CN210460942U - 螺杆钻具上用的非对称型线马达及石油钻井工具 - Google Patents

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秦泽旭
张志凯
王玉卓
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Abstract

本实用新型涉及一种螺杆钻具上用的非对称型线马达及石油钻井工具，包括转子、定子壳体、定子衬套，所述转子的外周螺旋型线由多个间隔连接的波谷型线和波峰型线组成，每个所述波峰型线的径向中心线与转子的轴线相交，径向中心线两侧的波峰型线为非对称式结构；径向中心线一侧的波峰型线为普通内摆线，径向中心线另一侧的波峰型线为短幅内摆线；所述短幅内摆线相较于普通内摆线在转子旋转过程中先与定子衬套接触。本实用新型通过将转子的型线设计为普通内摆线和短幅内摆线结合的非对称式结构，延长了定子衬套的使用寿命，同时增大了定转子的过流面积和输出扭矩。

Description

螺杆钻具上用的非对称型线马达及石油钻井工具
技术领域
本实用新型涉及石油钻井技术领域，具体涉及一种螺杆钻具上用的非对称型线马达及石油钻井工具。
背景技术
目前，用于螺杆钻具型线的摆线设计主要有普通内摆线、短幅内摆线和短幅外摆线的等距曲线。普通内摆线是指，一个动圆内切于一个定圆作无滑动的滚动，动圆圆周上一个定点形成的轨迹，定点在圆周上与半径的比值为1，叫做普通内摆线；短幅内摆线是指，一个动圆沿着一个定圆作无滑动的滚动，在动圆之内并与动圆相对固定的一点的形成的轨迹，定点在动圆之内，与圆心的联系与半径的比值小于1，称之为短幅内摆线。在螺杆的设计中取内摆线的等距曲线做为马达的型线。相对于短幅内摆线来说，普通内摆线设计计算简单，过流面积大，应用于井下螺杆，能够获得较大的动力，但是由于其骨线共轭副上存在曲率半径为零的点，这样形成的等距曲线不可避免存在打扣现象，使得共轭副(螺杆钻具定转子)的接触不好，磨损较快，使用寿命下降。与普通内摆线不同的是，短幅内摆线的骨线无尖点，曲线光滑，在选取合适的等距量的前提下，等距曲线的共轭副不存在打扣现象，能最大限度的保护螺杆定子橡胶，但是其过流面积却相对较小，使用的输出扭矩在尺寸相同的条件也相对较小，达不到理想的破岩效果。因此需要一种使用寿命长，过流面积和输出扭矩大的螺杆马达。
实用新型内容
为解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种螺杆钻具上用的非对称型线马达及石油钻井工具，通过将转子的型线设计为普通内摆线和短幅内摆线结合的非对称式结构，延长了定子衬套的使用寿命，同时增大了定转子的过流面积和输出扭矩。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种螺杆钻具上用的非对称型线马达，包括转子、定子壳体、定子衬套，所述定子壳体的内壁粘贴所述定子衬套，所述转子位于定子壳体内并与其共轭，所述转子的外周螺旋型线由多个间隔连接的波谷型线和波峰型线组成，每个所述波峰型线的径向中心线与转子的轴线相交，径向中心线两侧的波峰型线为非对称式结构；径向中心线一侧的波峰型线为普通内摆线，径向中心线另一侧的波峰型线为短幅内摆线；所述短幅内摆线相较于普通内摆线在转子旋转过程中先与定子衬套接触。
在上述任一方案中优选的是，所述普通内摆线的大径和短幅内摆线的大径数值之差为0-0.01mm。
在上述任一方案中优选的是，所述普通内摆线的小径和短幅内摆线的小径数值之差为0-0.01mm。
在上述任一方案中优选的是，所述普通内摆线的导程与短幅内摆线的导程相同。
在上述任一方案中优选的是，所述定子壳体的内孔与所述定子衬套的外形轮廓相同。
在上述任一方案中优选的是，所述定子衬套的材质为橡胶。
本实用新型还包括一种石油钻井工具，包括上述中任一项所述的螺杆钻具上用的非对称型线马达。
与现有技术相比，本实用新型提供的螺杆钻具上用的非对称型线马达及石油钻井工具具有以下有益效果：
1、通过将转子的型线设计为普通内摆线和短幅内摆线结合的非对称式结构，在不影响马达运转的前体下，将普通内摆线和短幅内摆线的优点结合起来，延长了定子衬套的使用寿命，同时增大了定转子的过流面积和输出扭矩，也达到了输出扭矩稳定的要求，从而提高整机的运转效率，减少起下钻的时间和频率；并且马达做功的容积效率也得到提高，将用于输出做功的流量利用最大化；
2、通过将普通内摆线的大径和小径与短幅内摆线的大径和小径设计成相等或近似相等，有利于保证定子转子的共轭和程序加工。
附图说明
图1为本实用新型提供的螺杆钻具上用的非对称型线马达的一优选实施例的整体结构示意图；
图2为图1所示实施例中A-A显示普通内摆线打扣的结构放大图。
图中标注说明：1、转子；2、定子衬套；3、定子壳体；4、短幅内摆线；5、普通内摆线。
具体实施方式
为了更进一步了解本实用新型的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本实用新型。
如图1-2所示，按照本实用新型提供的螺杆钻具上用的非对称型线马达的一实施例，包括转子1、定子壳体3、定子衬套2，所述定子壳体3的内壁粘贴所述定子衬套2，所述转子1位于定子壳体3内并与其共轭，所述转子1的外周螺旋型线由多个间隔连接的波谷型线和波峰型线组成，每个所述波峰型线的径向中心线与转子1的轴线相交，径向中心线两侧的波峰型线为非对称式结构；径向中心线一侧的波峰型线为普通内摆线5，径向中心线另一侧的波峰型线为短幅内摆线4；所述短幅内摆线4相较于普通内摆线5在转子1旋转过程中先与定子衬套2接触。螺杆钻具定转子1运转时，从马达的上方看，转子1在定子中逆时针挤压定子橡胶进行偏心的旋转运动。从定转子1截面上看，如图1所示，不难看出，对定子橡胶的作用力主要来源于转子1波峰型线中心线的右侧，为了减少普通内摆线5打扣点对定子橡胶的挤压和磨损较快的缺点，我们将型线共轭副设计时，波峰型线中心线的右侧设计成短幅内摆线4，发挥其共轭副不存在打扣现象，能最大限度的保护螺杆定子橡胶的优点，将波峰型线中心线的左侧设计成普通内摆线5，发挥其过流面积大，做功的效率高，输出扭矩大的优点。
所述普通内摆线5的大径和短幅内摆线4的大径数值之差为0-0.01mm。所述普通内摆线5的小径和短幅内摆线4的小径数值之差为0-0.01mm。所述普通内摆线5的导程与短幅内摆线4的导程相同。普通内摆线5和短幅内摆线4大径、小径和导程的设计保证了定转子1的共轭，大径和小径指的均为半径。
所述定子壳体3的内孔与所述定子衬套2的外形轮廓相同。
所述定子衬套2的材质为橡胶。
本实施例还提供一种石油钻井工具，包括上述任一项所述的螺杆钻具上用的非对称型线马达。
本实施例以172螺杆钻具的马达设计为例，采用5LZ172五级螺杆马达，定子壳体内径：69.85mm(半径)；导程：840mm；
表1为普通内摆线与短幅内摆线的结构参数表
名称 普通内摆线 短幅内摆线
最大定子半径 61.1mm 61.1mm
最小定子半径 45.73mm 45.74mm
等距半径 14.98 13mm
偏心距 7.69mm 7.68mm
过流面积 24.06 23.8
凸比 1.54 2.13
表2为转子的螺旋型线均采用普通内摆线、均采用短幅内摆线以及采用普通内摆线与短幅内摆线结合非对称结构得出的性能参数对比表
Figure BDA0002076438990000041
结合表1和表2可以得出以下结论，在进行非对称设计后，相对于普通内摆线与短幅内摆线，扭矩的增大及变小只有30牛·米，但是凸比增加了1.12倍，意味着对定子衬套的保护作用增大了近1.12倍。凸比是指摆线等距曲线近似曲率半径与等距半径的比值，根据经验数据，这个比值推荐在1.2-2.5之间，根据设计所追求的最佳参数来寻求一个平衡点，凸比越大，设计的马达型线对橡胶的变形挤压越小，能够维持设计之初的型线，以保持定转子长时间共轭，从而使得马达寿命增长，输出扭矩稳定。
每转排量增加比短幅内摆线增加546，容积效率将增加5％，也就是说，做功的效率提高了，输出的扭矩在一定的时期内稳定，能获得稳定的工作运转时间，提高整机的运转效率，减少起下钻的时间和频率。
通过效率的计算，非对称设计并没有减少机械效率的输出，提高容积效率，将用于输出做功的流量利用最大化。
本实施例的工作原理：转子在定子中挤压定子衬套进行偏心的旋转运动，短幅内摆线挤压定子衬套，减少普通内摆线打扣点对定子橡胶的挤压和磨损较快的缺点。
与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：
通过将转子的型线设计为普通内摆线和短幅内摆线结合的非对称式结构，在不影响马达运转的前体下，将普通内摆线和短幅内摆线的优点结合起来，延长了定子衬套的使用寿命，同时增大了定转子的过流面积和输出扭矩，也达到了输出扭矩稳定的要求，从而提高整机的运转效率，减少起下钻的时间和频率；并且马达做功的容积效率也得到提高，将用于输出做功的流量利用最大化。
本领域技术人员不难理解，本实用新型包括上述说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种螺杆钻具上用的非对称型线马达，包括转子、定子壳体、定子衬套，所述定子壳体的内壁粘贴所述定子衬套，所述转子位于定子壳体内并与其共轭，其特征在于：所述转子的外周螺旋型线由多个间隔连接的波谷型线和波峰型线组成，每个所述波峰型线的径向中心线与转子的轴线相交，径向中心线两侧的波峰型线为非对称式结构；径向中心线一侧的波峰型线为普通内摆线，径向中心线另一侧的波峰型线为短幅内摆线；所述短幅内摆线相较于普通内摆线在转子旋转过程中先与定子衬套接触。
2.根据权利要求1所述的螺杆钻具上用的非对称型线马达，其特征在于：所述普通内摆线的大径和短幅内摆线的大径数值之差为0-0.01mm。
3.根据权利要求2所述的螺杆钻具上用的非对称型线马达，其特征在于：所述普通内摆线的小径和短幅内摆线的小径数值之差为0-0.01mm。
4.根据权利要求3所述的螺杆钻具上用的非对称型线马达，其特征在于：所述普通内摆线的导程与短幅内摆线的导程相同。
5.根据权利要求1所述的螺杆钻具上用的非对称型线马达，其特征在于：所述定子壳体的内孔与所述定子衬套的外形轮廓相同。
6.根据权利要求1所述的螺杆钻具上用的非对称型线马达，其特征在于：所述定子衬套的材质为橡胶。
7.一种石油钻井工具，其特征在于：包括权利要求1-6中任一项所述的螺杆钻具上用的非对称型线马达。
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CN113202688A (zh) * 2021-05-25 2021-08-03 中石化江钻石油机械有限公司 一种提高使用寿命的螺杆马达及井下动力钻具

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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