抗拉承压组合式挠性连接轴制造技术

本发明专利技术是一种可以传递较大功率，承受压、拉和扭转联合作用的柔性传动轴，主要用于连接石油工业和地质勘探钻井作业中所作用的单螺杆马达和传动轴，本发明专利技术由管簧、支承环和外套环配合以传递扭矩并产生挠性。由心轴、球台、球座、球面接头配合承受压力载荷。由心轴，球面接头、球面垫、螺母组合承受拉力载荷，可有效地把单螺杆马达转子的行星运动转变为传动轴和钻头的定轴转动。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术是一种可以传递较大功率，承受压、拉和扭转联合作用的柔性传动轴，主要用于连接石油工业和地质勘探钻井作业中所使用的单螺杆马达和传动轴。现有螺杆钻具内部的万向轴，一般有如下三类(一)瓣形万向轴如美国Smith International公司的Kyna drill万向轴，两端接头系由钢管经特殊加工装备切割成三瓣形结构，由切割缝隙使相互嵌合的连结部分产生角差，由瓣齿传递扭矩和提钻时的拉力，由接头中心的定位钢球传递压力。这种万向轴的缺点之一是瓣齿强度较小承载能力较低，当传递工作扭矩时瓣齿上的法向力在瓣齿根部产生较大的弯曲力矩，即把扭转化为弯曲来传递载荷;而且法向力的作用点和数值与中心定位钢球的磨损有关，当钢球磨损时会导致接触状况恶化，使法向力作用点下移，数值迅速变大，造成断瓣破坏事故，严重时影响钻进，被迫起钻，在现场曾发生过此类事例;其缺点之二是该万向轴两端瓣形部分之外装有两个内充润滑脂的橡胶护囊，用以保护定位钢球以免接触泥浆并施加润滑减少磨损，但实践中发现这种胶囊常常是最易损坏的部分，承受高频交变应力的胶囊在高速泥浆的冲击下破裂成碎片，造成螺杆钻具传动轴分流泥浆液路堵塞，从而烧坏轴承，造成马达旁通阀水眼堵塞影响正常动作，造成钻头水眼堵塞影响钻进，等等。这些已形成这种万向轴的突出弊病;其缺点之三是瓣形切割要求专用的工艺装备，投资较大，成本较高，而且因采用火焰切割，要求热处理工艺也较复杂。总之，我国进口的螺杆钻具在使用中曾发生过上述事故，影响生产。(二)球齿万向轴如苏联制造的螺杆钻具，它的两端的接头部分系采用球形齿轮联接，其缺点之一是加工工艺复杂，要求精度高，因而成本较高;其缺点之二是强度较低;其缺点之三是对环境的适应能力差，当它在钻具内部的泥浆中工作时，极易造成磨损破坏;如果提高对泥浆系统的净化要求，又会提高钻井成本，而且普及推广受到限制，苏联的有关文献中几次提到这种万向轴是螺杆钻具的薄弱环节。(三)光杆挠性轴如苏联和我国国产螺杆钻具的万向轴，其缺点在于长度过大。这种万向轴的原理是靠细长轴的柔性来把马达转子的行星运动转化为传动轴的定轴转动，但因受有较大的扭矩(工作力矩)、压力和拉力，又限制了该轴的最小直径不能过小，在一定的最小直径下为保证传动所要求的柔性只有加大长度，这样就造成了螺杆钻具轴向长度明显增大。另有两种传动装备，如螺旋弹簧或管道疏通机和汽车万向轴，前者与本专利技术相比差异之处在于不是把行星运动变为定轴转动，不承受较大的载荷和传递较大功率，仅是实现非同轴的柔性传动，承受轻微扭矩;后者与本专利技术相比差异之处在于仅传递非同轴的转动和力矩，采用的是十字头万向节结构。本专利技术的目的是要提供一种把马达转子的行星运动转变为传动轴和钻头的定轴转动，同时把马达转子转矩传递给钻头进行钻进，承受和传递马达在工作过程中产生的转子轴向压力及提钻时下部组合的重量的抗拉承压组合式挠性连接轴。本专利技术的目的是这样实现的它是由心轴1、弹簧(管簧)2、钢球、外套环3、支承环4、球台5、球座6、球面接头7、连接杆10和紧固件等构成。管簧2、外套环3和支承环4组合，管簧2上设外套环3，下设支承环4。心轴1、球台5、球座6和球面接头7组合承受和传递转子工作时的轴向压力。心轴1、球面接头7、球面垫8和螺母9等组合承受提钻时下部组合的自重(拉力)。支承环4外侧面有0.5mm的凸缘。管簧的螺旋升角小于7°，圈数为3-8，最佳为5，左旋。支承环4的外径有轻微过盈量，其与管簧2内壁轻微过盈配合。采用8个支承环4，其总厚度略大于管簧的弹簧部分长度。支承环4的硬度小于管簧硬度。心轴1具有公、英两种螺纹。球台5的球心位于管簧2中点轴线上。球面接头7的大端球面与球台5同心，球台接头7内孔直径不与心轴拉杆相碰。本专利技术是利用弹簧容易变曲的力学特性进行设计的，使组合式挠性连接轴具有挠性，用以补偿转子因行星运动而和传动轴轴线间产生的偏心距和运动角差，同时缓冲冲击荷载的影响。本专利技术的优点1.承载能力高，工作寿命长。2.加工工艺简单，不需特殊的工艺装备，油田管子站即可加工，因而成本低(约为美国瓣形万向轴的1/9)。3.长度短，因而可使螺杆钻具长度缩短，提高了钻具的造斜和扭方位能力，可满足大废井和水平井钻进的要求。4.具有可拆性和通用性，因其备有公、英两种不同螺纹的心轴，可分别用于连接国产螺杆钻具和进口螺杆钻具。可为进口螺杆钻具提供万向连接轴备件，恢复设备作用能力，可少进口，节约外汇，产生较高的经济效益。专利技术的具体结构由以下的实施例及其附图给出。附图说明图1是根据本专利技术提出的抗拉承压组合式挠性连接轴的剖面图。图2是本专利技术挠性连接轴具有挠性，可把行星运动变为定轴转动的原理示意图。图3是支承环4的结构图。图4是管簧2的结构图。下面结合图1～4详细说明依据本专利技术提出的具体细节及工作情况。该连接轴包括一个心轴1主体，管簧2是由管子在车床上车制成，其上设外套环3，下设支承环4，支承环外侧面的0.5mm凸缘是当管簧弯曲时，支承环靠凸缘相互接触，从而不造成外圆柱面边缘的磨损。支承环4与管簧2内壁轻微过盈配合，产生初始装配预拉应力;支承环4外径有轻微过盈量，具有抵消跑合磨损，延长工作寿命的作用。支承环4硬度经热处理小于管簧硬度，即把支承环4作为易损件处理，当管簧2和支承环4的间隙达到预定值时拆换支承环。采用八个支承环4，其总厚度保证略大于管簧的弹簧部分长度。心轴1、球台5、球座6和球面接头7组合承受和传递转子工作时的轴向压力。心轴1、球面接头7、球面垫8和螺母9等组合承受提钻时下部组合的自重(拉力)。心轴具有公、英两种螺纹，其余结构皆同，可根据需要装配不同心轴，以连接进口钻具、国产钻具或混装钻具，从而使本专利技术挠性连接轴具有通用性。心轴1上的球台5和球面接头7上的球座6除支承压力外，另一作用是造成弹簧的纯弯曲变形，球台5的球心位于管簧2中点轴线上，还有限制和防止管簧2在轴向力和离心惯性力作用下可能产生的相应变形。球面接头7的大端球面与球台5同心。球面接头7内孔直径尺寸保证不与心轴拉杆相碰。螺杆钻具在工作过程中，其马达转子因水力作用作行星运动，而传动轴则绕钻具本体轴线作定轴转动。转子轴线和传动轴轴心间有一偏心e，如图2所示。在图1中，管簧因其挠性产生弯曲变形，满足上述偏心e。由于球台5、球座6偶件的球心位于弹簧中间，故弹簧的变形为纯弯曲变形，从而保证簧丝各截面等强度。在右转力矩M作用下，簧丝(左旋)缩小压紧在内部支承环上。支承环阻碍簧丝内缩产生大曲杆应力。簧丝在支承环支承下产生拉伸，簧丝截面内为均布拉应力，从而把扭转化为拉伸，发挥了材料的潜力，提高了承载能力。外套环3用来防止偶转反转时弹簧外胀，限制产生的大曲杆弯曲应力。加上外套环后该挠性轴可承受小量的反转力矩(或旋力矩)。转子轴向压力通过心轴1、球台5和球座6偶件，球面接头7，螺纹传递到连接杆10上，保证弹簧本身不承受轴向压力。球台和球座偶件除保证弹簧的纯弯曲变形外和传递轴向压力外，还有限制和防止弹簧在离心力作用下产生的附加变形。这一偶件需更换时应成对更换。心轴1、球面接头7、面垫8、螺母9组件，承受拆装过程，提钻过程中产生的拉力以及其他意外情况下产生的拉力，以免弹簧被拉长。开口销B2用以使螺母9定位。连接杆10用来连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于连接石油工业和地质勘控钻井作业中所作用的单螺杆马达和传动轴的抗拉承压组合式挠性连接轴，它由心轴１、弹簧２和钢球构成，其特征在于还设有外套环３、支承环４、球台５、球座６、球面接头７、连接杆１０和紧固件等：（１）管簧２、外套环３和支 承环４组合，管簧２上设外套环３，下设支承环４；（２）心轴１、球台５、球座６和球面接头７组合承受和传递转子工作时的轴向压力；（３）心轴１、球面接头７、球面垫８和螺母９等组合承受提钻时下部组合的自重（拉力）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏义脑，
申请(专利权)人：石油勘探开发科学研究院钻井工艺研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]