CN111765207A - 低摩擦力的花键传动结构及采用该结构的水力振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低摩擦力的花键传动结构及采用该结构的水力振荡器，它包括花键轴和花键滑套，在花键轴和花键滑套的中心均设有通孔，花键轴的外壁设有多个外齿，在花键滑套的内壁设有与外齿相啮合的多个内齿，在内齿与外齿的侧面之间设有多个滚针或滚珠。能够大幅减少花键轴与花键滑套之间的摩擦力，减少工具无效压耗。本发明的水力振荡器，通过采用上述的花键传动结构，在同等压力介质条件下，振幅提高约7%，频率提高约8.5%。通过采用多个滚针或滚珠的结构，还能够进一步改善花键连接结构的接触面积，大幅改善传递扭矩工况下的受力结构，减少表面撕裂现象。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻采辅助设备领域，特别是一种低摩擦力的花键传动结构及采用该结构的水力振荡器。
背景技术
在石油、天然气生产领域，水力振荡器是提高水平井快速钻进的工具，通过水力振荡器的振动，使钻柱与井壁之间的静摩擦转变为滑动摩擦，以减小摩擦阻力。例如中国专利文献CN106917586A即记载了一种螺杆式井下水力振荡器，即记载了通过螺杆马达产生压力脉冲，并使振动短节产生振动的结构。CN108442883A也有类似结构的记载，CN106930688A一种涡流式水力脉冲轴向冲击工具中也记载了利用涡腔产生振动的结构。水力振荡器在传递扭矩的同时，还需要产生轴向振动，即至少两个构件之间具有相对轴向往复运动，通常都是由花键连接结构实现的，现有技术中，低摩擦力的花键传动结构需要传递超过10000牛·米的扭矩，且振动频率达到9~26Hz，发明人发现，在该工况下，花键连接结构即花键轴与花键滑套连接位置的齿面，很快磨损，如图9和10中所示，在齿面形成多个撕裂，然后造成滑动摩擦力大幅增加，影响水力振荡器的工作。中国专利文献201410481881.3和201310754921.2中也记载了滚珠花键副的结构，但是在该文献中，滚动件即是滚动元件也是载荷传递元件，即该元件在滚动过程中，还受到剪切力，这增大了结构的负担，而且对精度要求非常高，导致齿槽或滚动元件很快磨损，并未能起到延长整个结构使用寿命的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低摩擦力的花键传动结构，能够大幅减少花键连接结构的摩擦阻力，且能够延长花键连接结构的使用寿命。
本发明所要解决的另一技术问题是提供一种水力振荡器，能够在大扭矩以及轴向振动工况下，具有较高的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种低摩擦力的花键传动结构，它包括花键轴和花键滑套，在花键轴和花键滑套的中心均设有通孔，花键轴的外壁设有多个外齿，在花键滑套的内壁设有与外齿相啮合的多个内齿，在内齿与外齿的侧面之间设有多个滚针或滚珠。
优选的方案中，外齿与内齿之间的啮合长度大于或等于10cm，花键轴与花键滑套之间传递达到10000牛·米的扭矩，且相对沿轴向移动，轴向移动的振动频率达到9~26Hz；相对轴向移动行程为0.3~1cm。
优选的方案中，在内齿与外齿的侧面设有弧形或“V”形凹槽，滚珠设置在凹槽内。
优选的方案中，所述的凹槽沿着内齿和外齿的齿顶到齿底设置为多个。
优选的方案中，在内齿或外齿的凹槽两端设有限位结构，凹槽的长度小于外齿与内齿之间的啮合长度。
优选的方案中，在外齿的齿顶设有滑动的保持架，保持架沿长度方向的两侧边缘设有多个第一限位端头；保持架沿长度方向的两侧边缘还设有多个连接柱，连接柱向远离第一限位端头的方向延伸并与下限位板固定连接，下限位板上设有多个与第一限位端头相对应的第二限位端头；
滚针位于第一限位端头与第二限位端头之间，在滚针的端头设有凹槽，第一限位端头和第二限位端头部分的位于凹槽内；以使滚针沿花键轴的轴向滚动，并被限位。
优选的方案中，在外齿的齿顶设有滑动的保持架，保持架沿长度方向的两侧边缘设有多个连接柱，连接柱向远离保持架的方向延伸，并与下限位板固定连接，保持架的边缘和下限位板上设有多个限位槽；滚针的端头可转动的位于限位槽内，以使滚针沿花键轴的轴向滚动，并被限位。
优选的方案中，滚针的直径为1~6mm；滚珠的直径为1~6mm。
优选的方案中，在花键轴和花键滑套上设有阶台，以对保持架的行程进行限位。
一种采用上述的花键连接结构的水力振荡器，花键滑套与振动节固定连接；
所述的振动节包括螺杆马达，螺杆马达中的螺杆与动片连接，并带动动片旋转，以使动片上的孔与振动节上的孔的通流截面大小往复变化；
或者所述的振动节包括涡轮，涡轮的轴与动片连接，并带动动片旋转，以使动片上的孔与振动节上的孔的通流截面大小往复变化；
或者所述的振动节为涡流振动节，涡流振动节内设有涡腔，以及位于涡腔的过流孔，以使液体介质在涡腔内产生振动。
本发明提供的一种低摩擦力的花键传动结构，能够大幅减少花键轴与花键滑套之间的摩擦力，尤其是在10000牛·米大扭矩和9~26Hz的高频往复运动工况下的摩擦力，减少工具压耗，本发明中的滚动件仅需承受压力，不承受剪切力，也延长了使用寿命。本发明的水力振荡器，通过采用上述的花键传动结构，在同等压力介质条件下，振幅提高约7%，频率提高约8.5%。优选的方案中，通过采用多个滚针或滚珠的结构，还能够进一步改善花键连接结构的接触面积，大幅改善传递扭矩工况下的受力结构，减少表面撕裂现象。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明中采用花键连接结构的水力振荡器的振荡节结构示意图。
图2为图1中A-A剖视示意图。
图3为图2中B处的局部放大示意图。
图4为图3中C向局部视图。
图5为本发明中保持架的立体图。
图6为图2中 B处优选方案的局部放大示意图。
图7为图6中D向局部视图。
图8为图1中另一可选方案的A-A剖视示意图。
图9为图中现有技术的A-A剖视示意图。
图10为现有技术中外齿的齿面撕裂后的示意图。
图11为本发明与现有技术同等压力介质下振幅和频率的对比曲线图。
图中：花键轴1，内齿11，花键滑套2，齿面201，保持架21，第一限位端头22，端头凹槽23，连接柱24，下限位板25，第二限位端头26，外齿27，限位槽28，压力脉冲介质3，碟簧4，活塞5，滚针6，滚珠7，振动节8。
具体实施方式
实施例1：
如图1~8中，一种低摩擦力的花键传动结构，它包括花键轴2和花键滑套1，在花键轴2和花键滑套1的中心均设有通孔，花键轴2的外壁设有多个外齿28，在花键滑套1的内壁设有与外齿28相啮合的多个内齿11，在内齿11与外齿28的侧面之间设有多个滚针6或滚珠7。由此结构，将花键轴2与花键滑套1之间的滑动摩擦转换为滚动摩擦，从而大幅降低二者之间的摩擦力，大幅减少外齿28与内齿11在大扭矩工况下的撕裂磨损的情形。而且采用滚针6或滚珠，在花键轴2和花键滑套1的啮合长度足够长的条件下，能够实现更多的线或点接触受力，优化受力结构，该结构下，滚针6或滚珠7仅承受压力，不承受剪切力，从而保整体结构在大扭矩和高频振动工况下受力可靠。尤其是，本发明能够采用更小尺寸的滚动件，以进一步增大可靠接触面积。
优选的方案中，外齿28与内齿11之间的啮合长度大于或等于10cm，进一步优选的啮合长度为20~25cm。花键轴2与花键滑套1之间传递达到10000牛·米的扭矩，且相对沿轴向移动，轴向移动的振动频率达到9~26Hz；相对轴向移动行程为0.3~1cm。
优选的方案如图8中，在内齿11与外齿28的侧面设有弧形或“V”形凹槽，滚珠设置在凹槽内。由此结构，滚珠7与凹槽之间至少为两点接触。
优选的方案如图8中，所述的凹槽沿着内齿11和外齿28的齿顶到齿底设置为多个。本例中优选为3层凹槽。优选的，凹槽的长度被设置成，在振动行程范围内，凹槽都不会露出到花键轴1或花键滑套2的端头之外。
优选的方案中，在内齿11或外齿28的凹槽两端设有限位结构，凹槽的长度小于外齿28与内齿11之间的啮合长度。由此结构，以使滚珠7不会脱落。本例所述的限位结构，为分别位于花键轴2和花键滑套1上的阶台，如图1中所示。
优选的方案如图3~5中，在外齿28的齿顶设有滑动的保持架21，保持架21沿长度方向的两侧边缘设有多个第一限位端头22；保持架21沿长度方向的两侧边缘还设有多个连接柱24，连接柱24向远离第一限位端头22的方向延伸并与下限位板25固定连接，下限位板25上设有多个与第一限位端头22相对应的第二限位端头26；
滚针6位于第一限位端头22与第二限位端头26之间，在滚针6的端头设有凹槽，第一限位端头22和第二限位端头26部分的位于凹槽内；以使滚针6沿花键轴2的轴向滚动，并被限位。采用该方案，能够保持滚针之间的间距，避免过密或稀疏，避免滚针之间的摩擦，且滚针与第一限位端头22和第二限位端头26之间的摩擦较小。该方案适用于直径较粗的滚针，例如直径3mm以上的滚针。
优选的方案如图2、6、7中，在外齿28的齿顶设有滑动的保持架21，保持架21沿长度方向的两侧边缘设有多个连接柱24，连接柱24向远离保持架21的方向延伸，并与下限位板25固定连接，保持架21的边缘和下限位板25上设有多个限位槽28；滚针6的端头可转动的位于限位槽28内，以使滚针6沿花键轴2的轴向滚动，并被限位。由此结构，适用于直径较细的滚针，例如直径3mm和3mm以下的滚针。
在图2~7的示例中，保持架21的底面和外齿27的顶面为平面，在这些平面之间还可以设置导向结构，例如在保持架21的底面设有凹槽，在外齿27的顶面设有凸起，凸起位于凹槽内滑动。凸起的横截面优选的采用半圆形、矩形、梯形、三角形或燕尾型。凹槽的横截面相应的为半圆形、矩形、梯形、三角形或燕尾型。
优选的方案中，滚针6的直径为1~6mm；滚珠7的直径为1~6mm。
优选的方案如图1中，在花键轴2和花键滑套1上设有阶台，以对保持架21的行程进行限位。也能够阻挡滚针或滚珠脱出。
优选的方案如图1~6中，具体的安装方式是先将各个滚针6安装在保持架21上，即完成了滚针6的安装，将花键轴2、保持架21与花键滑套1滑动套接，即完成了装配。进一步优选的，滚针6材质硬度低于花键滑套1的材质的硬度，以延长花键滑套1和花键轴2的使用寿命，减少生产和使用成本。
实施例2：
如图1中，一种采用上述的花键连接结构的水力振荡器，花键滑套1与振动节8固定连接；振动节8的结构为现有技术，例如背景技术中的相应记载。
所述的振动节8包括螺杆马达，螺杆马达中的螺杆与动片连接，并带动动片旋转，以使动片上的孔与振动节8上的孔的通流截面大小往复变化；
或者所述的振动节8包括涡轮，涡轮的轴与动片连接，并带动动片旋转，以使动片上的孔与振动节8上的孔的通流截面大小往复变化；
或者所述的振动节8为涡流振动节，涡流振动节内设有涡腔，以及位于涡腔的过流孔，以使液体介质在涡腔内产生振动。
如图11中所示，采用本发明的结构，在同等压力介质条件下，振幅提高约7%，频率提高约8.5%。这些参数的变化，从侧面反映了对连接结构的改善能够提升水力振荡器的工作效率。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。因记载的篇幅所限，本例中未能将所有的组合方案加以举例，因此，上述实施例中的技术特征，在互不冲突的前提下，能够互相组合以产生更多的技术方案。
Claims (10)
1.一种低摩擦力的花键传动结构，它包括花键轴（2）和花键滑套（1），在花键轴（2）和花键滑套（1）的中心均设有通孔，花键轴（2）的外壁设有多个外齿（28），在花键滑套（1）的内壁设有与外齿（28）相啮合的多个内齿（11），其特征是：在内齿（11）与外齿（28）的侧面之间设有多个滚针（6）或滚珠。
2.根据权利要求1所述的一种低摩擦力的花键传动结构，其特征是：外齿（28）与内齿（11）之间的啮合长度大于或等于10cm，花键轴（2）与花键滑套（1）之间传递达到10000牛·米的扭矩，且相对沿轴向移动，轴向移动的振动频率达到9~26Hz；相对轴向移动行程为0.3~1cm。
3.根据权利要求1所述的一种低摩擦力的花键传动结构，其特征是：在内齿（11）与外齿（28）的侧面设有弧形或“V”形凹槽，滚珠设置在凹槽内。
4.根据权利要求3所述的一种低摩擦力的花键传动结构，其特征是：所述的凹槽沿着内齿（11）和外齿（28）的齿顶到齿底设置为多个。
5.根据权利要求3或4所述的一种低摩擦力的花键传动结构，其特征是：在内齿（11）或外齿（28）的凹槽两端设有限位结构，凹槽的长度小于外齿（28）与内齿（11）之间的啮合长度。
6.根据权利要求1所述的一种低摩擦力的花键传动结构，其特征是：在外齿（28）的齿顶设有滑动的保持架（21），保持架（21）沿长度方向的两侧边缘设有多个第一限位端头（22）；保持架（21）沿长度方向的两侧边缘还设有多个连接柱（24），连接柱（24）向远离第一限位端头（22）的方向延伸并与下限位板（25）固定连接，下限位板（25）上设有多个与第一限位端头（22）相对应的第二限位端头（26）；
滚针（6）位于第一限位端头（22）与第二限位端头（26）之间，在滚针（6）的端头设有凹槽，第一限位端头（22）和第二限位端头（26）部分的位于凹槽内；以使滚针（6）沿花键轴（2）的轴向滚动，并被限位。
7.根据权利要求1所述的一种低摩擦力的花键传动结构，其特征是：在外齿（28）的齿顶设有滑动的保持架（21），保持架（21）沿长度方向的两侧边缘设有多个连接柱（24），连接柱（24）向远离保持架（21）的方向延伸，并与下限位板（25）固定连接，保持架（21）的边缘和下限位板（25）上设有多个限位槽（28）；滚针（6）的端头可转动的位于限位槽（28）内，以使滚针（6）沿花键轴（2）的轴向滚动，并被限位。
8.根据权利要求6或7所述的一种低摩擦力的花键传动结构，其特征是：
滚针（6）的直径为1~6mm；
滚珠（7）的直径为1~6mm。
9.根据权利要求6或7所述的一种低摩擦力的花键传动结构，其特征是：在花键轴（2）和花键滑套（1）上设有阶台，以对保持架（21）的行程进行限位。
10.一种采用权利要求1~9任一项所述的花键连接结构的水力振荡器，其特征是：花键滑套（1）与振动节（8）固定连接；
所述的振动节（8）包括螺杆马达，螺杆马达中的螺杆与动片连接，并带动动片旋转，以使动片上的孔与振动节（8）上的孔的通流截面大小往复变化；
或者所述的振动节（8）包括涡轮，涡轮的轴与动片连接，并带动动片旋转，以使动片上的孔与振动节（8）上的孔的通流截面大小往复变化；
或者所述的振动节（8）为涡流振动节，涡流振动节内设有涡腔，以及位于涡腔的过流孔，以使液体介质在涡腔内产生振动。
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