CN101956528A - 高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头，包括牙轮、牙掌，牙掌设有大轴颈和小轴颈；牙轮对应设有大轴孔和小轴孔，所述的大轴孔内壁设有滚道，牙轮的大轴孔和小轴孔分别套装在牙掌的大轴颈和小轴颈上，大轴孔内壁的滚道内装有至少两个弹性滑块，弹性滑块朝向大轴孔内壁的一侧沿大轴孔轴线方向分布有两条沟槽，每个沟槽内均装有滚柱，与每个弹性滑块对应的两个滚柱之间装有滑块或隔离滚柱。本发明的优点是弹性滑块和滚柱在轴孔和轴颈之间具有预紧力，使牙掌轴颈和牙轮轴孔之间的大部分表面都受压力作用，降低了轴孔和轴颈之间的压强，轴承能承受更大载荷，对牙轮钻头的密封和合金齿都有很好的保护作用。

Description

高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头
技术领域
本发明涉及一种用于油田钻井及地质勘探的牙轮钻头，尤其涉及一种高转速耐高压耐冲击牙轮钻头。
背景技术
目前在油田钻井及地质勘探领域广泛使用牙轮钻头，如图1所示，牙轮钻头主要由牙轮2和牙掌4两部分组成，牙轮2通过滑动轴承或滚动轴承结构与牙掌接合。牙掌4设有大轴颈41和小轴颈42，牙轮2对应设有大轴孔21和小轴孔22，牙轮的大轴孔21和小轴孔22分别套装在牙轴的大轴颈41和小轴颈42上，并通过在靠近大轴颈端部设置的一圈环轴锁紧滚珠8将牙轮2锁定在大轴颈41上，也即锁定在牙掌4上。锁紧滚珠8的圆环滚道是由大轴颈41外侧的圆环型半圆截面凹槽形成的轴颈滚珠半滚道和由牙轮大轴孔孔壁上对应设置的圆环型半圆截面凹槽形成的轴孔滚珠半滚道闭拢形成。牙轮和牙掌间设有橡胶密封圈3，牙轮2上镶有合金齿1，牙轮钻头工作时，牙轮2围绕牙掌大轴颈及小轴颈旋转运动，使牙轮上的合金齿1轮流破岩进行油田钻井或地质勘探钻孔。
不论滑动轴承结构滚动轴承结构还是滚滑轴承结构都是刚性轴承结构，轴承之间都有0.1mm左右的间隙。当牙掌轴颈有向下的作用力时，牙掌轴颈的下部和牙轮内孔的下部接触发生微小形变，力越大，形变越大，接触面积越大。由于牙掌轴颈和牙轮内孔都是刚性的，形变不会很大，所以制约了牙掌轴颈和牙轮内孔之间的接触面积，使接触面积也就是受力面积在截面方向看大部分保持在60度的范围内，而且随着离底部的变远，所受到的力也急剧下降，而在底端的力却很大，造成了牙掌轴颈和牙轮内孔之间的力高度集中在底部很小的一个范围内，由此而产生的弊端有：1，牙轮钻头能承受的总载荷不大；2，力过于集中容易对牙轮内孔造成伤害；3，对密封系统不利，牙掌轴颈和牙轮内孔之间大部分都是间隙，牙轮缺少约束，会产生剧烈震动，牙轮每分钟能震动600次左右，对密封系统造成很大伤害；4，对牙轮断齿有一定的影响。
发明内容
本发明对现有刚性轴承结构的牙轮钻头进行改进，提供一种高转速耐高压耐冲击的弹性轴承结构的牙轮钻头。
一种高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头，包括牙轮、牙掌，牙掌设有大轴颈和小轴颈；牙轮对应设有大轴孔和小轴孔，所述的大轴孔内壁设有滚道，牙轮的大轴孔和小轴孔分别套装在牙掌的大轴颈和小轴颈上，大轴孔内壁的滚道内装有至少两个弹性滑块，弹性滑块朝向大轴孔内壁的一侧沿大轴孔轴线方向分布有两条沟槽，每个沟槽内均装有滚柱，与每个弹性滑块对应的两个滚柱之间装有滑块或隔离滚柱，大轴孔内壁与弹性滑块外侧通过滚柱形成滚动摩擦配合，牙掌的大轴颈外壁与弹性滑块内侧形成滑动摩擦配合。
所述的弹性滑块在装入滑道时，被施以预紧压力，弹性滑块所产生的形变约为其极限形变的一半。预紧压力的大小可以通过改变弹性滑块的厚度和宽度来调节，组装后弹性滑块在牙轮牙掌之间在受力时能继续发生弹性形变。
所述的大轴孔内壁的滚道为绕大轴孔轴线分布的环形凹槽，所述的弹性滑块为弧瓦型，所有的弹性滑块依次拼放在所述的滚道中。
弹性滑块可采用耐磨损的金属材质，被施以预紧压力时弹性滑块的内侧曲面半径和外侧曲面半径会发生变化，从而产生预紧力。
滑块和隔离滚柱一般也采用耐磨损的金属材质。
所述的弹性滑块朝向大轴孔内壁的一侧的两条沟槽分别位于弹性滑块的两个边缘部位，沟槽底面与滚柱外壁相配合。
所述的大轴颈在弹性滑块和滚珠滚道之间的部位带有组装倒角，便于牙掌的安装就位。
为了利用弹性滑块所产生的形变而得到合适的预紧压力，每个弹性滑块的内侧曲面半径大于牙掌大轴颈半径，同时弹性滑块外侧曲面半径大于牙轮大轴孔半径。或者是每个弹性滑块的内侧曲面半径小于牙掌大轴颈半径，同时弹性滑块外侧曲面半径小于牙轮大轴孔半径。
所述的弹性滑块为6～16个，当然弹性滑块的数量可以根据大轴孔内径以及弹性滑块尺寸而调整，作为优选一般所述的弹性滑块为8～12个。
本发明的有益效果是：牙掌轴颈和牙轮内孔不直接接触，而是由围绕在牙掌轴颈的一圈弹性滑块以及滚柱间接配合，弹性滑块在牙掌轴颈和滚柱之间在没有外载荷的情况下也存在形变和压力。实现了牙掌和牙轮的无间隙配合，牙轮内孔所有部位都通过弹性滑块和滚柱对牙掌轴颈有支撑作用，使钻头能承受的最大载荷是原来刚性轴承的2倍以上，在载荷相同的情况下弹性轴承由于压强小，所以钻头转速可以更高，钻头运行更平稳。
附图说明
图1a是现有滚柱滚动轴承连接结构的牙轮钻头的结构示意图；
图1b是图1a中沿A-A线剖视图；
图2a是现有滚滑轴承连接的结构示意图；
图2b是图2a中沿A-A线剖视图；
图3是本发明的整体结构示意图；
图4a是本发明牙轮钻头的局部结构示意图；
图4b是图4a中沿A-A线剖视图；
图4c是图4a中B部位放大图；
图5a是弹性滑块的结构示意图；
图5b是图5a中沿A-A线剖视图；
图5c是图5a的俯视图；
图中：1合金齿，2牙轮，21大轴孔，22小轴孔，3橡胶密封圈，4牙掌，41大轴颈，42小轴颈，5供油系统，6垫片，71滚柱，72滑块，73弹性滑块，8锁紧滚珠，9组装倒角。
具体实施方式
参见附图，本发明一种高转速耐高压耐冲击牙轮钻头，包括镶有合金齿1的牙轮2、牙掌4，牙掌4设有大轴颈41和小轴颈42，牙轮2对应设有大轴孔21和小轴孔22，牙轮的大轴孔21和小轴孔22分别套装在牙掌轴颈的大轴颈41和小轴颈42上，牙掌4上还设有供油系统5，橡胶密封圈3，垫片6以及锁紧滚珠8。
大轴孔21内壁绕大轴孔21轴线分布有环形凹槽即滚道，滚道内装有多个弹性滑块73，弹性滑块73为弧瓦型，依次拼放在滚道中。
弹性滑块73朝向大轴孔21内壁的一侧的两边缘部分沿大轴孔21轴线方向分布有两条沟槽，每个沟槽内均装有滚柱71，与每个弹性滑块对应的两个滚柱之间装有滑块72。
大轴孔21内壁与弹性滑块73外侧通过滚柱71形成滚动摩擦配合，大轴颈41外壁与弹性滑块73内侧形成滑动摩擦配合。
本发明牙轮钻头中大轴颈41和大轴孔21不是直接刚性接触，而是通过被压缩的数个弹性滑块73间接弹性接触。弹性滑块73在牙轮2、牙掌4组装时在牙掌大轴颈41和滚柱71的挤压下发生一半左右形变，产生预紧压力，预紧压力的大小通过改变弹性滑块73的厚度和宽度来调节，组装后弹性滑块73在牙轮2、牙掌4之间在受力时能继续发生弹性形变。为实现上述目的，本例中是采用弹性滑块73内侧曲面半径大于大轴颈41半径，同时弹性滑块73外侧曲面半径大于大轴孔21半径的方案，大轴颈41在弹性滑块73和滚珠滚道之间部位带组装倒角9。
本发明牙轮钻头工作原理如下：
传统刚性滑动轴承为了组装方便牙轮内孔比牙掌轴颈大0.2mm左右，也就是牙轮内孔和牙掌轴颈之间有0.1mm左右间隙。在牙轮钻头工作受力时，刚性轴承系统压缩变形量在0.03mm左右，所以牙掌轴颈和牙轮内孔之间有大部分面积不能接触受力，接触受力的面积很小，造成受力集中，接触部位压强大，牙轮在牙掌轴颈上不稳定，震动无约束，对轴承使用寿命，密封系统寿命，合金齿的寿命都会产生不利影响。
而本发明牙掌轴颈和牙轮内孔不直接接触，而是由围绕在牙掌轴颈的一圈12个左右的弹性滑块73和滚柱71以及滑块72和牙轮内孔间接接触；弹性滑块73在牙掌轴颈和牙轮内孔之间在没有外载荷的情况下也存在0.15mm左右的压缩形变和压缩压力，滚柱71变滑动摩擦为滚动摩擦，大大提高了钻头的转速；滑块72则在极端条件下起到保护弹性滑块73的作用。弹性滑块总形变在0.25mm左右，远远大于牙轮内孔和牙掌轴颈之间的0.1mm左右间隙，这样就实现了牙掌和牙轮的无间隙配合，牙轮内孔所有部位都通过弹性滑块和滚柱对牙掌轴颈有支撑作用，使钻头能承受的最大载荷是原来刚性轴承的2倍以上，在载荷相同的情况下弹性轴承由于压强小，所以钻头转速可以更高，钻头运行更平稳。
以上所述，仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明的形状材料和结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头，包括牙轮、牙掌，牙掌设有大轴颈和小轴颈；牙轮对应设有大轴孔和小轴孔，其特征在于，所述的大轴孔内壁设有滚道，牙轮的大轴孔和小轴孔分别套装在牙掌的大轴颈和小轴颈上，大轴孔内壁的滚道内装有至少两个弹性滑块，弹性滑块朝向大轴孔内壁的一侧沿大轴孔轴线方向分布有两条沟槽，每个沟槽内均装有滚柱，与每个弹性滑块对应的两个滚柱之间装有滑块或隔离滚柱，大轴孔内壁与弹性滑块外侧通过滚柱滚动摩擦配合，牙掌的大轴颈外壁与弹性滑块内侧滑动摩擦配合。
2.根据权利要求1所述的高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头，其特征在于，所述的大轴孔内壁的滚道为绕大轴孔轴线分布的环形凹槽。
3.根据权利要求2所述的高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头，其特征在于，所述的弹性滑块为弧瓦型，所有的弹性滑块依次拼放在所述的滚道中。
4.根据权利要求3所述的高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头，其特征在于，所述的弹性滑块朝向大轴孔内壁的一侧的两条沟槽分别位于弹性滑块的两个边缘部位，沟槽底面与滚柱外壁相配合。
5.根据权利要求4所述的高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头，其特征在于，所述的弹性滑块在装入滚道时，通过施以预紧压力产生形变。
6.根据权利要求4所述的高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头，其特征在于，所述的大轴颈端部带有滚珠滚道，大轴颈在弹性滑块和滚珠滚道之间的部位带有组装倒角。
7.根据权利要求3～5任一项所述的高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头，其特征在于，每个弹性滑块的内侧曲面半径大于牙掌大轴颈半径，同时弹性滑块外侧曲面半径大于牙轮大轴孔半径。
8.根据权利要求3～5任一项所述的高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头，其特征在于，每个弹性滑块的内侧曲面半径小于牙掌大轴颈半径，同时弹性滑块外侧曲面半径小于牙轮大轴孔半径。
9.根据权利要求1～6任一项所述的高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头，其特征在于，所述的弹性滑块为6～16个。
10.根据权利要求9所述的高转速耐高压耐冲击弹性滚动轴承牙轮钻头，其特征在于，所述的弹性滑块为8～12个。
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