本发明公开一种适用于将施加至第一输入轴的扭矩传递到第二输入轴的联轴器，其中所述联轴器适应输入轴之间的角度变化。此外，本发明公开了一种改进的结合有该联轴器的泥浆马达传动装置。
第一输入轴，其具有第一端和第二端，所述第二端具有至少一个凹槽和至少一个向外凸出的脊；
第二输入轴，其具有第一端和第二端，所述第一端具有至少一个凹槽和至少一个向外凸出的脊；
耐磨盘，其具有第一耐磨面和第二耐磨面，所述第一耐磨面具有至少一个向外凸出的脊和至少一个凹槽，所述第二耐磨面具有至少一个向外凸出的脊和至少一个凹槽；
所述耐磨盘位于所述第一输入轴的所述第二端与所述第二输入轴的所述第一端之间，使得所述第一输入轴的所述脊和所述第二输入轴的所述脊被收纳在所述耐磨盘的所述凹槽中；
穿过所述第一输入轴的中心通道、穿过所述第二输入轴的中心通道以及穿过所述耐磨盘的中心通道，从而提供穿过所述联轴器的流体连通。
所述耐磨盘的侵蚀不改变所述第一输入轴和所述第二输入轴之间的对准状态。
所述耐磨盘由从高强度合金钢和青铜合金组成的群组中选择的复合物制成，所述高强度合金钢选自被识别为300M、4340和8620的合金钢所组成的群组。
所述第一输入轴的所述第二端、所述第二输入轴的所述第一端和所述耐磨盘的向外凸出的脊具有选自一群组的基本几何构造，所述群组由矩形、梯形、三角形和扇形组成。
所述第一输入轴的所述第二端、所述第二输入轴的所述第一端和所述耐磨盘的向外凸出的脊具有锥度，使得所述脊的上末端比所述脊的根部窄0到50％。
6.根据权利要求1所述的联轴器，还包括：润滑液槽，其位于所述耐磨盘的所述第一耐磨面上。
7.根据权利要求1所述的联轴器，还包括：润滑液槽，其位于所述耐磨盘的所述第二耐磨面上。
8.根据权利要求1所述的联轴器，还包括：至少两个润滑液槽，其位于所述耐磨盘的所述第一耐磨面上；至少一个所述润滑液槽从所述耐磨盘的外缘穿过并结束于所述耐磨盘的所述中心通道。
9.根据权利要求1所述的联轴器，还包括：至少两个润滑液槽，其位于所述耐磨盘的所述第二耐磨面上；至少一个所述润滑液槽从所述耐磨盘的外缘穿过并结束于所述耐磨盘的所述中心通道。
10.根据权利要求1所述的联轴器，还包括：至少一个润滑液槽，其将所述耐磨盘的各个向外凸出的脊二等分。
11.根据权利要求1所述的联轴器，还包括：外壳，所述联轴器能旋转地设置在所述外壳内。
12.根据权利要求11所述的联轴器，还包括：第一径向轴承外壳，其位于所述外壳内；
止推轴承，其位于所述第一径向轴承外壳与所述第二径向轴承外壳之间；
其中所述第二输入轴穿过所述第一径向轴承、所述第二径向轴承和所述止推轴承；
关节接头，其能旋转地设置在所述外壳内且在所述第二径向轴承外壳附近，所述关节接头紧固在所述第二输入轴的所述第二端上。
13.根据权利要求12所述的联轴器，其中所述联轴器的构造将所述关节接头与从所述第一输入轴接收到的轴向力隔离开。
14.根据权利要求12所述的联轴器，其中所述联轴器的构造仅将旋转力传递给所述关节接头。
第一输入轴，其能旋转地设置在所述外壳内，所述第一输入轴具有第一端和第二端，所述第一端适用于连接至泥浆马达，所述第二端具有至少一个凹槽和至少一个向外凸出的脊；
第二输入轴，其能旋转地设置在所述外壳内，所述第二输入轴具有第一端和第二端，所述第一端具有至少一个凹槽和至少一个向外凸出的脊，并且所述第二端适用于连接至关节接头；
耐磨盘，其位于所述第一输入轴和所述第二输入轴之间，所述耐磨盘具有第一耐磨面和第二耐磨面，所述第一耐磨面具有至少一个向外凸出的脊和至少一个凹槽，所述第二耐磨面具有至少一个向外凸出的脊和至少一个凹槽；
止推轴承，其位于所述第一径向轴承外壳与所述第二径向轴承外壳之间；
其中所述第二输入轴穿过所述第一径向轴承、所述第二径向轴承和所述止推轴承；并且所述第一输入轴、所述耐磨盘、所述第二输入轴、所述第一径向轴承、所述第二径向轴承和所述止推轴承将所述关节接头与从所述第一输入轴接收到的轴向力隔离开。
16.根据权利要求15所述的泥浆马达传动装置，其中选择所述耐磨盘的组成以提供所述耐磨盘的均匀的截面磨损，从而保持所述第一输入轴和所述第二输入轴之间的轴向关系。
17.根据权利要求15所述的泥浆马达传动装置，还包括：至少一个润滑液槽，其将所述耐磨盘的各个向外凸出的脊二等分。
18.根据权利要求15所述的泥浆马达传动装置，其中所述第一输入轴的所述第二端、所述第二输入轴的所述第一端和所述耐磨盘的向外凸出的脊具有选自一群组的基本几何构造，所述群组由矩形、梯形、三角形和扇形组成。
19.根据权利要求15所述的泥浆马达传动装置，其中所述第一输入轴的所述第二端、所述第二输入轴的所述第一端和所述耐磨盘的向外凸出的脊具有锥度，使得所述脊的上末端比所述脊的根部窄0到50％。
联轴器和泥浆马达传动装置
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年3月14日提交的美国临时专利申请No.61/786,717和2012年8月3日提交的美国临时专利申请No.61/679,341的优先权，上述美国临时专利申请的全文通过引用并入本文。
背景技术
[0003] 在驱动轴需要适应角度关系的变化时，能量从一个驱动轴传递到另一个驱动轴需要适合传递扭力(即扭矩)而且同时允许联轴器的各侧上的驱动轴之间做相对移动的联轴器。万向接头和等速万向节是用于该用途的两种常用的联轴器。在石油生产工业中，牙嵌式离合器或相似的装置提供了这项功能。在用于同时传递扭矩和轴向载荷时，这些联轴器处于极端负载下而导致过早损坏。
[0004] 本发明提供了适用于将扭转能从一个驱动轴传递至另一个驱动轴的新型联轴器。更具体地说，本发明的联轴器允许在适应偏心的或平行偏移的轴向对准的情况下将扭转能从一个驱动轴传递至另一个驱动轴。结果，本发明将任一输入轴处产生的运动的角度变化基本上消除或者至少基本上最小化。
发明内容
[0005] 在一个实施例中，本发明提供了一种适用于将扭转能从一个驱动轴传递至另一个驱动轴的联轴器。联轴器包括第一输入轴，第一输入轴具有第一端和第二端。所述第二端具有至少一个凹槽以及至少一个向外凸出的脊。此外，联轴器包括第二输入轴，第二输入轴具有第一端和第二端。所述第一端具有至少一个凹槽以及至少一个向外凸出的脊。耐磨盘位于两个输入轴之间且具有第一耐磨面和第二耐磨面。第一耐磨面具有至少一个向外凸出的脊以及至少一个凹槽，并且第二耐磨面具有至少一个向外凸出的脊以及至少一个凹槽。输入轴的脊被收纳在耐磨盘的凹槽中，而耐磨盘的脊被收纳在输入轴的凹槽中。因此，联轴器允许部件彼此之间的横向运动。
[0006] 在另一个实施例中，本发明提供了泥浆马达传动装置。泥浆马达传动装置包括联轴器外壳，第一输入轴能旋转地设置在联轴器外壳内。所述第一输入轴具有第一端和第二端，所述第一端适用于连接至泥浆马达。所述第二端具有至少一个凹槽以及至少一个向外凸出的脊。此外，第二输入轴能旋转地设置在联轴器外壳内。第二输入轴具有第一端和第二端，其中所述第一端具有至少一个凹槽以及至少一个向外凸出的脊，并且所述第二端适用于连接至关节式接头。耐磨盘位于所述第一输入轴与所述第二输入轴之间。所述耐磨盘具有第一耐磨面和第二耐磨面，所述第一耐磨面具有至少一个向外凸出的脊以及至少一个凹槽，所述第二耐磨面具有至少一个向外凸出的脊以及至少一个凹槽。第二外壳紧固在所述联轴器外壳上或者与所述联轴器外壳形成一体，以收容第一径向轴承、第二径向轴承和止推轴承。所述第二输入轴穿过第一径向轴承、第二径向轴承和止推轴承。第一输入轴、耐磨盘、第二输入轴、径向轴承和止推轴承将关节接头与从第一输入轴接收的轴向力隔离开。弯曲外壳紧固在轴承外壳上，且收容紧固到第二输入轴的第二端上的关节接头。联轴器外壳、联轴器、轴承外壳和止推轴承的构造将关节接头与沿结合有泥浆马达传动装置的钻柱传递的轴向力隔离开。
附图说明
[0007] 图1是本发明的联轴器的侧视图。
[0008] 图2是支持钻头盒及钻头的泥浆马达传动装置的剖视图。
[0009] 图3是沿图1中的线3-3截取的侧面剖视图，示出了穿过联轴器的流体通道。
[0010] 图4示出了联轴器的设置于输入轴上的耐磨盘。
[0011] 图5A、图5B、图5C和图5D示出了耐磨盘的可选实施例。
[0012] 图6A、图6B和图6C示出了耐磨盘在输入轴之间的运动。相对于图6A而言，图6B旋转至120°顺时针角，而图6C旋转至210°顺时针角。
[0013] 图7示出了泥浆马达传动装置的剖视图，其中图2的联轴器设置于泥浆马达传动装置的外壳内。
[0014] 图8示出了在设置于泥浆马达传动装置的外壳内时联轴器周围的和穿过联轴器的流体流动通路。
[0015] 图9示出了在联轴器设置于泥浆马达传动装置的外壳内时穿过紧固到输入轴的下端上的关节接头的流体流动通路，其中输入轴的下端形成联轴器的一部分。
[0016] 图10是适用于泥浆马达传动装置内的关节接头的侧面剖视图。
[0017] 图11是适用于泥浆马达传动装置内的关节接头的侧视图。如图所示，图10的关节接头从图9所示的位置旋转了大约90°。
[0018] 图12是应用本发明联轴器的泥浆马达传动装置的侧面剖视图，示出了泥浆马达传动装置所传递的轴向力和扭力。
[0019] 图13是示出并比较根据本发明的联轴器和“牙嵌式离合器”型联轴器的与泥浆马达传动装置的长度(即X轴)平行的测量加速度的加速计曲线图。
[0020] 图14是示出并比较根据本发明的联轴器和“牙嵌式离合器”型联轴器的与泥浆马达传动装置的长度垂直且在纵轴上(即Y轴)的测量加速度的加速计曲线图。
[0021] 图15是示出并比较根据本发明的联轴器和“牙嵌式离合器”型联轴器的与泥浆马达传动装置的长度垂直且在横轴上(即Z轴)的测量加速度的加速计曲线图。
[0022] 图16示出了适用于确定图1的联轴器所受g值的测量构造。
具体实施方式
[0023] 本发明提供了设计用来传递扭力和轴向力的改进的联轴器10。将根据泥浆马达传动装置描述联轴器10的构造和操作方面。然而，联轴器10适合用在需要经由如下联轴器传递扭矩的装置中，该联轴器需要适应驱动轴之间的角度变化。这种操作情况的非限制性实例可以包括驱动轴，其中联轴器10代替万向接头或等速万向节。
[0024] 首先参考图1、图3到图6，联轴器10包括第一输入轴12、耐磨盘14和第二输入轴16。第一输入轴12具有第一端18和第二端20。第二输入轴16具有第一端22和第二端24。耐磨盘
14具有第一耐磨面26和第二耐磨面28。第一输入轴12的第一端18和第二输入轴16的第二端
24可以以螺纹连接或其他方便的方式紧固在传动系统(drive train)中的或钻柱中的其他部件上。
[0025] 如图3和图4中更清楚地显示，第一输入轴12的第二端20具有至少一个凹槽30以及至少一个向外凸出的脊32。同样，第二输入轴16的第一端22具有至少一个凹槽34以及至少一个向外凸出的脊36。耐磨盘14的各耐磨面26和28具有构造为将输入轴12和16的凹槽30和34以及脊32和36收纳或与凹槽30和34以及脊32和36配合的对应的凹槽38和对应的脊40。如图5A到5D所示，耐磨盘14上的凹槽34可以仅具有一个限定壁。这同样适用于输入轴12和16。
[0026] 凹槽30、34、38和脊32、36、40的几何构造可以随联轴器10的使用而变化。适合的结构包括但不限于矩形、梯形(即渐缩形)、三角形和扇形。脊和凹槽通常具有圆角以减小摩擦和压力。如图5B和图5C所示，通常，脊32、36、40具有梯形或渐缩形构造。通常梯形或渐缩形表面允许存在联接磨损而无表面接触损耗。因此，这种构造通过保持联轴器部件的相对对准和构造来延长联轴器寿命。根据联轴器尺寸和应用，高度、宽度、锥角和齿数也可以有所变化。脊32、36、40从脊40的根部40a到端面40b的宽度变化可以在0％到50％之间。通常对于梯形脊40来说，端面40b比根部40a窄10％到50％。图5D示出了一种可选构造。如上所述，对于凹槽30、34、38和脊32、36、40来说，联轴器10使用倒锥形或者“楔形”构造。图5D的构造预防由于张力或拉力造成的联轴器10的分离。
[0027] 此外，如图4到图5D所示，由耐磨盘14承载的向外凸出的脊40可选地包括端面40b中的润滑液槽。尽管示出为润滑液槽仅处于耐磨盘14的脊40上，但是联轴器10的所有接触面都可包括用于增强钻探泥浆及其他润滑液横过或穿过联轴器10的运动的润滑液槽。
[0028] 耐磨盘14在将从第一输入轴12受到的扭力和轴向力传递到第二输入轴16的同时适应偏心或平行偏移的轴向对准，以将在任一输入轴12、16处产生的运动的角度变化基本上消除或者至少基本上最小化。参见图6A到图6C。凹槽30、34、38和脊32、36、40的构造和配合允许输入轴12、16和耐磨盘14之间的横向滑动。部件间的这种运动自然地产生表面磨损。如各图所示，在使用图5A到图5C的耐磨盘14时，输入轴12、16并不物理地紧固到耐磨盘14上。因此尽管耐磨盘14和输入轴12、16存在表面侵蚀，耐磨盘14与输入轴12、16配合的构造也提供联轴器部件的持续结构对准。如图2、图7和图8所示，联轴器外壳57提供进一步的对准关系。
[0029] 如图所示，联轴器外壳57限定输入轴12、16和耐磨盘14的横向限制。在操作期间，尽管有耐磨盘14的耐磨面26和28的侵蚀，凹槽30、34、38和脊32、36、40的构造也提供输入轴12、16彼此之间的一致的轴向构造。为了在耐磨面26和28上提供大致均一的侵蚀率，耐磨盘
14通常用高强度合金钢(如300M、4340、8620)或者与驱动轴12和16所用的成分相同的不锈钢成分制成，所有接触面均承载可选的硬质涂层(如陶瓷基或钴钨硬质合金涂层)，以提供附加的耐磨及抗磨性。可选地，耐磨盘14可以由牺牲材料(如高强度青铜)构成。在一种实施例中，所有的滑动或接触面26、28和端部20、22将进行耐磨及抗磨表面处理。如接下来将更具体地描述的，在泥浆马达传动装置的情况下，耐磨盘14在输入轴12、16之间的独特的、非紧固的布置方式在非对准的输入轴(即具有偏移的且平行的旋转轴线的输入轴)之间提供旋转能量的有效转换。通常，在与目前工业上使用的常规“牙嵌式离合器”相比时，输入轴
12、16和耐磨盘14的构造使联轴器10所受g值(g-force value)减小大约80％到93％，从而减少了对内部部件的冲击，提供了更安静的操作并延长了联轴器10的操作寿命。
[0030] 如图2所示，当用在泥浆马达传动装置100中时，联轴器10将承载有紧固在第二输入轴16的第二端24上的关节接头(articulated joint)50。通常，关节接头50螺纹连接到输入轴16上。关节接头50和联轴器10之间设置有第一径向轴承52、第二径向轴承54和止推轴承56，第二输入轴16穿过这些轴承。内隔圈55和外隔圈59允许调节止推轴承56上的预载荷。尽管之前未使用在泥浆马达传动装置的该部分，但是本领域的技术人员熟知通过利用内隔圈55和外隔圈59调节预载荷来正确调节和操作止推轴承56所需的技术和设置。这些轴承利用紧固在联轴器外壳57上的轴承外壳58来保持在适当位置。可选地，轴承外壳58和联轴器外壳57可以为单个整体单元，其中有关联的部件位于单个外壳内。最后，弯曲外壳60(也称为弯曲壳体)收纳关节接头50。弯曲外壳60利用常规方法紧固在轴承外壳58上。最后，关节接头50可以紧固到承载有钻头72的任何常规的钻头盒70上，或者紧固到本领域的技术人员所知的其他受驱动向下钻进工具。
[0031] 此外，如图8到图10所示，联轴器10包括至少一个流体端口42，流体端口42适于将钻探泥浆从联轴器10外部传送到输入轴12内的流体通道44中。流体通道44提供与耐磨盘14中的通道46和第二输入轴16中的通道48的流体连通。这样，流体端口42和流体通道44提供了润滑液进入到凹槽30、34、38和脊32、36、40内部的流体连通。当用在泥浆马达传动装置中时，钻探泥浆将为径向轴承52、54和止推轴承56提供必要的润滑。当用在其他扭矩传递设置中时，流体端口42和流体通道44将为任何常规润滑液提供从外部到内部的流体连通。
[0032] 因此，如图8到图10所示，联轴器10提供与位于上方的并且直接或间接地紧固到泥浆马达传动装置100的输入轴12的第一端18上的泥浆马达(未示出)之间的流体连通。从泥浆马达接收到的流体经过输入轴12、16和耐磨盘14到达关节接头50。为了提供泥浆马达传动装置100和钻头72之间的流体连通，关节接头50包括第一中心通道62、可选端口64、66以及第二中心通道68。因此，泥浆马达传动装置100在将润滑钻探泥浆供应至钻头72的同时将扭力和轴向力从泥浆马达传递到钻头72。
[0033] 图8和图9还示出了供润滑钻探泥浆穿过泥浆马达传动装置100的流体流动通路84、86。流体流动通路84始于联轴器外壳58，穿过流体端口42到达联轴器10的内部，从而为耐磨盘14以及输入轴20和22的内表面提供润滑。流体流动通路84继续穿过第二输入轴16的内部并且进入关节接头50的内部通道62、64，从而为关节接头50和关节接头50下游的部件(如钻头盒70和钻头72)提供润滑。流体流动通路86也穿过联轴器外壳58。钻探泥浆的未穿过端口42的部分继续在联轴器10外部周围沿流体流动通路86流动，以便为第一径向轴承
52、第二径向轴承54和止推轴承56提供润滑。沿通路86穿过的钻探泥浆继续流动直到到达关节接头50。在弯曲外壳60中，可选端口64和66根据内部流体压力和操作状况提供流体流动通路84和86之间的压力平衡。因此，该构造经由流体流动通路84和86提供泥浆马达(未示出)与钻头盒和钻头72之间的流体连通。
[0034] 因此，联轴器10在结合到泥浆马达传动装置100中时提供在定向钻井作业期间驱动钻头的能力，且同时提供容易替换的联轴器。然而，本发明还提供其他显著优势。
[0035] 参考图2和图12，描述通过泥浆马达传动装置100传递的扭力和轴向力。在常规的泥浆马达/泥浆马达传动装置构造中，所有的轴向力和旋转力都从泥浆马达经过泥浆马达传动装置的所有部件传递到钻头。然而，在本发明中，将联轴器10结合到泥浆马达传动装置中，这样使关节接头50与轴向压力隔离开，从而允许关节接头50仅将扭力(即旋转力)传递到钻头72。因此，关节接头50不承载轴向载荷。而是联轴器10、止推轴承56、轴承外壳58和弯曲外壳60将轴向载荷(即钻头上的重量)传递到钻头盒70和钻头72上。
[0036] 因此，在本发明的泥浆马达传动装置100中，为在钻头72上施加必要重量而由钻柱产生的轴向力不经过关节接头50。更确切地说，如图12中的线A和B所示，轴向力从联轴器10经过径向轴承52、54和止推轴承56到达轴承外壳58和弯曲外壳60再到承载有钻头72的钻头盒70。因此，钻探目的所需的施加给钻头72的所有轴向力或重量经过关节接头50周围。同样，关节接头50仅将泥浆马达施加给联轴器10的旋转能量(即扭矩)传递给钻头72。通过将关节接头50与轴向压力隔离开，本发明显著地延长了关节接头50的使用寿命。反过来说，泥浆马达传动装置100的构造将关节接头50从通过钻探操作产生的动力隔离开，因为这些力经由相同的轴向传递部件传送。
[0037] 此外，参考图13到图15，与先前可用的传动装置相比，泥浆马达传动装置100提供了更显著的操作效率。为了确定由联轴器10产生的振动水平，即与平稳的旋转能量传递不一致的运动，在联轴器10操作期间使用两种泥浆马达传动装置执行加速计测试。在下面的正态分布等式中带入由测试所产生的加速计均值和标准偏差数据，以生成图13到图15的曲线。
[0038]
[0039] 其中
[0040] 其中μ＝均值
[0041] 一种传动装置使用联轴器10，而另一种传动装置使用常规的“牙嵌式离合器”构造。加速计测试使用测力计代替钻头盒，并且使用一系列串加速计107来测量X、Y和Z轴上的g值。加速计测量出的g值的减小反映了旋转能量传递的改进。在使用联轴器10的情况下，不受理论所限，我们认为由耐磨盘14和输入轴12、16之间关系提供的滑行运动消除或至少基本上减少了输入轴12、16之间的晃动或偏移运动。此外，联轴器10消除或基本上减少了输入轴12、16之间的冲击应力。相反地，如“牙嵌式”等现有技术构造，在关联的输入轴之间施加晃动和冲击应力。
[0042] 参考图13，线92代表测得的与联轴器10的传动装置的长度(X轴加速计107)平行的加速度，而线93提供了用于“牙嵌式离合器”型联轴器的相同数据。如线92所反映的，受到在仅1.15g’s范围内的g值。相反，“牙嵌式离合器”受到在7.93g’s范围内的g值。使用加速度数据的均方根(grms)值，本发明的联轴器10的值为0.162而牙嵌式离合器的值为1.012。因此，联轴器10的X轴上的值比牙嵌式离合器低84％。
[0043] 图14提供了与传动装置的长度垂直且在纵轴(即Y轴)上测量的加速度的加速度曲线。线94提供了联轴器10的加速计值，而线95提供了牙嵌式离合器的值。如线94所反映的，g值联轴器10受到在仅0.97g’s范围内的g值。相反，如线95所反映的，“牙嵌式离合器”受到在14.74g’s范围内的g值。使用加速度数据的均方根(grms)值，本发明的联轴器10的值为0.279而牙嵌式离合器的值为2.766。因此，联轴器10的Y轴上的值比牙嵌式离合器低90％。
[0044] 图15提供了与传动装置的长度垂直且在横轴(即Z轴)上测量的加速度的加速度曲线。线96表示联轴器10的值，而线97表示牙嵌式离合器的值。如线96所反映的，g值联轴器10受到在仅1.75g’s范围内的g值。相反，如线95所反映的，“牙嵌式离合器”受到在19.62g’s范围内的g值。使用加速度数据的均方根(grms)值，本发明的联轴器10的值为0.399而牙嵌式离合器的值为3.355。因此，联轴器10的Z轴上的值比牙嵌式离合器低88％。
[0045] 考虑到加速计数据，本领域的技术人员能够认识到联轴器10与牙嵌式离合器相比在操作期间受到明显更小的振动引发压力。联轴器10中部件的滑动关系保持输入轴12、16的相对对准。所得到的低振动特性将在联轴器10的使用寿命中保持恒定。相反，牙嵌式离合器中的耐磨盘可能会增大常规联轴器受到的振动水平，并随后将增大的振动传递至钻孔设备。
[0046] 对本领域的技术人员而言，本发明的其他实施例是显而易见的。这样，前文所述仅提供并描述了本发明的一般用途和方法。因此，下述权利要求书限定了本发明的真正范围。
