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【摘 要】 在当前竖井钻机用楔齿滚刀使用的过程中出现了使用效率下降、使用成本升高的问题，本文就刀齿、刀壳、密封和轴承等楔齿滚刀使用过程中常见问题的形成原因进行分析，从密封结构、轴承结构、刀壳铸造工艺，边刀刀壳背锥结构和滚刀装配工艺等方面提出优化措施，提高刀齿的硬度和韧性，延长压差补偿活塞运动到底部的时间，提高滚刀的耐磨性和密封效果，快速增效，实现降低成本的目的。
【关键词】 竖井钻机;楔齿滚刀;技术措施;效果
1.概述
钻井法凿井主要的工作原理就是通过布置在刀盘上的滚刀所产生的外力将岩石滚压破碎，在岩石滚压破碎的过程中利用洗井液清洗工作面，通过压气反循环将岩屑排至地面。由于滚刀工作环境比较恶劣，钻头在泥浆之中工作，各部件容易损坏造成滚刀失效。在钻井法凿井的过程中滚刀的使用效果对钻井效率和钻井成本都有十分重要的影响。钻进速度慢的原因有很多，与刀具相关的原因主要体现在三个方面：1、滚刀失效不能有效地破碎该刀具覆盖面的岩体，2、井底工作面部分岩渣不能及时带走刀具重复破碎，造成无功失效;3、钻头被未破碎的岩体顶住，在钻井的过程中钻头无法前进。因此，我们在钻井的过程中要对滚刀失效产生的原因进行分析，根据原因采取必要的措施，这样对钻进效率的提升有着重要的意义。
煤矿竖井钻机采用的破岩滚刀主要是楔齿滚刀，主要结构如图1所示，滚刀由刀齿、主轴、密封、刀壳、联接件、刀座和轴承等部分组成。
1—楔齿刀齿;2—辅助密封;3—刀轴;4—固定螺栓;5—金属浮动端面密封;6—轴承套;7—楔齿刀壳;8—止推轴承;9—活塞柱;10—滚柱;11—罐式刀座;
图1 楔齿滚刀结构示意图
2.楔齿滚刀失效的主要形式及其成因
2.1刀齿失效。在破岩的过程中，刀齿和岩石直接接触，刀齿的失效对滚刀的使用效果有直接的影响。刀齿磨损失效和刀齿折断失效是刀齿失效常见的两种形式。
2.1.1刀齿折断失效。刀齿结构布置不合理就会造成刀齿在工作过程中受力不均匀，在运行的过程中容易产生折齿现象。在破岩的过程中会产生一定的弯曲应力，这种弯曲应力就会造成在使用过程中的疲劳折断，对于刀齿表面使用硬质合金焊接的楔齿刀齿，这种焊接只在齿面上部进行堆焊，下部由于长期的磨损就容易变薄（图2），这样产生的弯曲应力就更容易造成折齿。在施工过程中如果产生单一的刀齿折断，就会造成其他刀齿的受力发生变化，刀齿使用的材料密度较大，折齿后沉在井底的工作面，也容易造成滚刀在工作的过程中造成其他刀齿的损坏。刀齿折断还可能是设计和加工制造缺陷等引起的，直接铸造的齿根部应力集中，焊接钢基合金时焊接不牢固等都会造成刀齿折断。当折断刀齿超过总数的20%，滚刀将失效。
1—堆焊耐磨层;2—刀齿;3—磨损部分;4—刀壳
图2 楔齿磨损示意图
2.1.2刀齿磨损失效。在刀齿工作的过程中由于和岩石的接触会发生磨蚀，随着使用时间的延长，刀齿的磨蚀程度会不断的增加，这就需要在钻进的过程中增加钻压，磨蚀严重的情况下就不能有效的侵入岩石，一般情况下磨损量超过40%时，滚刀的工作效率就会严重受到影响，滚刀将失效。（见下图3）
图3 信湖煤矿风井-楔齿滚刀磨损前后
2.2刀壳失效。滚刀刀壳是支撑刀齿破岩的基体，刀齿按一定规律布置在刀壳上。刀齿破岩时将会把承受的复杂变应力传递给刀壳，这就要求刀壳具有合理的结构、足够的强韧性、耐磨性以防止岩渣的磨蚀。洗井效果不好，岩渣重复破损，容易造成刀壳的磨损;刀壳存在铸造缺陷，长时间工作或出现事故时，如破碎硬岩出现跳钻、蹩钻或井底存在金属落物，都会造成刀壳受冲击作用开裂、掉块失效。[1]
图4 信湖煤矿风井-刀壳破损情况
2.3滚刀刀轴和轴承失效。轴承是刀壳在刀轴上旋转的支撑部件，工作时承受很大的径向及轴向交变载荷，因此要求轴承结构合理，润滑性能良好及能够承受足够动载荷的能力。滾刀轴承由径向和轴向轴承组合而成，轴承承受着冲击荷载，容易造成轴承套、滚柱、刀轴磨损断裂（图5），甚至会产生胶合、破裂，最常见的就是出现疲劳点蚀、浅层剥落（图6），这些都会使滚刀旋转不畅或卡死，造成刀齿偏磨，以致滚刀失效。
2.4滚刀密封失效。滚刀密封常采用金属端面浮动密封，活塞式压差补偿装置组合来实现轴承腔内润滑的密封。
在滚动密封中金属端面浮动密封是滚刀密封的关键因素，密封效果的好坏对轴承的使用寿命有一定的影响。随着钻入深度的不断增加，滚刀的密封压力就会不断的增加，当深度增加到800m时，密封压力就需要增加到8MPa以上，随着断面浮动密封件的接触状态的不断变化，洗井液中磨砺性介质的存在增加密封接触面的磨损，岩粉随洗井液渗入轴承密封内腔，致使腔内轴承快速失效。[2]
图5 刀轴断裂失效 图6 刀轴浅层剥落失效
当刀壳和轴承套轴向窜动时，金属密封端面比压增大，由于摩擦的磨损速率与端面比压近似成比例，摩擦容易失效。顺着刀盘半径方向，边刀和正刀在钻进时受到了所钻地层产生的径向阻力。这个力远远小于钻井钻进方向的推力，对正刀影响相对较小，但对边刀影响相对较大[3]，大端的推力轴承更易磨损，使刀壳和小端轴承套往小端窜动，轴承套的硬度比端面密封环的硬度低，造成小端轴承套的密封面更容易损坏（图7左），泥浆进入密封腔，造成轴承失效（图7右）。小端轴承套密封面失效是滚刀密封中最常见的失效形式之一。
图7 密封失效漏油;泥浆进入密封腔致使小端轴承失效
活塞式压差补偿装置安装在主轴中心孔内，由于中心孔比较细长，加工精度难以保证，泥浆压力波动会使活塞在中心孔内窜动，活塞密封圈容易磨损失效;活塞被高压泥浆压至中心孔底部时，当外侧压力继续增大时，压差补偿装置将不起任何作用，在密封腔内外压差作用下，泥浆从端面密封进入密封腔导致轴承失效。 2.5其它失效形式
2.5.1滚刀联接螺栓失效。在使用的过程中由于受到各种冲击载荷的作用，连接螺栓就容易产生松动，导致滚刀在使用的过程中的轨迹发生变化，严重的情况会造成刀座的脱落，这样就造成滚刀的受力不均产生破坏，因此，在发生螺栓脱落的时要及时停机进行检修。
2.5.2刀座失效。钻井滚刀刀座有马鞍形刀座和罐式刀座。罐式刀座主要是通过法兰盘将滚刀联接在刀盘上，这样滚刀部分就会埋在刀盘面以下，减少了刀盘和井底面的距离，改善刀座的洗井效果和受力情况。马鞍形刀座结构就相对比较简单，当滚刀密封失效后，造成滚动扭矩变大，刀座的弯曲应力就会发生变化，不均匀的应力增加造成马鞍形刀盘与刀座的焊缝开裂、刀座断裂等现象的发生，导致滚刀掉落。
3.改进措施
3.1设计改进。径向滚柱可以采用四或五排结构，其小端的两排轴承完全一致，在滚刀大端的轴承则有两排，也有三排的，如图8所示，两排轴承承载能力虽没有三排轴承承载能力强，但两排轴承在各自的轨道运动更加平稳，其承载能力也能完全满足煤矿破碎软岩和中硬岩的要求。因此要根据岩石的基本特性来选取轴承的结构形式。
a）两排轴承结构 b）三排轴承结构
图8 滚刀大端轴承结构
金属端面浮动密封要求具有良好的密封性能和较高使用寿命。通过选择合理的金属密封环结构，确定合理的摩擦副之间的参数，采用高质量、高精度的密封元件。在金属端面密封副外侧使用L形复合圈或O形圈等辅助旋转密封，可以有效保护金属端面密封。摩擦副跑合时，密封副磨损更严重。当摩擦副跑合完成后干摩擦接触面积减小，润滑油润滑摩擦副，密封效果将得到改善。因此辅助密封可以优先阻止密封腔外介质在摩擦副跑合之前进入密封腔。边刀装在刀盘最外边，起钻进和维持钻孔最大直径的作用。滚刀要有陡的静止角，以保证刀座外侧有足够的间隙[4]。
3.2加工工艺改进。在刀壳铸造的过程中为了满足加工的需要，降低了刀壳的耐磨性和硬度，这就造成在使用过程中楔齿根部容易磨损变薄折断。采用双金属复合料进行铸造，在保证刀壳加工需要的同时，提高了使用性能。
3.3装配工艺改进。为了保证金属浮动密封面的装配质量，要求在装配的过程中用平面镜进行检查，保证密封质量。装配完成后要保证主密封不泄露油，内腔要做油压为10MPa，保压时间为10分钟的耐压试验。
4.结论
4.1在竖井钻机施工過程中造成滚刀失效的原因有很多种，任何一个部件的失效都会在一定程度上加快整体失效的速度。随着施工深度和直径的不断增加，滚刀受力会发生改变，这在一定程度上也增加滚刀失效的概率，影响了钻进的效率。因此，我们在对钻头安装和维护的过程中要对滚刀进行仔细的检测，保证滚刀的使用效果，减少在钻进的过程中各种事故的发生。
4.2通过相关的技术措施对滚刀进行改进，不仅加快了补偿活塞的运行时间，还提高了刀齿和刀壳材料的硬度，对滚刀的耐磨性和密封效果也起到了一定的改善作用。
4.3在钻井的过程中滚刀的参数选择很重要，要根据岩石的特性选择合适的滚刀进行钻进，这样不仅能提升钻进效率，还能在一定程度上降低生产成本。
参考文献：
[1]刘志强，李英全，王承源.竖井钻机破岩滚刀寿命探析[C]
[2]杜成林，孔凡让，胡永乐.硬岩钻井滚刀密封结构改进技术研究[J].
[3]张永成，史基盛，王占军.钻井施工手册[M].
[4]王怀志，孙杰，张永成.龙固煤矿深钻井工程钻头结构设计优化[J].
[5]武士杰，王强，何昊等.破岩滚刀密封失效原因分析与防治[J].
[6]洪伯潜.钻井法凿井技术在我国的发展与应用[J].
【关键词】 竖井钻机;楔齿滚刀;技术措施;效果
1.概述
钻井法凿井主要的工作原理就是通过布置在刀盘上的滚刀所产生的外力将岩石滚压破碎，在岩石滚压破碎的过程中利用洗井液清洗工作面，通过压气反循环将岩屑排至地面。由于滚刀工作环境比较恶劣，钻头在泥浆之中工作，各部件容易损坏造成滚刀失效。在钻井法凿井的过程中滚刀的使用效果对钻井效率和钻井成本都有十分重要的影响。钻进速度慢的原因有很多，与刀具相关的原因主要体现在三个方面：1、滚刀失效不能有效地破碎该刀具覆盖面的岩体，2、井底工作面部分岩渣不能及时带走刀具重复破碎，造成无功失效;3、钻头被未破碎的岩体顶住，在钻井的过程中钻头无法前进。因此，我们在钻井的过程中要对滚刀失效产生的原因进行分析，根据原因采取必要的措施，这样对钻进效率的提升有着重要的意义。
煤矿竖井钻机采用的破岩滚刀主要是楔齿滚刀，主要结构如图1所示，滚刀由刀齿、主轴、密封、刀壳、联接件、刀座和轴承等部分组成。
1—楔齿刀齿;2—辅助密封;3—刀轴;4—固定螺栓;5—金属浮动端面密封;6—轴承套;7—楔齿刀壳;8—止推轴承;9—活塞柱;10—滚柱;11—罐式刀座;
图1 楔齿滚刀结构示意图
2.楔齿滚刀失效的主要形式及其成因
2.1刀齿失效。在破岩的过程中，刀齿和岩石直接接触，刀齿的失效对滚刀的使用效果有直接的影响。刀齿磨损失效和刀齿折断失效是刀齿失效常见的两种形式。
2.1.1刀齿折断失效。刀齿结构布置不合理就会造成刀齿在工作过程中受力不均匀，在运行的过程中容易产生折齿现象。在破岩的过程中会产生一定的弯曲应力，这种弯曲应力就会造成在使用过程中的疲劳折断，对于刀齿表面使用硬质合金焊接的楔齿刀齿，这种焊接只在齿面上部进行堆焊，下部由于长期的磨损就容易变薄（图2），这样产生的弯曲应力就更容易造成折齿。在施工过程中如果产生单一的刀齿折断，就会造成其他刀齿的受力发生变化，刀齿使用的材料密度较大，折齿后沉在井底的工作面，也容易造成滚刀在工作的过程中造成其他刀齿的损坏。刀齿折断还可能是设计和加工制造缺陷等引起的，直接铸造的齿根部应力集中，焊接钢基合金时焊接不牢固等都会造成刀齿折断。当折断刀齿超过总数的20%，滚刀将失效。
1—堆焊耐磨层;2—刀齿;3—磨损部分;4—刀壳
图2 楔齿磨损示意图
2.1.2刀齿磨损失效。在刀齿工作的过程中由于和岩石的接触会发生磨蚀，随着使用时间的延长，刀齿的磨蚀程度会不断的增加，这就需要在钻进的过程中增加钻压，磨蚀严重的情况下就不能有效的侵入岩石，一般情况下磨损量超过40%时，滚刀的工作效率就会严重受到影响，滚刀将失效。（见下图3）
图3 信湖煤矿风井-楔齿滚刀磨损前后
2.2刀壳失效。滚刀刀壳是支撑刀齿破岩的基体，刀齿按一定规律布置在刀壳上。刀齿破岩时将会把承受的复杂变应力传递给刀壳，这就要求刀壳具有合理的结构、足够的强韧性、耐磨性以防止岩渣的磨蚀。洗井效果不好，岩渣重复破损，容易造成刀壳的磨损;刀壳存在铸造缺陷，长时间工作或出现事故时，如破碎硬岩出现跳钻、蹩钻或井底存在金属落物，都会造成刀壳受冲击作用开裂、掉块失效。[1]
图4 信湖煤矿风井-刀壳破损情况
2.3滚刀刀轴和轴承失效。轴承是刀壳在刀轴上旋转的支撑部件，工作时承受很大的径向及轴向交变载荷，因此要求轴承结构合理，润滑性能良好及能够承受足够动载荷的能力。滾刀轴承由径向和轴向轴承组合而成，轴承承受着冲击荷载，容易造成轴承套、滚柱、刀轴磨损断裂（图5），甚至会产生胶合、破裂，最常见的就是出现疲劳点蚀、浅层剥落（图6），这些都会使滚刀旋转不畅或卡死，造成刀齿偏磨，以致滚刀失效。
2.4滚刀密封失效。滚刀密封常采用金属端面浮动密封，活塞式压差补偿装置组合来实现轴承腔内润滑的密封。
在滚动密封中金属端面浮动密封是滚刀密封的关键因素，密封效果的好坏对轴承的使用寿命有一定的影响。随着钻入深度的不断增加，滚刀的密封压力就会不断的增加，当深度增加到800m时，密封压力就需要增加到8MPa以上，随着断面浮动密封件的接触状态的不断变化，洗井液中磨砺性介质的存在增加密封接触面的磨损，岩粉随洗井液渗入轴承密封内腔，致使腔内轴承快速失效。[2]
图5 刀轴断裂失效 图6 刀轴浅层剥落失效
当刀壳和轴承套轴向窜动时，金属密封端面比压增大，由于摩擦的磨损速率与端面比压近似成比例，摩擦容易失效。顺着刀盘半径方向，边刀和正刀在钻进时受到了所钻地层产生的径向阻力。这个力远远小于钻井钻进方向的推力，对正刀影响相对较小，但对边刀影响相对较大[3]，大端的推力轴承更易磨损，使刀壳和小端轴承套往小端窜动，轴承套的硬度比端面密封环的硬度低，造成小端轴承套的密封面更容易损坏（图7左），泥浆进入密封腔，造成轴承失效（图7右）。小端轴承套密封面失效是滚刀密封中最常见的失效形式之一。
图7 密封失效漏油;泥浆进入密封腔致使小端轴承失效
活塞式压差补偿装置安装在主轴中心孔内，由于中心孔比较细长，加工精度难以保证，泥浆压力波动会使活塞在中心孔内窜动，活塞密封圈容易磨损失效;活塞被高压泥浆压至中心孔底部时，当外侧压力继续增大时，压差补偿装置将不起任何作用，在密封腔内外压差作用下，泥浆从端面密封进入密封腔导致轴承失效。 2.5其它失效形式
2.5.1滚刀联接螺栓失效。在使用的过程中由于受到各种冲击载荷的作用，连接螺栓就容易产生松动，导致滚刀在使用的过程中的轨迹发生变化，严重的情况会造成刀座的脱落，这样就造成滚刀的受力不均产生破坏，因此，在发生螺栓脱落的时要及时停机进行检修。
2.5.2刀座失效。钻井滚刀刀座有马鞍形刀座和罐式刀座。罐式刀座主要是通过法兰盘将滚刀联接在刀盘上，这样滚刀部分就会埋在刀盘面以下，减少了刀盘和井底面的距离，改善刀座的洗井效果和受力情况。马鞍形刀座结构就相对比较简单，当滚刀密封失效后，造成滚动扭矩变大，刀座的弯曲应力就会发生变化，不均匀的应力增加造成马鞍形刀盘与刀座的焊缝开裂、刀座断裂等现象的发生，导致滚刀掉落。
3.改进措施
3.1设计改进。径向滚柱可以采用四或五排结构，其小端的两排轴承完全一致，在滚刀大端的轴承则有两排，也有三排的，如图8所示，两排轴承承载能力虽没有三排轴承承载能力强，但两排轴承在各自的轨道运动更加平稳，其承载能力也能完全满足煤矿破碎软岩和中硬岩的要求。因此要根据岩石的基本特性来选取轴承的结构形式。
a）两排轴承结构 b）三排轴承结构
图8 滚刀大端轴承结构
金属端面浮动密封要求具有良好的密封性能和较高使用寿命。通过选择合理的金属密封环结构，确定合理的摩擦副之间的参数，采用高质量、高精度的密封元件。在金属端面密封副外侧使用L形复合圈或O形圈等辅助旋转密封，可以有效保护金属端面密封。摩擦副跑合时，密封副磨损更严重。当摩擦副跑合完成后干摩擦接触面积减小，润滑油润滑摩擦副，密封效果将得到改善。因此辅助密封可以优先阻止密封腔外介质在摩擦副跑合之前进入密封腔。边刀装在刀盘最外边，起钻进和维持钻孔最大直径的作用。滚刀要有陡的静止角，以保证刀座外侧有足够的间隙[4]。
3.2加工工艺改进。在刀壳铸造的过程中为了满足加工的需要，降低了刀壳的耐磨性和硬度，这就造成在使用过程中楔齿根部容易磨损变薄折断。采用双金属复合料进行铸造，在保证刀壳加工需要的同时，提高了使用性能。
3.3装配工艺改进。为了保证金属浮动密封面的装配质量，要求在装配的过程中用平面镜进行检查，保证密封质量。装配完成后要保证主密封不泄露油，内腔要做油压为10MPa，保压时间为10分钟的耐压试验。
4.结论
4.1在竖井钻机施工過程中造成滚刀失效的原因有很多种，任何一个部件的失效都会在一定程度上加快整体失效的速度。随着施工深度和直径的不断增加，滚刀受力会发生改变，这在一定程度上也增加滚刀失效的概率，影响了钻进的效率。因此，我们在对钻头安装和维护的过程中要对滚刀进行仔细的检测，保证滚刀的使用效果，减少在钻进的过程中各种事故的发生。
4.2通过相关的技术措施对滚刀进行改进，不仅加快了补偿活塞的运行时间，还提高了刀齿和刀壳材料的硬度，对滚刀的耐磨性和密封效果也起到了一定的改善作用。
4.3在钻井的过程中滚刀的参数选择很重要，要根据岩石的特性选择合适的滚刀进行钻进，这样不仅能提升钻进效率，还能在一定程度上降低生产成本。
参考文献：
[1]刘志强，李英全，王承源.竖井钻机破岩滚刀寿命探析[C]
[2]杜成林，孔凡让，胡永乐.硬岩钻井滚刀密封结构改进技术研究[J].
[3]张永成，史基盛，王占军.钻井施工手册[M].
[4]王怀志，孙杰，张永成.龙固煤矿深钻井工程钻头结构设计优化[J].
[5]武士杰，王强，何昊等.破岩滚刀密封失效原因分析与防治[J].
[6]洪伯潜.钻井法凿井技术在我国的发展与应用[J].