CN104989291B - 花键万向轴式螺杆钻具 - Google Patents

Abstract

花键万向轴式螺杆钻具，包括万向轴；其特征是：所述的万向轴包括转子接头、传动轴接头、连接轴；转子接头下端、传动轴接头上端各沿轴向设内孔；两内孔中均设有短渐开线内齿轮结构，并分别与齿圈配合；齿圈的外齿轮结构变位系数小于短渐开线内齿轮结构的变位系数；齿圈的齿顶面、齿根面均为齿宽方向上中部鼓出的弧形曲面，且相互平行；齿宽方向上，由中间向两端齿厚逐渐减薄；两齿圈分别与连接轴两端通过标准渐开线花键连接，连接轴的两个端面上分别通过螺纹连接球头，球头与球座的内凹球面配合且同球心，球心位于齿圈轴线上；两球座固定安装在转子接头的内孔、传动轴接头的内孔中。该万向轴结构简单、寿命长、维修方便，适应角度变化的范围广。

Description

花键万向轴式螺杆钻具

技术领域

本发明涉及井下动力钻具技术领域，具体是一种螺杆钻具。

背景技术

螺杆钻具是目前钻井工程中广泛使用的一种井下动力钻具，广泛应用在直井、定向井、水平井、从式井、修井、各种管道的穿越施工等钻井作业。螺杆钻具由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成四大部分组成。

由于马达转子在定子中做行星运动，需要通过万向轴将行星运动转化为传动轴的定轴转动；当螺杆钻具应用于定向井中时，由于造斜的需要，螺杆钻具万向轴外壳有不同角度的弯角，所以万向轴还需要补偿马达和传动轴之间的弯角。同时万向轴还要将马达产生的动力传递到传动轴上，以驱动钻头转动并产生扭矩。

万向轴的运动轨迹类似倒立的圆锥，受的力包括扭矩、轴向力和侧向力。万向轴已成为螺杆钻具中最容易破坏的零件。现在通用的万向轴为花瓣万向轴。花瓣万向轴是将厚壁管沿径向切割成互相啮合的两个分而不断开的花瓣体，封闭的切割线构成一定间隙，间隙的大小取决于弯度范围的大小，由于两个瓣体内腔通过球座及球体来承受压力，同时瓣体结构承受钻具的扭矩。由于其开式结构，在使用过程中瓣缝磨损很快，当间隙增大到一定范围时，在钻具扭矩和拉力的作用下，两瓣体极易脱开，这样必然会造成钻井事故。花瓣万向轴在工作时还受到高压泥浆的冲刷，寿命很短。所以说目前花瓣万向轴已不适应当前钻井的需要。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种花键万向轴式螺杆钻具，结构简单、寿命长、维修方便、能适应角度变化的范围广。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：花键万向轴式螺杆钻具，包括万向轴；其特征是：所述的万向轴包括动力输入的转子接头、输出动力的传动轴接头，还包括连接轴；

所述转子接头的下端沿轴向设置有内孔；传动轴接头的上端沿轴向也设置有内孔；转子接头的内孔、传动轴接头的内孔中均设有短渐开线内齿轮结构；

两个所述的短渐开线内齿轮结构分别与一齿圈配合；

所述齿圈是外齿轮结构；

所述齿圈的变位系数小于配合的所述内齿轮结构的变位系数，；

所述齿圈的齿顶面、齿根面均为齿宽方向上中部鼓出的弧形曲面，且齿顶面、齿根面平行；在齿宽方向上，由齿宽方向的中间向齿宽方向的两端齿厚逐渐减薄；这样就可以补偿螺杆钻具转子的偏心运动和万向轴的弯角；

两个所述齿圈分别与连接轴的两端通过标准渐开线花键连接，所述连接轴与两个齿圈是分体结构，当齿圈磨损后，可以只更换齿圈，维修方便，加工简单，维修费用低；也有利于齿圈与连接轴分别用不同的材料制成，节约材料又能达到更好的性能；

连接轴的两个端面上分别通过螺纹连接有一球头，球头的端面与连接轴上的台阶构成对齿圈的轴向定位，球头的外凸球面与球座的内凹球面配合，球头的外凸球面与球座的内凹球面同球心，且球心位于齿圈的轴线上；可以保证齿圈摆动与球头转动相协同不会发生干扰；

两个球座分别固定的安装在转子接头的内孔、传动轴接头的内孔中。

作为本发明的进一步改进，连接轴的一端与转子接头之间、连接轴的另一端与传动轴接头之间分别设置有一组密封结构，防止钻井液进入花键万向轴内部；每组所述密封结构包括密封套、压块、压紧圈、卡箍；

压块的一端开有沿轴向朝向连接轴中部的V型环槽，压紧圈将密封套的一端压入压块的V型环槽并同时将两组密封结构中的压块分别压紧在转子接头、传动轴接头上；两组密封结构中的压紧圈分别通过螺纹结构与转子接头、传动轴接头连接；

压块套置在连接轴上，压块的内孔的孔径比齿圈的外径小，这样还可以对齿圈构成限位；压块与齿圈端面之间设有间隙；

两组密封结构中，密封套的另一端分别通过所述卡箍固定在连接轴上。

作为本发明的进一步改进，所述转子接头和传动轴接头上均开有注油孔。组装完毕后从注油孔内注入润滑脂，保证齿圈与内齿、球头与球座始终工作在润滑环境中。

作为本发明的进一步改进，所述齿圈和转子接头、传动轴接头内孔中的齿面采用渗碳或渗氮处理，不但更耐磨，还可以传递更大扭矩。

作为本发明的进一步改进，所述的密封套采用耐油橡胶制成。

本发明的有益效果是：

1、其万向轴传递扭矩大。本发明的万向轴中传动部件是大模数齿轮结构，多齿啮合，能够传递大扭矩。

2、工作寿命长。本发明中万向轴是密封式的结构，各传动部件在充满润滑脂的环境下工作；各接触面都经过表面硬化处理，在相同的使用工况下磨损小。

3、齿圈与连接轴是两体结构，当齿面磨损后只需更换齿圈等零部件，结构简单，维修方便，维修费用低，更经济实用。

4、球头与连接轴也是分体分体结构，同样可以根据各自的功能特点选用不同的材料及加工方法，有利于控制成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1所示实施例中齿圈按照齿宽方向上齿顶面、齿根面的结构示意图；

图4为图1所示实施例中齿圈的齿厚的结构示意图。

图中：1转子接头，2球座，3齿圈，31齿顶面，32齿根面，4堵丝，5压紧圈，6密封套，7连接轴，8卡箍，9压块，10球头，11传动轴接头。

具体实施方式

如图1所示，该花键万向轴式螺杆钻具，包括万向轴，其特别之处是：该种螺杆钻具的万向轴包括连接轴7及连接在连接轴7两端的转子接头1、传动轴接头10。

转子接头1通过螺纹与马达转子相连，传动轴接头10通过螺纹与传动轴相连，将转子的行星运动通过传动轴传递到钻头上。

所述转子接头1的下端沿轴向设置有内孔；传动轴接头10的上端沿轴向也设置有内孔；转子接头的内孔、传动轴接头的内孔中均设有短渐开线内齿轮结构。

两个所述的短渐开线内齿轮结构分别与一齿圈3配合。图2所示图1的A-A剖视图，表达了转子接头、齿圈、连接轴之间的装配关系。

如图2所示，所述齿圈3是外齿轮结构。最好是将齿圈设置为大模数、小齿数的型式，传递扭矩大。

所述齿圈3的变位系数小于配合的所述短渐开线内齿轮结构的变位系数。

所述齿圈3的齿顶面31、齿根面32均为齿宽方向上中部鼓出的弧形曲面，如图3所示，且齿顶面、齿根面平行；在齿宽方向上，由齿宽方向的中间向齿宽方向的两端齿厚逐渐减薄，如图4所示。两个齿圈分别可以在转子接头1及传动轴接头10内摆动一定角度，这样就可以补偿螺杆钻具转子的偏心运动和万向轴的弯角。

两个所述齿圈3分别与连接轴7的两端通过标准渐开线花键连接，所述连接轴7与两个齿圈3是分体结构，当齿圈3磨损后，可以只更换齿圈3，维修方便，加工简单，维修费用低；也有利于齿圈3与连接轴7分别用不同的材料制成，节约材料又能达到更好的性能。

连接轴7的两个端面上分别通过螺纹连接有一球头10，球头10的端面与连接轴7上的台阶构成对齿圈3的轴向定位，球头10的外凸球面与球座2的内凹球面配合，球头10的外凸球面与球座2的内凹球面同球心，且球心位于齿圈3的轴线上；保证齿圈3摆动与球头10转动相协同、不会发生干扰，保证啮合的准确性、传动平稳。

两个球座2分别固定的安装在转子接头1的内孔、传动轴接头11的内孔中。

作为本发明的进一步改进，连接轴7的一端与转子接头1之间、连接轴7的另一端与传动轴接头11之间分别设置有一组密封结构，防止钻井液进入万向轴的内部。

每组所述密封结构包括密封套6、压块9、压紧圈5、卡箍8。

压块9的一端开有沿轴向朝向连接轴7中部的V型环槽，压紧圈5将密封套6的一端压入压块9的V型环槽，并同时将两组密封结构中的压块9分别压紧在转子接头1、传动轴接头11上；该实施例中，所述的密封套6采用耐油橡胶制成。

两组密封结构中的压紧圈5分别通过螺纹结构与转子接头1、传动轴接头11连接。

压块9套置在连接轴7上，压块9的内孔的孔径比齿圈3的外径小，这样还可以对齿圈3构成限位；压块9与齿圈3端面之间设有间隙。

两组密封结构中，密封套6的另一端分别通过所述卡箍8固定在连接轴7上。

作为本发明的进一步改进，所述转子接头1和传动轴接头11上均开有注油孔。组装完毕后从注油孔内注入润滑脂，保证齿圈与内齿、球头与球座始终工作在润滑环境中；注油完毕后，注油孔上装配堵丝4，对注油孔进行密封。

作为本发明的进一步改进，所述齿圈3和转子接头1、传动轴接头11内孔中的齿面采用渗碳或渗氮处理，不但更耐磨，还可以传递更大扭矩。

当花键万向轴工作时，转子轴向力通过球座2传递给球头10，球头再将扭矩传递给连接轴，连接轴以同样的方式传递给传动轴接头。球座与球头的球心在齿圈的中心，使齿圈旋转时始终沿自己的中心转动，保证啮合的准确性、传动平稳。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所做的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围之内。

螺杆钻具的其他技术为现有技术，不再赘述。

Claims (5)

1.花键万向轴式螺杆钻具，包括万向轴；其特征是：所述的万向轴包括动力输入的转子接头、输出动力的传动轴接头，还包括连接轴；

所述转子接头的下端沿轴向设置有内孔；传动轴接头的上端沿轴向也设置有内孔；转子接头的内孔、传动轴接头的内孔中均设有短渐开线内齿轮结构；

两个所述的短渐开线内齿轮结构分别与一齿圈配合；

所述齿圈是外齿轮结构；

所述齿圈的变位系数小于配合的所述短渐开线内齿轮结构的变位系数；

所述齿圈的齿顶面、齿根面均为齿宽方向上中部鼓出的弧形曲面，且齿顶面、齿根面平行；在齿宽方向上，由齿宽方向的中间向齿宽方向的两端齿厚逐渐减薄；

两个所述齿圈分别与连接轴的两端通过标准渐开线花键连接，连接轴的两个端面上分别通过螺纹连接有一球头，球头的端面与连接轴上的台阶构成对齿圈的轴向定位，球头的外凸球面与球座的内凹球面配合，球头的外凸球面与球座的内凹球面同球心，且球心位于齿圈的轴线上；

两个球座分别固定的安装在转子接头的内孔、传动轴接头的内孔中。

2.根据权利要求1所述的花键万向轴式螺杆钻具，其特征是：连接轴的一端与转子接头之间、连接轴的另一端与传动轴接头之间分别设置有一组密封结构，每组所述密封结构包括密封套、压块、压紧圈、卡箍；

压块的一端开有沿轴向朝向连接轴中部的V型环槽，压紧圈将密封套的一端压入压块的V型环槽并同时将两组密封结构中的压块分别压紧在转子接头、传动轴接头上；两组密封结构中的压紧圈分别通过螺纹结构与转子接头、传动轴接头连接；

压块套置在连接轴上，压块的内孔的孔径比齿圈的外径小；压块与齿圈端面之间设有间隙；

两组密封结构中，密封套的另一端分别通过所述卡箍固定在连接轴上。

3.根据权利要求1或2所述的花键万向轴式螺杆钻具，其特征是：所述转子接头和传动轴接头上均开有注油孔。

4.根据权利要求3所述的花键万向轴式螺杆钻具，其特征是：所述齿圈和转子接头、传动轴接头内孔中的齿面采用渗碳或渗氮处理。

5.根据权利要求2所述的花键万向轴式螺杆钻具，其特征是：所述的密封套采用耐油橡胶制成。