[实用新型]准渐开线形牙齿

说明书

本实用新型涉及一种准渐开线形牙齿，用于三牙轮钻头，特别适用于石油天然气钻进极软至中硬地层，可提高钻头的机械钻速，延长牙齿使用寿命。

牙齿是影响三牙轮钻头破岩效率的主要因素，牙齿形状的改变不但直接影响三牙轮钻头的机械钻速，还影响其工作寿命，因此，国内外都很重视对牙齿齿形的研究，设计了一系列适合于各类地层的齿形。针对极软至中硬地层，目前国际上认为最佳的齿形是美国休斯公司新推出的“铲齿”和“超级铲齿”，这两种齿的特点是其引导面与尾随面为圆弧面（形）。“超级铲齿”的引导面与尾随面的相交处偏移了齿中心线，决定引导面与尾随面形状和位置的是它们各自的圆半径和圆心位置，设计这种形状牙齿的目的是为了使牙齿吃入地层过程中垂直于井底表面，从而改善其受力状态，防止断齿，同时能有效地吃入地层，带出部分岩屑，提高破岩效率，但实际上，目前的齿形设计基本上都只是孤立地考虑牙齿形状，这种形状的牙齿在吃入地层的各种吃入角下不能保持与井底表面基本垂直，因而不能满足其设计理论要求，影响了其破岩效率的提高。

本实用新型的目的在于提供一种改进的准渐开线形牙齿，可保证牙齿在任何吃入角下都能垂直于井底表面，有效地防止断齿，提高钻头破岩效率。

本实用新型描述的准渐开线形牙齿，将钻头，牙轮和牙齿在牙轮上的位置以及牙齿破岩运动过程综合考虑，推出了适合各种钻头上不同齿圈上使用的牙齿齿形方程式，牙齿齿形的前部引导面和后部尾随面均为准渐开线形曲面，其曲面方程分别为：

X＝R（sinψ－ψcosψ）＋W（ψ）cosψ

引导面曲面方程：

Y＝R（cosψ＋ψsinψ）－W（ψ）sinψ

X＝R（sinψ－ψcosψ）－W（ψ）cosψ

尾随面曲面方程：

Y＝R（cosψ＋ψsinψ）＋W（ψ）sinψ

其中：R＝R1＋H，R1为该牙齿中心所在牙轮上齿圈的圆半径，H为齿高的百分之二十，ψ为吃入角，W（ψ）为强度要求的半齿宽。

本实用新型所描述牙齿的特点还在于其引导面与尾随面之间的中面是标准的渐开线形曲面，中面上任一点在其法线上与引导面和尾随面的交点之间的距离相等，中面曲面方程为：

X＝R（sinψ－ψcosψ）

中面曲面方程：

Y＝R（cosψ＋ψsinψ）

以下结合附图对本实用新型作进一步说明：

附图1为本实用新型所描述牙齿吃入井底时的工作原理图。

附图2为本实用新型所描述一种典型牙齿的外形图。其中左图为牙齿正视图，右图为牙齿侧视图。

附图1中，1为牙轮，2为牙齿，3为井底表面，ψ为吃入角，R1为牙齿中心所在齿圈的圆半径，ω为牙轮转动角速度，X、Y为座标轴。

附图2中，1为引导面，2为中面，3为尾随面，其引导面和面尾随面为准渐开线形曲面，其中面为渐开线形曲面，在任何吃入角下，该曲面与井底表面相交处的中面切平面都垂直于井底表面，这样就保证了在任何吃入角下，该牙齿均能保持垂直吃入地层。

本实用新型准渐开线形牙齿不仅可镶装在镶齿三牙轮钻头的各内排及外排齿圈上，而且也可作为铣齿三牙轮钻头牙齿齿形。试验结果表明，使用本实用新型后，显著地提高了三牙轮钻头的破岩效率，有效地防止了断齿。