CN106594226B - 利用谐波齿轮实现大传动比的减速工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于石油钻井领域中利用谐波齿轮实现大传动比的减速工具，通过螺纹连接安装在钻头上部，包括涡轮总成、谐波齿轮总成、万向轴总成和减震总成。所述的谐波齿轮总成由作为动力输入的椭圆形谐波发生器、作为动力输出的柔性齿轮和与外壳固定的刚性齿轮组成；输入轴与谐波发生器之间采用过盈配合、谐波发生器使柔性齿轮发生可控弹性变形也成为椭圆形；本发明的利用谐波齿轮实现大传动比的减速工具利用谐波齿轮传动中刚性齿轮的齿数略大于柔性齿轮轴的齿数，传动比其中ZR为柔性齿轮轴齿数，ZG为刚性齿轮齿数，同时啮合的齿数多，能够实现大传动比的特性，有效的降低涡轮钻具转速，并且大幅度增大转矩，提高涡轮钻具的钻井效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油钻井领域中针对涡轮钻具的利用谐波齿轮实现大传动比的减速工具。
背景技术
提高石油钻井作业的效率是缩短建井周期、降低钻井成本的关键，而先进的涡轮钻具钻井是具有强动力输出的井下动力钻具，且涡轮钻具还具有耐高温高压、适用地层范围广的特性，是非常优良的钻井工具。但由于常规涡轮钻具具有高转速、扭矩低的缺点，不容易与现有的牙轮钻头转速匹配，而与PDC钻头或者TSP钻头配合使用时则显得转矩不够，因此涡轮钻具的钻井效率受到极大制约，这也使得钻井周期不能有效缩短，钻井成本不能明显降低。
因此，如何有效提高涡轮钻具钻井效率是当今钻井工程中急需解决的一个问题，通过减速器使涡轮钻具能与现有的牙轮钻头配合实现中低转速、大扭矩的钻进能有效地提高机械转速，是提高涡轮钻具钻井效率的一个主要方向。行星齿轮减速是目前国内外减速器涡轮钻具的一个重点研究方向之一，不过行星齿轮减速器由于受到井眼尺寸的限制，并不能实现大传动比的减速和大幅度增大扭矩，所以探寻大传动比的减速和明显增大转矩的新方式是提高涡轮钻具钻井效率的关键。
发明内容
为了探索解决现有涡轮减速器传动比小的问题，本发明提供了一种利用谐波齿轮实现大传动比的减速工具。本发明的减速工具通过椭圆形的谐波发生器作为动力输入，使柔性齿轮发生可控的弹性变形变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔性齿轮和与之配合的刚性齿轮处于完全啮合状态，且同时啮合的齿数多，柔性齿轮和刚性齿轮的齿数很接近，因此波发生器的高转速就变为柔性齿轮的低转速，从而实现涡轮钻具的大传动比减速和有效增大转矩。
本发明的技术方案是：利用谐波齿轮实现大传动比的减速工具，通过螺纹连接固定安装在钻头上部，其包括涡轮总成、谐波齿轮总成、万向轴总成和减震总成，在谐波齿轮总成前端连接万向轴总成，万向轴总成的前端连接减震总成，谐波齿轮的后端连接涡轮总成；所述涡轮总成包括上接头、防掉帽、防掉接头、支撑环、定位套筒a、上旋塞、涡轮轴、圆头平键、涡轮定子、涡轮转子、下旋塞、涡轮外壳、双工接头a、密封旋塞，在上接头前端安装支撑环，将防掉接头安装在支撑环的中心通孔，将圆头平键安装在涡轮轴上，再将涡轮转子和上旋塞依次安装在涡轮轴上，然后在防掉接头前端安装涡轮轴，将密封旋塞安装在涡轮轴前端防止泥浆进入涡轮轴空心部分，将定位套筒a和涡轮定子依次安装在上接头下端，再安装下旋塞用于固定涡轮定子，最后将涡轮外壳安装在上接头前端，利用防掉帽防止涡轮轴向下掉落，泥浆从支撑环圆周通孔进入涡轮工作腔，驱动涡轮工作，带动涡轮轴旋转，并将旋转运动通过螺纹连接向下传递。所述的谐波齿轮总成包括空心轴、上外壳、矩形密封圈a、输入轴、碟簧a、定位套筒b、谐波发生器、柔性齿轮轴、刚性齿轮、双工接头b、车式密封圈、碟簧b、对开套筒、O型密封圈，先将碟簧a和车式密封圈安装在输入轴上，然后将谐波发生器通过过盈配合安装在输入轴上，再将对开套筒安装在柔性齿轮轴上，对开套筒由两个半套筒组成，将碟簧b和O型密封圈安装在柔性齿轮轴之后，再将柔性齿轮轴通过过盈配合安装在谐波发生器外部，使柔性齿轮轴的齿轮部分变形为椭圆形再与刚性齿轮啮合，然后将刚性齿轮通过花键安装在双工接头b上，在双工接头b后端安装定位套筒b，然后将上外壳的前端和双工接头b后端通过螺纹连接，将矩形密封圈a安装好之后再将空心轴前端和输入轴后端连接，最后将空心轴和上外壳分别安装在涡轮轴前端和双工接头a前端。所述的万向轴总成包括双工接头c、活绞、球座、小球、大球、锁紧套、连杆、万向轴外壳、双工接头d，活绞、球座、小球、大球、锁紧套、连杆一起组成万向轴，锁紧套上有台肩，锁紧套与活绞通过螺纹连接，并将连杆和活绞固定在一起，球座装在活绞内，使大球和小球装在球座和连杆之间，万向轴前后两端为对称结构，万向轴的后端与柔性齿轮轴通过螺纹连接，万向轴外壳的后端与双工接头c以及双工接头b都是通过螺纹连接，万向轴外壳的前端通过螺纹与双工接头d连接。所述的减震总成包括下接头、矩形密封圈b、调整垫片、碟簧c、下外壳、推力球轴承组、矩形密封圈c，将矩形密封圈c安装在下外壳的内圆周上，然后依次将推力球轴承组、碟簧c、调整垫片、矩形密封圈b安装在下接头上，再将下接头通过螺纹与万向轴的前端连接，下接头受到的轴向冲击在经过碟簧c后传递给外壳会有所下降，最后下外壳通过螺纹与双工接头d连接。
本发明的有益效果是：（1）谐波齿轮传动能实现大传动比的减速，显著降低涡轮钻具的转速，明显提高其转矩；（2）利用谐波齿轮实现大传动比的减速工具能够实现现有的牙轮钻头与涡轮钻具速度的匹配，降低涡轮钻具对钻头的要求；（3）利用碟簧减小来自下部钻具的震动冲击，避免对谐波齿轮传动造成不利影响；（4）能够提高涡轮钻具钻井效率、降低生产成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明图1中A-A截面图。
图3是本发明图1中B-B截面图。
图4是本发明图1中C-C截面图。
图5是下接头结构示意图及其D-D截面图。
图中1.上接头，2.防掉帽，3.防掉接头，4.支撑环，5.定位套筒a，6.上旋塞，7.涡轮轴，8.圆头平键，9.涡轮定子，10.涡轮转子，11.下旋塞，12.涡轮外壳，13.双工接头a，14.密封旋塞，15.空心轴，16.上外壳，17.矩形密封圈a，18.输入轴，19.碟簧a，20.定位套筒b，21.谐波发生器，22.柔性齿轮轴，23.刚性齿轮，24.双工接头b，25.车式密封圈，26.碟簧b，27.对开套筒，28.O型密封圈，29.双工接头c，30.活绞，31.球座，32.小球，33.大球，34.锁紧套，35.连杆，36.万向轴外壳，37.双工接头d，38.下接头，39.矩形密封圈b，40.调整垫片，41.碟簧c，42.下外壳，43.推力球轴承组，44.矩形密封圈c。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参见附图1，利用谐波齿轮实现大传动比的减速工具，通过螺纹连接固定安装在钻头上部，其包括涡轮总成、谐波齿轮总成、万向轴总成和减震总成，在谐波齿轮总成前端连接万向轴总成，万向轴总成的前端连接减震总成，谐波齿轮的后端连接涡轮总成；所述涡轮总成包括上接头1、防掉帽2、防掉接头3、支撑环4、定位套筒a5、上旋塞6、涡轮轴7、圆头平键8、涡轮定子9、涡轮转子10、下旋塞11、涡轮外壳12、双工接头a13、密封旋塞14，在上接头1前端安装支撑环4，将防掉接头3安装在支撑环4的中心通孔，将圆头平键8安装在涡轮轴7上，再将涡轮转子10和上旋塞6依次安装在涡轮轴7上，然后在防掉接头3前端安装涡轮轴7，将密封旋塞14安装在涡轮轴7前端防止泥浆进入涡轮轴空心部分，将定位套筒a5和涡轮定子9依次安装在上接头1下端，再安装下旋塞11用于固定涡轮定子9，将双工接头a13连接在涡轮外壳12前端，最后将涡轮外壳12安装在上接头1前端，利用防掉帽2防止涡轮轴7向下掉落，泥浆从支撑环4圆周通孔进入涡轮工作腔，驱动涡轮工作，带动涡轮轴7旋转，并将旋转运动通过螺纹连接向下传递。
所述的谐波齿轮总成包括空心轴15、上外壳16、矩形密封圈a17、输入轴18、碟簧a19、定位套筒b20、谐波发生器21、柔性齿轮轴22、刚性齿轮23、双工接头b24、车式密封圈25、碟簧b26、对开套筒27、O型密封圈28，先将碟簧a19和车式密封圈25安装在输入轴18上，然后将谐波发生器21通过过盈配合安装在输入轴18上，再将对开套筒27安装在柔性齿轮轴22上，对开套筒27由两个半套筒组成，将碟簧b26和O型密封圈28安装在柔性齿轮轴22之后，再将柔性齿轮轴22通过过盈配合安装在谐波发生器21外部，使柔性齿轮轴22的齿轮部分变形为椭圆形再与刚性齿轮23啮合，然后将刚性齿轮23通过花键安装在双工接头b24上，在双工接头b24后端安装定位套筒b20，然后将上外壳16的前端和双工接头b24后端通过螺纹连接，将矩形密封圈a17安装好之后再将空心轴15前端和输入轴18后端连接，最后将空心轴15和上外壳16分别安装在涡轮轴7前端和双工接头a13前端。
所述的万向轴总成包括双工接头c29、活绞30、球座31、小球32、大球33、锁紧套34、连杆35、万向轴外壳36、双工接头d37，活绞30、球座31、小球32、大球33、锁紧套34、连杆35一起组成万向轴，锁紧套34上有台肩，锁紧套34与活绞30通过螺纹连接，并将连杆35和活绞30固定在一起，球座31装在活绞30内，使大球33和小球32装在球座31和连杆35之间，万向轴前后两端为对称结构，万向轴的后端与柔性齿轮轴22通过螺纹连接，万向轴外壳36的后端与双工接头c29以及双工接头b24都是通过螺纹连接，万向轴外壳36的前端通过螺纹与双工接头d37连接。
所述的减震总成包括下接头38、矩形密封圈b39、调整垫片40、碟簧c41、下外壳42、推力球轴承组43、矩形密封圈c44，将矩形密封圈c44安装在下外壳42的内圆周上，然后依次将推力球轴承组43、碟簧c41、调整垫片40、矩形密封圈b39安装在下接头38上，再将下接头38通过螺纹与万向轴的前端连接，下接头38受到的轴向冲击在经过碟簧c41后传递给外壳会有所下降，最后下外壳42通过螺纹与双工接头d37连接。
Claims (3)
1.利用谐波齿轮实现大传动比的减速工具，其特征在于：所述的减速工具包括涡轮总成、谐波齿轮总成、万向轴总成和减震总成，在谐波齿轮总成前端连接万向轴总成，万向轴总成的前端连接减震总成，谐波齿轮的后端连接涡轮总成；所述涡轮总成包括上接头(1)、防掉帽(2)、防掉接头(3)、支撑环(4)、定位套筒a(5)、上旋塞(6)、涡轮轴(7)、圆头平键(8)、涡轮定子(9)、涡轮转子(10)、下旋塞(11)、涡轮外壳(12)、双工接头a(13)、密封旋塞(14)，在上接头(1)前端安装支撑环(4)，将防掉接头(3)安装在支撑环(4)的中心通孔，将圆头平键(8)安装在涡轮轴(7)上，再将涡轮转子(10)和上旋塞(6)依次安装在涡轮轴(7)上，然后在防掉接头(3)前端安装涡轮轴(7)，将密封旋塞(14)安装在涡轮轴(7)前端防止泥浆进入涡轮轴空心部分，将定位套筒a(5)和涡轮定子(9)依次安装在上接头(1)下端，再安装下旋塞(11)用于固定涡轮定子(9)，将双工接头a(13)连接在涡轮外壳(12)前端，最后将涡轮外壳(12)安装在上接头(1)前端，利用防掉帽(2)防止涡轮轴(7)向下掉落，泥浆从支撑环(4)圆周通孔进入涡轮工作腔，驱动涡轮工作，带动涡轮轴(7)旋转，并将旋转运动通过螺纹连接向下传递；所述的谐波齿轮总成包括空心轴(15)、上外壳(16)、矩形密封圈a(17)、输入轴(18)、碟簧a(19)、定位套筒b(20)、谐波发生器(21)、柔性齿轮轴(22)、刚性齿轮(23)、双工接头b(24)、车式密封圈(25)、碟簧b(26)、对开套筒(27)、O型密封圈(28)，先将碟簧a(19)和车式密封圈(25)安装在输入轴(18)上，然后将谐波发生器(21)通过过盈配合安装在输入轴(18)上，再将对开套筒(27)安装在柔性齿轮轴(22)上，对开套筒(27)由两个半套筒组成，将碟簧b(26)和O型密封圈(28)安装在柔性齿轮轴(22)之后，再将柔性齿轮轴(22)通过过盈配合安装在谐波发生器(21)外部，使柔性齿轮轴(22)的齿轮部分变形为椭圆形再与刚性齿轮(23)啮合，然后将刚性齿轮(23)通过花键安装在双工接头b(24)上，在双工接头b(24)后端安装定位套筒b(20)，然后将上外壳(16)的前端和双工接头b(24)后端通过螺纹连接，将矩形密封圈a(17)安装好之后再将空心轴(15)前端和输入轴(18)后端连接，最后将空心轴(15)和上外壳(16)分别安装在涡轮轴(7)前端和双工接头a(13)前端；所述的万向轴总成包括双工接头c(29)、活绞(30)、球座(31)、小球(32)、大球(33)、锁紧套(34)、连杆(35)、万向轴外壳(36)、双工接头d(37)，活绞(30)、球座(31)、小球(32)、大球(33)、锁紧套(34)、连杆(35)一起组成万向轴，锁紧套(34)上有台肩，锁紧套(34)与活绞(30)通过螺纹连接，并将连杆(35)和活绞(30)固定在一起，球座(31)装在活绞(30)内，使大球(33)和小球(32)装在球座(31)和连杆(35)之间，万向轴前后两端为对称结构，万向轴的后端与柔性齿轮轴(22)通过螺纹连接，万向轴外壳(36)的后端与双工接头c(29)以及双工接头b(24)都是通过螺纹连接，万向轴外壳(36)的前端通过螺纹与双工接头d(37)连接；所述的减震总成包括下接头(38)、矩形密封圈b(39)、调整垫片(40)、碟簧c(41)、下外壳(42)、推力球轴承组(43)、矩形密封圈c(44)，将矩形密封圈c(44)安装在下外壳(42)的内圆周上，然后依次将推力球轴承组(43)、碟簧c(41)、调整垫片(40)、矩形密封圈b(39)安装在下接头(38)上，再将下接头(38)通过螺纹与万向轴的前端连接，下接头(38)受到的轴向冲击在经过碟簧c(41)后传递给外壳会有所下降，最后下外壳(42)通过螺纹与双工接头d(37)连接。
2.根据权利要求1所述的利用谐波齿轮实现大传动比的减速工具，其特征在于：所述的刚性齿轮(23)齿数略大于柔性齿轮轴(22)齿数，传动比其中ZR为柔性齿轮轴(22)齿数，ZG为刚性齿轮(23)齿数，且谐波发生器(21)为椭圆形，柔性齿轮轴(22)也被挤压为椭圆形，保证柔性齿轮轴(22)与刚性齿轮(23)有多对齿同时啮合。
3.根据权利要求1所述的利用谐波齿轮实现大传动比的减速工具，其特征在于：所述的下接头(38)可通过碟簧c(41)吸收钻进过程中的震动冲击。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20240108 Address after: 710018, 1st Floor, Building 6, Xi'an Artificial Intelligence and Robotics Industrial Park, No. 360 Caotan 9th Road, Xi'an Economic and Technological Development Zone, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee after: XI'AN SHIMAI TRANSMISSION TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 402473 station 13, 10 / F, innovation and development center, No. 19, Lingfang Avenue, Changzhou street, Rongchang District, Chongqing Patentee before: Chongqing tongyushi Technology Co.,Ltd. |