CN114000839B - 一种高效率管柱冲扣装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高效率管柱冲扣装置，属于石油及天然气钻井设备技术领域，包括底座、外罩、夹紧组件、旋紧组件、扩口装置和动力源；其特征在于：所述夹紧组件是由推力液压装置带动卡爪进行夹紧，所述旋紧组件是由齿轮组带动卡爪和管柱进行旋紧，夹紧组件和旋紧组件分别设置在底座上，所述外罩通过螺栓固定设置在底座上，所述扩口装置和动力源分别固定设置在外罩上。本发明具有夹紧力大、对中性好、冲扣效率高、结构简单和易推广等特点，解决了目前很多冲扣装置需要二次甚至多次冲扣才能将管柱旋紧而导致冲扣效率低的问题。

Description

一种高效率管柱冲扣装置
技术领域
本发明涉及一种高效率管柱冲扣装置，属于石油及天然气钻井设备技术领域。
背景技术
对于目前市场上出现的以及在油气田现场使用的管柱自动冲扣装置，其结构几乎都是由上部主钳、下部背钳和夹紧装置组成，夹紧装置夹紧下部管柱，主钳对上部管柱进行快速旋紧动作，背钳进而对上部管柱进行大扭矩紧扣动作，直至管柱旋至预定的大扭矩后结束上扣。在对管柱进行大扭矩紧扣过程中，目前的紧扣装置(背钳)包括铁钻工均采用推力液压装置夹紧管柱、扭转液压装置带动管柱旋转来达到紧扣的目的，虽然液压装置能提供较大的夹紧力以及较大的扭矩，也很容易实现紧扣所要求的大扭矩，但是扭转液压装置能带动管柱旋转的角度有限，在扭转液压装置的一个直线行程内最多带动管柱旋转180°(理想情况下)，而实际转动角度则还要小得多，对于需紧扣达到预定大扭矩的管柱而言，对其旋紧所需的圈数很可能超过一圈，甚至要旋3到4圈，这对于扭转液压装置来说，则需要通过反复夹紧、旋转、松开、回程再夹紧再旋转的过程来实现紧扣，这样就会使得在紧扣过程中浪费较多时间，导致管柱整个上卸扣过程效率低下，而且在反复夹紧管柱的过程中，也很容易对管柱外壁造成损伤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效率管柱冲扣装置，以解决现有的冲扣装置冲扣时间长、工作效率低等问题；
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种高效率管柱冲扣装置，其包括底座、外罩、夹紧组件、旋紧组件、扩口装置和动力源；所述夹紧组件由卡爪安装座、导向盘、卡爪和安装座齿轮组成，所述安装座齿轮设置在底座上，所述卡爪安装座设置在安装座齿轮上，卡爪安装座内孔壁分别设置了上下两层安装槽，所述卡爪设置在安装槽内，卡爪安装座外壁设置有三处异形槽；所述安装座齿轮外侧表面设置有一圈凸台，中间表面设置有三处下层导向块，中心设置有管柱通过的通孔；所述导向盘固定设置在三处下层导向块顶部，导向盘表面也设置了三处上层导向块；所述旋紧组件由传动齿轮、安装座齿轮、传动轴和圆头平键组成；所述外罩固定设置在底座上，所述扩口装置和动力源固定设置在外罩上。
上述的一种高效率管柱冲扣装置，所述底座大端中心设置一处管柱通过的通孔，通孔四周设置一圈凸台，凸台用于安装座齿轮安装时的定位和限位；底座小端中心设置一处传动轴安装定位用的通孔；底座下表面设置一圈螺纹孔，底座能通过螺纹孔固定安装在井口工作台上。
上述的一种高效率管柱冲扣装置，所述安装座齿轮通过推力球轴承设置在底座大端中心处，安装座齿轮可绕底座大端中心孔轴线自由旋转，安装座齿轮外圆柱面设置一圈齿轮，中心设置一处管柱通过的通孔，中部表面设置有三处下层导向块，外部表面设置有一圈凸台；所述卡爪安装座通过推力球轴承设置在安装座齿轮表面上，可绕安装座齿轮中心轴线自由旋转，卡爪安装座内孔壁分为上下两层，每层均设置有三处安装槽，所述卡爪通过固定轴固定设置在安装槽内，上下两层的卡爪的设置方向相反，均可绕固定轴自由旋转，卡爪凸面和安装槽凹面上均设置有一处弹簧安装孔，弹簧通过拉伸作用将卡爪牢牢贴合在安装槽中，卡爪夹持面设置有高耐磨材料；三处下层导向块顶部分别设置有螺纹孔，所述导向盘通过螺栓固定设置在下层导向块上，导向盘上表面也设置有三处上层导向块，上下两层导向块的外形一致，设置方向相反，卡爪安装座外壁设置有三处异形槽。
上述的一种高效率管柱冲扣装置，所述安装座齿轮的凸台上设置有三处螺纹孔，所述卡爪安装座异形槽中也设置有螺纹孔，所述连接杆固定设置在异形槽螺纹孔中，所述支撑杆固定设置在凸台螺纹孔中，所述推力液压装置两端分别固定设置在连接杆和支撑杆上，推力液压装置的伸长和收缩作用会带动卡爪安装座绕着安装座齿轮做顺时针和逆时针旋转，当卡爪安装座逆时针旋转时，上层卡爪由于受到上层导向块的挤压作用开始向中心收拢，下层卡爪随着卡爪安装座一起转动；当卡爪安装座顺时针旋转时，下层卡爪由于受到下层导向块的挤压作用开始向中心收拢，上层卡爪随着卡爪安装座一起转动。
上述的一种高效率管柱冲扣装置，所述传动轴设置在底座小端中心孔中，传动轴大端面与设置在底座小端中心的推力球轴承接触，所述传动齿轮设置在传动轴上，传动齿轮内孔与传动轴外圆柱面紧密配合，传动齿轮端面沉孔与传动轴大端面接触，传动齿轮可绕传动轴自由转动，所述圆头平键设置在传动轴键槽内，传动齿轮的轮齿与所述安装座齿轮相啮合。
上述的一种高效率管柱冲扣装置，所述动力源由电动机和减速器组成，减速器通过螺栓固定设置在安装架上，所述安装架固定设置在外罩上，所述电动机通过螺栓固定设置在减速器上，电动机输出扭矩带动减速器转动，减速器将输出扭矩传递至传动轴，进而实现对管柱进行夹紧和紧扣。
上述的一种高效率管柱冲扣装置，所述扩口装置通过螺栓固定设置在外罩上，当管柱下放时通过扩口装置很容易能实现管柱的对正。
上述技术方案可以看出，本发明的一种高效率管柱冲扣装置具有如下优点：1.夹紧力大，同平面的三只卡爪通过卡爪安装座的旋转带动作用和导向块的限位作用，开始向中心收拢，当卡爪头部碰到管柱时停止运动而尾部在卡爪安装座带动下继续旋转，此时导向块充当杠杆的支点，利用杠杆原理，卡爪头部能对管柱产生一个很大的夹紧力，保证了管柱和卡爪间有足够大的摩擦力；2.对中性好，由于三只卡爪是同时同步朝着中心通孔收拢，三只卡爪头部的内切圆直径一直减小，而圆心始终保持与中心通孔同心，因此在夹紧管柱后能保证管柱处在通孔的中心位置；3.冲扣效率高，只需一次冲扣即能达到预定扭矩要求。当卡爪与管柱夹紧后，由齿轮组带动卡爪管柱旋转，由于齿轮旋转运动没有行程限制，因此可以一直旋转至达到预定扭矩为止。
附图说明
图1是本发明的一种高效率管柱冲扣装置的整体结构示意图；
图2是本发明的一种高效率管柱冲扣装置的内部结构示意图；
图3是本发明的一种高效率管柱冲扣装置的内部剖视图；
图4是本发明的一种高效率管柱冲扣装置上层卡爪工作结构剖视图；
图5是本发明的一种高效率管柱冲扣装置下层卡爪工作结构剖视图；
图中：1-外罩、2-扩口装置、3-电动机、4-减速器、5-安装架、6-卡爪安装座、7-导向块、8-卡爪、9-凸台、10-支撑杆、11-推力液压装置、12-传动齿轮、13-底座、14-连接杆、15-导向盘、16-安装座齿轮、17-固定轴、18-推力球轴承、19-传动轴、20-圆头平键、21-弹簧。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对发明的技术方案进行详细的描述，并配合附图作详细说明：
如图1-图5，本发明提供一种高效率管柱冲扣装置，其特征在于：包括底座(13)、外罩(1)、夹紧组件、旋紧组件、扩口装置(2)和动力源；所述夹紧组件由卡爪安装座(6)、导向盘(15)、卡爪(8)和安装座齿轮(16)组成，所述安装座齿轮(16)通过推力球轴承(18)设置在底座上，所述卡爪安装座(6)通过推力球轴承(18)设置在安装座齿轮(16)上，卡爪安装座(6)内孔壁分别设置了上下两层安装槽，所述卡爪(8)通过固定轴(17)固定设置在安装槽内，卡爪安装座(6)外圆柱面设置有三处异形槽；所述安装座齿轮(16)外侧表面设置有一圈凸台(9)，中间表面设置有三处下层导向块，中心设置有管柱通过的通孔；所述导向盘(15)通过螺栓固定设置在三处下层导向块上，导向盘(15)表面也设置了三处上层导向块(7)；所述旋紧组件由传动齿轮(12)、安装座齿轮(16)、传动轴(19)和圆头平键(20)组成；所述外罩(1)通过螺栓固定设置在底座(13)上，所述扩口装置(2)和动力源通过螺栓固定设置在外罩(1)上；
如图1-图5所示的底座(13)上下表面各设置有一周螺栓孔，底座(13)可通过下表面螺栓孔固定安装在井口工作台上，上表面螺栓孔用于外罩(1)的安装和定位，底座(13)大端和小端中心处分别设置了一处通孔，大端处通孔用于管柱的通过，小端处通孔用于传动轴(19)的安装和定位，大端中心孔边缘设置一圈凸台，用于安装座齿轮(16)的安装和定位，在底座(13)大端和小端中心孔外圈处分别设置了一处环槽，用于推力球轴承(18)的安装和定位；安装座齿轮(16)中心设置有一处管柱通过的通孔，下表面中心通孔外圈设置了一处环槽，用于推力球轴承(18)的安装和定位，安装座齿轮(16)设置在底座(13)大端处，中心通孔与底座(13)大端通孔同心，安装座齿轮(16)外壁设置一圈齿轮，端面外侧设置一圈凸台，凸台表面设置3处螺栓孔，用于支撑杆(10)的安装和定位，端面内侧设置有3处上层导向块，导向块端面设置有螺栓孔，用于导向盘(15)的安装固定，导向盘呈扁圆柱状，中心设有通孔，端面设有3处上层导向块，上下层导向块设置方向相反且相互错开，安装座齿轮(16)上表面中间设置有一处环槽，用于推力球轴承(18)的安装和定位；卡爪安装座(6)呈圆环状，整体设置在安装座齿轮(16)上，卡爪安装座(6)下端面设置一处环槽，用于推力球轴承(18)的安装和定位，外侧面设置有3处异形槽，用于安装连接杆(14)，内侧面设置有两层卡爪安装槽，安装槽中心设置有通孔，用于固定轴(17)的安装，卡爪(8)通过固定轴(17)固定安装在安装槽内，上下两层卡爪(8)安装方向相反且相互错开，卡爪(8)可随固定轴(17)自由转动，在卡爪夹持面设置有高耐磨材料；传动轴(19)设置在底座(13)小端中心孔内，传动轴(19)大端面与推力球轴承(18)表面紧密接触，传动齿轮(12)穿过传动轴(19)设置在底座(13)上，底面沉孔与传动轴(19)大端面紧密接触，外侧齿轮与安装座齿轮相啮合，圆头平键(20)设置在传动轴(19)键槽中；
如图1-图5所示，本发明提供一种高效率管柱冲扣装置，其工作过程可分为夹紧过程和紧扣过程；夹紧过程：当管柱经旋扣装置旋扣至一个较小扭矩后，该冲扣装置的推力液压装置(11)启动，带动卡爪安装座(6)转动，同时卡爪安装座(6)也带动卡爪(8)转动，当卡爪(8)在转动过程中碰到固定的导向块(7)时，由于导向块(7)的限位作用，卡爪(8)尾部继续随着卡爪安装座(6)转动，头部开始向中心收拢，最终与管柱接触，由杠杆原理，卡爪安装座(6)对卡爪(8)尾部施加的扭矩通过头部传递给管柱，从而实现对管柱的夹紧；紧扣过程：当卡爪(8)将管柱夹紧后，电动机(3)开启并输出一定扭矩，开始带动传动齿轮(12)旋转，进而带动管柱旋转，最终实现对管柱的紧扣。
本发明的一种高效率管柱冲扣装置在紧扣时的工作过程，包括以下详细步骤：
①管柱经过旋扣装置旋至一个预定的扭矩时，该冲扣装置开始上扣工作，此时电动机(3)未启动，处于自锁状态，同时传动齿轮(12)和安装座齿轮(16)由于电机自锁也处于锁定状态，不可转动，此时夹紧组件的推力液压装置(11)处于液压缸的中间位置；
②夹紧组件的推力液压装置(11)收缩，带动卡爪安装座(6)逆时针转动，同时上下层卡爪(8)也跟随卡爪安装座(6)进行逆时针转动，由于下层卡爪逆时针转动时在其转动方向上并无阻碍物，并留有一定余量，因此下层卡爪(8)仅保持与卡爪安装座(6)紧密贴合同时逆时针转动，并无其他动作；而上层卡爪(8)由于受到固定的上层导向块(7)限位作用，其尾部继续保持逆时针旋转，头部开始向着卡爪安装座(6)中心位置进行收拢；
③上层卡爪(8)在收拢过程中，最终与管柱接触，通过杠杆原理，此时上层导向块(7)充当支点，卡爪安装座(6)给上层卡爪(8)尾部持续提供一个逆时针扭矩，该扭矩将通过上层卡爪(8)头部传递给管柱，从而将管柱夹紧；
④管柱被夹紧后，电动机(3)开始工作，为保证推力液压装置(11)能持续提供夹紧力，必须保证推力液压装置(11)保持恒定位置以及卡爪安装座(6)和安装座齿轮(16)无相对转动，因此，电动机(3)需带动管柱向逆时针方向转动(管柱夹紧后安装座齿轮(16)存在顺时针转动趋势)，直至达到预定扭矩，电动机(3)停止转动，推力液压装置(11)返回液压缸中间位置，上扣过程完成；
本发明的一种高效率管柱冲扣装置在卸扣时的工作过程，包括以下详细步骤：
①管柱从井口被提升至合适位置并停止提升，该冲扣装置开始卸扣工作，此时电动机(3)未启动，处于自锁状态，同时传动齿轮(12)和安装座齿轮(16)由于电机自锁也处于锁定状态，不可转动，此时夹紧组件的推力液压装置(11)处于液压缸的中间位置；
②夹紧组件的推力液压装置(11)伸长，带动卡爪安装座(6)顺时针转动，同时上下层卡爪(8)也跟随卡爪安装座(6)进行顺时针转动，由于上层卡爪顺时针转动时在其转动方向上并无阻碍物，留有一定余量，因此上层卡爪(8)仅保持与卡爪安装座(6)紧密贴合同时顺时针转动，并无其他动作；而下层卡爪(8)由于受到固定的下层导向块(7)限位作用，其尾部继续保持顺时针旋转，头部开始向着卡爪安装座(6)中心位置进行收拢；
③下层卡爪(8)在收拢过程中，最终与管柱接触，通过杠杆原理，此时下层导向块(7)充当支点，卡爪安装座(6)给下层卡爪(8)尾部持续提供一个顺时针扭矩，该扭矩将通过下层卡爪(8)头部传递给管柱，从而将管柱夹紧；
④管柱被夹紧后，电动机(3)开始工作，为保证推力液压装置(11)能持续提供夹紧力，必须保证推力液压装置(11)保持恒定位置以及卡爪安装座(6)和安装座齿轮(16)无相对转动，因此，电动机(3)需带动管柱向顺时针方向转动(管柱夹紧后安装座齿轮(16)存在逆时针转动趋势)，直至达到预定较小扭矩，电动机(3)停止转动，推力液压装置(11)返回液压缸中间位置，卸扣过程完成；
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种高效率管柱冲扣装置，其特征在于：包括外罩（1）、底座（13）、夹紧组件、旋紧组件、扩口装置（2）和动力源；所述夹紧组件由卡爪安装座（6）、导向盘（15）、卡爪（8）和安装座齿轮（16）组成；所述旋紧组件由传动齿轮（12）、安装座齿轮（16）、传动轴（19）和圆头平键（20）组成；所述动力源由电动机（3）、减速器（4）组成；安装座齿轮（16）通过推力球轴承（18）安装在底座（13）上，安装座齿轮(16)外圆柱面设置一圈齿轮，与所述传动齿轮（12）啮合；所述导向盘（15）通过螺栓固定安装在下层导向块（7）上端面，导向盘（15）上表面固定安装3处上层导向块（7），与下层导向块（7）位置错开排布；所述卡爪安装座（6）通过推力球轴承（18）安装在安装座齿轮（16）上，卡爪安装座（6）内孔壁分为上下两层，每层均设置有三处安装槽，卡爪（8）通过固定轴（17）固定安装在安装槽内，可绕固定轴（17）自由转动，上下两层的卡爪（8）的设置方向相反；卡爪（8）和安装槽侧壁上均设置有一处弹簧安装孔，弹簧（21）固定安装在弹簧安装孔内，弹簧（21）两端分别与安装槽和卡爪连接，卡爪（8）通过弹簧（21）拉伸作用与安装槽紧密贴合，卡爪（8）夹持面设置有高耐磨材料；卡爪安装座（6）外壁设置有三处异形槽，异形槽内通过螺纹固定安装有连接杆（14）；安装座齿轮（16）外侧表面设置有一圈凸台（9），固定杆（10）通过螺纹固定安装在凸台（9）上；推力液压装置（11）两端分别固定安装在连接杆（14）和固定杆（10）上，推力液压装置（11）伸长和收缩会带动卡爪安装座（6）做顺时针和逆时针旋转动；当卡爪安装座（6）逆时针旋转时，上层卡爪（8）由于受到上层导向块（7）的挤压作用开始向中心收拢，当卡爪安装座（6）顺时针旋转时，下层卡爪（8）由于受到下层导向块（7）的挤压作用开始向中心收拢，实现对管柱上卸扣时的夹紧动作；所述传动轴（19）通过推力球轴承（18）安装在底座（13）小端中心孔中，所述传动齿轮（12）固定安装在传动轴（19）上，可随传动轴（19）转动；所述外罩（1）通过螺栓固定安装在底座（13）上，对夹紧组件和旋紧组件进行保护和轴向固定支撑；所述动力源由电动机（3）和减速器（4）组成，电动机（3）通过螺栓固定安装在减速器（4）上，减速器（4）通过螺栓固定安装在安装架（5）上，安装架（5）固定安装在外罩（1）表面；所述减速器（4）下端与传动轴（19）固定连接，上端与电动机（3）固定连接；所述扩口装置（2）通过螺栓固定设置在外罩（1）上，当管柱下放时通过扩口装置（2）实现管柱的对正。
2.根据权利要求1所述的一种高效率管柱冲扣装置，其特征在于：所述底座（13）大端中心设置一处管柱通过的通孔，通孔四周设置一圈凸台，凸台用于安装座齿轮（16）安装时的定位和限位；底座（13）小端中心设置一处传动轴（19）安装定位用的通孔。
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