CN2615320Y

CN2615320Y - 具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴

Info

Publication number: CN2615320Y
Application number: CN 02237850
Authority: CN
Inventors: 谭春飞; 蔡镜仑; 董晏
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-05-12
Anticipated expiration: 2012-06-10

Abstract

一种具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴，它由轴、上、下部径向硬质合金滑动轴承和外壳体组成，其中，上、下部径向硬质合金滑动轴承分别通过其轴承动圈顺次压紧固设在轴上，轴承外围设有外壳体，且上、下部径向硬质合金滑动轴承分别通过其轴承静圈顺次压紧固设在外壳体内壁上，在上、下部径向硬质合金滑动轴承之间还设有止推轴承，止推轴承动环固定在轴上，在其下方沿轴向顺次设有止推轴承浮动静环和支撑环，止推轴承浮动静环与扶正环一体连设，固定在支撑环与动环之间，扶正环围设在动环和浮动静环之外，止推轴承动环和浮动静环的旋转滑动摩擦表面上分别镶嵌有金刚石。本实用新型结构简单、合理，具有较长的使用寿命，安全可靠。

Description

具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴

技术领域：

本实用新型涉及一种井下动力钻具传动轴，尤其是一种在石油、矿山、煤田、气田环境下使用的具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴。属于机械制造技术领域。

背景技术：

由于使用条件和操作空间的限制，石油、矿山、煤田、气田等环境下使用的井下动力钻具，如：螺杆钻具、涡轮钻具等，都不得不做成管状，而且直径大小有限。在有限的空间内设计出强度、性能、工作寿命都能满足作业要求的动力钻具困难很大。提高井下动力钻具的整机性能，关键在于提高井下动力钻具传动轴的工作寿命。现有涡轮钻具和螺杆钻具的传动轴主要采用开式结构，利用钻井工作液，比如：泥浆，来冷却润滑滚动轴承，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也只能保持在50-100小时内，即使在钻井工作液净化良好的状态下，易损件工作寿命最长也不超过150小时。

现有经验的结论表明，井下动力钻具传动轴的主要易损件就是轴承。现有传动轴结构承担轴向载荷的易损件滚动轴承组，在钻井液，如：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，严重影响滚动轴承组的工作寿命，一般只有50-100小时。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有金刚石止推轴承的并下动力钻具传动轴，使用寿命长，结构简单、安全可靠。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：

一种具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴，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体组成，其中，上部径向硬质合金滑动轴承和下部径向硬质合金滑动轴承分别通过其轴承动圈顺次压紧固设在轴上，轴承外围设有外壳体，且上部径向硬质合金滑动轴承和下部径向硬质合金滑动轴承分别通过其轴承静圈顺次压紧固设在外壳体内部，在上部径向硬质合金滑动轴承和下部径向硬质合金滑动轴承之间还设有止推轴承，止推轴承由止推轴承动环、止推轴承浮动静环、支撑环和扶正环组成，其中，止推轴承动环固定在轴上，在其下方沿轴向顺次设有止推轴承浮动静环和支撑环，止推轴承动环的下表面和浮动静环与其摩擦接触的上表面分别为旋转滑动摩擦表面，止推轴承浮动静环与扶正环一体连设，固定在支撑环与动环之间，扶正环围设在动环和浮动静环之外。支撑环主要承受来自止推轴承动环的轴向载荷。

由于止推轴承浮动静环在扶正环内，沿轴向留有0.1mm-5.0mm的游动量，传动轴在作业过程中，允许浮动静环沿轴向窜动。

为了提高工作寿命，达到更好的耐磨效果，止推轴承动环和浮动静环的旋转滑动摩擦表面上分别镶嵌有金刚石，其形状为圆柱型或三角形或菱形或矩形，其端面高出动环或浮动静环本体端面0.1mm-3.0mm。

止推轴承的浮动静环与扶正环之间通过齿或花键一体连接。

为了达到减震和预压紧调节效果，在止推轴承的浮动静环与支撑环之间设有弹簧，弹簧可以选择橡胶弹簧或组合碟形弹簧。

止推轴承采用两级以上，构成止推轴承组，使耐磨损效果更佳，使用寿命也随之增加。

综上所述，本实用新型所提供的这种具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴，结构简单、合理，具有较长的使用寿命，且操作方便、安全可靠。

附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1的局部放大结构示意图；

图3为本实用新型金刚石止推轴承动环结构示意图；

图4为本实用新型金刚石止推轴承浮动静环结构示意图；

图5为本实用新型橡胶弹簧结构示意图；

图6为本实用新型组合碟形弹簧结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步地详细说明。

如图1所示，为本实用新型结构示意图。从图1可知，本实用新型为一种具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴，它由轴7、上部径向硬质合金滑动轴承1、下部径向硬质合金滑动轴承5和外壳体6组成，其中，上部径向硬质合金滑动轴承1和下部径向硬质合金滑动轴承5分别通过其轴承动圈1a、5a顺次压紧固设在轴7上，轴承外围设有外壳体6，且上部径向硬质合金滑动轴承1和下部径向硬质合金滑动轴承5分别通过其轴承静圈1b、5b顺次压紧固设在外壳体6的内部，在上部径向硬质合金滑动轴承1和下部径向硬质合金滑动轴承5之间还设有止推轴承2。

如图2所示，为图1的局部放大结构示意图。从图2可知，止推轴承2由止推轴承动环2a、止推轴承浮动静环2c、支撑环2d和扶正环2b组成，其中，止推轴承动环2a固定在轴7上，在其下方沿轴向顺次设有止推轴承浮动静环2c和支撑环2d，止推轴承动环2a的下表面和浮动静环2c与其摩擦接触的上表面分别为旋转滑动摩擦表面，止推轴承浮动静环2c与扶正环2b一体连设，固定在支撑环2d与动环2a之间，扶正环2b围设在动环2a和浮动静环2c之外。支撑环2d主要承受来自止推轴承动环2a的轴向载荷。

由于止推轴承浮动静环2c在扶正环2b内，沿轴向留有0.1mm-5.0mm的游动量，动力钻具轴7在作业过程中，允许浮动静环2c沿轴向窜动。

为了提高工作寿命，达到更好的耐磨效果，止推轴承动环2a和浮动静环2c的旋转滑动摩擦表面上分别镶嵌有金刚石2a1和2c1，其形状为圆柱型或三角形或菱形或矩形，其端面高出动环2a或浮动静环2c本体端面0.1mm-3.0mm。

为有效保护轴承动环2a和浮动静环2c，止推轴承的浮动静环2c与扶正环2b之间通过齿或花键一体连接。

如图3所示，为本实用新型金刚石止推轴承动环结构示意图，从图3可知轴承动环2a的结构形状和镶嵌在其旋转滑动摩擦表面上的金刚石2a1；如图4所示，为本实用新型金刚石止推轴承浮动静环结构示意图，从图4可知浮动静环2c的结构形状和镶嵌在其旋转滑动摩擦表面上的金刚石2c1。

由于井下动力钻具在井下工作时其传动轴在钻头与地层相互作用下不可避免地经常受到冲击动载荷作用，普通无减震装置的井下动力钻具传动轴易损件会发生过早冲击疲劳损坏，致使井下动力钻具整机寿命大大缩短。为了保证载荷能可靠地均布到各级止推轴承，除加工和装配时提高精度外，还在金刚石止推轴承支撑环2d与浮动静环2c上无金刚石的一端面之间设置了弹簧8，该弹簧8可以在保证各级金刚石止推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；还可协调金刚石止推轴承组中各级轴承轴向尺寸加工及装配误差，保证上部金刚石止推轴承组或下部金刚石止推轴承组中各级止推轴承两个金刚石端面同时接触。

弹簧8可以采用不同结构，如图5所示，为本实用新型橡胶弹簧81的结构示意图；如图6所示，为本实用新型组合碟形弹簧82的结构示意图。

如图1所示，上部径向硬质合金滑动轴承动圈1a、金刚石止推轴承组动环2a和3a、下部径向硬质合金滑动轴承动圈5a等依次装在轴7上，由紧临上部径向硬质合金滑动轴承动圈1a的压紧螺母压紧在轴7上，构成传动轴的转动部分；上部径向硬质合金滑动轴承静圈1b、金刚石止推轴承组扶正环2b和3b、金刚石止推轴承组支撑环2d和3d等依次装在外壳体6内，由下部径向硬质合金滑动轴承静圈5b压紧在外壳体6内，构成传动轴的静止部分。

金刚石是目前已知最硬的物质，其莫氏硬度为10；同时，金刚石的抗压性能也很强，抗压强度为88000bar，抗磨损能力为钢的9000倍。因此，本实用新型采用圆柱型、三角形、菱形或矩形金刚石为止推轴承摩擦面材质，且采用多级止推轴承结构，使传动轴受到的水力载荷或钻压载荷均布到各级止推轴承，使每级止推轴承承担的载荷较小，从而保证新型传动轴比现有传动轴工作寿命更长。此外，镶嵌在基体上的金刚石端面高出基体0.1mm-3.0mm，保证金刚石在工作时能及时冷却，及时散热，防止金刚石热磨损。

另外，滚动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1的摩擦面长度为50-200mm，下部径向硬质合金滑动轴承5的摩擦面长度为100-300mm，这样就可以保证动力钻具轴7中的金刚石止推轴承只承受轴向载荷，只让适量含较小颗粒粒子的钻井液进入轴承腔内，对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1a外圆表面和静圈1b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。

在作业中，为了达到更好的效果，金刚石止推轴承总级数为两级以上，构成止推轴承组。两级以上的止推轴承组在上、下径向硬质合金滑动轴承之间为对称设置的，即每两级止推轴承的安装方向彼此对称，安装方向一致的止推轴承组分别构成上部金刚石止推轴承组和下部金刚石止推轴承组。如图1、图2所示，止推轴承2和2’构成上部金刚石止推轴承组，而止推轴承3和3’则构成下部金刚石止推轴承组；同时止推轴承2’和3、2和3’的安装方向是彼此对称的。另外，如图2所示，在金刚石止推轴承与轴7之间还设有调整垫圈9，该调整垫圈9套设在轴7上，用于调整相邻两级止推轴承之间的轴向间隙。

在上部的金刚石止推轴承组主要承载动力钻具轴7上零部件自重及其承受的水力载荷，下部金刚石止推轴承组主要承载钻压和来自钻头与地层相互作用时产生的额外动载。在钻进或下钻遇阻时下部止推轴承组工作，上部止推轴承组不工作；在循环泥浆或起钻时上部止推轴承组工作，下部止推轴承组不工作。通常情况下正常钻进时钻压比水力载荷要大得多，因此，在一般情况下下部金刚石止推轴承组的止推轴承级数应比上部金刚石止推轴承组的止推轴承级数多。如果高速井下动力钻具配合PDC钻头或巴拉斯等不需要大钻压的钻头使用，上部金刚石止推轴承组的止推轴承级数可以比下部金刚石止推轴承组的止推轴承级数多。

再有，本实用新型在下部径向硬质合金滑动轴承5上方、金刚石止推轴承的轴7与外壳体6之间设有防掉机构4，防掉机构4内环的外凸台肩的直径比防掉机构外环内孔最小直径和/或传动轴下部硬质合金滑动轴承静圈内径都大，当轴在井下工作一定时间后A-A截面及附近危险截面发生疲劳破坏断裂时，可以阻止剩余部分轴及轴上其它零件掉井，避免造成更大损失。

最后说明的是，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

1、一种具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴，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体组成，其中，上部径向硬质合金滑动轴承和下部径向硬质合金滑动轴承分别通过其轴承动圈顺次压紧固设在轴上，轴承外围设有外壳体，且上部径向硬质合金滑动轴承和下部径向硬质合金滑动轴承分别通过其轴承静圈顺次压紧固设在外壳体内壁上，其特征在于：在所述的上部径向硬质合金滑动轴承和下部径向硬质合金滑动轴承之间还设有止推轴承，止推轴承由止推轴承动环、止推轴承浮动静环、支撑环和扶正环组成，其中，止推轴承动环固定在轴上，在其下方沿轴向顺次设有止推轴承浮动静环和支撑环，止推轴承动环的下表面和浮动静环与其相对设置的上表面分别为旋转滑动摩擦表面，止推轴承浮动静环与扶正环一体连设，固定在支撑环与动环之间，扶正环围设在动环和浮动静环之外。

2、根据权利要求1所述的具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴，其特征在于：所述的止推轴承浮动静环在扶正环内沿轴向的游动量为0.1mm-5.0mm。

3、根据权利要求1所述的具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴，其特征在于：所述的止推轴承动环和浮动静环的旋转滑动摩擦表面上分别镶嵌有金刚石。

4、根据权利要求3所述的具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴，其特征在于：所述的金刚石的形状为圆柱型或三角形或菱形或矩形，其端面高出动环或浮动静环本体端面0.1mm-3.0mm。

5、根据权利要求1所述的具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴，其特征在于：所述的止推轴承浮动静环与扶正环之间通过齿或花键连接。

6、根据权利要求1所述的具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴，其特征在于：所述的止推轴承浮动静环与支撑环之间设有兼具减震和预压紧调节作用的弹簧。

7、根据权利要求6所述的具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴，其特征在于：所述的弹簧为橡胶弹簧或组合碟形弹簧。

8、根据权利要求1所述的具有金刚石止推轴承的井下动力钻具传动轴，其特征在于：所述的止推轴承为两级以上，构成止推轴承组。