專利名稱：螺紋根部設計成橢圓形的螺紋結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一般的螺紋連接或螺紋緊固裝置。更詳細地說，涉及在相鄰的螺紋圈之間延伸的螺紋根部形狀。
在向下沖擊鉆孔的技術中，如鉆進、采石、打水井等等，包括鉆具的鉆井元件，常常借助螺旋形螺紋結構連接在一起。在這些鉆井元件的連接中，螺紋形狀常常是引起螺紋結構損壞的重要因素。無論螺紋結構的損壞是怎樣發生的，最初的破壞總是出現在螺紋根部，這是由于當螺紋結構受強負載作用時，在螺紋根部存在著很高的應力集中。
在現有技術的螺紋結構中，螺紋根部有由圓的一部分限定的彎曲部分，其與相鄰的兩螺紋斜面以相切的形式連接。一般來說，限定螺紋根部的圓半徑越大，應力集中就越小。但是，當圓的尺寸超過最大允許半徑時，在圓弧的端部，即在根部與螺紋斜面相切處的應力集中變得非常高，于是就成為傳播破壞的起始點，反之，當限定根部彎曲度的圓尺寸減小到低于最小允許半徑時，在螺紋根部底面的應力集中變得很大。因此，圓形的根部彎曲度被限制在半徑尺寸的最大和最小極限范圍內，這些極限值取決于如螺距和其他類似的因素。所以，既需要具有很大半徑的根部彎曲度，又需要在螺紋斜面與根部相切的連接處作用的應力集中得到緩解。
1981年10月20日公布的霍曼勃格的US-4295751號美國專利公開了一種用于沖擊式鉆井元件的螺紋結構的實例，如其中圖3所示，螺紋結構包括具有半徑R的部分圓限定的根部22、22′。霍曼勃格的螺紋結構存在著缺陷，即圓形根部22、22′屬于前面所屬受限制的那種情況，其中圓形根部彎曲度不得超過最大允許半徑，而且限制了附加應力集中的緩解。
1985年10月29日公布的桑德斯的US-4549754號美國專利公開了一種用于鉆井元件的螺紋結構，其包括由兩個相切的圓限定的根部20，這兩個半徑分別為31、34的圓心靠得很近。這兩個半徑31、34分別繪制出的圓各限定根部20的一部分。使用兩個半徑31、34是為了在相互連接的公螺紋和母螺紋結構之間保持相同的螺紋與螺紋的接觸長度時，提供具有較大等量彎曲度的圓形根部。然而，在根部20加大的彎曲度造成了在螺紋根部20的底部壁厚減小的不能接受的影響。對于沖擊鉆井技術中使用的螺紋結構不能允許減小其壁厚，因為壁厚包括了最小螺紋支承面積，因此在這個區域存在著損壞螺紋的隱患。此外，桑德斯的螺紋結構的根部形狀產生的另一不可接受的影響是，在非載荷支承螺紋面35的內部和根部20的應力集中非常大。
另外，在現有技術中看到的那些具有圓形根部彎曲度的螺紋根部存在著缺陷。可以看到圓形根部是不合適的，因為增加限定螺紋根部的圓形部分的半徑將不可接受地減小根部支承壁的厚度。或者，如果不減小壁厚，而增加限定螺紋根部的圓半徑，將使連接根部螺紋斜面的圓弧端部的應力集中增加，于是就產生了使破壞蔓延的起始點。
本發明的主題提供了一種包括圓柱形支承元件的螺紋結構，在該支承元件上有至少一條螺紋以一定的螺距沿螺旋形延伸。在相鄰的螺紋圈之間延伸的根部有由橢圓的一部分限定的彎曲部分。
本發明主題的螺紋結構中限定根部的橢圓形彎曲部分在螺紋根部提供了較大的等量半徑，同時又不使螺紋斜面與根部連接處的應力集中增加。進一步地說，橢圓形根部彎曲度將不會使在根部測量得到的壁厚減小。此外，設計的這種有橢圓形根部的螺紋加長了相互連接的公螺紋和母螺紋結構中相鄰的螺紋與螺紋之間接觸表面的長度。所以，改善了這種螺紋連接的磨損壽命。因此，本發明主題提供了一種在重負載條件下，在圓形根部的應力集中較小的螺紋結構，其具有最大可能的壁厚使得結構強度較高，而且通過增加相互連接的公螺紋和母螺紋結構之間螺紋與螺紋相接觸表面，改善了磨損壽命。
聯系附圖，參照下面的詳細說明可以清楚容易地理解本發明的其他優點。
圖1是包括本發明主題螺紋結構的沖擊鉆具的主體圖，圖示了局部分解和局部四分之一剖視的情況。
圖2是按照本發明主題的螺紋結構的截面圖。
圖3是按照本發明主題的公螺紋結構和母螺紋結構相互連接的截面圖。
本發明主題的螺紋結構特別適用于向下沖擊鉆井操作中包括鉆具的、與鉆井元件緊固在一起的相互連接。雖然本發明可以應用于各種螺紋連接，這在那些現有技術中是顯而易見的，但是后面的詳細描述中將著重討論所提到的沖擊鉆井技術。
參照附圖，其中同類數字在全部附圖中表示同類或相應的部分。本發明主題的螺紋結構一般以10表示。螺紋結構10包含一個圓柱形支承元件12。如在附圖中看到的那樣，用于外螺紋即公螺紋的圓柱形支承元件12包含用于螺紋結構10的外螺紋即公螺紋的既堅固又呈管狀加長的軸桿，用于內螺紋即母螺紋的螺紋結構10為伸長的圓柱形管。螺紋結構10包含壁表面13，其既表示母螺紋結構10的外圓柱形表面，又表示公螺紋結構10的內中心孔表面。
至少一條螺紋14以一定螺距沿著圓柱形支承元件12螺旋延伸。也就是說，螺紋14既可以具有單頭螺紋，又可以具有多頭螺紋的引導形式。螺紋14包括支承載荷的斜面16，不支承載荷的斜面18和在載荷支承斜面16和非載荷支承斜面18之間延伸的頂部20。即，當螺紋結構10受載荷作用時，借助接觸配合的分別位于公螺紋或母螺紋14上的載荷支承斜面16，作用力將在連接的公螺紋結構和母螺紋結構之間進行傳遞。頂部20是平坦的，而且沿圓柱形支承元件12的軸向延伸。換句話說，頂部20在螺紋斜面16和18之間，以直線而且平行于圓柱形支承元件12的縱向軸線延伸。
根部22在相鄰的螺紋14的圈之間延伸。根部22有由橢圓的一部分限定的彎曲部分，以假想線24表示。以另一種方式來說，如在圖2和3中看到的截面那樣，橢圓24的輪廓限定根部20的凹面形狀。橢圓24有長軸26和垂直于長軸的短軸28。長軸26沿著圓柱形支承元件12的軸向延伸。這就是說，長軸26以平行于圓柱形支承元件12的縱向軸線方式延伸，而橢圓24的短軸28沿著徑向向外延伸并且垂直于圓柱形支承元件12的縱向軸線。
最好橢圓24的短軸28比頂部20和根部22之間的徑向距離短。如在圖2中清楚描繪的那樣，橢圓24的短直徑，即橫著測量得到的短軸28比根部22的最底面和頂部20的最頂面之間的距離短。以這種方式，能保持壁面13和根部22的底面之間的最大支承區域的厚度，這在后續部分得到充分說明。
因為在沖擊鉆井的場合極大的負荷作用到螺紋結構上，螺紋14的載荷支承斜面16具有比非載荷支承斜面18大的表面區域。即，螺紋輪廓具有典型的顛倒的梯形螺紋輪廓，其中公螺紋和母螺紋結構10中的載荷支承斜面16設有較長的螺紋與螺紋的接觸長度區域。因此，相接觸的區域大于非載荷支承斜面18。設置在載荷支承斜面16上較大的表面區域改善了螺紋結構10的磨損壽命。
正如圖2和圖3所示，載荷支承斜面16和非載荷支承斜面18在根部22以相切于橢圓24的形式一直延伸至頂部20。最好，載荷支承斜面16有一斜角α，其沿軸向向離開頂部20的方向成大約45°角延伸。同樣，非載荷支承斜面18有斜角θ，其沿軸向向離開頂部20的方向大約成75°角延伸。而且可以清楚地看到載荷支承斜面16的軸向斜角小于突出的非載荷支承斜面18的斜角，以便在頂部20和根部22之間獲得較大的表面區域，如同前面所述。
在圖1中，一種典型的沖擊鉆具如向地面鉆孔的工具被局部分解和局部四分之一剖視。此沖擊鉆具包括一個連接到加長套34的穿孔端的鉆頭30，加長套34依次與頭部32連接。典型的例子是從地面上傳遞到鉆具的壓縮空氣驅使活塞(未圖示)在套34中迅速而有力地往復移動沖擊鉆頭30。此外，猛烈的壓力和扭力施加到沖擊鉆具上，此時沖擊鉆具鉆入地面。根據這個原理，連接各種沖擊鉆具元件相互配合的螺紋結構10受到強大應力負載的作用。本發明主題螺紋結構10中橢圓形根部輪廓為在這種高應力場合使用螺紋結構提供了較強和長耐久性的連接。與現有技術中看到的圓形根部的螺紋結構相比較，本發明主題的螺紋結構10中橢圓形根部22具有三個特殊優點。
第一，在具有相同壁厚和斜角的螺紋中，橢圓形根部比圓形根部輪廓在根部22具有較大的等量半徑。在這里，術語“等量半徑”是對照圓半徑而言，其在數學意義上大致接近本發明主題的橢圓根部22的彎曲度。更應當詳細說明的是，等量半徑等于限定一圓形彎曲部分的圓半徑，這個圓形彎曲部分基本上等同于本發明中根部22的橢圓形彎曲部分。因為具有相同壁厚和斜角的螺紋的圓形根部半徑比橢圓形根部22的等量半徑短，所以在根部22上的應力集中得到較大程度的緩解。
第二，因為在根部22的底面和壁面13之間保持了較大的支承厚度，所以本發明主題的螺紋結構10比可比較的圓形根部的螺紋結構的強度高。如上面所述，比結果是由于在橢圓形根部22提供了較大的等量半徑。當考慮到應力的數學關系與壁面13和根部22之間的厚度有關時，考慮保持的壁厚就是顯而易見的事。更詳細地說，應力值由下面的等式表示應力＝作用力/面積。其中“面積”為垂直于圓柱形支承元件12的縱向軸線獲得的截面面積。因為在螺紋根部22和壁面13之間的截面面積最小，此面積就代表螺紋結構中的最弱點。因此，在螺紋結構10中獲得最大壁厚和較小應力值就得以實現。
第三，本發明主題的螺紋結構10的橢圓形根部輪廓允許在相鄰的、相互連接的公螺紋和母螺紋中的凸出的載荷支承斜面16之間得到較大的螺紋與螺紋的接觸。更詳細地說，最大螺紋與螺紋接觸長度等于沿軸向測量得到的在頂部20和與負載支承斜面16相鄰的橢圓24的切點之間的支承斜面上的距離。正如將要鑒別的那樣，在現有技術中保持與橢圓形根部22具有同樣壁厚的圓形根部輪廓有較短的螺紋與螺紋的接觸長度，因而負載支承斜面較小。這是因為螺紋負載支承斜面相鄰于圓形根部的切點距離根部的底面比可比較的橢圓形根部22的遠。因此，本發明螺紋結構10的橢圓形根部22最終比具有圓形根部輪廓的現有技術中螺紋結構提供了較長的磨損壽命。
上面以清楚地敘述方式對本發明進行了描述。可以理解，所使用的這些術語涉及到進行描述所需要的詞性，而不是對它們的限制。
顯然，根據上述技術方案的啟示獲得本發明的多種修改和改變的形式是可能的。因此，可以理解上述變化的形式都在權利要求書所述的范圍內，其中采用的數字代號僅僅是為了便于描述，而不是任何限制。不需要專門描述，就可以獲得本發明的其他形式。
權利要求
1.一種螺紋結構(10)，其包括圓柱形支承元件(12)；至少有一條螺紋(14)以一定的螺距沿圓柱形支承元件(12)螺旋形延伸；在所述螺紋(14)的螺紋圈之間延伸的根部(22)；所述螺紋結構(10)的特征在于根部(22)有一個由橢圓(24)的一部分限定的彎曲部分。
2.根據權利要求1所述的螺紋結構(10)，其特征在于所述的橢圓(24)有長軸(26)和較短且垂直的短軸(28)，所述長軸(26)沿著所述圓柱形支承元件(12)軸向延伸。
3.根據權利要求2所述的螺紋結構(10)，其特征在于所述螺紋(14)包括負載支承斜面(16)，非負載支承斜面(18)，以及在所述負載支承斜面(16)和所述非負載支承斜面(18)之間延伸的頂部(20)，所述頂部(20)具有平坦區域且沿著所述圓柱形支承元件(12)的軸向延伸。
4.根據權利要求3所述的螺紋結構(10)，其特征在于所述負載支承斜面(16)的表面區域比非負載支承斜面的大。
5.根據權利要求4所述的螺紋結構(10)，其特征在于所述橢圓(24)的短軸(28)比所述頂部(20)和所述根部(22)之間的徑向距離短。
6.根據權利要求5所述的螺紋結構(10)，其特征在于所述負載支承斜面(16)沿軸向向離開所述頂部的方向延伸，具有大約45度的斜角(α);所述非負載支承斜面(18)沿軸向向離開所述頂部的方向延伸，具有大約75度的斜角(θ)。
7.一種螺紋結構(10)，其包括圓柱形支承元件(12);至少有一條螺紋(14)沿著所述圓柱形支承元件(12)以一定的螺距螺旋形延伸;所述螺紋(14)包含負載支承斜面(16)，非負載支承斜面(18)和在所述負載支承斜面(16)和非負載支承斜面(18)之間延伸的頂部(20)，所述負載支承斜面(16)比所述非負載支承斜面(18)的表面區域大;根部(22)在所述螺紋(14)的相鄰螺紋圈之間延伸;所述螺紋結構(10)的特征在于根部(22)具有由橢圓(24)的一部分限定的彎曲部分，橢圓(24)包括長軸(26)和較短且垂直的短軸(28)，所述長軸(26)沿著所述圓柱形支承元件(12)的軸向延伸。
全文摘要
本發明提供的螺紋結構10有至少一條以一定的螺距沿著圓柱形支承元件12螺旋形延伸的公螺紋或母螺紋14。根部22在螺紋14相鄰的螺紋圈之間延伸，而且有由橢圓24的一部分限定的彎曲部分。由于提供了橢圓24，在強負荷作用期間應力被減小。
文檔編號F16B33/04GK1036622SQ8910097
公開日1989年10月25日 申請日期1989年1月10日 優先權日1988年1月11日
發明者莊周裕 申請人:桑德威克洛克工具有限公司