專利名稱：一種長壽命高性能螺桿鉆具傳動軸軸承的制作方法
技術領域：
本發明涉及種用丁石油鉆井或修井的長壽命高性能螺桿鉆具傳 動軸軸承，特別是涉及一種向心推力球軸承、向心推力圓柱軸承和向 心推力雙圓臺軸承的兩兩組合或三者組合的結構形式的傳動軸軸承。
背景技術：
螺桿鉆具是石油鉆修井中廣泛使用的井下動力鉆具。主要包括旁 通閥總成、馬達總成、萬向軸總成和傳動軸總成。其中目前常甩的傳 動軸總成主要包括傳動軸、傳動軸殼體、推力軸承、徑向軸承、防 掉機構、密封圈、隔套、護套、鎖緊套、下短節、偏心套等。其中推 力軸承是傳動軸總成的易損件，承受交變或波動的軸向載荷，平均壽 命在80-100小時之間，質量較好的可達到120小時； 一般使用泥漿潤 滑，也有油密封油潤滑的傳動軸組件，使用油密封傳動軸組件可改善 傳動軸組件工作狀態，延長其使用壽命，其價格較貴，現場維修不夠 方便，目前基本未形成應用規模。國內較好的螺桿鉆具企業生產的螺桿鉆具整體平均壽命在120-150小時之間，傳動軸推力軸承組作為一 個易損件已經成為制約螺桿鉆具使用壽命的一個瓶頸問題。現有的向 心推力軸承采用球軸承的結構形式，在高幅波動鉆壓的剪切作用下， 滾珠容易變形、本崩塊、碾碎，經過深入的理論分析和有限元計算發 現，工作時滾珠和軸承內外圈的接觸初始為線接觸，后在壓力作用下 變為微小面接觸，整體接觸面積小，接觸壓力大，交變的高額接觸壓 力持續作用在微小面積上容易導致滾珠和內外軸承圈產生表面變形， 進行發生崩塊和碾碎等失效形式。因此研究綜合性能高、壽命長、適 用性強且具有價格優勢的螺桿鉆具推力軸承組已刻不容緩，以減少起 下鉆換件次數，幫助提高鉆井效率。發明內容本發明的目的是為克服現有技術的不足，特提供一種長壽命高 性能螺桿鉆具傳動軸軸承，該軸承承載性能好，轉動靈活，結構簡單， 易于實現，可大幅提高軸承組使用壽命，且加工方便，不會提高其制 造成本，能保持使用泥漿作為潤滑劑，現場適用性強。為了達到上述目的，本發明設計了一種長壽命高性能螺桿鉆具傳 動軸軸承，它將已有向心推力球軸承結構改進為向心推力球軸承、向 心推力圓柱軸承和向心推力雙圓臺軸承的兩兩組合或三者組合的結構 形式。其特征是由向心推力球軸承、向心圓柱推力軸承和向心雙圓 臺滾子軸承組成，或由向心推力球軸承和向心圓柱推力軸承組成，或 由向心推力球軸承和向心雙圓臺滾子軸承組成；每列推力軸承由15 35滾珠、滾柱或雙圓臺及對應的軸承內外圈構成。本發明通過使用向 心推力圓柱軸承和(或)向心推力雙圓臺軸承可有效增大接觸副之間 的接觸面積，從而降低其接觸應力，同時使用一部分向心推力球軸承 又可保持轉動靈活的特點，最終可獲得轉動靈活、承載能力強的長壽 命高性能螺桿鉆具傳動軸軸承。本發明中設計的雙圓臺圓柱滾子推力軸承，該軸承包括雙圓臺圓 柱滾子和對應形狀的軸承內外圈，雙圓臺圓柱滾子是在圓柱滾子的上 下兩端去除材料形成圓臺，軸承內外圈與雙圓臺圓柱滾子接觸部位也 設計成對應的圓臺結構，圓臺的母線通常為直線，或為凸度不大的連 續光滑曲線，如拋物線、圓弧等。工作時雙圓臺圓柱滾子的上下端面 與內外圈端面不接觸以減少摩擦扭矩，圓臺斜面與內外圈對應斜面接 觸承載軸向剪切載荷，接觸副為面，接觸應力小。雙圓臺圓柱滾子軸 承繼承了常規向心推力球軸承轉動靈活的突出特性，同時根據接觸力 學理論合理增大接觸承載面，大幅降低了應力峰值和均值，同時將滾 子上下端面與內外圈端面設計為不接觸，消除了交變軸向載荷作用時 軸承滾珠或滾柱頂面產生的大幅值初始接觸應力集中危險點，從而消 除了失效的誘因；設計的端面間隙還為軸向剪切載荷(即波動鉆壓) 引起的雙圓臺圓柱滾子彈性變形留下了空間，推力軸承組通常由15 35組推力軸承組成，這使該結構具有非常優異軸向減震特性，這是截 至目前其他任何螺桿鉆具所不明顯具備的特性；同樣雙圓臺圓柱滾子 推力軸承增大了摩擦扭矩，相比常規螺桿鉆具其消耗掉的功率要略多 一些，從功率損耗角度來看這是其缺點，但該摩擦扭矩的存在可緩解 下部鉆柱組合的扭轉振動，穩定方位角。雙圓臺圓柱滾子與軸承內外 圈為間隙接觸，允許泥漿流過，保持潤滑。雙圓臺圓柱滾子軸承的滾 子及內外圈過渡尖銳處皆倒有過渡圓角，以減少應力集中。本發明中 的雙圓臺圓柱滾子，根據不同的使用情況，滾子可設計為不同的長徑比(其高度和外徑比)，范圍在0.5-2之間；上下圓臺錐度在O。 90 °之間，通常為45°或30° 。本發明中設計的圓柱滾子推力軸承，接觸副接觸面積大，接觸應 力小，摩擦扭矩略大，具有減少扭轉振動的作用，根據不同的使用情 況，滾柱可設計為不同的長徑比(其高度和外徑比)，范圍在0.5-2之 間。本發明的設計原理是在鉆柱動力學、接觸力學和螺桿鉆具工作 力學的基礎上，深入研究螺桿鉆具推力軸承組的力學特性，突破常規 推力軸承承載性能差的技術瓶頸，在保持轉動靈活性的基礎上，設計 有較大接觸面積的軸承結構，使其具有良好的承載特性、優異的綜合 力學性能和工作可靠性，大幅提高其使用壽命，從而克服掉影響螺桿 鉆具整體壽命提升的一個主要技術瓶頸。本發明的設計立足于鉆柱動 力學，設計的推力軸承還具備良好的減震特性(軸向減震，扭轉減震)， 符合鉆井工程實際需要，特別是在極易發生斷鉆具的氣體鉆井實踐中。 相比傳統傳動軸軸承，其具有較大突破，必將具有廣闊的商業應用前 景。本發明的有益效果是可不改變原有推力球軸承材質，只改變其形狀，形狀簡單，加工方便，不會提高其制造成本，并且可保持使用 泥漿作為潤滑劑，現場適用性強。
圖1是目前常用的螺桿鉆具向心推力球軸承結構圖。圖2是目前常用的螺桿鉆具向心推力球軸承單圈結構圖。 圖3是目前常用的螺桿鉆具向心推力球軸承單外圈結構圖。 圖4是目前常用的螺桿鉆具向心推力球軸承單內圈結構圖。 圖5是目前常用的螺桿鉆具向心推力球軸承滾珠結構圖。 圖6是本發明一種長壽命高性能螺桿鉆具傳動軸軸承第一實施例 結構圖。圖7是本發明一種長壽命高性能螺桿鉆具傳動軸軸承第二實施例 結構圖。圖8本發明一種長壽命高性能螺桿鉆具傳動軸軸承第三實施例 結構圖。圖9是向心圓柱滾子軸承單圈結構圖。圖10是向心圓柱滾子軸承單外圈結構圖。圖11是向心圓柱滾子軸承單內圈結構圖。圖12是向心圓柱滾子軸承圓柱滾子結構圖。圖13是向心雙圓臺滾子軸承單圈結構圖。圖14是向心雙圓臺滾子軸承單外圈結構圖。圖15是向心雙圓臺滾子軸承單內圈結構圖。圖16是向心雙圓臺滾子軸承雙圓臺滾子結構圖。
具體實施方式
按照圖6所示，本發明一種長壽命高性能螺桿鉆具傳動軸軸承第 -實施例由向心推力球軸承(圖2)、向心圓柱滾子軸承(圖9)和向 心雙圓臺滾子軸承(圖13)組合而成。按照圖7所示，本發明一種長壽命高性能螺桿鉆具傳動軸軸承第 二實施例由向心推力球軸承(圖2)和向心圓柱滾子軸承(圖9)組合 而成。按照圖8所示，本發明一種長壽命高性能螺桿鉆具傳動軸軸承第 三實施例由向心推力球軸承(圖2)和向心雙圓臺滾子軸承(圖13) 組合而成。向心推力球軸承(圖2)由向心推力球軸承單外圈(圖3)、向心 推力球軸承單內圈(圖4)和滾珠(圖5)組成。向心圓柱滾子軸承(圖9)由向心圓柱滾子軸承單外圈(圖IO)、 向心圓柱滾子軸承單內圈(圖ll)和圓柱滾子(圖12)組成。向心雙圓臺滾子軸承(圖13)由向心雙圓臺滾子軸承單外圈(圖 14)、向心雙圓臺滾子軸承單內圈(圖15)和向心雙圓臺滾子(圖16) 組成。向心推力球軸承具有轉動靈活的特點，但其承載能力稍弱；向心 圓柱滾子軸承具有接觸面積大，承載能力強的特點；向心雙圓臺滾子 軸承具有接觸面積大，承載能力較強，且轉動靈活的特點。在三者同 時組合使用或將向心推力球軸承和向心圓柱滾子軸承組合使用或將向 心推力球軸承和向心雙圓臺滾子軸承組合使用，可獲得轉動靈活、承 載能力強的長壽命高性能螺桿鉆具傳動軸軸承。
權利要求
1.一種長壽命高性能螺桿鉆具傳動軸軸承，其特征是由向心推力球軸承(圖2)、向心圓柱滾子軸承(圖9)和向心雙圓臺滾子軸承(圖13)組合而成；或由向心推力球軸承(圖2)和向心圓柱滾子軸承(圖9)組合而成；或由向心推力球軸承(圖2)和向心雙圓臺滾子軸承(圖13)組合而成。
2. 根據權利要求1所述的螺桿鉆具傳動軸軸承，其特征是向心圓柱滾子軸承(圖9)由圓柱推力軸承組成，每列推力軸承由15 35 滾柱和軸承內外圈構成；每個滾柱兩端倒有過渡圓角，軸承內外圈即 動靜套內端面倒有過渡圓角；滾柱的長徑比，即其高度和外徑比，范 圍在O. 5 2之間。
3. 根據權利要求1所述的螺桿鉆具傳動軸軸承，其特征是向心 雙圓臺滾子軸承(圖13)由雙圓臺滾子軸承組成，每列推力軸承由15 35雙圓臺滾子和軸承內外圈構成；每個雙圓臺滾子兩端倒有過渡圓角， 軸承內外圈即動靜套內端面倒有過渡圓角；雙圓臺滾子的長徑比，即 其高度和外徑比，范圍在0.5 2之間，上下圓臺錐度在O。 90°之 間，通常為45°或30° 。
全文摘要
本發明涉及用于石油鉆井或修井的長壽命高性能螺桿鉆具傳動軸軸承。它將向心推力球軸承結構改進為向心推力球軸承、向心推力圓柱軸承和向心推力雙圓臺軸承的兩兩組合或三者組合的結構。其特征是由向心推力球軸承、向心圓柱推力軸承和向心雙圓臺滾子軸承組成、或由向心推力球軸承和向心圓柱推力軸承組成、或由向心推力球軸承和向心雙圓臺滾子軸承組成；每列推力軸承由15～35個滾珠、滾柱或雙圓臺及對應的軸承內外圈構成；每個滾柱或雙圓臺倒有過渡圓角，軸承內外圈端面倒有過渡圓角。本發明能有效增大接觸副之間的接觸面積，降低其接觸應力，獲得轉動靈活、承載能力強的軸承，且結構簡單，易于實現，能大幅提高軸承組使用壽命，可用于油氣田現場。
文檔編號F16C19/22GK101245807SQ20081004527
公開日2008年8月20日 申請日期2008年1月25日 優先權日2008年1月25日
發明者祝效華, 華 童 申請人:西南石油大學