在煤礦(kuang)鉆(zhan)井(jing)(jing)中，牙(ya)輪(lun)鉆(zhan)頭(tou)能適應各種地層的(de)(de)鉆(zhan)井(jing)(jing)，是主要的(de)(de)破巖工(gong)(gong)具之一。牙(ya)輪(lun)鉆(zhan)頭(tou)在礦(kuang)井(jing)(jing)工(gong)(gong)作時的(de)(de)運動狀(zhuang)態和受力狀(zhuang)態是相當復(fu)雜的(de)(de)。國(guo)內外對牙(ya)輪(lun)鉆(zhan)頭(tou)的(de)(de)工(gong)(gong)作原理,論研(yan)(yan)(yan)究(jiu)或實驗(yan)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)方(fang)面都作了大量(liang)的(de)(de)工(gong)(gong)作，這些(xie)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)成果(guo)為鉆(zhan)頭(tou)的(de)(de)設計使用提供了依據。

三牙(ya)輪鉆頭在礦井的(de)(de)運動(dong)，決定牙(ya)輪與(yu)牙(ya)齒(chi)的(de)(de)運動(dong)，也就直接決定牙(ya)齒(chi)對地(di)層(ceng)巖石(shi)的(de)(de)破(po)碎(sui)(sui)作用。因(yin)此，在了解(jie)(jie)鉆頭破(po)碎(sui)(sui)巖石(shi)的(de)(de)工作原理(li)之前，首先(xian)應了解(jie)(jie)鉆頭在礦井的(de)(de)運動(dong)。

1.鉆頭的公轉

鉆頭(tou)(tou)(tou)牙輪繞(rao)鉆頭(tou)(tou)(tou)軸(zhou)線(xian)作順(shun)時針方向旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)的(de)(de)運動(dong)簡稱(cheng)為鉆頭(tou)(tou)(tou)的(de)(de)公轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)。鉆頭(tou)(tou)(tou)公轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)的(de)(de)速(su)度就是轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)盤或井(jing)下(xia)動(dong)力鉆具(ju)的(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)速(su)度。鉆頭(tou)(tou)(tou)公轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)時，牙輪繞(rao)鉆頭(tou)(tou)(tou)軸(zhou)線(xian)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)，牙輪上(shang)各排牙齒繞(rao)鉆頭(tou)(tou)(tou)軸(zhou)線(xian)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)的(de)(de)線(xian)速(su)度不(bu)同，外(wai)排齒的(de)(de)線(xian)速(su)度最大(da)。

2.鉆頭的自轉

鉆(zhan)(zhan)頭旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)時，沿著(zhu)從牙(ya)(ya)(ya)輪(lun)(lun)底(di)平面到牙(ya)(ya)(ya)輪(lun)(lun)尖部的(de)方向看(kan)，牙(ya)(ya)(ya)輪(lun)(lun)繞自身的(de)軸線作反時針方向的(de)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)稱自轉(zhuan)(zhuan)。牙(ya)(ya)(ya)輪(lun)(lun)的(de)轉(zhuan)(zhuan)動(dong)是巖(yan)石對牙(ya)(ya)(ya)齒的(de)吃入破碎作用產生反作用的(de)結果。牙(ya)(ya)(ya)輪(lun)(lun)自轉(zhuan)(zhuan)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)的(de)影響因素有公(gong)轉(zhuan)(zhuan)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)、鉆(zhan)(zhan)頭結構、齒面結構、鉆(zhan)(zhan)井參數和巖(yan)石性質等。一(yi)般情況下，牙(ya)(ya)(ya)輪(lun)(lun)自轉(zhuan)(zhuan)的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)比(bi)鉆(zhan)(zhan)頭公(gong)轉(zhuan)(zhuan)的(de)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)快。把牙(ya)(ya)(ya)輪(lun)(lun)自轉(zhuan)(zhuan)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)與鉆(zhan)(zhan)頭公(gong)轉(zhuan)(zhuan)轉(zhuan)(zhuan)速(su)(su)(su)之(zhi)比(bi)稱為(wei)輪(lun)(lun)頭比(bi)，輪(lun)(lun)頭比(bi)的(de)值一(yi)般在1-1.5之(zhi)間。

3.鉆(zhan)頭的縱(zong)振(軸向振動)

鉆(zhan)(zhan)頭工作時(shi)，對一個牙輪而言，牙齒(chi)與(yu)井(jing)底的(de)接觸是(shi)(shi)單齒(chi)、雙(shuang)齒(chi)交替進行的(de)。單齒(chi)著地(di)(di)時(shi)，牙輪的(de)輪心處于最高位(wei)(wei)置(zhi)，雙(shuang)齒(chi)著地(di)(di)時(shi)那(nei)么輪心下降。牙輪在轉動過(guo)程(cheng)中，輪心位(wei)(wei)置(zhi)不(bu)斷上(shang)下變換(huan)，使鉆(zhan)(zhan)頭沿(yan)軸向作上(shang)下往復運動，這就是(shi)(shi)鉆(zhan)(zhan)頭的(de)軸向振(zhen)動。縱(zong)振(zhen)振(zhen)幅(fu)就是(shi)(shi)輪心的(de)垂直(zhi)位(wei)(wei)移，它與(yu)牙齒(chi)的(de)齒(chi)高、齒(chi)距(ju)等(deng)鉆(zhan)(zhan)頭結構參(can)數及(ji)巖性有關。在軟(ruan)地(di)(di)層(ceng)，牙齒(chi)吃(chi)入深(shen)、振(zhen)幅(fu)小，硬地(di)(di)層(ceng)那(nei)么振(zhen)動加劇。振(zhen)動的(de)頻(pin)率與(yu)牙輪齒(chi)數及(ji)牙輪轉速成正比。在旋轉鉆(zhan)(zhan)井(jing)中，鉆(zhan)(zhan)頭縱(zong)振(zhen)頻(pin)率一般為100一500次/min。

止匕(bi)外，由于井(jing)底(di)(di)不(bu)平(ping)，鉆頭產生振(zhen)(zhen)(zhen)幅(fu)較大(da)的(de)低頻(pin)(pin)振(zhen)(zhen)(zhen)動。據國外資料介紹，低頻(pin)(pin)振(zhen)(zhen)(zhen)動的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)幅(fu)就(jiu)是井(jing)底(di)(di)凹凸局(ju)部的(de)高(gao)(gao)差(cha),一(yi)般(ban)為10mm左(zuo)右，頻(pin)(pin)率(lv)低于50次/min。低頻(pin)(pin)縱(zong)振(zhen)(zhen)(zhen)對鉆頭是不(bu)利的(de)因(yin)素，在(zai)硬地層中會造成跳鉆。牙輪(lun)鉆頭的(de)縱(zong)振(zhen)(zhen)(zhen)是上述(shu)兩(liang)種振(zhen)(zhen)(zhen)動之和，它(ta)構(gou)成了牙齒(chi)的(de)沖(chong)擊壓入作用，破(po)碎(sui)巖石，提(ti)高(gao)(gao)破(po)碎(sui)效(xiao)率(lv)。

4.橫向振動

所(suo)謂橫向振動(dong)(dong)，就是(shi)(shi)沿(yan)著垂直(zhi)于鉆(zhan)(zhan)頭軸線方向的(de)振動(dong)(dong)。造(zao)成鉆(zhan)(zhan)頭橫向振動(dong)(dong)的(de)因素很多(duo)，包(bao)括鉆(zhan)(zhan)頭與(yu)巖石(shi)互作(zuo)用、鉆(zhan)(zhan)柱的(de)彎曲變形，鉆(zhan)(zhan)柱的(de)偏心(xin)旋(xuan)轉，鉆(zhan)(zhan)柱質量分布不均勻、地(di)層傾角以(yi)及井底巖石(shi)性質差(cha)異等(deng)(deng)等(deng)(deng)。鉆(zhan)(zhan)頭的(de)橫向振動(dong)(dong)對鉆(zhan)(zhan)柱的(de)橫向振動(dong)(dong)有直(zhi)接的(de)影響，也是(shi)(shi)造(zao)成鉆(zhan)(zhan)頭失效的(de)重要原(yuan)因。

5.扭轉振動

鉆頭(tou)(tou)的(de)周期(qi)性(xing)運(yun)動(dong)導致扭矩成周期(qi)性(xing)變(bian)化，引(yin)(yin)(yin)起(qi)鉆頭(tou)(tou)周期(qi)性(xing)的(de)扭轉振動(dong)。鉆頭(tou)(tou)的(de)扭轉振動(dong)主要由鉆頭(tou)(tou)的(de)粘滑運(yun)動(dong)造成的(de)，即鉆頭(tou)(tou)旋(xuan)轉速度(du)變(bian)化很大(da),在某(mou)一瞬時鉆頭(tou)(tou)可(ke)能靜止不動(dong)，過(guo)一段(duan)時間后便以數倍于(yu)平(ping)均轉速的(de)速度(du)旋(xuan)轉，這(zhe)樣就會引(yin)(yin)(yin)起(qi)鉆頭(tou)(tou)的(de)失效，也可(ke)能引(yin)(yin)(yin)起(qi)鉆柱的(de)早期(qi)疲勞破壞(huai)。因(yin)此(ci)應盡(jin)量防止鉆頭(tou)(tou)出現這(zhe)種現象。

6,牙輪的滑動

破碎(sui)不同(tong)(tong)類型巖(yan)石，對鉆(zhan)(zhan)頭(tou)(tou)要求不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)滑(hua)(hua)(hua)動(dong)(dong)量，可通過設計鉆(zhan)(zhan)頭(tou)(tou)時(shi)采用不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構(gou)及(ji)參數(shu)獲得。對于(yu)一(yi)(yi)個牙(ya)輪(lun)(lun)(lun)而言，不同(tong)(tong)位置的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)齒(chi)(chi)排(pai)(pai)(pai)(pai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)滑(hua)(hua)(hua)動(dong)(dong)方向(xiang)(xiang)是(shi)(shi)不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。外排(pai)(pai)(pai)(pai)齒(chi)(chi)及(ji)靠近外排(pai)(pai)(pai)(pai)齒(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)齒(chi)(chi)排(pai)(pai)(pai)(pai)，一(yi)(yi)般是(shi)(shi)正向(xiang)(xiang)滑(hua)(hua)(hua)動(dong)(dong)(假設鉆(zhan)(zhan)頭(tou)(tou)旋轉,而牙(ya)輪(lun)(lun)(lun)不自轉時(shi)，牙(ya)齒(chi)(chi)在(zai)井(jing)底的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)滑(hua)(hua)(hua)動(dong)(dong)就是(shi)(shi)正向(xiang)(xiang)滑(hua)(hua)(hua)動(dong)(dong)):牙(ya)輪(lun)(lun)(lun)尖部的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)齒(chi)(chi)排(pai)(pai)(pai)(pai)及(ji)靠近牙(ya)輪(lun)(lun)(lun)尖部的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)齒(chi)(chi)排(pai)(pai)(pai)(pai)一(yi)(yi)般是(shi)(shi)負向(xiang)(xiang)滑(hua)(hua)(hua)動(dong)(dong);而在(zai)外排(pai)(pai)(pai)(pai)齒(chi)(chi)與尖部齒(chi)(chi)排(pai)(pai)(pai)(pai)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)某個中間齒(chi)(chi)排(pai)(pai)(pai)(pai)或虛擬齒(chi)(chi)排(pai)(pai)(pai)(pai)做純(chun)滾(gun)動(dong)(dong)o一(yi)(yi)般情況下，軟(ruan)地(di)層(ceng)鉆(zhan)(zhan)頭(tou)(tou)應具有較大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)滑(hua)(hua)(hua)動(dong)(dong)量，硬地(di)層(ceng)鉆(zhan)(zhan)頭(tou)(tou)應盡量減少或不產(chan)生滑(hua)(hua)(hua)動(dong)(dong)，防止牙(ya)齒(chi)(chi)早(zao)期損壞。但(dan)是(shi)(shi)，由于(yu)鉆(zhan)(zhan)頭(tou)(tou)工作(zuo)時(shi)，牙(ya)輪(lun)(lun)(lun)與牙(ya)掌軸(zhou)頸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相對運動(dong)(dong)總是(shi)(shi)存(cun)在(zai)摩擦阻力(li)等(deng)原因，即使設計的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)純(chun)滾(gun)動(dong)(dong)鉆(zhan)(zhan)頭(tou)(tou),實際鉆(zhan)(zhan)進中仍然存(cun)在(zai)著(zhu)滑(hua)(hua)(hua)動(dong)(dong)。對純(chun)滾(gun)動(dong)(dong)鉆(zhan)(zhan)頭(tou)(tou)作(zuo)室內模擬試驗，發(fa)現約有20%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)滑(hua)(hua)(hua)動(dong)(dong)量。上(shang)述幾種運動(dong)(dong)是(shi)(shi)牙(ya)輪(lun)(lun)(lun)鉆(zhan)(zhan)頭(tou)(tou)在(zai)井(jing)下工作(zuo)時(shi)同(tong)(tong)時(shi)發(fa)生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)復合運動(dong)(dong)。實際鉆(zhan)(zhan)進時(shi)，還有整個鉆(zhan)(zhan)頭(tou)(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)向(xiang)(xiang)下運動(dong)(dong)，其(qi)向(xiang)(xiang)下運動(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)速(su)(su)度就是(shi)(shi)鉆(zhan)(zhan)頭(tou)(tou)鉆(zhan)(zhan)進的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)機械鉆(zhan)(zhan)速(su)(su)。