專利名稱：抗拉承壓組合式撓性連接軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種可以傳遞較大功率，承受壓、拉和扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用的柔性傳動(dòng)軸，主要用于連接石油工業(yè)和地質(zhì)勘探鉆井作業(yè)中所使用的單螺桿馬達(dá)和傳動(dòng)軸。
現(xiàn)有螺桿鉆具內(nèi)部的萬(wàn)向軸，一般有如下三類(一)瓣形萬(wàn)向軸如美國(guó)Smith International公司的Kyna drill萬(wàn)向軸，兩端接頭系由鋼管經(jīng)特殊加工裝備切割成三瓣形結(jié)構(gòu)，由切割縫隙使相互嵌合的連結(jié)部分產(chǎn)生角差，由瓣齒傳遞扭矩和提鉆時(shí)的拉力，由接頭中心的定位鋼球傳遞壓力。這種萬(wàn)向軸的缺點(diǎn)之一是瓣齒強(qiáng)度較小承載能力較低，當(dāng)傳遞工作扭矩時(shí)瓣齒上的法向力在瓣齒根部產(chǎn)生較大的彎曲力矩，即把扭轉(zhuǎn)化為彎曲來(lái)傳遞載荷;而且法向力的作用點(diǎn)和數(shù)值與中心定位鋼球的磨損有關(guān)，當(dāng)鋼球磨損時(shí)會(huì)導(dǎo)致接觸狀況惡化，使法向力作用點(diǎn)下移，數(shù)值迅速變大，造成斷瓣破壞事故，嚴(yán)重時(shí)影響鉆進(jìn)，被迫起鉆，在現(xiàn)場(chǎng)曾發(fā)生過(guò)此類事例;其缺點(diǎn)之二是該萬(wàn)向軸兩端瓣形部分之外裝有兩個(gè)內(nèi)充潤(rùn)滑脂的橡膠護(hù)囊，用以保護(hù)定位鋼球以免接觸泥漿并施加潤(rùn)滑減少磨損，但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這種膠囊常常是最易損壞的部分，承受高頻交變應(yīng)力的膠囊在高速泥漿的沖擊下破裂成碎片，造成螺桿鉆具傳動(dòng)軸分流泥漿液路堵塞，從而燒壞軸承，造成馬達(dá)旁通閥水眼堵塞影響正常動(dòng)作，造成鉆頭水眼堵塞影響鉆進(jìn)，等等。這些已形成這種萬(wàn)向軸的突出弊病;其缺點(diǎn)之三是瓣形切割要求專用的工藝裝備，投資較大，成本較高，而且因采用火焰切割，要求熱處理工藝也較復(fù)雜?？傊?，我國(guó)進(jìn)口的螺桿鉆具在使用中曾發(fā)生過(guò)上述事故，影響生產(chǎn)。(二)球齒萬(wàn)向軸如蘇聯(lián)制造的螺桿鉆具，它的兩端的接頭部分系采用球形齒輪聯(lián)接，其缺點(diǎn)之一是加工工藝復(fù)雜，要求精度高，因而成本較高;其缺點(diǎn)之二是強(qiáng)度較低;其缺點(diǎn)之三是對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力差，當(dāng)它在鉆具內(nèi)部的泥漿中工作時(shí)，極易造成磨損破壞;如果提高對(duì)泥漿系統(tǒng)的凈化要求，又會(huì)提高鉆井成本，而且普及推廣受到限制，蘇聯(lián)的有關(guān)文獻(xiàn)中幾次提到這種萬(wàn)向軸是螺桿鉆具的薄弱環(huán)節(jié)。(三)光桿撓性軸如蘇聯(lián)和我國(guó)國(guó)產(chǎn)螺桿鉆具的萬(wàn)向軸，其缺點(diǎn)在于長(zhǎng)度過(guò)大。這種萬(wàn)向軸的原理是靠細(xì)長(zhǎng)軸的柔性來(lái)把馬達(dá)轉(zhuǎn)子的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為傳動(dòng)軸的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，但因受有較大的扭矩(工作力矩)、壓力和拉力，又限制了該軸的最小直徑不能過(guò)小，在一定的最小直徑下為保證傳動(dòng)所要求的柔性只有加大長(zhǎng)度，這樣就造成了螺桿鉆具軸向長(zhǎng)度明顯增大。另有兩種傳動(dòng)裝備，如螺旋彈簧或管道疏通機(jī)和汽車(chē)萬(wàn)向軸，前者與本發(fā)明相比差異之處在于不是把行星運(yùn)動(dòng)變?yōu)槎ㄝS轉(zhuǎn)動(dòng)，不承受較大的載荷和傳遞較大功率，僅是實(shí)現(xiàn)非同軸的柔性傳動(dòng)，承受輕微扭矩;后者與本發(fā)明相比差異之處在于僅傳遞非同軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和力矩，采用的是十字頭萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的目的是要提供一種把馬達(dá)轉(zhuǎn)子的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃?dòng)軸和鉆頭的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)把馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩傳遞給鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，承受和傳遞馬達(dá)在工作過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子軸向壓力及提鉆時(shí)下部組合的重量的抗拉承壓組合式撓性連接軸。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它是由心軸1、彈簧(管簧)2、鋼球、外套環(huán)3、支承環(huán)4、球臺(tái)5、球座6、球面接頭7、連接桿10和緊固件等構(gòu)成。管簧2、外套環(huán)3和支承環(huán)4組合，管簧2上設(shè)外套環(huán)3，下設(shè)支承環(huán)4。心軸1、球臺(tái)5、球座6和球面接頭7組合承受和傳遞轉(zhuǎn)子工作時(shí)的軸向壓力。心軸1、球面接頭7、球面墊8和螺母9等組合承受提鉆時(shí)下部組合的自重(拉力)。
支承環(huán)4外側(cè)面有0.5mm的凸緣。管簧的螺旋升角小于7°，圈數(shù)為3-8，最佳為5，左旋。支承環(huán)4的外徑有輕微過(guò)盈量，其與管簧2內(nèi)壁輕微過(guò)盈配合。采用8個(gè)支承環(huán)4，其總厚度略大于管簧的彈簧部分長(zhǎng)度。支承環(huán)4的硬度小于管簧硬度。心軸1具有公、英兩種螺紋。球臺(tái)5的球心位于管簧2中點(diǎn)軸線上。球面接頭7的大端球面與球臺(tái)5同心，球臺(tái)接頭7內(nèi)孔直徑不與心軸拉桿相碰。
本發(fā)明是利用彈簧容易變曲的力學(xué)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)的，使組合式撓性連接軸具有撓性，用以補(bǔ)償轉(zhuǎn)子因行星運(yùn)動(dòng)而和傳動(dòng)軸軸線間產(chǎn)生的偏心距和運(yùn)動(dòng)角差，同時(shí)緩沖沖擊荷載的影響。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1.承載能力高，工作壽命長(zhǎng)。
2.加工工藝簡(jiǎn)單，不需特殊的工藝裝備，油田管子站即可加工，因而成本低(約為美國(guó)瓣形萬(wàn)向軸的1/9)。
3.長(zhǎng)度短，因而可使螺桿鉆具長(zhǎng)度縮短，提高了鉆具的造斜和扭方位能力，可滿足大廢井和水平井鉆進(jìn)的要求。
4.具有可拆性和通用性，因其備有公、英兩種不同螺紋的心軸，可分別用于連接國(guó)產(chǎn)螺桿鉆具和進(jìn)口螺桿鉆具?？蔀檫M(jìn)口螺桿鉆具提供萬(wàn)向連接軸備件，恢復(fù)設(shè)備作用能力，可少進(jìn)口，節(jié)約外匯，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。
發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)由以下的實(shí)施例及其附圖給出。


圖1是根據(jù)本發(fā)明提出的抗拉承壓組合式撓性連接軸的剖面圖。
圖2是本發(fā)明撓性連接軸具有撓性，可把行星運(yùn)動(dòng)變?yōu)槎ㄝS轉(zhuǎn)動(dòng)的原理示意圖。
圖3是支承環(huán)4的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是管簧2的結(jié)構(gòu)圖。
下面結(jié)合圖1～4詳細(xì)說(shuō)明依據(jù)本發(fā)明提出的具體細(xì)節(jié)及工作情況。
該連接軸包括一個(gè)心軸1主體，管簧2是由管子在車(chē)床上車(chē)制成，其上設(shè)外套環(huán)3，下設(shè)支承環(huán)4，支承環(huán)外側(cè)面的0.5mm凸緣是當(dāng)管簧彎曲時(shí)，支承環(huán)靠凸緣相互接觸，從而不造成外圓柱面邊緣的磨損。支承環(huán)4與管簧2內(nèi)壁輕微過(guò)盈配合，產(chǎn)生初始裝配預(yù)拉應(yīng)力;支承環(huán)4外徑有輕微過(guò)盈量，具有抵消跑合磨損，延長(zhǎng)工作壽命的作用。支承環(huán)4硬度經(jīng)熱處理小于管簧硬度，即把支承環(huán)4作為易損件處理，當(dāng)管簧2和支承環(huán)4的間隙達(dá)到預(yù)定值時(shí)拆換支承環(huán)。采用八個(gè)支承環(huán)4，其總厚度保證略大于管簧的彈簧部分長(zhǎng)度。心軸1、球臺(tái)5、球座6和球面接頭7組合承受和傳遞轉(zhuǎn)子工作時(shí)的軸向壓力。心軸1、球面接頭7、球面墊8和螺母9等組合承受提鉆時(shí)下部組合的自重(拉力)。心軸具有公、英兩種螺紋，其余結(jié)構(gòu)皆同，可根據(jù)需要裝配不同心軸，以連接進(jìn)口鉆具、國(guó)產(chǎn)鉆具或混裝鉆具，從而使本發(fā)明撓性連接軸具有通用性。心軸1上的球臺(tái)5和球面接頭7上的球座6除支承壓力外，另一作用是造成彈簧的純彎曲變形，球臺(tái)5的球心位于管簧2中點(diǎn)軸線上，還有限制和防止管簧2在軸向力和離心慣性力作用下可能產(chǎn)生的相應(yīng)變形。球面接頭7的大端球面與球臺(tái)5同心。球面接頭7內(nèi)孔直徑尺寸保證不與心軸拉桿相碰。
螺桿鉆具在工作過(guò)程中，其馬達(dá)轉(zhuǎn)子因水力作用作行星運(yùn)動(dòng)，而傳動(dòng)軸則繞鉆具本體軸線作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子軸線和傳動(dòng)軸軸心間有一偏心e，如圖2所示。在圖1中，管簧因其撓性產(chǎn)生彎曲變形，滿足上述偏心e。由于球臺(tái)5、球座6偶件的球心位于彈簧中間，故彈簧的變形為純彎曲變形，從而保證簧絲各截面等強(qiáng)度。
在右轉(zhuǎn)力矩M作用下，簧絲(左旋)縮小壓緊在內(nèi)部支承環(huán)上。支承環(huán)阻礙簧絲內(nèi)縮產(chǎn)生大曲桿應(yīng)力?；山z在支承環(huán)支承下產(chǎn)生拉伸，簧絲截面內(nèi)為均布拉應(yīng)力，從而把扭轉(zhuǎn)化為拉伸，發(fā)揮了材料的潛力，提高了承載能力。
外套環(huán)3用來(lái)防止偶轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)彈簧外脹，限制產(chǎn)生的大曲桿彎曲應(yīng)力。加上外套環(huán)后該撓性軸可承受小量的反轉(zhuǎn)力矩(或旋力矩)。
轉(zhuǎn)子軸向壓力通過(guò)心軸1、球臺(tái)5和球座6偶件，球面接頭7，螺紋傳遞到連接桿10上，保證彈簧本身不承受軸向壓力。球臺(tái)和球座偶件除保證彈簧的純彎曲變形外和傳遞軸向壓力外，還有限制和防止彈簧在離心力作用下產(chǎn)生的附加變形。這一偶件需更換時(shí)應(yīng)成對(duì)更換。
心軸1、球面接頭7、面墊8、螺母9組件，承受拆裝過(guò)程，提鉆過(guò)程中產(chǎn)生的拉力以及其他意外情況下產(chǎn)生的拉力，以免彈簧被拉長(zhǎng)。開(kāi)口銷B2用以使螺母9定位。
連接桿10用來(lái)連接兩端對(duì)稱組件并傳遞載荷。
緊定螺釘B1的作用在于防止拆卸時(shí)出現(xiàn)松扣現(xiàn)象。橡膠墊圈11和螺塞B3用于密封注油口，以防泥漿進(jìn)入。
權(quán)利要求
1.一種用于連接石油工業(yè)和地質(zhì)勘控鉆井作業(yè)中所作用的單螺桿馬達(dá)和傳動(dòng)軸的抗拉承壓組合式撓性連接軸，它由心軸1、彈簧2和鋼球構(gòu)成，其特征在于還設(shè)有外套環(huán)3、支承環(huán)4、球臺(tái)5、球座6、球面接頭7、連接桿10和緊固件等(1)管簧2、外套環(huán)3和支承環(huán)4組合，管簧2上設(shè)外套環(huán)3，下設(shè)支承環(huán)4；(2)心軸1、球臺(tái)5、球座6和球面接頭7組合承受和傳遞轉(zhuǎn)子工作時(shí)的軸向壓力；(3)心軸1、球面接頭7、球面墊8和螺母9等組合承受提鉆時(shí)下部組合的自重(拉力)。
2.如權(quán)利要求1所述的連接軸，其特征是支承環(huán)4外側(cè)面有0.5mm的凸緣。
3.如權(quán)利要求1所述的連接軸，其特征是管簧2的螺旋升角小于7°，圈數(shù)為3-8，左旋。
4.如權(quán)利要求1所述的連接軸，其特征是管簧2的圈數(shù)最佳為5。
5.如權(quán)利要求1所述的連接軸，其特征是支承環(huán)4的外徑有輕微過(guò)盈量，其與管簧2內(nèi)壁輕微過(guò)盈配合;采用8個(gè)支承環(huán)4，其總厚度略大于管簧的彈簧部分長(zhǎng)度。
6.如權(quán)利要求1所述的連接軸，其特征是支承環(huán)4的硬度小于管簧硬度。
7.如權(quán)利要求1所述的連接軸，其特征是心軸1具有公、英兩種螺紋。
8.如權(quán)利要求1所述的連接軸，其特征是球臺(tái)5的球心位于管簧2中點(diǎn)軸線上。
9.如權(quán)利要求1所述的連接軸，其特征是球面接頭7的大端球面與球臺(tái)5同心，球臺(tái)接頭7內(nèi)孔直徑不與心軸拉桿相碰。
全文摘要
本發(fā)明是一種可以傳遞較大功率，承受壓、拉和扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用的柔性傳動(dòng)軸，主要用于連接石油工業(yè)和地質(zhì)勘探鉆井作業(yè)中所作用的單螺桿馬達(dá)和傳動(dòng)軸，本發(fā)明由管簧、支承環(huán)和外套環(huán)配合以傳遞扭矩并產(chǎn)生撓性。由心軸、球臺(tái)、球座、球面接頭配合承受壓力載荷。由心軸，球面接頭、球面墊、螺母組合承受拉力載荷，可有效地把單螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃?dòng)軸和鉆頭的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
文檔編號(hào)F16C1/08GK1050431SQ9010892
公開(kāi)日1991年4月3日 申請(qǐng)日期1990年11月12日 優(yōu)先權(quán)日1990年11月12日
發(fā)明者蘇義腦 申請(qǐng)人:石油勘探開(kāi)發(fā)科學(xué)研究院鉆井工藝研究所