CN204186890U - 一种顶部驱动钻井装置齿轮减速箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种顶部驱动钻井装置齿轮减速箱。顶部驱动钻井装置齿轮减速箱包括电机和钻杆，电动机与钻杆之间设有有液压驱动的变速机构，所述变速机构包括箱体，箱体内设有输入轴、中间轴、输出轴和换挡机构；所述换挡机构部件包括滑动套和油缸；低速挡主动齿轮和低速挡从动齿轮组成低速挡的第Ⅰ级齿轮对；高速挡主动齿轮和高速挡从动齿轮组成高速挡的第Ⅰ级齿轮对；所述中间轴上的第Ⅱ级主动齿轮与输出轴上的第Ⅱ级从动齿轮组成第Ⅱ级减速齿轮对。电动机轴的下端为矩形或渐开线外花键，与芯部为矩形或渐开线内花键、且能够上下移动的滑动套相配合，滑动套包括上、下两段渐开线外花键。本实用新型能拓展顶部驱动钻井装置齿轮减速箱的转速范围。

Description

一种顶部驱动钻井装置齿轮减速箱

技术领域

本实用新型涉及钻井领域，尤其涉及一种顶部驱动钻井装置齿轮减速箱。

背景技术

常规的顶部驱动装置（见《顶部驱动钻井系统》 …..）等，均采用一挡顶驱齿轮减速箱。在电动机轴上安放一个直径较小的主动齿轮，与中间轴部件直径较大的从动齿轮组成第Ⅰ级减速齿轮对。在中间轴部件下部直径较小的齿轮为主动齿轮，与输出轴上的大齿轮组成第Ⅱ级减速齿轮对。通过两级减速，输出转速范围为0～220r/min。当输出转速为0～110r/min范围内，输出转矩为额定转矩，且不随输出转速变化而变化；当输出转速很低时，短时间内可获得2倍的额定转矩，满足上、卸扣的要求；当输出转速从100 r/min～220r/min范围，输出转矩随输出转速的增加而减小，维持输出功率不变。近20年来，由于新技术PDC钻头以其高转速、低钻压和钻进速度快的优点，要求减速箱的输出转速（即钻杆的转速）范围提高到0～600r/min，甚至800r/min。而现有的一挡齿轮减速箱存在的主要缺陷和不足是：输出转速范围仅为0～220（个别达到240）r/min，无法满足PDC技术快速钻井的需要。

本领域的技术人员曾经对两挡顶驱齿轮减速箱进行技术探索，但由于以下原因，一直未能实现：

1.在现有的结构非常紧凑的一挡顶驱齿轮减速箱中，增加高速齿轮对和相应的滚动轴承以及换挡机构，将导致轴向高度和横向宽度的增加，这对于结构尺寸有严格要求的顶驱驱动装置是不允许的。

2. 外形尺寸很大的主轴承位于减速箱的下部，而高速齿轮对中直径较小的从动齿轮必须放置在减速箱的下部。为了便于拆装，理应将箱体底部分成两体，然后由多个螺栓连接成一体。而提升钻具的载荷是通过主轴和主轴承或内套施加在减速箱箱体的底部，再通过箱体侧壁作用于提环上。经计算，仅靠螺栓承受最大钻具载荷是远远不够的。这就是说，减速箱体底不允许分成两体，两挡减速箱零部件的组装和拆卸成了无法解决的难题。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设出操作简

便、使用可靠及寿命长的换挡机构,使其更具有产业上的利用价值。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种能拓展转速范围的顶部驱动钻井装置齿轮减速箱。

本实用新型的顶部驱动钻井装置齿轮减速箱，包括电机和钻杆，电动机与钻杆之间设有有液压驱动的变速机构，所述变速机构包括箱体，箱体内设有输入轴、中间轴、输出轴和换挡机构；所述换挡机构部件包括滑动套和油缸；

输入轴部件包括电动机轴、低速挡主动齿轮、高速挡主动齿轮和第Ⅱ级主动齿轮，低速挡主动齿轮的径向连接有第一轴承；轴向连接有第二轴承，高速挡主动齿轮的径向连接有第三轴承；轴向连接有第四轴承，低速挡主动齿轮和高速挡主动齿轮的芯部设置有渐开线内花键；

中间轴部件包括低速挡从动齿轮、高速挡从动齿轮和第Ⅱ级从动齿轮，所述低速挡主动齿轮和低速挡从动齿轮组成低速挡的第Ⅰ级齿轮对；

所述高速挡主动齿轮和高速挡从动齿轮组成高速挡的第Ⅰ级齿轮对；

所述中间轴上的第Ⅱ级主动齿轮与输出轴上的第Ⅱ级从动齿轮组成第Ⅱ级减速齿轮对；

电动机轴的下端为矩形或渐开线外花键，与芯部为矩形或渐开线内花键、且能够上下移动的滑动套相配合，滑动套包括上、下两段渐开线外花键。当滑动套通过换挡机构的油缸移动到上段时，滑动套上段的渐开线外花键与低速挡主动齿轮芯部内花键啮合，组成减速箱的低速挡；当滑动套移动到下段时，滑动套下段的渐开线外花键与高速挡主动齿轮芯部内花键啮合，组成减速箱的高速挡。

进一步的，电动机有两个，输入轴部件、中间轴部件和换挡机构各有两套，分别左右对称布置，共用一套输出轴部件和箱体。

借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点：

采用上述技术方案，本实用新型可达到如下有益效果：

本实用新型的由于采用两挡齿轮减速箱，大大扩大了输出转速范围，最大限度地满足石油钻机各种钻井工况的要求。

在低速挡：短时间内获得两倍的额定转矩，满足上、卸扣的需要。当井深超过4000 m～5000 m时，驱动井下的螺杆或涡轮钻具，将钻杆转速加速到400 r/min～600 r/min，实现PDC钻头的快速钻井，并承受很大的反转矩。在一些特定的地区，如浅的陆地井、海上大直径的表层井眼的扩眼、通井、不重要的野猫井等，驱动三牙轮钻头。

在高速挡：近20年来，由于新技术PDC钻头具有适应高转速、低钻压，大幅度提高钻井速度的优点，已快速取代传统的三牙轮钻头。从1994年起，PDC钻头的市场占有率（或钻井进尺）约为25%，但截至2014年止，其市场占有率跃升至75%，预计未来5～10年，可能要达到90%。由于采用两挡顶驱减速箱，其输出转速（即钻杆的转速）范围可达到0～600r/min，甚至800r/min。当钻井深度在4000 m～5000 m以内，直接驱动PDC钻头，实现高速钻井，大幅度提高钻井速度。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本实用新型的两挡顶驱齿轮减速箱的结构示意图。

1.电动机；2. 电动机轴；3.第一轴承；4.低速挡主动齿轮；5.第二轴承；6.第三轴承； 7.高速挡主动齿轮；8.第四轴承；9.滑动套；10.油缸；11.中间轴；12. 第五轴承；13. 第六轴承；14. 高速挡从动齿轮；15. 钻杆；16. 主轴；17. 扶正轴承；18. 主轴承；19. 第Ⅱ级从动齿轮；20. 箱体；21. 防跳轴承；22. 第Ⅱ级主动齿轮；23. 低速挡从动齿轮；24. 第七轴承。

具体实施方式

本实用新型的顶部驱动钻井装置齿轮减速箱，包括电机和钻杆，电动机与钻杆之间设有有液压驱动的变速机构，所述变速机构包括箱体，箱体内设有输入轴、中间轴、输出轴和换挡机构；所述换挡机构部件包括滑动套和油缸。

输入轴部件包括电动机轴、低速挡主动齿轮、高速挡主动齿轮和第Ⅱ级主动齿轮，低速挡主动齿轮的径向连接有第一轴承；轴向连接有第二轴承，高速挡主动齿轮的径向连接有第三轴承；轴向连接有第四轴承，低速挡主动齿轮和高速挡主动齿轮的芯部设置有渐开线内花键。

中间轴部件包括低速挡从动齿轮、高速挡从动齿轮和第Ⅱ级从动齿轮，所述低速挡主动齿轮和低速挡从动齿轮组成低速挡的第Ⅰ级齿轮对；所述高速挡主动齿轮和高速挡从动齿轮组成高速挡的第Ⅰ级齿轮对；所述中间轴上的第Ⅱ级主动齿轮与输出轴上的第Ⅱ级从动齿轮组成第Ⅱ级减速齿轮对。

电动机轴的下端为矩形或渐开线外花键，与芯部为矩形或渐开线内花键、且能够上下移动的滑动套相配合，滑动套包括上、下两段渐开线外花键。当滑动套通过换挡机构的油缸移动到上段时，滑动套上段的渐开线外花键与低速挡主动齿轮芯部内花键啮合，组成减速箱的低速挡；当滑动套移动到下段时，滑动套下段的渐开线外花键与高速挡主动齿轮芯部内花键啮合，组成减速箱的高速挡。

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本实施方式公开一种两挡顶驱齿轮减速箱，其结构简图如附图1所示，它是由输入轴、中间轴、输出轴、箱体和换挡机构共五个主要部件组成的立式、两挡两级圆柱齿轮减速箱。输入轴部件包括：电动机轴2、第一轴承3、低速挡主动齿轮4、第二轴承5、第三轴承6、高速挡主动齿轮7和第四轴承8；中间轴部件包括：中间轴11、第五轴承12、第六轴承13、高速挡从动齿轮14、第Ⅱ级主动齿轮22、低速挡从动齿轮23和第七轴承24；输出轴部件包括：输出轴16、扶正轴承17、主轴承18、第Ⅱ级从动齿轮19和防跳轴承21；换挡机构部件包括：滑动套9和油缸10；箱体部件20。

在低速挡，当电动机1停止转动时，换挡机构的油缸10推动滑动套9向上移动，滑动套9的外面上段的渐开线外花键与低速挡主动齿轮4芯部的渐开线内花键啮合。启动电动机1，通过电动机轴2、滑动套9、低速挡主动齿轮4和低速挡从动齿轮23、中间轴11、第Ⅱ级主动齿轮22和第Ⅱ级从动齿轮19以及主轴16，驱动钻杆15旋转，实施钻井作业。此时钻杆15的转速范围为0～220r/min，而高速挡从动齿轮14带动高速挡主动齿轮7空转；在高速挡，当电动机1停止转动时，换挡机构的油缸10推动滑动套9向下移动，滑动套9的外面下段的渐开线外花键与高速挡主动齿轮7芯部的渐开线内花键啮合。启动电动机1，通过电动机轴2、滑动套9、高速挡主动齿轮7和高速挡从动齿轮14、中间轴11、第Ⅱ级主动齿轮22和第Ⅱ级从动齿轮19以及主轴16，驱动钻杆15旋转，实施钻井作业。此时钻杆15的转速范围为0～500 r/min，而低速挡从动齿轮23带动低速挡主动齿轮4空转。 

对于井深超4000m以上的顶部驱动装置，可以采用两个电动机，并且，输入轴部件、中间轴部件和换挡机构各有两套，分别左右对称布置，共用一套输出轴部件和箱体。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种顶部驱动钻井装置齿轮减速箱，包括电机（1）和钻杆，电动机（1）与钻杆（15）之间设有有液压驱动的变速机构，其特征在于：所述变速机构包括箱体，箱体内设有输入轴、中间轴、输出轴和换挡机构；所述换挡机构部件包括滑动套（9）和油缸（10）；

    输入轴部件包括电动机轴（2）、低速挡主动齿轮（4）、高速挡主动齿轮（7）和第Ⅱ级主动齿轮（22），低速挡主动齿轮（4）的径向连接有第一轴承（3）；轴向连接有第二轴承（5），高速挡主动齿轮（7）的径向连接有第三轴承（6）；轴向连接有第四轴承（8），低速挡主动齿轮（4）和高速挡主动齿轮（7）的芯部设置有渐开线内花键；

中间轴部件包括低速挡从动齿轮（23）、高速挡从动齿轮（13）和第Ⅱ级从动齿轮（19），所述低速挡主动齿轮（4）和低速挡从动齿轮（23）组成低速挡的第Ⅰ级齿轮对；

所述高速挡主动齿轮和高速挡从动齿轮（23）组成高速挡的第Ⅰ级齿轮对；

    所述中间轴上的第Ⅱ级主动齿轮（22）与输出轴上的第Ⅱ级从动齿轮（19）组成第Ⅱ级减速齿轮对；

电动机轴（2）的下端为矩形或渐开线外花键，与芯部为矩形或渐开线内花键、且能够上下移动的滑动套（9）相配合，滑动套（9）包括上、下两段渐开线外花键;当滑动套（9）通过换挡机构的油缸（10）移动到上段时，滑动套（9）上段的渐开线外花键与低速挡主动齿轮（4）芯部内花键啮合，组成减速箱的低速挡；当滑动套（9）移动到下段时，滑动套（9）下段的渐开线外花键与高速挡主动齿轮（7）芯部内花键啮合，组成减速箱的高速挡。

2.如权利要求1所述的顶部驱动钻井装置齿轮减速箱，其特征在于，电动机有两个，输入轴部件、中间轴部件和换挡机构各有两套，分别左右对称布置，共用一套输出轴部件和箱体。