一种可更换式牙轮钻头系统的制作方法

本发明涉及基础工程桩基开挖行业中旋挖钻机用牙轮钻头，采用了一种全新的可更换式结构和焊接方式，尤其是一种可更换式牙轮钻头系统。

背景技术：

牙轮钻头原是石油钻探行业使用最广泛的钻头，适用于从软到硬的各种地层。最近几年国内外基础工程桩基开挖行业陆续采用牙轮钻头开挖从软到硬的岩层，用于基础桩基的开挖。牙轮钻头直接焊接在牙轮钻筒筒壁上，工作时牙轮钻头先与岩石开挖面接触，在推力作用下紧压在岩面上，随着牙轮钻筒的旋转，牙轮钻头一方面绕牙轮钻筒中心轴公转，同时绕自身轴线自转，在推力和转矩共同作用下，牙轮钻头压入岩石，对岩石产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，使岩石产生裂纹，随着牙轮钻筒的继续旋转，岩石碎片将脱离母体，达到一定深度后，钻筒底部密封件将岩芯封在钻筒内而后钻筒上升到地面将岩芯取出。牙轮钻头工作环境恶劣，特别是岩石岩性不一，分布不均，对牙轮钻头的耐磨性、耐压性及冲击韧性要求非常高，在破岩过程中，牙轮钻头不仅承受很大的径向破岩力，同时又经受岩石中硬矿物质的剧烈磨损，严重的磨损降低了钻机的破岩速度，必须经常性地更换牙轮钻头，而以往牙轮钻头直接焊接在钻筒上，更换时必须对原有钻头刨割，使得整机工作效率降低，同时多次刨割和焊接会损害钻筒筒壁，造成掘进成本加大，因此研究出一种性能更稳定、结构合理、具备可更换性的牙轮钻头系统迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种性能稳定、结构合理、具备可更换性的牙轮钻头系统，以解决在地下旋挖施工过程中牙轮钻头承载压力不均、更换麻烦、掘进效率低，进而造成牙轮钻筒报废的缺陷，同时解决了由于牙轮钻头直接焊接在钻筒筒壁的过程中径向间距过大带来的牙轮头过度磨损现象的发生。

本发明是这样实现的：

一种可更换式牙轮钻头系统，主要由可更换式牙轮钻头与钻筒组成，其中可更换式牙轮钻头由U型牙轮座、连接座、牙轮头、合金体、钢球、O型密封圈、丝堵、止退杆、弹性圆柱销组成，连接座的柄部安装在U型牙轮座中，连接座的柄部与U型牙轮座之间设置两个圆柱销安装孔，弹性圆柱销砸入圆柱销安装孔中对连接座进行固定；牙轮头安装在连接座的头部凹槽中，并在牙轮头与连接座头部接触面上设置环形钢球安装孔，钢球安装在环形钢球安装孔中限定牙轮头与连接座的相对位置关系,钢球在牙轮头内部随牙轮头破岩转动，钢球的转动使牙轮头在破岩过程中磨损均匀，避免偏磨现象的发生，止退杆安装在止退杆安装孔中，止退杆靠近钢球的一头为球形弧面设置，通过止退杆对钢球进行限位，防止工作过程中，钢球的脱落，同时在牙轮头底部与连接座连接处设置O型圈进行动态密封，防止牙轮钻头在破岩过程中土渣及其它异物质进入牙轮头内部，对牙轮头的内部结构形成保护，通过U型牙轮座交错的焊接在牙轮钻筒上，使相邻的牙轮钻头形成交错保护，提高了牙轮钻头的耐磨性能。

该牙轮钻头的工作原理是，U型牙轮座上开设U型凹槽，连接座上开设U型凸台，连接座插入U型牙轮座后用弹性圆柱销固定，U型牙轮座通过焊接方式焊接在钻筒筒壁上，牙轮钻筒在推力作用下旋转掘进，牙轮钻筒工作时，牙轮钻头先与岩石开挖面接触，在推力作用下紧压在岩面上，随着牙轮钻筒的旋转，牙轮钻头一方面绕牙轮钻筒中心轴公转，同时绕自身轴线自转，在推力和转矩共同作用下，牙轮钻头压入岩石，对岩石将产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，使岩石产生裂纹，随着牙轮钻筒的继续旋转，岩石碎片将脱离母体。

本发明的有益效果在于：

本发明与现有牙轮钻头结构及其焊接方式相比，首次采用U型牙轮座，焊接在钻筒筒壁上；通过U型结构连接、弹性圆柱销固定，牙轮钻头可方便、快速、不损伤钻筒筒壁的进行更换；U型结构可使牙轮钻头完全可承受工作时的径向力和轴向侧移力；牙轮头通过钢球止退，将钢球退出后，牙轮头亦可方便更换；采用止退杆防止钢球退出，丝堵顶紧止退杆；采用丝堵与O型密封圈进行静密封和动密封，简单有效；牙轮体上均布镶嵌硬质合金柱，大合金体用于破岩，小合金体保护牙轮头背部，合金体采用热镶方式压入，比普通钎焊连接强度高，性能也稳定，U型牙轮座交错的焊接在牙轮钻筒上，使相邻的牙轮钻头形成交错保护，提高了牙轮钻头的耐磨性能。可根据岩性不同设计外形结构和调整合金材质。采用这种结构节约了大量时间和掘进成本，显著提高了掘进效率。

附图说明

图1为本发明整体组装图。

图2为本发明的可更换式牙轮钻头主视图。

图3为本发明的可更换式牙轮钻头剖视图。

图4为本发明的的可更换式牙轮钻头部分组装剖视图。

图5为本发明的U型牙轮座的主视图。

图6为本发明的俯视图。

附图中标注说明：（1）牙轮钻头、（2）牙轮钻筒、（3）U型牙轮座、（4）连接座、（5）牙轮头、（6）合金体、（7）钢球、（8）O型密封圈、（9）丝堵、（10）止退杆、（11）弹性圆柱销、（12）为圆柱销安装孔、（13）环形钢球安装孔、（14）止退杆安装孔、（2-1）外侧可更换牙轮极限破岩轨迹、（2-2）内侧可更换牙轮极限破岩轨迹、（3-1）U型凹槽、（3-2）安装孔、（4-1）连接座的柄部、（4-2）U型凸台、（4-3）圆柱形安装孔、（4-4）连接座的头部、（4-5）半圆形环槽、（5-1）凹槽、（5-2）半圆环槽、（5-3）大合金安装孔、（5-4）小合金安装孔、（6-1）大合金体、（6-2）小合金体。

具体实施方式

结合附图1-6对本发明可更式换牙轮钻头系统进行说明：

如图1所示，一种可更换式牙轮钻头系统，主要由可更换式牙轮钻头（1）与牙轮钻同（2）组成，牙轮钻头（1）交错的焊接在钻筒（2）的筒壁上，相邻的两个可更换式牙轮钻头（1）在牙轮钻筒（2）的径向上呈正反方向焊接，并形成交错排布。

结合图2—图5对本发明中的可更换式牙轮钻头进行说明：如图3和图4所示，可更换式牙轮钻头（1）由U型牙轮座（3）、连接座（4）、牙轮头（5）、合金体（6）、钢球（7）、O型密封圈（8）、丝堵（9）、止退杆（10）、弹性圆柱销（11）组成，连接座（4）包括柄部（4-1）与头部（4-4）两部分。

连接座的柄部（4-1）安装在U型牙轮座（3）中，连接座的柄部（4-1）与U型牙轮座之间设置两个圆柱销安装孔（12），弹性圆柱销（11）砸入圆柱销安装孔（12）中对连接座（4）进行固定，在牙轮钻头破岩过程中，牙轮钻头经过长时间工作失效时，需要对牙轮钻头进行更换，此时将弹性圆柱销（11）从U型牙轮座（3）的背面顶出即可对牙轮座（4）进行拆卸，这种拆卸方式简单可靠，且节约时间、节约采矿成本，牙轮头（5）安装在连接座（4）的头部（4-4），并在牙轮头（5）与连接座头部（4-4）接触面上设置环形钢球安装孔（13），钢球（7）安装在环形钢球安装孔（13）中限定牙轮头（5）与连接座（4）的相对位置关系。

如图4所示，牙轮头（5）底面设置用以连接座安装的凹槽（5-1），凹槽（5-1）的内部设置半圆形环槽（5-2），牙轮头（5）的锥面上设置平行环状大合金安装孔（5-3），牙轮头的背面设置小合金安装孔（5-4），连接座的头部（5-4）安装到牙轮头上的用以连接座安装的凹槽（5-1）中，牙轮头的半圆环槽（5-2）与连接座头部的半圆环槽（4-5）组合成环形钢球安装孔（13），钢球（7）安装到环形钢球安装孔（13）中，止退杆安装孔（14）包括沉头孔与通孔，止退杆（10）安装到通孔中，止退杆（10）安装完成以后丝堵（9）拧紧在沉头孔中，对止退杆（10）形成保护，同时防止工作过程中土渣进入止退杆安装孔（14）中，牙轮头（5）底部与连接座（4）之间设置有O型密封圈（8），形成动态密封，对牙轮头（5）的内部结构形成保护。

如图4所示，合金体（6）包括镶嵌在大合金安装孔（5-3）中的大合金体（6-1）以及镶嵌在小合金安装孔（5-4）中的小合金体（6-2），大合金体（6-1）和小合金体（6-2）分别采取热镶方式压入大合金安装孔（5-3）和小合金安装孔（5-4）中，这种合金安装方式比普通钎焊连接强度高，性能更加稳定，大合金体（6-1）为主要的破岩合金，同时牙轮头形成保护，在大合金体（6-1）磨损失效时，牙轮头才会直接受到岩石的冲击，小合金体（6-2）是在大合金体（6-1）的基础上对牙轮头辅助保护设置，主要是对牙轮头背面形成耐磨保护，避免了由于牙轮头背面磨损严重而带来的密封失效。

如图4-5所示，U型牙轮座（3）上开设U型凹槽(3-1)，U型凹槽的两侧设置两个安装孔(3-2)，连接座的柄部设置U型凸台(4-2)，在U型凸台（4-2）与U型牙轮座的安装孔（3-2）相对应位置设置两个圆柱形安装孔(4-3)，连接座的头部(4-4)设置半圆形环槽（4-5）、止退杆安装孔（13），连接座的柄部U型凸台（4-2）安装到U型凹槽（3-1）中，U型牙轮座（3）上的两个安装孔（3-2）与连接座（4）上的两个圆柱形安装孔（4-3）组合成两个圆柱销安装孔（12），为弹性圆柱销（11）提供安装空间，弹性圆柱销（11）砸入圆柱销安装孔（12）中，固定连接座（4）。

结合如图1和图6对本发明进一步说明，如图1所示，牙轮钻头组装完成以后，通过U型牙轮座（3）交错焊接在钻筒（2）上，相邻两个牙轮钻头在钻筒上正反方向焊接，使相邻的牙轮钻头形成交错排布，有效地避免了牙轮钻头在破岩过程中偏磨现象发生，如图6所示，外侧牙轮破岩轨迹（2-1）把相邻牙轮钻头保护在破岩轨迹之内，同时内侧牙轮破岩轨迹（2-2）把相邻牙轮钻头保护在破岩轨迹之内，这种交错保护形势，提高了牙轮钻头的使用寿命，同时节约钻掘成本。