CN112901654A - 一种井底马达pdc平面推力轴承组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种井底马达PDC平面推力轴承组，包括若干并列设置在井底马达的输出轴与钻具壳体之间的推力轴承组，推力轴承组包括依次装配连接的上端轴承单元、中间轴承单元和下端轴承单元；上端轴承单元包括顺次设置的动垫片和PDC轴承；中间轴承单元包括顺次设置的动调节垫圈、静垫片、PDC轴承、动垫片和PDC轴承，且中间轴承单元中顺次设置的PDC轴承、动垫片和PDC轴承的外侧套设有静调节垫圈；下端轴承单元包括顺次设置的动调节垫圈、静垫片、PDC轴承和动垫片；动调节垫圈和静调节垫圈的径向分别设置有若干条割缝。大幅提高了PDC轴承组的可靠性、降低了成本；同时，达到刚性垫圈能够同时满足强度和弹性需求。

Description

一种井底马达PDC平面推力轴承组
技术领域
本发明涉及钻井工程井底马达技术领域，特别是涉及一种井底马达PDC平面推力轴承组。
背景技术
钻井工程井底马达，尤其是涡轮马达(也称涡轮钻具)，是在油气钻井(包括常规石油天然气、页岩气、天然气水合物等)、地热钻井、干热岩钻井、科学钻探等提速的关键工具。涡轮钻具是将液能转变为机械能的井底马达，其输出转速一般高度达数百转至一千多转每分钟。
为了减小起下钻的额外工作量，一般要求井底马达(包括涡轮钻具)有尽可能高的使用寿命和可靠性。其输出端承担轴向载荷的推力轴承组是决定涡轮钻具可靠性及寿命的关键部件，数十年来各国都致力于该推力轴承组的研发工作。普通的推力球轴承组在钻井工程高转速、高固相泥浆环境、大轴向载荷、动载的恶劣工况下往往寿命很低，制约涡轮钻具的使用。近些年来发展了PDC平面轴承，通过设计合理PDC轴承组达到了大幅增加涡轮钻具整机寿命的目的。
但是现有PDC轴承组存在两大问题：一是承担井下几吨至数十吨的轴向载荷，一对PDC轴承无法独立完成，需要根据不同工况由几对甚至十对以上的PDC轴承并联完成，每对轴承承受1/N的轴向载荷；二是该并联轴承组在装配时就要做到各对轴承承受同样的预紧载荷，但零件加工和装配过程中均存在公差，所以需要在结构上解决该问题；此外该结构更重要的是在钻井过程中，将动载荷均摊到各对轴承上，并由缓冲结构对动载进行缓冲，避免PDC快的碎裂。
发明内容
本发明的目的是提供一种井底马达PDC平面推力轴承组，以解决上述现有技术存在的问题、简单结构，不仅可以大幅增加井底马达的可靠性，还在一定程度上降低成本，有利于推广。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种井底马达PDC平面推力轴承组，包括若干并列设置在钻具壳体与井底马达的输出轴之间的推力轴承组，所述推力轴承组包括依次装配连接的上端轴承单元、中间轴承单元和下端轴承单元；所述上端轴承单元包括顺次设置的动垫片和PDC轴承；所述中间轴承单元包括顺次设置的动调节垫圈、静垫片、PDC轴承、动垫片和PDC轴承，且中间轴承单元中顺次设置的PDC轴承、动垫片和PDC轴承的外侧套设有静调节垫圈；所述下端轴承单元包括顺次设置的动调节垫圈、静垫片、PDC轴承和动垫片；所述动调节垫圈和静调节垫圈的径向分别设置有若干条割缝。
优选地，所述井底马达的输出轴带动所述动调节垫圈、动垫片和PDC轴承的PDC轴承动圈转动；所述静调节垫圈、静垫片和PDC轴承的PDC轴承静圈相对壳体呈静止状态。
优选地，所述动调节垫圈和静调节垫圈上的割缝的弧长大于调节垫圈的半圆弧长。
优选地，根据所需调节垫圈的刚性和弹性要求，对所述动调节垫圈和静调节垫圈上的割缝的深度、宽度和密度进行预制。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明中的井底马达PDC平面推力轴承组，推力轴承各部件之间都是依次在钻具外壳和井底马达的输出轴的环状空间内进行装配，多个推力轴承相互叠加形成并联的推力轴承组，轴向施加预紧力，可向下、向上两个方向承担轴向力，大幅提高了PDC轴承组的可靠性、降低了成本；同时，通过将环形的动调节垫圈和静调节垫圈的径向设置割缝，达到刚性垫圈具备极小的弹性，强度和弹性同时满足。达到充分利用PDC高耐磨性，克服PDC不抗冲击动载的技术目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为井底马达PDC平面推力轴承组的装配图；
图2为推力轴承组的结构组成图；
图3为动调节垫圈的剖视图；
图4为静调节垫圈的剖视图；
其中，1-1，PDC轴承动圈；1-2，PDC轴承静圈；1-3，静垫片；1-4，动调节垫圈；1-5，动垫片；1-6，静调节垫圈；2-1，上端压紧的轴系零件下端；2-2，上端压紧的壳系零件下端；2-3，钻具壳体；2-4，输出轴；2-5，下端压紧的壳系零件上端；2-6，下端压紧的轴系零件上端；3，割缝。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种井底马达PDC平面推力轴承组，以解决上述现有技术存在的问题、简单结构，不仅可以大幅增加工具的可靠性，还在一定程度上降低成本，有利于推广。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-4所示，本实施例提供一种井底马达PDC平面推力轴承组，包括若干并列设置在钻具壳体2-3与井底马达的输出轴2-4之间的推力轴承组，推力轴承组包括依次装配连接的上端轴承单元、中间轴承单元和下端轴承单元；上端轴承单元包括顺次设置的动垫片1-5和PDC轴承；中间轴承单元包括顺次设置的动调节垫圈1-4、静垫片1-3、PDC轴承、动垫片1-5和PDC轴承，且中间轴承单元中顺次设置的PDC轴承、动垫片1-5和PDC轴承的外侧套设有静调节垫圈1-6；下端轴承单元包括顺次设置的动调节垫圈1-4、静垫片1-3、PDC轴承和动垫片1-5；动调节垫圈1-4和静调节垫圈1-6的径向分别设置有若干条割缝3。
结合图1，该井底马达PDC平面推力轴承组在装配时，推力轴承组的上端和下端分别通过上端压紧的轴系零件下端2-1、上端压紧的壳系零件下端2-2、下端压紧的壳系零件上端2-5和下端压紧的轴系零件上端2-6施加有预紧力。推力轴承各部件之间都是依次在钻具壳体2-3和井底马达的输出轴2-4的环状空间内进行装配，轴向施加预紧力，每个推力轴承由上端轴承单元、中间轴承单元和下端轴承单元组成，可向下、向上两个方向承担轴向力，多单元相互叠加形成并联关系。
井底马达上部向下传递转速，由轴系零件输出；壳系零件相对轴系零件静止。轴承中轴系零件包括：PDC轴承动圈1-1、动调节前端1-4和动垫片1-5。
于本实施例中，动调节垫圈1-4和静调节垫圈1-6的作用都是为了保护PDC轴承动圈1-1和PDC轴承静圈1-2。PDC块是一种超高硬度的材料，但是抗冲击能力较差、抗轴向力的能力有限。本发明中动、静调节垫圈的设置，其目的是将各轴承单元并联装配起来以后，通过预紧力达到各对PDC轴承的受力平衡，动、静的调解原理是一致的。为了消除加工的公差和转配的误差，以及工作中各对轴承的不均匀磨损。
另外，动调节垫圈1-4和静调节垫圈1-6上的割缝3的弧长大于调节垫圈的半圆弧长。根据所需调节垫圈的刚性和弹性要求，对动、静调节垫圈上的割缝3的深度、宽度和密度进行预制。当受到冲击力时，动、静调节垫圈即起到了缓冲作用(PDC块在冲击载荷下容易破碎)。由于动静调节垫圈虽有弹簧特征，但是通过割缝3的不同深度、宽度、密度等的设计，可以兼顾到弹性调节、缓冲和刚性特征。
本发明中的井底马达PDC平面推力轴承组，推力轴承各部件之间都是依次在钻具外壳2-4和井底马达的输出轴2-4的环状空间内进行装配，多个推力轴承相互叠加形成并联的推力轴承组，轴向施加预紧力，可向下、向上两个方向承担轴向力，大幅提高了PDC轴承组的可靠性、降低了成本；同时，通过将环形的动调节垫圈1-4和静调节垫圈1-6的径向设置割缝3，达到刚性垫圈具备极小的弹性，强度和弹性同时满足。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种井底马达PDC平面推力轴承组，其特征在于：包括若干并列设置在井底马达的输出轴与钻具壳体之间的推力轴承组，所述推力轴承组包括依次装配连接的上端轴承单元、中间轴承单元和下端轴承单元；所述上端轴承单元包括顺次设置的动垫片和PDC轴承；所述中间轴承单元包括顺次设置的动调节垫圈、静垫片、PDC轴承、动垫片和PDC轴承，且中间轴承单元中顺次设置的PDC轴承、动垫片和PDC轴承的外侧套设有静调节垫圈；所述下端轴承单元包括顺次设置的动调节垫圈、静垫片、PDC轴承和动垫片；所述动调节垫圈和静调节垫圈的径向分别设置有若干条割缝。
2.根据权利要求1所述的井底马达PDC平面推力轴承组，其特征在于：所述井底马达的输出轴带动所述动调节垫圈、动垫片和PDC轴承的PDC轴承动圈转动；所述静调节垫圈、静垫片和PDC轴承的PDC轴承静圈相对钻具壳体呈静止状态。
3.根据权利要求1所述的井底马达PDC平面推力轴承组，其特征在于：所述动调节垫圈和静调节垫圈上的割缝的弧长大于调节垫圈的半圆弧长。
4.根据权利要求1所述的井底马达PDC平面推力轴承组，其特征在于：根据所需调节垫圈的刚性和弹性要求，对所述动调节垫圈和静调节垫圈上的割缝的深度、宽度和密度进行预制。
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