CN1027552C

CN1027552C - 牙轮钻头

Info

Publication number: CN1027552C
Application number: CN 91105563
Authority: CN
Inventors: 罗纬; 李鹏; 刘剑
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 1991-08-15
Filing date: 1991-08-15
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2006-08-15
Also published as: CN1069548A

Abstract

本发明是一种石油地质钻井牙轮钻头，在牙爪轴3和牙轮5之间装有滚锥4，形成全滚动滚锥轴承。牙爪轴3的中心孔中装有拉杆9，牙轮5内装有止推环6，构成锁紧装置，消除轴承的径向及轴向间隙。滚锥轴承与牙轮锥形轮廓相似，周向360°范围内均承担载荷，从而降低接触应力，提高轴承寿命，可提高牙轮钻头转速3～6倍。增加钻井进尺及降低钻井成本。

Description

本发明涉及石油地质钻井的牙轮钻头，具体地说是一种装有全滚动滚锥轴承的牙轮钻头。

滚动轴承牙轮钻头与滑动牙轮钻头相比，其摩擦系数小几倍至几十倍，摩擦功耗小，摩擦温升低，可以提高转速3～6倍。滚动轴承的缺点在于由于滚子与牙爪轴及牙轮孔的接触为线接触，接触压力比滑动轴承大近十倍。滚动轴承的寿命为载荷的近似三次幂成反比，因而当载荷增大时将产生严重的疲劳磨损，寿命较低。此外，这类牙轮钻头（例如目前所使用的美国HUGHES公司生产的X3A型密封式钢珠滚柱轴承牙轮钻头及我国的XHP型牙轮钻头）其轴承有下列缺点：

1.在牙轮钻头工作时只有牙爪轴下半部小于180°的周向支承面积承担载荷，且载荷分布不均匀。从而加速该半部的磨损;

2.采用滑动止推面来承受轴向载荷，摩擦阻力大，不利于实现高速。

3.由于空间限制及轴承结构的要求，大轴承的滚子长度较短，接触应力很大，寿命较短。

4.由于加工、装配工艺要求，轴承存在径向及轴向间隙，这些间隙在钻头工作时将产生振动，影响密封性能及轴承的承载能力。

美国专利US4136748公开了一种带有滚锥轴承的牙轮钻头，虽然这种滚锥轴承可以在一定程度上克服钢珠、滚柱轴承接触面小、易磨损的缺点，但它仍然采用了径向滑动轴承和止推滑动轴承（US4136748附图中32、50、78和38、40、80以及88、92），因此不能克服摩擦阻力大、易发热，不利于实现高速运转等缺点。另外，这种牙轮钻头的牙轮空间相当的一部分被轴套、止推环等占踞，而滚锥轴承所利用空间很少，造成承载有限。

本发明的目的在于克服上述技术中钢珠、滚柱轴承的接触面小、易磨损;径向滑动轴承和止推滑动轴承摩擦阻力大、易发热，不利于实现高速运转等缺点，提出一种牙轮钻头轴承设计，由此制出一种没有径向滑动轴承和止推滑动轴承的全滚动滚锥轴承的牙轮钻头，有效地提高牙轮钻头轴承寿命、钻头转速和承载能力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术：本发明牙轮钻头，它有若干个牙爪（1），牙爪（1）由牙爪轴（3）、滚锥（4）、牙轮（5）和密封圈（2）组成，其特征在于：牙爪轴（3）中心孔内装有拉杆（9），拉杆（9）端部具有凸缘（7），牙轮（5）的盲孔中装有止推环（6），止推环（6）将拉杆（9）端部凸缘（7）卡在牙轮（5）的盲孔中，使牙爪轴（3）、滚锥（4）和牙轮（5）形成具有滚锥轴承的牙爪（1）。

本发明还采用如下技术方案，牙轮钻头的滚锥（4）大头端面（15）做成球面并与牙爪轴（3）的止推面（16）球面接触，实现了全滚动摩擦。

本发明的优点是：

1.滚锥轴承与牙轮锥形轮廓相似，有利于改善轴承的载荷分布，由于采用拉杆连接，加长了滚锥长度，相应地降低了接触应力，提高了轴承的承载能力及轴承寿命。

2.由于采用采用拉杆连接，去掉了径向滑动轴承和止推滑动轴承，用滚动止推面来代替现有的滑动止推面，从而实现了全滚动摩擦，可提高牙轮钻头转速3～6倍。增加钻井进尺及降低钻井成本。

3.锁紧装置可以保证装配时消除轴承的径向及轴向间隙，从而消除了由于装配间隙所产生的振动，有利于提高密封性能及减少轴承磨损。

上述优点已被理论分析计算及地面模拟试验所证实。

本发明附图说明如下：

图1为本发明的牙轮钻头结构图（只画出相同的1/3部分）;

图2为牙轮钻头滚锥轴承部分的局部结构图;

图3为牙轮钻头锁紧装置局部结构图;

图4为本发明的牙轮钻头另一实施例结构图（只画出相同的1/3部分）。

以下结合附图对本发明的技术特征和实施例做进一步的说明：

参看图1，牙爪1向下伸出牙爪轴3（两者为一整体），牙爪轴3做成锥形，在其周向放置一系列滚锥4，滚锥4的大头端面15做成球面与牙爪轴3的球面止推面16接触。牙轮5内锥孔与滚锥4及牙爪轴3相配合组成滚锥轴承，承担钻头工作时的轴向及径向载荷和扭矩。锁紧装置是由带螺纹8的拉杆9及止推环6组成。止推环6用焊接、螺纹、或其他方式与牙轮5固定在一起，并将拉杆9的凸缘7夹在中间。通过上紧螺纹8使牙轮5与和牙爪3连接在一起，并消除轴承在装配时的轴向及径向间隙。润滑脂从贮油腔（未画出）经过通道11、19、23，进入轴承区域润滑轴承。密封2封闭了轴承腔，防止润滑脂外流及泥浆进入轴承系统。密封圈2可以用碟形圈、“O”形圈、端面密封或流体动压密封等方式。

参看图2，该图为全滚动滚锥轴承结构图及受力分析。为保证使止推面为滚动摩擦，牙爪轴3的止推台肩面16以及与之接触的滚锥4的大头端面15均做成以R为半径的球面，为保证轴承的所有接触部位均为滚动面无滑动，牙爪轴3的园锥母线12、牙轮5的内锥母线14、滚锥4的轴线13、滚锥4的大头端面15和止推台肩16的R半径圆心必须汇交于一点o。作用在牙轮5上的钻压W可分解为平行于牙轮5轴线的轴向力F及垂直于轴线的径向力N。就单个滚锥而言，滚锥作用在牙爪轴上的力可视为轴向力F′和径向力N′，它们可各自分解为F1，N1和F2，N2。因此，作用在牙爪轴上的法向合力为N1+N2，切向合力为F1+F2，这样既使是在牙爪轴的上部不受径向载荷的部位，由于锥面的自紧作用，在轴向力的作用下仍能有一部分法向载荷。在锥面的周向360°范围内均承担大小不等的法向载荷N1+N2，从而相对减少了接触应力，提高了轴承寿命。

参看图3，该图表示锁紧装置的结构图。轴承装配前，先将拉杆9的凸缘7放进止牙轮5的内孔中，然后将止推环6放入，用焊接或其他方法将止推环6固定在牙轮5上，止推环6与拉杆9的接触端面精加工并留有空隙贮油，以减少摩擦及磨损。拉杆9上有带螺纹的部分8，端部有十字槽，以使装配时旋进螺纹8。装配时先将密封圈2、滚锥4装在牙爪轴3上，然后把牙轮5连同预先固定好的止推环6及拉杆9，套装在滚锥4上，依靠拉杆9端部园柱及牙爪轴3的内孔19导向，用工具旋转拉杆9端部的十字槽，使之旋入牙爪轴上的螺纹孔，直至拉杆9凸缘端面与止推环6的止推面压紧并由此消除滚锥轴承的径向及轴向间隙，然后在拉杆9的10处焊死。

钻头正常工作时，牙轮5受向内的推力挤向左上方，止推环6与拉杆9的接触面趋于脱离。当提钻头，划眼或钻定向井转弯时，作用在牙轮5上的轴向力使接触面承受载荷。锁紧装置的设计承受载荷为100KN的拉力。

图4为本发明的牙轮钻头另一实施例（只画出相同的1/3部分）。该实施例是根据相同原理设计的一种牙轮钻头，与上述实施例所不同的是它在牙爪轴上同时采用一排滚拄轴承和一排滚锥轴承。以此类推，实现本发明可采用的滚锥轴承排列是可以有多种方式，例如：一排滚珠轴承和一排滚锥轴承;两排滚锥轴承等。

Claims

1、本发明涉及石油地质钻井的牙轮钻头，它有若干个牙爪(1)，牙爪(1)由牙爪轴(3)、滚锥(4)、牙轮(5)和密封圈(2)组成，其特征在于：牙爪轴(3)中心孔内装有拉杆(9)，拉杆(9)端部具有凸缘(7)，牙轮(5)的盲孔中装有止推环(6)，止推环(6)将拉杆(9)端部凸缘(7)卡在牙轮(5)的盲孔中，使牙爪轴(3)、滚锥(4)和牙轮(5)形成具有滚锥轴承的牙爪(1)。

2、根据权利要求1所述的牙轮钻头，其特征在于滚锥（4）的大头端面（15）制成球面并与牙爪轴（3）的止推面（16）球面接触。