CN116220542A - 螺杆减振传动轴总成 - Google Patents

Abstract

本发明为一种螺杆减振传动轴总成，包括壳体结构，壳体结构内穿设传动主轴和钻头轴，钻头轴的第一端滑动插设于传动主轴的第一端；钻头轴与壳体结构之间设置导轨套，导轨套的第一端与传动主轴的第一端固定连接，且钻头轴和导轨套之间设置轴向弹性单元，钻头轴和导轨套之间设置减振连接结构，减振连接结构包括设置于钻头轴外壁上的凸起导轨单元和设置于导轨套内壁上的凹槽导槽单元，凸起导轨单元能沿凹槽导槽单元螺旋上升或下降；钻头轴的外壁上连接能轴向限位钻头轴的悬挂块。本发明将减振系统设置在常规传动轴的内部，能同时吸收轴向和径向的冲击载荷，改善螺杆钻具轴承的工作状态，提高螺杆钻具的使用寿命。

Description

螺杆减振传动轴总成

技术领域

本发明涉及石油开发领域中的井下钻井工具，尤其涉及一种螺杆减振传动轴总成。

背景技术

随着钻井技术的发展，螺杆钻具的使用越来越多，该工具是利用钻井液的液动能来产生旋转切削扭矩，带动钻头旋转，从而实现破岩。螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。

在螺杆钻具中，主要由旁通阀总成、马达总成、万向节总成以及传动轴总成组成。其中，传动轴总成的作用是将上部马达所产生的扭矩传递给钻头，该部分需要承受上部的轴向和径向的负载。同时，传动轴总成下端一般是直接连接钻头，即钻头切削岩石所产的震动会直接作用在传动轴总成，使得其使用环境较为恶劣。常规的传动轴总成内部设置有多副止推轴承，包括球轴承和PDC轴承。其中，球轴承的价格相对便宜，使得其应用较多。以球轴承为例，该轴承需要承受钻压，即需要通过球轴承中间的球将钻压传递到钻头处，同时传动轴总成的外壳和内部的传动轴需要有相对转动。一般传动轴总成的轴承部分是开式结构，即允许含有一定固相颗粒的钻井液流入轴承内部。球轴承的工作环境使得该部分是传动轴总成中的薄弱环节，一旦轴承磨损过大后，螺杆钻具需要进行更换轴承。在螺杆钻具的实际使用中，一般是通过测量轴承磨损量来判断螺杆是否需要维修。

传动轴中轴承的另外一种常见的失效方式是轴承中的球的碎裂，一旦出现该情况，会加剧轴承的磨损，使得传动轴在很短的时间内出现完全失效。球轴承中球的碎裂是限制螺杆钻具使用寿命提升的一个重要因素，因此在螺杆钻具的使用中需要尽量避免该情况的出现。

轴承中球碎裂的主要原因是出现剧烈的震动，即球受到很大的冲击载荷，瞬间极大的冲击峰值造成球的破碎。该部分剧烈的震动主要来源于钻头破碎岩石所产生的载荷的波动，由于井下环境的不确定性，使得该部分的震动是不可避免，同时也很难预测，因此很难通过主动的方式来减振。当钻头处产生剧烈震动时，会最终传递到轴承的球处，由于常规的螺杆钻具中没有任何减振的结构，使得震动冲击载荷会对螺杆钻具使用寿命产生很大的威胁。

为了进一步提高螺杆钻具的使用寿命，需要通过设计新的传动轴结构来吸收近钻头处的震动冲击载荷。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种螺杆减振传动轴总成，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺杆减振传动轴总成，克服现有技术中存在的螺杆钻具传动轴不耐震动冲击等技术问题，该螺杆减振传动轴总成将减振系统设置在常规传动轴的内部，能同时吸收轴向和径向的冲击载荷，改善螺杆钻具轴承的工作状态，提高螺杆钻具的使用寿命。

本发明的目的是这样实现的，一种螺杆减振传动轴总成，包括壳体结构，所述壳体结构内穿设顺序连接的传动主轴和钻头轴，所述钻头轴的第一端能滑动地插设于所述传动主轴的第一端，所述传动主轴和所述钻头轴上沿轴向贯通设置中心流道；

所述钻头轴与所述壳体结构之间设置导轨套，所述导轨套的第一端与所述传动主轴的第一端固定连接，且所述钻头轴和所述导轨套之间设置轴向弹性单元，所述钻头轴和所述导轨套之间设置减振连接结构，所述减振连接结构包括设置于所述钻头轴的外壁上的凸起导轨单元和设置于所述导轨套的内壁上的凹槽导槽单元，所述凸起导轨单元能沿所述凹槽导槽单元螺旋上升或下降；所述钻头轴的外壁上位于所述减振连接结构的下方连接能轴向限位所述钻头轴的悬挂块。

在本发明的一较佳实施方式中，所述壳体结构包括顺序连接的传动轴壳体、中TC轴承静圈和下TC轴承静圈；所述传动轴壳体内穿设所述传动主轴，所述中TC轴承静圈和所述下TC轴承静圈内穿设所述钻头轴，所述中TC轴承静圈和所述传动主轴之间设置中TC轴承动圈，所述下TC轴承静圈和所述钻头轴之间设置下静筒、下TC轴承动圈。

在本发明的一较佳实施方式中，所述凸起导轨单元为多头外螺纹结构，所述凹槽导槽单元为多头内螺纹结构，所述凸起导轨单元与所述凹槽导槽单元之间呈间隙设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述凸起导轨单元和所述凹槽导槽单元的横截面呈梯形设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述轴向弹性单元为碟簧。

在本发明的一较佳实施方式中，所述悬挂块为半月环，数量为两个；所述钻头轴的侧壁上设置连接凹槽，各所述悬挂块与所述连接凹槽呈过盈配合连接，各所述悬挂块与所述中TC轴承静圈呈间隙配合。

在本发明的一较佳实施方式中，所述传动轴壳体与所述中TC轴承静圈通过螺纹连接，所述中TC轴承静圈与所述下TC轴承静圈通过螺纹连接；所述中TC轴承动圈与所述传动主轴通过过盈配合连接，所述中TC轴承动圈与所述中TC轴承静圈呈间隙配合设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述传动主轴的第二端设置扶正轴承套总成，扶正轴承套总成包括自内向外设置的上TC轴承动圈、上动筒、上静筒和上TC轴承静圈，所述扶正轴承套总成通过轴套轴向固定于所述传动主轴上；所述上TC轴承动圈与所述传动主轴通过螺纹连接，所述上动筒通过过盈配合与所述上TC轴承动圈连接，所述上TC轴承静圈通过过盈配合与所述传动轴壳体连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述上TC轴承静圈和所述传动轴壳体之间设置上静圈套；所述传动主轴和所述传动轴壳体之间设置轴承内圈、滚珠和轴承外圈，所述轴承外圈和所述中TC轴承静圈之间设置隔套。

在本发明的一较佳实施方式中，所述下TC轴承动圈与所述钻头轴通过螺纹连接，所述下静筒通过过盈配合与所述下TC轴承静圈连接，所述下静筒与所述下TC轴承动圈之间呈间隙配合设置。

由上所述，本发明的螺杆减振传动轴总成具有如下有益效果：

本发明的螺杆减振传动轴总成，克服现有技术中存在的螺杆钻具传动轴不耐震动冲击等技术问题，该螺杆减振传动轴总成将减振系统设置在常规传动轴总成的内部，能同时吸收轴向和径向的冲击载荷，改善螺杆钻具轴承的工作状态，提高螺杆钻具的使用寿命。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1：为本发明的螺杆减振传动轴总成的外观图。

图2：为图1中B-B剖视图。

图3：为图2中A-A剖视图。

图4：为本发明的钻头轴的示意图。

图中：

1、传动主轴；2、轴套；3、上TC轴承动圈；4、上动筒；5、上TC轴承静圈；6、上静筒；7、传动轴壳体；8、上静圈套；9、轴承内圈；10、轴承外圈；11、滚珠；12、隔套；13、中TC轴承动圈；14、中TC轴承静圈；15、导轨套；151、凹槽导槽单元；16、钻头轴；161、凸起导轨单元；17、碟簧；18、悬挂块；19、下TC轴承静圈；20、下静筒；21、下TC轴承动圈。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明提供一种螺杆减振传动轴总成，包括壳体结构，壳体结构内穿设顺序连接的传动主轴1和钻头轴16，钻头轴16的第一端能滑动地插设于传动主轴1的第一端，传动主轴1和钻头轴16上沿轴向贯通设置中心流道；

钻头轴16与壳体结构之间设置导轨套15，导轨套15的第一端与传动主轴1的第一端固定连接(螺纹连接)，且钻头轴16和导轨套15之间设置轴向弹性单元，钻头轴16和导轨套15之间设置减振连接结构，减振连接结构包括设置于钻头轴16的外壁上的凸起导轨单元161和设置于导轨套15的内壁上的凹槽导槽单元151，凸起导轨单元161能沿凹槽导槽单元151螺旋上升或下降；钻头轴16的外壁上位于减振连接结构的下方连接能轴向限位所述钻头轴的悬挂块18。

本发明的螺杆减振传动轴总成，使用初始状态时，钻头轴16位于最下端(图2中的下端)位置，由悬挂块18保证钻头轴16不会自壳体结构内脱落，钻头轴16的第一端处于传动主轴1的最低位置，钻头轴16能在轴向方向上移动一段距离；使用时，钻头连接于钻头轴16下端，在凸起导轨单元161和凹槽导槽单元151的配合连接下，传动主轴1的旋转力矩通过导轨套15、钻头轴16传递至钻头，带动其钻削；当钻头碰到较硬的东西时，钻头轴16受到向上的轴向力，在凸起导轨单元161和凹槽导槽单元151的配合作用下，钻头轴16在导轨套15中螺旋上升滑行，同时吸收轴向和径向的冲击载荷；同时轴向弹性单元逐渐进入压缩状态，存储能量，进一步吸收轴向的冲击载荷，达到轴向减振的目的。

本发明的螺杆减振传动轴总成，克服现有技术中存在的螺杆钻具传动轴不耐震动冲击等技术问题，该螺杆减振传动轴总成将减振系统设置在常规传动轴总成的内部，能同时吸收轴向和径向的冲击载荷，改善螺杆钻具轴承的工作状态，提高螺杆钻具的使用寿命。

进一步，如图1、图2所示，壳体结构包括顺序连接的传动轴壳体7、中TC轴承静圈14和下TC轴承静圈19；传动轴壳体7内穿设传动主轴1(传动主轴1可使用传统的螺杆传动轴)，中TC轴承静圈14和下TC轴承静圈19内穿设钻头轴16；中TC轴承静圈14和传动主轴1之间设置中TC轴承动圈13，下TC轴承静圈19和钻头轴16之间设置下静筒20、下TC轴承动圈21；钻头轴16的第二端通过下TC轴承动圈21与下TC轴承静圈19约束其周向晃动，以保证输出的定位准度。

螺杆钻具是石油钻井中应用最广泛的井下动力工具之一。TC轴承位于其传动部分，是影响螺杆钻具寿命的关键部件。TC轴承分为内、外轴承套(静圈、动圈)，内轴套与传动轴配合并锁紧，外轴套与井下动力钻具壳体装配一起，二者配合形成工作面，主要功能是将马达的扭矩和转速传递给钻头。工作过程中，TC轴承受到万向轴承和钻头的轴向和径向力，内轴套存在绕外轴套偏心运动趋势。

进一步，如图2、图3、图4所示，凸起导轨单元161为多头外螺纹结构，凹槽导槽单元151为多头内螺纹结构，多头外螺纹结构与多头内螺纹结构螺旋连接，凸起导轨单元161与凹槽导槽单元151之间呈间隙设置。

为便于装配和配合，凸起导轨单元161和凹槽导槽单元151的横截面呈梯形设置。

进一步，如图2所示，轴向弹性单元为碟簧17，碟簧17的初始状态为压缩状态，钻头轴16受钻头的向上轴向力时，碟簧17压缩缓冲。钻头轴16下端需要连接钻头，当钻头碰到较硬的东西时，钻头轴16会通过凸起导轨单元161在导轨套15中的梯形凹槽导槽单元151中滑行，进而使得碟簧17进一步压缩，存储能量。

进一步，如图2所示，悬挂块18为半月环，数量为两个；钻头轴16的侧壁上设置连接凹槽，各悬挂块18与连接凹槽呈过盈配合连接，各悬挂块18与中TC轴承静圈14呈间隙配合。悬挂块18限制钻头轴16的上下移动的距离并且防止钻头轴16掉下去。

进一步，如图2所示，传动轴壳体7与中TC轴承静圈14通过螺纹连接，中TC轴承静圈14与下TC轴承静圈19通过螺纹连接；中TC轴承动圈13与传动主轴1通过过盈配合连接，中TC轴承动圈13与中TC轴承静圈14呈间隙配合设置。

进一步，如图2所示，传动主轴1的第二端设置扶正轴承套总成，扶正轴承套总成包括自内向外设置的上TC轴承动圈3、上动筒4、上静筒6和上TC轴承静圈5，扶正轴承套总成通过轴套2轴向固定于传动主轴1上。传动主轴1的第二端(图1中的上端)通过扶正轴承总成约束其周向晃动。

进一步，如图2所示，上TC轴承静圈5和传动轴壳体7之间设置上静圈套8；传动主轴1和传动轴壳体7之间设置轴承内圈9、滚珠11和轴承外圈10，轴承外圈10和中TC轴承静圈14之间设置隔套12。

进一步，如图2所示，上TC轴承动圈3与传动主轴1通过螺纹连接，上动筒4通过过盈配合与上TC轴承动圈3连接，上TC轴承静圈5通过过盈配合与传动轴壳体7连接。

进一步，如图2所示，下TC轴承动圈21与钻头轴16通过螺纹连接，下静筒20通过过盈配合与下TC轴承静圈19连接，下静筒20与下TC轴承动圈21之间呈间隙配合设置。

本发明的工作原理：

如图1所示，本发明的螺杆减振传动轴总成的下端与钻头相连通，上端与提供动力的电机(现有技术)相连接，动力通过螺纹结构传递到传动主轴1，传动主轴1的第一端(图1中下端)通过螺纹和导轨套15连接，将动力传递至导轨套15，导轨套15和钻头轴16通过梯形的凸起导轨单元161与凹槽导槽单元151的配合相连接，动力由导轨套15传到钻头轴16，最终使得钻头轴16和传动主轴1同步旋转，并且由于钻头轴16和传动主轴1轴向之间是留有一段距离的，钻头轴16可以通过凸起导轨单元161与凹槽导槽单元151的配合在周向上转动并保持轴向移动。传动主轴1的第二端(图1中上端)具有扶正轴承约束其周向移动。当钻头轴16所连接的钻头，在接触到较硬的物体的时候，为了保护钻头与保持机械转速，钻头轴16会受到向上的力，由于凸起导轨单元161与凹槽导槽单元151的配合，传动主轴1与钻头轴16之间留有足够的轴向距离以及碟簧的存在，钻头轴16可以在中TC轴承静圈14中上下移动，分担了传动主轴1上滚动轴承中滚珠11的压力。

由上所述，本发明的螺杆减振传动轴总成具有如下有益效果：

本发明的螺杆减振传动轴总成，克服现有技术中存在的螺杆钻具传动轴不耐震动冲击等技术问题，该螺杆减振传动轴总成将减振系统设置在常规传动轴总成的内部，能同时吸收轴向和径向的冲击载荷，改善螺杆钻具轴承的工作状态，提高螺杆钻具的使用寿命。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种螺杆减振传动轴总成，其特征在于，包括壳体结构，所述壳体结构内穿设顺序连接的传动主轴和钻头轴，所述钻头轴的第一端能滑动地插设于所述传动主轴的第一端，所述传动主轴和所述钻头轴上沿轴向贯通设置中心流道；

所述钻头轴与所述壳体结构之间设置导轨套，所述导轨套的第一端与所述传动主轴的第一端固定连接，且所述钻头轴和所述导轨套之间设置轴向弹性单元，所述钻头轴和所述导轨套之间设置减振连接结构，所述减振连接结构包括设置于所述钻头轴的外壁上的凸起导轨单元和设置于所述导轨套的内壁上的凹槽导槽单元，所述凸起导轨单元能沿所述凹槽导槽单元螺旋上升或下降；所述钻头轴的外壁上位于所述减振连接结构的下方连接能轴向限位所述钻头轴的悬挂块。

2.如权利要求1所述的螺杆减振传动轴总成，其特征在于，所述壳体结构包括顺序连接的传动轴壳体、中TC轴承静圈和下TC轴承静圈；所述传动轴壳体内穿设所述传动主轴，所述中TC轴承静圈和所述下TC轴承静圈内穿设所述钻头轴，所述中TC轴承静圈和所述传动主轴之间设置中TC轴承动圈，所述下TC轴承静圈和所述钻头轴之间设置下静筒、下TC轴承动圈。

3.如权利要求1或2所述的螺杆减振传动轴总成，其特征在于，所述凸起导轨单元为多头外螺纹结构，所述凹槽导槽单元为多头内螺纹结构，所述凸起导轨单元与所述凹槽导槽单元之间呈间隙设置。

4.如权利要求3所述的螺杆减振传动轴总成，其特征在于，所述凸起导轨单元和所述凹槽导槽单元的横截面呈梯形设置。

5.如权利要求1或2所述的螺杆减振传动轴总成，其特征在于，所述轴向弹性单元为碟簧。

6.如权利要求2所述的螺杆减振传动轴总成，其特征在于，所述悬挂块为半月环，数量为两个；所述钻头轴的侧壁上设置连接凹槽，各所述悬挂块与所述连接凹槽呈过盈配合连接，各所述悬挂块与所述中TC轴承静圈呈间隙配合。

7.如权利要求2所述的螺杆减振传动轴总成，其特征在于，所述传动轴壳体与所述中TC轴承静圈通过螺纹连接，所述中TC轴承静圈与所述下TC轴承静圈通过螺纹连接；所述中TC轴承动圈与所述传动主轴通过过盈配合连接，所述中TC轴承动圈与所述中TC轴承静圈呈间隙配合设置。

8.如权利要求2所述的螺杆减振传动轴总成，其特征在于，所述传动主轴的第二端设置扶正轴承套总成，扶正轴承套总成包括自内向外设置的上TC轴承动圈、上动筒、上静筒和上TC轴承静圈，所述扶正轴承套总成通过轴套轴向固定于所述传动主轴上；所述上TC轴承动圈与所述传动主轴通过螺纹连接，所述上动筒通过过盈配合与所述上TC轴承动圈连接，所述上TC轴承静圈通过过盈配合与所述传动轴壳体连接。

9.如权利要求8所述的螺杆减振传动轴总成，其特征在于，所述上TC轴承静圈和所述传动轴壳体之间设置上静圈套；所述传动主轴和所述传动轴壳体之间设置轴承内圈、滚珠和轴承外圈，所述轴承外圈和所述中TC轴承静圈之间设置隔套。

10.如权利要求2所述的螺杆减振传动轴总成，其特征在于，所述下TC轴承动圈与所述钻头轴通过螺纹连接，所述下静筒通过过盈配合与所述下TC轴承静圈连接，所述下静筒与所述下TC轴承动圈之间呈间隙配合设置。

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