要制造设备其它单元的成本。

[0038] -岩石破坏元件的支撑件中的用于调节轴向游隙或初步张紧的装置允许放弃世界通用的根据轴上的和滚刀腔体内的轴承座圈的实际尺寸选择分组的滚动元件(这对于钻头的每个部分而言是唯一的)。

[0039] -能够标准化钻头的某些部件的制造：腿部、滚刀、轴承或滚动元件和保持器。由此，钻头的制造和组装是足够简化和廉价的。

[0040] 借助附图描述制造本发明钻头的三个可能的变型，即：图1中示出了具有可分离滚珠轴承的钻头的前部剖面图；图2中示出了具有可分离滚柱轴承的钻头的前部剖面图；图3中示出了具有可分离支撑件的钻头的前部剖面图，该支撑件包括典型的设置有外圈和内圈、滚动元件和保持器的轴承；图4中示出了钻头的实验模型(即具有中心喷嘴的变型)的摄影视图。

[0041] 钻头(图1)包括：具有清除口2的本体1和岩石破坏元件：岩石破坏元件包括根据前滚刀制成的内部岩石破坏元件3和外部岩石破坏元件4。岩石破坏元件借助于由推力滚珠轴承构成的可分离的轴承组件(支撑件)5和6安装到本体上。由于要经受磨损，岩石破坏元件的工作部设置有可更换的喷射喷嘴7和8。该喷射喷嘴由耐磨材料制成并且设置有由坚硬材料(例如基于锰铁钨矿-钴的合金或基于合成和天然金刚石的超硬复合材料)制成的切刀9。喷射喷嘴利用常用的装置(例如利用螺钉)固定在岩石破坏元件的端部上。

[0042] 岩石破坏元件3的支撑件的上部推力滚珠轴承设置有保持圈10和调节装置11，该调节装置用于调节支撑件中的例如由端板和螺栓实现的轴向游隙值。外部岩石破坏元件4的滚珠轴承支撑件5设置有保持圈12和用于调节支撑件中的轴向游隙值的螺纹型顶盖13。该顶盖具有密封圈。

[0043] 所示钻头的变型例进一步(图2)包括具有清除口2的本体以及岩石破坏元件3和4，岩石破坏元件3和4借助于由具有保持器的锥形滚柱轴承构成的轴承支撑件14和15安装在本体上。轴承支撑件14、15设置有用于调节轴向游隙值的装置16和17。该装置17使得支撑件可更换。

[0044] 所示钻头的另一个变型例(图3)包括具有清除口2的本体1以及岩石破坏元件3和4，岩石破坏元件3和4借助于由典型的轴承构成的轴承支撑件18和19安装在本体上，所述轴承为：具有外圈和内圈、滚动元件和保持器的径向轴承或锥形滚珠轴承、锥形滚柱轴承等。例如，以下类型的滚珠轴承：0000 GOST 8338-93；60000和80000GOST 7242-85；1000 GOST 5720-75；3000 GOST 8545-78；6000 GOST 831-90；7000GOST 333-94；8000 GOST6874-82等。

[0045] 岩石破坏元件设置有由耐磨材料制成的可更换的喷射喷嘴。喷射喷嘴的工作部装备有由坚硬材料(例如基于锰铁钨矿-钴的合金或基于合成和天然金刚石的超硬复合材料)制成的切刀9。切刀的端部尖端可装有金刚石。

[0046] 钻头以如下方式工作。

[0047] 钻头的本体连接到钻机的钻杆。具有设定轴向游隙的旋转钻头被送到井下。同时，空气在压力下通过清除口2被输送。直到切刀9深入到井底的表面中，岩石破坏元件与岩石接触并且由于钻头本体1的旋转而在井下翻转。岩石破坏元件的接触区域相对于井下的轴线位于相对的侧面上，这消除了钻头相对于井的轴线径向振动的可能性。喷射喷嘴7和8的每一个切刀9的运动路径为波形。于是，通过破坏和研磨确切的岩石层，切刀9按顺序切割井下的局部部分。在环形空间内，压缩空气流将钻探泥浆吹离井下表面，并且将其输送到地表面上。锥形的外部岩石破坏元件使得其与孔壁接触的可能性最小。由此，减小了轴上的马达的工作转矩并且最小化钻头部分的加热。

[0048] 钻头的实验模型的工作台测试和自然条件下的测试(例如，在图4中)证实了这些钻头与传统三牙轮钻头相比的高效率，具体而言：

[0049] -由于能够提高钻头上的载荷而使得钻孔的机械速度增大2-2.5倍；

[0050] -使得马达的所需转矩值降低2-3倍；

[0051] -由于将支撑件中轴承载荷区域角度增加到360°而使得钻头轴承支撑件的使用寿命增加10-45倍；

[0052] -由于改变了运动路径和切刀进入岩石的角度而使得岩石破坏元件的硬合金切割设备的使用寿命增加3-5倍；

[0053] -由于引入可更换的设备组件而使得钻头自身的使用寿命增加4-5倍。