CN104213856A - 自对准管夹持组件以及制造和使用该管夹持组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自对准管夹持组件以及制造和使用该管夹持组件的方法，所述自对准活塞被构造成选择性地接合管分段和与管分段分离，以允许顶部驱动输出轴连接至管分段。在一个实施例中，所述自对准活塞包括：活塞主体，所述活塞主体被构造成在第一位置和第二位置之间旋转；至少一个弹性储能构件，所述至少一个弹性储能构件连接至活塞主体；辊子组件，所述辊子组件连接至活塞主体；和凸轮，所述凸轮设置在至少一个弹性储能构件和辊子组件之间。弹性储能构件被构造成通过使辊子组件沿着凸轮旋转而将活塞主体偏压到第一位置。

Description

自对准管夹持组件以及制造和使用该管夹持组件的方法

技术领域

本发明大致涉及一种管夹持组件，并且更具体地，涉及一种自对准管夹持活塞。

背景技术

钻油井的过程通常包括组装钻柱和套管柱并将钻柱和套管柱插入到土地中以形成井眼。钻柱和套管柱从钻油机(oil drilling rig)向下延伸并延伸到土地中。钻柱和套管柱通过钻机上的顶部驱动电动机被旋转地驱动到土地中。钻柱通常包括螺纹连接在一起的一系列钻进段。最下部的钻进段(即，在土地中延伸得最远的钻进段)包括位于其下端的钻头。通常，套管柱绕着钻柱设置以在完成钻井操作之后使井眼成直线。套管柱被构造成确保井眼的整体性。套管柱包括螺纹连接在一起的一系列壳套管段。

近来，管夹持装置已经被设计成利用钻油机的现有顶部驱动装置组装钻柱和套管柱。一些传统的管夹持装置固定地安装在稳固的支撑件中。然而，在这种传统的夹持装置在操作期间受到大的偏离中心的作用力时，传统的夹持装置会被损伤，由于为了修理损伤的管夹持装置必须停止钻井操作，因此这会增加成本并耗费时间。

发明内容

本发明涉及在油井钻井系统中使用的管夹持组件和自对准活塞的各种实施例。本发明的管夹持组件和自对准活塞被构造成选择性地接合和分离管分段和校正相对于管分段的不对准。

根据本发明的一个实施例，自对准活塞包括被构造成在第一位置和第二位置之间旋转的活塞主体、连接至活塞主体的弹性储能构件、连接至活塞主体的辊子组件、和设置在弹性储能构件和辊子组件之间的凸轮。在一个实施例中，第一位置为相对于管分段的对准方位，而第二位置为相对于管分段的未对准方位。弹性储能构件被构造成通过沿凸轮旋转辊子组件将活塞主体偏压到第一位置(例如，对准方位)。在一个实施例中，弹性储能构件包括多个弹簧。在一个实施例中，自对准活塞包括连接至活塞主体的压模组件。在一个实施例中，凸轮限定具有一对相对的井状部和一对相对的顶点的波状外形的凸轮表面。辊子组件上的辊子被构造成在活塞主体处于第一位置(例如对准方位)时位于井状部中，而在活塞主体旋转到第二位置(例如未对准方位)时沿着凸轮表面朝向顶点滚动。弹性储能构件被构造成将辊子偏压到井状部中以使活塞主体返回至第一位置(例如对准方位)。在一个实施例中，在活塞主体处于第一位置时，弹性储能构件处于预压缩状态，而在活塞主体处于第二位置时，弹性储能构件被进一步压缩成较高势能状态。较高势能的这种状态提供用以使活塞主体返回至正常对准的第一位置的驱动力。在一个实施例中，自对准活塞被构造成沿具有管分段的接合位置和分离位置之间的花键轴滑动。在一个实施例中，凸轮包括具有开有键槽的表面的轮毂，所述开有键槽的表面被构造成接合花键轴以防止凸轮绕着花键轴旋转。

根据本发明的另一个实施例，管夹持组件包括被构造成绕着管分段一起夹紧的第一和第二钳夹、被固定地容纳在第一和第二钳夹中的每一个钳夹中的至少一个花键轴、和被容纳在第一和第二钳夹中的每一个钳夹中的至少一个自对准活塞。自对准活塞被构造成沿花键轴在接合位置和分离位置之间滑动。在一个实施例中，至少一个自对准活塞中的每一个都包括被构造成在第一位置(例如相对于管分段的对准方位)和第二位置(例如相对于管分段的未对准方位)之间旋转的活塞主体、连接至活塞主体的至少一个弹性储能构件、连接至活塞主体的辊子组件、和设置在至少一个弹性储能构件与辊子组件之间的凸轮。弹性储能构件被构造成通过沿凸轮旋转辊子组件将活塞主体偏压到第一位置中。

在一个实施例中，第一和第二钳夹中的每一个都包括延伸端口和缩回端口，所述延伸端口被构造成接收增压液压流体，以使至少一个自对准活塞中的每一个都被致动到接合位置，所述缩回端口被构造成接收增压液压流体，以使至少一个自对准活塞中的每一个都被致动到分离位置。在一个实施例中，管夹持组件包括被固定地容纳在第一和第二钳夹中的每一个钳夹中的至少一个压盖。压盖被构造成绕着至少一个自对准活塞中的每一个形成流体密封。

此发明内容被提供以介绍在以下详细说明中进一步描述的原理精选。该发明内容既不意指确定请求保护的主题的关键或基本特征，也不意指用于限制请求保护的主题的保护范围。

附图说明

本发明的实施例的这些及其它特征和优点将结合附图通过参照以下详细说明变得更清楚。在附图中，在全部附图中使用相同的附图标记来表示相同的特征和部件。附图不需要按照比例绘制。在附图中：

图1为根据本发明的一个实施例的包括管夹持组件的钻机的侧视图；

图2A为根据本发明的一个实施例的管夹持组件的立体图，该管夹持组件包括钳夹，该钳夹容纳两个自对准活塞组件；

图2B为在图2A中示出的管夹持组件的实施例的立体图，其中钳夹以虚线被示出；

图2C和2D分别是根据本发明的一个实施例的压盖和花键轴的前视立体图；

图3A和3B分别是图2A和2B中显示的一个自对准活塞组件的分解后视立体图和前视立体图；

图4A和4B分别是根据本发明一个实施例的凸轮的后视立体图和前视立体图；

图4C和4D分别是图4A和4B中图示的凸轮的后视平面图和前视平面图；

图4E和4F分别是图4A-4D中图示的凸轮的侧视图和俯视图；

图5A和5B分别是根据本发明一个实施例的辊子组件的后视立体图和前视立体图；

图5C和5D分别是图5A和5B中图示的辊子组件的俯视图和侧视图；

图6A和6B分别是根据本发明一个实施例的活塞壳体的后视立体图和前视立体图；

图6C为图6A和6B中图示的活塞壳体的后视平面图；

图7A和7B分别是根据本发明一个实施例的压模组件的前视立体图和后视立体图；

图7C为图7A和7B中图示的压模组件的前视平面图；

图7D和7E分别是图7C中图示的沿D-D线和E-E线截取的压模组件的横截面图；

图8A和8B是根据本发明一个实施例的显示分别相对于管分段在对准方位和未对准方位的自对准活塞组件的立体图；和

图8C和8D是根据本发明一个实施例的显示分别相对于管分段在对准方位和未对准方位的自对准活塞组件的侧视图。

具体实施方式

本发明涉及管夹持组件和自对准活塞组件，该管夹持组件和自对准活塞组件用于在油井钻进系统中使用，从而使管分段与向下延伸到井眼中的管柱连接和从管柱断开。在此处使用的术语“管分段”是指壳体段和/或钻进段，术语“管柱”是指套管柱和/或钻柱。本发明的自对准活塞组件被构造成接合管分段，使得现有的顶部驱动装置的输出轴可以螺纹连接到管分段上(即，自对准活塞组件固定管分段，使得顶部驱动装置的输出轴可以相对于管分段旋转，以使输出轴连接至管分段)。

此外，响应于偏心荷载，本发明的自对准活塞组件被构造成以不与管分段对准的方式旋转，以便减轻自对准活塞组件上的应力(即，自对准活塞组件为了耐用而被构造成未对准地旋转)。然而，自对准活塞组件和管分段之间的这种不对准降低了管夹持组件的功效并产生由于不正确运转导致的管分段被损坏的风险。因此，本发明的自对准活塞组件还被构造成用以在不需要自对准活塞组件的不同部件进行手动再对准的情况下校正自对准活塞组件和管分段之间不理想的旋转未对准。因此，本发明的自对准活塞组件被构造成允许自对准活塞组件与管分段以未对准方式旋转，从而减轻自对准活塞组件上的应力，并然后使自对准活塞组件自动地返回至其相对于管分段的对准方位。

本发明的管夹持组件和自对准活塞组件可以被组装到任何适当的现有管送入工具中。适当的管送入工具在美国专利第7,510,006号中被说明，该专利的全部内容通过引用在此供参考。被设计用于在钻井机101中使用的管送入工具100在图1中被示出。钻井机101包括框架组件102和顶部驱动组件103。顶部驱动组件103包括驱动电动机104和从驱动电动机104向下延伸的顶部驱动输出轴105。管送入工具100包括框架组件106、可旋转轴107和连接至可旋转轴107的管接合组件108。管送入工具100的可旋转轴107可旋转地连接至顶部驱动输出轴105，使得在顶部驱动输出轴105通过顶部驱动电动机104旋转时，管送入工具100的可旋转轴107同步旋转。管送入工具100的管接合组件108包括十字支架(spider)/升降机109，该十字支架/升降机被构造成选择性地接合管分段110，从而使钻井机101能够建立顶部驱动输出轴105与管分段110之间的螺纹连接和随后建立管分段110与管柱111之间的螺纹连接。

为了建立管分段110与管柱111之间的螺纹连接，管分段110首先向上升起直到管分段110的上端延伸通过十字支架/升降机109为止。十字支架/升降机109接着被致动到接合位置以正向地接合管分段110。十字支架/升降机109与管分段110之间的接合可防止管分段110与十字支架/升降机109之间的相对旋转。顶部驱动电动机104然后被致动以使顶部驱动输出轴105旋转，所述顶部驱动输出轴接着通过可旋转轴107建立顶部驱动输出轴105与管分段110之间的螺纹连接。一旦顶部驱动输出轴105连接至管分段110，十字支架/升降机109可以被致动到分离位置以释放管分段110，使得管分段110可以与顶部驱动输出轴105的旋转同步旋转。

顶部驱动组件103接着相对于钻机框架102沿着一对导轨114下降，以将管分段110的螺纹下端115驱动成与管柱111的螺纹上端116相接触。如图1中所示，管柱111通过安装在钻台113中的中心开口112中的埋入安装的十字支架117向下延伸到井眼中。在管分段110连接至管柱111的过程期间，埋入安装的十字支架117被致动以接合管柱111，从而防止管柱111相对于埋入安装的十字支架117相对旋转。顶部驱动电动机104接着被致动以使顶部驱动输出轴105旋转，所述顶部驱动输出轴进而使管送入工具100的可旋转轴107和管分段110旋转。管分段110因此旋转成与管柱111螺纹啮合。要理解的是钻井机101和管送入工具100还被构造成使管分段110与管柱111分离(即，分开)。本发明的管夹持组件和自对准活塞组件可以一体形成到管送入工具100的十字支架/升降机109或任何其它适当的结构中。

以下参照图2A和2B所示的实施例，管夹持组件120包括一对钳夹(jaw)121,121'，该对钳夹被构造成绕着管分段110夹紧在一起。在一个实施例中，两个钳夹121,121'是相似或相同的，使得用于一个钳夹121的组成部分和/或部件的附图标记同样适用于另一个钳夹121'的组成部分和/或部件。在图示的实施例中，钳夹121,121'中的每一个容纳布置成v形结构的两个自对准活塞组件122(即，自对准活塞组件122在钳夹121,121'中径向布置)。一对钳夹121,121'中的自对准活塞组件122一起被布置成x形结构(即，在一个钳夹121中的每个自对准活塞组件122与另一个钳夹121'中的在直径方向上相对的自对准活塞组件122相对应)。然而，将要理解的是，钳夹121,121'中的每一个都可以容纳任何其它适当数量的自对准活塞组件122，例如一个至四个，并且仍然落入本发明的保护范围和精神内。此外，自对准活塞组件122可以在钳夹121,121'中布置成任何其它适当的结构，例如一列式结构，并且仍落入本发明的保护范围和精神内。

继续参照图2A和2B中图示的实施例，钳夹121,121'中的每一个都包括半环形凹口123和从半环形凹口123径向向外延伸的两个孔124,125(例如平滑圆柱形盲孔)。在钳夹121,121'绕着管分段110夹紧在一起时，半环形凹口123限定圆形开口，管分段110通过该圆形开口。如图2A和2B所示，孔124,125被构造成容纳两个自对准活塞组件122。

自对准活塞组件122被构造成在接合位置和分离位置之间被致动，使得管夹持组件120可以选择性地接合管分段110和与管分段110分离。在自对准活塞组件122被致动到接合位置时，自对准活塞组件122从钳夹121,121'中的半环形凹口123向内突出。相反，在自对准活塞组件122被致动到分离位置时，活塞组件122缩回到钳夹121,121'中的孔124,125中，使得自对准活塞组件122不会向内突出超过钳夹121,121'中的半环形凹口123。自对准活塞组件122在图2A中被图示为缩回的分离位置，而在图2B中被图示为伸出的接合位置。

在伸出位置，自对准活塞组件122被构造成正向地接合管分段110，以防止管分段110与管夹持组件120之间相对旋转。因此，顶部驱动输出轴105可以通过致动顶部驱动电动机104被螺纹连接成与管分段110接合。要理解的是，自对准活塞组件122与管分段110之间的正向接合还能够使钻油机101将管分段110从顶部驱动输出轴105分离。在缩回位置，自对准活塞组件122与管分段110分离，以便允许管分段110与顶部驱动输出轴105同步旋转。因此，在自对准活塞组件122与管分段110分离时，顶部驱动电动机104可以建立管分段110与管柱111之间的螺纹连接(即，顶部驱动电动机104可以被致动以使顶部驱动输出轴105旋转，顶部驱动输出轴105进而使管分段110与管柱111螺纹接合，从而通过埋入安装的十字支架117或其它适当结构而被保持在适当位置)。

自对准活塞组件122可以通过诸如气动电动机、电力电动机、液压电动机、或它们的任何组合的任何适当的装置在接合位置和分离位置之间被致动。在图2A和2B中图示的实施例中，自对准活塞组件122被构造成通过液压电动机被致动。每个钳夹121,121'都包括至少一个延伸端口126和至少一个缩回端口127。在图示的实施例中，延伸端口126的数量和缩回端口127的数量与容纳在每个钳夹121,121'中的自对准活塞组件122的数量相对应(即，每个钳夹121,121'容纳两个自对准活塞组件122并包括两个延伸端口126,126'和两个缩回端口127,127')。延伸端口和缩回端口126,127被构造成在接合位置和分离位置之间致动自对准活塞组件122中的一个，而延伸端口和缩回端口126,127'被构造成在接合位置和分离位置之间致动另一个自对准活塞组件122。然而，将会理解的是延伸端口126的数量和缩回端口127的数量可以不同于活塞组件122的数量。例如，在一个实施例中，每个钳夹121,121'可以容纳两个自对准活塞组件122并可以具有单个延伸端口126和单个缩回端口127。

延伸端口126,126'被构造成连接至输送增压液压流体的液压系统，以将自对准活塞组件122致动到图2B所示的接合伸出位置。缩回端口127,127'被构造成连接至输送增压液压流体的液压系统，从而将自对准活塞组件122致动到图2A所示的分离缩回位置。在图示的实施例中，管夹持组件100包括连接至延伸端口126中的一个的t形接头128、连接至另一个延伸端口126'的弯管接头129、和在t形接头128与弯管接头129之间延伸的液压管线130。增压液压流体被构造成流入t形接头128中，而t形接头128被构造成相等地分流两个延伸端口126,126'之间的增压液压流体流。类似地，在图示的实施例中，管夹持组件100包括连接至缩回端口127中的一个的t形接头131、连接至另一个缩回端口127'的弯管接头132、和在t形接头131与弯头管接头132之间延伸的液压管线133。增压液压流体被构造成流入t形接头131，而t形接头131被构造成相等地分流两个缩回端口127,127'之间的增压液压流体流。

继续参照图2A和2B，当自对准活塞组件122在接合位置(图2B)和分离位置(图2A)之间被致动时，每一个自对准活塞组件122都被构造成沿着轴135滑动。轴135固定地容纳在钳夹121,121'中的孔124,125中。在图2B和2D的实施例中，每个轴135都包括圆柱形主体部136和从圆柱形主体部136向内突出的细长圆柱形杆137。细长圆柱形杆137的至少一部分开有键槽(即，轴135包括沿着细长圆柱形杆137纵向延伸并绕着细长圆柱形杆137沿圆周方向设置的一系列凹口或沟槽138)。如下方进一步详细描述，花键轴135被构造成限制自对准活塞组件122的一些部件的旋转和允许自对准活塞组件122的一些其它部件的旋转，以便使活塞组件122与管分段110自对准。

仍然参照图2B，每一个自对准活塞组件122可滑动地容纳在压盖140中。压盖140被构造成在自对准活塞组件122周围形成流体密封(例如，压盖140被构造成防止液压流体从管夹持组件120漏出)。压盖140固定地容纳在钳夹121,121'中的孔124,125中。在一个实施例中，压盖140压配合或摩擦配合到钳夹121,121'中的孔124,125中。如图2C中所示，每个压盖140都包括外圆柱面141和在压盖140的内端143和外端144之间分别延伸的中心开口142(例如，平滑的圆柱形孔)。压盖140中的中心开口142被构造成可滑动地容纳自对准活塞组件122(即，当自对准活塞组件122在接合位置和分离位置之间被致动时，自对准活塞组件122在压盖140的中心开口142中滑动)。每个压盖140还包括从内端143向外延伸的矩形凹部145。在自对准活塞组件122处于缩回分离位置(参见图2A)时，在下方详细说明的压模组件被容纳在压盖140中的矩形凹部145中。在自对准活塞组件122处于伸出接合位置(参见图2B)时，压模组件从矩形凹部145伸出并超过压盖140的内端143。在图示的实施例中，每个压盖140的外圆柱面141还包括一对相对的弧形凹口(在图2C中仅一个凹口146可见)。在压盖140被容纳在钳夹121,121'中的孔124,125中时，如图2A和2B所示，销147被构造成向下延伸通过钳夹121,121'中的开口148并延伸到弧形凹口146中，从而使压盖140固定地连接至钳夹121,121'。

以下参照图3A和3B中图示的实施例，每个自对准活塞组件122都包括活塞主体150、被构造成连接至活塞主体150的内端152的压模组件151、被构造成容纳在活塞主体150中的多个弹簧153、被构造成连接至活塞主体150的外端155的辊子组件154、设置在弹簧153和辊子组件154之间的凸轮156、和设置在凸轮156和弹簧153之间的推力轴承组件157。

以下参照图4A-4F中图示的实施例，凸轮156包括中心轮毂160和包围轮毂160的轮缘161。在图示的实施例中，轮毂160为薄壁圆柱形突出部，所述薄壁圆柱形突出部具有平滑外表面162以及具有多个脊状部或齿部164的开有键槽的内表面163(即，凸轮156包括沿着轮毂160的内表面163纵向延伸和绕着轮毂160的内表面163沿圆周方向设置的多个脊状部或齿部164)。轮毂160的开有键槽的内表面163被构造成接合花键轴135(即，凸轮156上的齿部164被构造成与花键轴135中的沟槽138相啮合)。凸轮156上的齿部164和轴135中的沟槽138之间的接合被构造成防止凸轮156绕着轴135旋转，但是允许凸轮156沿着轴135轴向滑动，其重要性将在以下说明(即，开有键槽的凸轮156相对于花键轴135保持能够旋转地被固定，并且被构造成沿着花键轴135轴向平移)。

继续参照图4A-4F，凸轮156的轮缘161限定通道或凸轮表面165，当自对准活塞组件122上的压模组件151旋转成与管分段110对准以及旋转成与管分段不对准时，辊子组件154上的辊子166被构造成沿着该通道或凸轮表面165滚动。在图示的实施例中，凸轮表面165包括相对的第一凹部或井状部(well)167和第二凹部或井状部168以及相对的第一顶端或顶点169和第二顶端或顶点170(即，第一井状部167和第二井状部168在轮缘161上彼此径向相对，和第一顶点169和第二顶点170在轮缘161上彼此径向相对)。此外，在图示的实施例中，凸轮表面165中的顶点169,170从井状部167,168径向分隔开大约90度。凸轮表面165还包括在相邻的井状部167、168和顶点169、170之间延伸的四个倾斜表面分段171、172、173、174。如下方更详细地描述，波状外形的凸轮表面165被构造成将压模组件151的旋转运动(即，自对准活塞组件122上的压模组件151旋转成与管分段110对准以及旋转成与管分段不对准时)转换成凸轮156沿着花键轴135的轴线的往复线性运动。

继续参照图4B、4C、4E和4F，凸轮156还包括从凸轮156的内端176向外延伸的环形凹部175。环形凹部175绕着轮缘161的周边延伸。环形凹部175还限定环形唇状部177。环形凹部175被构造成容纳轴承组件157。在图2A和2B所示的实施例中，推力轴承组件157包括推力轴承180、设置在推力轴承180的外端上的止推垫圈181、和设置在推力轴承180的内端上的一对止推垫圈182、183。推力轴承180可以为诸如推力短圆柱滚子轴承或推力滚珠轴承的任何适当类型的推力轴承。凸轮156上的环形唇状部177被构造成支持推力轴承180和设置在推力轴承180的相对侧的两个止推垫圈181、182的内径。

以下参照图5A-5D中图示的实施例，辊板组件154包括：平坦圆板185，平坦圆板185具有内表面186和与内表面186相对的外表面187；和诸如平滑圆形通孔的中心开口188，该中心开口在内表面186和外表面187之间延伸。辊板组件154中的中心开口188被构造成容纳花键轴135(即，圆板185中的中心开口188的内径比花键轴135上的细长圆柱形杆137的外径大，使得细长圆柱形杆137可以延伸通过中心开口188)。圆板185中的中心开口188被构造成允许辊板组件154绕着花键轴135旋转并沿着花键轴135轴向滑动，其重要性在下方说明。

继续参照图5A-5D，辊板组件154还包括连接至圆板185的内表面186的两个夹板189、190。夹板189、190可以通过诸如粘结、焊接、机械紧固或其组合的任何适当的方法与平坦圆板185一体形成或与平坦圆板185分开形成并连接至平坦圆板185。每个夹板189、190都包括两个靠近隔开的支腿191,192和使支腿191,192的外端相互连接的杆部193。每个夹板189,190的支腿191,192每一个还分别包括开口194,195。每个夹板189,190中的一对开口194,195被构造成一起支撑轮轴196。每个夹板189,190的轮轴196被构造成可旋转地支撑辊子166(即，辊子166被构造成绕着轮轴196旋转)。如图5A和5B所示，夹板189,190绕着平坦圆板185径向定向。在图示的实施例中，辊板组件154包括两个辊子166，然而辊板组件154也可以包括任何其它适当数量的辊子166，例如一个至四个辊子，并且这仍然落入本发明的保护范围和精神内。如在下方更详细地说明，当压模组件151移动成与管分段110对准以及移动成与管分段110不对准时，辊板组件154上的辊子166被构造成沿着凸轮156的凸轮表面165滚动。

辊板组件154还包括绕着平坦圆板185沿圆周方向设置的多个开口197。在圆板185中沿圆周方向设置的开口197被构造成容纳多个紧固件198，多个紧固件198将辊板组件154连接至活塞主体150，如图2A和2B所示。在图示的实施例中，辊板组件154还包括多个凹陷部199，凹陷部199包围开口197并从平坦圆板185的外表面187向内延伸。多个凹陷部199被构造成容纳紧固件198的将辊板组件154连接至活塞主体150的至少一部分。

以下参照图6A-6C图示的实施例，活塞主体150包括较小的圆柱形部分200和较大的圆柱形部分201。在图示的实施例中，较大的圆柱形部分201位于较小的圆柱形部分200的外端。较大的圆柱形部分201包括外表面202和与外表面202相对的内表面203。活塞主体150还包括从较大的圆柱形部分201的外表面202向内延伸的环形凹部204。环形凹部204被构造成容纳辊板组件154的圆板185(即，圆板185被构造成位于环形凹部204中)。在一个实施例中，在自对准活塞组件122被组装时，辊板组件154的圆板185的外表面187与活塞主体150的较大的圆柱形部分201的外表面202齐平。在可选实施例中，辊板组件154的外表面187可以在活塞主体150的环形凹部204中凹入或可以从活塞主体150的外表面202向外突出。活塞主体150的较大的圆柱形部分201还包括诸如螺纹盲孔的多个开口205，开口205从环形凹部204向内延伸并沿圆周方向绕着环形凹部204设置。螺纹盲孔205被构造成容纳多个紧固件198，多个紧固件198将辊板组件154固定至活塞主体150。虽然在图示的实施例中，活塞主体150包括8个螺纹盲孔205，活塞主体150可以具有任何其它适当数量的螺纹盲孔205，例如2至12个。在可选实施例中，活塞主体150中的开口205可以为平滑盲孔，而将辊板组件154固定至活塞主体150的紧固件198可以为自攻紧固件。

继续参照图6A-6C，活塞主体150还包括中心轴向凹部206(例如，平滑圆柱形盲孔)，中心轴向凹部206被构造成容纳轴135的开有键槽的圆柱形杆部分137。中心轴向凹部206的尺寸形成为使得当自对准活塞组件122在接合位置(图2B)和分离位置(图2A)之间被致动时，活塞主体150可以沿着轴135的圆柱形杆部分137滑动。活塞主体150中的中心轴向凹部206的深度限定活塞主体150的最大行程(即，活塞主体150中的中心轴向凹部206的深度限定自对准活塞组件122可以向内延伸以接合管分段110的延伸长度)。活塞主体150还包括从较大圆柱形部分201中的环形凹部204向内延伸的凹陷部207(例如，平滑盲孔)。在图示的实施例中，凹陷部207比活塞主体150中的中心轴向凹部206更大并与中心轴向凹部206同心。凹陷部207被构造成容纳凸轮156，并且尺寸形成为使得凸轮156能够在活塞主体150内并沿着轴135的开有键槽的圆柱形杆137滑动，其重要性在下方说明(即，活塞主体150中的凹陷部207的深度具有能够使凸轮156在活塞主体150内滑动的尺寸)。活塞主体150还包括从凹陷部207向内延伸的多个较小弧形凹口208。在图示的实施例中，弧形凹口208沿圆周方向绕着活塞主体150中的中心轴向凹部206等距离设置，如图6C所示。弧形凹口208被构造成将弹簧153容纳和保持在活塞主体150中。虽然在图示的实施例中，活塞主体150包括6个弧形凹口208，但是活塞主体150也可以根据容纳在活塞主体150中的弹簧153的数量具有任何其它适当数量的弧形凹口208，例如1-10个。

如图6B所示，活塞主体还包括圆柱形凹部209(例如，平滑盲孔)和绕着圆柱形凹部209设置的多个开口210。圆柱形凹部209和多个开口210从活塞主体150的较小圆柱形部分200的内表面211向外延伸。圆柱形凹部209被构造成容纳压模组件151的一部分，而多个开口210被构造成容纳多个紧固件212，多个紧固件212将压模组件151连接至活塞主体150的内端152。开口210可以根据将压模组件151连接至活塞主体150的紧固件的类型(例如，自攻紧固件)为平滑盲孔或螺纹盲孔。

以下参照图7A-7E中图示的实施例，压模组件151包括压模托架215和被构造成通过压模托架215支撑的压模插入件216。在自对准活塞组件122处于伸出接合位置(参见图2B)时，压模组件151被构造成连接至活塞主体150的内端152并与管分段110接合。压模托架215包括大致矩形的主体部分217，大致矩形的主体部分217具有沿纵向方向延伸的一对长侧部218,219和沿横向方向延伸的一对窄侧部220,221。压模托架215还包括分别从矩形主体部分217的长侧部218,219向外延伸的一对支脚222,223。每一个支脚222,223在连接至主体部分217的较厚互连部分224和与较厚部分224相对的相对较薄的自由部分225之间逐渐变细。在图示的实施例中，每一个支脚222,223还包括被构造成容纳紧固件212的两个开口226,227，紧固件212将压模托架215连接至活塞主体150的内端152(即，将压模组件151连接至活塞主体150的紧固件212延伸通过压模托架215中的开口226,227并进入到活塞主体150的内端152中的开口210中)。在图示的实施例中，压模托架215还包括绕着每一个开口226,227的孔口面228，从而使将压模托架151连接至活塞主体150的紧固件212相对压模托架215齐平放置。压模托架215还包括从矩形主体部分217的外表面230向外延伸的圆柱形突出部229。圆柱形突出部229被构造成容纳在活塞主体150的内端152中的圆柱形凹部209中。

如图7E最佳地示出，压模托架215还包括在矩形主体部分217的窄侧部220、221之间沿纵向方向延伸的窄矩形通道231。窄通道231被构造成可滑动地容纳压模插入件216。在图示的实施例中，压模插入件216为具有引起摩擦的内表面232的大致矩形板，该引起摩擦的内表面232例如为压纹表面、脊状部、蚀刻、条纹、涂层或其任何组合。插入件216的引起摩擦的内表面232被构造成在自对准活塞组件122处于伸出接合位置(图2B)时接合管分段110。压模托架215还包括分别在矩形主体部分217的窄侧部220、221中的一对凹口233、234。凹口233、234被构造成分别容纳端盖235、236，端盖235、236被构造成将压模插入件216保持在压模托架215中的窄通道231中。

以下将参照图8A-8D说明自对准活塞组件122的操作。在正常操作状态下，压模组件151被构造成沿着管分段110垂直(即，纵向)定向。此外，在正常操作状态下，辊板组件154上的辊子166初始位于凸轮156的井状部167、168中，如图8A和8C所示。因此，井状部167、168在凸轮156中的定位限定压模组件151相对于管分段110的起始方位。然而，如果压模组件151在期间操作(例如，由于离心荷载)旋转成与管分段110不对准(图8B中箭头240)，则辊子166沿着凸轮表面165朝向顶点169、170滚动，如图8B和8D中所示(即，如果压模组件151相对于管分段110沿不垂直对准方向旋转(箭头240)，则辊子166滚动出井状部167、168并朝向凸轮156上的顶点169、170滚动)。

当辊子166朝向凸轮156上的顶点169、170旋转时，凸轮156沿着轴135的开有键槽的细长杆137向内移动(图8B中箭头241)，从而压缩容纳在活塞主体150中的弹簧153(即，由于辊板组件154固定地连接到活塞主体150，当辊子166沿着凸轮表面165的倾斜部分朝向凸轮156上的顶点169、170向上滚动时，凸轮156被沿着轴135朝向压模组件151向内推动(箭头241))。在一个实施例中，弹簧153初始处于预压缩状态下，并且在辊子166朝向凸轮156上的顶点169、170旋转时被进一步压缩成较高势能状态，并且凸轮156沿着轴135被向内推动(箭头241)。存储在压缩弹簧153中的较高势能趋于推动辊子166沿着凸轮表面165的倾斜部分向下返回滚动并进入到凸轮156中的井状部167、168中(即，通过压缩弹簧153提供的力趋于将辊板组件154上的辊子166向下偏压到凸轮156中的井状部167、168中)。当辊子166滚回到凸轮156中的井状部167、168中时，凸轮156沿着轴135的开有键槽的细长杆137向外移动(图8A中的箭头242)并进入其初始位置中，从而减小弹簧153中的压缩(即，弹簧153返回至其预压缩的初始状态)。因此，弹簧153推动辊板组件154上的辊子166向下滚回到凸轮156中的井状部167、168中，使得压模组件151返回至相对于管分段110的垂直对准位置。

如果压模组件151旋转(图8B中的箭头240)小于90度而不与管分段110对准，则辊子166不会到达凸轮156上的顶点169、170，顶点169、170与凸轮156中的井状部167、168径向分隔开大约90度。因此，如果压模组件151旋转(图8B中的箭头240)小于90度，则辊子166和凸轮156将操作以推动压模组件151旋转(图8A中的箭头243)返回至其相对于管分段110的初始垂直对准方位(即，辊子166将被向回推动到其初始位于的井状部167、168中)。

如果压模组件151在大约90度和270度之间旋转(图8B中的箭头240)而与管分段110不对准，则辊子166将滚动越过凸轮156中的顶点169、170。因此，如果压模组件151在90度和270度之间旋转(箭头240)，则辊子166、弹簧153和凸轮156将操作，从而推动压模组件151旋转(图8A中的箭头244)到与其初始方位相颠倒的垂直方位(即，如果压模组件151的旋转推动辊子166滚动越过凸轮156上的顶点169、170，则弹簧153将推动辊子166向下滚动到与其初始位于的井状部167、168相对的凸轮156中的井状部167、168中，并且压模组件151将返回到相对于管分段110的对准垂直方位)。因此，在压模组件151旋转(图8B中的箭头240)小于90度而不与管分段110对准时，压模组件151通过沿逆时针方向(箭头243)旋转而返回至对准垂直方位，而在压模组件151在大约90度和270度之间旋转(图8B中的箭头240)而与管分段110不对准时，压模组件151通过沿顺时针方向(箭头244)返回至对准垂直方位。压模组件151的达到180度超过270度的每个增量旋转将交替地推动压模组件151到其相对于管分段110的初始垂直方位和与其初始方位颠倒的垂直方位。因此，与压模组件151与管分段110不对转的旋转度数无关，压模组件151被构造成通过弹簧153、凸轮156和辊子166的操作自动地返回至相对于管分段110对准(例如垂直)的方位。要理解的是，压模组件151可以关于水平轴线对称，使得压模组件151被构造成在定向成右侧朝上或颠倒的方位时恰当地接合管分段110。

活塞主体150、压模组件151、弹簧153、辊子组件154、凸轮156和推力轴承组件157可以由诸如铝、钢、合金或碳纤维增强塑料的任何适当的材料制成。活塞主体150、压模组件151、弹簧153、辊子组件154、凸轮156和推力轴承组件157可以通过诸如挤压、机械加工、冲印、压制、模制、焊接、使用添加制造技术的快速成型、或其任何组合的任何适当过程形成。

虽然已经具体参照本发明的示例性实施例详细地说明本发明，但是在此处说明的示例性实施例不意指详尽说明本发明的保护范围或对本发明的保护范围限制成公开的准确形式。本发明所属领域的技术人员将认识到：如在以下权利要求所阐述的，说明的结构和装配的方法以及操作中的变化和改变可以在意义上不背离本发明的原理、精神和保护范围的情况下被实施。虽然诸如“外”、“内”、“上部”、“下部”、“下方”、“上方”、“垂直”、“水平”和相似术语的相对术语在此处已经被使用以说明一个元件相对于另一个元件的空间关系，但是可以理解，这些术语意指包含除了附图中所描绘的方位之外的本发明的各个元件和部件的不同方位。此外，虽然本发明的管夹持组件和自对准活塞组件已经关于钻油机被说明，但要理解的是，管夹持组件和自对准活塞组件可以用在任何其它适当的应用或工业中。

Claims (20)

1.一种自对准活塞，所述自对准活塞被构造成选择性地接合管分段和与所述管分段分离，所述自对准活塞包括：

活塞主体，所述活塞主体被构造成在第一位置和第二位置之间旋转；

至少一个弹性储能构件，所述至少一个弹性储能构件连接至所述活塞主体；

辊子组件，所述辊子组件连接至所述活塞主体；和

凸轮，所述凸轮设置在所述至少一个弹性储能构件和所述辊子组件之间，

其中，所述弹性储能构件被构造成通过使所述辊子组件沿着凸轮旋转而将所述活塞主体偏压到所述第一位置。

2.根据权利要求1所述的自对准活塞，其中，所述第一位置为相对于所述管分段的预定对准方位，所述第二位置为相对于所述管分段的可变未对准方位。

3.根据权利要求1所述的自对准活塞，其中，所述至少一个弹性储能构件包括多个弹簧。

4.根据权利要求1所述的自对准活塞，还包括花键轴，其中所述自对准活塞被构造成沿着所述花键轴在与所述管分段的接合位置和分离位置之间滑动。

5.根据权利要求1所述的自对准活塞，还包括：

连接至所述活塞主体的压模组件。

6.根据权利要求1所述的自对准活塞，其中：

所述凸轮限定具有一对相对的井状部和一对相对的顶点的波状外形的凸轮表面；

所述辊子组件包括多个辊子；

所述辊子被构造成在所述活塞主体处于所述第一位置时位于所述井状部中；

所述辊子被构造成在所述活塞主体旋转到所述第二位置时沿着所述凸轮表面朝向所述顶点滚动；以及

所述至少一个弹性储能构件被构造成将所述辊子偏压到所述井状部中以使所述活塞主体返回至所述第一位置。

7.根据权利要求1所述的自对准活塞，其中，在所述活塞主体处于所述第一位置时，所述至少一个弹性储能构件处于预压缩状态，而在所述活塞主体处于所述第二位置时，所述至少一个弹性储能构件被进一步压缩成较高势能状态。

8.根据权利要求4所述的自对准活塞，其中，所述凸轮还包括轮毂，所述轮毂具有被构造成接合所述花键轴的开有键槽的表面，所述轮毂和所述轴之间的接合被构造成防止所述凸轮绕着所述开有键槽的轴旋转。

9.一种自对准活塞组件，所述自对准活塞组件被构造成选择性地接合管分段和与所述管分段分离，所述自对准活塞组件包括：

花键轴；和

活塞组件，所述活塞组件被构造成沿着所述花键轴在接合位置和分离位置之间滑动，所述活塞组件包括：

活塞壳体，所述活塞壳体被构造成在相对于所述管分段的对准位置和未对准位置之间旋转；

压模组件，所述压模组件连接至所述活塞壳体的内端；

多个弹簧，所述多个弹簧容纳在所述活塞壳体中；

凸轮，所述凸轮限定具有一对相对的井状部和一对相对的顶点的波状外形的凸轮表面；和

辊子组件，所述辊子组件连接至所述活塞壳体的外端，所述辊子组件包括多个辊子，所述多个辊子被构造成沿着所述凸轮表面滚动，

其中：

所述辊子被构造成在所述压模组件处于所述对准位置时位于所述井状部中；

所述辊子被构造成在所述压模组件旋转到所述未对准位置时沿着所述凸轮表面朝向所述顶点滚动；以及

所述弹簧被构造成将所述辊子偏压到所述井状部中以使所述压模组件返回至所述对准位置。

10.根据权利要求9所述的自对准活塞组件，其中，所述凸轮还包括轮毂，所述轮毂具有被构造成接合所述花键轴的开有键槽的表面，所述轮毂和所述轴之间的接合被构造成防止所述凸轮绕着所述花键轴旋转。

11.根据权利要求9所述的自对准活塞组件，其中，所述压模组件包括：

压模保持件；和

被构造成通过所述压模保持件支撑的压模插入件。

12.根据权利要求9所述的自对准活塞组件，其中，所述活塞壳体包括被构造成容纳所述多个弹簧的多个平滑盲孔。

13.根据权利要求9所述的自对准活塞组件，还包括：

设置在所述凸轮和所述多个弹簧之间的推力轴承。

14.一种管夹持组件，所述管夹持组件被构造成选择性地接合管分段和与所述管分段分离，所述管夹持组件包括：

第一钳夹和第二钳夹，所述第一钳夹和所述第二钳夹被构造成一起绕着所述管分段夹紧；

至少一个花键轴，所述至少一个花键轴固定地容纳在所述第一钳夹和所述第二钳夹中的每一个钳夹中；和

至少一个自对准活塞，所述至少一个自对准活塞容纳在所述第一钳夹和所述第二钳夹中的每一个钳夹中，并被构造成沿着所述花键轴在接合位置和分离位置之间滑动，所述至少一个自对准活塞中的每一个都包括：

活塞主体，所述活塞主体被构造成在第一位置和第二位置之间旋转；

至少一个弹性储能构件，所述至少一个弹性储能构件连接至所述活塞主体；

辊子组件，所述辊子组件连接至所述活塞主体；和

凸轮，所述凸轮设置在所述至少一个弹性储能构件和所述辊子组件之间，

其中，所述弹性储能构件被构造成通过沿所述凸轮旋转所述辊子组件而将所述活塞主体偏压到所述第一位置。

15.根据权利要求14所述的管夹持组件，其中，所述第一钳夹和所述第二钳夹中的每一个还包括：

延伸端口，所述延伸端口被构造成容纳增压液压流体，以将所述至少一个自对准活塞中的每一个都致动到所述接合位置；和

缩回端口，所述缩回端口被构造成容纳增压液压流体，以将所述至少一个自对准活塞中的每一个都致动到所述分离位置。

16.根据权利要求14所述的管夹持组件，还包括：

至少一个压盖，所述至少一个压盖固定地容纳在所述第一钳夹和所述第二钳夹中的每一个钳夹中，所述至少一个压盖被构造成绕着所述至少一个自对准活塞中的每一个形成流体密封。

17.根据权利要求14所述的管夹持组件，其中：

所述凸轮限定具有一对相对的井状部和一对相对的顶点的波状外形的凸轮表面；

所述辊子组件包括多个辊子；

所述辊子被构造成在所述活塞主体处于所述第一位置时位于所述井状部中；

所述辊子被构造成在所述活塞主体旋转到所述第二位置时沿着所述凸轮表面朝向所述顶点滚动；和

所述至少一个弹性储能构件被构造成将所述辊子偏压到所述井状部中，以使所述活塞主体返回至所述第一位置。

18.根据权利要求14所述的管夹持组件，其中，所述凸轮还包括轮毂，所述轮毂具有被构造成接合所述花键轴的开有键槽的表面，所述轮毂和所述轴之间的接合被构造成防止所述凸轮绕着所述花键轴旋转。

19.根据权利要求14所述的管夹持组件，还包括：

连接至所述活塞主体的内端的压模组件。

20.根据权利要求14所述的自对准活塞，其中，在所述活塞主体处于所述第一位置时，所述至少一个弹性储能构件处于预压缩状态，而在所述活塞主体处于所述第二位置时，所述至少一个弹性储能构件被进一步压缩成较高势能状态。