CN212837635U - 一种截顶瓣齿形的万向轴连杆及万向轴总成 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种截顶瓣齿形的万向轴连杆及万向轴总成，属于螺杆钻具技术领域，万向轴连杆包括:连杆本体和瓣形齿，瓣形齿设有多个，多个瓣形齿沿连杆本体的径向方向圆周均布在连杆本体两端的侧壁上；瓣形齿沿轴线方向任一横截面的的左齿面和右齿面均为圆弧形或与其配置的万向接头内弧形槽为基准按万向轴设定的配合运动包络生成的共轭曲线，瓣形齿沿轴线方向为椭圆弧、鼓形或锥形或共轭曲线；瓣形齿的齿顶设有截顶面，截顶面用于与其配置的万向接头内弧形槽形成间隙。本申请能够最大限度提高瓣形齿的接触面积，减小瓣形齿和弧形槽的间隙，从而提高万向轴连杆的承载能力并减小冲击载荷。能够满足螺杆钻具用马达大扭矩、长寿命、提高钻井速度的需要。

Description

一种截顶瓣齿形的万向轴连杆及万向轴总成

技术领域

本申请涉及螺杆钻具技术领域，特别涉及一种截顶瓣齿形的万向轴连杆及万向轴总成。

背景技术

在石油和天然气开采中，螺杆钻具的应用越来越广泛。螺杆钻具包括旁通阀总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成，各个部件分别自上而下依次连接，其中万向轴的上端和马达转子连接，下端与传动轴连接，其作用是将马达转子的行星运动转化为传动轴的定轴运动，使马达产生的扭矩和转速平稳的传递给钻头。随着油气开采致力于不断降低作业成本，其中通过提高螺杆钻具输出给钻头的工作扭矩已成为普遍采用的有效提高机械钻速、降低成本的一种有效方法，螺杆钻具扭矩增加，万向轴承受的扭矩加大，因此有必要提高万向轴的承载能力，延长万向轴的使用寿命。

相关技术中，为提高万向轴承受扭矩载荷的能力，螺杆钻具的万向轴技术从以前常用的球传动万向轴，发展到目前常用的球柱或球鼓传动万向轴和花键万向轴。常用的球传动和球柱或球鼓传动万向轴，在传动轴上设置有钢球、球柱或球鼓配合的球窝孔或圆柱弧形槽，这些孔或槽在工作中产生显著的应力集中，导致低应力下的早期疲劳失效，疲劳失效限制了当今钻井提速所需的大扭矩螺杆马达技术的应用。

花键万向轴在外花键轴上设置有两侧面相平行的近似矩形凸起，在连接头上设置有与外花键轴上凸起配置的内花键矩形槽，矩形凸起或矩形槽增大了传递扭矩面积，提高了承载能力，但存在明显的应力集中，当马达扭矩较大时会导致花键疲劳断裂，特别是小规格螺杆钻具马达用万向轴，断裂后将导致马达动力无法传输到钻头，造成非正常起钻，影响钻井周期。

花键万向轴的另一种形式为轮齿形，外花键和内花键孔之间保持有2～10mm间隙，为保证锁紧螺套能通过外花键，花键部位最大外圆尺寸要求设计的较小，强度受限，在工作中万向轴需承受由钻头切削岩石产生的交替变化动载，因此轮齿在工作中，间隙导致冲击载荷加大，轮齿部位应力进一步增加，轮齿磨损加剧和疲劳断裂，冲击载荷也影响传动轴总成和马达总成的所受载荷增加，影响使用寿命。

发明内容

本申请实施例提供一种截顶瓣齿形的万向轴连杆及万向轴总成，以解决相关技术中万向轴承载能力低、易早期失效的不足。

本申请实施例第一方面提供了一种截顶瓣齿形的万向轴连杆，所述万向轴连杆包括:

连杆本体和瓣形齿，所述瓣形齿设有多个，多个所述瓣形齿沿所述连杆本体的径向方向圆周均布在连杆本体两端的侧壁上；

所述瓣形齿沿轴线方向任一横截面的左齿面和右齿面均为圆弧形或与其配置的万向接头的内弧形槽为基准按万向轴设定的配合运动包络生成的共轭曲线，所述瓣形齿沿轴线方向为椭圆弧、鼓形、锥形或共轭曲线；

所述瓣形齿的齿顶设有截顶面，所述截顶面被配置为：截顶面与其配置的万向接头的内弧形槽配合时，截顶面与内弧形槽之间形成间隙。

在一些实施例中：所述瓣形齿的长度方向与所述连杆本体的轴线平行，所述截顶面为被削平的平面或圆弧面。

在一些实施例中：所述瓣形齿与所述连杆本体为一体成型结构，所述瓣形齿的根部与所述连杆本体的相交处设有过渡圆角。

在一些实施例中：所述瓣形齿的表面设有氮化处理形成的氮化层或采用高频淬火或激光淬火形成的硬化层。

在一些实施例中：所述连杆本体的两端均设有嵌入球头的凹槽，所述凹槽的中心位于所述连杆本体的轴线上。

本申请实施例第二方面提供了一种万向轴总成，包括：

如上述任一实施例所述的万向轴连杆；

万向接头，所述万向接头设有两个，两个所述万向接头分别铰接在所述万向轴连杆的两端；

所述万向接头的内孔侧壁上沿内孔的周向间隔设有多个弧形槽，所述弧形槽的轴线与所述万向接头的轴线平行，所述连杆本体两端的瓣形齿啮合在万向接头的多个弧形槽内；

密封装置，所述密封装置位于所述万向接头的内孔的孔口，所述密封装置用于封闭内孔的孔口。

在一些实施例中：所述瓣形齿的左齿面与弧形槽之间的间隙为0～ 1mm，右齿面与弧形槽之间的间隙为0～3mm，所述瓣形齿的截顶面与弧形槽之间的间隙为2～8mm，所述万向接头与万向轴连杆的径向相对摆角为0～4°。

在一些实施例中：所述万向接头的内孔设有支撑球座和球头，所述支撑球座上设有滑动连接所述球头的球形凹槽，所述球头滑动连接在所述支撑球座和连杆本体之间；

所述万向接头的侧壁上开设有用于向内孔中注入润滑脂的注油孔，所述瓣形齿与弧形槽之间通过注油孔填充润滑脂，所述注油孔螺纹连接有螺杆。

在一些实施例中：所述密封装置包括分体环、密封套管和锁紧螺母，所述分体环位于所述内孔中且与弧形槽的端面抵接，所述锁紧螺母的外壁与所述内孔的内壁螺纹连接；

所述密封套管的一端夹持在所述分体环和锁紧螺母之间，所述密封套管的另一端与所述连杆本体的外壁贴合，所述密封套管上套设有将所述密封套管锁紧在所述连杆本体上的喉箍。

在一些实施例中：所述弧形槽的表面设有氮化处理形成的氮化层或采用高频淬火或激光淬火形成的硬化层。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种截顶瓣齿形的万向轴连杆及万向轴总成，由于本万向轴连杆设置了连杆本体和瓣形齿，其中，瓣形齿设有多个，多个瓣形齿沿连杆本体的径向方向圆周均布在连杆本体两端的侧壁上。在瓣形齿的左齿面和右齿面均为圆弧形或与其配置的万向接头内弧形槽为基准按万向轴设定的配合运动包络生成的共轭曲线；在瓣形齿的齿顶设有截顶面，截顶面用于与其配置的万向接头内弧形槽形成间隙。

因此，本申请采用在连杆本体的两端设置瓣形齿，瓣形齿的左齿面和右齿面为圆弧形或共轭曲线制成的万向轴连杆，其能够在保证安装工艺性要求的前提下，最大限度提高瓣形齿的接触面积，减小瓣形齿和弧形槽的间隙，从而提高万向轴连杆的承载能力并减小冲击载荷，瓣形齿根部过渡圆角可以显著降低应力集中，传递扭矩更大。本申请的万向轴连杆不仅结构简单紧凑、易于加工、装配便捷，而且承载扭矩大、工作寿命长，能够满足当今螺杆钻具用马达大扭矩、长寿命、提高钻井速度的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的万向轴连杆的结构示意图；

图2为图1中沿B-B方向的剖视图；

图3为本申请实施例的万向轴总成的结构示意图；

图4为图3中沿A-A方向的剖视图；

图5为本申请实施例的弧形槽的结构示意图；

图6为图3中A处的局部放大图。

附图标记：

10、万向轴连杆；11、连杆本体；12、瓣形齿；121、左齿面； 122、右齿面；123、截顶面；124、过渡圆角；

20、万向轴总成；21、万向接头；22、内孔；23、支撑球座；24、球头；25、注油孔；26、分体环；27、锁紧螺母；28、密封套管；29、喉箍；211、弧形槽。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种截顶瓣齿形的万向轴连杆及万向轴总成，其能解决相关技术中万向轴承载能力低、易早期失效的问题。

参见图1和图2所示，本申请实施例第一方面提供了一种截顶瓣齿形的万向轴连杆，该万向轴连杆10包括:

连杆本体11和瓣形齿12，连杆本体11为实心刚性圆柱体，瓣形齿设有六个，六个瓣形齿12沿连杆本体11的径向方向圆周均布在连杆本体11侧壁上，六个瓣形齿12对称设置在连杆本体11的两端。在连杆本体11的两端均设有嵌入球头24的凹槽，凹槽的中心位于连杆本体11的轴线上。

瓣形齿12沿轴线方向任一横截面的左齿面121和右齿面122均为圆弧形或与其配置的万向接头21的内弧形槽211为基准按万向轴设定的配合运动包络生成的共轭曲线，该共轭曲线为瓣形齿12与弧形槽 211上用以实现万向轴给定运动规律的连续相切的一对曲线。瓣形齿 12的左齿面121和右齿面122均为圆弧形或共轭曲线，避免了瓣形齿 12传递扭矩时的应力集中产生的疲劳断裂。瓣形齿12沿轴线方向为椭圆弧、鼓形、锥形或共轭曲线结构。

瓣形齿12的齿顶设有截顶面123，该截顶面123被配置为：截顶面123与其配置的万向接头21的内弧形槽211配合时，截顶面123与内弧形槽211之间形成间隙，使得万向轴连杆10与万向接头21的径向相对摆角为0～4°，同时便于密封装置的装配。在瓣形齿12的表面采用氮化处理后形成的氮化层，瓣形齿12的表面还可以采用高频淬火或激光淬火处理形成硬化层，以使瓣形齿12的表面具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温的特性，瓣形齿12在摩擦条件下的抗擦伤和抗咬合等性能都得到有效提高。

本申请的万向轴连杆10采用在连杆本体11的两端设置瓣形齿12，瓣形齿12的左齿面121和右齿面122为圆弧形或共轭曲线制成，万向轴连杆10能够在保证安装工艺性要求的前提下，最大限度提高瓣形齿 12的接触面积，减小瓣形齿12和弧形槽211的间隙，从而提高万向轴连杆10的承载能力并减小冲击载荷，传递扭矩更大。本申请的万向轴连杆10不仅结构简单紧凑、易于加工、装配便捷，而且承载扭矩大、工作寿命长，能够满足当今螺杆钻具用马达大扭矩、长寿命、提高钻井速度的需要。

在一些可选实施例中：参见图1和图2所示，本申请实施例第一方面提供了一种截顶瓣齿形的万向轴连杆，该万向轴连杆10的瓣形齿 12的长度方向与连杆本体11的轴线平行，便于瓣形齿12与弧形槽211 啮合，提高万向轴连杆10与万向接头21的装配效率。

瓣形齿12的截顶面123为被削平的平面或圆弧面，截顶面123被削成平面或圆弧面与万向接头21内的弧形槽211形成间隙，使得万向轴连杆10与万向接头21的径向相对摆角为0～4°，同时便于密封装置的装配。

在一些可选实施例中：参见图1所示，本申请实施例第一方面提供了一种截顶瓣齿形的万向轴连杆，该万向轴连杆10的瓣形齿12与连杆本体11为一体成型结构，瓣形齿12的根部与连杆本体11的相交处设有过渡圆角124。

该万向轴连杆10的瓣形齿12与连杆本体11为一体成型结构提高了的结构强度，使其能够能传递更大的扭矩。瓣形齿12的根部与连杆本体11的相交处设有过渡圆角124可减小应力集中，避免瓣形齿12 传递扭矩时的应力集中产生的疲劳断裂。

参见图1至图5所示，本申请实施例第二方面提供了一种万向轴总成，万向轴总成20包括：

上述任一实施例所述的万向轴连杆10；

万向接头21，万向接头21设有两个，两个万向接头21分别铰接在万向轴连杆10的两端。

万向接头21的内孔22侧壁上沿内孔22的周向间隔设有六个弧形槽211，弧形槽211的轴线与万向接头21的轴线平行，连杆本体11 两端的瓣形齿12啮合在万向接头21的六个弧形槽211内。瓣形齿12 的左齿面121与弧形槽211之间的间隙为0～1mm，右齿面122与弧形槽211之间的间隙为0～3mm，瓣形齿12的截顶面123与弧形槽211 之间的间隙为2～8mm，万向接头21与万向轴连杆10的径向相对摆角为0～4°。相邻的两个瓣形齿12之间的过渡圆角124与相邻两个弧形槽211之间的顶部之间啮合且预设有间隙。

连杆本体11两端的瓣形齿12啮合在万向接头21的六个弧形槽 211内用于限制万向轴连杆10与万向接头21相对转动，并起到传递扭矩的作用。弧形槽211的表面采用氮化处理后的形成氮化层，弧形槽 211的表面还可以采用高频淬火或激光淬火处理形成的硬化层，以使弧形槽211的表面具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温的特性，弧形槽211在摩擦条件下的抗擦伤和抗咬合等性能都得到有效提高。

密封装置，该密封装置位于万向接头21的内孔22的孔口，密封装置用于封闭内孔22的孔口，防止外部的钻井液、泥浆等进入万向接头21的内孔22破坏内孔22中的运动机构，并保证了润滑脂不外漏。

在一些可选实施例中：参见图3至图5所示，本申请实施例提供了一种万向轴总成，该万向轴总成20的万向接头21的内孔22设有支撑球座23和球头24，支撑球座23上设有滑动连接球头24的球形凹槽，球头24滑动连接在支撑球座23和连杆本体11之间。

万向轴总成20使用球头24结构能够适当增加连杆本体11承受的轴向力及连杆本体11端部的强度，从而增加接触面积，使用寿命更长，当连杆本体11轴向运动磨损严重时，只需要更换球头24和支撑球座 23，降低维修成本。

万向接头21的侧壁上开设有用于向内孔22中注入润滑脂的注油孔25，瓣形齿12与弧形槽211之间通过注油孔25填充润滑脂，注油孔25螺纹连接有螺杆，螺杆用于密封注油孔25，使万向接头21的内孔22保持密封，使瓣形齿12和弧形槽211处于一个良好的润滑状态。

在一些可选实施例中：参见图3和图6所示，本申请实施例提供了一种万向轴总成，该万向轴总成20的密封装置包括分体环26、密封套管28和锁紧螺母27，分体环26位于内孔22中且与弧形槽211的端面抵接，锁紧螺母27的外壁与内孔22的内壁螺纹连接。

密封套管28的一端夹持在分体环26和锁紧螺母27之间，密封套管28的另一端与连杆本体11的外壁贴合，密封套管28上套设有将密封套管28锁紧在连杆本体11上的喉箍29。密封装置用于防止泥浆进入内孔22中的运动机构，保证润滑脂不外漏。

工作原理

本申请实施例提供了一种截顶瓣齿形的万向轴连杆及万向轴总成，由于本万向轴连杆10设置了连杆本体11和瓣形齿12，其中，瓣形齿 12设有多个，多个瓣形齿12沿连杆本体11的径向方向圆周均布在连杆本体11两端的侧壁上。在瓣形齿12沿轴线方向任一横截面的左齿面121和右齿面122均为圆弧形或与其配置的万向接头21内弧形槽 211为母线按万向轴设定的配合运动包络生成的共轭曲线；在瓣形齿 12的齿顶设有截顶面123，截顶面123用于与其配置的万向接头21内弧形槽211形成间隙。

因此，本申请采用在连杆本体11的两端设置瓣形齿12，瓣形齿 12的左齿面121和右齿面122为圆弧形或共轭曲线制成的万向轴连杆 10，其能够在保证安装工艺性要求的前提下，最大限度提高瓣形齿12 的接触面积，减小瓣形齿12和弧形槽211的间隙，从而提高万向轴连杆10的承载能力并减小冲击载荷，传递扭矩更大。本申请的万向轴连杆10不仅结构简单紧凑、易于加工、装配便捷，而且承载扭矩大、工作寿命长，能够满足当今螺杆钻具用马达大扭矩、长寿命、提高钻井速度的需要。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种截顶瓣齿形的万向轴连杆，其特征在于，所述万向轴连杆(10)包括:

连杆本体(11)和瓣形齿(12)，所述瓣形齿(12)设有多个，多个所述瓣形齿(12)沿所述连杆本体(11)的径向方向圆周均布在连杆本体(11)两端的侧壁上；

所述瓣形齿(12)沿轴线方向任一横截面的左齿面(121)和右齿面(122)均为圆弧形或与其配置的万向接头(21)的内弧形槽(211)为基准按万向轴设定的配合运动包络生成的共轭曲线，所述瓣形齿(12)沿轴线方向为椭圆弧、鼓形、锥形或共轭曲线；

所述瓣形齿(12)的齿顶设有截顶面(123)，所述截顶面(123)被配置为：截顶面(123)与其配置的万向接头(21)的内弧形槽(211)配合时，截顶面(123)与内弧形槽(211)之间形成间隙。

2.如权利要求1所述的一种截顶瓣齿形的万向轴连杆，其特征在于：

所述瓣形齿(12)的长度方向与所述连杆本体(11)的轴线平行，所述截顶面(123)为被削平的平面或圆弧面。

3.如权利要求1所述的一种截顶瓣齿形的万向轴连杆，其特征在于：

所述瓣形齿(12)与所述连杆本体(11)为一体成型结构，所述瓣形齿(12)的根部与所述连杆本体(11)的相交处设有过渡圆角(124)。

4.如权利要求1所述的一种截顶瓣齿形的万向轴连杆，其特征在于：

所述瓣形齿(12)的表面设有氮化处理形成的氮化层或采用高频淬火或激光淬火形成的硬化层。

5.如权利要求1所述的一种截顶瓣齿形的万向轴连杆，其特征在于：

所述连杆本体(11)的两端均设有嵌入球头(24)的凹槽，所述凹槽的中心位于所述连杆本体(11)的轴线上。

6.一种万向轴总成，其特征在于，所述万向轴总成(20)包括：

如权利要求1至5任意一项所述的万向轴连杆(10)；

万向接头(21)，所述万向接头设有两个，两个所述万向接头(21)分别铰接在所述万向轴连杆(10)的两端；

所述万向接头(21)的内孔(22)侧壁上沿内孔的周向间隔设有多个弧形槽(211)，所述弧形槽(211)的轴线与所述万向接头(21)的轴线平行，所述连杆本体(11)两端的瓣形齿(12)啮合在万向接头(21)的多个弧形槽(211)内；

密封装置，所述密封装置位于所述万向接头(21)的内孔(22)的孔口，所述密封装置用于封闭内孔(22)的孔口。

7.如权利要求6所述的一种万向轴总成，其特征在于：

所述瓣形齿(12)的左齿面(121)与弧形槽(211)之间的间隙为0～1mm，右齿面(122)与弧形槽(211)之间的间隙为0～3mm，所述瓣形齿(12)的截顶面(123)与弧形槽(211)之间的间隙为2～8mm，所述万向接头(21)与万向轴连杆(10)的径向相对摆角为0～4°。

8.如权利要求6所述的一种万向轴总成，其特征在于：

所述万向接头(21)的内孔(22)设有支撑球座(23)和球头(24)，所述支撑球座(23)上设有滑动连接所述球头(24)的球形凹槽，所述球头(24)滑动连接在所述支撑球座(23)和连杆本体(11)之间；

所述万向接头(21)的侧壁上开设有用于向内孔(22)中注入润滑脂的注油孔(25)，所述瓣形齿(12)与弧形槽(211)之间通过注油孔(25)填充润滑脂，所述注油孔(25)螺纹连接有螺杆。

9.如权利要求6所述的一种万向轴总成，其特征在于：

所述密封装置包括分体环(26)、密封套管(28)和锁紧螺母(27)，所述分体环(26)位于所述内孔(22)中且与弧形槽(211)的端面抵接，所述锁紧螺母(27)的外壁与所述内孔(22)的内壁螺纹连接；

所述密封套管(28)的一端夹持在所述分体环(26)和锁紧螺母(27)之间，所述密封套管(28)的另一端与所述连杆本体(11)的外壁贴合，所述密封套管(28)上套设有将所述密封套管(28)锁紧在所述连杆本体(11)上的喉箍(29)。

10.如权利要求6所述的一种万向轴总成，其特征在于：

所述弧形槽(211)的表面设有氮化处理形成的氮化层或采用高频淬火或激光淬火形成的硬化层。

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