專利名稱：牙輪鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油地質(zhì)鉆井的牙輪鉆頭，具體地說是一種裝有全滾動滾錐軸承的牙輪鉆頭。
滾動軸承牙輪鉆頭與滑動牙輪鉆頭相比，其摩擦系數(shù)小幾倍至幾十倍，摩擦功耗小，摩擦溫升低，可以提高轉(zhuǎn)速3～6倍。滾動軸承的缺點在于由于滾子與牙爪軸及牙輪孔的接觸為線接觸，接觸壓力比滑動軸承大近十倍。滾動軸承的壽命為載荷的近似三次冪成反比，因而當(dāng)載荷增大時將產(chǎn)生嚴重的疲勞磨損，壽命較低。此外，這類牙輪鉆頭(例如目前所使用的美國HUGHES公司生產(chǎn)的X3A型密封式鋼珠滾柱軸承牙輪鉆頭及我國的XHP型牙輪鉆頭)其軸承有下列缺點1.在牙輪鉆頭工作時只有牙爪軸下半部小于180°的周向支承面積承擔(dān)載荷，且載荷分布不均勻。從而加速該半部的磨損;
2.采用滑動止推面來承受軸向載荷，摩擦阻力大，不利于實現(xiàn)高速。
3.由于空間限制及軸承結(jié)構(gòu)的要求，大軸承的滾子長度較短，接觸應(yīng)力很大，壽命較短。
4.由于加工、裝配工藝要求，軸承存在徑向及軸向間隙，這些間隙在鉆頭工作時將產(chǎn)生振動，影響密封性能及軸承的承載能力。
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種牙輪鉆頭軸承設(shè)計方案，由此制出一種采用全滾動滾錐軸承的牙輪鉆頭，有效地提高牙輪鉆頭軸承壽命、鉆頭轉(zhuǎn)速和承載能力。
本發(fā)明


如下圖1為本發(fā)明的牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)圖(只畫出相同的1/3部分);
圖2為牙輪鉆頭滾錐軸承部分的局部結(jié)構(gòu)圖;
圖3為牙輪鉆頭鎖緊裝置局部結(jié)構(gòu)圖;
圖4為本發(fā)明的牙輪鉆頭另一實施例結(jié)構(gòu)圖(只畫出相同的1/3部分)。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，牙輪鉆頭主要由牙爪1、牙爪軸3、牙輪5、密封圈2等組成，在牙爪軸3和牙輪5之間裝有滾錐4，牙爪軸3、牙輪5和滾錐4組成滾錐軸承。
本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案，牙輪鉆頭的滾錐4大頭端面15做成球面并與牙爪軸3的止推面16球面接觸，實現(xiàn)了全滾動摩擦。牙爪軸3的中心孔中裝有拉桿9，牙輪5內(nèi)裝有止推環(huán)6。拉桿9端部有凸緣7，凸緣7卡入牙輪5和止推環(huán)6之間，用于將牙輪5鎖在牙爪軸3上并消除裝配時軸承的徑向及軸向間隙。
本發(fā)明的優(yōu)點是1.滾錐軸承與牙輪錐形輪廓相似，有利于改善軸承的載荷分布，由于加長了滾錐長度，相應(yīng)地降低了接觸應(yīng)力，提高了軸承的承載能力及軸承壽命。
2.由于采用滾動止推面來代替現(xiàn)有的滑動止推面，從而實現(xiàn)了全滾動摩擦，可提高牙輪鉆頭轉(zhuǎn)速3～6倍。增加鉆井進尺及降低鉆井成本。
3.由于采用滾錐軸承，在軸向力的作用下滾錐錐面軸向自緊，使軸承周向360°范圍內(nèi)均承擔(dān)載荷，從而進一步降低接觸應(yīng)力，提高軸承壽命。
4.鎖緊裝置可以保證裝配時消除軸承的徑向及軸向間隙，從而消除了由于裝配間隙所產(chǎn)生的振動，有利于提高密封性能及減少軸承磨損。
上述優(yōu)點已被理論分析計算及地面模擬試驗所證實。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)特征和實施例做進一步的說明參看圖1，牙爪1向下伸出牙爪軸3(兩者為一整體)，牙爪軸3做成錐形，在其周向放置一系列滾錐4，滾錐4的大頭端面15做成球面與牙爪軸3的球面止推面16接觸。牙輪5內(nèi)錐孔與滾錐4及牙爪軸3相配合組成滾錐軸承，承擔(dān)鉆頭工作時的軸向及徑向載荷和扭矩。鎖緊裝置是由帶螺紋8的拉桿9及止推環(huán)6組成。止推環(huán)6用焊接、螺紋、或其他方式與牙輪5固定在一起，并將拉桿9的凸緣7夾在中間。通過上緊螺紋8使牙輪5與和牙爪3連接在一起，并消除軸承在裝配時的軸向及徑向間隙。潤滑脂從貯油腔(未畫出)經(jīng)過通道11、19、23，進入軸承區(qū)域潤滑軸承。密封2封閉了軸承腔，防止?jié)櫥饬骷澳酀{進入軸承系統(tǒng)。密封圈2可以用碟形圈、“O”形圈、端面密封或流體動壓密封等方式。
參看圖2，該圖為全滾動滾錐軸承結(jié)構(gòu)圖及受力分析。為保證使止推面為滾動摩擦，牙爪軸3的止推臺肩面16以及與之接觸的滾錐4的大頭端面15均做成以R為半徑的球面，為保證軸承的所有接觸部位均為滾動面無滑動，牙爪軸3的園錐母線12、牙輪5的內(nèi)錐母線14、滾錐4的軸線13、滾錐4的大頭端面15和止推臺肩16的R半徑圓心必須匯交于一點o。作用在牙輪5上的鉆壓W可分解為平行于牙輪5軸線的軸向力F及垂直于軸線的徑向力N。就單個滾錐而言，滾錐作用在牙爪軸上的力可視為軸向力F′和徑向力N′，它們可各自分解為F1，N1和F2，N2。因此，作用在牙爪軸上的法向合力為N1+N2，切向合力為F1+F2，這樣既使是在牙爪軸的上部不受徑向載荷的部位，由于錐面的自緊作用，在軸向力的作用下仍能有一部分法向載荷。在錐面的周向360°范圍內(nèi)均承擔(dān)大小不等的法向載荷N1+N2，從而相對減少了接觸應(yīng)力，提高了軸承壽命。
參看圖3，該圖表示鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)圖。軸承裝配前，先將拉桿9的凸緣7放進止牙輪5的內(nèi)孔中，然后將止推環(huán)6放入，用焊接或其他方法將止推環(huán)6固定在牙輪5上，止推環(huán)6與拉桿9的接觸端面精加工并留有空隙貯油，以減少摩擦及磨損。拉桿9上有帶螺紋的部分8，端部有十字槽，以使裝配時旋進螺紋8。裝配時先將密封圈2、滾錐4裝在牙爪軸3上，然后把牙輪5連同預(yù)先固定好的止推環(huán)6及拉桿9，套裝在滾錐4上，依靠拉桿9端部園柱及牙爪軸3的內(nèi)孔19導(dǎo)向，用工具旋轉(zhuǎn)拉桿9端部的十字槽，使之旋入牙爪軸上的螺紋孔，直至拉桿9凸緣端面與止推環(huán)6的止推面壓緊并由此消除滾錐軸承的徑向及軸向間隙，然后在拉桿9的10處焊死。
鉆頭正常工作時，牙輪5受向內(nèi)的推力擠向左上方，止推環(huán)6與拉桿9的接觸面趨于脫離。當(dāng)提鉆頭，劃眼或鉆定向井轉(zhuǎn)彎時，作用在牙輪5上的軸向力使接觸面承受載荷。鎖緊裝置的設(shè)計承受載荷為100KN的拉力。
圖4為本發(fā)明的牙輪鉆頭另一實施例(只畫出相同的1/3部分)。該實施例是根據(jù)相同原理設(shè)計的一種牙輪鉆頭，與上述實施例所不同的是它在牙爪軸上同時采用一排滾拄軸承和一排滾錐軸承。以此類推，實現(xiàn)本發(fā)明可采用的滾錐軸承排列是可以有多種方式，例如一排滾珠軸承和一排滾錐軸承;兩排滾錐軸承等。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及石油地質(zhì)鉆井的牙輪鉆頭，具體地說是一種裝有全滾動滾錐軸承的牙輪鉆頭，它主要由牙爪1、牙爪軸3、牙輪5、密封圈2組成，其特征在于牙爪軸3和牙輪5之間裝有滾錐4，牙爪軸3、牙輪5和滾錐4組成滾錐軸承。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征在于滾錐4的大頭端面15做成球面并牙爪軸3的止推面16球面接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征在于牙爪軸3上裝有拉桿7;牙輪5內(nèi)裝有止推環(huán)6。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、3所述的牙輪鉆頭，其特征在于拉桿9端部有凸緣7;凸緣7卡入牙輪5和止推環(huán)6之間。
全文摘要
本發(fā)明是一種石油地質(zhì)鉆井牙輪鉆頭，在牙爪軸3和牙輪5之間裝有滾錐4，形成全滾動滾錐軸承。牙爪軸3的中心孔中裝有拉桿9，牙輪5內(nèi)裝有止推環(huán)6，構(gòu)成鎖緊裝置，消除軸承的徑向及軸向間隙。滾錐軸承與牙輪錐形輪廓相似，周向360℃范圍內(nèi)均承擔(dān)載荷，從而降低接觸應(yīng)力，提高軸承壽命，可提高牙輪鉆頭轉(zhuǎn)速3～6倍。增加鉆井進尺及降低鉆井成本。
文檔編號E21B10/08GK1069548SQ9110556
公開日1993年3月3日 申請日期1991年8月15日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月15日
發(fā)明者羅緯, 李鵬, 劉劍 申請人:石油大學(xué)(北京)