具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的制作方法

本发明涉及凿岩钻进设备，特别是涉及具有高效剪切破碎功能的滚动刀具。

背景技术：

现有岩石破碎刀具主要有1、冲击破碎刀具，如适用于风钻的冲击钻、适用于潜孔钻的潜孔钻头；2、回转碾压刀具，如适用于牙轮钻机的牙轮钻头，适用于盾构机的一字形碾压滚动刀具，反井钻机的滚动刀具地质钻机的套筒钻头；3、切削刀具，如适用于盾构机的切削柱齿刀具和牙轮钻头内部设置的柱钉等。

上述刀具中，适用于盾构机的一字形碾压滚动刀具和牙轮滚动刀具和反井钻头滚动刀具，使用的是滚动碾压刀具，对岩石实施的是压破坏，不是剪切破坏，而实际的钻进效果并不是很好，还有提升的空间。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了具有高效剪切破碎功能的滚动刀具，利用刀盘等驱动件的动作，使刀具被旋转，并作用于钻槽靠近口部的边缘处，实施剪切破碎，对岩石的破坏容易，效率高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：具有高效剪切破碎功能的滚动刀具，安装在可移动的刀盘上，并作用于钻槽靠近口部的边缘处；滚动刀具包括刀具轴、安装在刀具轴上的刀具轮、安装在刀具轮的轮面上的合金片；所述刀具轮用于在刀盘的动力以及所作用的边缘处的作用力的配合下进行被动旋转；还用于带动合金片在被动旋转下对边缘处进行剪切式破坏。

进一步地，所述刀具轮具有凸起的轮面形成凸轮结构，所述合金片嵌设固定在凸起的轮面处。

进一步地，所述刀具轮的轮面上安装有多个合金片；多个合金片沿刀具轮的轮面规则分布；所述合金片的刃口的长度方向在与刀具轮的轴向一致的角度和与刀具轮的周向的角度之间任意设置。

进一步地，多个合金片中相邻两个合金片在刀具轮的轮面上沿周向呈八字型分布。

进一步地，所述刀具轴上安装有多个刀具轮；多个刀具轮在以钻槽边缘处为基础由近至远分布。

进一步地，多个刀具轮在以钻槽的边缘处为基础由低至高分布。

进一步地，所述滚动刀具为多个，多个滚动刀具成组设置，同组的滚动刀具中，在前进方向上的靠前的滚动刀具用于对钻槽靠近口部进行剪切破坏而新成新的钻槽，进而为在后的滚动刀具形成新的边缘处。

进一步地，所述滚动刀具通过刀具轴安装在刀盘上，刀具轴的轴向与钻槽的深度方向一致，用于使滚动刀具对钻槽靠近口部的内侧边缘处进行剪切破坏。

进一步地，两个钻槽相邻时，在两个钻槽相靠近的口部内侧边缘处设置所述的滚动刀具；两个滚动刀具共同配合用于对两个钻槽之间的区域进行剪切式拉破坏。

进一步地，所述滚动刀具的刀具轴通过安装架安装在刀盘上，用于使滚动刀具对钻槽靠近口部的外侧边缘处进行剪切破坏。

本发明的优点：本发明的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具，利用刀盘等驱动件的动作，使刀具被旋转，并作用于钻槽靠近口部的边缘处，实施剪切破碎，对岩石的破坏容易，效率高。

附图说明

图1为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的主视示意图；

图2为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的左视示意图；

图3为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的剪切状态的示意图；

图4为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的刀具轮第一凸轮形态设计的示意图；

图5为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的刀具轮第二凸轮形态设计的示意图；

图6为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的合金片在刀具轮的轮面分布的第一形态示意图；

图7为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的合金片在刀具轮的轮面分布的第二形态示意图；

图8为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的合金片在刀具轮的轮面分布的第三形态示意图；

图9为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的合金片在刀具轮的轮面分布的第三形态下作用在钻槽边缘处的示意图；

图10为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的第一成组形态的示意图；

图11为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的第二成组形态的示意图；

图12为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的第三成组形态的示意图；

图13为实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具的第四成组形态的示意图；

图14为有自由面情况下，岩石受到单轴剪切破坏受力分析示意图；

图15为有自由面情况下，岩石受到单轴剪切破坏受力分析示意图；

图16为有自由面情况下，岩石受到单轴剪切破坏受力分析示意图；

图17为有自由面情况下，岩石受到两轴应力状态下剪切破坏的受力分析示意图；

图18为有自由面情况下，倾斜布置一字形刀具时，岩石受到近似单轴剪切破坏受力分析示意图；

图19为具有一轴半剪切破坏功能的l形刀具剪切破坏受力分析示意图；

图20为一字形合金片倾斜布置时，滚动剪切破碎刀具连续工作时在自由面附近岩石表面产生的破坏效果图；

图21为l形合金片倾斜布置时，滚动剪切破碎刀具连续工作时在自由面附近岩石表面产生的破坏效果图；

图22为有自由面情况下，倾斜布置一字形刀具时，岩石受到两轴剪切破坏受力分析示意图；

图23为有自由面情况下，倾斜布置八字形刀具时，岩石受到剪切破坏受力分析示意图；

图24为有自由面情况下，倾斜布置弧形刀具时，岩石受到剪切破坏受力分析示意图；

图25为有自由面情况下，倾斜布置梯形刀具时，岩石受到剪切破坏受力分析示意图；

图26为八字形合金片倾斜布置时，滚动剪切破碎刀具连续工作时在自由面附近岩石表面产生的破坏效果图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例

如图1至13所示，本实施例提供了具有高效剪切破碎功能的滚动刀具，其中，滚动刀具安装在可移动的刀盘1上，并作用于钻槽4靠近口部的边缘处；滚动刀具3包括刀具轴32、安装在刀具轴32上的刀具轮31、安装在刀具轮31轮面上的合金片33；所述刀具轮31用于在刀盘1的动力以及所作用的边缘处的作用力的配合下进行被动旋转；还用于带动合金片33在被动旋转下对边缘处进行剪切式破坏(请参照图2和图3所示)；由于刀盘快速的移动或转动，刀具轮在与钻槽4边缘处接触，就会被迫转动，进而带动合金片对钻槽4边缘处产生冲击，钻槽4边缘处一侧受合金片击打，相接的一侧为自由面，钻槽4的边缘就会从一侧向相邻的侧面剪切式破碎，其中，由于是作用在钻槽4的边缘处，此处破坏时，所需求的压力或冲击力较小，而滚动刀具的轮面一般是与钻槽4边缘处接触，由于轮面的离刀具轴的半径小于合金片离刀具轴的半径，即如图2所示，合金片在转动时的路径(剪切工作面34)要大于轮面转动的路径；同时也由于刀盘在钻进时，具有较大的推力，在合金片也转动至与钻槽4边缘处接触时，就会产生跳动的倾向，但由于刀盘的限制，合金片便会对钻槽4边缘处产生冲击，进而配合钻槽4的边缘处的自由面对钻槽4的边缘处产生剪切式破坏。

本实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具中，钻槽4由固定在刀盘上的传统刀具钻进形成，传统刀具的意义在于提供具有自由面的钻槽4，而本实施例的滚动刀具的意义在于在具有自由面的钻槽4进行剪切破坏，以逐步扩槽的方式对钻槽处的岩石进行破坏，进而达到钻进的目的。

本实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具中，滚动刀具与钻槽4边缘处的配合方式至少包括以下两种：第一种为：所述滚动刀具3通过刀具轴32安装在刀盘1上，刀具轴32的轴向与钻槽4的深度方向一致，用于使滚动刀具3对钻槽4靠近口部的内侧边缘处进行剪切破坏；第二种为：所述滚动刀具3的刀具轴32通过安装架2安装在刀盘1上，用于使滚动刀具3对钻槽4靠近口部的外侧边缘处进行剪切破坏。两种方式皆是作用在钻槽4的边缘处，便于产生剪切式破坏，可根据实际情况，按照上述两种方式对滚动刀具进行相应的布置。

本实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具中，所述刀具轮31具有凸起的轮面形成凸轮结构，所述合金片33嵌设固定在凸起的轮面处；具体的，可参照图4所示，仅在刀具轮的一侧设置凸起部，或可参照图5所示，在刀具轮的两侧设置凸起部，合金片固定在相应的凸起部处。

本实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具中，所述刀具轮31的轮面上安装有多个合金片33；多个合金片33沿刀具轮31的轮面规则分布；所述合金片33的刃口的长度方向在与刀具轮31的轴向一致的角度和与刀具轮31的周向的角度之间任意设置；如图6至图8所示，其提供了几种合金片在刀具轮的轮面分布的形态；图6中，合金片的刃口的长度方向与刀具轮31的周向一致；图7中，合金片的刃口的长度方向与刀具轮31的轴向一致；图8中，合金片33的刃口的长度方向在与刀具轮31的轴向一致的角度和与刀具轮31的周向的角度之间，其夹角大体为45度。

再如图8所示，多个合金片33中相邻两个合金片33在刀具轮31的轮面上沿周向呈八字型分布；采用此设计，可作用在钻槽4的开口处的边线，可在钻槽4形成三角状的破碎口(如图9所示)，相比较于图6和图7的设计方式，更容易使钻槽4的边缘处产生剪切式破坏。

再如图10至图13所示，本实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具中，还提供了成组形态的设计，具体的，如图10所示，所述刀具轴32上安装有多个刀具轮31，多个刀具轮31在以钻槽4边缘处为基础由近至远分布，此设计方式，可加强对钻槽4边缘处的破坏，通过由近至远的多个破坏点，来降低剪切破坏的难度；再如图11所示，多个刀具轮31在以钻槽4的边缘处为基础由低至高分布(在由近至远的基础上)，此设计方式，可通过一组整体的刀具组，即可逐层的由靠近钻槽4的一侧向远离钻槽4的一侧逐步的进行剪切破坏，可进一步提高刀具对钻槽4的边缘处的剪切破坏效果；再如图12所示，所述滚动刀具3为多个，多个滚动刀具3成组设置，同组的滚动刀具3中，在前进方向上的靠前的滚动刀具3用于对钻槽4靠近口部进行剪切破坏而新成新的钻槽，进而为在后的滚动刀具3形成新的边缘处，此种设计，是将滚动刀具分开设计，进而可实现滚动刀具在前进方向(直线方向或圆弧方向)前后设置，也具有如图11所示设计方式的优势，可逐步的扩宽钻槽4的宽度，提高剪切破坏的效果；再如图13所示，两个钻槽4相邻时，在两个钻槽4相靠近的口部内侧边缘处设置所述的滚动刀具；两个滚动刀具共同配合用于对两个钻槽4之间的区域进行剪切式拉破坏；此种方式适用于两个钻槽距离较近的情况，两个钻槽具有岩石壁5，而对于此岩石壁5，在其两侧皆设置滚动刀具，可使剪切破坏的裂痕相互交织，更容易的使此岩石壁5进行剪切式拉破坏。

再如图14至图26，本实施例还给出了各种刀具的受力分析，具体如下：

请参考图14所示，(a)和(b)为两个视角，岩石已有一个自由面的情况下，当刀具的长度大于或等于岩石自由面的长度时岩石为处在单轴应力状态下的破坏，其中y轴为岩石内聚力0、x轴为自由面没有施加力、z轴为刀具施加的力。此时，因岩石破坏的方向是指向x轴自由面的，而y轴虽然也是自由面，但不参与对x轴自由面的破坏。图中f1、f2为刀具向岩石表面实施压力后，在岩石表面产生岩石压破坏后而产生的垂直于刀具压力方向的分力，见图14，该分力是直接对岩石产生整体破坏的力。

请参考图15所示，岩石已有自由面的情况下，当刀具的长度大于或等于岩石自由面的长度时岩石为处在单轴应力状态下的破坏，其中y轴为岩石内聚力0、x轴为自由面没有施加力、z轴为刀具施加的力。此时，因岩石破坏的方向是指向x轴自由面的，而y轴虽然也是自由面，但不参与对x轴自由面的破坏。

请参考图16所示，岩石已有一个自由面的情况下，当刀具的长度小于岩石自由面的长度时，岩石为处在两轴应力状态下的破坏，其中y轴为岩石内应力、x轴为自由面没有施加力、z轴为刀具施加的力。

请参考图17所示，滚动剪切破碎刀具由于是沿自由面一侧保持一定的宽度，对岩石进行持续滚动破坏。其在滚动过程中，合金片与岩石表面只能是点接触或少量面接触，所以，只要合金片沿滚动方向直线布置，其对岩石的破坏都是两轴应力状态下的破坏，而这种破坏效果明显不如单轴应力状态下对岩石的剪切破坏效果好。当采用球形柱齿刀具时，由于球形刀具对岩石表面施压后，产生的垂直于压力方向的分力为圆形向外360度各向相同，只有小部分指向自由面的力和其它方向力的分力才能对自由面附近岩石产生剪切破坏。其它对自由面附近岩石的破坏效果明显不如一字形刀具。

请参考图18所示，为提高对自由面附近岩石实施剪切破坏的效果，调整刀具沿滚动方向直线布置的方式，从而达到高效剪切破坏效果；原有y轴的内聚力有一半已经被刀具的布置方式解除，岩石的破坏只受到外界施加的z轴力和一半的y轴的内聚力影响，其对岩石的破坏效果接近单轴剪切破坏效果，其中刀具与自由面的夹角角越小，刀具的破坏效果越接近单轴剪切破坏效果，但夹角越小刀具对岩石的破坏量越小，所以可根据岩石的性质，调整夹角大小，从而达到最佳的破坏效果。

请参考图19所示，同样具有一轴半剪切破坏功能的l形刀具，其原理如上段所述相同。

请参考图20所示，一字形合金片倾斜布置时，滚动剪切破碎刀具连续工作时在自由面附近岩石表面产生的破坏。

请参考图21所示，l形合金片倾斜布置时，滚动剪切破碎刀具连续工作时在自由面附近岩石表面产生的破坏。

请参考图22所示，倾斜“一”字形刀具在作业时，刀具1在向自由面方向实施的力f1分解成两个分力：平行于自由面的分力f1x，该力受到前方岩石内聚力产生的反作用力，对前方岩石实施两轴应力状态下的剪切破坏；垂直于自由面的分力f1y实施的是岩石单轴应力状态下的直接实施剪切破坏。所以倾斜一字形刀具可实施部分单轴应力状态下的剪切破坏。其中，刀具的倾斜角越小，剪切破坏效果就越好，但角度越小刀具破坏岩石的量也越小，所以要根据岩石硬度和刀具的压力合理确定倾斜一字形刀具与自由面间的夹角。

请参考图23所示，当滚动刀具与岩石表面有少量面接触时，可设置成八字形刀具。八字形刀具在作业时，刀具1在向自由面方向实施的力，受到来自来刀具2处的岩石内应力的阻碍，但由于刀具2的作用，该力被刀具2成功解除，从而促使刀具1向被破坏部位实施的破坏变成单轴应力破坏。同样，刀具1也解除了刀具2对岩石的破坏，从而达到最佳的岩石破坏效果。

请参考图24所示，弧形刀具同样具有解除y轴内聚力能力。

请参考图25所示，梯形刀具也同样具有解除y轴内聚力能力。

请参考图26所示，八字形布置合金片时，滚动刀具在自由面附近岩石表面形成的破坏效果图。

本实施例的具有高效剪切破碎功能的滚动刀具，利用刀盘等驱动件的动作，使刀具被旋转，并作用于钻槽靠近口部的边缘处，实施剪切破碎，对岩石的破坏容易，效率高；通过各种形态的设计，可有效提高剪切破碎的效果，进而提高钻进效率。

上述实施例不应以任何方式限制本发明，凡采用等同替换或等效转换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。