牙輪鉆頭碎巖原理

由於牙輪鉆頭鉆進是動、靜載相結合的碎巖方式，因此，碎巖效率較高，目前廣泛應用於鉆進硬巖層。

壹、牙輪鉆頭在井底的運動

牙輪鉆頭在井底的運動由三部分組成：牙輪繞鉆頭軸線的“公轉”；牙輪繞自己軸線的反時針“自轉”；鉆頭在旋轉的同時，由於單齒與雙齒交替接觸井底的結果，還做上下往復運動（振動）。所以，實際牙輪鉆頭在井底工作時，是上述幾種運動的復合，依靠復合運動所產生的沖擊壓碎和剪切作用來破碎巖石的。

二、牙輪鉆頭的沖擊壓碎作用

牙輪滾動時有壹定的速度，並使牙齒在動載作用下沖擊巖石，使巖石發生體積破碎，而形成破碎坑。這種作用超過靜壓作用，即鉆頭作用在巖石上的軸向載荷包括：靜壓和沖擊載荷兩部分，而沖擊壓碎作用是牙輪鉆頭破碎巖石的主要方式。

沖擊作用與沖擊速度有關，即：沖擊速度越大，沖擊作用也就越大。那麽，沖擊速度與牙輪鉆頭結構參數等因素之間的關系，見下式所示：

碎巖工程學

式中：R為牙輪半徑；ω為牙輪角速度；Z為牙輪最外排齒圈的齒數；β為牙輪軸線的水平傾角。

從上式可知，牙輪直徑越大、轉速越高、齒圈的牙齒數越少，沖擊速度越大，沖擊壓碎作用也就越大。

根據動量定律知：

碎巖工程學

式中：P為牙齒對巖層（石）的沖擊力；M為參與縱向振動的下部鉆柱的質量，它相當於縱振半周期內產生彈性伸長或壓縮的鉆鋌長度；T0為牙齒沖擊巖石的時間。

上式中的M可由下式確定：M=

式中：T為縱振周期；C為彈性變形的波速（相當於聲波在鋼中傳播的速度，其值為5100m/s）；F為鉆鋌橫截面積；γ為鋼材比重；g為重力加速度。

將公式vmax和公式M代入公式P，便得出如下規律：

碎巖工程學

從上式得出如下結論：

（1）沖擊力與T0成反比。對於彈脆性巖石，T0很小，因而可以獲得很大的沖擊力；對於塑性巖石，T0大，只能獲得很小的沖擊力。所以，沖擊作用對塑性巖石的破碎效果不顯著；

（2）沖擊力大小只與下部鉆鋌的橫截面積有關，而與加壓鉆鋌的長度無關，故欲增大沖擊力，應選用大尺寸鉆鋌；

（3）沖擊力與鉆頭牙輪的半徑成正比，與外排齒數的平方成反比。因此，增大牙輪直徑，減少齒數，可提高沖擊功。

此外，對於硬巖石，為了增加沖擊碎巖作用，牙輪常做成單錐、無滑動的。

三、牙輪鉆頭的剪切作用

剪切作用主要是三方面：壹是牙齒吃入巖石時的剪切作用；其二是鉆頭在轉動時產生的剪切作用；第三是由於牙輪轉動時有滑動，滑動量越大，剪切作用也越大。

增大牙輪滑動量有三種辦法：即使用超頂、移軸和復錐牙輪。

超頂：牙輪的錐頂超過了鉆頭中心線。

移軸：是指牙輪軸線沿水平方向平移壹個距離。

復錐：牙輪由兩個或兩個以上不同錐度的錐體組成。錐頂之間的距離稱錐頂距，錐頂距越大，牙輪的滑動量就越大。