第一节三牙轮钻头的结构特点
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三牙轮钻头是由牙掌、牙轮、轴承、锁紧元件、储油密封装置、喷嘴装置等二十多种零部件组成。一、牙掌
牙掌是牙轮钻头的主要零件。一只钻头是由三片牙掌组装焊接在一起的。上部有连接螺纹，以便与钻具连接，下部制成有一定倾斜角度的轴颈，与牙轮内孔组成轴承副。牙掌上有水孔流道，可以安装储油压力补偿装置。轴颈承受载荷，需要较高的耐磨性及硬度，同时基体内部又需要有足够的强度及耐冲击韧性。
二、切削结构
切削结构包括牙轮和牙齿。牙轮是一个其上装有（或铣出）牙齿的锥体，分单锥和复锥两种。单锥由主锥和背锥组成，单锥牙轮在井底的运动为纯滚动，适用于硬地层钻井。复锥
由主锥、副锥和背锥三部分组成，这种牙轮在井底工作时除了滚动外，还能产生滑动，用于较软地层钻井。树脂抛光轮
牙轮上的牙齿分镶齿和钢齿两种。镶齿是将牙轮外锥面的齿圈上钻孔，镶装大小形状不同的硬质合金齿；钢齿则直接从牙轮锥体上铣出。钻头上三个牙轮的各排齿相互啮合，能有效而不重复地全面破碎井底岩石并防止齿糟泥包。牙齿的形状、大小、数量、长短取决于所钻地层的硬度，地层越软，则牙齿越大、越尖、布置得越少。反之，地层越硬、则牙齿越小越短、数量越多。
硬质合金齿的硬度和抗磨性比钢齿高，使用寿命比钢齿长，尤其是破碎具有研磨性的硬地层，效果更好。其适用地层范围广、进尺多、机械钻速多，已在石油钻井中广泛应用。
硬质合金齿的齿形目前常用的有十多种，如球形、尖卵形、圆锥形、楔形、勺形、锥勺形、偏顶勺形、边楔形、平头形等。根据不同地层、不同岩性的破碎机理不同、各种钻头选用不同形状的齿形。
楔形齿，齿形呈“楔子”状，具有切削、凿击作用。其齿顶角有60°、65°、70°、75°、90°等，
适用于软至中硬地层。齿顶角越大，适用地层越硬。近几年这种齿形良好的使用性能越来越受到广大用户的青睐。
球形齿，其顶部是个半圆形球面，耐磨性最好。它以凿击和压碎作用破碎岩石。因为齿顶球面与井底岩石为点接触，其产生的接触应力大，当接触应力大于岩石本身的强度时，即发生脆性破碎，其破碎体积远大于接触面积，因此，钻硬至极硬地层破碎效率高。
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尖卵形、圆锥形齿，锥形有长锥、短锥、单锥、双锥等多种形状。既具有凿击和压碎作用，还有刮削作用。其抗磨性及强度均高于楔形齿，适用于地层较广，在中硬地层使用效果好。
勺形齿，它是一种不对称的楔形齿，其切削地层的工作面是向内凹的勺形，背面是微向外凸的圆弧形。这种结构改善了牙齿的受力状况，既提高了破碎效率又增加了强度，可高效率破碎极软至中软地层。
在勺形齿的基础上，发展起来的偏顶勺形齿及圆锥勺形齿也已成功的
用在镶齿系列牙轮钻头上，尤其是偏顶勺形齿，齿顶相对于其轴线超前了一个距离，其凹
面正对被切削的地层，这样可以改善牙齿受力面的应力分布，提高牙齿的破碎效率和工作寿命，这种齿形在镶齿牙轮钻头上使用非常广泛。
钢齿形状多为楔形，为了加强钻头保径，外排齿往往设计成“T”、“L”或“IT”形。为了克服钢齿在破碎岩石时易于磨损的缺点，需要在牙齿的工作面及背锥面敷焊耐磨材料。近年来钢齿钻头在钢齿形状和堆焊材料均有大的改进，在齿排上采用反圆弧齿角，增加了堆焊厚度，背锥部位堆焊采用了抗裂、抗冲击及更耐磨的复合材料。
三、轴承结构
牙轮钻头轴承由牙轮内腔、轴承跑道、牙掌轴颈、锁紧元件等组成。通常轴承副有大、中、小和止推四部分轴承组成。大、小轴承承受径向载荷，中轴承主要用来锁紧和定位，端部止推轴承则承受轴向载荷。根据轴承副的结构，钻头轴承一般分为滚动轴承和滑动轴承两大类，根据轴承的密封与否，又可分为密封和非密封。随着轴承技术的发展，近年来又开发出了多种新轴承如浮动轴承、镶套轴承等。
光触媒涂料滚动轴承的结构形式有滚柱——滚珠——滚柱——止推和滚柱——滚珠——小轴滑动——
止推两种。前一种适应于大尺寸（121/4″）钻头。这类滚动轴承能适应较高的工作转速。采用密封滚动轴承结构的钻头主要有GA系列及GJ系列，W系列和K系列钻头所采用的是非密封滚动轴承。采用了密封式滚动轴承，其结构特点是在牙轮底平面处安装了密封元件（“O”形密封圈或金属密封圈），它们可在100～250r/min的转速下工作，密封轴承的使用寿命高于非密封轴承。采用非密封式滚动轴承的W系列钻头，虽然能适应较高转速但轴承工作寿命较低。而同样采用非密封式滚动轴承的K系列钻头为空气冷却式钻头，属矿用钻头系列，轴承工作寿命高于W系列钻头，接近GA系列钻头。
滑动轴承目前也有两种结构。一是滑动-滚动（滚珠）-滑动-止推；二是滑动-滑动（卡簧）-滑动-止推。为了提高轴承的工作寿命，保证轴承在较高的温度和压力下工作良好，除选用高强底低碳合金钢作为磨擦副材料外，还需要对牙掌轴颈进行表面强化处理，以提高其表现硬度和耐磨性。而
牙轮内孔跑道内则镶焊铜合金或其它减磨材料，提高滑动副的抗咬合能力。HA系列钻头所采用的是滑动轴承，采用“O”形橡胶密封圈作径向密封，与滚动轴承相比，这种滑动轴承承压面积大，接触疲劳应力减少，使用寿命长，但不适于高转速使用。HJ系列钻头轴承也为
绕线电感密封滑动轴承，但不同于普通的密封方式，采用的是金属面密封，其密封装置是由两个金属密封环和两个“O”形橡胶增能圈组成，金属环借助于弹性橡胶的供能，产生轴向压紧力，实现端面密封。采用这种密封方式的滑动轴承可以在较高转速下工作。
浮动轴承
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采用浮动轴承结构，浮动元件由高强度、高弹性、高耐温性、高耐磨性特点的新材料制成，表面经固体润滑剂处理。在降低轴承副相对线速度的同时，减少摩擦面温升，能有效提高高钻压、高转速钻井工艺条件下的轴承寿命和轴承可靠性。
镶套轴承
采用镶套结构牙轮和镶套新材料，改进钻头轴承性能，钻头承载能力高、使用寿命长，减少牙轮破裂落井。轴承性能达到国际先进水平。镶套结构牙轮钻头可以适应高钻压钻井工艺。
为了保证牙轮与牙掌装配牢靠，必须对牙轮进行锁紧。牙轮锁紧方式有卡簧锁紧及钢球锁紧两种。卡簧锁紧用的元件是一个开口的弹性钢丝挡圈，其外径比牙轮内孔的卡簧槽大。
分装牙轮时，需用一个专用工具将卡簧放进牙轮内腔。卡簧靠其自身的弹性锁紧牙轮，同时又与牙掌轴颈组成一对滑动副，实现了全滑动的轴承。卡簧锁紧的特点是减少了零件、简化了轴承结构及加工，增加了滑动轴承的工作面积，卡簧锁紧还能承受较高钻压等。钢球锁紧是在牙轮与牙掌组装时，将一排（钻头尺寸不同，数目和规格不同）钢球从塞销孔道装进轴承滚道，然后用一个塞销封住钢球的通道，使钢球安全可靠地在轴承跑道中自由滚动，既锁住了牙轮，又承受轴向载荷。钢球锁紧的轴承能适应较高的转速。随着钻井条件的改善，钢球锁紧比卡簧锁紧的锁紧更牢靠，更能适应现代钻井技术的发展，钢球锁紧比卡簧锁紧使用的更为普遍。
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