CN103075106A - 牙轮钻头用空心滚滑复合轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速、重载工况下的牙轮钻头用空心滚滑复合轴承，主要由牙爪、牙轮与空心圆柱滚子、空心滑块组成，或由牙爪、牙轮与空心圆柱滚子、滑块、滚柱组成，或由牙爪、牙轮与空心圆柱滚子、滚柱组成。其技术方案是滑块与牙爪或滑套构成滑动轴承，滚子、滚柱与牙爪或滑套构成滚动轴承。圆柱滚子空心度为50%～65%，滑块空心度为40%～60%；滑套柱面上开有通孔；滑块或牙轮的内孔壁均匀开有5～10个滚柱槽。本发明融合了滑动轴承、滚动轴承和浮动套轴承的优点，即保持了高转速特性，又改善了滚动体的受力，空心结构具有吸振、减振功能，增加了散热面积，因而，该复合轴承具有较长的使用寿命，特别适用于高速、重载、大冲击工况下的牙轮钻头。

Description

牙轮钻头用空心滚滑复合轴承

技术领域

本发明属于石油、天然气的勘探、钻井技术领域，具体涉及一种高速、重载工况下牙轮钻头用的空心滚滑复合轴承。 

背景技术

轴承是牙轮钻头的重要组成部分，它的失效直接关系着整个钻头的使用寿命，影响着整个钻井周期。牙轮钻头中最早使用的是滑动轴承，1932年出现了滚动轴承，并一直沿用至今，其主要由牙轮轴孔和牙爪轴颈等组成。与普通滑动轴承相比，牙轮钻头的滑动轴承有其特殊性，包括结构特殊性、载荷特殊性、工作环境的特殊性以及相对转速的特殊性。滑动轴承的主要失效形式是粘着磨损，主要是由于牙轮钻头在工作过程中的摩擦温升引起了轴承表面金相组织发生了改变、硬度降低、抗磨性能减弱。牙轮钻头的滚动轴承是一种非标准轴承，多采用大圆柱滚子轴承—钢球—小径向滑动轴承或者大圆柱滚子轴承—钢球—小圆柱滚子轴承，它无内外套圈、无保持架、承载力大、耐冲击，但是转速较低，而且有限的润滑脂和强磨粒环境，使得它的失效较为严重，工作寿命较低。随着钻井技术的发展，浮动套轴承被引入到牙轮钻头，但是这种浮动套轴承中的内轴承或外轴承的润滑供油问题又成为影响轴承整体性能的主要矛盾，而且抗冲击能力较弱。因此，为满足深井、超深井技术的发展，对牙轮钻头用轴承新结构的设计一直是石油工程技术人员的研究重点。 

发明内容

本发明的目的是为了克服上述技术的不足，设计了一种牙轮钻头用的新型空心滚滑复合轴承，可以有效地降低轴承各部件之间的摩擦磨损，提高其承载能力，并具有吸振、减振功能，从而可以有效地延长牙轮钻头的使用寿命。 

为了实现上述目的，本发明设计了一种新型空心滚滑复合轴承，它融合了滑动轴承、滚动轴承和浮动套轴承的结构和优点。本发明所采用的技术方案为：在牙轮内孔和牙爪轴颈之间均匀布置数量相等的空心圆柱滚子、滚柱和扇形滑块，或在牙爪轴颈与滚动体和滑块之间可以设置带油孔的滑套。 

具体地说，本发明所述的空心滚滑轴承由牙轮(1)、牙爪轴颈(2)与空心圆柱滚子(3)、空心滑块(4)组成，或由牙轮(1)、牙爪轴颈(2)与空心圆柱滚子(3)、带滚柱槽的滑块(6)、滚柱(7)组成，或由牙爪轴颈(2)、牙轮(8)与空心圆柱滚子(3)、滚柱(7)等组成。滚柱(7)安装在滑块(6)的滚柱槽内，或安装在牙轮(8)的滚柱槽内，与牙爪轴颈(2)构成滚动轴承；在空心圆柱滚子(3)、空心滑块(4)、带滚柱槽的滑块(6)与牙爪轴颈(2)之间可以设置带油孔的滑套(5)。 

如上所述的空心滚滑复合轴承，圆柱滚子(3)的空心度为50%～65%，且两端采用圆角过渡。空心滑块(4)的空心度为40%～60%，内部过渡处均采用圆角结构。空心结构可以减轻整个牙轮钻头轴承的重量，但不会降低其承载能力，同时可以降低整个轴承的刚度，起到了吸振和缓冲的作用，特别是轴承高速运转时，可以极大的改善整个牙轮钻头的动态性能。空心结构的滚滑体可以贮存更多的润滑油，充分保证了各接触面之间的良好润滑，降低了添加润滑油的频率，同时也避免在轴孔壁开设油槽，提高了整个轴承的承载强度。空心结构增加滚滑体的散热面积，同时也有助于润滑油的自由流动，使润滑油充分发挥其冷却作用，对高速重载工况下的牙轮钻头来说，这将会极大的降低接触面由于温度过高而引起的粘着磨损，降低其失效概率。空心圆柱滚子(3)的两端采用圆角结构，可以降低空心圆柱滚子(3)两端的应力奇异性，避免局部应力过大引起过早失效。 

如上所述的空心滚滑复合轴承，在牙轮内孔壁均匀开有5～10个滚柱槽，或在滑块(6)的内弧面中部开设滚柱槽。每个滚柱槽内装有滚柱(7)，则滚柱槽、滚柱(7)与牙爪轴颈(2)或滑套(5)构成滚动轴承。滚柱槽的圆弧半径R大于或等于滚柱(7)的直径为d，若牙爪轴颈(2)的外径为D，则滚柱槽圆弧半径R的圆心所构成圆的直径D′为： 

D′=D+2d-2R 

如上所述的空心滚滑复合轴承，在滚动体和滑块与牙爪轴颈之间设有滑套，且在滑套柱面上沿圆周方向对称布置可供润滑油脂流动的通孔，孔的大小、数量及布置位置可根据滑套直径和宽度等灵活确定，孔太大或数量太多则对内外轴承油膜承载面积影响较大，降低了轴承的承载能力，孔太小或数量太少则润滑油介质的流量不能达到预期目的。孔与滑套内外两圆柱面的交界线上采用倒角过渡。 

本发明融合了滑动轴承、滚动轴承和浮动套轴承的优点，克服了采用单种轴承的缺点，并采用空心滚动体、滑动体结构，改善了轴承各部件的受力状况，降低了摩擦磨损，增加了摩擦散热能力，可以有效的实现吸振、减振功能，并能够保持高转速特性。因而，本发明的空心滚滑复合轴承更适用于高速、重载、大冲击工况下的牙轮钻头中。 

附图说明

图1是本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的第一种实施例剖视图。 

图2是本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的第二种实施例剖视图。 

图3是本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的第三种实施例剖视图。 

图4是本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的第四种实施例剖视图。 

图5是本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的第五种实施例剖视图。 

图6是本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的第六种实施例剖视图。 

图7是本发明中空心圆柱滚子的剖视图。 

图8是本发明中带孔滑套的立体图。 

图9是本发明中滚柱的立体图。 

图10是本发明中空心滑块的立体图。 

图11是本发明中带滚柱槽滑块的立体图。 

图12是本发明中第三和第五实施例中滚柱、滚柱槽与牙爪轴颈的局部示意图。 

图中：1、牙轮，2、牙爪轴颈、3、空心圆柱滚子，4、空心滑块，5、滑套，6、带滚柱槽的滑块，7、滚柱，8、带滚柱槽牙轮。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。 

按照图1所示，本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的第一种实施例由牙轮1、牙爪轴颈2与空心圆柱滚子3、空心滑块4组成。圆柱滚子3的空心度为50%～65%，且两端采用圆角过渡。空心滑块4的空心度为40%～60%，内部过渡处均采用圆角结构。空心圆柱滚子3与空心滑块4的数量相等，一般取为5～10个，且交叉均匀布置在牙轮与牙爪之间。牙轮、牙爪与空心圆柱滚子3构成了滚动轴承，牙轮、牙爪与空心滑块4构成了滑动轴承。 

按照图2所示，本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的第二种实施例是在第一种实施例的基础上增加了滑套5。滑套5设置在空心圆柱滚子3、空心滑块4与牙爪轴颈2之间，在滑套柱面上沿圆周方向对称布置可供润滑油脂流动的通孔，孔的大小、数量及布置位置可根据滑套直径和宽度等灵活确定。则滑套5与牙爪轴颈2之间构成滑动轴承，牙轮1、滑套5与空心滑块4构成了滑动轴承，牙轮1、滑套5与空心圆柱滚子3构成了滚动轴承。其中，滑套5的作用类似与浮动套结构。 

按照图3所示，本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的第三种实施例由牙轮1、牙爪轴颈2与空心圆柱滚子3、带滚柱槽的滑块6、滚柱7组成。圆柱滚子3的空心度为50%～65%，且两端采用圆角过渡。则牙轮1、牙爪轴颈2与空心圆柱滚子3构成了滚动轴承。滑块6的内弧面开设滚柱槽，装入滚柱7，则带滚柱槽的滑块6、牙爪轴颈2与滚柱7构成了滚动轴承。带滚柱槽的滑块6分别与牙轮1、牙爪轴颈2构成了滑动轴承。空心圆柱滚子3与空心滑块4的数量相等，一般取为5～10个，且交叉均匀布置在牙轮与牙爪之间。 

按照图4所示，本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的第四种实施例是在第三种实施例的基础上增加了滑套5。滑套5设置在空心圆柱滚子3、带滚柱槽的滑块6与牙爪轴颈2之间，在滑套柱面上沿圆周方向对称布置可供润滑油脂流动的通孔，孔的大小、数量及布置位置可根据滑套直径和宽度等灵活确定。滑套5分别与牙爪轴颈2、带滚柱槽的滑块6构成了滑动 轴承，牙轮1、滑套5与空心圆柱滚子3构成了滚动轴承，带滚柱槽的滑块6、牙爪轴颈2与滚柱7构成了滚动轴承。 

按照图5所示，本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的第五种实施例由牙爪轴颈2、牙轮8与空心圆柱滚子3、滚柱7等组成。圆柱滚子3的空心度为50%～65%，且两端采用圆角过渡。则牙轮1、牙爪轴颈2与空心圆柱滚子3构成了滚动轴承。牙轮8的内孔表面开设滚柱槽，装入滚柱7，则牙轮8、牙爪轴颈2与滚柱7构成了滚动轴承，牙轮8与牙爪轴颈2构成了滑动轴承。空心圆柱滚子3与滚柱7的数量相等，一般取为5～10个，且交叉均匀布置在牙轮内孔壁。 

按照图6所示，本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的第六种实施例是在第五种实施例的基础上增加了滑套5。滑套5设置在牙轮8与牙爪轴颈2之间，在滑套柱面上沿圆周方向对称布置可供润滑油脂流动的通孔，孔的大小、数量及布置位置可根据滑套直径和宽度等灵活确定。则滑套5分别与牙爪轴颈2、牙轮8构成了滑动轴承，滑套5、牙轮8分别与空心圆柱滚子3、滚柱7构成了滚动轴承。 

按照图12所示，本发明牙轮钻头用空心滚滑复合轴承的实施例三(图3)和实施例五(图5)中的滑块6或牙轮8上的滚柱槽与滚柱7及牙爪轴颈2构成了滚动轴承，滚柱槽的圆弧半径R大于或等于滚柱7的直径为d，若牙爪轴颈2的外径为D，则滚柱槽圆弧半径R的圆心所构成圆的直径D′为： 

D′=D+2d-2R。 

Claims (6)

1.一种新型牙轮钻头用空心复合滚滑轴承，由牙轮(1)、牙爪轴颈(2)与空心圆柱滚子(3)、空心滑块(4)组成，或由牙轮(1)、牙爪轴颈(2)与空心圆柱滚子(3)、带滚柱槽的滑块(6)、滚柱(7)组成，或由牙爪轴颈(2)、带滚柱槽牙轮(8)与空心圆柱滚子(3)、滚柱(7)等组成；滚柱(7)安装在滑块(6)的滚柱槽内，或安装在牙轮(8)的滚柱槽内，与牙爪轴颈(2)构成滚动轴承；在空心圆柱滚子(3)、空心滑块(4)、带滚柱槽的滑块(6)与牙爪轴颈(2)之间可以设置带油孔的滑套(5)。 

2.按权利要求1所述的用于牙轮钻头的空心复合滚滑轴承，其特征在于所述的空心圆柱滚子(3)、空心滑块(4)、带滚柱槽的滑块(6)与滚柱(7)的长度相同；圆柱滚子的空心度为50%～65%，且两端采用圆角过渡；空心滑块的空心度为40%～60%，内部过渡处均采用圆角结构。 

3.按权利要求1所述的用于牙轮钻头的空心复合滚滑轴承，其特征在于每种组合轴承中的空心圆柱滚子(3)、空心滑块(4)或带滚柱槽的滑块(6)、滚柱(7)的数量相同，一般取为5～10个，且空心圆柱滚子与滑块交叉排列。 

4.按权利要求1所述的用于牙轮钻头的空心复合滚滑轴承，其特征在于滑块(6)或牙轮(8)的滚柱槽的圆弧半径R大于或等于滚柱(7)的直径为d，若牙爪轴颈(2)的外径为D，则滚柱槽圆弧半径R的圆心所构成圆的直径D′为： 

D′=D+2d-2R。 

5.按权利要求1所述的用于牙轮钻头的空心复合滚滑轴承，其特征在于滑套(5)的柱面上钻有可供润滑油脂流动的通孔，通孔沿轴向和周向对称布置。 

6.按权利要求1所述的用于牙轮钻头的空心复合滚滑轴承，其特征在于牙轮(8)的内孔壁均匀开有用于容纳空心圆柱滚子(3)和滚柱(7)的槽，且沿轴向均匀分布。 

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