CN101245807A - 一种长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于石油钻井或修井的长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承。它将向心推力球轴承结构改进为向心推力球轴承、向心推力圆柱轴承和向心推力双圆台轴承的两两组合或三者组合的结构。其特征是：由向心推力球轴承、向心圆柱推力轴承和向心双圆台滚子轴承组成、或由向心推力球轴承和向心圆柱推力轴承组成、或由向心推力球轴承和向心双圆台滚子轴承组成；每列推力轴承由15～35个滚珠、滚柱或双圆台及对应的轴承内外圈构成；每个滚柱或双圆台倒有过渡圆角，轴承内外圈端面倒有过渡圆角。本发明能有效增大接触副之间的接触面积，降低其接触应力，获得转动灵活、承载能力强的轴承，且结构简单，易于实现，能大幅提高轴承组使用寿命，可用于油气田现场。

Description

一种长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承

技术领域

本发明涉及一种用于石油钻井或修井的长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承，特别是涉及一种向心推力球轴承、向心推力圆柱轴承和向心推力双圆台轴承的两两组合或三者组合的结构形式的传动轴轴承。

背景技术

螺杆钻具是石油钻修井中广泛使用的井下动力钻具。主要包括旁通阀总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成。其中目前常用的传动轴总成主要包括：传动轴、传动轴壳体、推力轴承、径向轴承、防掉机构、密封圈、隔套、护套、锁紧套、下短节、偏心套等。其中推力轴承是传动轴总成的易损件，承受交变或波动的轴向载荷，平均寿命在80-100小时之间，质量较好的可达到120小时；一般使用泥浆润滑，也有油密封油润滑的传动轴组件，使用油密封传动轴组件可改善传动轴组件工作状态，延长其使用寿命，其价格较贵，现场维修不够方便，目前基本未形成应用规模。国内较好的螺杆钻具企业生产的螺杆钻具整体平均寿命在120-150小时之间，传动轴推力轴承组作为一个易损件已经成为制约螺杆钻具使用寿命的一个瓶颈问题。现有的向心推力轴承采用球轴承的结构形式，在高幅波动钻压的剪切作用下，滚珠容易变形、本崩块、碾碎，经过深入的理论分析和有限元计算发现，工作时滚珠和轴承内外圈的接触初始为线接触，后在压力作用下变为微小面接触，整体接触面积小，接触压力大，交变的高额接触压力持续作用在微小面积上容易导致滚珠和内外轴承圈产生表面变形，进行发生崩块和碾碎等失效形式。因此研究综合性能高、寿命长、适用性强且具有价格优势的螺杆钻具推力轴承组已刻不容缓，以减少起下钻换件次数，帮助提高钻井效率。

发明内容

本发明的目的是：为克服现有技术的不足，特提供一种长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承，该轴承承载性能好，转动灵活，结构简单，易于实现，可大幅提高轴承组使用寿命，且加工方便，不会提高其制造成本，能保持使用泥浆作为润滑剂，现场适用性强。

为了达到上述目的，本发明设计了一种长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承，它将已有向心推力球轴承结构改进为向心推力球轴承、向心推力圆柱轴承和向心推力双圆台轴承的两两组合或三者组合的结构形式。其特征是：由向心推力球轴承、向心圆柱推力轴承和向心双圆台滚子轴承组成，或由向心推力球轴承和向心圆柱推力轴承组成，或由向心推力球轴承和向心双圆台滚子轴承组成；每列推力轴承由15～35滚珠、滚柱或双圆台及对应的轴承内外圈构成。本发明通过使用向心推力圆柱轴承和(或)向心推力双圆台轴承可有效增大接触副之间的接触面积，从而降低其接触应力，同时使用一部分向心推力球轴承又可保持转动灵活的特点，最终可获得转动灵活、承载能力强的长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承。

本发明中设计的双圆台圆柱滚子推力轴承，该轴承包括双圆台圆柱滚子和对应形状的轴承内外圈，双圆台圆柱滚子是在圆柱滚子的上下两端去除材料形成圆台，轴承内外圈与双圆台圆柱滚子接触部位也设计成对应的圆台结构，圆台的母线通常为直线，或为凸度不大的连续光滑曲线，如抛物线、圆弧等。工作时双圆台圆柱滚子的上下端面与内外圈端面不接触以减少摩擦扭矩，圆台斜面与内外圈对应斜面接触承载轴向剪切载荷，接触副为面，接触应力小。双圆台圆柱滚子轴承继承了常规向心推力球轴承转动灵活的突出特性，同时根据接触力学理论合理增大接触承载面，大幅降低了应力峰值和均值，同时将滚子上下端面与内外圈端面设计为不接触，消除了交变轴向载荷作用时轴承滚珠或滚柱顶面产生的大幅值初始接触应力集中危险点，从而消除了失效的诱因；设计的端面间隙还为轴向剪切载荷(即波动钻压)引起的双圆台圆柱滚子弹性变形留下了空间，推力轴承组通常由15～35组推力轴承组成，这使该结构具有非常优异轴向减震特性，这是截至目前其他任何螺杆钻具所不明显具备的特性；同样双圆台圆柱滚子推力轴承增大了摩擦扭矩，相比常规螺杆钻具其消耗掉的功率要略多一些，从功率损耗角度来看这是其缺点，但该摩擦扭矩的存在可缓解下部钻柱组合的扭转振动，稳定方位角。双圆台圆柱滚子与轴承内外圈为间隙接触，允许泥浆流过，保持润滑。双圆台圆柱滚子轴承的滚子及内外圈过渡尖锐处皆倒有过渡圆角，以减少应力集中。本发明中的双圆台圆柱滚子，根据不同的使用情况，滚子可设计为不同的长径比(其高度和外径比)，范围在0.5-2之间；上下圆台锥度在0°～90°之间，通常为45°或30°。

本发明中设计的圆柱滚子推力轴承，接触副接触面积大，接触应力小，摩擦扭矩略大，具有减少扭转振动的作用，根据不同的使用情况，滚柱可设计为不同的长径比(其高度和外径比)，范围在0.5-2之间。

本发明的设计原理是：在钻柱动力学、接触力学和螺杆钻具工作力学的基础上，深入研究螺杆钻具推力轴承组的力学特性，突破常规推力轴承承载性能差的技术瓶颈，在保持转动灵活性的基础上，设计有较大接触面积的轴承结构，使其具有良好的承载特性、优异的综合力学性能和工作可靠性，大幅提高其使用寿命，从而克服掉影响螺杆钻具整体寿命提升的一个主要技术瓶颈。本发明的设计立足于钻柱动力学，设计的推力轴承还具备良好的减震特性(轴向减震，扭转减震)，符合钻井工程实际需要，特别是在极易发生断钻具的气体钻井实践中。相比传统传动轴轴承，其具有较大突破，必将具有广阔的商业应用前景。

本发明的有益效果是：可不改变原有推力球轴承材质，只改变其形状，形状简单，加工方便，不会提高其制造成本，并且可保持使用泥浆作为润滑剂，现场适用性强。

附图说明

图1是目前常用的螺杆钻具向心推力球轴承结构图。

图2是目前常用的螺杆钻具向心推力球轴承单圈结构图。

图3是目前常用的螺杆钻具向心推力球轴承单外圈结构图。

图4是目前常用的螺杆钻具向心推力球轴承单内圈结构图。

图5是目前常用的螺杆钻具向心推力球轴承滚珠结构图。

图6是本发明一种长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承第一实施例结构图。

图7是本发明一种长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承第二实施例结构图。

图8是本发明一种长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承第三实施例结构图。

图9是向心圆柱滚子轴承单圈结构图。

图10是向心圆柱滚子轴承单外圈结构图。

图11是向心圆柱滚子轴承单内圈结构图。

图12是向心圆柱滚子轴承圆柱滚子结构图。

图13是向心双圆台滚子轴承单圈结构图。

图14是向心双圆台滚子轴承单外圈结构图。

图15是向心双圆台滚子轴承单内圈结构图。

图16是向心双圆台滚子轴承双圆台滚子结构图。

具体实施方式

按照图6所示，本发明一种长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承第一实施例由向心推力球轴承(图2)、向心圆柱滚子轴承(图9)和向心双圆台滚子轴承(图13)组合而成。

按照图7所示，本发明一种长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承第二实施例由向心推力球轴承(图2)和向心圆柱滚子轴承(图9)组合而成。

按照图8所示，本发明一种长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承第三实施例由向心推力球轴承(图2)和向心双圆台滚子轴承(图13)组合而成。

向心推力球轴承(图2)由向心推力球轴承单外圈(图3)、向心推力球轴承单内圈(图4)和滚珠(图5)组成。

向心圆柱滚子轴承(图9)由向心圆柱滚子轴承单外圈(图10)、向心圆柱滚子轴承单内圈(图11)和圆柱滚子(图12)组成。

向心双圆台滚子轴承(图13)由向心双圆台滚子轴承单外圈(图14)、向心双圆台滚子轴承单内圈(图15)和向心双圆台滚子(图16)组成。

向心推力球轴承具有转动灵活的特点，但其承载能力稍弱；向心圆柱滚子轴承具有接触面积大，承载能力强的特点；向心双圆台滚子轴承具有接触面积大，承载能力较强，且转动灵活的特点。在三者同时组合使用或将向心推力球轴承和向心圆柱滚子轴承组合使用或将向心推力球轴承和向心双圆台滚子轴承组合使用，可获得转动灵活、承载能力强的长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承。

Claims (3)

1.一种长寿命高性能螺杆钻具传动轴轴承，其特征是：由向心推力球轴承(图2)、向心圆柱滚子轴承(图9)和向心双圆台滚子轴承(图13)组合而成；或由向心推力球轴承(图2)和向心圆柱滚子轴承(图9)组合而成；或由向心推力球轴承(图2)和向心双圆台滚子轴承(图13)组合而成。

2.根据权利要求1所述的螺杆钻具传动轴轴承，其特征是：向心圆柱滚子轴承(图9)由圆柱推力轴承组成，每列推力轴承由15～35滚柱和轴承内外圈构成；每个滚柱两端倒有过渡圆角，轴承内外圈即动静套内端面倒有过渡圆角；滚柱的长径比，即其高度和外径比，范围在0.5～2之间。

3.根据权利要求1所述的螺杆钻具传动轴轴承，其特征是：向心双圆台滚子轴承(图13)由双圆台滚子轴承组成，每列推力轴承由15～35双圆台滚子和轴承内外圈构成；每个双圆台滚子两端倒有过渡圆角，轴承内外圈即动静套内端面倒有过渡圆角；双圆台滚子的长径比，即其高度和外径比，范围在0.5～2之间，上下圆台锥度在0°～90°之间，通常为45°或30°。

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