CN106402147A - 新型螺杆钻具用tc轴承组合及其tc轴承环的生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了新型螺杆钻具用TC轴承组合，包括位于同一轴心并沿轴线方向排列的多个TC轴承环和两组径向轴承,多个TC轴承环整齐排列在两组径向轴承之间，相邻的两个TC轴承环之间通过端面直接接触并可进行滑动摩擦。本发明设计了新型TC轴承环组代替原有的推力轴承组，有效规避了原有的推力轴承中滚珠易破碎的风险，避免了再使用过程中由于钢球的破碎对外圆造成损坏，简化了轴承结构、极大的增强了承载强度和轴承耐磨损性能，大幅度的提高了螺杆钻具的使用寿命。

Description

新型螺杆钻具用TC轴承组合及其TC轴承环的生产工艺
技术领域
本发明涉及石油开采技术领域，具体的说是一种新型螺杆钻具用TC轴承组合及其TC轴承环的生产工艺。
背景技术
目前，螺杆钻具已经成为应用最广泛的井下动力工具，在石油钻井和修井获得了广泛应用，如图1所示主要由旁通阀、马达总成、万向轴总成和传动轴总成等组成。
其中，传动轴总成是其最薄弱的环节，如图2所示，该部分主要由壳体、传动轴、推力轴承组、径向轴承及其他辅助零件组成；而推力轴承是其最易损坏的部位之一，主要是由于钻具在井底恶劣的环境中工作时，轴承组负荷重，且承受幅度较大的交变载荷，容易造成滚珠、滚道磨损，甚至破裂，使其平均寿命在80 ～ 100 小时之间。
某油田钻井处统计的螺杆钻具137套中，由于推力轴承损坏的约占失效总数的21.2%，传动轴总成中的推力轴承组已经成为制约螺杆钻具使用寿命的一个重要因素，因此，设计一种新型的高强度、耐磨损、耐冲击的螺杆钻具用轴承组可以极大的提高螺杆钻具的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了解决推力轴承组承受较大变荷造成磨损或破裂制约使用寿命的问题，用硬质合金代替滚珠轴承，提供了一种结构简单、承载强度高、耐磨损、增加使用寿命的新型螺杆钻具用TC轴承组合。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
新型螺杆钻具用TC轴承组合，包括位于同一轴心并沿轴线方向排列的多个TC轴承环和两组径向轴承,多个TC轴承环整齐排列在两组径向轴承之间，相邻的两个TC轴承环之间通过端面直接接触并可进行滑动摩擦。
以下是本发明对上述方案的进一步优化：
TC轴承环包括具有一定厚度环形的刚体，刚体上下两端面靠近外围的位置分别设置有凹台，凹台上间隔一定距离均匀设置有若干块长方形硬质合金块，相邻硬质合金块之间的间隙填充有碳化钨粉，碳化钨粉与硬质合金块和刚体烧结为一体结构。
进一步优化：
TC轴承环上下端面设置有多个介于硬质合金块之间的沟槽，便于钻井液进入，起到润滑及降温的作用。
进一步优化：一种用于生产上述TC轴承环向心轴承体的生产工艺，该工艺包括以下步骤：
1）下料：用圆柱刚体下料成刚体胚体；
2）锻打：将刚体胚体进行热锻；
3）粗加工：在刚体胚体检验合格后进行粗加工成向心轴承体；
4）制作衬套：衬套的长度长于向心轴承体的设计长度；
5）组装：将向心轴承体粘接硬质合金块后与衬套组装，并填装碳化钨粉和焊料；
6）烧结：将填装完焊料后的向心轴承体与衬套装入台车炉内烧结；
7）半精加工：向心轴承体进入半精加工，将向心轴承体分隔成环形的刚体，用数控车床粗车；
8）精加工：对刚体进行内孔、外圆和端面精磨。
进一步优化：步骤2）中，锻件表面应平整，不得有缺陷，不得有裂纹和翻皮，尺寸公差在±2mm范围内，保证平面度和垂直度，HB为220。
进一步优化：步骤3）中, 加工后的锻件结构为截面呈锯齿状的向心轴承体。
进一步优化：步骤5）中，包括以下工艺：
A、焊接帽头；将刚体胚体粗加工后的向心轴承体的一端焊接凸面型的帽头，帽头的外圆周与刚体密封焊接。
B、粘接硬质合金块；在向心轴承体外圆周面上的凹台内靠近两侧的位置分别用粘接剂间隔一定距离均匀粘接若干块长方形的硬质合金块，并使得若干块硬质合金块呈圆周排列。
C、装套；将粘接完硬质合金块的向心轴承体装入衬套内，并使得向心轴承体没有焊接帽头的一端与衬套一端平齐，并将该端向心轴承体与衬套的连接处密封焊接；
D、填装碳化钨粉；将碳化钨粉装入到衬套与向心轴承体具有帽头的一端之间，然后边装边振动，使得碳化钨粉完全将相邻硬质合金块之间的间隙填满；
E、填装焊料；如将焊料添加到衬套内与向心轴承体具有帽头的一端之间。
进一步优化：步骤6）中，烧结温度是按每小时400度的升温速度，在升到1200度-1300度时停炉降温，自降至500度左右时将工件取出，检验合格后进行半精加工。
进一步优化：步骤7）中，分别从向心轴承体上锯齿槽的中间位置将向心轴承体分隔成环形带凹台的刚体，并粗车。
进一步优化：步骤8）中，用内圆磨床进行内孔的精磨，精磨完内孔，进行外圆精磨，最后进行端面加工，内孔、外圆和端面的粗糙度要求达到1.6以上。
本发明设计了新型TC轴承环组代替原有的推力轴承组，有效规避了原有的推力轴承中滚珠易破碎的风险，避免了再使用过程中由于钢球的破碎对外圆造成损坏，简化了轴承结构、极大的增强了承载强度和轴承耐磨损性能，大幅度的提高了螺杆钻具的使用寿命。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
附图1是本发明背景技术中螺杆钻具的结构示意图；
附图2是本发明背景技术中传动轴结构示意图；
附图3是本发明实施例TC轴承组配合使用的结构示意图；
附图4是本发明实施例TC轴承环结构示意图；
附图5是本发明实施例TC轴承环侧视结构示意图；
附图6是本发明实施例刚体粘贴硬质合金后的结构示意图；
附图7是本发明实施例刚体与衬套组装后的结构示意图；
附图8是本发明实施例刚体与衬套组装后装入碳化钨粉的结构示意图；
附图9是本发明实施例刚体与衬套组装后填入焊料的结构示意图。
图中：1-刚体；2-硬质合金块；3-碳化钨粉；4-沟槽；5-径向轴承；6- TC轴承环；7-冒头；8-衬套；9-焊料；10-向心轴承体。
具体实施方式
实施例，如图3、图4、图5所示，新型螺杆钻具用TC轴承组合，包括位于同一轴心并沿轴线方向排列的多个TC轴承环6和两组径向轴承5，多个TC轴承环6整齐排列在两组径向轴承5之间，相邻的两个TC轴承环6通过端面直接接触并可进行滑动摩擦。
所述TC轴承环6包括具有一定厚度环形的刚体1，刚体1上下两端面靠近外围的位置分别设置有凹台，凹台上间隔一定距离均匀设置有若干块长方形硬质合金块2，相邻硬质合金块2之间的间隙填充有碳化钨粉3，碳化钨粉3与硬质合金块2和刚体1烧结为一体结构。
所述TC轴承环6上下端面设置有多个介于硬质合金块2之间的沟槽4，便于钻井液进入，起到润滑及降温的作用。
所述径向轴承5包括TC轴承和径向轴承筒，径向轴承筒分别套设在TC轴承内，径向轴承的端面上均匀排布有硬质合金块2，且端面上也加工有沟槽4，转动时径向轴承5和TC轴承环6、相邻的TC轴承环6之间直接接触，端面上都均匀排布着硬质合金块2，各部分之间发生滑动摩擦，同时钻井液可通过端面上的沟槽4进入各部分之间，对工具进行降温润滑，当受到径向冲击时，冲击力均匀的传导至轴承组的每一部分，可有效减少轴承的损坏。
所述TC轴承组合中TC轴承环6的厚度和数量可根据不同的需要进行调整。
本发明还提供了用于生产上述TC轴承环的生产工艺，包括以下步骤：
1）下料：用圆柱刚体下料成刚体胚体。
2）锻打：将刚体胚体进行热锻，锻打设备用河南安阳产的560/KG空气锤，锻件表面应平整，不得有缺陷，不得有裂纹和翻皮，尺寸公差在±2mm范围内，保证平面度和垂直度，HB为220左右。
3）粗加工：在刚体胚体检验合格后进行粗加工，加工后的结构如图6所示截面呈锯齿状的向心轴承体10，粗加工用普通车床粗车，粗车根据图纸要求，所有加工尺寸必须保证图纸的要求范围内，检验员根据图纸进行检验。
4）制作衬套：用锯床把无缝钢管切割，制成衬套8，衬套8的长度长于向心轴承体10的设计长度。
5）组装：
A、焊接帽头；如图6所示，将刚体胚体粗加工后的向心轴承体10的一端焊接凸面型的帽头7，帽头7的外圆周与刚体1密封焊接。
B、粘接硬质合金块；如图6所示，在向心轴承体10外圆周面上的凹台内靠近两侧的位置分别用粘接剂间隔一定距离均匀粘接若干块长方形的硬质合金块2，并使得若干块硬质合金块2呈圆周排列。
C、装套；如图7所示，将粘接完硬质合金块的向心轴承体10装入衬套8内，并使得向心轴承体10没有焊接帽头4的一端与衬套8一端平齐，并将该端向心轴承体10与衬套的连接处密封焊接；
D、填装碳化钨粉；如图8所示，将碳化钨粉3装入到衬套8与向心轴承体10具有帽头4的一端之间，然后边装边振动，使得碳化钨粉3完全将向心轴承体（10）上凹槽内相邻硬质合金块2之间的间隙填满；
E、填装焊料；如图9所示，将焊料添加到衬套8内与向心轴承体10具有帽头4的一端之间；
6）烧结：将填装完焊料后的向心轴承体10与衬套8装入台车炉内烧结，烧结温度是按每小时400度的升温速度，在升到1200度-1300度时停炉降温，自降至500度左右时将工件取出，检验合格后进行半精加工；
7）半精加工：工件进入半精加工，用数控线切割设备分别从向心轴承体10上锯齿槽的中间位置将向心轴承体10分隔成环形带凹台的刚体1，用数控车床CAK6360粗车，粗车时工件根据粗车图纸进行,加工完检验员按照图纸逐项检验，检验合格进入下一工序；
8）精加工：用内圆磨床对粗车后的刚体1进行内孔的精磨，精磨床是M2120A精度高，精磨完内孔，进行外圆精磨，用M131W外圆磨床精磨外圆，最后进行端面加工，使用杭州平面磨床进行端面加工，内孔、外圆和端面的粗糙度要求达到1.6以上。
9）检验：检验科严格按照图纸从下料-锻件-粗加工-烧结-半精加工-精加工每一道工序都进行认真的检验，每一道工序有相应专用量具，如三座标、硬度计等。
10）入库：产品必须达到图纸的技术要求，几何尺寸到达图纸的对应尺寸，这样，车间才可入库。
在烧结过程中，通过加入惰性气体，从而减少了硬质合金和碳化钨粉性质的变化，更增加了硬度及其耐磨性。
在机加工过程中，通过化学液体来增加钢体本身的硬度，使其表面硬度远远超过本身的硬度。
将通过本工艺加工的轴承进行各项，其实验数据如下：
推力轴承 TC轴承环
硬度（HB） 150-200 260-340
抗拉强度（Mpa） 860-920 920-960
耐磨时间（小时） 150 260
屈服强度（Mpa） 700-760 780-860
延伸率% 10-13 10-13
U型冲击功（焦耳/S m²） 65-70 72-76
端面收缩率% 40 40
通过上述实验数据对比，可以得出TC轴承环的硬度、抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功等比推力轴承高，使用时间延长。
本发明设计了新型TC轴承环组代替原有的推力轴承组，有效规避了原有的推力轴承中滚珠易破碎的风险，避免了再使用过程中由于钢球的破碎对外圆造成损坏，简化了轴承结构、极大的增强了承载强度和轴承耐磨损性能，大幅度的提高了螺杆钻具的使用寿命。

Claims (10)

1.新型螺杆钻具用TC轴承组合，包括位于同一轴心并沿轴线方向排列的多个TC轴承环（6）和两个径向轴承（5）,其特征在于：多个TC轴承环（6）整齐排列在两个径向轴承（5）之间，相邻的两个TC轴承环（6）之间通过端面直接接触并可进行滑动摩擦。
2.根据权利要求1所述的新型螺杆钻具用TC轴承组合,其特征在于：TC轴承环（6）包括具有一定厚度环形的刚体（1），刚体（1）上下两端面分别设置有环形的凹台，凹台上间隔一定距离均匀设置有若干块长方形硬质合金块（2），相邻硬质合金块（2）之间的间隙填充有碳化钨粉（3），碳化钨粉（3）与硬质合金块（2）和刚体（1）烧结为一体结构。
3.根据权利要求1所述的新型螺杆钻具用TC轴承组合,其特征在于：TC轴承环（6）上下端面设置有多个介于硬质合金块（2）之间的沟槽（4），便于钻井液进入，起到润滑及降温的作用。
4.根据权利要求1-3任一所述的TC轴承环的生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1）下料：用圆柱刚体下料成刚体胚体；
2）锻打：将刚体胚体进行热锻；
3）粗加工：在刚体胚体检验合格后进行粗加工成向心轴承体（10）；
4）制作衬套（8）：衬套（8）的长度长于向心轴承体（10）的设计长度；
5）组装：将向心轴承体（10）粘接硬质合金块后与衬套组装，并填装碳化钨粉和焊料；
6）烧结：将填装完焊料后的向心轴承体（10）与衬套（8）装入台车炉内烧结；
7）半精加工：向心轴承体（10）进入半精加工，将向心轴承体（10）分隔成环形的刚体（1），并用数控车床粗车；
8）精加工：对刚体（1）进行内孔、外圆和端面精磨。
5.根据权利要求4所述的TC轴承环的生产工艺,其特征在于：步骤2）中，锻件表面应平整，不得有缺陷，不得有裂纹和翻皮，尺寸公差在±2mm范围内，保证平面度和垂直度，HB为220。
6.根据权利要求4所述的TC轴承环的生产工艺,其特征在于：步骤3）中, 加工后的锻件结构为截面呈锯齿状的向心轴承体（10）。
7.根据权利要求4所述的TC轴承环的生产工艺,其特征在于：步骤5）中，包括以下工艺：
A、焊接帽头；将刚体胚体粗加工后的向心轴承体（10）的一端焊接凸面型的帽头（7），帽头（7）的外圆周与向心轴承体（10）密封焊接；
B、粘接硬质合金块；在向心轴承体（10）外圆周面上的凹台内靠近两侧的位置分别用粘接剂间隔一定距离均匀粘接若干块长方形的硬质合金块（2），并使得若干块硬质合金块（2）呈圆周排列；
C、装套；将粘接完硬质合金块的向心轴承体（10）装入衬套（8）内，并使得向心轴承体（10）没有焊接帽头（4）的一端与衬套（8）一端平齐，并将该端刚体与衬套的连接处密封焊接；
D、填装碳化钨粉；将碳化钨粉（3）装入到衬套（8）与向心轴承体（10）具有帽头（4）的一端之间，然后边装边振动，使得碳化钨粉（3）完全将向心轴承体（10）上凹槽内相邻硬质合金块（2）之间的间隙填满；
E、填装焊料；如将焊料添加到衬套（8）内与向心轴承体（10）具有帽头（4）的一端之间。
8.根据权利要求4所述的TC轴承环的生产工艺,其特征在于：步骤6）中，烧结温度是按每小时400度的升温速度，在升到1200度-1300度时停炉降温，自降至500度左右时将工件取出，检验合格后进行半精加工。
9.根据权利要求4所述的TC轴承环的生产工艺,其特征在于：步骤7）中，分别从向心轴承体（10）上锯齿槽的中间位置将向心轴承体（10）分隔成环形带凹台的刚体（1），并进行粗车。
10.根据权利要求4所述的TC轴承环的生产工艺,其特征在于：步骤8）中，用内圆磨床对粗车后的刚体（1）进行内孔的精磨，精磨完内孔，进行外圆精磨，最后进行端面加工，内孔、外圆和端面的粗糙度要求达到1.6以上。
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Legal Events

Date Code Title Description
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PB01 Publication
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Denomination of invention: Production technology of TC bearing ring in TC bearing assembly for screw drill

Effective date of registration: 20220506

Granted publication date: 20181012

Pledgee: Bank of Weifang Co.,Ltd. Anqiu Xing'an road sub branch

Pledgor: WEIFANG YUHONG PETROLEUM MACHINERY Co.,Ltd.

Registration number: Y2022980005110