CN2551754Y - 具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴 - Google Patents

Abstract

一种具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，它由顺次设置在轴上的上、下部径向硬质合金滑动轴承组成，轴承外设外壳，在上、下部轴承之间顺次设有上部橡胶密封、推力圆锥滚子轴承组和下部橡胶密封，上、下部橡胶密封形成的空间为工作油腔，推力圆锥滚子轴承组设在工作油腔内；在径向硬质合金滑动轴承之间还设有储油补偿器；本实用新型使井下动力钻具工作油腔内的推力轴承组所有零件工作时得到良好润滑，润滑油少量漏失时，在钻井工作液压力作用下储油补偿器会及时补充；防止密封油腔内形成过高的压力，避免漏油；保证硬质合金滑动轴承在充分冷却润滑条件下具有较长的工作寿命；本实用新型工作可靠，更换易损件方便。

Description

具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴

技术领域

本实用新型涉及一种使用在石油、矿山、煤田、气田的井下动力钻具传动轴，尤其是一种使用寿命较长的具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，属于机械制造技术领域。

背景技术

由于使用条件的限制，石油、矿山、煤田、气田的井下动力钻具(如螺杆钻具、涡轮钻具等)都被迫做成管状，而且直径有限。在有限的空间内设计出强度、性能、工作寿命都能满足人们要求的动力钻具困难很大。提高井下动力钻具整机性能的关键是提高井下动力钻具传动轴的工作寿命，国内外无数科技工作者长期致力于这方面的研究，取得了一些成果，但还不十分令人满意。如目前涡轮钻具和螺杆钻具传动轴采用开式结构，利用钻井工作液(泥浆)冷却润滑滚动轴承，即使选用最好的材质和热处理工艺，其易损件滚动轴承的平均工作寿命只有50～100小时，钻井工作液净化好的时侯易损件工作寿命最长也不超过150小时。现有技术在工作寿命短的同时，还存在着润滑效果差的问题。

另外，当传动轴在井下工作一定时间后，接近轴端处的危险截面很容易发生疲劳破坏断裂，此时，轴的下部轴头和其上的钻头或其它工具有可能掉井，时常会造成额外的较大损失。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术之不足而提供一种具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其具有较长使用寿命，并且使用安全。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：

一种具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，它由轴、上部径向硬质合金滑动轴承、下部径向硬质合金滑动轴承、防掉机构和外壳组成，其中，上、下部径向硬质合金滑动轴承在轴上顺次设置，轴承外设置外壳，下部径向硬质合金滑动轴承上方、轴与外壳之间设有防掉机构，在上部和下部径向硬质合金滑动轴承之间顺次设有上部橡胶密封、推力圆锥滚子轴承组和下部橡胶密封，上部橡胶密封和下部橡胶密封所形成的空间为工作油腔，推力圆锥滚子轴承组设在工作油腔内。

在上部和下部径向硬质合金滑动轴承之间还设有储油补偿器。

储油补偿器主要包括补偿环、补偿器基体、单向安全阀、补偿器内筒、补偿器外筒、活塞和密封圈；补偿环紧贴轴侧，补偿器基体夹设在补偿器内、外筒之间，与活塞所形成的容置空间为储油腔，活塞经密封圈设在储油腔内，补偿器基体与补偿器内筒上端设有单向安全阀。

储油补偿器基体上设有供润滑油通过的通孔，补偿器内筒或外筒的上端与单向安全阀接触处设有一纵向开槽，储油腔经由环状通道与工作油腔相连，在储油补偿器与补偿环之间设有环状钻井工作液通道。

橡胶密封分别由密封动环、静环和橡胶密封圈组成，橡胶密封圈又分为动密封圈和静密封圈，其中，动密封圈设在密封动环和静环的贴合面上，静密封圈分别设在密封动环与轴体和密封静环与外壳的贴合面上。

推力圆锥滚子轴承为推力满圆锥滚子轴承，总级数为两级以上，其轴向游动量为0.1mm～5.0mm。推力满圆锥滚子轴承中圆锥滚子母线与圆锥滚子自转中心线的交点即圆锥滚子锥顶在传动轴轴心线上；圆锥滚子自转中心线与圆锥滚子公转中心线即传动轴轴心线相垂直。推力满圆锥滚子轴承中圆锥滚子的圆锥角为10°～20°，所有圆锥滚子的圆锥角度数和为360°。推力满圆锥滚子轴承组内设置有起减震预压紧调节作用的弹簧。

在储油补偿器与上部橡胶密封之间位置的轴上和在防掉机构与下部径向硬质合金滑动轴承之间位置的轴上分别设有钻井液通孔；在外壳两端分别设有注油孔和排油孔。

根据上述技术方案分析可知，本实用新型具有如下优点：

1、利用井下动力钻具工作环境压力较高的特点，使井下动力钻具易损件推力轴承组密封在工作油腔内，密封油腔内的所有工作零件始终在油浴状态下工作，而且当工作油腔内的润滑油有少量漏失时，在钻井工作液压力作用下储油补偿器会及时从储油腔向工作油腔补充一定数量的润滑油，以延长井下动力钻具易损件推力轴承的工作寿命。

2、结构简单、合理，具有较长的使用寿命，并且能够防止在下部径向硬质合金滑动轴承与轴的结合处截面或其它危险截面发生疲劳破坏断裂时，轴的下部轴头和其上的钻头或其它工具不掉井，以免造成更大损失。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型储油补偿器结构示意图；

图3为本实用新型储油补偿器过压单向安全阀结构示意图；

图4为本实用新型上部和下部径向橡胶密封结构示意图；

图5为本实用新型推力满圆锥滚子轴承组结构示意图；

图6为本实用新型推力满圆锥滚子轴承组橡胶弹簧结构示意图；

图7为本实用新型推力满圆锥滚子轴承组组合碟形弹簧结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型具体实施方式做进一步详细说明。

如图1所示，为本实用新型具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴的结构示意图，它至少包括轴4、轴上依序设置的上部径向硬质合金滑动轴承5、储油补偿器1、上部橡胶密封2、推力圆锥滚子轴承组6、下部橡胶密封3、防掉机构17、下部径向硬质合金滑动轴承15、储油腔M、工作油腔H以及外壳体7等组件。

如图4所示，为传动轴上部和下部径向橡胶密封结构示意图。上部橡胶密封2由密封动环2a、静环2b及其上的密封圈16构成，其中密封圈16a、16e和16f为静密封，而密封圈16b、16c和16d为旋转动密封。下部橡胶密封3由密封动环3a、静环3b及其上的密封圈18构成，其中密封圈18a、18e和18f为静密封，而密封圈18b、18c和18d为旋转动密封。密封动环2a和3a外表面均经过表面硬化处理，使其具有较高硬度和良好耐磨性。由于有多道密封，因此在较高压力下钻井液也无法进入密封油腔内。

储油补偿器1位于工作油腔H上方，它主要包括补偿器基体14、单向安全阀8、补偿器内筒12、补偿器外筒11、活塞10以及密封圈9(其中包括9a、9b和9c，如图2所示)等组分。储油补偿器基体14上设置有润滑油通孔F和G，补偿器内筒12或外筒11的上端与弹性套筒式单向安全阀8接触处设有纵向开槽B，其具体结构和位置关系如图3所示。储油腔M与工作油腔H由环状润滑油通道C相连。在储油补偿器1与补偿环13之间为环状钻井工作液通道D。当工作油腔H和储油腔M内产生气体或因其它原因造成油腔内压力过高时单向安全阀8会自动打开，允许气体或过多的润滑油自密封油腔内逸出，而不允许钻井工作液从环行空间进入密封油腔内。

图1和图2中箭头表示钻井工作液流动方向。在储油补偿器与上部橡胶密封之间位置的轴上设置有一个钻井液通孔N，在防掉机构与下部径向硬质合金滑动轴承之间位置的轴上设置有一个钻井液通孔Q。当井下动力钻具在井下工作时会有少量钻井液自上部径向硬质合金滑动轴承动环5a和静环5b之间的间隙通过环状通道D和通孔N进入轴4内孔，与此同时钻井液的压力通过活塞10和环状通道C传递到工作油腔H中，储油腔M中的润滑油自通道C进入工作油腔H，直到活塞10移动到储油腔M最上端位置。

当井下动力钻具在井下工作时由于钻头压降较大，轴4内孔中的少量钻井液会在压力作用下自通孔Q沿图1中箭头所示方向从下部硬质合金滑动轴承动环15a和静环15b之间的间隙进入钻柱与井眼之间的环空。

在外壳体7两端分别设置有一个注油孔P和排油孔L，以方便向储油腔M、工作油腔H以及环状润滑油通道C注入润滑油。

本实用新型在下部径向硬质合金滑动轴承15上方、下部密封3下方的轴与外壳体之间设有防掉机构17，防掉机构内环17a的外凸台肩的直径大于防掉机构外环17b内孔最小直径和/或下部径向硬质合金滑动轴承静圈15b内径。

利用井下动力钻具工作环境压力较高的特点，使井下动力钻具易损件推力轴承组密封在工作油腔H内，密封油腔内的所有工作零件始终在油浴状态下工作，而且当工作油腔内的润滑油有少量漏失时，在钻井工作液压力作用下储油补偿器1会及时从储油腔M向工作油腔H补充一定数量的润滑油，以延长井下动力钻具易损件推力轴承的工作寿命。

本实用新型中所涉及到的“储油补偿器”利用了实用新型专利“井下动力钻具储油密封补偿结构”(专利设计人：谭春飞，专利号：ZL00234224.3)部分技术，所不同的地方是本实用新型中所有动密封和静密封均是径向橡胶密封，而专利“井下动力钻具储油密封补偿结构”中旋转动密封为端面密封，其余动密封和静密封为径向橡胶密封。

提高井下动力钻具传动轴工作寿命的关键在于如何提高传动轴易损件的寿命。井下动力钻具传动轴的主要易损件是推力轴承。现有传动轴结构承担轴向载荷的易损件滚动角接触推力球轴承，在钻井液(泥浆)冷却润滑条件下工作，钻井液中的高硬度固相颗粒(如石英砂)成为磨粒介质，造成滚动轴承组在钻井液磨粒磨损条件下过快磨损，滚动轴承组的工作寿命达不到人们期望的水平，一般只有50～100小时。如图5所示，为推力满圆锥滚子轴承组结构示意图。推力圆锥滚子轴承工作时圆锥滚子20b或21b与支撑盘即推力盘20a和20c或21a和21c之间是线接触，而角接触推力球轴承工作时钢球与支撑盘之间是点接触。因此，推力圆锥滚子轴承的承载能力比角接触推力球轴承的承载能力要大100倍以上，在相同载荷及线速度条件下推力圆锥滚子轴承的工作寿命比角接触推力球轴承的工作寿命要远远长得多。本实用新型将推力圆锥滚子轴承密封在油腔中，这样具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴的工作寿命就可以满足需要。

另外，本实用新型所述的推力圆锥滚子轴承为满圆锥滚子轴承，推力满圆锥滚子轴承的特征是圆锥滚子母线与圆锥滚子自转中心线的交点即圆锥滚子锥顶在传动轴轴心线上，推力满圆锥滚子轴承中圆锥滚子自转中心线与圆锥滚子公转中心线即传动轴轴心线相垂直，推力满圆锥滚子轴承中圆锥滚子的圆锥角为10°～20°，推力满圆锥滚子轴承中所有圆锥滚子的圆锥角度数和为360°。

本实用新型采用多级推力轴承结构，使传动轴受到的水力载荷或钻压载荷均布到各级推力轴承，使每级推力轴承承担的载荷较小，保证该传动轴比现有传动轴工作寿命更长。为了保证载荷能可靠地均布到各级推力轴承，除加工和装配时提高精度外，可在推力轴承支撑盘之间设置了弹簧19或22(如橡胶弹簧或组合碟形弹簧，其结构形状如图6或图7所示)。弹簧在保证各级推力轴承协调工作的同时还可以有效降低传动轴受到的动载，避免轴承发生冲击破坏。

推力圆锥滚子轴承组上方和下方的径向硬质合金滑动轴承的径向间隙为0.1mm～0.8mm，上部径向硬质合金滑动轴承摩擦面长度为50～200mm，下部径向硬质合金滑动轴承摩擦面长度为100～300mm，这样就可以保证传动轴中的推力轴承只承受轴向载荷，只让适量含较小固相颗粒的钻井液进入轴承腔内，对径向硬质合金滑动轴承进行润滑和冷却，又不影响钻头的喷射效果。径向硬质合金滑动轴承动圈外圆表面和静圈内圆表面镶嵌有耐磨硬质合金，硬质合金的硬度高，耐磨性好，能在恶劣工况条件下良好工作，寿命较长。

此外，为防止轴从W-W截面或轴端危险截面处断裂造成掉井事故，本实用新型设计了防掉机构。当轴在井下工作一定时间后W-W截面或附近危险截面发生疲劳破坏断裂时，轴的下部轴头和其上的钻头或其它工具有可能掉井。本实用新型有了上述防掉机构后可以阻止剩余部分轴及轴上其它零件不掉井，以免造成更大损失。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1、一种具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，它由轴、上部径向硬质合金滑动轴承、下部径向硬质合金滑动轴承和外壳组成，其中，上、下部径向硬质合金滑动轴承在轴上顺次设置，轴承外设置外壳，其特征在于：在上部和下部径向硬质合金滑动轴承之间顺次设有上部橡胶密封、推力圆锥滚子轴承组和下部橡胶密封，上部橡胶密封和下部橡胶密封所形成的空间为工作油腔，推力圆锥滚子轴承组设在工作油腔内。

2、根据权利要求1所述的具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：在上部和下部径向硬质合金滑动轴承之间还设有储油补偿器。

3、根据权利要求2所述的具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：所述的储油补偿器主要包括补偿环、补偿器基体、单向安全阀、补偿器内筒、补偿器外筒、活塞和密封圈；补偿环紧贴轴侧，补偿器基体夹设在补偿器内、外筒之间，与活塞所形成的容置空间为储油腔，活塞经密封圈设在储油腔内，补偿器基体与补偿器内筒上端设有单向安全阀。

4、根据权利要求3所述的具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：所述的储油补偿器基体上设有供润滑油通过的通孔，补偿器内筒或外筒的上端与单向安全阀接触处设有一纵向开槽，储油腔经由环状通道与工作油腔相连，在储油补偿器与补偿环之间设有环状钻井工作液通道。

5、根据权利要求1所述的具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：所述的橡胶密封分别由密封动环、静环和橡胶密封圈组成，橡胶密封圈又分为动密封圈和静密封圈，其中，动密封圈设在密封动环和静环的贴合面上，静密封圈分别设在密封动环与轴体和密封静环与外壳的贴合面上。

6、根据权利要求1所述的具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：所述的推力圆锥滚子轴承为推力满圆锥滚子轴承，总级数为两级以上，其轴向游动量为0.1mm～5.0mm。

7、根据权利要求6所述的具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：所述的推力满圆锥滚子轴承中圆锥滚子母线与圆锥滚子自转中心线的交点即圆锥滚子锥顶在传动轴轴心线上；圆锥滚子自转中心线与圆锥滚子公转中心线即传动轴轴心线相垂直；圆锥滚子的圆锥角为10°～20°，所有圆锥滚子的圆锥角度数和为360°。

8、根据权利要求6所述的具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：所述的推力满圆锥滚子轴承组内设置有起减震预压紧调节作用的弹簧。

9、根据权利要求1所述的具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：在下部径向硬质合金滑动轴承上方、推力圆锥滚子轴承的轴与外壳体之间设有防掉机构，防掉机构内环的外凸台肩的直径大于防掉机构外环内孔最小直径和/或下部径向硬质合金滑动轴承静圈内径。

10、根据权利要求1或2或3或4或5或9所述的具有推力圆锥滚子轴承的储油补偿橡胶密封传动轴，其特征在于：在储油补偿器与上部橡胶密封之间位置的轴上和在防掉机构与下部径向硬质合金滑动轴承之间位置的轴上分别设有钻井液通孔；在外壳两端分别设有注油孔和排油孔。

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