CN110945205A - 反冲减少的铰接万向接头 - Google Patents

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Abstract

万向接头包括接头壳体和接头轴。接头壳体包括具有一个或多个凹口的承窝。接头轴包括位于接头壳体的承窝中的头部。头部包括与承窝的凹口相对应的一个或多个凸角。万向接头包括位于每个凸角驱动面与每个凹口驱动面之间的驱动键和位于每个凸角背面与每个凹口背面之间的防反冲键。

Description

反冲减少的铰接万向接头
相关申请的交叉引用
本申请是非临时申请，其要求2017年7月27日提交的美国临时申请号62/537,607的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开总体上涉及动力传输机构，并且具体地涉及万向接头。
背景技术
在钻探操作期间，可以通过整个钻柱的旋转或通过使用井下马达来旋转钻头。典型的井下马达是包括螺杆式泵(progressive cavity pump)或Moineau泵的正排量马达。传统上，螺杆式泵包括一个定子和一个多叶偏心旋转的转子。流经定子的流体流导致转子偏心旋转。偏心旋转通常通过传输组件传递到同心旋转的驱动轴。在某些情况下，传输组件包括通过万向接头联接至驱动轴和转子的传动轴。由于井下马达用于沿单个方向旋转钻头，因此万向接头通常设计为沿一个方向传递旋转力。但是，在某些操作或操作条件期间，钻头和驱动轴的旋转可能会相对于传动轴突然增加速度，从而在万向接头上产生相反方向的突然旋转载荷。例如，但不限于，这种速度变化可能是由于当井下马达停止和启动时由于诸如钻头的粘滑之类的摩擦效应引起的，其中由于钻头与地层之间的摩擦效应而使钻头周期性地停止，或在井下马达的其他操作过程中使钻头周期性地停止。万向接头内的反冲(定义为相邻活动部件之间的松动或游隙)可能会损坏万向接头的部件，因为万向接头的部件被施加负荷的方向与通常的方向相反。在某些情况下，反冲可能会使万向接头的各个部件突然相互接触，从而给这些部件造成冲击负荷。
发明内容
本公开提供了一种万向接头。万向接头可包括接头壳体。接头壳体可包括具有凹口的承窝。凹口可以包括凹口驱动面和凹口背面。万向接头可包括具有头部的接头轴。头部可以位于承窝中。头部可包括与承窝的凹口相对应的凸角。凸角可包括与凹口驱动面相对应的凸角驱动面和与凹口背面相对应的凸角背面。万向接头可包括位于凸角驱动面和凹口驱动面之间的驱动键。万向接头可包括位于凸角背面和凹口背面之间的防反冲键。
本公开还提供了一种井下工具。井下工具可以包括泥浆马达，该泥浆马达包括定子和转子。井下工具可以包括驱动轴。井下工具可以包括传动轴，该传动轴通过万向接头联接至转子和驱动轴中的至少一个。万向接头可包括接头壳体。接头壳体可包括具有凹口的承窝。凹口可以包括凹口驱动面和凹口背面。接头壳体可以机械地联接到转子或驱动轴。万向接头可包括具有头部的接头轴。头部可以位于承窝中。头部可包括与承窝的凹口相对应的凸角。凸角可包括与凹口驱动面相对应的凸角驱动面和与凹口背面相对应的凸角背面。接头轴可以机械地联接到传动轴。万向接头可包括位于凸角驱动面和凹口驱动面之间的驱动键。万向接头可包括位于凸角背面和凹口背面之间的防反冲键。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以最好地理解本公开。要强调的是，根据行业中的标准做法，各种特征未按比例绘制。实际上，为了清楚起见，各种特征的尺寸可以任意增加或减小。
图1是具有与本公开的至少一个实施例一致的万向接头的井下工具的局部示意性截面图。
图2A是与本公开的至少一个实施例一致的万向接头的侧视图。
图2B是与本公开的至少一个实施例一致的万向接头的侧视图。
图3是图2B的万向接头的局部截面图。
图4是图2B的在A-A线截取的万向接头的截面图。
图5是图4的在B-B线截取的万向接头的截面图。
图6是图4的在C-C线截取的万向接头的截面图。
图7是图2B的万向接头的局部四分之一截面图。
具体实施方式
应该理解，以下公开提供了用于实现各种实施例的不同特征的许多不同的实施例或示例。以下描述部件和布置的特定示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例，而无意于进行限制。另外，本公开可以在各个示例中重复参考数字和/或字母。该重复是出于简单和清楚的目的，并且其本身并不指示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
图1描绘了井下工具15的示意性截面图。在一些实施例中，井下工具15可以是钻柱的井底组件(BHA)。在一些实施例中，井下工具15可以包括轴承组件(bearing assembly)20。轴承组件20可以包括一个或多个轴承22，以将轴承壳体24联接到驱动轴25。驱动轴25可以机械地联接到钻头30。在一些实施例中，驱动轴25和钻头30可以相对于轴承壳体24旋转。在一些实施例中，井下工具15可以包括泥浆马达(mud motor)35。泥浆马达35可以是正排量螺杆式泵，并且可以包括定子40和转子45。转子45可以在钻井流体通过泥浆马达35泵送时，在定子40中偏心旋转。在一些实施例中，转子45可以通过传动轴50机械联接到驱动轴25。传动轴50可以将旋转从偏心旋转的转子45传递到同心旋转的驱动轴25。在一些实施例中，传动轴50可以通过万向接头100机械地联接至转子45、驱动轴25或两者。本文所使用的“万向接头”是这样一种装置，其连接刚性构件，该刚性构件的轴线可以彼此倾斜，并且用于在两个刚性构件之间传递旋转运动。为了本公开的目的，术语“万向接头”包括等速接头。在一些实施例中，如图2A所示，传动轴50的每个端部可以机械地联接到相应的万向接头100。在一些实施例中，如图2B所示，传动轴50可以在第一端机械地联接到万向接头100，并且可以在另一端包括轴联接器107。轴联接器107可以允许传动轴50直接联接至具有诸如转子45之类的相应联接器的轴或驱动轴25。在一些实施例中，轴联接器107可以是例如但不限于用于与转子45或驱动轴25联接的外螺纹联接器或内螺纹联接器，花键联接，焊接连接或任何其他合适的联接器。
在一些实施例中，如图2A-7所示，万向接头100可以包括接头壳体101。接头壳体101可以是大致圆柱形的。接头壳体101可包括形成在接头壳体101的第一端的联接器103和形成在接头壳体101的第二端的承窝111。接头壳体101可包括联接器103，该联接器103定位成联接至输入轴或输出轴，例如如图1所示，驱动轴25或转子45，不限于此。在一些实施例中，联接器103可以是，例如但不限于，外螺纹联接器或内螺纹联接器，其允许具有相应的联接器的轴，相应的联接器诸如驱动轴25或转子45花键联接，焊接连接或任何其他合适的联接器。万向接头100可包括接头轴105。
在一些实施例中，万向接头100可以包括接头轴105。接头轴105可以包括定位在接头壳体101的承窝111内的头部109，以将接头轴105机械地联接至接头壳体101。如下文进一步讨论的，头部109可以被定位在承窝111的一个或多个对应结构内，使得尽管接头轴105和接头壳体101的旋转轴线之间的任何角度未对准，旋转运动仍在接头轴105和接头壳体101之间传递。在一些实施例中，接头轴105可以机械地联接到传动轴50或形成为传动轴50的一部分，如图1所示。在使用两个万向接头100的实施例中，如图2A所示，接头轴105可包括位于各自的接头壳体101的承窝111内的两个头部109。
在一些实施例中，接头轴105的头部109可包括一个或多个凸角(lobe)113，其从接头轴105径向向外延伸，以接合形成在接头壳体101的承窝111中的一个或多个对应的凹口(recess)115。在一些实施例中，凸角113用于在接头轴105和接头壳体101之间传递旋转力。每个凸角113可包括凸角驱动面113a，当万向接头100用于沿驱动方向(在图4中用D表示)传递旋转力时，凸角驱动面113a与承窝111的每个对应凹口115的凹口驱动面115a接合。在一些实施例中，每个凸角113可包括凸角背面113b，并且每个凹口115可包括凹口背面115b。因为万向接头100用于使钻头30沿单个方向D旋转，所以在正常操作期间不使用背面113b和115b来传递旋转力。然而，在某些操作或操作条件期间，钻头30的旋转可能改变或速度突然增加，导致背面113b和115b被旋转加载，在本文中称为万向接头100的反向负荷。例如但不进行限制，当由于诸如钻头30的粘滑(stick-slip)之类的摩擦效应泥浆马达35停止和启动时，其中，由于钻头30与地层之间的摩擦效应钻头30周期性地停止，或在井下工具15的其他操作过程中，在背面113b和115b之间可能发生反向负荷。
在一些实施例中，万向接头100可以包括一个或多个驱动键117和防反冲键119。驱动键117和防反冲键119可以是定位在每个凸角113和每个对应的凹口115之间的插入物，并且可以，例如但不限于，在凸角113和凹口115之间分开并提供支承表面。在一些实施例中，驱动键117可以定位在每个凸角113的凸角驱动面113a与承窝111的每个对应凹口115的凹口驱动面115a之间，如图4-6所示。在一些实施例中，如图5所示，凹口驱动面115a可以被成形为接收驱动键117。在一些实施例中，例如但不限于，驱动键117可以包括适于配合到凹口驱动面115a的对应表面中的弯曲部分117a。在一些实施例中，弯曲部分117a的横截面可以是大致半圆形的，从而允许例如但不限于驱动键117用作伍德拉夫(Woodruff)键。这样的驱动键117可以例如但不限于自对准以与凸角驱动面113a和凹口驱动面115a接合，并且因此可以增大扭矩通过万向接头100传递的表面积。
在一些实施例中，一个或多个防反冲键119可定位在每个凸角113的凸角背面113b与每个对应的凹口115的凹口背面115b之间。防反冲键119可以例如但不限于以其他方式占据凸角113和凹口115之间的开放空间，并因此可以减少或消除反冲。在这样的实施例中，不管万向接头100的负荷方向如何，每个凸角113分别通过驱动键117和防反冲键119接合到在凸角驱动面113a和凸角背面113b处的对应凹口115。在一些实施例中，防反冲键119可在每个凸角的凸角驱动面113a和承窝111的每个对应凹口115的凹口驱动面115a之间施加预负荷力。在一些实施例中，如图6所示，凹口背面115b可以成形为接收防反冲键119。在一些实施例中，例如但不限于，防反冲键119可以包括适于配合到凹口背面115b的对应表面中的弯曲部分119a。在一些实施例中，弯曲部分119a的横截面可以是大致半圆形的，从而允许例如但不限于防反冲键119用作伍德拉夫键。这样的防反冲键119可以例如但不限于自对准以与凸角背面113b和凹口背面115b接合，并且因此可以增加在万向接头100反向负荷的情况下通过万向接头100传递扭矩的表面积。
在一些实施例中，驱动键117和防反冲键119可以由比接头壳体101和接头轴105的材料耐磨性较差或较易损坏的材料形成。因此，与对凸角113和承窝111相比，万向接头100的操作导致的磨损更可能发生到驱动键117和防反冲键119，因此减少了对凸角113和承窝111的磨损。例如但不限于，在一些实施例中，驱动键117和防反冲键119可以由具有较小的材料强度或较小的弹性的材料形成；可以具有较低的屈服强度，较低的极限强度或较低的杨氏模量；或比凸角113和凹口115更具延展性或可锻性，或其组合。因为防反冲键119占据了凸角113和凹口115之间的空间，所以由于万向接头100内的反冲减小，可以减小由反向负荷引起的对万向接头100的损坏。
通过减小反冲，防反冲键119可以例如但不限于减小由万向接头100上的突然反向负荷引起的在接头壳体101和接头轴105上的冲击负荷；可以通过维持接头壳体101和接头轴105之间的更一致的对准来减少接头壳体101和接头轴105之间的径向移动，减少对驱动面113a、115a的磨损；可以通过减小由反冲允许的驱动面113a、115a之间的反复撞击力引起的热量来降低操作温度；并且由于驱动面113a、115a上的负荷更加恒定，因此可以使得万向接头100的铰接更加顺畅。
前面概述了几个实施例的特征，以便本领域普通技术人员可以更好地理解本公开的各方面。这样的特征可以被众多等效替代中的任何替代特征替代，本文仅公开其中一些。本领域的普通技术人员应该理解，他们可以容易地将本公开用作设计或修改其他过程和结构以实现与本文介绍的实施例相同的目的和/或实现相同的优点的基础。本领域普通技术人员还应该认识到，这种等效构造不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，它们可以在此进行各种改变、替换和变更。

Claims (22)

1.一种万向接头，包括：
接头壳体，该接头壳体包括承窝，该承窝包括凹口，该凹口包括凹口驱动面和凹口背面；
接头轴，该接头轴包括头部，该头部位于承窝中，头部包括与承窝的凹口相对应的凸角，该凸角包括与凹口驱动面相对应的凸角驱动面以及与凹口背面相对应的凸角背面；
驱动键，位于凸角驱动面和凹口驱动面之间；以及
防反冲键，位于凸角背面和凹口背面之间。
2.根据权利要求1所述的万向接头，其中，所述驱动键和防反冲键由比所述接头壳体的凹口的材料和所述接头轴的凸角的材料耐磨性低的材料形成。
3.根据权利要求2所述的万向接头，其中，所述驱动键和所述防反冲键由具有较小材料强度或较小弹性的材料形成；具有较低的屈服强度、较低的极限强度或较低的杨氏模量；或比所述凸角和所述凹口的材料更具延展性或可锻性。
4.根据权利要求1所述的万向接头，其中，所述凸角驱动面通过所述驱动键与所述凹口驱动面接合，并且所述凸角背面通过所述防反冲键与所述凹口背面接合。
5.根据权利要求4所述的万向接头，其中，所述防反冲键在所述凸角驱动面与所述凹口驱动面之间施加预负荷力。
6.根据权利要求1所述的万向接头，其中，所述接头壳体还包括联接器。
7.根据权利要求6所述的万向接头，其中，所述接头壳体的所述联接器是外螺纹联接器或内螺纹联接器。
8.根据权利要求1所述的万向接头，其中，所述接头轴还包括轴联接器。
9.根据权利要求8所述的万向接头，其中，所述接头轴的轴联接器是外螺纹联接器或内螺纹联接器。
10.根据权利要求1所述的万向接头，其中，所述驱动键和防反冲键中的至少一个被形成为伍德拉夫键。
11.一种井下工具，包括：
泥浆马达，该泥浆马达包括定子和转子；
驱动轴；
传动轴，该传动轴联接至转子和驱动轴，该传动轴通过万向接头联接至转子或驱动轴中的至少一个，该万向接头包括：
接头壳体，该接头壳体包括承窝，该承窝包括凹口，该凹口包括凹口驱动面和凹口背面，该接头壳体与转子或驱动轴机械联接；
接头轴，该接头轴包括头部，该头部位于承窝中，该头部包括与承窝的凹口相对应的凸角，该凸角包括与凹口驱动面相对应的凸角驱动面以及与凹口背面相对应的凸角背面，该接头轴机械地联接到传动轴或形成为传动轴的一部分；
驱动键，位于凸角驱动面和凹口驱动面之间；以及
防反冲键，位于凸角背面和凹口背面之间。
12.根据权利要求11所述的井下工具，其中，所述驱动键和防反冲键由比所述接头壳体的凹口的材料和所述接头轴的凸角的材料耐磨性低的材料形成。
13.根据权利要求12所述的井下工具，其中，所述驱动键和防反冲键由具有较小材料强度或较小弹性的材料形成；具有较低的屈服强度、较低的极限强度或较低的杨氏模量；或比所述凸角和所述凹口的材料更具延展性或可锻性。
14.根据权利要求11所述的井下工具，其中，所述凸角驱动面通过所述驱动键与所述凹口驱动面接合，并且所述凸角背面通过所述防反冲键与所述凹口背面接合。
15.根据权利要求14所述的井下工具，其中，所述防反冲键在所述凸角驱动面和所述凹口驱动面之间施加预负荷力。
16.根据权利要求11所述的井下工具，其中，所述接头壳体还包括联接器，所述转子或驱动轴通过所述联接器机械地联接至所述接头壳体。
17.根据权利要求11所述的井下工具，其中，所述接头轴与所述传动轴一体地形成。
18.根据权利要求11所述的井下工具，其中，所述接头轴还包括轴联接器，所述传动轴通过所述轴联接器机械地联接至所述接头轴。
19.根据权利要求11所述的井下工具，其中，所述传动轴直接联接至所述驱动轴。
20.根据权利要求11所述的井下工具，其中，所述传动轴直接联接至所述转子。
21.根据权利要求11所述的井下工具，其中，所述传动轴通过相应的万向接头联接到所述驱动轴和所述转子。
22.根据权利要求11所述的井下工具，其中，所述驱动键和防反冲键中的至少一个被形成为伍德拉夫键。
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