CN109326938A - 一种随钻仪器用导电滑环装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随钻仪器用导电滑环装置。该导电滑环装包括由滑环壳体、滑环上接头、滑环下接头、滑环输出轴和滑环端盖共同组成一个密封空腔，空腔密封内充满耐高温润滑油，用于将接收到的电力和信号传递给滑环内芯系统或将滑环内芯系统发出的电力和信号发送出去的电力和信号传输装置和用于将接收到的电力和信号传递给电力和信号传输装置或将电力和信号传输装置发出的电力和信号发送出去的滑环内芯系统。本发明通过机械导电滑环解决井下随钻仪器具有相对转动的两个结构之间电力和信号的传输问题，结构简单，不涉及复杂的电路，成本低，可靠性高。不存在电力传输效率问题，以及信号传输误码率问题。耐温、耐压、耐振动能力强。应用面比较广泛。

Description

一种随钻仪器用导电滑环装置

技术领域

本发明属于精密电连接技术领域，尤其涉及一种随钻仪器用导电滑环装置。

背景技术

随钻仪器用于井下工作，作业环境十分恶劣，集聚高温、高压力、强振动、强冲击，并且需要在泥浆环境中工作。在这种情况下电力和信号的传输就成为一个很大的问题，特别是有相对转动的两个结构之间，电力和信号的传输将变得极不可靠，只有采用电磁波无线通信技术或无线电力传输技术实现传输，但是电磁波无线通信技术，只能仪器之间的通信问题，并没有解决电力传输的问题，并且电路比较复杂，成本较高，电路高温化难度较大。

而无线电力传输技术，在井下复杂环境中工作故障率较高，并且在泥浆环境中电能传输效率有限，信号的传输存在误码率的问题，电路比较复杂，成本较高，电路高温化难度较大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种解决井下随钻仪器具有相对转动的两个结构之间电力和信号的传输问题，如用在发电机定转子之间、旋转导向工具结构中、螺杆钻具定转子之间等，且结构简单，不涉及复杂的电路，成本低，可靠性高。耐温、耐压、耐振动能力强的随钻仪器用导电滑环装置。

本发明的技术方案是：一种随钻仪器用导电滑环装置，该导电滑环装包括滑环壳体、滑环上接头、滑环下接头、滑环输出轴、滑环端盖、支撑体、滑环内芯系统和电力和信号传输装置；

其中，所述滑环壳体、滑环上接头、滑环下接头、滑环输出轴和滑环端盖共同组成一个密封空腔，所述空腔密封内充满耐高温润滑油，

所述滑环上接头，用于电力和信号输入端或输出端，

所述滑环输出轴，用于电力和信号输入端或输出端；

所述电力和信号传输装置，用于将接收到的电力和信号传递给所述滑环内芯系统或将所述滑环内芯系统发出的电力和信号发送出去；

所述滑环内芯系统，用于将接收到的电力和信号传递给所述电力和信号传输装置或将所述电力和信号传输装置发出的电力和信号发送出去。

进一步，所述支撑体与钻铤通过销钉固定连接，所述支撑体的内侧设有泥浆通道，所述滑环壳体通过螺钉固定在所述支撑体的内部，且所述滑环壳体两端伸出所述支撑体外部，所述滑环上接头设置在所述滑环壳体的一端，所述滑环下接头设置在所述滑环壳体的另一端，所述滑环端盖设置在所述滑环下接头另一端的端部，所述电力和信号传输装置设置在所述滑环上接头内部，并伸入到所述滑环壳体内部的滑环空腔内与所述滑环内芯系统的一端连接；

输出轴支撑轴承设置在所述滑环下接头的内部，所述输出轴支撑轴承的内圈通过锁紧螺母锁紧，所述滑环壳体与滑环下接头连接处设有波形弹簧，通过压紧所述波形弹簧从而预紧输出轴支撑轴承外圈，所述滑环输出轴的一端穿过所述滑环下接头的内部安装在所述输出轴支撑轴承上，与所述滑环内芯系统的一端固接，另一端与随钻仪器相对转动的结构连接；

所述滑环壳体设有充油口，所述充油口与所述滑环空腔连通，所述充油口上设有充油孔堵头。

进一步，所述滑环内芯系统包括滑环转子、滑环定子、护套和转子支撑轴承；

其中，所述转子支撑轴承固定设置在所述护套的内部，所述滑环定子安装在所述转子支撑轴承上，所述滑环转子设置在所述滑环定子内部，且一端与通过销钉与所述滑环输出轴连接；所述滑环定子内部镶嵌定子电刷，所述滑环转子表面镶嵌表面镀金铜环，所述定子电刷与所述镀金铜环时刻接触。

进一步，所述护套上设有止转螺钉，所述止转螺钉与滑环定子通过连接，当所述止转螺钉嵌入所述滑环空腔内侧壁上的止转键槽中时，从而使护套15与滑环定子相对滑环壳体不转动。

进一步，所述电力和信号传输装置包括承压连接器插针、承压连接器插座和中转接护套；

所述承压连接器插针的一端插入与所述承压连接器插座内，所述中转接护套设置在所述压连接器插针和承压连接器插座的两端。

进一步，所述护套是采用耐高温非金属材料制成，所述耐高温非金属材料包括PEEK或者尼龙。

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明通过机械导电滑环，解决井下随钻仪器具有相对转动的两个结构之间电力和信号的传输问题，结构简单，不涉及复杂的电路，成本低，可靠性高。不存在电力传输效率问题，以及信号传输误码率问题。耐温、耐压、耐振动能力强。应用面比较广泛。

附图说明

图1为本发明一种随钻仪器用导电滑环装置的外部结构示意图。

图2为本发明一种随钻仪器用导电滑环装置的内部结构示意图。

图3为图2的B-B的剖视示意图。

图4为本发明一种随钻仪器用导电滑环装置的纵剖示意图。

图5为本发明一种随钻仪器用导电滑环装置的左视图。

图中：

1-滑环壳体、 1.1-平衡活塞行程缸、 1.2-第一密封O圈 、1.3-止转键槽、 1.4-压力平衡孔 、2-滑环上接头、 2.1-第二密封O圈 、3-滑环下接头 、4-滑环输出轴 、5-滑环端盖、6-滤网、 7-支撑体 、7.1-泥浆通道 、8-承压连接器插针、 9-承压连接器插座、10-转接护套 、11-压力平衡活塞、 12-充油孔堵头、 13-滑环转子、 14-滑环定子 、14.1-定子电刷15-护套 、15.1-止转螺钉 、16-转子支撑轴承、 17-输出轴支撑轴承、 18-波形弹簧、 19-锁紧螺母 、20-动密封圈 、21-导线 、22-销钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1-图5所示，本发明一种随钻仪器用导电滑环装置，该导电滑环装包括滑环壳体、滑环上接头、滑环下接头、滑环输出轴、滑环端盖、支撑体、滑环内芯系统和电力和信号传输装置；

其中，所述滑环壳体、滑环上接头、滑环下接头、滑环输出轴和滑环端盖共同组成一个密封空腔，所述空腔密封内充满耐高温润滑油，

所述滑环上接头，用于电力和信号输入端或输出端，

所述滑环输出轴，用于电力和信号输入端或输出端；

所述电力和信号传输装置，用于将接收到的电力和信号传递给所述滑环内芯系统或将所述滑环内芯系统发出的电力和信号发送出去；

所述滑环内芯系统，用于将接收到的电力和信号传递给所述电力和信号传输装置或将所述电力和信号传输装置发出的电力和信号发送出去。

所述支撑体与钻铤通过销钉固定连接，所述支撑体的内侧设有泥浆通道，所述滑环壳体通过螺钉固定在所述支撑体的内部，且所述滑环壳体两端伸出所述支撑体外部，所述滑环上接头设置在所述滑环壳体的一端，所述滑环下接头设置在所述滑环壳体的另一端，所述滑环端盖设置在所述滑环下接头另一端的端部，所述电力和信号传输装置设置在所述滑环上接头内部，并伸入到所述滑环壳体内部的滑环空腔内与所述滑环内芯系统的一端连接；

输出轴支撑轴承设置在所述滑环下接头的内部，所述输出轴支撑轴承的内圈通过锁紧螺母锁紧，所述滑环壳体与滑环下接头连接处设有波形弹簧，通过压紧所述波形弹簧从而预紧输出轴支撑轴承外圈，所述滑环输出轴的一端穿过所述滑环下接头的内部安装在所述输出轴支撑轴承上，与所述滑环内芯系统的一端固接，另一端与随钻仪器相对转动的结构连接；

所述滑环壳体设有充油口，所述充油口与所述滑环空腔连通，所述充油口上设有充油孔堵头。

该装置还包括压力平衡系统，所述压力平衡系统包括至少一个平衡活塞行程缸、压力平衡活塞、滤网和压力平衡孔；

其中，至少一个所述平衡活塞行程缸设置在所述滑环壳体内部，所述压力平衡活塞设置在所述平衡活塞行程缸内部，所述压力平衡孔设置在所述滑环壳体上，所述压力平衡孔一端与所述平衡活塞行程缸连通，另一端与钻铤的泥浆通道联通，所述滤网设置在所述压力平衡孔与所述钻铤的泥浆通道联通的一端的端部。

所述滑环内芯系统包括滑环转子、滑环定子、护套和转子支撑轴承；

其中，所述转子支撑轴承固定设置在所述护套的内部，所述滑环定子安装在所述转子支撑轴承上，所述滑环转子设置在所述滑环定子内部，且一端与通过销钉与所述滑环输出轴连接；所述滑环定子内部镶嵌定子电刷，所述滑环转子表面镶嵌表面镀金铜环，所述定子电刷与所述镀金铜环时刻接触。

所述护套上还设有止转螺钉，所述止转螺钉与滑环定子通过连接，当所述止转螺钉嵌入所述滑环空腔内侧壁上的止转键槽中时，从而使护套与滑环定子相对滑环壳体不转动。

所述电力和信号传输装置包括承压连接器插针、承压连接器插座和中转接护套；

所述承压连接器插针的一端插入与所述承压连接器插座内，所述中转接护套设置在所述压连接器插针和承压连接器插座的两端。

所述护套采用耐高温非金属材料制成，所述耐高温非金属材料包括PEEK或者尼龙。

该导电滑环装置还包括动密封圈，所述动密封圈设置在滑环下接头端部槽内，然后通过滑环端盖固定住，滑环下接头端部槽和滑环端盖左端面与动密封圈20接触的面光洁度Ra≤0.8微米，滑环输出轴与动密封圈20的接触面光洁度Ra≤0.2微米；所述动密封圈工作温度能达到-100℃到+260℃，密封内外压差最大15Mpa；所述滑环输出轴与动密封圈的接触面洛氏硬度HRC≥55。

所述滑环输出轴采用硬质合金加工，或者表面喷陶瓷等技术使硬度提升。

滑环在使用过程中并没有方向性，也就是滑环上接头2作为电力和信号输入端，滑环输出轴4作为输出端。也可以将滑环输出轴4作为电力和信号输入端，滑环上接头2作为输出端。可以根据滑环使用的具体结构做相应的选择。

滑环过电力和信号线的芯数可根据具体需要进行选择，可以是单芯也可以是多芯，只需相应改变承压连接器插针8和承压连接器插座9的针芯数，并相应改变滑环转子13上导电环的个数和滑环定子14上定子电刷14.1的个数。扩展方便，适应的应用场合不受过电力和信号的芯数限制。

下面以滑环上接头2作为电力和信号输入端，滑环输出轴4作为输出端，并且过单芯，为基础对技术方案进行详细介绍。

所述导电滑环系统包括滑环壳体1、滑环上接头2、滑环下接头3、滑环输出轴4、滑环端盖5、支撑体7组成。滑环输出轴4相对于其它部分转动。滑环壳体1、滑环上接头2、滑环下接头3、滑环输出轴4、滑环端盖5、动密封圈20共同组成一个密封空腔，空腔内充满耐高温润滑油。

支撑体7与滑环壳体1通过螺钉固定连接，支撑体7与钻铤通过销钉固定连接，从而将滑环本体支撑在仪器钻铤内部，根据不同仪器钻铤通孔大小不同，支撑体7的外径可以改变。泥浆可以通过泥浆通道7.1流经滑环本体。

滑环上接头2与滑环壳体1通过法兰方式或者螺纹方式连接，通过密封O圈2.1绝对密封，防止外部泥浆进入，或者内部润滑油外泄。

滑环壳体1与滑环下接头3通过螺纹方式连接，通过密封O圈1.2绝对密封，防止外部泥浆进入，或者内部润滑油外泄。滑环下接头3与滑环壳体1通过法兰方式或者螺纹方式连接。

电力和信号线焊接在滑环上接头2中转接护套10左端，通过承压连接器插针8、承压连接器插座9连接到滑环壳体1中转接护套10，进一步通过导线21与滑环定子14连接。

滑环转子13、滑环定子14、护套15、转子支撑轴承16组成了滑环内芯系统，护套15是由PEEK或者尼龙等耐高温非金属材料加工，主要是对滑环转子13、滑环定子14起绝缘保护作用。滑环定子14内部镶嵌定子电刷14.1，定子电刷14.1是一组表面镀金的弹性钢片，数量根据滑环过电力和信号线的芯数而定。滑环转子13表面镶嵌表面镀金铜环，与定子电刷14.1时刻接触，铜环数量与定子电刷14.1的弹性钢片数量相对应。转子支撑轴承16由上下两个轴承组成，支撑滑环转子13，使滑环转子13与滑环定子14能够相对转动。

护套15与滑环定子14通过止转螺钉15.1连接，止转螺钉15.1嵌入止转键槽1.3中，从而使护套15与滑环定子14相对滑环壳体1不转动。

滑环转子13与滑环输出轴4通过销钉22连接，滑环输出轴4与随钻仪器相对转动的结构连接。

输出轴支撑轴承17支撑滑环输出轴4，使滑环输出轴4能够相对滑环本体转动。输出轴支撑轴承17可根据不同工况选择不同轴承，如果滑环输出轴4承受轴向力，可以选择推力轴承；如果滑环输出轴4承受侧向力或者弯矩，可以选择角接触球轴承或者圆锥滚子轴承；根据承受力的大小轴承数量也可以增多或者减少，如果受到轴向力、侧向力、弯矩多种载荷综合作用，可以采用多种轴承配合使用，从而达到理想的支撑效果。

输出轴支撑轴承17内圈通过锁紧螺母19锁紧。滑环壳体1与滑环下接头3螺纹安装时挤压波形弹簧18，从而预紧输出轴支撑轴承17外圈。

动密封圈20是一种特制的密封圈，工作温度能达到-100℃到+260℃，密封内外压差最大15Mpa。动密封圈20安装在滑环下接头3端部槽内，然后通过滑环端盖5固定住，滑环下接头3端部槽和滑环端盖5左端面与动密封圈20接触的面光洁度Ra≤0.8微米，滑环输出轴4与动密封圈20的接触面光洁度Ra≤0.2微米，滑环输出轴4与动密封圈20的接触面洛氏硬度HRC≥55。滑环输出轴4一般采用硬质合金加工，或者表面喷陶瓷等技术使硬度提升，从而提高动密封寿命。

取下充油孔堵头12，通过外部充油机给整个滑环空腔和平衡活塞行程缸内部充油，充油过程中要不断抽真空并且循环，尽量排除油中空气。充油过程中2个压力平衡活塞11始终处于滑环最左端位置，使整个滑环空腔中冲入的油尽量多。

2个平衡活塞行程缸1.1分别通过侧向2个压力平衡孔1.4与泥浆联通，平衡外部泥浆与内部润滑油之间的压差，使动密封能够正常可靠的工作。

2个滤网6分别对泥浆进行过滤，防止泥浆中过大的颗粒堵塞平衡孔从而影响平衡活塞的工作。

2个压力平衡活塞11是相互补充的作用，井下工况环境恶劣，当一个压力平衡活塞11失效时，另一个压力平衡活塞11还能正常工作，从而保证滑环能够正常工作。

随着钻井过程中井深不断增加，外部泥压力不断增大，压力平衡活塞11在平衡活塞行程缸1.1移动，从而平衡外部泥浆与内部润滑油之间的压差。

动密封圈20在旋转工作过程中有一定的润滑油泄露，使内部润滑油的压力减小，压力平衡活塞11在平衡活塞行程缸1.1移动补充油量，平衡压差。

本发明的工作原理是：由于滑环壳体、滑环上接头、滑环下接头、滑环输出轴和滑环端盖共同组成一个密封空腔，所述密封空腔内充满耐高温润滑油，通过平衡活塞结构与外界进行压力平衡，实现滑环能在高温高压下工作。滑环上接头和滑环输出轴可分别作为电力和信号输入端和输出端，使用过程中并没有方向性。以滑环上接头作为电力和信号输入端为例进行介绍，电力和信号传输装置将接收到的电力和信号传递给滑环内芯系统，滑环内芯系统主要包括滑环转子、滑环定子等，滑环定子内部镶嵌定子电刷，滑环转子表面镶嵌表面镀金铜环，定子电刷与所述镀金铜环时刻接触，并且定转子之间相对转动，将电力和信号传递到滑环输出轴上，从而实现电力和信号在具有相对转动的两个结构之间传输。

Claims (10)

1.一种随钻仪器用导电滑环装置，其特征在于，该导电滑环装包括滑环壳体、滑环上接头、滑环下接头、滑环输出轴、滑环端盖、支撑体、滑环内芯系统和电力和信号传输装置；

其中，所述滑环壳体、滑环上接头、滑环下接头、滑环输出轴和滑环端盖共同组成一个密封空腔，所述密封空腔内充满耐高温润滑油；

所述滑环上接头，用于电力和信号输入端或输出端，

所述滑环输出轴，用于电力和信号输入端或输出端；

所述电力和信号传输装置，用于将接收到的电力和信号传递给所述滑环内芯系统或将所述滑环内芯系统发出的电力和信号发送出去；所述电力和信号传输装置设置在所述滑环上接头的内部；

所述滑环内芯系统，用于将接收到的电力和信号传递给所述电力和信号传输装置或将所述电力和信号传输装置发出的电力和信号发送出去，所述滑环内芯系统设置在所述滑环壳体内部。

2.根据权利要求1所述的导电滑环装置，其特征在于，所述支撑体与钻铤通过销钉固定连接，所述支撑体的内侧设有泥浆通道，所述滑环壳体通过螺钉固定在所述支撑体的内部，且所述滑环壳体两端伸出所述支撑体外部，所述滑环上接头设置在所述滑环壳体的一端，所述滑环下接头设置在所述滑环壳体的另一端，所述滑环端盖设置在所述滑环下接头另一端的端部，所述电力和信号传输装置设置在所述滑环上接头内部，并伸入到所述滑环壳体内部的滑环空腔内与所述滑环内芯系统的一端连接；

输出轴支撑轴承设置在所述滑环下接头的内部，所述输出轴支撑轴承的内圈通过锁紧螺母锁紧，所述滑环壳体与滑环下接头连接处设有波形弹簧，通过压紧所述波形弹簧从而预紧输出轴支撑轴承外圈，所述滑环输出轴的一端穿过所述滑环下接头的内部安装在所述输出轴支撑轴承上，与所述滑环内芯系统的一端固接，另一端与随钻仪器相对转动的结构连接；

所述滑环壳体设有充油口，所述充油口与所述滑环空腔连通，所述充油口上设有充油孔堵头。

3.根据权利要求2所述的导电滑环装置，其特征在于，该装置还包括压力平衡系统，所述压力平衡系统包括至少一个平衡活塞行程缸、压力平衡活塞、滤网和压力平衡孔；

其中，至少一个所述平衡活塞行程缸设置在位于所述滑环空腔的另一端的所述滑环壳体内部，且所述平衡活塞行程缸与所述滑环壳体连通，所述压力平衡活塞设置在所述平衡活塞行程缸内部，所述压力平衡孔设置在所述滑环壳体上，所述压力平衡孔一端与所述平衡活塞行程缸连通，另一端与钻铤的泥浆通道联通，所述滤网设置在所述压力平衡孔与所述钻铤的泥浆通道联通的一端的端部。

4.根据权利要求1所述的导电滑环装置，其特征在于，所述滑环内芯系统包括滑环转子、滑环定子、护套、转子支撑轴承和止转螺钉；

其中，所述转子支撑轴承固定设置在所述护套的内部，所述滑环定子安装在所述转子支撑轴承上，所述护套通过所述止转螺钉与滑环定子连接，所述滑环转子设置在所述滑环定子内部，且一端与通过销钉与所述滑环输出轴连接；所述滑环定子内部镶嵌定子电刷，所述滑环转子表面镶嵌表面镀金铜环，所述定子电刷与所述镀金铜环时刻保持接触；当所述止转螺钉嵌入所述滑环空腔内侧壁上的止转键槽中时，从而使护套与滑环定子相对滑环壳体不转动。

5.根据权利要求1所述的导电滑环装置，其特征在于，所述电力和信号传输装置包括承压连接器插针、承压连接器插座和中转接护套；

所述承压连接器插针的一端插入与所述承压连接器插座内，所述中转接护套设置在所述压连接器插针和承压连接器插座的两端；所述承压连接器插针和承压连接器插座9的针芯数为一个或多个。

6.根据权利要求4所述的导电滑环装置，其特征在于，所述护套采用耐高温非金属材料制成，所述耐高温非金属材料包括PEEK或者尼龙。

7.根据权利要求2或3所述的导电滑环装置，其特征在于，该导电滑环装置还包括动密封圈，所述动密封圈设置在滑环下接头端部槽内，然后通过滑环端盖固定住，所述滑环下接头端部槽和滑环端盖左端面与动密封圈接触的面光洁度Ra≤0.8微米，滑环输出轴与动密封圈的接触面光洁度Ra≤0.2微米。

8.根据权利要求7所述的导电滑环装置，其特征在于，所述动密封圈工作温度为-100℃到+260℃，密封内外压差最大15Mpa；所述滑环输出轴与动密封圈的接触面洛氏硬度HRC≥55。

9.根据权利要求2所述的导电滑环装置，其特征在于，所述滑环输出轴采用硬质合金加工，或者表面喷陶瓷以使硬度提升。

10.根据权利要求4所述的导电滑环装置，其特征在于，所述定子电刷为一组表面镀金的弹性钢片；所述定子电刷的数量与导线的芯数相对应；所述定子电刷与镀金铜环一一对应。