在煤礦鉆井中，牙輪鉆頭能適應(yīng)各種地層的鉆井，是主要的破巖工具之一。牙輪鉆頭在礦井工作時的運動狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。國內(nèi)外對牙輪鉆頭的工作原理,論研究或?qū)嶒炑芯糠矫娑甲髁舜罅康墓ぷ鳎@些研究成果為鉆頭的設(shè)計使用提供了依據(jù)。

三牙輪鉆頭在礦井的運動，決定牙輪與牙齒的運動，也就直接決定牙齒對地層巖石的破碎作用。因此，在了解鉆頭破碎巖石的工作原理之前，首先應(yīng)了解鉆頭在礦井的運動。

1.鉆頭的公轉(zhuǎn)

鉆頭牙輪繞鉆頭軸線作順時針方向旋轉(zhuǎn)的運動簡稱為鉆頭的公轉(zhuǎn)。鉆頭公轉(zhuǎn)的速度就是轉(zhuǎn)盤或井下動力鉆具的旋轉(zhuǎn)速度。鉆頭公轉(zhuǎn)時，牙輪繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)，牙輪上各排牙齒繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)的線速度不同，外排齒的線速度最大。

2.鉆頭的自轉(zhuǎn)

鉆頭旋轉(zhuǎn)時，沿著從牙輪底平面到牙輪尖部的方向看，牙輪繞自身的軸線作反時針方向的旋轉(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。牙輪的轉(zhuǎn)動是巖石對牙齒的吃入破碎作用產(chǎn)生反作用的結(jié)果。牙輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的影響因素有公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、鉆頭結(jié)構(gòu)、齒面結(jié)構(gòu)、鉆井參數(shù)和巖石性質(zhì)等。一般情況下，牙輪自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速比鉆頭公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速快。把牙輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與鉆頭公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之比稱為輪頭比，輪頭比的值一般在1-1.5之間。

3.鉆頭的縱振(軸向振動)

鉆頭工作時，對一個牙輪而言，牙齒與井底的接觸是單齒、雙齒交替進(jìn)行的。單齒著地時，牙輪的輪心處于最高位置，雙齒著地時那么輪心下降。牙輪在轉(zhuǎn)動過程中，輪心位置不斷上下變換，使鉆頭沿軸向作上下往復(fù)運動，這就是鉆頭的軸向振動。縱振振幅就是輪心的垂直位移，它與牙齒的齒高、齒距等鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)及巖性有關(guān)。在軟地層，牙齒吃入深、振幅小，硬地層那么振動加劇。振動的頻率與牙輪齒數(shù)及牙輪轉(zhuǎn)速成正比。在旋轉(zhuǎn)鉆井中，鉆頭縱振頻率一般為100一500次/min。

止匕外，由于井底不平，鉆頭產(chǎn)生振幅較大的低頻振動。據(jù)國外資料介紹，低頻振動的振幅就是井底凹凸局部的高差,一般為10mm左右，頻率低于50次/min。低頻縱振對鉆頭是不利的因素，在硬地層中會造成跳鉆。牙輪鉆頭的縱振是上述兩種振動之和，它構(gòu)成了牙齒的沖擊壓入作用，破碎巖石，提高破碎效率。

4.橫向振動

所謂橫向振動，就是沿著垂直于鉆頭軸線方向的振動。造成鉆頭橫向振動的因素很多，包括鉆頭與巖石互作用、鉆柱的彎曲變形，鉆柱的偏心旋轉(zhuǎn)，鉆柱質(zhì)量分布不均勻、地層傾角以及井底巖石性質(zhì)差異等等。鉆頭的橫向振動對鉆柱的橫向振動有直接的影響，也是造成鉆頭失效的重要原因。

5.扭轉(zhuǎn)振動

鉆頭的周期性運動導(dǎo)致扭矩成周期性變化，引起鉆頭周期性的扭轉(zhuǎn)振動。鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動主要由鉆頭的粘滑運動造成的，即鉆頭旋轉(zhuǎn)速度變化很大,在某一瞬時鉆頭可能靜止不動，過一段時間后便以數(shù)倍于平均轉(zhuǎn)速的速度旋轉(zhuǎn)，這樣就會引起鉆頭的失效，也可能引起鉆柱的早期疲勞破壞。因此應(yīng)盡量防止鉆頭出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

6,牙輪的滑動

破碎不同類型巖石，對鉆頭要求不同的滑動量，可通過設(shè)計鉆頭時采用不同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)獲得。對于一個牙輪而言，不同位置的齒排的滑動方向是不同的。外排齒及靠近外排齒的齒排，一般是正向滑動(假設(shè)鉆頭旋轉(zhuǎn),而牙輪不自轉(zhuǎn)時，牙齒在井底的滑動就是正向滑動):牙輪尖部的齒排及靠近牙輪尖部的齒排一般是負(fù)向滑動;而在外排齒與尖部齒排之間的某個中間齒排或虛擬齒排做純滾動o一般情況下，軟地層鉆頭應(yīng)具有較大的滑動量，硬地層鉆頭應(yīng)盡量減少或不產(chǎn)生滑動，防止牙齒早期損壞。但是，由于鉆頭工作時，牙輪與牙掌軸頸的相對運動總是存在摩擦阻力等原因，即使設(shè)計的是純滾動鉆頭,實際鉆進(jìn)中仍然存在著滑動。對純滾動鉆頭作室內(nèi)模擬試驗，發(fā)現(xiàn)約有20%的滑動量。上述幾種運動是牙輪鉆頭在井下工作時同時發(fā)生的復(fù)合運動。實際鉆進(jìn)時，還有整個鉆頭的向下運動，其向下運動的速度就是鉆頭鉆進(jìn)的機械鉆速。