CN2423446Y - 充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种石油、天然气及地质勘探钻井的充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器,由储油密封补偿器9、中心轮11、过压安全阀25等组成,上端面密封7上方为储油密封补偿器9,补偿器9的上有过压安全阀25,有独立的储油密封补偿系统,储油密封补偿系统中使用润滑油,含有两列行星齿轮传动,具有外围环状泥浆通道。可将井下动力钻具主轴传递给减速器输入轴的高转速、低扭矩的旋转运动,通过行星齿轮传动机构传递给减速器输出轴,以获得低转速、大扭矩的旋转运动。
Description
本实用新型涉及一种石油、天然气及地质勘探钻井，与涡轮钻具或螺杆钻具配套使用的充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器。
在石油、天然气及地质勘探等钻井工程中，由于深井、高温井、定向井和水平井钻井工艺需要，螺杆钻具和涡轮钻具是两种常用的井下动力钻具。由于涡轮钻具属于叶片式发动机，它本身具有高转速、低扭矩的输出特性，工作不稳定，很容易制动，因此我国目前钻井工程中使用的涡轮钻具数量很少，只有少量试制品在现场进行试验。大尺寸多头螺杆钻具低转速、高扭矩的输出特性基本能满足我国目前大尺寸井眼钻井工艺需要，但单头螺杆钻具的输出扭矩小、转速高，工作不稳定，不能满足钻井工艺需要。从理论上讲，动力钻具配合减速器使用能获得低转速、高扭矩的输出特性，但由于动力钻具使用条件的限制，我国目前还没有动力钻具减速器可供动力钻具使用，虽然已有实用新型专利“井下减速器”(专利号：CN2126307U)。由于实用新型专利“井下减速器”只有三个或四个行星轮或介轮，每个行星轮或介轮需要传递的扭矩负荷较大，齿轮又工作在泥浆冷却润滑介质中，该井下减速器的工作寿命在一定程度上受到限制，目前未能得到工业应用。
本实用新型的目的就是提供一种长寿命的充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器，它与涡轮钻具或螺杆钻具配合使用后可以降低转速、增大扭矩，使动力钻具工作平稳，拓宽动力钻具的使用范围。
本实用新型是这样实现的：由外壳1、传动机构购、输入轴3、输出轴4、止推轴承5、6、上部端面密封7、下部端面密封8、储油密封补偿器9、活塞10、中心轮11、双联齿轮联轴器12、行星架14、半离合器15、花键17、压紧套筒18、19、斜孔套20、压紧短节21、滑动轴承22、35、套筒23、24、过压安全阀25、滑动轴承26、内齿轮27、28、行星轮29、30、滚动轴承31、滑动轴承35组成，外壳1中有传动机构2、输入轴3和输出轴4，分别装于止推滚动轴承5和6中，上部端面密封7、下部端面密封8分别与止推滚动轴承5和6靠接，上部端面密封7的上方为储油密封补偿器9，其间有活塞10；
输入轴3与行星齿轮传动2的中心轮11通过双联齿轮联轴器12相连，行星齿轮传动2的行星架14通过紧固连接在输出轴4上端的半离合器15上的花键17与输出轴4相连，中心轮11通过花键17与输入轴3相连接，行星轮29、30通过两端的滚动轴承31装在行星架14上，行星架14通过两端的滚动轴承31装于内齿轮27、28的壳体内；
径向止推轴承5、6、上部端面密封7、下部端面密封8、压紧套筒18、19、斜孔套20通过壳体1下端的压紧短节21与壳体1连成一体，在壳体1下端的压紧短节21中和输出轴4的下部装有径向滑动轴承22、35；储油密封补偿器9的上部有过压安全阀25，套筒23、24固定在输入轴3上；
减速行星齿轮传动机构由两列行星齿轮传动组成，中心轮11上有齿圈11A和11B，行星架14通过滚动轴承26装于内齿轮27、28中，中心轮11与两个内齿轮27和28之间是行星架14，在其窗孔中安有两列行星轮29、30，并通过滚动轴承31支承。
中心轮11、内齿轮27、28、行星轮29、30、行星架14组成的减速行星齿轮传动机构2完全置于密封润滑油腔内。
行星齿轮所有互相啮合的齿轮均是斜齿，且每两列齿轮的斜角方向相反。
行星轮29与中心轮11A以及内齿轮27啮合，行星轮30与中心轮11B以及内齿轮28啮合。
每列行星齿轮的数目可以是4个，也可以是8个，且分布于中心轮11和内齿轮27、28之间的环形空间内。
输入轴3和输出轴4上各有滚动轴承31。行星齿轮传动机构2中的内齿轮相对于减速器壳体静止不动。
减速器壳体内表面与两组滚动轴承、上、下部端面密封、行星齿轮传动外壳表面形成环状钻井液通道。
滑动轴承22、35的长度L与间隙δ的比值是200～1000之间。
本实用新型的优点在于：减速器中设计了独立的储油密封补偿系统，具有带动环及静环的上部端面动密封和下部端面动密封及橡胶辅助静密封，还有位于上部端面动密封上方的储存补偿润滑油的储油密封补偿器，在补偿器的上端设有过压单向安全阀。当减速器工作，密封油腔内的润滑油产生少量气体时，安全阀打开，允许气体经安全阀泄漏到泥浆中去，以保证密封油腔中不致形成过高的压力，而安全阀不允许泥浆进入密封油腔。端面金属密封的动环借助滚动轴承相对于静环在端面密封壳体中对中，该动环与所密封的轴套之间有一径向间隙，其值大于轴的最大可能的径向跳动；辅助密封为橡胶弹性件，而且动环与轴套的联接是可动的凸肩花键联接，所有这些都提高了端面动密封的可靠性。
由中心轮、内齿轮、行星轮和行星架组成的减速行星齿轮传动机构完全被置于上述储油密封补偿系统中充满润滑油的密封油腔内。该新型减速行星齿轮传动机构含有两列行星齿轮传动，其太阳轮、内齿轮和行星轮都是斜齿齿轮，而且两列齿轮斜齿的倾斜方向完全相反，以保证载荷在两排齿轮间自动分配和不产生额外的轴向力。行星齿轮传动机构中行星轮的总个数为8或16，所有行星轮分布于中心轮和内齿轮之间的环形空间内。行星齿轮传动构成一独立部件，中心轮通过花键与减速器的输入轴相联接；行星轮靠两端的滚动轴承装于行星架上；行星架靠两端的滚动轴承装于内齿轮内并使其对中，而行星架也通过花键与减速器的输出轴相联接。行星齿轮传动机构中的内齿轮相对于减速器壳体静止不动。
减速器的输入轴和输出轴上各有一组处于密封油腔内的滚动轴承作支承，上下端面金属密封紧靠这两组滚动轴承。输出轴的第二支承为设于减速器壳体下端的径向滑动轴承，该滑动轴承参数比值L/δ在200~1000之间(L-滑动轴承长度，mm，δ-滑动轴承径向间隙，mm)。
所取径向轴承长度与间隙的比值(L：δ)在钻井液不明显漏失的情况下可造成相当大的压降。减速器壳体下端和输出轴上的径向滑动轴承可减小作用到输出轴悬臂部分上的弯曲力矩。
减速器壳体的内表面与滚动轴承组、上下端面密封、行星齿轮传动部件等的外壳表面形成外围环状钻井液通道，此外围环状钻井液通道只需两道密封即可密封住储油密封补偿油腔，从而极大地提高了密封油腔的密封性。
图1为充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器纵向剖面示意图；
图2为图1的上部连接图(由于图面较长，超出版心，故分两张图展示)；
图3为减速行星齿轮传动机构纵向剖面示意图；
图4为输出轴(4)径向滑动轴承纵向剖面示意图。
下面结合附图对本实用新型做进一步的描述：
动力钻具减速器置于外壳1中，包括构成一独立部组件的减速行星齿轮传动机构2、输入轴3和输出轴4，它们分别装于多列径向止推滚动轴承5和6中。与这两组滚动轴承紧靠着的分别是上部端面动密封7和下部端面动密封8。在上部端面密封7的上方为储油密封补偿器9，其中活塞10是润滑油和钻井液的分隔物，活塞10上方空间A通过孔B、环状通道C、以及孔D与密封油腔E相连，该密封油腔包括两组止推滚动轴承5和6，减速行星齿轮传动2，以及上下部端面密封7和8。
输入轴3与行星齿轮传动2的中心轮11借助双联齿轮联轴器12相联，而行星齿轮传动2的行星架14则通过紧固连接在输出轴4上端的半离合器15上的花键17与输出轴4相联。
储油密封补偿器9、上部端面密封7、行星齿轮传动2，径向止推滚动轴承5和6、下部端面密封8，压紧套筒18和19，以及斜孔套20等非传动零件，借助壳体下端的压紧短节21与壳体1联成一个整体。在壳体1下端的压紧短节21中和输出轴4的下部装有径向滑动轴承22和35。
储油密封补偿器9的内表面与固定在输入轴3上的的套筒23和24的外表面形成变截面的环形空间G，它就是钻井液的主通道，其流向在图中用箭头表示。钻井液自空腔G沿通道流入环状空间H，再经下部斜孔套20的斜孔进入输出轴4端部孔中，再由此进入钻头。与此同时，在空腔G的下部外侧，即储油密封补偿器9内表面下部有一孔L，钻井液由此孔进入储油密封补偿器活塞10的下方空间，对上部空间A形成一定压力。另外，在空腔G的下部、套筒24的下缘处有环状间隙K，钻井液经此环隙进到上部端面密封7的壳体35中。环状空间G在截面Ⅰ上(即L处)的截面积与环隙K(截面Ⅱ上)的截面积之比值约为1.2～3.0。
在储油密封补偿器9的上部有一过压安全阀25(图中示意标出)。
图3所示为一种减速行星齿轮传动机构，它是由两列行星齿轮传动组成。中心轮11上有两个齿圈11A和11B，行星架14靠两个滚动轴承26装于内齿轮27和28中。两个内齿轮27和28与减速器壳体1中的所有非转动件由减速器上端过度短接头和下端压紧短接头21压紧不动。在中心轮11与两个内齿轮27和28之间是行星架14，在其窗孔中安有两列行星轮29和30，它们有各自的支承滚动轴承31。每列行星齿轮的数目为4或8。行星齿轮传动中所有互相啮合的齿轮都是斜齿，齿轮斜角为α，而且每两列齿轮的斜角方向相反。行星轮29同时与中心轮11A以及内齿轮27啮合；而行星轮30同时与中心轮11B及内齿轮28啮合。
在输出轴4的下部和减速器壳体1下端的压紧短节21中装有径向滑动轴承22和35，图4是它们的局部放大图，滑动轴承22和35是硬质合金滑动轴承。此对滑动轴承的径向间隙很小，而长度较大，所以该对滑动轴承同时可起到部分密封作用，以防止钻井液不经输出轴4内孔而泄漏。液压计算和使用硬质合金轴承的经验说明，长度L与间隙δ的最优比值应是
200≤L/δ≤1000
动力钻具减速器的工作过程是：当向动力钻具(涡轮钻具或螺杆钻具等其它类型的液压马达，)送入钻井液时，其运动部分开始转动，它带动减速器输入轴3转动，从而使行星齿轮传动机构2和输出轴4转动。在输出轴4下端面有破岩工具，输出轴4的转动参数(转速和扭矩)取决于钻井液排量和其性能参数、动力钻具的特性及减速行星齿轮传动的传动比。
减速行星齿轮传动机构2的中心轮11有两排斜齿齿圈11A和11B，且两排斜齿的斜角方向相反。所以，当两排齿轮传递的扭矩彼此相等时，中心轮11能够自动平衡其在轴向的位置。如果不能满足扭矩相等的条件，则中心轮11将要发生轴向位移，直至轴向负荷达到平衡，而此平衡状态正对应着两排齿轮上的扭矩相等。由于中心轮11只靠两列行星轮29和30限定其径向位置，所以它不仅可以有轴向位移，在一定程度上还可以有径向位移。因此花键联轴短节12在传递来自输入轴3的扭矩时不会对两排齿轮传动上负荷的平衡造成干扰。钻井液通过环状空间G及孔L进入储油密封补偿器的下部，通过环状间隙K流入上部端面密封7的壳体35中。由于截面Ⅰ和Ⅱ的面积相差较大，作用在储油密封补偿器活塞10上的压力较上部端面密封7中的压力要大。因而由于钻井液通过活塞10传递到密封油腔内部的压力也大于上部端面密封中钻井液造成的压力。因此，在上部端面密封7中由油压造成的压力平均说来要大于由钻井液造成的压力，结果端面密封的端面摩擦副有可能形成油润滑工作状态，而不致有磨粒进入油腔，这就可以延长轴承的工作寿命。
在端面密封中当接触应力很大，尤其是发生振动时，会有润滑油微爆发生，同时产生气态物质。气体自端面密封经通道D和C及孔B进入储油密封补偿器9的活塞上部。当减小钻井液外压时(比如提升钻具)，气体自单向过压安全阀(25)逸出，从而降低了油腔内过高的压力。若将安全阀25设在其它地方(比如更低处)，提升钻具时会造成润滑油自安全阀泄出，而气体仍停留在储油密封补偿器上部；下次下放钻具钻井液压力增大时气体将压迫储油密封补偿器活塞10，钻井液有可能进到密封油腔中。
储油密封补偿系统中具有储存补偿润滑油的储油密封补偿器；储油密封补偿系统中使用的润滑介质为润滑油，而非钻井液。
钻井液在减速器壳体中沿密封油腔外面的环状通道H通过，这种结构只要上下两个端面密封7和8即可。
减速器输出轴4下端的径向滑动轴承22和35通常都由硬质合金制成，此轴承既可扶正输出轴同时又可起到节流阀的作用。由于该节流作用，钻井液由此流出的量只有总量的1～2％，此流量足够有效冷却该轴承摩擦件之用，而98～99％的钻井液则流经输出轴4中心孔。
Claims (10)
1．充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器，由外壳(1)、传动机构(2)、输入轴(3)、输出轴(4)、止推轴承(5)、(6)、上部端面密封(7)、下部端面密封(8)、储油密封补偿器(9)、活塞(10)、中心轮(11)、双联齿轮联轴器(12)、行星架(14)、半离合器(15)、花键(17)、压紧套筒(18)、(19)、斜孔套(20)、压紧短节(21)、滑动轴承(22)、(35)、套筒(23)、(24)、过压安全阀(25)、滑动轴承(26)、内齿轮(27)、(28)、行星轮(29)、(30)、滚动轴承(31)、滑动轴承(35)组成，其特征在于：外壳(1)中有传动机构(2)、输入轴(3)和输出轴(4)分别装于止推滚动轴承(5)和(6)中，上部端面密封(7)、下部端面密封(8)分别与止推滚动轴承(5)和(6)靠接，上部端面密封(7)的上方为储油密封补偿器(9)，其间有活塞(10)；
输入轴(3)与行星齿轮传动(2)的中心轮(11)通过双联齿轮联轴器(12)相连，行星齿轮传动(2)的行星架(14)通过紧固连接在输出轴(4)上端的半离合器(15)上的花键(17)与输出轴(4)相连，中心轮(11)通过花键(17)与输入轴(3)相连接，行星轮(29)、(30)通过两端的滚动轴承(31)装在行星架(14)上，行星架(14)通过两端的滚动轴承(31)装于内齿轮(27)、(28)的壳体内；
径向止推轴承(5)、(6)、上部端面密封(7)、下部端面密封(8)、压紧套筒(18)、(19)、斜孔套(20)通过壳体(1)下端的压紧短节(21)与壳体(1)连成一体，在壳体(1)下端的压紧短节(21)中和输出轴(4)的下部装有径向滑动轴承(22)、(35)，储油密封补偿器(9)的上部有过压安全阀(25)，套筒(23)、(24)固定在输入轴(3)上；
2．根据权利要求1所述的充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器，其特征在于：减速行星齿轮传动机构(2)由两列行星齿轮传动组成，中心轮(11)上有齿圈(11A)和(11B)，行星架(14)通过滚动轴承(26)装于内齿轮(27)、(28)中，中心轮(11)与两个内齿轮(27)和(28)之间是行星架(14)，在其窗孔中安有两列行星轮(29)、(30)，并通过滚动轴承(31)支承。
3．根据权利要求1所述的充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器，其特征在于：中心轮(11)、内齿轮(27)、(28)、行星轮(29)、(30)、行星架(14)组成的减速行星齿轮传动机构(2)完全置于密封润滑油腔内。
4．根据权利要求2所述的充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器，其特征在于：行星齿轮所有互相啮合的齿轮均是斜齿，且每两列齿轮的斜角方向相反。
5．根据权利要求1所述的充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器，其特征在于：行星轮(29)与中心轮(11A)以及内齿轮(27)啮合，行星轮(30)与中心轮(11B)以及内齿轮(28)啮合。
6．根据权利要求1所述的充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器，其特征在于：每列行星齿轮的数目可以是4个，也可以是8个，且分布于中心轮(11)和内齿轮(27)、(28)之间的环形空间内。
7．根据权利要求1所述的充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器，其特征在于：输入轴(3)和输出轴(4)上各有滚动轴承(31)。
8．根据权利要求1所述的充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器，其特征在于：行星齿轮传动机构(2)中的内齿轮相对于减速器壳体静止不动。
9．根据权利要求1所述的充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器，其特征在于：减速器壳体内表面与两组滚动轴承、上、下部端面密封、行星齿轮传动外壳表面形成环状钻井液通道。
10．根据权利要求1所述的充油密封润滑动力钻具行星齿轮减速器，其特征在于：滑动轴承(22)、(35)的长度L与间隙δ的比值是200～1000之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: CAI JINGLUN; DEKIKA; CREW HAMZIK; TAN CHUNFEI Free format text: FORMER NAME OR ADDRESS: CAI JINGLUN; DEKIKA; TAN CHUNFEI |
|
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Patentee after: Cai Jinglun Patentee after: De Kaji Patentee after: Crew Zeke Patentee after: Tan Chunfei Patentee before: Cai Jinglun Patentee before: De Kaji Patentee before: Tan Chunfei |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Designer after: Cai Jinglun Designer after: De Kaji Designer after: Crew Zeke Designer after: Tan Chunfei Designer before: Cai Jinglun Designer before: De Kaji Designer before: Tan Chunfei |
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| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
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