CN100366862C - 钻孔工具总成的设计方法 - Google Patents

Abstract

钻孔工具总成包括一外壳和一沿轴向伸入外壳的心轴以及一用来在外壳与心轴向传递轴向载荷并使外壳可相对心轴、围绕心轴转动的轴承系统，其中轴承系统包括至少两个轴承级，对每个轴承级加以配置以便传递部分轴向载荷，每个轴承级包括轴承装置与缓和装置，用来将载荷基本上成比例地分布在相应的轴承级上。

Description

钻孔工具总成的设计方法

技术领域

本发明涉及一种钻孔工具总成，特别是供烃井钻孔用的钻孔工具总成，包括一外壳和一沿轴向伸入外壳的心轴以及一用来在外壳与心轴间传递轴向载荷并使外壳可相对、围绕心轴转动的轴承系统，其中轴承系统包括至少两个轴承级，对每个加以配置以便传递部分轴向载荷，且每个轴承级都包括轴承装置。

此外，本发明涉及一种供这类钻孔工具总成用的轴承系统以及一种设计这类钻孔工具总成的方法。

背景技术

在油井钻孔和完井操作中采用形状为管状钻柱的钻孔工具总成。这些钻柱可包括各种类型、尺寸的管状件如钻杆、重型钻杆、钻铤、衬管、套管和管。这些件可以以各种配置加以采用。

这些钻柱因钻柱重量和与井眼壁的摩擦而承受机械拉压。如果需使钻柱一部独立于钻柱其余部分转动，就需要一轴承总成。这类轴承总成承受与钻柱中周围管件相同的拉压载荷。

在这类应用中，轴承总成通常是设置在可以利用的环状空间中的，此空间处于起心轴作用的一个钻柱件的管端与起外壳作用的另一钻柱件的管端之间。

心轴断面与外壳断面常因实用要求而受到限制。例如，供井眼用管的最大断面受到下述需要的限制，即在井眼与管间需有一环状空间使含钻孔切屑的钻孔流体可畅流。最小断面可能受下述需要的限制，即需使钻孔流体可畅流或使得给定尺寸物体如胶结塞(cementationplugs)或钢丝绳配置工具能通过。此外，为了提供足够的强度，对心轴与外壳的最小壁厚也有要求。

这些要求限制了在环状空间中安装轴承总成的可用空间。装在可用空间中的单一轴承级可能强度不够，无法承受钻孔工具总成所承受的载荷。因此，已建议采用具有多个轴承级对之加以配置以便传递部分彼此平行的轴向载荷的轴承系统。

实际上，各轴承级分别被配置在环状空间中，相对彼此有一轴向位移，使它们在将轴向载荷从外壳传递到心轴时彼此平行地起作用。

业已发现，在轴承系统的每个轴承级能在失效前传递一定最大静载的地方，轴承系列就已经在一静载下失效，此静载显著低于提及的每个轴承级最大载荷乘以系列中的轴承级数。况且，在转动条件下，系统的工作寿命显著低于由单个轴承的指明的工作寿命预期的值。

发明内容

这样，本发明的一个目的就是要提高钻孔工具总成特别是轴承系统的最大允许载荷。

本发明的另一目的是提供一种钻孔工具总成和一种供这类钻孔工具总成用轴承系统，它们具有更长的工作寿命。

本发明一个或一个以上目的是通过一种钻孔工具总成而实现的，该总成包括一外壳和一沿轴向伸入外壳的心轴以及一用来在外壳与心轴间传递轴向载荷并使外壳可相对、围绕心轴转动的轴承系统，其中轴承系统包括至少两个轴承级，对每个加以配置以便传递部分轴向载荷，每个轴承级包括用来将载荷基本上成比例地分布在各轴承级上的缓和装置与轴承装置。

本发明是建立在下述认识基础上的，即实际上心轴与外壳每个都相当于具有一定机械刚度的可弹性变形的构件。为了描述本发明，实体机械刚度被定义为在一定长度上通过一构件传递的力与该长度的增量或减量之比。为避心轴、外壳和轴承的弹性行为所致载荷在各级轴承上分布不均，采用缓和装置使载荷基本上成比例分布在各轴承级上。由此基本上避免了某些轴承级承载超过其最大允许载荷，而系列中其他轴承级还能承受再多一些的载荷。

对本专利申请来说，总载荷在各级轴承上基本成比例的分布被理解成包括一种分布，即作用在承受总载荷最大部分的轴承级上的载荷不超过1.5倍平均载荷，平均载荷为总载荷除以轴承系统中轴承级数。可取的是它不超过1.3倍平均载荷，更为可取的是它不超过1.1倍平均载荷。

为了避免在一个轴承级上过早超过最大载荷，以下是充分的，即只有当作用在一个或一个以上轴承级上的载荷达到最大允许载荷时，才配置缓和装置将载荷基本成比例地分布在相应轴承级上。

既然只要有一个轴承级失效整个轴承系统就失效，同时工作寿命也因载荷从载荷最重的轴承级缓解而得到延长。

在一个实施例中，缓和装置包括加以配置以便与相应的轴承装置串联传递至少部轴向载荷的可变形装置。可变形装置在一载荷下变形，这样超合理承载的轴承级中的载荷就部分减轻，化为了变形装置的变形，结果就迫使剩余轴承级承受相对更大部分的载荷。

可变形装置可包括流体互通的柔性的流体波纹管网，每个轴承级包括这样一个柔性流体波纹管。换个办法，可变形装置可由可弹性和塑性变形的组合材料或由基本上为可弹性变形材料制成。

具有可弹性变形或可弹性和塑性变形的缓和装置的好处在于可抵靠轴承装置使缓和装置弹性偏置，从而轴承装置在包括与最大允许载荷相比为中高载荷的载荷范围内保持有效。同样当中高载荷大体成比例分布在各轴承级上时，轴承装置上的磨损在相应轴承级上的分布就更均匀，这样整个轴承系统的总体寿命就进一步提高。

更为可取的是，在至少一级轴承中变形装置的机械刚度低于外壳的刚度和由该级搭接的心轴的刚度。外壳与心轴弹性性能间的不相容由此可适当补偿。

理想的是，如果每个轴承级的机械刚度低于外壳的机械刚度并低于心轴的机械刚度，系统中每个轴承级至少低2至2.5倍左右，则轴向载荷最易于成比例分布在可用轴承级上。然而这样整个轴承系统要求的轴向长度较长，通常这不易办到也是不希望的。

因此更可取的是，在一个轴承级中可变形装置的机械刚度在大小上不同于其他轴承级中可变形装置的刚度。由此由每个轴承级传递的轴向载荷就可重新如意地分布在各轴承级上，因为由机械刚度较低的轴承级承载的相对轴向载荷低于具有与其他轴承级相等的机械刚度的轴承级承载的轴向载荷。这样，通过在要不然就会负担最重的轴承级中提供最低的机械刚度，载荷在各轴承级上的分布就更为均衡。

由此就减小了轴承系统所需的轴向长度。实际上，在各轴承级中机械刚度可高于外壳和/或心轴的刚度的十分之一。

优选地，在轴承级之间延伸的外壳的机械刚度与在轴承级间延伸的心轴的机械刚度的比值大于1/3并且小于3。

依照本发明的第二方面，提供了一种供钻孔工具总成特别是油田工具总成用的轴承系统，用于在外壳与沿轴向伸入外壳的心轴间传递轴向载荷并使外壳可相对心轴并围绕心轴转动，该轴承系统包括至少两个轴承级，对每个加以配置以便传递部分轴向载荷，每个轴承级包括轴承装置与缓和装置，用来将载荷基本上成比例地分布在相应的轴承级上。

依照本发明此轴承系统的优点和另外一些实施例已在有关上述孔工具总成的描述中加以介绍。

依照本发明的第三方面，提供了一种根据以上所述设计钻孔工具总成的方法，该方法包括以下步骤：

a)选择适合一个轴承级的第一轴承级刚度；

b)对于延伸在各轴承级间的外壳的各部分的选定刚度值和延伸在各轴承级间的心轴的各部分的选定刚度值，计算适合第二轴承级刚度的值，从而使轴向载荷成比例地分布在相应轴承级上，这里将选定的第一轴承级刚度值用作输入。

用此方法，就可避免对实验性模型进行麻烦而耗时的经验试凑的惯例。

此法可为生产钻孔工具总成的方法的一部分，其中根据计算，包括各轴承级的轴承系统以及心轴、外壳得以选择、装配。

特别是在心轴与外壳二者具有沿各轴承级不变的机械刚度的场合，适合剩余轴承级的机械刚度所需的值被便利地以第一轴承级刚度与外壳刚度之间的刚度比以及第一轴承级刚度与心轴刚度之间的刚度比来表达。

附图说明

下面将参考附图通过举例进一步详述本发明，在附图中：

图1示意地示出一钻孔工具总成的横剖视图；

图2为图1所示钻孔工具总成的处于拉伸(a部)与压缩(b部)状态下的一种弹性结构模型。

图中类似参考符号针对类似构件。

具体实施方式

参考图1，以横剖视图示意性地示出了钻孔工具总成1。钻孔工具总成包括一外壳2和一管状心轴3，心轴3轴向伸入外壳2中，在心轴3与外壳2之间留下一环状空间。数个轴承级(8，9)被设置在环状空间内，由此，每个轴承级一端连至心轴另一端连至外壳。对轴承级8加以配置以便彼此平行地传递心轴3与外壳2间的轴向拉力；对轴承级9加以配置以便传递外壳2与心轴3间的压缩力。

仍参考图1，轴承级(8，9)每级包括轴承装置(4，6)与缓和装置(5，7)。轴承种类不限，可以是滚柱轴承、滚珠轴承、球面滚柱轴承、锥形滚柱轴承、截头圆锥体滚柱轴承。优先选用相对外壳2与心轴3的转轴沿径向配置的细长轴承，因为这种轴承中的载荷是在轴承表面的较大部分上分布的。缓和装置可以任何可变形材料如塑料或橡胶一类材料的形式或以压簧如环形盘簧的形式加以设置。如所示，缓和装置被设置以便与该级中的相应轴承装置串联来传递每个轴承级中的负载。

通过与轴承装置串联设置可变形材料，轴承级的机械刚度相对轴承装置本身的机械刚度有所降低，通过向一个轴承级提供较低的机械刚度使在可用轴承级上的分布可控。如果没有缓和装置该轴承级将承受比合理载荷高的载荷。该机械刚度比这样一个轴承级的刚度低，即如果没有缓和装置，该轴承级将承受比合理载荷低的载荷。

图1所示钻孔工具总成具有含四个轴承级的轴承系统。业已发现，在用于典型的烃井眼时，四个轴承级可提供总成强度、可靠性、寿命、尺寸之间的最佳搭配。但不难看出，轴承级数可以改变成最小值为2的任何数。

下面参照一种数学方法进一步阐明按本发明设计钻孔工具总成的方法。数学方法普遍适用于数量任意并用n表示的轴承级。要提及的是，下面讨论的数学方法的结果对拉升和压缩载荷均适用，也适用于使连续的可变形装置彼此对着预紧的场合。

图2示出图1所示钻孔工具总成的一个弹性结构模型，图2a对应钻孔工具承受拉载，图2b对应钻井工具承受压载。每个轴承级用序数k编号，k＝1，2，...，n。序数k＝1指该处全部载荷(拉或压)作用在心轴中的第一轴承级，指数k＝n指该处全部载荷(拉或压)作用在外壳中的最后轴承级。

外壳和心轴可由具有例如不同长度或不同断面面积的不同区段构成。每个这类区段用序数i表示。区段总数为2n。每个这类区段有一机械刚度，该刚度被定义为经具有一定长度的区段传递的力与该长度的增量或减量的比值。沿外壳相应区段的刚度值用K_hi表示，i＝1，2，...，2n。沿心轴相应区段的刚度值用K_mi表示，i＝1，2，......，2n。

沿心轴与外壳区段间标记点的位移由U_j给出，j＝1，2，3，......，(4n+2)。偶数j对应于外壳上的点，奇数j对应于心轴上的点。

一定区段(i号)的心轴刚度K_mi和外壳刚度K_hi可用下列方程式基于断面尺寸和材料性能加以计算：

$K_{\mathrm{hi}}=\frac{A_{\mathrm{hi}}{E}_h}{L_i},$

$K_{\mathrm{mi}}=\frac{A_{\mathrm{mi}}{E}_m}{L_i}$

其中

A_hi为外壳区段i的断面面积[m²]；

A_mi为心轴区段i的断面面积[m²]；

L_i为外壳或心轴区段i的长度[m]；

E_h为外壳材料的弹性模量[N/m²]；

E_m为心轴材料的弹性模量[N/m²]。

轴承级刚度K₁，K₂，......，K_n对应于轴承与可变形装置在轴承级k中串联起来的组合刚度，此例中可变形装置系以弹簧的形式表示。

其中K_轴承，k和K_弹簧，k分别为第k轴承级的轴承刚度和弹簧刚度。

一个任务就是要找到各弹簧刚度K_弹簧，k的值，以便将心轴与外壳间传递的轴向总力F被比例分布在可用的轴承级上。换言之，每个轴承级传递的力F_k理想状况下须为总力的1/n即 $F_k=\frac{1}{n}F.$

如力已成比例分布，沿心轴的位移U_j(见图2)就成为：

U₁＝0.(用作基准)

$U_3=\frac{F}{K_{m1}},$

$U_5=U_3+\frac{n-1}{n}\frac{F}{K_{m2}}=U_3+\frac{1}{n}\left[(n-1)\left(\frac{1}{K_{m2}}\right)\right]F,$

$U_7=U_5+\frac{F}{K_{m3}}=U_3+\frac{1}{n}\left[(n-1)(\frac{1}{K_{m2}}+\frac{1}{K_{m3}})\right]F,$

$U_9=U_7+(1-\frac{2}{n})\frac{F}{K_{m4}}=U_3+\frac{1}{n}[(n-1)(\frac{1}{K_{m2}}+\frac{1}{K_{m3}})+(n-2)\left(\frac{1}{K_{m4}}\right)]F,$

$U_{11}=U_9+(1-\frac{2}{n})\frac{F}{K_{m5}}=U_3+\frac{1}{n}[(n-1)(\frac{1}{K_{m2}}+\frac{1}{K_{m3}})+(n-2)(\frac{1}{K_{m4}}+\frac{1}{K_{m5}})]F,$

$U_{13}=U_{11}+(1-\frac{3}{n})\frac{F}{K_{m6}}=U_3+\frac{1}{n}[(n-1)(\frac{1}{K_{m2}}+\frac{1}{K_{m3}})+(n-2)(\frac{1}{K_{m4}}+\frac{1}{K_{m5}})+(n-3)\left(\frac{1}{K_{m6}}\right)]F,$

$U_{15}=U_{13}+(1-\frac{3}{n})\frac{F}{K_{m7}}=U_3+\frac{1}{n}[(n-1)(\frac{1}{K_{m2}}+\frac{1}{K_{m3}})+(n-2)(\frac{1}{K_{m4}}+\frac{1}{K_{m5}})+(n-3)(\frac{1}{K_{m6}}+\frac{1}{K_{m7}})]F,$

等等。

选择第一轴承级刚度值K₁。通常，轴承装置的刚度有一给定值，通过适当选择具有适当刚度值的缓和装置来获得选定轴承级的刚度。可基于强度考虑来选择适当的轴承级刚度。在力成比例分布的期望情况下，沿外壳的位移U_j可用K₁表示：

$U_2=U_3+\frac{1}{K_1}\frac{F}{n},$

$U_4=U_2+\frac{1}{n}\frac{F}{K_{h1}}=U_3+\frac{1}{n}[\frac{1}{K_1}+\frac{1}{K_{h1}}]F,$

$U_6=U_4+\frac{1}{n}\frac{F}{K_{h2}}=U_3+\frac{1}{n}[\frac{1}{K_1}+\frac{1}{K_{h1}}+\frac{1}{K_{h2}}]F,$

$U_8=U_6+\frac{2}{n}\frac{F}{K_{h3}}=U_3+\frac{1}{n}[\frac{1}{K_1}+\frac{1}{K_{h1}}+\frac{1}{K_{h2}}+\frac{2}{K_{h3}}]F,$

$U_{10}=U_8+\frac{3}{n}\frac{F}{K_{h4}}=U_3+\frac{1}{n}[\frac{1}{K_1}+\frac{1}{K_{h1}}+\frac{1}{K_{h2}}+\frac{2}{K_{h3}}+\frac{2}{K_{h4}}]F,$

$U_{12}=U_{10}+\frac{3}{n}\frac{F}{K_{h5}}=U_3+\frac{1}{n}[\frac{1}{K_1}+\frac{1}{K_{h1}}+\frac{1}{K_{h2}}+\frac{2}{K_{h3}}+\frac{2}{K_{h4}}+\frac{3}{K_{h5}}]F,$

$U_{14}=U_{12}+\frac{3}{n}\frac{F}{K_{h6}}=U_3+\frac{1}{n}[\frac{1}{K_1}+\frac{1}{K_{h1}}+\frac{1}{K_{h2}}+\frac{2}{K_{h3}}+\frac{2}{K_{h4}}+\frac{3}{K_{h5}}+\frac{3}{K_{h6}}]F,$

等等。

选好了刚度值K₁以后，适合其余轴承级刚度的最佳值K₂，K₃，......，K_n就可用数学方式解出，以使力均匀分布。其法如下。为使第二轴承级刚度成为最佳，应保持：

$F_2=K_2(U_8-U_7)\≡\frac{1}{n}F,$

$F_3=K_3(U_{10}-U_{11})\≡\frac{1}{n}F$

$F_4=K_4(U_{14}-U_{15})\≡\frac{1}{n}F,$

等等

用上面给出的表达式代替沿心轴(奇数j)和外壳(偶数j)的移位U_j时，轴承级最佳刚度比K_k/K₁，k＝2，3，......，n，这就得到：

$\frac{K_2}{K_1}={[1+(\frac{K_1}{K_{h1}}+\frac{K_1}{K_{h2}})-(n-1)(\frac{K_1}{K_{m2}}+\frac{K_1}{K_{m3}})]}^{-1},$

$\frac{K_3}{K_1}={[1+(\frac{K_1}{K_{h1}}+\frac{K_1}{K_{h2}})+2(\frac{K_1}{K_{h3}}+\frac{K_1}{K_{h4}})-(n-1)(\frac{K_1}{K_{m2}}+\frac{K_1}{K_{m3}})-(n-2)(\frac{K_1}{K_{m4}}+\frac{K_1}{K_{m5}})]}^{-1},$

$\frac{K_4}{K_1}={\left[\begin{array}{c}1+(\frac{K_1}{K_{h1}}+\frac{K_1}{K_{h2}})+2(\frac{K_1}{K_{h3}}+\frac{K_1}{K_{h4}})+3(\frac{K_1}{K_{h5}}+\frac{K_1}{K_{h6}})...\\ \·\·\·-(n-1)(\frac{K_1}{K_{m2}}+\frac{K_1}{K_{m3}})-(n-2)(\frac{K_1}{K_{m4}}+\frac{K_1}{K_{m5}})-(n-3)(\frac{K_1}{K_{m6}}+\frac{K_1}{K_{m7}})\end{array}\right]}^{-1},$

等等。

这些方程式适用于每个区段i外壳和心轴中刚度值可有所不同的普适情况。但对恐怕更为现实的情况，即外壳和心轴刚度沿各区段不变，也即设对心轴而言K_m1＝K_m2＝...＝K_mn≡K_m，对外壳而言K_h1＝K_h2＝...＝K_hn≡K_h，方程式就可大大简化。如此最佳轴承级刚度就由下式给出：

$\frac{K_k}{K_1}={[1+A_k\frac{K_1}{K_h}+B_k\frac{K_1}{K_m}]}^{-1}.$

A_k＝k(k-1)

B_k＝(k-1)(k-2n)

可见，使力成比例分布在可用轴承级上的最佳刚度比K_k/K₁仅取决于比值K₁/K_h与K₁/K_m。第一轴承级刚度选得较低时，这些最佳刚度的差就减小。

要提到的是，实体刚度，包括K_h、K_m、K₁、K_k，是以每单位距离力[N/m]的量纲给出的。因数A_k和B_k以及序数则是无量纲的。

就轴承系统中每个轴承级而言，如果每个轴承级中可变形缓和装置的机械刚度低于外壳的机械刚度或心轴的机械刚度(两者中不论哪一个是最小者)2至2.5倍，那么轴向载荷就最易于成比例分布在可用轴承级上，因为不同轴承级刚度间的比趋于一致。

但由于实际应用中受到尺寸和强度要求一类限制，每个轴承级中可变形缓和装置的机械刚度处于比外壳或心轴刚度值低者、每个轴承级要低0.25至2.5倍的某个地方。如此，使力更成比例地分布在可用的轴承级上，可通过使相应轴承级刚度最佳化来获得。更为可取的是，由此不致使一单个轴承级承担载荷显著大于总载荷的一定比例，举例来说至多1.5×F/n。

一个轴承系统设有两个轴承级且沿心轴与外壳刚度不变，则对具有这种轴承系统的钻孔工具总成来说，为使力成比例分布在两个轴承级上而选取的与K₁匹配的最佳刚度K₂就由下式给出：

$\frac{K_2}{K_1}={[1+2\frac{K_1}{K_h}-2\frac{K_1}{K_m}]}^{-1}$

对于其轴承系统设有三个轴承级且沿主轴和外壳刚度不变的钻孔工具总成，最佳刚度K₂和K₃为：

$\frac{K_2}{K_1}={[1+2\frac{K_1}{K_h}-4\frac{K_1}{K_m}]}^{-1}.$

$\frac{K_3}{K_1}={[1+6\frac{K_1}{K_h}-6\frac{K_1}{K_m}]}^{-1}$

至于其轴承系统设有四个轴承级且沿心轴和外壳刚度不变的钻孔工具总成，最佳刚度K₂、K₃和K₄为：

$\frac{K_2}{K_1}={[1+2\frac{K_1}{K_h}-6\frac{K_1}{K_m}]}^{-1}.$

$\frac{K_3}{K_1}={[1+6\frac{K_1}{K_h}-10\frac{K_1}{K_m}]}^{-1},$

$\frac{K_4}{K_1}={[1+12\frac{K_1}{K_h}-12\frac{K_1}{K_m}]}^{-1}$

在以上说明中业已设想，机械刚度与载荷的关系呈线性。若一个构件对一载荷的机械响应是非线性的，就应根据所出现的载荷确定该机构的机械刚度，是否轴承系统总设计载荷在各级轴承上充分成比例分配。

应该理解的是，弹簧的可用性这类实际限制可导致一种设计，其中外壳/心轴的某些区段长度L_i需比其他的长，以便获得理想的轴承级刚度。那么，上面给出的方程式必须适应该特定情况。

示例

设想一油井钻具能传递2000kN拉压载荷。需将总力平均分布在n＝4个轴承级上。这样就不过早超过任何轴承的静载强度，轴承系统的工作寿命也得到改善。钻具基于一圆柱形心轴和一圆形外壳。

设计的功能要求对心轴和外壳的尺寸特别是断面面积有限制。心轴和外壳用钢制成，弹性模量为E_m＝E_h＝2.1×10⁵N/mm²。外壳外径被限制为最大181mm。柱形心轴内径被限制为最小63.5mm。

采用了推力轴承，其内(轴)径为110mm，外(套)径为145mm，轴向长度为25mm。由轴承厂商获知，所有轴承的刚度为K_轴承＝4.11×10⁶N/mm，它被定义为加到轴承上的轴向力与加到轴承上的轴向力引起的轴承的轴向缩短量之比。沿心轴各区段的心轴外径为100mm，这样就可使轴承适配和在工具中定心。沿外壳各区段的外壳内径为150mm。轴承、弹簧以及连接到心轴和外壳的固定件/接头所需要的沿外壳和心轴的区段长度(L₁，L₂，L₃等)为75mm。

为了使每个轴承级能传递载荷500kN，设置了一盘簧，其厚度为20mm，刚度为

K_弹簧＝1.35×10⁶N/mm。

沿外壳每75mm区段的刚度K_h由下式给出：

$K_h=\frac{E_h{A}_h}{L}.$

$=\frac{2.1\×{10}^5\×\frac{\mathrm{\π}}{4}({181}^2-{150}^2)}{75}=22.6\×{10}^{6}N/\mathrm{mm}$

沿心轴每75mm区段的刚度K_m由下式给出：

$K_m=\frac{E_m{A}_m}{L}$

$=\frac{2.1\×{10}^5\×\frac{\mathrm{\π}}{4}({100}^2-{63.5}^2)}{75}=13.1\×{10}^{6}N/\mathrm{mm}$

在第一轴承级处，二盘簧是串联安装的，这更接近于使刚度减半。在第一轴承级串联的轴承和二簧的组合刚度K₁由下式给出：

$=\frac{\frac{1}{2}\×1.35\×{10}^6\×4.11\×{10}^6}{\frac{1}{2}\×1.35\×{10}^6+4.11\×{10}^6}=0.58\×{10}^{6}N/\mathrm{mm}$

从而使相关刚度比K₁/K_h和K₁/K_m成为：

$\frac{K_1}{K_h}=\frac{0.58\×{10}^6}{22.6\×{10}^6}=0.025,$

$\frac{K_1}{K_m}=\frac{0.58\×{10}^6}{13.1\×{10}^6}=0.044$

利用这些值，可对其他轴承级的刚度比进行计算，以使载荷被成比例地分布在所有轴承级上：

$\frac{K_2}{K_1}={[1+2\frac{K_1}{K_h}-6\frac{K_1}{K_m}]}^{-1}={[1+2\×0.025-6\×0.044]}^{-1}=1.27\⇒K_2=1.27K_1$

$\frac{K_3}{K_1}={[1+6\frac{K_1}{K_h}-10\frac{K_1}{K_m}]}^{-1}={[1+6\×0.025-10\×0.044]}^{-1}=1.16\⇒K_3=1.16K_1$

$\frac{K_4}{K_1}={[1+12\frac{K_1}{K_h}-12\frac{K_1}{K_m}]}^{-1}={[1+12\×0.025-12\×0.044]}^{-1}=1.29\⇒K_4=1.29K_1$

通过安装与各轴承串联的比第一级更硬的弹簧，则可以获得更高轴承级刚度的值。适用于轴承级k(二簧串联)处组合刚度K_k的关系可重新表达如下：

此时轴承级2，3，4所需的弹簧刚度值为：

在此实例中，最佳刚度值的差别比较小。这是因为，通过设计，心轴与外壳的断面面积仅差2倍左右，这是更为可取的。此外，取二簧串联于引一轴承级，可使两个重要比值K₁/K_m和K₁/K_h受到限制。选用其他设计，最佳弹簧刚度值的差别是可以显著增大的。

对于某些应用，例如以上所述，设置的心轴优先选用管状。尽管如此，采用实心轴甚至采用非圆断面如方断面的外壳和/或心轴，本发明也是有效的。

显然，此处所述轴承系统除用于钻孔工具总成外，还可有益地用于其他技术领域，在那里欲使相当大的轴向载荷从外壳可转动地传递到心轴或轴，或反向传递。这些领域的例子包括在汽车特别是重型卡车中的应用、机车、海船驱动轴。这也是所述钻孔工具总成设计方法的变型。

未公布的02080230号欧洲专利申请为本申请的优先申请并在此纳入备考，它详述了一用于井眼系统的实施例，本发明钻孔工具总成可在其中有益地得到体现。

Claims (5)

1.一种设计钻孔工具总成的方法，所述钻孔工具总成包括一外壳和一沿轴向伸入该外壳的心轴以及一用来传递该外壳与心轴之间的轴向载荷并使该外壳可相对该心轴、围绕该心轴转动的轴承系统，其中该轴承系统包括至少两个轴承级，每个轴承级被设置成能传递所述轴向载荷的一部分，每个轴承级都包括用来将载荷成比例地分布在相应轴承级上的缓和装置与轴承装置，其中所述缓和装置包括具有一机械刚度的可变形装置，所述可变形装置被设置成能与相应轴承装置串联地传递所述轴向载荷的至少一部分，其中在至少一个轴承级中的可变形装置的机械刚度在大小上不同于在其他轴承级或至少一个其他轴承级中的可变形装置的机械刚度，该方法包括下列步骤：

a)选择用于一个轴承级的第一轴承级刚度值；

b)对于在轴承级之间延伸的外壳各部分的选定刚度值和在轴承级之间延伸的心轴各部分的选定刚度值，计算用于第二轴承级刚度的值，由此将轴向载荷成比例地分布在相应的轴承级上，由此将第一轴承级刚度值用作输入。

2.如权利要求1所述的方法，其中在至少一个轴承级中的变形装置的机械刚度低于由该轴承级搭接的一个区段中外壳的机械刚度和心轴的机械刚度。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中在所述轴承级之间延伸的那部分外壳的机械刚度与在所述轴承级间延伸的那部分心轴的机械刚度的比值大于1/3并且小于3。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，心轴为一管端，外壳为一管端。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中步骤b包括：

b1)确定第一刚度比，即所述第一轴承级刚度与外壳刚度之比；

b2)确定第二刚度比，即所述第一轴承级刚度与心轴刚度之比。

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