CN211039391U - 一种涡轮钻具自适应滚滑复合止推轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种涡轮钻具自适应滚滑复合止推轴承，它由动环、静环、内套筒、外套筒、钢球、钢球座一、钢球座二、蝶形弹簧一、蝶形弹簧二、连接杆、推力瓦一、推力瓦二、推力瓦三和推力瓦四组成。所述动环设有钢球滚道一、钢球滚道二、多个圆形推力瓦一和推力瓦二。所述静环设有多个沉孔、沉孔由通孔连通，并设有多个圆形推力瓦三和推力瓦四。连接杆穿过静环的通孔将钢球座一和钢球座二限位于静环的沉孔中。所述钢球安装于动环的钢球滚道二和静环的钢球座一中，钢球只做自旋运动，不发生周向滚动。本实用新型根据轴向载荷的大小，自动调节轴承的接触形式，能够避免钢球压溃和推力瓦卡死，提高涡轮钻具的使用寿命。

Description

一种涡轮钻具自适应滚滑复合止推轴承

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻采的井下动力钻具领域，尤其涉及一种涡轮钻具自适应滚滑复合止推轴承。

背景技术

涡轮钻具在超深井、定向井、地热井、地质科研井的钻采中发挥着重要的作用，复杂钻井工况对涡轮钻具提出了更加苛刻的要求，涡轮钻具止推轴承需要面临井底温度高、径向尺寸小、双向重载、轴向冲击载荷等问题。特别是轴向冲击载荷会显著影响止推轴承的使用寿命，导致涡轮钻具工作寿命不稳定。

现有的涡轮钻具止推轴承主要分为止推球轴承和止推滑动轴承：止推球轴承的结构形式主要为四支点止推球轴承和圆弧滚道止推球轴承；止推滑动轴承的结构形式主要为固定推力瓦止推滑动轴承和可倾斜推力瓦止推滑动轴承。两种接触形式的轴承各具优缺点：止推球轴承的启动力矩小、结构简单，但多副球轴承串联安装，由于钢球的制造误差，无法保证每个钢球大小完全一样，导致各副轴承的载荷不均匀，钢球容易发生压溃失效；止推滑动轴承的启动力矩大，容易造成推力瓦卡死无法滑动，可倾斜推力瓦的支承结构复杂，支承元件易疲劳损坏，推力瓦耐磨表面的制造工艺复杂。

涡轮钻具止推轴承的径向尺寸在100mm～210mm内，5～8副止推轴承需要承受30～120KN的轴向载荷，当涡轮钻具空转时，止推轴承受到涡轮节中涡轮定子和转子产生的水力负荷，方向垂直向下。当涡轮钻具正常钻进时，止推轴承受到钻头传递的钻压，方向垂直向上。两种轴向载荷均为时变值，当钻井泵的泵压波动时或钻头在井底跳动时，轴向冲击载荷非常容易导致止推轴承的失效。止推球轴承的主要失效形式有钢球压溃、钢球变形、滚道点蚀、轴承材料剥落、过度磨损等。止推滑动轴承的主要失效形式有推力瓦卡死、推力瓦温度过高、推力瓦表面产生微裂纹、流体动压润滑失效等。

止推轴承寿命不稳定、容易失效，涡轮钻具需要频繁的起钻，更换止推轴承。这不仅增加了钻井的成本和风险，而且限制了涡轮钻具的工程应用。轴向载荷的突变是止推轴承发生失效的重要诱因，自动适应涡轮钻具轴向载荷突变，针对涡轮钻具工况自动调节轴承的接触形式，是提高止推轴承寿命的有效途径。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种涡轮钻具自适应滚滑复合止推轴承，该装置能根据轴向载荷大小自动调节轴承的接触形式，利用蝶形弹簧减小轴承的冲击载荷，有效避免轴承因轴向冲击而失效，滚滑复合承载形式能有效提升止推轴承的使用寿命。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是:

一种涡轮钻具自适应滚滑复合止推轴承，由动环、静环、内套筒、外套筒、钢球、钢球座一、钢球座二、蝶形弹簧一、蝶形弹簧二、连接杆、推力瓦一、推力瓦二、推力瓦三和推力瓦四组成。

所述外套筒将静环压紧在涡轮外壳的内壁上，静止不动。所述内套筒将动环压紧在涡轮轴的外壁上，随着涡轮轴做旋转运动。

所述动环为圆环形的圆盘，在动环的上表面设有钢球滚道一，在动环的下表面设有钢球滚道二，动环的上表面的钢球滚道一的两侧均匀分布多个圆形推力瓦一，动环的下表面的钢球滚道二的两侧均匀分布多个圆形推力瓦二。

所述静环为圆环形的圆盘，在静环的上表面均匀分布多个沉孔一，在静环的下表面均匀分布多个沉孔二，静环上表面的沉孔一和下表面的沉孔二由通孔一连通，通孔一的直径小于沉孔一和沉孔二的直径，静环上表面多个沉孔一的两侧均匀分布多个圆形推力瓦三，静环下表面多个沉孔二的两侧均匀分布多个圆形推力瓦四。

所述钢球座一为圆柱形，钢球座一上表面的中心设有钢球滚道三，钢球座一下表面的中心设有螺纹孔一，钢球座一的钢球滚道三与螺纹孔一由通孔二连通，钢球座一的通孔二的直径小于钢球座一的钢球滚道三和螺纹孔一的直径。

所述钢球座二为圆柱形，钢球座二下表面的中心设有钢球滚道四，钢球座二上表面的中心设有螺纹孔二，钢球座二的钢球滚道四与螺纹孔二由通孔三连通，钢球座二的通孔三的直径小于钢球座二的钢球滚道四和螺纹孔二的直径。

所述连接杆上端和下端分别设有外螺纹一和外螺纹二，连接杆上端的外螺纹一与钢球座一的螺纹孔一相互配合，连接杆下端的外螺纹二与钢球座二的螺纹孔二相互配合，连接杆为空心杆，连接杆中心的通孔四与钢球座一的通孔二和钢球座二的通孔三相通。所述连接杆穿过静环的通孔一分别将钢球座一限位于静环的沉孔一中，将钢球座二限位于静环的沉孔二中，钢球座一与静环之间安装多副蝶形弹簧一，钢球座二与静环之间安装多副蝶形弹簧二，蝶形弹簧一和蝶形弹簧二采用对装方式。

所述钢球安装于动环的钢球滚道二和静环的钢球座一中，动环随涡轮轴做旋转运动，钢球座一安装于静环的沉孔一中，不发生转动，钢球只在动环的钢球滚道二和静环的钢球座一中做自旋运动，不发生周向滚动。

所述推力瓦一、推力瓦二、推力瓦三、推力瓦四均与推力瓦的结构相同，所述推力瓦的耐磨片为聚晶金刚石材料，圆形基底为碳化钨材料。

止推轴承根据涡轮钻具的轴向载荷大小，自动调节轴承的接触形式。当轴向空载时由钢球单独承载，轴承的接触形式为滚动摩擦副；当轴向载荷过大或受到轴向冲击时，轴承动环随着轴向载荷的变化，不断地调整动环的轴向位置，将轴承自动调节为钢球和推力瓦共同承载，轴承的接触形式为滚动摩擦副和滑动摩擦副。由于蝶形弹簧的弹性变形可有效的缓冲轴向冲击载荷，钢球和推力瓦共同承受轴向载荷能有效避免钢球的压溃和钢球的载荷不均；同时轴承接触为滚滑复合形式，有利于降低重载下涡轮钻具的扭矩损耗。

本实用新型的有益效果和优点如下：1.本实用新型随着涡轮钻具钻井工况的变化，根据轴向载荷大小自动调节轴承的接触形式，避免钢球因载荷过大而压溃失效，避免推力瓦因载荷过大而卡死无法滑动。2.本实用新型的蝶形弹簧实现柔性承载，避免轴承因冲击载荷而失效，提高了止推轴承的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型一种涡轮钻具自适应滚滑复合止推轴承的半剖结构示意图；

图2为本实用新型动环的半剖结构示意图；

图3为本实用新型静环的半剖结构示意图；

图4为本实用新型钢球座一、钢球座二、连接杆和蝶形弹簧一和蝶形弹簧二的半剖结构示意图；

图5为本实用新型推力瓦的结构示意图；

图6为本实用新型单副轴承未受到轴向载荷时的剖面图；

图7为图6的局部放大视图；

图8为本实用新型单副轴承受到过大的水力负荷或向下冲击载荷时的剖面图；

图9为图8的局部放大视图；

图10为本实用新型单副轴承受到过大的钻压或向上冲击载荷时的剖面图；

图11为图10的局部放大视图；

图12为本实用新型多副滚滑复合止推轴承未受到轴向载荷的剖面图。

图中：1.动环，101.钢球滚道一，102.钢球滚道二，2.静环，201.沉孔一，202. 沉孔二，203.通孔一，3.外套筒，4.内套筒，5.钢球，6.钢球座一，601.钢球滚道三，602.螺纹孔一，603.通孔二，7.蝶形弹簧一，8.连接杆，801.外螺纹一，802. 外螺纹二，803.通孔四，9.推力瓦，901.聚晶金刚石材料，902.碳化钨材料，10. 静环一，11.涡轮轴，12.涡轮外壳，13.钢球座二，1301.钢球滚道四，1032.螺纹孔二，1303.通孔三，14.蝶形弹簧二，15.推力瓦一，16.推力瓦二，17.推力瓦三，18.推力瓦四，19.推力瓦五，20.推力瓦六，21.钢球一，22.钢球座三，23.蝶形弹簧三，24.蝶形弹簧四。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明：

如图1、图2和图3所示，一种涡轮钻具自适应滚滑复合止推轴承，由动环 1、静环2、静环一10、外套筒3、内套筒4、钢球5、钢球座一6、钢球座二13、蝶形弹簧一7、蝶形弹簧二14、连接杆8、推力瓦一15、推力瓦二16、推力瓦三17和推力瓦四18组成。

如图1所示，所述动环1、静环2和静环一10构成单副滚滑复合止推轴承。所述外套筒3将静环2和静环一10压紧在涡轮外壳12的内壁上，静止不动。所述内套筒4将动环1压紧在涡轮轴11的外壁上，随着涡轮轴11做旋转运动。

如图2所示，所述动环1为圆环形的圆盘，在动环1的上表面设有钢球滚道一101，钢球滚道一101两侧均匀分布多个圆形推力瓦一15，在动环1的下表面设有钢球滚道二102，钢球滚道二102的两侧均匀分布多个圆形推力瓦二16。

如图3所示，所述静环2为圆环形的圆盘，在静环2的上表面均匀分布多个沉孔一201，沉孔一201两侧均匀分布多个圆形推力瓦三17。在静环2的下表面均匀分布多个沉孔二202，沉孔二202两侧均匀分布多个圆形推力瓦四18。静环 2上表面的沉孔一201和下表面的沉孔二202由通孔一203连通，通孔一203的直径小于沉孔一201和沉孔二202的直径。

如图4所示，所述钢球座一6为圆柱形，钢球座一6上表面的中心设有钢球滚道三601，钢球座一6下表面的中心设有螺纹孔一602，钢球滚道三601与螺纹孔一602由通孔二603连通，通孔二603直径小于钢球滚道三601和螺纹孔一 602的直径；所述钢球座二13为圆柱形，钢球座二13下表面的中心设有钢球滚道四1301，钢球座二13上表面中心设有螺纹孔二1302，钢球滚道四1301与螺纹孔二1302由通孔三1303连通，通孔三1303直径小于钢球滚道四1301和螺纹孔二1302的直径。

如图4所示，所述连接杆8上端和下端分别设有外螺纹一801和外螺纹二 802，连接杆8上端的外螺纹一801与钢球座一6的螺纹孔一602相互配合，连接杆8下端的外螺纹二802与钢球座二13的螺纹孔二1302相互配合，连接杆8 为空心杆，连接杆8中心的通孔四803与钢球座一6的通孔二603和钢球座二 13的通孔三1303相通；如图3所示，连接杆8穿过静环2的通孔一203将钢球座一6限位于静环2的沉孔一201中，将钢球座二13限位于静环2的沉孔二202 中，钢球座一6与静环2之间安装多副蝶形弹簧一7，钢球座二13与静环2之间安装多副蝶形弹簧二14，所述蝶形弹簧一7和蝶形弹簧二14采用对装方式。

如图2、图3和图5所示，所述推力瓦一15、推力瓦二16、推力瓦三17和推力瓦四18均与推力瓦9的结构相同，所述圆形推力瓦9的圆形耐磨片901为聚晶金刚石材料，圆形基底902为碳化钨材料。

如图1、图2和图3所示，所述钢球5安装于动环1的钢球滚道二102和静环2的钢球座一6中，动环1随涡轮轴11做旋转运动，钢球座一6安装于静环 2的沉孔一201中，不发生转动，钢球5只在动环1的钢球滚道二102和静环2 的钢球座一6的钢球滚道三601中做自旋运动，不发生周向滚动。

止推轴承根据轴向载荷大小，自动调节轴承的接触形式。当轴向空载时由钢球单独承载，轴承的接触形式为滚动摩擦副；当轴向载荷过大或受到轴向冲击时，轴承动环随着轴向载荷的变化，不断地调整动环的轴向位置，将轴承自动调节为钢球和推力瓦共同承载，轴承的接触形式为滚动摩擦副和滑动摩擦副。

如图6所示，当涡轮钻具的钻压和水力负荷平衡时，此时钢球5仅与钢球座一6和动环1的钢球滚道二102接触，钢球一21仅与钢球座三22和动环1的钢球滚道一101接触，不承受涡轮钻具的轴向载荷。蝶形弹簧一7，蝶形弹簧二14，蝶形弹簧三23，蝶形弹簧四24为涡轮钻具装配时的预紧状态。如图6和图7所示，动环1的推力瓦一15与上方静环一10的推力瓦六20的轴向间隙为ha，动环1的推力瓦二16与下方静环2的推力瓦三17的轴向间隙为hb，轴向间隙ha 和hb，均为1～2mm。

如图8所示，当涡轮钻具的水力负荷大于钻压时，或者受到向下的轴向冲击载荷时，涡轮轴11向下移动，此时止推轴承的动环1通过钢球5将轴向载荷传递给钢球座一6，钢球座一6将轴向载荷传递给蝶形弹簧一7，使的蝶形弹簧一 7发生轴向压缩变形，蝶形弹簧二14和蝶形弹簧三23发生轴向伸长变形。蝶形弹簧一7的弹性变形能有效的缓冲向下的冲击载荷。蝶形弹簧三23的轴向伸长变形，能保证钢球一21始终处于钢球滚道一101和钢球座三22中。此时，动环 1的推力瓦一15与上方静环一10的推力瓦六20的轴向间隙由初始值ha(如图 7所示)增大为hc(如图9所示)，钢球一21仅与钢球滚道一101和钢球座三 22接触，不承受涡轮钻具的轴向载荷。动环1的推力瓦二16与下方静环2的推力瓦三17的轴向间隙由初始值hb(如图7所示)减小为0(如图9所示)，动环 1的推力瓦二16与下方静环2的推力瓦三17相互接触。此时，涡轮钻具由钢球 5和推力瓦二16、推力瓦三17共同承受轴向载荷，钢球5为滚动摩擦，推力瓦二16和推力瓦三17之间为滑动摩擦。

如图10所示，当涡轮钻具的水力负荷小于钻压时，或者受到向上的轴向冲击载荷时，涡轮轴11向上移动，此时止推轴承的动环1通过钢球一21将轴向载荷传递给钢球座三22，钢球座三22将轴向载荷传递给蝶形弹簧三23，使的蝶形弹簧三23发生轴向压缩变形，蝶形弹簧一7和蝶形弹簧四24发生轴向伸长变形。蝶形弹簧三23的弹性变形能有效的缓冲向上的冲击载荷。蝶形弹簧一7的轴向伸长变形，能保证钢球5始终处于钢球滚道二102和钢球座一6中。此时，动环 1的推力瓦一15与上方静环一10的推力瓦六20的轴向间隙由初始值ha(如图 7所示)减小为0(如图11所示)，动环1的推力瓦一15与上方静环一10的推力瓦六20相互接触。此时，涡轮钻具由钢球一21和推力瓦一15、推力瓦六20 共同承受轴向载荷，钢球一21为滚动摩擦，推力瓦一15和推力瓦六20之间为滑动摩擦。动环1的推力瓦二16与下方静环2的推力瓦三17的轴向间隙由初始值hb(如7所示)增大hd(如图11所示)，钢球5仅与钢球滚道二102和钢球座一6接触，不承受涡轮钻具的轴向载荷。

如图12所示，本实用新型所述动环1和静环2、静环一10构成单副滚滑复合止推轴承。具体实施例可以根据钻井工况的需要，采用外套筒3和内套筒4 将偶数个静环2和奇数个动环1串联在涡轮钻具的涡轮轴外壳12和涡轮轴11 上，形成多副滚滑复合止推轴承构成的止推轴承组，止推轴承组具有更大的承载能力和缓冲轴向冲击的能力。

Claims (1)

1.一种涡轮钻具自适应滚滑复合止推轴承，由动环、静环、内套筒、外套筒、钢球、钢球座一、钢球座二、蝶形弹簧一、蝶形弹簧二、连接杆、推力瓦一、推力瓦二、推力瓦三和推力瓦四组成，其特征在于：所述动环为圆环形的圆盘，在动环的上表面设有钢球滚道一，在动环的下表面设有钢球滚道二，动环的上表面的钢球滚道一的两侧均匀分布多个圆形推力瓦一，动环的下表面的钢球滚道二的两侧均匀分布多个圆形推力瓦二；所述静环为圆环形的圆盘，在静环的上表面均匀分布多个沉孔一，在静环的下表面均匀分布多个沉孔二，静环上表面的沉孔一和下表面的沉孔二由通孔一连通，通孔一的直径小于沉孔一和沉孔二的直径，静环上表面多个沉孔一的两侧均匀分布多个圆形推力瓦三，静环下表面多个沉孔二的两侧均匀分布多个圆形推力瓦四；所述钢球座一为圆柱形，钢球座一上表面的中心设有钢球滚道三，钢球座一下表面的中心设有螺纹孔一，钢球座一的钢球滚道三与螺纹孔一由通孔二连通，钢球座一的通孔二的直径小于钢球座一的钢球滚道三和螺纹孔一的直径；所述钢球座二为圆柱形，钢球座二下表面的中心设有钢球滚道四，钢球座二上表面的中心设有螺纹孔二，钢球座二的钢球滚道四与螺纹孔二由通孔三连通，钢球座二的通孔三的直径小于钢球座二的钢球滚道四和螺纹孔二的直径；所述连接杆上端和下端分别设有外螺纹一和外螺纹二，连接杆上端的外螺纹一与钢球座一的螺纹孔一相互配合，连接杆下端的外螺纹二与钢球座二的螺纹孔二相互配合，连接杆为空心杆，连接杆中心的通孔四与钢球座一的通孔二和钢球座二的通孔三相通；所述连接杆穿过静环的通孔一分别将钢球座一限位于静环的沉孔一中，将钢球座二限位于静环的沉孔二中，钢球座一与静环之间安装多副蝶形弹簧一，钢球座二与静环之间安装多副蝶形弹簧二，蝶形弹簧一和蝶形弹簧二采用对装方式；所述钢球安装于动环的钢球滚道二和静环的钢球座一中，动环随涡轮轴做旋转运动，钢球座一安装于静环的沉孔一中，不发生转动，钢球只在动环的钢球滚道二和静环的钢球座一中做自旋运动，不发生周向滚动。

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