專利名稱：高轉(zhuǎn)速耐高壓耐沖擊牙輪鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于油田鉆井及地質(zhì)勘探的牙輪鉆頭，尤其涉及一種高轉(zhuǎn)速 耐高壓耐沖擊牙輪鉆頭。
背景技術(shù)：
目前在油田鉆井及地質(zhì)勘探領(lǐng)域廣泛使用牙輪鉆頭，如圖1所示，牙輪鉆頭主要 由牙輪20和牙掌40兩部分組成，牙輪20通過滑動軸承或滾動軸承結(jié)構(gòu)與牙掌接合。牙掌 40設(shè)有大軸頸41和小軸頸42，牙輪20對應(yīng)設(shè)有大軸孔21和小軸孔22，牙輪的大軸孔21 和小軸孔22分別套裝在牙掌的大軸頸41和小軸頸42上，并通過在靠近大軸頸端部設(shè)置的 一圈環(huán)軸鎖緊滾珠6將牙輪20鎖定在大軸頸41上，也即鎖定在牙掌40上。鎖緊滾珠6的 圓環(huán)滾道60是由大軸頸41外側(cè)的圓環(huán)型半圓截面凹槽形成的軸頸滾珠半滾道和由牙輪大 軸孔孔壁上對應(yīng)設(shè)置的圓環(huán)型半圓截面凹槽形成的軸孔滾珠半滾道閉攏形成。牙輪和牙掌 間設(shè)有橡膠密封圈30，牙輪20上鑲有合金齒10，牙輪鉆頭工作時，牙輪20圍繞牙掌大軸頸 及小軸頸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使牙輪上的合金齒20輪流破巖進(jìn)行油田鉆井或地質(zhì)勘探鉆孔。在采用滑動軸承結(jié)構(gòu)連接時，牙掌軸頸和牙輪軸孔直接接觸，接觸面積大，能承受 很大的鉆井壓力，但在高轉(zhuǎn)速下牙掌軸頸和牙輪軸孔滑動摩擦加劇，產(chǎn)生高溫，使牙輪軸孔 磨損變大，很快失效，因此滑動軸承不適合高轉(zhuǎn)速鉆井。圖1是現(xiàn)有采用滾動軸承結(jié)構(gòu)及鎖 緊滾珠結(jié)構(gòu)的牙輪鉆頭的局部結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，在牙輪大軸孔21內(nèi)壁環(huán)周設(shè)有環(huán)形 滾道90，牙掌的大軸頸41為圓滑的圓柱面，沒有環(huán)形滾道，所以滾道內(nèi)的一圈圓柱形滾柱 50只是變滑動摩擦為滾動摩擦，解決了滑動摩擦的滑動磨損問題，適合高轉(zhuǎn)速，但沒有鎖緊 功能，采用這種滾動軸承結(jié)構(gòu)帶來的技術(shù)缺陷是(1)由于在大軸頸41端部設(shè)有鎖緊滾珠 6，因此占用了一定空間，使圓柱形滾柱50的長度受到限制，現(xiàn)有圓柱形滾柱的長度一般小 于20mm ； (2)圓柱形滾柱50減小了牙掌大軸頸41和牙輪大軸孔21的接觸面積；(3)圓柱 形滾柱50的兩端面為平面，端面的銳棱邊沿容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；因此使現(xiàn)有采用滾動軸承 連接方式的牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)耐高壓，耐沖擊性能差，不適用于高壓深井鉆井作業(yè)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的主要目的在于針對上述問題，對現(xiàn)有滾動軸承結(jié)構(gòu)的牙輪鉆頭進(jìn)行 改進(jìn)，提供一種高轉(zhuǎn)速耐高壓耐沖擊牙輪鉆頭。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種高轉(zhuǎn)速耐高壓耐沖擊牙輪鉆頭，包括牙輪、牙掌，牙掌設(shè)有大軸頸和小軸頸， 牙輪對應(yīng)設(shè)有大軸孔和小軸孔，牙輪的大軸孔和小軸孔分別套裝在牙掌的大軸頸和小軸頸 上，并通過嵌裝于滾道中的滾柱與牙掌滾動摩擦連接，其特征在于在所述大軸頸外表面環(huán) 周設(shè)有由寬度延伸至靠近大軸頸端部的軸頸圓環(huán)形凹槽形成的軸頸半滾道，在大軸孔孔壁 上與軸頸半滾道對應(yīng)設(shè)有由軸孔圓環(huán)形凹槽形成的軸孔半滾道，所述滾道由軸頸半滾道和 軸孔半滾道閉合形成，所述滾柱為嵌裝于該滾道內(nèi)的加長型滾柱。[0007]所述滾柱的兩端面為曲面，所述牙輪和牙掌上的圓環(huán)形凹槽的側(cè)壁為與所述曲面 對應(yīng)的曲面?zhèn)缺凇Ｋ鰸L柱設(shè)有貫穿柱體的空腔。所述滾柱柱面母線是外凸對數(shù)曲線或弧線。所述加長型滾柱的長度比現(xiàn)有滾柱延長10 15mm。所述滾柱的材料為抗沖擊軸承鋼55SiMoVA。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型提供出一種高轉(zhuǎn)速耐高壓耐沖擊牙輪鉆 頭，具體體現(xiàn)在加長的滾柱同時具有承受鉆頭動載荷的滾動摩擦、鎖緊牙輪、改善潤滑條 件等多種功能，滾柱受力面積加大，接觸點(diǎn)的壓強(qiáng)減小，使牙輪鉆頭能夠承受更大的載荷， 且避免牙輪本體上薄弱部位的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)更加強(qiáng)固；空腔滾柱增加了滾柱柔性，改善了系統(tǒng) 潤滑，使鉆頭能適應(yīng)震動沖擊，增大潤滑脂存儲空間，有利于軸承系統(tǒng)潤滑；滾柱端面為曲 面，消除了滾柱兩端由于銳棱帶來的應(yīng)力集中問題，同時改善了摩擦部位間的潤滑條件，也 方便了滾柱的安裝；滾柱面母線采用外凸對數(shù)曲線或弧線，使偏載、過載現(xiàn)象大大減小，增 加了滾柱承載能力，延長了軸承壽命；尤其，滾柱材料采用抗沖擊軸承鋼55SiMoVA，使其抗 沖擊韌性顯著提高，本實(shí)用新型的載荷承受力是現(xiàn)有技術(shù)的1.6倍以上，適用于高壓深井 鉆井作業(yè)。

圖1是現(xiàn)有采用滾動軸承連接結(jié)構(gòu)及鎖緊滾珠結(jié)構(gòu)的牙輪鉆頭的局部結(jié)構(gòu)示意 圖；圖2是本實(shí)用新型的整體剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型的牙輪、牙掌連接部分的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型滾柱的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1合金齒，2牙輪，23大軸孔，24小軸孔，3橡膠密封圈，4牙掌，43大軸頸，44 小軸頸，5滾柱，51滾柱端面，52滾柱柱面，53滾柱空腔，6鎖緊滾珠，7供油系統(tǒng)，81牙輪鎖 緊時軸孔滾道和滾柱端面的接觸面(受力面)，82牙輪鎖緊時軸頸滾道和滾柱端面的接觸 面(受力面)，9滾道，91軸頸滾道，92軸孔滾道；10合金齒，20牙輪，21大軸孔，22小軸孔， 30橡膠密封圈，40牙掌，41大軸頸，42小軸頸，50圓柱形滾柱，60滾珠圓環(huán)軌道，90滾道。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型詳細(xì)說明。
具體實(shí)施方式
圖2 圖4示出一種高轉(zhuǎn)速耐沖擊牙輪鉆頭，包括鑲有合金齒1的牙輪2、牙掌4， 牙掌4設(shè)有大軸頸43和小軸頸44，牙輪2對應(yīng)設(shè)有大軸孔23和小軸孔24，牙輪的大軸孔 23和小軸孔24分別套裝在牙掌的大軸頸43和小軸頸44上，并通過嵌裝于滾道9中的滾柱 5與牙掌4滾動摩擦連接，牙掌4上還設(shè)有供油系統(tǒng)7，橡膠密封圈3。如圖2，圖3所示，本實(shí)用新型的特征在于在上述大軸頸43外表面環(huán)周設(shè)有由寬度 延伸至靠近大軸頸43端部的軸頸圓環(huán)形凹槽形成的軸頸半滾道91，在大軸孔23孔壁上與 軸頸半滾道91對應(yīng)設(shè)有由軸孔圓環(huán)形凹槽形成的軸孔半滾道92，上述滾道9由軸頸半滾道 91和軸孔半滾道92閉合形成，上述滾柱5為嵌裝于該滾道內(nèi)的加長型滾柱。這里，加長型滾柱5的長度比現(xiàn)有滾柱延長10 15mm。上述滾柱的兩端面51為曲面，上述牙輪2和牙掌4上的圓環(huán)形凹槽的側(cè)壁為與該 曲面對應(yīng)的曲面?zhèn)缺冢布摧S孔半滾道92和軸頸半滾道91的側(cè)壁為曲面。本實(shí)施例中滾 柱5的端面51為球面，牙輪2上的軸孔半滾道92和牙掌4上的軸頸半滾道91的側(cè)壁為與 該球面對應(yīng)的球面?zhèn)缺凇Ｉ鲜鰸L柱5設(shè)有貫穿柱體的空腔53。本實(shí)施例中，空腔53由沿軸向穿過柱體的長 孔形成。滾柱柱面52的母線是外凸對數(shù)曲線或弧線。本例中滾柱柱面母線是弧線，滾柱5 的材料為抗沖擊軸承鋼55SiMoVA。本實(shí)用新型的工作原理本實(shí)用新型在采用適合高轉(zhuǎn)速的滾動軸承連接結(jié)構(gòu)前提下，通過采用上述實(shí)施方 案提高了牙輪鉆頭的耐高壓、耐沖擊特性。下面具體分析其工作原理。(1)本實(shí)用新型去掉現(xiàn)有技術(shù)中鎖緊滾珠6結(jié)構(gòu)，把其鎖緊功能附加到滾柱5上， 由于鎖緊滾珠6的圓環(huán)滾道60在牙掌40的大軸頸41和牙輪20的大軸孔21上各占一半， 所以鎖緊滾珠6才能把牙輪鎖在牙掌上；為使?jié)L柱5也具備鎖緊功能，將滾柱5的圓環(huán)滾道 由現(xiàn)有技術(shù)中僅在牙輪20大軸孔上環(huán)周設(shè)有內(nèi)凹環(huán)形滾道，大軸頸上不設(shè)滾道改為牙掌 大軸頸和牙輪大軸孔各占一半滾道。如圖2 圖3所示，滾柱5通過牙掌4上的軸頸滾道 91和牙輪2上的軸孔滾道92來鎖緊牙輪牙掌，替代了圖1中鎖緊滾珠6鎖緊結(jié)構(gòu)。由于去 掉了滾珠滾道，所以本實(shí)用新型中的滾柱滾道9可以加寬，可延伸到原來鎖緊滾珠6的靠近 大軸頸端部位置，也即，使?jié)L柱5的長度在現(xiàn)有滾柱長度基礎(chǔ)上可以加長，能比現(xiàn)有圓柱形 滾柱50加長IOmm 15mm，可達(dá)30mm以上，從而加大了滾柱5的受力面積，減小了接觸點(diǎn)的 壓強(qiáng)，使牙輪鉆頭能夠承受更大的載荷。本實(shí)用新型使?jié)L柱5同時具有承受鉆頭動載荷的 滾動摩擦、鎖緊牙輪、改善潤滑條件等多種功能。同時使牙輪2本體上滾柱滾道的深度變成 原來的一半，使牙輪本體截面變厚，避免了薄弱部位的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)更加強(qiáng)固。(2)如圖3、圖4所示，滾柱5設(shè)置貫穿柱體的空腔53，增加了滾柱柔性，改善了系 統(tǒng)潤滑。使鉆頭能適應(yīng)震動沖擊，空心的滾柱5可以有更多的潤滑脂存儲空間，載荷越大軸 承溫度越高，潤滑脂涌出越多，有利于軸承系統(tǒng)潤滑。(3)滾柱5的端面將現(xiàn)有圓柱形滾柱50的兩個平面端面改為曲面51，同時牙輪2 和牙掌4上的圓環(huán)形凹槽即軸孔半滾道92和軸頸半滾道91的側(cè)壁也相應(yīng)改為曲面?zhèn)缺冢?這樣在滾柱鎖緊牙輪時，軸孔滾道92和滾柱端面的接觸部位即受力部位81及軸頸滾道91 和滾柱端面的接觸部位即受力部位82的接觸由原來的面接觸變?yōu)榫€接觸，消除了滾柱兩 端由于銳棱帶來的應(yīng)力集中，同時改善了摩擦部位間的潤滑條件，也方便了滾柱的安裝。(4)滾柱5柱面52的母線采用外凸對數(shù)曲線或弧線。滾柱的“邊緣效應(yīng)”是指圓 柱形滾子在動載荷和大壓力下產(chǎn)生拉伸變形，滾柱中間部分變細(xì)，使載荷大部分作用在滾 柱兩端，滾柱兩端首先發(fā)生疲勞破壞。本實(shí)用新型將滾柱母線由直線改變成外凸對數(shù)曲線 或弧線，即將滾柱做成中間粗兩端細(xì)的外形，則使偏載、過載現(xiàn)象大大減小，增加了滾柱承 載能力，延長了軸承壽命。(5)為保證改進(jìn)的滾柱的強(qiáng)度，滾柱5采用了抗沖擊軸承鋼55SiMoVA，熱處理后其 抗沖擊韌性較現(xiàn)有滾柱采用的GCrl5提高數(shù)倍。以上所述，僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并非對本實(shí)用新型的形狀材料和
5結(jié)構(gòu)作任何形式上的限制。凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單 修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求一種高轉(zhuǎn)速耐高壓耐沖擊牙輪鉆頭，包括牙輪、牙掌，牙掌設(shè)有大軸頸和小軸頸，牙輪對應(yīng)設(shè)有大軸孔和小軸孔，牙輪的大軸孔和小軸孔分別套裝在牙掌的大軸頸和小軸頸上，并通過嵌裝于滾道中的滾柱與牙掌滾動摩擦連接，其特征在于在所述大軸頸外表面環(huán)周設(shè)有由寬度延伸至靠近大軸頸端部的軸頸圓環(huán)形凹槽形成的軸頸半滾道，在大軸孔孔壁上與軸頸半滾道對應(yīng)設(shè)有由軸孔圓環(huán)形凹槽形成的軸孔半滾道，所述滾道由軸頸半滾道和軸孔半滾道閉合形成，所述滾柱為嵌裝于該滾道內(nèi)的加長型滾柱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)速耐高壓耐沖擊牙輪鉆頭，其特征在于所述滾柱的兩端 面為曲面，所述牙輪和牙掌上的圓環(huán)形凹槽的側(cè)壁為與所述曲面對應(yīng)的曲面?zhèn)缺凇?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高轉(zhuǎn)速耐高壓耐沖擊牙輪鉆頭，其特征在于所述滾柱設(shè)有貫 穿柱體的空腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的高轉(zhuǎn)速耐高壓耐沖擊牙輪鉆頭，其特征在于所述滾柱柱 面母線是外凸對數(shù)曲線或弧線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)速耐高壓耐沖擊牙輪鉆頭，其特征在于所述加長型滾柱 的長度比現(xiàn)有滾柱延長10 15mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高轉(zhuǎn)速耐高壓耐沖擊牙輪鉆頭，其特征在于所述滾柱的材料 為抗沖擊軸承鋼55SiMoVA。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種高轉(zhuǎn)速耐高壓耐沖擊牙輪鉆頭，包括牙輪，牙掌，牙掌設(shè)大軸頸和小軸頸，牙輪對應(yīng)設(shè)有大軸孔和小軸孔，牙輪的大軸孔和小軸孔分別套裝在牙掌的大軸頸和小軸頸上，并通過嵌裝于滾道中的滾柱與牙掌滾動摩擦連接，其特征在于在所述大軸頸外表面環(huán)周設(shè)有由寬度延伸至靠近大軸頸端部的軸頸圓環(huán)形凹槽形成的軸頸半滾道，大軸孔孔壁上與軸頸半滾道對應(yīng)設(shè)有由軸孔圓環(huán)形凹槽形成的軸孔半滾道，滾道由軸頸半滾道和軸孔半滾道閉合形成；滾柱是端面為曲面的空腔加長型滾柱，滾柱柱面母線是外凸對數(shù)曲線或弧線。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是提供出能承受更大載荷，抗沖擊韌性增強(qiáng)的高轉(zhuǎn)速耐高壓耐沖擊牙輪鉆頭，適用于高壓深井鉆井作業(yè)。
文檔編號E21B10/22GK201679448SQ201020198460
公開日2010年12月22日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者薛中學(xué) 申請人:天津立林鉆頭有限公司