一、牙轮钻机的工作原理

牙轮钻机钻孔时，依靠加压、回转机构通过钻杆，对钻头提供足够大的轴压力和回转扭矩，牙轮钻头在岩石上同时钻进和回转，对岩石产生静压力和冲击动压力作用。牙轮在孔底滚动中连续地挤压、切削冲击破碎岩石；有一定压力和流量流速的压缩空气，经钻杆内腔从钻头喷嘴喷出，将岩渣从孔底沿钻杆和孔壁的环形空间不断地吹至孔外，直至形成所需孔深的钻孔。

二、牙轮钻机的主要结构特征

1、钻具

牙轮钻机钻具主要有牙轮钻头、钻杆和稳杆器。

1）牙轮钻头。牙轮钻具工作原理：钻机通过钻杆给钻头施加足够大的轴压力和回转扭矩，牙轮钻头转动时，各牙轮又绕自身轴滚动，滚动的方向与钻头转动方向相反。牙轮齿在加压滚动过程中，对岩石产生碾压作用；由于牙轮齿以单齿和双齿交替地接触岩石，当单齿着地时牙轮轴心高，而双齿着地时轴心低，如此反复进行，使岩石受到周期性冲击作用；又由于牙轮的超顶、退轴（3个牙轮的锥顶与钻头中心不重合）、移动（3个牙轮的轴线不交于钻头中心线）和牙轮的复锥形状、使牙轮在孔底工作时还产生一定的滑动，对岩石产生切削作用。因此，牙轮钻头破碎岩石实际上是冲击、碾压和切削的复合作用。

（1）牙轮钻头的分类与基本结构。牙轮钻头按牙轮的数目分，有单牙轮、双牙轮、三牙轮及多牙轮的钻头。单牙轮及双牙轮钻头多用于直径小于150mm的软岩钻进。多牙轮钻头多用于炮孔直径180mm以上岩心钻进，矿山主要使用三牙轮钻头，三牙轮钻头又可分为压缩空气排渣风冷式及储油密封式两种。压气排渣风冷式牙轮钻头（简称压气式钻头）是用压缩空气排除岩渣的。此种钻头使用于露天矿的钻孔作业。通常钻凿炮孔直径为150～445mm，孔深在20m以下。

压气式钻头由3片牙爪及在其轴颈上通过轴承（滚柱、钢球、滑动衬套）装配3个互相配合的牙轮所组成。牙爪尾部螺纹与钻杆相连接。牙轮上镶嵌硬质合金柱齿，起着直接破碎岩石的作用。牙爪借助滚柱、钢球和衬套绕爪轴口转，钻机钻压通过轴承传递给牙齿并作用于岩石。径向负荷主要由轴颈滚柱轴承和衬套承受。滚珠轴承用以支持牙轮，在某些情况下用以承受径向和轴向负荷。钢球由塞销孔装入，并由塞销支持，牙轮衬套两端设有止推面，牙轮内端嵌有止推声，平面止推轴承嵌有减磨柱用以减少平面止推轴承的磨损。

为了减轻牙爪爪尖的磨损，牙爪尖部镶嵌有平顶硬质合金柱或堆焊碳化钨耐磨合金。钻头内腔有气流分配系统。压气通过钻杆输入牙轮钻头体内腔，其中大部分压气由牙爪侧边3个或更换的喷嘴吹至炮孔底，将岩渣由孔壁与钻杆之间的环形空间排至孔外。喷嘴用固定螺钉固定在钻头体上。当压气突然中断供应时，为防止孔底岩渣或水侵入轴承，在喷嘴处设有逆止阀。另一部分压气通过挡渣管、冷却气道进入轴承各部冷却轴承。

储油密封式牙轮钻头是用清水或泥浆排除炮孔内岩渣的。此种钻头使用于石油钻孔、地质勘探钻孔及地下矿山钻孔或配套用于地下天井牙轮钻机。

储油密封钻头与压气式钻头的主要不同之处是：为防止岩渣、泥屑进入钻头轴承内腔，在轴承端部设有径向密封装置。为储存并向轴承腔补充润滑脂，在爪牙上端设有储油囊，润滑脂经由长油孔进入轴承内腔。牙轮钻头钻进时，钻孔内的水或泥浆压力经由压盖上的传压孔作用于储油囊上。油囊中润滑脂不断流入轴承内腔。钻头轴承长时间工作后，其内腔压力增大。为防止因内压过大而破坏密封圈和油囊，在钻头上设有泄压阀。洗井液通过喷嘴形成高速射流，冲刷孔底，排出岩屑。

储油密封轴承有滚动及滑动轴承两种形式。两者不同之处是：密封滑动轴承的大轴承部位用滑动轴承代替了滚柱轴承，增大了轴承工作面，承压面积大，接触疲劳应力小，轴承寿命长。

（2）矿用牙轮钻头系列及其适用岩石。矿用压气式牙轮钻头可分为钢齿及镶齿（硬质合金齿）两种。

钢齿牙轮钻头主要用楔形齿。根据岩石硬软不同，楔形齿的高度、齿数、齿圈、齿圈距等都不同。岩石越硬 ，楔形齿的高度越低，齿数越多，齿圈越密。反之则相反。牙轮外排齿采用“T”形齿或“Π”形齿。

镶齿钻头的齿形有球形齿、楔形齿和锥球齿等。在软岩中使用楔形齿，在中硬岩中使用锥形齿及锥球齿，在硬岩中使用球形齿。随岩石硬度的增加，硬质合金齿的露齿高度减少，齿数增多，齿圈数增多。反之则相反。

2)钻杆和稳杆器。和牙轮钻头配套的钻杆（又称钻管）。

稳杆器是牙轮钻进时防止钻杆及钻头摆动、炮孔歪斜、保护钻机工作构件少出故障和延长钻头寿命的有效工具。国内穿孔实践表明，牙轮钻进必须配备稳杆器。

稳杆器有两种形式：辐条式及滚轮式。

辐条式稳杆器由四根用耐磨材料做成辐条焊在稳杆器上。有时在辐条上镶有硬质合金柱齿。辐条式稳杆器适用于岩石普氏坚固性系数f＜16的中等磨蚀性的矿岩。不宜用于钻凿倾斜炮孔。

滚轮式稳杆器上装有3个滚轮。滚轮表面镶有硬质合金柱齿。由于滚轮摩擦阻力小，故滚轮式稳杆器使用寿命长。适用于岩石硬度高和磨蚀性强的矿岩。特别适用于斜炮孔钻进。

2、钻架

钻架横截面多为敞口“Π”形结构件，4根方钢管组成4个立柱，前立柱内面上焊有齿条，供回转机构提升和加压，外面为回转机构滚轮滑道。钻架内有钻杆储存和链条张紧等装置。

钻架安装在主平台A型架轴孔上，由液压油缸使钻架绕该轴孔转动，实现钻架立起和放倒。

钻架有标准钻架和高钻架两种，高钻架钻孔时，不用接卸钻杆可一次连续钻孔达到炮孔深度要求。

3、回转机构

回转机构带动钻具回转，由主传动通过封闭链条——齿轮齿条实现提升和加压。采用偏心滚轮装置，使回转机构沿钻架的运动为无间隙滚动，且使齿轮与钻架齿条正常啮合。

为防止因链条断裂引起小车坠落设有防坠装置，防坠装置有气缸闸带型和气液增压盘式制动型。

回转机构与钻杆连接采用钻杆连接器。现多采用减震器，可以吸收钻孔时钻杆的轴向和径向振动，使钻机工作平衡，提高钻头寿命。

回转减速器，均为二级齿传动，{dy}轴有悬臂式和简支式结构，简支式改善了轴的受力和齿轮接触情况，减少故障。空心主轴上下部推力轴承分别承受提升时的提升力和加压时轴压力，多轴承的空心主轴增加了径向定心，并承受由于钻杆的冲击和偏摆引起较大的径向载荷，改善了推力轴承的受力。双电动机传动的回转减速器，两个二轴齿对称地与空心主轴齿轮啮合，加强了空心主轴的径向稳定和受力状况。

4、主传动机构

主传动机构作用是驱动钻具的提升-加压及钻机行走，提升与行走由同一台电动机驱动，加压有液压马达和直流或交流电动机两种方式，各动作间实现安全联锁。

主传动机构的安装有固定和悬挂式，如YZ-55型牙轮钻机主传动减速机悬挂在主平台A型架上，悬挂中心与钻架起落转动中心在同一轴线上。

5、行走机构

行走机构完成钻机远距离行走和转换孔位，由主传动机构减速后，通过三级链条传动驱动履带行走；钻机直行和拐弯，通过控制左右气胎离合器完成。

行走机构与主平台的连接是通过刚性后轴上两点及均衡梁上一点铰接，成为三点铰接式连接，使钻机在不平地面行走时钻机上部始终处于水平状态。

6、排渣系统

牙轮钻机采用压气排渣，压缩空气通过主风管、回转中空轴、钻杆、稳杆器、钻头向孔底喷射，将岩渣沿钻杆与炮孔壁间的环形空间吹出孔外。

空气压缩机有两种型式：螺杆式和滑片式。

7、除尘系统

用于处理钻孔排出的含尘空气。

1）干式除尘。利用孔口沉降、旋风除尘和脉冲布袋除尘三级除尘。

2）湿式除尘。通常利用辅助空气压缩机压气进入水箱的双筒水罐内压气排水，与主风管排渣压气混合形成水雾压气，将岩渣中尘灰润湿后，随大颗粒排出孔外。也可用水箱中潜水泵向主风管排水方式，达到除尘目的。

8、液压系统

液压系统操作油缸和液压马达，完成钻架起落、接卸钻杆、液压加压、收入调平千斤顶等动作。液压系统有手动拉杆滑阀和电液控制滑阀两种，前者手感性强，后者动作反应快。

9、气控系统

用于操作控制回转机构提升制动、提升-加压离合、行走气胎离合、钻杆架钩锁、压气除尘、自动润滑等作用，它由一台0.8m3/min,0.1MPa的活塞式空气压缩机供气。

10、干油润滑系统

钻机集中自动润滑系统由泵站、供油管路和注油器组成，润滑时间和润滑周期可自动控制，并设有手动强制润滑按钮。

11、动力及配置

牙轮钻机动力与机构配置有多种形式。

集中驱动的电动或柴油机全液压牙轮钻机，需带动空气压缩机和分配齿轮箱油泵，油泵驱动液压马达、油缸、控制阀等。

牙轮钻机自带变压器，一般为3kV、6kV、和10kV供电，小型钻机也可由380V电源直接供电，钻机可配带电缆卷筒。

直流电动机多采用可控硅供电无级调速，交流电动机变频无级调速。

钻机自动化控制，如微机控制参数自动参数调节、自动润滑、故障显示等。