CN1274938C - 具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴 - Google Patents

Abstract

一种具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，它由顺次设置在轴上的上、下部径向硬质合金滑动轴承、防掉机构和外壳组成，下部径向硬质合金滑动轴承上方、轴与外壳之间设有防掉机构，上、下部径向硬质合金滑动轴承之间顺次设有上部橡胶密封、圆柱滚子推力轴承组和下部橡胶密封，上、下部橡胶密封所形成的空间为工作油腔，圆柱滚子推力轴承组设在工作油腔内，在滑动轴承间还设有储油补偿器。本发明能使井下动力钻具工作油腔内的止推轴承组所有零件工作时得到良好润滑，当润滑油少量漏失时，在钻井工作液压力作用下储油补偿器会及时补充；能防止密封油腔内形成过高的压力，避免漏油；能延长轴承工作寿命，工作可靠，更换易损件方便。

Description

具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴

技术领域

本发明涉及一种使用在石油、矿山、煤田、气田的井下动力钻具传动轴，尤其是一种使用寿命较长的具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，属于机械制造技术领域。

背景技术

由于使用条件的限制，石油、矿山、煤田、气田的井下动力钻具(如螺杆钻具、涡轮钻具等)都被迫做成管状，而且直径有限。在有限的空间内设计出强度、性能、工作寿命都能满足人们要求的动力钻具困难很大。提高井下动力钻具整机性能的关键是提高井下动力钻具传动轴的工作寿命，国内外无数科技工作者长期致力于这方面的研究，取得了一些成果，但还不十分令人满意。如目前涡轮钻具和螺杆钻具传动轴采用开式结构，利用钻井工作液(泥浆)冷却润滑滚动轴承，即使选用最好的材质和热处理工艺，其易损件滚动轴承的平均工作寿命只有50～100小时，钻井工作液净化好的时侯易损件工作寿命最长也不超过150小时。现有技术在工作寿命短的同时，还存在着润滑效果差的问题。

另外，当传动轴在井下工作一定时间后，接近轴端处的危险截面很容易发生疲劳破坏断裂，此时，轴的下部轴头和其上的钻头或其它工具有可能掉井，时常会造成额外的较大损失。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，利用井下动力钻具工作环境压力较高的特点，使井下动力钻具易损件推力轴承组始终在油浴状态下工作，而且当工作油腔内的润滑油有少量漏失时，在钻井工作液压力作用下储油补偿器会及时从储油腔向工作油腔补充，延长井下动力钻具易损件推力轴承的工作寿命。

本发明的又一目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其结构简单、合理，具有较长的使用寿命，并且能够防止在下部径向硬质合金滑动轴承与轴的结合处截面及其他危险截面发生疲劳破坏断裂时轴和其上的钻头或其它工具掉井而造成更大的损失。本发明工作寿命长，且使用安全。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

一种具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，它包括轴、上部径向硬质合金滑动轴承、下部径向硬质合金滑动轴承、防掉机构和外壳体，其中，上、下部径向硬质合金滑动轴承在轴上顺次设置，轴承外设置外壳体，在下部径向硬质合金滑动轴承上方、轴与外壳之间设有防掉机构，在上部和下部径向硬质合金滑动轴承之间顺次设有上部橡胶密封、圆柱滚子推力轴承组和下部橡胶密封，上部橡胶密封和下部橡胶密封所形成的空间为工作油腔，圆柱滚子推力轴承组设在工作油腔内。

在上、下部径向硬质合金滑动轴承之间还设有储油补偿器。

储油补偿器主要包括补偿环、补偿器基体、单向安全阀、补偿器内筒、补偿器外筒、活塞和密封圈；补偿环紧贴轴侧，补偿器基体、补偿器内筒、补偿器外筒和活塞之间的空间形成储油腔，补偿器基体与补偿器内筒或外筒上端设有单向安全阀。

橡胶密封分别由密封动环、静环和橡胶密封圈组成，橡胶密封圈又分为动密封圈和静密封圈，其中，动密封圈设在密封动环和静环之间，静密封圈分别设在密封动环与轴之间和密封静环与外壳体之间。

圆柱滚子推力轴承组总级数为两级以上，圆柱滚子为单列或双列或多列，带有保持架，滚子直径为Φ12～Φ36mm，滚子长度为10～30mm，轴承组轴向游动量为0.1mm～5.0mm。

圆柱滚子推力轴承中圆柱滚子自转中心线与圆柱滚子公转中心线即传动轴轴心线相垂直。

圆柱滚子推力轴承组内设有兼起减震和预压紧调节作用的弹簧。

在储油补偿器与上部橡胶密封之间位置的轴上和在防掉机构与下部径向硬质合金滑动轴承之间位置的轴上分别设置有一个钻井液通孔；在所述的外壳体两端分别设置有一个注油孔和排油孔。

综上所述，本发明的优点在于：

1、利用井下动力钻具工作环境压力较高的特点，使井下动力钻具易损件推力轴承组密封在工作油腔内，密封油腔内的所有工作零件始终在油浴状态下工作，而且当工作油腔内的润滑油有少量漏失时，在钻井工作液压力作用下储油补偿器会及时从储油腔向工作油腔补充一定数量的润滑油，以延长井下动力钻具易损件推力轴承的工作寿命。

2、本发明结构简单、合理，具有较长的工作寿命，并且能够防止在下部径向硬质合金滑动轴承与轴的结合截面或其它危险截面发生疲劳破坏断裂时轴和其上的钻头或其它工具掉井而造成的更大损失。

附图说明

图1为本发明一种具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴结构示意图。

图2为本发明一种井下动力钻具传动轴储油补偿器结构示意图；

图3为本发明传动轴储油补偿器过压单向安全阀结构示意图；

图4为本发明传动轴上部和下部径向橡胶密封结构示意图；

图5为本发明传动轴双列圆柱滚子推力轴承组结构示意图；

图6为本发明传动轴圆柱滚子推力轴承组橡胶弹簧结构示意图；

图7为本发明传动轴圆柱滚子推力轴承组合碟形弹簧结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步地详细说明。

本发明具体结构如图1、图2和图3所示。主要由轴4、轴4上依序设置的上部径向硬质合金滑动轴承、储油补偿器1、上部橡胶密封、圆柱滚子推力轴承组6、下部橡胶密封、防掉机构、下部径向硬质合金滑动轴承、储油腔M、工作油腔H以及外壳体7等组成。上部径向硬质合金滑动轴承动圈5a、补偿环13、上部橡胶密封内环2a、下部橡胶密封内环3a、防掉机构内环17a、下部径向硬质合金滑动轴承动圈15a等依次设在轴4上，由紧临上部径向硬质合金滑动轴承动圈5a的压紧螺母压紧在轴4上，构成传动轴的转动部分；上部径向硬质合金滑动轴承静圈5b、储油补偿器1、上部橡胶密封外环2b、下部橡胶密封外环3b、防掉机构外环17b等依次设在外壳体7内，由下部径向硬质合金滑动轴承静圈15b压紧在外壳体7内，构成传动轴的静止部分。

本发明中所涉及到的“储油补偿器”利用了发明专利“井下动力钻具储油密封补偿结构”(专利设计人：谭春飞，专利号：ZL00234224.3)部分技术，所不同的地方是本发明中所有动密封和静密封均是径向橡胶密封，而专利“井下动力钻具储油密封补偿结构”中旋转动密封为端面密封，其余动密封和静密封为径向橡胶密封。

如图4所示，为本发明上、下部径向橡胶密封结构示意图。图中上部橡胶密封由密封动环2a、静环2b及其上的密封圈16构成，其中密封图16a、16e和16f为静密封，而密封圈16b、16c和16d为旋转动密封。下部橡胶密封由密封动环3a、静环3b及其上的密封圈18构成，其中密封圈18a、18e和18f为静密封，而密封圈18b、18c和18d为旋转动密封。密封动环2a和3a外表面均经过表面硬化处理，使其具有较高硬度和良好耐磨性。由于有多道密封，因此在较高压力下钻井液也无法进入密封油腔内。

如图2所示，为本发明储油补偿器的结构示意图。图中储油补偿器1位于工作油腔H上方，它主要包括补偿器基体14、单向安全阀8、补偿器内筒12、补偿器外筒11、活塞10以及密封圈9等组分。储油补偿器基体14上设置有润滑油通孔F和G，补偿器内筒12或外筒11的上端与弹性套筒式单向安全阀8接触处设置有一纵向开槽B。储油腔M与工作油腔H由环状润滑油通道C相连。在储油补偿器1与补偿环13之间为环状钻井工作液通道D。当工作油腔H和储油腔M内的产生气体或因其它原因造成油腔内压力过高时单向安全阀8会自动打开，允许气体或过多的润滑油逸出，而不允许钻井工作液从环行空间进入密封油腔内。图1和图2中箭头表示钻井工作液流动方向。在储油补偿器与上部橡胶密封之间位置的轴上设置有一个钻井液通孔N，在防掉机构与下部径向硬质合金滑动轴承之间位置的轴上设置有一个钻井液通孔Q。当井下动力钻具在井下工作时会有少量钻井液自上部径向硬质合金滑动轴承动环5a和静环5b之间的间隙通过环状通道D和通孔N进入轴4内孔，与此同时钻井液的压力通过活塞10和环状通道C传递到H中，储油腔M中的润滑油自通道C进入工作油腔H，直到活塞10移动到储油腔M最上端位置。

当井下动力钻具在井下工作时由于钻头压降较大，轴4内孔中的少量钻井液会在压力作用下自通孔Q沿图1中箭头所示方向从下部硬质合金滑动轴承动环15a和静环15b之间的间隙进入钻柱与井眼之间的环空。

在外壳体7两端分别设置有一个注油孔L和排油孔P，以方便向储油腔M、工作油腔H以及环状润滑油通道C注入润滑油。

本发明利用了井下动力钻具工作环境压力较高的特点，使井下动力钻具易损件推力轴承组密封在工作油腔H内，密封油腔内的所有工作零件始终在油浴状态下工作，而且当工作油腔内的润滑油有少量漏失时，在钻井工作液压力作用下储油补偿器1会及时从储油腔M向工作油腔H补充一定数量的润滑油，以延长井下动力钻具易损件推力轴承的工作寿命。

另外，本发明下部径向硬质合金滑动轴承上方、下部密封下方的轴与外壳体之间设有防掉机构，防掉机构内环17a的外凸台肩的直径大于防掉机构外环17b内孔最小直径和/或下部径向硬质合金滑动轴承静圈15b内径。

提高井下动力钻具传动轴工作寿命的关键在于如何提高传动轴易损件的寿命。井下动力钻具传动轴的主要易损件是推力轴承。现有传动轴结构承担轴向载荷的易损件滚动角接触推力球轴承，在钻井液(泥浆)冷却润滑条件下工作，钻井液中的高硬度固相颗粒(如石英砂)成为磨粒介质，造成推力轴承组在钻井液磨粒磨损条件下过快磨损，推力轴承组的工作寿命达不到人们期望的水平，一般只有50～100小时。我们知道，圆柱滚子推力轴承工作时圆柱滚子20c或21c与支撑盘即推力盘20a和20d或21a和21d之间是线接触(图5中20b和21b为轴承保持架)，而滚动角接触推力球轴承工作时钢球与支撑盘之间是点接触。因此，圆柱滚子推力轴承的承载能力比滚动角接触推力球轴承的承载能力要大100倍以上，在相同载荷及线速度条件下圆柱滚子推力轴承的工作寿命比滚动角接触推力球轴承的工作寿命要远远长得多。本发明将圆柱滚子推力轴承密封在油腔中，这样具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴的工作寿命就可以满足需要。

本发明圆柱滚子推力轴承中的圆柱滚子为单列或双列或多列，滚子直径为Φ12～Φ36mm，滚子长度为10～30mm，圆柱滚子推力轴承具有保持架，圆柱滚子自转中心线与圆柱滚子公转中心线即传动轴轴心线相垂直。

本发明采用多级推力轴承结构，使传动轴的水力载荷或钻压载荷均布到各级止推轴承，每级推力轴承承担的载荷较小，保证新型传动轴比现有传动轴工作寿命更长。为了保证载荷能可靠地均布到各级推力轴承，除加工和装配时提高精度外，还在推力轴承支撑盘之间设置有弹簧19或22(如橡胶弹簧和组合碟形弹簧，其形状结构如图6、7所示)。弹簧在保证各级推力轴承协调工作的同时还可以有效降低传动轴受到的动载，避免轴承发生冲击破坏。

圆柱滚子推力轴承组上方和下方的径向硬质合金滑动轴承的径向间隙为0.1mm～0.8mm，上部径向硬质合金滑动轴承摩擦面长度为50～200mm，下部径向硬质合金滑动轴承摩擦面长度为100～300mm，这样就可以保证传动轴中的推力轴承只承受轴向载荷，只让适量含较小颗粒粒子的钻井液进入轴承腔内，对径向硬质合金滑动轴承进行润滑和冷却，又不影响钻头的喷射效果。径向硬质合金滑动轴承动圈外圆表面和静圈内圆表面镶嵌有耐磨硬质合金，硬质合金的硬度高，耐磨性好，能在恶劣工况条件下良好工作，寿命较长。

此外，为防止轴从W-W截面及附近危险截面处或其它危险截面断裂造成掉井后传动轴其余零部件不掉井，本新型实用设计了防掉机构。传动轴防掉机构内环的外凸台肩的直径比防掉机构外环内孔最小直径和/或传动轴下部硬质合金滑动轴承静圈内径都大，当轴在井下工作一定时间后W-W截面及其他危险截面发生疲劳破坏断裂时，轴和其上的钻头或其它工具有可能掉井。本发明有了上述防掉机构后可以阻止轴及轴上其它工具不掉井，以免造成更大损失。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1、一种具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，它包括轴、上部径向硬质合金滑动轴承、下部径向硬质合金滑动轴承、防掉机构和外壳，其中，上、下部径向硬质合金滑动轴承在轴上顺次设置，轴承外设置外壳体，下部径向硬质合金滑动轴承上方、轴与外壳之间设有防掉机构，其特征在于：在上部和下部径向硬质合金滑动轴承之间顺次设有上部橡胶密封、圆柱滚子推力轴承组和下部橡胶密封，上部橡胶密封和下部橡胶密封所形成的空间为工作油腔，圆柱滚子推力轴承组设在工作油腔内。

2、根据权利要求1所述的具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：在上、下部径向硬质合金滑动轴承之间还设有储油补偿器。

3、根据权利要求2所述的具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：所述的储油补偿器主要包括补偿环、补偿器基体、单向安全阀、补偿器内筒、补偿器外筒、活塞和密封圈；补偿环紧贴轴侧，补偿器基体、补偿器内筒、补偿器外筒与活塞之间的空间形成储油腔，补偿器基体与补偿器内筒或外筒上端设有单向安全阀。

4、根据权利要求1所述的具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：所述的橡胶密封分别由密封动环、静环和橡胶密封圈组成，橡胶密封圈又分为动密封圈和静密封圈，其中，动密封圈设在密封动环和静环之间，静密封圈分别设在密封动环与轴之间和密封静环与外壳之间。

5、根据权利要求1所述的具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：所述的圆柱滚子推力轴承组总级数为两级以上，圆柱滚子为单列或双列或多列，带有保持架，滚子直径为Φ12～Φ36mm，滚子长度为10～30mm，轴承组轴向游动量为0.1mm～5.0mm。

6、根据权利要求5所述的具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：所述的圆柱滚子推力轴承中圆柱滚子自转中心线与圆柱滚子公转中心线相垂直。

7、根据权利要求5所述的具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：所述的圆柱滚子推力轴承组内设有兼起减震和预压紧调节作用的弹簧。

8、根据权利要求1或2或3或4所述的具有圆柱滚子推力轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：在储油补偿器与上部橡胶密封之间位置的轴上和在防掉机构与下部径向硬质合金滑动轴承之间位置的轴上分别设置有一个钻井液通孔；在外壳体两端分别设置有一个注油孔和排油孔。

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