CN202100248U - 一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置，一端连偏置机构，另一端连离合器，它包括一固定套设在空心轴上的波发生器，波发生器内圈为圆、外圈为椭圆，在波发生器的外部通过轴承套设一柔性齿轮，柔性齿轮外面啮合一刚性齿轮，刚性齿轮固定在外接件上。柔性齿轮由可产生弹性变形的薄金属制作。柔性齿轮比刚性齿轮的齿数少1～2个。本实用新型采用非轴对称结构，由椭圆形的波发生器的转动带动柔性齿轮发生弹性变形，再由柔性齿轮变形啮合刚性齿轮，由于柔性齿轮的齿数与刚性齿轮的齿数差1～2个，所以在波发生器转动一周时，柔性齿轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现大的减速比。加之自身体积小，适合于下到深井、超深井等钻井作业中。
Description
技术领域
本实用新型涉及石油钻井(工具)设备，特别是关于一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置。
背景技术
谐波传动是近代新发展起来的一种靠中间柔性构件弹性变形来实现运动或动力传动的传动方式，中间挠性构件的变形过程基本上是一个对称的谐波，因此叫谐波传动。前苏联从60年代初期开始，就大力开展谐波传动装置的研制工作，并且在该领域进行了较系统、教深入的基础理论和试验研究，在谐波传动的类型、结构、应用等方面有较大的发展。日本自70年代也开始引进美国技术，大量研制谐波传动装置，并在这一领域有了重大突破。70年代中期，我国有关部门也开始进行了谐波传动的研究和试制工作。按使用要求的不同，谐波传动可以分为不同的形式，主要有：谐波齿轮传动、谐波螺旋传动、谐波摩擦传动，谐波无级变速器和谐波联轴节等。其中以谐波齿轮传动应用最广。谐波齿轮传动的特点是：1)结构简单，体积小，重量轻；2)传动比大而且范围宽；3)同时啮合的齿数多；4)传动精度高；5)传动效率较高；6)可以在密闭空间和介质辐射的工况下传递运动，并在真空条件下具有足够高的工作能力，这是其它传动所无法比拟的；7)若采用特种形式的传动，如具有电磁波发生器或圆盘波发生器的谐波传动，可以获得小的转动惯量，实现快速起动等优点。
本世纪70年代以来，谐波齿轮传动装置由于其自身的优点，得到了广泛的应用。近两年，谐波齿轮传动装置也应用于石油钻井领域，主要用于深井、超深井等钻井作业中，用来降低井下钻具的旋转速度，是深井、超深井钻井作业中的一项关键技术，其性能的好坏将直接影响到钻井的效率。深井、超深井钻井作业中，普通的减速机构体积庞大，不便于在狭小紧促的井下安装，另外常规减速装置传动比小，承载力小，工作不平稳。谐波齿轮传动装置可以降低速度，实现大的传速比，尤其在高造斜井眼轨迹控制工具中，谐波齿轮传动装置是必不可少的。由于需要造斜，因此需要实现钻轴的偏转，这就需要偏置机构来解决。在高造斜井眼轨迹控制工具中偏置机构是通过两个偏心环互相作用来实现的，偏心环的旋转可以达到造斜的目的。然而偏心环的旋转动力直接由钻轴提供，但是主轴速度太高，偏心环不需要那么高的转速，因此就需要谐波传动装置来降低速度。由于谐波传动装置的传速比很大，因此通过谐波齿轮传动装置可以实现偏心环的低速旋转，达到准确造斜，实现精确定位的目的。
而普通的谐波齿轮传动装置，径向尺寸大，不能满足安装空间的要求，并且在井下工作传动效率低、承载能力低。现有的谐波齿轮传动装置还无法满足井下复杂的工 作环境，因此针对深井、超深井等钻井作业，还必须考虑安装空间、质量、传动扭矩和工作环境等各方面来设计谐波齿轮传动装置。谐波齿轮传动应用于井下工具时，就必须要满足井下的环境条件和井下减速机构的要求：1)结构简单，体积小，重量轻；2)便于安装；3)工作平稳；4)可以在密闭空间和油浴的条件下传递运动；5)可以在高温高压等极端恶劣条件下工作。这些问题仍需要解决。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种适用于深井、超深井等钻井作业的井下谐波齿轮传动装置。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置，其特征在于：包括一固定套设在空心轴上的波发生器，所述波发生器为一个内圈为圆形、外圈为椭圆形的硬质环形构件，在所述波发生器的外部通过轴承套设一柔性齿轮，所述柔性齿轮为薄壁齿轮，柔性齿轮的外面啮合连接一刚性齿轮，所述刚性齿轮固定在外接件上。
所述空心轴的两端分别连接偏置机构和电磁离合器。
所述波发生器通过键套装在所述空心轴上。
所述柔性齿轮由可产生弹性变形的薄金属制作。
所述波发生器、柔性齿轮以及刚性齿轮之间，设置有轴承润滑油路。
所述柔性齿轮的内径略小于波发生器的外周长。
所述柔性齿轮比刚性齿轮的齿数少1～2个。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型谐波齿轮传动装置体积小、重量轻，能适用于井下狭小的空间，而且在高温高压等极端恶劣条件下能够很好地传递运动。2、本实用新型谐波齿轮传动装置采用非轴对称结构，由椭圆形的波发生器的转动带动柔性齿轮发生变形转动，再由柔性齿轮变形啮合刚性齿轮，由于柔性齿轮的齿数与刚性齿轮的齿数不一致，所以在波发生器转动一周时，柔性齿轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。3、齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数(重叠系数)比较多，因而单位面积载荷小，承载能力能够满足井下的需求。4、由于柔齿轮承受较大的交变载荷，采用了抗疲劳强度高的薄金属材料，提高了该装置的使用寿命。5、本装置两端接电磁离合器和偏置机构，将电磁离合器的高速转动，转变为偏置机构的低速转动，加之自身体积小，适合于下到深井、超深井等钻井作业中。
附图说明
图1是本实用新型结构纵剖视图；
图2是本实用新型结构横剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
如图1、2所示，本实用新型主要由三个基本构件组成：波发生器1、柔性齿轮2和刚性齿轮3。波发生器1为一个内圈为圆形、外圈为椭圆形的硬质环形构件，它通过键套装在一空心轴4上。在波发生器1的椭圆形外表设置一圈或两圈轴承5，轴承5的外面套装柔性齿轮2。柔性齿轮2为在外力作用下可产生弹性变形的薄壁齿轮。柔性齿轮2的外面啮合连接刚性齿轮3。上述的波发生器1、柔性齿轮2和刚性齿轮3，通过轴承或连接件连接，构成一个整体套装在空心轴4上，整体中包括润滑油路和连接销孔等。上述的柔性齿轮2可为薄金属制作。
波发生器1随空心轴4转动，为主动；柔性齿轮2随波发生器1转动，为从动；刚性齿轮3固定在外端连接件上(外端连接件图中未示出)，固定不动。刚性齿轮3带有内齿，它相当于行星系中的中心轮；柔性齿轮2带有外齿，它相当于行星齿轮；波发生器1则相当于行星架。
当波发生器1转动时，带动柔性齿轮2旋转，柔性齿轮2在椭圆形波发生器1作用下产生变形，在波发生器长轴两端处柔性齿轮2与刚性齿轮3完全啮合，在短轴两端处柔性齿轮2与刚性齿轮3完全脱开。在波发生器长轴与短轴的区间，柔性齿轮2与刚性齿轮3有的逐渐进入啮合，处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合，处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器1的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已，可实现减速或增速，能够得到固定的传动比。柔性齿轮2的内孔直径略小于波发生器1的外周长，利于啮合变速。
由于柔性齿轮比刚性齿轮的齿数少1～2个，所以当波发生器1转动一周时，柔性齿轮2向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。
由图1、图2可知，一般的谐波传动装置都是轴对称的，本实用新型并非关于主轴对称，这也是由它在井下的作用而决定的。本实用新型是专门为高造斜井眼轨迹控制工具而设计的传动装置。由于谐波齿轮传动装置一端与偏置机构相连，另一端与电磁离合器相连，又为了实现电磁离合器离合与制动的双重功能，谐波齿轮传动装置必须设计得不完全对称。本实用新型的尺寸、结构均是根据井下高造斜井眼轨迹控制工具的要求而精心设计。在装置的两端有很多销孔，这些都是为了便于同磁离合器与偏置机构的连接而设计的，同时动力的传递也是从电磁离合器传递到谐波齿轮传动装置，再经谐波齿轮传动装置减速后传递到偏置机构。将空心轴高速旋转动力传递到偏置机构，变为低速旋转，使得偏置机构容易控制，从而使得高造斜井眼轨迹控制工具造斜更加准确，测量定位更加精确，提高了钻井效率。
Claims (10)
1.一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置，其特征在于：包括一固定套设在空心轴上的波发生器，所述波发生器为一个内圈为圆形、外圈为椭圆形的硬质环形构件，在所述波发生器的外部通过轴承套设一柔性齿轮，所述柔性齿轮为薄壁齿轮，柔性齿轮的外面啮合连接一刚性齿轮，所述刚性齿轮固定在外接件上。
2.如权利要求1所述的一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述空心轴的两端分别连接偏置机构和电磁离合器。
3.如权利要求1所述的一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述波发生器通过键套装在所述空心轴上。
4.如权利要求2所述的一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述波发生器通过键套装在所述空心轴上。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述柔性齿轮由可产生弹性变形的薄金属制作。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述波发生器、柔性齿轮以及刚性齿轮之间，设置有轴承润滑油路。
7.如权利要求1或2或3或4所述的一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述柔性齿轮的内径略小于波发生器的外周长。
8.如权利要求5所述的一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述柔性齿轮的内径略小于波发生器的外周长。
9.如权利要求1或2或3或4所述的一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述柔性齿轮比刚性齿轮的齿数少1～2个。
10.如权利要求5所述的一种适用于钻井作业的井下谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述柔性齿轮比刚性齿轮的齿数少1～2个。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2526366C2 (ru) * | 2012-09-03 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ) | Электромеханический мини-привод поступательного действия |
| CN106594226A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-04-26 | 西南石油大学 | 利用谐波齿轮实现大传动比的减速工具 |
| WO2023088051A1 (zh) * | 2021-11-17 | 2023-05-25 | 亚超特工业有限公司 | 一种轻量化谐波齿轮装置 |
| CN108194613B (zh) * | 2018-02-12 | 2023-08-11 | 顺德职业技术学院 | 新型双谐波传动装置 |
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