【发明授权】防冲专用钻头_邹城兖矿泰德工贸有限公司_201810821249.7 

申请/专利权人:邹城兖矿泰德工贸有限公司

申请日:2018-07-24

发明/设计人:常钦;许让标;张瑞凯;王保勤;张松林;李亮

公开(公告)日:2020-05-22

代理机构:北京中济纬天专利代理有限公司

公开(公告)号:CN108915599B

代理人:杨乐

主分类号:E21B10/42(20060101)

地址:273500 山东省济宁市邹城市西外环路中段路西

分类号:E21B10/42(20060101);E21B47/06(20120101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.05.22#授权;2019.01.11#实质审查的生效;2018.11.30#公开

摘要:本发明涉及一种防冲专用钻头,包括钻体,钻体与尾部的锥柄相连,钻体前部有曲线分布和梯形结构结合的切削刃,切削刃为焊接在三翼上的柱形镀膜合金,其中,所述钻体的一切削部位为曲线形状,第一外弧形段的形状根据公式确定,L1表示第一外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角本发明将钻体前部设置为梯形与曲线型相结合的方式,第一外弧形段结合钻体的强度作为基准参量,在钻头工作时,维持在一个固定的应力强度值,不会出现阻滞的情况,进一步提高了钻井效率。

主权项:1.一种防冲专用钻头,其特征在于,包括钻体,钻体与尾部的锥柄相连,钻体前部有曲线分布和梯形结构结合的切削刃,切削刃为焊接在三翼上的柱形镀膜合金,其中,所述钻体的一切削部位为曲线形状,第一外弧形段的形状根据下述公式1确定,第一端点a至第二端点b的形状公式为: 其中,L1表示第一外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角;圆心角α计算公式为: α0表示初始设定的标准夹角值,Ω表示钻头的应力强度,Ω0表示初始设定的钻头的应力强度;第二外弧形段的形状根据下述公式3确定,第二端点b至第三端点c的形状公式为: 其中,L1表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角;第三外弧形段的形状根据下述公式4确定,第三端点c至第四端点d的形状公式为: 其中,L1表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,L3表示第三外弧形段的弧长,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。

全文数据:防冲专用钻头技术领域[0001]本发明涉及工程钻探、煤层探矿钻具配件技术领域,尤其涉及一种防冲专用钻头。背景技术[0002]我国很多矿井煤层透气性差,煤质松软,瓦斯含量大,甚至有动力现象或突出危险,使煤层预抽钻孔钻进难度极大。采用常规水循环钻进时容易塌孔,卡钻严重,钻孔深度不能达到设计目标,致使瓦斯排放和防冲击地压效果差,不能很好地满足生产和开发的要求,影响了煤矿生产的正常进行。[0003]现有技术中的钻头,在施工由于设计要求成粧的上部有一定高度的粧头,现有钻头凭施工人员经验控制,导致钻头在施工时折损。[0004]同时,现有技术中的钻头在边工作边排肩时,由于梯形切削刃结构的缺陷,各段排肩的力度基本相同,造成排肩阻拦。发明内容[0005]本发明的目的在于提供一种防冲专用钻头,用以克服现有技术的技术缺陷。[0006]为实现上述目的,本发明提供一种防冲专用钻头,包括钻体,钻体与尾部的锥柄相连,钻体前部有曲线分布和梯形结构结合的切削刃,切削刃为焊接在三翼上的柱形镀膜合金,其中,[0007]所述钻体的一切削部位为曲线形状,第一外弧形段的形状根据下述公式⑴确定,第一端点a至第二端点b的形状公式为:[0009]其中,Ll表示第一外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角;[0010]圆心角α计算公式为:[0012]α〇表示初始设定的标准夹角值,Ω表示钻头的应力强度,Ω〇表示初始设定的钻头的应力强度;[0013]第二外弧形段的形状根据下述公式2确定,第二端点b至第三端点c的形状公式为:[0015]其中,Ll表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角;[0016]第三外弧形段的形状根据下述公式4确定,第三端点c至第四端点d的形状公式为:[0018]其中,Ll表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。[0019]进一步地,钻头的第一内弧形段的形状根据下述公式⑸确定,第五端点e至第六端点f的形状公式为:[0021]其中,I1表示第一内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角,Ll表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长;[0022]第二内弧形段形状根据下述公式⑹确定,第六端点f至第七端点g的形状公式为:[0024]其中,I2表示第二内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角,Ll表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长;[0025]第三内弧形段形状根据下述公式⑺确定,第七端点g至第八端点h的形状公式为:[0026]钻头的第一内弧形段的形状根据下述公式5确定,第五端点e至第六端点f的形状公式为:[0028]其中,I1表示第一内弧形段的弧长,I2表示第二内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。[0029]进一步地,在钻头外侧壁四周设置第一传感器槽、在第一传感器槽内设置第一压力传感器,第二传感器槽、在第二传感器槽内设置第二压力传感器,第三传感器槽、在第三传感器槽内设置第三压力传感器,传感器实时采集压力信息,并传输至一远端控制器中;[0030]所述控制器设定压力差值阈值为M,第一压力传感器的压力值Φ,第二压力传感器的压力值Φ2,第三压力传感器的压力值Φ3,控制器按照下述计算第一压力传感器和第二压力传感器的初始差值:[0032]式中,Μ21表不第一压力传感器和第二压力传感器的压力差值,φ表不第一压力传感器的实时检测值,Φ2表不第二压力传感器的实时检测值,φ3表不第三压力传感器的实时检测值,T表示均方差运算,I表示积分运算;[0033]其中I表示基于二次函数的任意积分运算,上述公式为获取积分的比值信息,下述两公式相同,如基于函数y=ax2,在X取值为a,b内,a〈b为任意数值。[0034]技术相比本发明的有益效果在于,本发明解决了煤矿井下松软突出煤层钻进成孔问题,边钻进边排肩,减少了工人劳动强度,提高了钻进效率。并且连接快速灵活,适配性能强。[0035]本发明将钻体前部设置为梯形与曲线型相结合的方式,第一外弧形段结合钻体的强度作为基准参量,在钻头工作时,维持在一个固定的应力强度值,不会出现阻滞的情况,进一步提尚了钻井效率。[0036]尤其,本发明最优实施例中,在确定曲线形状时,结合钻头自身特点,将夹角及弧形曲线引入,并通过结合曲线长度、钻头直径与钻头尺寸,来确定钻体的整体形状;在设置各个曲线段时,采用柔性的正弦、余弦曲线,避免产生应力死角及分离产生漩涡。[0037]本发明,在钻头外侧壁上从上至下设置第一传感器槽、在第一传感器槽内设置第一压力传感器,第二传感器槽、在第二传感器槽内设置第二压力传感器,第三传感器槽、在第三传感器槽内设置第三压力传感器,传感器实时采集压力信息,并传输至一远端控制器中;所述控制器设定压力差值阈值为M,第一压力传感器的压力值Φ,第二压力传感器的压力值Φ2,第三压力传感器的压力值Φ3。通过对三个位置的压力值的有机判定,可以准确确定压力值。附图说明[0038]图1为本发明防冲专用钻头的整体结构示意图;[0039]图2为本发明的钻体的结构示意图。具体实施方式[0040]以下结合附图,对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。[0041]下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术防护机构员应当理解的是,这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理,并非旨在限制本发明的保护范围。[0042]需要说明的是,在本发明的描述中,术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系,这仅仅是为了便于描述,而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。[0043]此外,还需要说明的是,在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术防护机构而言,可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0044]参阅图1所示,其为本发明防冲专用钻头的整体结构示意图,前部的钻体2与尾部的锥柄4相连,钻体2为三翼结构,三翼前部有曲线分布和梯形结构结合的切削刃1,切削刃1为焊接在三翼上的柱形镀膜合金;三翼周边焊接有护体合金3,锥柄4为六方锥柄,锥柄4上设有销孔5。[0045]为了增强钻头本身的排肩性能,本实施例对钻体3的外形边缘曲线采用柔性的曲线形状。[0046]结合图2所示,其为钻体的其中一切削部位,钻体第一外弧形段的形状根据下述公式⑴确定,第一端点a至第二端点b的形状公式为:[0048]其中,Ll表示第一外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,也即,钻头中心至左侧边缘的距离,锥柄4的中心线的延长线至钻头边缘的距离,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。本实施例,首先确定第一外弧形段的圆心角,根据钻头钻体其本身的应力强度而定,设定标准的应力强度与标准夹角,当应力强度升高时,夹角增加,以便第一外弧形段能够保持足够的强度。[0050]α〇表示初始设定的标准夹角值,Ω表示钻头的应力强度,Ω〇表示初始设定的钻头的应力强度。[0051]第二外弧形段的形状根据下述公式2确定,第二端点b至第三端点c的形状公式为:[0053]其中,Ll表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。[0054]第三外弧形段的形状根据下述公式4确定,第三端点c至第四端点d的形状公式为:[0056]其中,Ll表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。[0057]具体而言,钻头的第一内弧形段的形状根据下述公式⑸确定,第五端点e至第六端点f的形状公式为:[0059]其中,I1表示第一内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角,Ll表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长。[0060]第二内弧形段形状根据下述公式⑹确定,第六端点f至第七端点g的形状公式为:[0062]其中,I2表示第二内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角,Ll表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长。[0063]第三内弧形段形状根据下述公式⑺确定,第七端点g至第八端点h的形状公式为:[0064]具体而言,钻头的第一内弧形段的形状根据下述公式⑸确定,第五端点e至第六端点f的形状公式为:[0066]其中,I1表示第一内弧形段的弧长,I2表示第二内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。[0067]实施例中,将第一外弧形段结合钻体的强度作为基准参量,在钻头工作时,维持在一个固定的应力强度值,不会出现阻滞的情况,进一步提高了钻井效率。[0068]尤其,本发明最优实施例中,在确定曲线形状时,结合钻头自身特点,将夹角及弧形曲线引入,并通过结合曲线长度、钻头直径与钻头尺寸,来确定钻体的整体形状;在设置各个曲线段时,采用柔性的正弦、余弦曲线,避免产生应力死角及分离产生漩涡。[0069]本实施例在所述钻头上设置一组压力传感器,其为无线压力传感器。具体而言,在钻头外侧壁上沿侧壁设置第一传感器槽、在第一传感器槽内设置第一压力传感器61,第二传感器槽、在第二传感器槽内设置第二压力传感器64,第三传感器槽、在第三传感器槽内设置第三压力传感器66。传感器实时采集压力信息,并传输至一远端控制器中。[0070]所述控制器设定压力差值阈值为M,第一压力传感器的压力值Φ,第二压力传感器的压力值Φ2,第三压力传感器的压力值Φ3。控制器按照下述计算第一压力传感器和第二压力传感器的初始差值:[0072]式中,Μ21表不第一压力传感器和第二压力传感器的压力差值,φ表不第一压力传感器的实时检测值,Φ2表不第二压力传感器的实时检测值,φ3表不第三压力传感器的实时检测值,T表示均方差运算,I表示积分运算。[0073]其中I表示基于二次函数的任意积分运算,上述公式为获取积分的比值信息,下述两公式相同,如基于函数y=ax2,在X取值为a,b内,a〈b为任意数值。[0074]上述均值运算的基本算法为:通过获取在某个时间段内的所有采样点的位置值,对某个时间段内的各个取值进行积分运算和均方差运算,然后取比值,得出相比较的平均值。[0075]控制器按照下述计算第一压力传感器和第三压力传感器的初始差值:[0077]式中,M31表不第一压力传感器和第三压力传感器的压力差值,φ表不第一压力传感器的实时检测值,Φ2表不第二压力传感器的实时检测值,Φ3表不第三压力传感器的实时检测值,T表示均方差运算,I表示积分运算。[0078]控制器按照下述计算第二压力传感器和第三压力传感器的初始差值:[0080]式中,M23表示第二压力传感器和第三压力传感器的压力差值,[0081]φ表不第一压力传感器的实时检测值,φ2表不第二压力传感器的实时检测值,φ3表示第三压力传感器的实时检测值,T表示均方差运算,I表示积分运算。[0082]所述控制器设定差值阈值为M,经过上述公式计算所得的跑1、131、123,分别与差值阈值M进行比较,若M21、M31、M23均小于M,则此时,压力在控制范围内。

权利要求:1.一种防冲专用钻头,其特征在于,包括钻体,钻体与尾部的锥柄相连,钻体前部有曲线分布和梯形结构结合的切削刃,切削刃为焊接在三翼上的柱形镀膜合金,其中,所述钻体的一切削部位为曲线形状,第一外弧形段的形状根据下述公式⑴确定,第一端点a至第二端点b的形状公式为:1其中,Ll表示第一外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角;圆心角α计算公式为:2α〇表示初始设定的标准夹角值,Ω表示钻头的应力强度,Ω〇表示初始设定的钻头的应力强度;第二外弧形段的形状根据下述公式⑵确定,第二端点b至第三端点c的形状公式为:3其中,Ll表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角;第三外弧形段的形状根据下述公式⑷确定,第三端点c至第四端点d的形状公式为:4其中,Ll表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。2.根据权利要求1所述的防冲专用钻头,其特征在于,钻头的第一内弧形段的形状根据下述公式5确定,第五端点e至第六端点f的形状公式为:5其中,I1表示第一内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角,Ll表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长;第二内弧形段形状根据下述公式6确定,第六端点f至第七端点g的形状公式为:6其中,I2表示第二内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角,Ll表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长;第三内弧形段形状根据下述公式⑵确定,第七端点g至第八端点h的形状公式为:钻头的第一内弧形段的形状根据下述公式5确定,第五端点e至第六端点f的形状公式为:B其中,I1表示第一内弧形段的弧长,I2表示第二内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。3.根据权利要求1所述的防冲专用钻头,其特征在于,在钻头外侧壁四周设置第一传感器槽、在第一传感器槽内设置第一压力传感器,第二传感器槽、在第二传感器槽内设置第二压力传感器,第三传感器槽、在第三传感器槽内设置第三压力传感器,传感器实时采集压力信息,并传输至一远端控制器中;所述控制器设定压力差值阈值为M,第一压力传感器的压力值Φ,第二压力传感器的压力值Φ2,第三压力传感器的压力值Φ3,控制器按照下述计算第一压力传感器和第二压力传感器的初始差值::1式中,Μ21表不第一压力传感器和第二压力传感器的压力差值,Φ表不第一压力传感器的实时检测值,φ2表不第二压力传感器的实时检测值,φ3表不第三压力传感器的实时检测值,T表示均方差运算,I表示积分运算;其中I表示基于二次函数的任意积分运算,上述公式为获取积分的比值信息,下述两公式相同,如基于函数y=ax2,在X取值为a,b内,a〈b为任意数值。

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