CN117581003A - 柔性传动驱动接头 - Google Patents

Abstract

一种动力传动系统，包括联接到驱动轴的相对两端的转子适配器和轴承适配器。该转子适配器包括多个第一驱动窝。该多个第一驱动窝中的每个第一驱动窝接收能旋转地保持在多个第一驱动窝中的每个第一驱动窝与驱动轴的一端之间的驱动球。轴承适配器包括多个第二驱动窝。该多个第二驱动窝各自接收能旋转地保持在多个第二驱动窝中的每个第二驱动窝与驱动轴的相对端之间的驱动球。多个驱动球中的每个驱动球包括平坦表面，并且多个第一驱动窝和多个第二驱动窝各自包括平坦推力面。平坦表面响应于使转子适配器旋转而从平坦推力面接收旋转力。

Description

柔性传动驱动接头

技术领域

本发明属于用于碳氢化合物的勘探和开采的钻探设备的领域，并且具体地属于用于钻探的动力传动系统和轴承组。

背景技术

碳氢化合物的勘探和开采通常需要在地下钻探深井。现代钻头由液压正排量马达(PDM)驱动。来自PDM转子的扭矩经由动力传动系统(driveline)和轴承组传递到钻头。典型的动力传动系统包括外壳体、转子适配器、驱动元件、驱动轴和轴承适配器。动力传动系统必须能够相对于轴承心轴以高达3°的角度旋转，以及补偿由PDM的定子中的转子的旋转引起的偏心率。这些功能借助于容纳在转子适配器和轴承适配器中的柔性机械接头来实现。在石油和天然气钻探行业中，使用球和窝设计是常见的做法，其中，驱动球被用来将扭矩荷载从PDM传递到转子适配器和轴承适配器壳体两者中的球窝(ball pocket，球凹部)，从而将扭矩传递到轴承心轴和钻头。

工业中使用的典型的球驱动系统包括位于转子适配器壳体和轴承适配器壳体中的半圆形球窝，其几何形状在驱动球与球窝之间产生非常细的接触线，从而产生高的点荷载。此外，由于驱动球的几何形状，点荷载不是沿着接触线均匀分布的。

这种设计所面对的问题是接触表面沿着接触线具有高的点荷载，该高的点荷载往往会使球窝变形和损坏并且可能导致破裂和潜在的灾难性失效。

因此，需要一种新颖的球驱动系统，该球驱动系统减轻了现有技术的缺点，并且更确切地说，减少了驱动球在球窝上的点荷载，同时仍然保持驱动轴在转子适配器和轴承适配器壳体内的全方向铰接。

提供该背景信息是为了揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。不必承认、也不应解释为任何前述信息构成了对本发明的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种球驱动系统以及一种包括转子适配器和轴承适配器的动力传动系统。转子适配器和轴承适配器各自包括具有平坦推力面的多个驱动窝(drivepocket，驱动凹部)。对于每个驱动窝，系统还包括多个平坦面的驱动球，其中驱动球的平坦面与驱动窝的平坦推力面相匹配。

另外的实施例包括一种能移除的、硬化的推力球插入件，该推力球插入件磨损更长并且易于替换。

根据本发明的实施例，提供了一种动力传动系统，该动力传动系统包括联接到驱动轴的一端的转子适配器以及联接到驱动轴的相对端的轴承适配器。转子适配器包括多个第一驱动窝，该多个第一驱动窝中的每个第一驱动窝接收能旋转地保持在多个第一驱动窝中的每个第一驱动窝与驱动轴的一端之间的驱动球。轴承适配器包括多个第二驱动窝，该多个第二驱动窝中的每个第二驱动窝接收能旋转地保持在多个第二驱动窝中的每个第二驱动窝与驱动轴的相对端之间的驱动球。多个驱动球中的每个驱动球包括平坦表面，并且多个第一驱动窝和多个第二驱动窝各自包括平坦推力面，平坦表面响应于使转子适配器旋转而从平坦推力面接收旋转力。

在另一实施例中，驱动轴的一端或驱动轴的相对端包括能移除的推力球端。

在另一实施例中，平坦推力面的平面垂直于转子适配器或轴承适配器的周向运动方向。

在另一实施例中，多个驱动球各自定向成使得多个驱动球中的每个驱动球的平坦表面与平坦推力面中的一个平坦推力面形成平面接触点。

根据本发明的实施例，提供了一种包括多个驱动球以及球窝壳体的球驱动系统，球窝壳体包括围绕壳体的内周分布的多个球窝。多个驱动窝中的每个驱动窝形成为能旋转地接收驱动球。多个驱动球中的每个驱动球包括平坦表面，并且多个驱动窝中的每个驱动窝包括平坦推力面，平坦表面响应于球窝壳体的旋转运动而从平坦推力面接收旋转力。

在另外的实施例中，多个驱动球各自定向成使得多个驱动球中的每个驱动球的平坦表面与平坦推力面中的一个平坦推力面形成平面接触点。

以上已经结合本发明的可以实现实施例的方面描述了实施例。本领域技术人员应理解的是，实施例可以结合它们描述的方面来实现，但是也可以用该方面的其他实施例来实现。当实施例互相排斥或以其他方式彼此不兼容时，这对本领域技术人员是清楚的。一些实施例可以关于一个方面来描述，但是还可以适用于其他方面，这对于本领域技术人员是清楚的。

附图说明

图1示出了根据实施例的可以用于将扭矩从马达的转子经由动力传动系统和轴承组传递至钻头的球驱动系统。

图2示出了根据实施例的转子适配器壳体的截面和剖面图。

图3示出了根据实施例的与球窝接合的驱动球。

图4A-图4D示出了根据实施例的球窝在驱动球上产生的力。

图5A和图5B示出了根据实施例的转子适配器壳体或轴承适配器的球窝114。

图6示出了根据实施例的具有平坦表面的驱动球。

图7示出了根据实施例的推力球。

图8A-图8C示出了根据实施例的能移除的推力球端。

应注意的是，贯穿所有附图，相同的特征由相同的附图标记标识。

具体实施方式

现在将参考具体示例来描述本发明的实施例。应理解的是，以下示例旨在描述本发明的实施例并不旨在以任何方式限制本发明。除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。

本发明的实施例提供了一种球驱动系统和动力传动系统，该动力传动系统包括转子适配器壳体和轴承适配器壳体。转子适配器和轴承适配器各自包括多个带有平坦推力面的驱动窝。对于每个驱动窝，该系统进一步包括多个平坦面的驱动球，其中，驱动球的平坦面与驱动窝的平坦推力面相匹配。采用多个驱动球，其中驱动球确切的数量由动力传动系统的尺寸要求和特定应用来确定。驱动球还可以具有各种直径以适应特定的应用。

另一实施例包括能移除的、硬化的推力球插入件，该推力球插入件磨损更长并且易于替换。推力球插入转子适配器壳体和轴承适配器壳体中，其中驱动球能旋转地保持在推力球和与推力球相关联的壳体之间。

实施例减少了驱动球在球窝推力面上的点荷载，同时仍然维持驱动轴在转子适配器壳体和轴承适配器壳体内的全方向铰接。柔性驱动连接以类似于等速万向接头(CV接头)的方式起作用并避免几何锁定且减少振动。

图1示出了根据实施例的球驱动系统，该球驱动系统可以用于将扭矩从马达(如液压正排量马达(PDM)104)的转子经由动力传动系统和轴承组传递至钻头。动力传动系统包括外壳体110、转子适配器100、驱动球302、驱动轴108和轴承适配器102。动力传动系统由外壳体112、外壳体110和轴承适配器壳体102包围，外壳体112覆盖转子适配器100和驱动轴108的上部，外壳体110覆盖驱动轴108的下部。转子适配器壳体100将PDM转子104连接到驱动轴108并包括球窝114，球窝114将扭矩从转子104传递到驱动球302，驱动球302继而驱动驱动轴108。在实施例中，马达104可以替换为任何其他旋转扭矩源。

驱动轴108在该轴的每一端处包括一体的球形几何形状，该一体的球形几何形状用作推力球702，该推力球传输由动力部分施加在转子和轴承适配器上的固有轴向荷载。轴承适配器壳体102将驱动轴108连接到轴承心轴106并包括球窝114，该球窝将扭矩从驱动轴108传递到驱动球302，该驱动球然后驱动轴承壳体适配器102，进而驱动轴承心轴106。轴承壳体适配器102的球窝可以具有与转子适配器壳体100中所使用的球窝相同的几何形状。

在实施例中，动力传动系统能够相对于轴承心轴106以高达3°的角度旋转，以及补偿由PDM的定子中的转子104的旋转引起的偏心率。转子适配器壳体100和驱动球302的组合以及轴承适配器壳体102和驱动球302的组合可以都提供柔性机械接头。动力传动系统的部件(诸如转子适配器壳体100或轴承适配器102)可由合金钢制成，该合金钢可被气体氮化或渗碳以进一步增加诸如球窝推力面上的区域中的屈服强度和表面硬度。在另一实施例中，将多晶金刚石耐磨垫结合到驱动窝推力面304中进一步增加了表面硬度并显著地降低了摩擦。

图2示出了根据实施例的转子适配器壳体100的截面和剖面图。轴承适配器壳体102在球窝114的区域中具有类似的横截面。图3示出了根据实施例的与球窝114接合的驱动球302。驱动球302和球窝114实现了所谓的球和窝设计或球驱动系统。视图A-A的转子适配器壳体100的开放面示出了各自接收驱动球302的多个球窝114。球窝114绕转子适配器壳体100的周向分布。当转子适配器壳体100旋转时，每个球窝的推力面304在接触点402处向其相应的驱动球302施加与转子适配器壳体114的周向相切的力。驱动球302为球形或大致球形，便于全方向功能，并将扭矩荷载从PDM的动力部分传递到转子适配器壳体100和轴承适配器壳体102中的球窝114的竖直面(接触点402)中，从而将扭矩传递到轴承心轴106和钻头(未示出)。

如图4A至图4D所示，球驱动系统包括位于转子适配器壳体100中和轴承适配器壳体102中的球窝114。如图4A中所见，球窝面402的内部轮廓成形为与驱动球302的形状紧密匹配并且仅沿驱动球302的Z轴(见图3)进行接触。图4B示出了在球窝114内就位的驱动球302。驱动球302的接触点402与球窝114的推力面304之间的界面产生了加载区域，旋转力分布在该加载区域上。图4C示出了来自球窝114的推力如何与驱动球302接触。图4D示出了推力如何不均匀地分布，从而将力集中朝向点(a)并进一步增加点荷载。相反的，本发明的实施例将推力分布在图6的驱动球303的大面积上，并且将推力均匀地分布在球窝114与驱动球303之间的接触点处。

图5A示出了根据实施例的转子适配器壳体100或轴承适配器102的球窝114。图5B提供球窝114的特写剖面图，类似于图2的视图A-A。球窝114在球窝的侧部上形成有平坦的推力面304，该推力面包括与驱动球303的接触点。如图6所示，驱动球303包括在一侧上的平坦表面502，该平坦表面已被精确地研磨到对应于球窝114的推力面304的特定尺寸。驱动球的平坦表面502提供基本大小的接触面积，以接收由推力面304施加的力并减小推力面304上的荷载。荷载的减小有助于减小球窝114在使用时的损坏或变形的机会，并有效地增加转子适配器壳体100和轴承适配器壳体102的使用寿命。这继而大大地减轻了井下灾难性故障(这将需要起钻以更换钻井马达)的风险。

图7示出了根据实施例的推力球702。驱动轴108的设计可以在轴的每一端包括一体的球形几何形状，该一体的球形几何形状用作传递或接收施加在转子100和轴承102适配器上的固有轴向荷载的推力球702。如图1所示，驱动轴108在任一端包括推力球702，以将PDM转子104的旋转运动传递到驱动轴108，并将驱动轴108的旋转运动传递到轴承心轴106。多个驱动球303围绕推力球702的外周布置并且位于半球形空腔中。推力球702随时间经历大的力和磨损。

图8示出了可以由硬化合金钢制造的能移除的推力球端802。推力球端或插入件802可以固定到推力球702端，并且用作驱动轴108的实心的机加工轮廓。插入件802的使用可抵抗磨损，并可大大延长驱动轴108的使用寿命。在另一实施例中，能移除的推力球插入件802或实心推力球端702包括固定到图8-C的球形表面中的多个多晶金刚石耐磨垫插入件804。

除了在能源勘探和生产工业中之外，实施例可以用在需要驱动轴的诸如采矿、海运、运土、一般工业、重工业等的许多应用中。

虽然已经参考其具体特征和实施例描述了本发明，但清楚的是，可以对其进行各种修改和组合而不偏离本发明。因此，说明书和附图仅视为由所附权利要求限定的本发明的说明，并且预期涵盖落入本发明的范围内的任何和所有修改、变化、组合或等同物。

Claims (6)

1.一种动力传动系统，包括：

联接至驱动轴的一端的转子适配器；

联接至所述驱动轴的相对端的轴承适配器；

所述转子适配器包括多个第一驱动窝，所述多个第一驱动窝中的每个第一驱动窝接收能旋转地保持在所述多个第一驱动窝中的每个第一驱动窝与所述驱动轴的所述一端之间的驱动球；以及

所述轴承适配器包括多个第二驱动窝，所述多个第二驱动窝中的每个第二驱动窝接收能旋转地保持在所述多个第二驱动窝中的每个第二驱动窝与所述驱动轴的所述相对端之间的驱动球；

其中，所述多个驱动球中的每个驱动球包括平坦表面，并且所述多个第一驱动窝和所述多个第二驱动窝各自包括平坦推力面，所述平坦表面响应于使所述转子适配器旋转而从所述平坦推力面接收旋转力。

2.根据权利要求1所述的动力传动系统，其中，所述驱动轴的所述一端或所述驱动轴的所述相对端包括能移除的推力球端。

3.根据权利要求1所述的动力传动系统，其中，所述平坦推力面的平面垂直于所述转子适配器或所述轴承适配器的周向运动方向。

4.根据权利要求3所述的动力传动系统，其中，所述多个驱动球中的每个驱动球定向成使得所述多个驱动球中的每个驱动球的所述平坦表面与所述平坦推力面中的一个平坦推力面形成平面接触点。

5.一种球驱动系统，包括：

多个驱动球；以及

球窝壳体，所述球窝壳体包括围绕所述壳体的内周分布的多个球窝，所述多个驱动窝中的每个驱动窝形成为能旋转地接收驱动球；

其中，所述多个驱动球中的每个驱动球包括平坦表面，并且所述多个驱动窝中的每个驱动窝包括平坦推力面，所述平坦表面响应于所述球窝壳体的旋转运动而从所述平坦推力面接收旋转力。

6.根据权利要求5所述的动力传动系统，其中，所述多个驱动球中的每个驱动球定向成使得所述多个驱动球中的每个驱动球的所述平坦表面与所述平坦推力面中的一个平坦推力面形成平面接触点。