CN109989706A - 一种采用液压马达的石油机械驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用液压马达的石油机械驱动系统，包括：液压马达，所述液压马达包括输出轴和矩形的壳体，所述壳体包括支承所述输出轴的头端和与头端相对的尾端，设有第一输油孔的第一侧壁，设有第二输油孔并与第一侧壁相对的第二侧壁，设置于所述第一侧壁及第二侧壁之间的第三侧壁及第四侧壁；马达固定单元，包括与所述尾端固接的支撑部，夹持所述壳体于所述第三侧壁及第四侧壁的外表面的限位部。针对石油机械的特定应用场景，提供稳定驱动以及针对驱动系统的可靠固定支撑。

Description

一种采用液压马达的石油机械驱动系统

技术领域

本发明涉及驱动装置，尤其涉及液压驱动，具体涉及一种采用液压马达的石油机械驱动系统。

背景技术

在石油机械中，钻具需要在很深的地下钻井中工作，并需要被持续而稳定地被转动力矩驱动，该转动力矩由驱动装置所提供。井下的工作环境中温度往往较高，这就要求驱动装置能够耐受高温，同时由于井下相对封闭的环境，导致驱动装置无法进行有效散热，持续性地高温将对驱动装置造成各种不可预期的影响，引发故障。而在井下的驱动装置一旦发生故障，不仅维修成本很高，并且将影响钻具的正常动作。

此外，由于井下的地质并非均一，其硬度变化是难以预期的，钻具收到的外界的反作用力载荷也是不断变化的，这就要求驱动装置同时可以耐受不断变化的反作用力载荷。

综上，适用于石油机械的驱动装置应该具有稳定性，能够持续地提供转动力矩，同时耐受高温和动态变化的负载。

需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种采用液压马达的石油机械驱动系统，包括：

液压马达，所述液压马达包括输出轴和矩形的壳体，所述壳体包括支承所述输出轴的头端和与头端相对的尾端，设有第一输油孔的第一侧壁，设有第二输油孔并与第一侧壁相对的第二侧壁，设置于所述第一侧壁及第二侧壁之间的第三侧壁及第四侧壁；

马达固定单元，包括与所述尾端固接的支撑部，夹持所述壳体于所述第三侧壁及第四侧壁的外表面的限位部。

在优选地实施例中，还包括与所述第一输油孔连接的刚性的第一输油管，与所述第二输油孔连接的刚性的第二输油管。

在优选地实施例中，所述第一输油管和/或第二输油管连接有油液冷却单元。

在优选地实施例中，所述第一输油孔的轴线及第二输油孔的轴线均与所述输出轴的轴线相交。

在优选地实施例中，所述限位部包括分别贴合所述第三侧壁及第四侧壁的一对夹持部，所述夹持部靠近的所述壳体的一侧形成有防滑结构。

在优选地实施例中，所述防滑结构为形成于所述加持部表面的凸起或沟槽。

在优选地实施例中，所述凸起或者沟槽的延伸方向与所述输出轴的延伸方向之间呈不小于60°的夹角。

一种石油机械，包括如前述的采用液压马达的石油机械驱动系统和动作系统，所述动作系统为钻井造斜工具。

在优选地实施例中，所述第一输油孔的轴线与所述第二输油孔的轴线平行，所述第一输油孔的轴线与所述第二输油孔的轴线之间的距离小于或等于所述壳体的径向最大尺寸的0.4倍。

在优选地实施例中，以所述第一侧壁与第二侧壁之间的距离为壳体的高度，以所述第三侧壁与第四侧壁之间的距离为壳体的宽度；所述壳体的高度小于等于所述壳体的宽度的0.9倍。

采用液压马达驱动石油机械，在井下工作时，动力源为液压油，相对于电源驱动的电力马达而言，液压油的输送将能够耐受更高的温度，如果采用电源线输送电力驱动电力马达，必不可少地要对电源线进行防护，在实践中，很难实现可靠地防护。对采用输油管路驱动的液压马达而言，输油管路的防护则更容易实现。

另外，采用矩形的壳体，这是考虑到驱动系统所受到从其驱动的石油机械传来的反作用力主要是与输出轴旋转方向旋向相反的转动力距，以及有输出轴传来的向尾端作用的推动力。体现在壳体上，就是在液压马达工作过程中，其壳体同时收到推力和倾覆力。此外，由于载荷的变化，间或还会收到类似不规则脉冲的冲击导致的振动力。由于液压马达内部的驱动结构都是近似的回转体或回转结构，相应地，传统液压马达的壳体会被配置为与驱动结构同轴的圆柱状，显然，圆柱状结构是不利于支撑，同时也不利于抵御围绕轴向的倾覆力矩的。更进一步地做法是将壳体设置为方形，方形的壳体能够提供一个施力面，该施力面能够支持在指向液压马达中心的某一个方向上施加支撑力。

在本发明提供的方案中，针对石油机械特殊的工作环境，将壳体设置为矩形，限位部在壳体相对的两个方向提供具有较长力臂的支撑力矩，配合在壳体尾端的支撑部抵消轴向推力，作用在尾端可以直接在与推力相对的方向作用，因为有侧壁的可靠支撑，尾端的支撑力距能够稳定地发挥作用，而不会对输出轴施加挠性力或者对连接壳体尾端与支撑部的连接件例如螺柱施加剪切力，保证液压马达整体处于稳定的工作状态下。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1绘示了本发明一实施例中采用液压马达的石油机械驱动系统的部分结构示意图。

图2绘示了本发明一实施例中采用液压马达的石油机械驱动系统的另一视角下的部分结构示意图，图中绘示了输油管。

图3绘示了本发明一实施例中采用液压马达的石油机械驱动系统的部分结构示意图，图中绘示了输油管。

图4绘示了本发明另一实施例中采用液压马达的石油机械驱动系统的部分结构示意图。

图5绘示了本发明一实施例中石油机械的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面再结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。但注明直接连接则说明连接地两个主体之间并不通过过度结构构建连接关系，只通过连接结构相连形成一个整体。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明中，如图1至图3所示，一种采用液压马达的石油机械驱动系统，包括：

作为驱动系统中提供驱动动力的液压马达110，液压马达110的结构构成为：包括输出轴1101和矩形的壳体，其中，壳体包括支承输出轴1101的头端1102、与头端1102相对的尾端以及位于头端1101和尾端1102之间壳体中段。输出轴由液压马达内部的驱动元件驱动持续提供转动，该驱动元件为能够被带有压力的液压油冲击而转动的结构，然后驱动元件再将扭矩传递给输出轴，具体结构不做详细描述，可以参考市售的摆线液压马达。考虑应用环境，将限定液压马达工作参数范围为：

1、一般工作压力不超过16MPa。

2、转速范围为10r/min～700r/min，随液压马达的排量增加，最高转速则相应减小；在特殊的应用场景中，转速可以低于10r/min。

3、回油背压小于10MPa，理想工作条件下不超过5MPa，超过时需配置外泄管。

4、不能同时在最高压力和最高转速下工作。

壳体对液压马达的整体提供支撑，如图，壳体具有第一侧壁1104及与第一侧壁1104相对的第二侧壁1105，第一侧壁1104上开设有第一输油孔11041，第二侧壁1105上开设有第二输油孔11051，第一输油孔和第二输油孔优选加工出连接螺纹，供油管接头连接，此外，连接处还将设置密封件进行液压油的密封，以保持压力不外泄。

另外，如前述，壳体形状为矩形，故壳体还具有在第一侧壁1104及第二侧壁1105之间延伸的第三侧壁1106及第四侧壁1107；显然第三侧壁1106与第四侧壁1107也是相对的。

此外，还包括：一般设置在井下的套筒结构中，对液压马达进行固定的马达固定单元，马达固定单元主要包括与液压马达的尾端1103固接的支撑部120，以及夹持壳体于第三侧壁1106及第四侧壁1107的外表面的限位部140。其中，支撑部120将被固定于套筒结构，而限位部140可以是套筒结构的一部分或者与套筒的内壁固定连接。

优选的实施例中，壳体的头端、中段和尾端一次通过螺栓连接，在头端、中段和尾端分别加工螺纹相互对接配合的连接螺纹，以使壳体表面，尤其是第三侧壁、第四侧壁的表面无凸出结构，大致是一个完整的平面。

支撑部与壳体的后端的优选连接方式是，在壳体的后端开设螺纹孔，然后再螺纹孔中安装双头螺柱，而后在与支撑部连接，例如在支撑部设置连接孔，双头螺柱穿过连接孔后，伸出连接孔的部分与固定螺母旋合，以实现连接固定。

通过如上述方式，可以妥善地将液压马达通过马达固定单元固定在井下安装石油机械的套筒中，液压马达将相对于电动马达具有更大优势，在于液压马达可以支持长距离传输能量，并且能够支持机外降温，液压马达产生的转矩和转速都可以柔性地无极变化，非常适应井下石油机械收到不可预期外部载荷及冲击的工况。

尤其是，考虑到驱动系统所受到从其驱动的石油机械传来的反作用力主要是与输出轴旋转方向旋向相反的转动力距，以及有输出轴传来的向尾端作用的推动力。体现在壳体上，就是在液压马达工作过程中，其壳体同时收到推力和倾覆力。此外，由于载荷的变化，间或还会收到类似不规则脉冲的冲击导致的振动力。由于液压马达内部的驱动结构都是近似的回转体或回转结构，相应地，传统液压马达的壳体会被配置为与驱动结构同轴的圆柱状，显然，圆柱状结构是不利于支撑，同时也不利于抵御围绕轴向的倾覆力矩的。更进一步地做法是将壳体设置为方形，方形的壳体能够提供一个施力面，该施力面能够支持在指向液压马达中心的某一个方向上施加支撑力。

在上述实施例提供的方案中，针对石油机械特殊的工作环境，将壳体设置为矩形，限位部在壳体相对的两个方向提供具有较长力臂的支撑力矩，配合在壳体尾端的支撑部抵消轴向推力，作用在尾端可以直接在与推力相对的方向作用，因为有侧壁的可靠支撑，尾端的支撑力距能够稳定地发挥作用，而不会对输出轴施加挠性力或者对连接壳体尾端与支撑部的连接件例如螺柱施加剪切力，从而保证液压马达整体处于稳定的工作状态下。

在更进一步的实施例中，系统还包括与第一输油孔11041连接的刚性的第一输油管1301，与第二输油孔11051连接的刚性的第二输油管1302。

基于前述实施例设置的支撑部及固定部，得以让液压马达能够稳固地安放于套筒结构中，从而支持在液压马达的第一侧壁及第二侧壁上设置的输油孔连接刚性油管，刚性油管较之柔性油管具有较大优势，其整体呈刚性可受振动冲击后发生晃动相互摩擦甚至发生缠绕。刚性油管优选金属，选用材质自身具有较高硬度和强度，不仅能够在一定程度上耐受更高的温度和更高的压力，也能低于外界的冲击，例如套筒结构在工作过程中会承受非常大的冲击，套筒内如果有杂物，将会无规则溅射，刚性的金属材质将会更能抵御这种破坏性地溅射。

此外，为了卸载冲击以及适应套筒的弯转，刚性油管可分段设置，各段之间设置弯头、柔性接头等连接件，这些连接件均属市售常规的液压件，具体型号、构成及连接方式都是本领域内公知技术，不做赘述，但需要注意的是，连接件应能够耐受较高的压力。

更进一步地优化操作是，在第一输油管和/或第二输油管连接油液冷却单元(图未示)。通过输油管实现液压油的外部循环，从而支持通过油液冷却单元对液压油进行冷却，以改善液压马达的工作环境，液压油本身作为冷却介质，能够持续减低液压马达的内部温度，或者通过调节，让液压马达的工作温度维持在理想范围。同时还可以配置过滤单元，以滤除液压油工作过程中携带的液压马达内部零件磨损产生的碎屑和冲击产生气泡，有利于液压马达平稳、安全地运行。

此外，作为优选配置的实施例中，在液压马达的第一输油孔的轴线及第二输油孔的轴线均与输出轴的轴线相交。

可以确定地，输油孔确定输油管与液压马达的壳体的连接位置，使该连接位置的中心与输出轴的轴线在一个平面上，在液压马达向输油管传递震动冲击时，将会控制减小输油管发生的震动位移幅度，同时减小油管摆动幅度，能够避免油管与外界支撑发生干涉接触。

如图2，限位部140包括分别贴合第三侧壁1106及第四侧壁1107的一对夹持部，如前述，夹持部可以是套筒结构的一部分或者固设在套筒内部的器件。

作为优化，如图4所绘示的实施例中，夹持部2400靠近的壳体的一侧形成有防滑结构。

在夹持部与壳体表面贴合的表面设置防滑结构，能够让夹持结构整体抵受来自液压马达径向的冲击载荷，避免液压马达的头端或尾端发生摆动，这样的摆动将使输出轴受到径向载荷，被剪切或者产生挠性变形。

结合附图，防滑结构为形成于夹持部2400表面的沟槽2401。在其他实施例中，也可以通过形成于夹持部表面的凸起实现类似的技术意图。

沟槽装的防滑结构通过改变表面接触面积的方式增加压强，改变摩擦系数，以实现更加可靠的夹持，并且沟槽本身还能够作为散热的通道，在一定程度上改善液压马达的工作环境。

附图并未绘示，但在体现本发明技术意图的一些实施例中，将使凸起或者沟槽的延伸方向与输出轴的延伸方向之间呈不小于60°的夹角。

也就是说，让凸起或凹槽以不平行于输出轴的轴向方向延伸，最优选是90°，即相对于输出轴的轴向垂直延伸。此延伸方向导致夹持部提供的静摩擦力至少一部分是作用在与输出轴的轴向不平行的方向上，能够提高夹持结构抵御来自液压马达的径向冲击载荷的能力，更有利于防止液压马达前后的摆动。

结合图5，上述实施例中描述的驱动系统均适用于应用在石油机械中，用以驱动石油机械中的动作系统，具体而言，动作系统为钻井造斜工具。也就是说，上述实施例描述的体现本发明技术意图的驱动系统，专门针对钻井造斜工具设置，驱动系统被设置为前述实施例揭示的各种形式，体现的技术意图也是如何配置液压马达及液压马达的安装结构，以使得液压马达能够适应驱动抵受径向载荷的石油机械，或者石油机械本身在工作过程中，就需要被径向的驱动力所驱动。

在图5绘示的实施例所描绘的具体的应用场景中，驱动的石油机械为特殊的钻具，具体为钻井造斜工具，在受到一定径向力的工况下，前述实施例描述液压马达和马达固定单元的设置，让液压马达足以抵御该径向力的反作用力冲击载荷，也就是说，更适用于驱动造斜工具。并且更明显的一个优势是，前述的各实施例所描述的液压马达均无需再壳体设置专门的加强结构或者连接结构，仅仅设置液压马达的输油孔位置及尾端连接结构即可实现技术意图，这使本发明的液压马达可以通过基于市售型号的简单的调整即能够满足特定使用环境的要求，利于产品生产设备的普适性应用，并且有利于控制产品的制作成本。

对于驱动钻井造斜工具的液压马达，更有利的设置是，让第一输油孔的轴线与第二输油孔的轴线平行，并且第一输油孔的轴线与第二输油孔的轴线之间的距离小于或等于壳体的径向最大尺寸的0.4倍。

如前述，在造斜工具工作中，将受到更大的径向的反作用力冲击载荷，并且冲击载荷的作用方向还是不断些微变化的，通过错开设置两根输油管的连接位置，使液压马达受震动冲击时的带动输油管产生摆动幅度不一致，避免共振的发生，由此提高输油管连接处的稳定性。

此外，作为优选的设置方式，以第一侧壁与第二侧壁之间的距离为壳体的高度，以第三侧壁与第四侧壁之间的距离为壳体的宽度；使壳体的高度小于等于壳体的宽度的0.9倍。

将壳体的宽度设置为相对于高度更大的尺寸，相较于方形的壳体，略微增加壳体在一个径向方向延伸的尺寸，以便于配合夹持部提供更大的夹持力矩，尤其有利于抵受来自造斜工具的反作用力径向载荷。此结构的设置克服了传统的技术偏见，在传统的产品中，壳体往往是被设置为大致呈回转体形状，或者大致呈中心对称的形状。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种采用液压马达的石油机械驱动系统，其特征在于，包括：

液压马达，所述液压马达包括输出轴和矩形的壳体，所述壳体包括支承所述输出轴的头端和与头端相对的尾端，设有第一输油孔的第一侧壁，设有第二输油孔并与第一侧壁相对的第二侧壁，设置于所述第一侧壁及第二侧壁之间的第三侧壁及第四侧壁；

马达固定单元，包括与所述尾端固接的支撑部，夹持所述壳体于所述第三侧壁及第四侧壁的外表面的限位部。

2.如权利要求1所述的采用液压马达的石油机械驱动系统，其特征在于，还包括与所述第一输油孔连接的刚性的第一输油管，与所述第二输油孔连接的刚性的第二输油管。

3.如权利要求2所述的采用液压马达的石油机械驱动系统，其特征在于，所述第一输油管和/或第二输油管连接有油液冷却单元。

4.如权利要求2或3所述的采用液压马达的石油机械驱动系统，其特征在于，第一输油孔的轴线及第二输油孔的轴线均与所述输出轴的轴线相交。

5.如权利要求1所述的采用液压马达的石油机械驱动系统，其特征在于，所述限位部包括分别贴合所述第三侧壁及第四侧壁的一对夹持部，所述夹持部靠近的所述壳体的一侧形成有防滑结构。

6.如权利要求5所述的采用液压马达的石油机械驱动系统，其特征在于，所述防滑结构为形成于所述加持部表面的凸起或沟槽。

7.如权利要求6所述的采用液压马达的石油机械驱动系统，其特征在于，所述凸起或者沟槽的延伸方向与所述输出轴的延伸方向之间呈不小于60°的夹角。

8.一种石油机械，包括如权利要求1至7任一项所述的采用液压马达的石油机械驱动系统和动作系统，所述动作系统为钻井造斜工具。

9.如权利要求8所述的石油机械，其特征在于，所述第一输油孔的轴线与所述第二输油孔的轴线平行，所述第一输油孔的轴线与所述第二输油孔的轴线之间的距离小于或等于所述壳体的径向最大尺寸的0.4倍。

10.如权利要求8或9所述的石油机械，其特征在于，以所述第一侧壁与第二侧壁之间的距离为壳体的高度，以所述第三侧壁与第四侧壁之间的距离为壳体的宽度；所述壳体的高度小于等于所述壳体的宽度的0.9倍。