牙轮钻头是牙轮钻机工作时进行破碎岩石的工具,它的性能优劣将直接影响钻孔质量、钻孔速度和钻孔成本。牙轮钻头在孔底的运动是非常复杂的,特别是牙轮钻头与岩石的相互作用机理尚未弄清,有必要对牙轮钻头的运动学和动力学进行研究。首先设计了用于牙轮钻头结构参数计算自动化的GUI界面,然后用PRO/E建立牙轮钻头的三维实体模型,并在ADAMS中对其进行运动学仿真,合金柱齿的运动轨迹反映了牙轮钻头对岩石的切削面积和深度,提出了用孔底模式图确定钻孔时最佳轮头速比的方法：以能够覆盖整个孔底为标准；并分析了轮头速比对牙轮钻头破碎岩石方式的影响。在牙轮钻头复合圆柱坐标系中建立牙轮钻头的几何学模型,并在牙轮钻头运动方程的基础上,分析了轴倾角对牙轮钻头运动速度的影响。利用仿真法和运动方程法对牙轮钻头上的同一个特征点的运动速度进行对比分析,验证了仿真法结果的可信性。将钻头上的合金柱齿和岩石视为弹性体,建立了单合金柱齿与孔底岩石的纵向振动接触模型,并利用ANSYS/LS-DYNA对其进行有限元仿真。纵向冲击所产生的巨大碰撞力是产生牙轮钻头异常破坏的一个重要原因；合金柱齿的破坏形式最先从合金柱齿的顶部区域附近开始,然后逐渐扩展到合金柱齿内部,会导致齿顶断裂脱落；对破碎坑进行分析,利用重合率来确定牙轮钻头的最优齿间距。