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一种新型螺杆钻具密封传动轴总成
申请号	CN201710786585.8	申请日	2017-09-04	公开(公告)号	CN107631007A	公开(公告)日	2018-01-26
申请人	西南石油大学;			发明人	林铁军; 刘洋; 练章华; 邓昌松; 张颖; 张强; 于浩; 陈勇; 李朝阳;
摘要	本发明涉及一种新型螺杆钻具密封传动轴总成，主要由密封组件、推力轴承组、滚柱轴承组、传动轴、传动轴壳体组成，本发明优点在于，圆柱滚子轴承的接触面为平面，故承载面积大，压力分散，可有效增强轴承部件的承载能力；将TC轴承的滑动摩擦变为滚柱轴承的滚动摩擦，减少轴承的摩擦过热卡死；传动轴总成两端设置密封结构，将O型密封圈与矩形密封圈组合、Y型密封与K型密封组合、夹布盘根耐磨密封组合的三重密封，大大改进了工具的密封性能，并且多重密封隔离了钻井液与轴承内部，满足水基、油基和气基钻井液钻井应用。本发明部件易于加工，既可用于常规尺寸螺杆钻具，也可以用于小尺寸螺杆钻具，适用于小井眼及微小井眼复杂钻井工艺。
权利要求	1.一种新型螺杆钻具密封传动轴总成，其特征在于，包括传动轴(19)、设于传动轴外部的传动轴壳体(20)和设于传动轴顶部的水帽(1)，所述传动轴上部与传动轴壳体上部之间设有密封总成(2)，所述传动轴下部与传动轴壳体下部之间设有下密封承压环(17)，所述传动轴壳体与传动轴的中部设有推力轴承组(12)，在推力轴承组上设有上滚柱轴承组(11)，在推力轴承组下设有下滚柱轴承组(13)；在下密封承压环与下滚柱轴承组之间设有隔环(15)，隔环与传动轴中间设有挡环(14)；在密封总成与上滚柱轴承组之间设有密封套筒(4)，密封套筒与传动轴壳体之间自上而下依次设有密封压环(5)、油封座组件(9)和上密封承压环(7)。 2.根据权利要求1所述一种新型螺杆钻具密封传动轴总成，其特征在于，还包括丝堵(3)，所述丝堵与传动轴壳体上部通过螺纹旋合连接。 3.根据权利要求1所述一种新型螺杆钻具密封传动轴总成，其特征在于，所述上滚柱轴承组(11)或下滚柱轴承组(13)由轴承内圈(1101)、轴承外圈(1102)和圆柱滚子(1103)组成，轴圆柱滚子承内圈(1101)的内侧壁与传动轴(19)过盈配合，轴承内圈(1101)的外侧壁上沿其锥面设有与圆锥滚子配合的滚道，轴承外圈(1102)的内侧壁上沿其柱面也设有多个滚道，两相对滚道之间装有多个圆柱滚子(1103)，轴承内圈(1101)的外侧壁与传动轴(19)的外壁面过盈配合。 4.根据权利要求3所述一种新型螺杆钻具密封传动轴总成，其特征在于，所述上滚柱轴承组和下滚柱轴承组的滚道内表面镀有一层耐磨耐腐蚀材料。 5.根据权利要求1所述一种新型螺杆钻具密封传动轴总成，其特征在于，所述密封总成包括盘根压环(B1)、复合密封O型圈(B2)、盘根(B3)、压力主环(B4)、自润滑首环(B5)和盘根座(B6)；所述盘根、压力主环、自润滑首环依次压紧配合，构成一组密封组件，两组密封组件分别嵌入到的密封槽内部，两套密封组件由盘根座隔离，便于安装为常规复合密封结构，对端面起到二次密封作用。 6.根据权利要求5所述一种新型螺杆钻具密封传动轴总成，其特征在于，所述盘根压环由ASTM B148-19973.5"盘根压环/铝青铜制成，复合密封O型圈由派克N702制成，盘根由PTFK制成，压力主环为改性PTFE制成，自润滑首环为改性NBR，盘根座由42CrMo制成。 7.根据权利要求1所述一种新型螺杆钻具密封传动轴总成，其特征在于，所述密封套筒加工有环形槽，环形槽内安装有O型密封圈Ⅰ(6)；密封压环内加工有环形槽，环形槽内安装有两组O型密封圈Ⅱ(8)；上密封承压环外壁上加工有2个环形槽，环形槽内安装密封组合Ⅰ(10)；在下密封承压环与传动轴之间设有两组O型密封圈Ⅲ(18)，在下密封承压环与传动轴壳体之间设有两组密封组合Ⅱ(16)。 8.根据权利要求7所述一种新型螺杆钻具密封传动轴总成，其特征在于，所述密封组合Ⅰ包括分隔油封座(C1)、K型密封组合(C2)、O型密封圈(C3)和Y型圈座(C4)，所述K型密封组合、O型密封圈和Y型圈座组合后安装在分隔油封座内，密封压环下端面压紧在Y型密封圈斜面上，构成一组密封副。 9.根据权利要求8所述一种新型螺杆钻具密封传动轴总成，其特征在于，所述分隔油封座由45#钢制成，K型密封组合由聚四氟乙烯制成，O型密封圈由派克N702制成，O型圈座由聚四氟乙烯制成。
说明书全文	一种新型螺杆钻具密封传动轴总成技术领域 [0001] 本发明涉及一种用于特殊工艺井石油钻井用的螺杆钻具，特别是一种新型螺杆钻具密封传动轴总成。背景技术 [0002] 随着我国石油钻井业的发展，人们对主要动力钻井设备的性能及可靠性提出越来越高的要求，而我国螺杆钻具整体工作寿命并不理想，在钻井作业过程中，由于推力轴承组所受载荷比较复杂、载荷波动程度高、冲击性强、作业坏境恶劣，轴承组失效时常发生。目前，我国螺杆钻具推力轴承组的润滑方式主要为钻井液润滑，该润滑方式效果有限，润滑液所携带的固体颗粒及其所具有的腐蚀作用会加剧推力轴承组滚球与滚道的磨损。对推力轴承组润滑方式进行改良，提高其工作寿命具有重要的工程意义。 [0003] 螺杆钻具主要由旁通阀总成、马达总成、万向节总成和传动轴总成四部分组成，而传动轴总成是螺杆钻具最关键的部件之一，其将钻压及扭矩传递给钻头；推力轴承组为传动轴总成最为薄弱的环节，其主要作用是承受轴向载荷为了使推力轴承组实现油润滑，此处需对传统的传动轴总成结构和工作原理进行分析，并进行优化改进。在钻井作业过程中有超过90％的钻井液由水帽进入传动轴中部通道进而流向下部钻头，其余约7％的钻井液主要通过上TC轴承动圈、静圈之间的间隙，流经推力轴承组从而对其进行冷却及润滑。 [0004] 目前，我国螺杆钻具推力轴承组多采用钻井液润滑方式，常规传动轴总成没有采用密封结构，相对于储油润滑，该润滑方式不仅腐蚀性更强，而且钻井液中不可避免会含有固体颗粒，在巨大的载荷作用下，固体颗粒对推力轴承组磨损严重，甚至会导致滚子崩碎的发生。 [0005] 本发明借鉴的密封方式都不能很好解决密封问题，关键是加工装配要求很高，一般的螺杆钻具生产厂家也达不到这些要求，影响了此种密封传动轴的推广使用，为了彻底改善传动轴总成的传动方式和延长其使用寿命，本发明借鉴成熟的组合密封原理，结合传动轴总成内部的结构，高压柱塞泵的液力端密封系统的改进，通过对传动轴密封结构的改进，减少了传动件数量，特别是不再使用TC轴承，增大了传动轴之间的耐磨性，使用一层油膜保护内部结构，转动过程中不会发生传动轴外表面与TC 合金表面卡死，该密封结构制造可行性强，大大降低了加工成本，安装更换也方便，对传动轴结构提高传动密封性，大大改善密封能力。发明了一种组合式密封结构，多重密封配合，上下端通过使用上下滚柱轴承组和上下密封承压环，大大减少了串轴承的载荷，有效改善了传动轴内部运转的效率，可达到稳定长时间的工作。发明内容 [0006] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可以有效提高螺杆钻具的整体使用寿命的新型螺杆钻具密封传动轴总成。 [0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型螺杆钻具密封传动轴总成，包括传动轴、设于传动轴外部的传动轴壳体和设于传动轴顶部的水帽，所述传动轴上部与传动轴壳体上部之间设有密封总成，所述传动轴下部与传动轴壳体下部之间设有下密封承压环，所述传动轴壳体与传动轴的中部设有推力轴承组，在推力轴承组上设有上滚柱轴承组，在推力轴承组下设有下滚柱轴承组；在下密封承压环与下滚柱轴承组之间设有隔环，隔环与传动轴中间设有挡环；在密封总成与上滚柱轴承组之间设有密封套筒，密封套筒与传动轴壳体之间自上而下依次设有密封压环、油封座组件和上密封承压环。 [0008] 进一步的：还包括丝堵，所述丝堵与传动轴壳体上部通过螺纹旋合连接。 [0009] 进一步的：所述上滚柱轴承组或下滚柱轴承组由轴承内圈、轴承外圈和圆柱滚子组成，轴圆柱滚子承内圈的内侧壁与传动轴过盈配合，轴承内圈的外侧壁上沿其锥面设有与圆锥滚子配合的滚道，轴承外圈的内侧壁上沿其柱面也设有多个滚道，两相对滚道之间装有多个圆柱滚子，轴承内圈的外侧壁与传动轴的外壁面过盈配合。 [0010] 进一步的：所述上滚柱轴承组和下滚柱轴承组的滚道内表面镀有一层耐磨耐腐蚀材料。 [0011] 进一步的：所述密封总成包括盘根压环、复合密封O型圈、盘根、压力主环、自润滑首环和盘根座；所述盘根、压力主环、自润滑首环依次压紧配合，构成一组密封组件，两组密封组件分别嵌入到的密封槽内部，两套密封组件由盘根座隔离，便于安装为常规复合密封结构，对端面起到二次密封作用。 [0012] 进一步的：所述盘根压环由ASTM B148-19973.5"盘根压环/铝青铜制成，复合密封O型圈由派克N702制成，盘根由PTFK制成，压力主环为改性PTFE制成，自润滑首环为改性NBR，盘根座由42CrMo制成。 [0013] 进一步的：所述密封套筒加工有环形槽，环形槽内安装有O型密封圈Ⅰ；密封压环内加工有环形槽，环形槽内安装有两组O型密封圈Ⅱ；上密封承压环外壁上加工有2个环形槽，环形槽内安装密封组合Ⅰ；在下密封承压环与传动轴之间设有两组O型密封圈Ⅲ，在下密封承压环与传动轴壳体之间设有两组密封组合Ⅱ。 [0014] 进一步的：所述密封组合Ⅰ包括分隔油封座、K型密封组合、O型密封圈和Y型圈座，所述K型密封组合、O型密封圈和Y型圈座组合后安装在分隔油封座内，密封压环下端面压紧在Y型密封圈斜面上，构成一组密封副。 [0015] 进一步的：所述分隔油封座由45#钢制成，K型密封组合由聚四氟乙烯制成，O型密封圈由派克N702制成，O型圈座由聚四氟乙烯制成。 [0016] 本发明的有益技术效果是： [0017] 1、本发明采用推力球轴承和圆柱滚子轴承结合的轴承组，该轴承组相对单独使用推力球轴承，相配合的两副圆柱滚子接触面为平面，故承载面积大，压力分散，圆柱滚子的相互接触，可降低其他部件的磨损情况，在相同的载荷下，接触应力可大幅度降低，整体构件中没有TC轴承，将原来的滑动摩擦改善为滚动摩擦，使传动轴整体运行平稳，不会发生钻井液颗粒进入到狭窄的TC轴承间隙中，引起TC轴承的摩擦过热卡死。 [0018] 2、密封组合Ⅰ为第一道密封结构，O型圈与矩形圈结合为中间第二道密封形式，密封组合Ⅱ为第三道主密封在传动轴转动过程中，通过压紧三道密封结构，构成动态密封，多重密封确保钻井液不会进入轴承内部与外界的钻井液隔离，防止上返岩屑侵入油封系统内部，避免了传动轴总成早期失效的可能性。 [0019] 3、O型密封圈与矩形密封圈组合，结合夹布盘根耐磨密封组合的双重密封，大大改进了工具的密封性能和耐磨性能密封组件可靠耐用，耐磨耐高温性能优良，选用标准件，加工容易实现。 [0020] 4、整体结构简单，易于安装和拆卸，更换零部件也方便，能有效提高螺杆钻具传动轴总成的整体寿命，加工也方便，不会提高制造成本，并且可以适合多种钻井液的形式钻井，现场适用性强。附图说明 [0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0022] 图1为本发明一种新型螺杆钻具密封传动轴总成的结构示意图； [0023] 图2为图1中A处局部放大图； [0024] 图3为图1中B处局部放大图； [0025] 图4为图1中上或下滚柱轴承结构图； [0026] 图中：1-水帽、2-密封总成、3-丝堵、4-密封套筒、5-密封压环、6-O型密封圈Ⅰ、7-上密封承压环、8-O型密封圈Ⅱ、9-油封座组件、10-密封组合Ⅰ、11-上滚柱轴承组、12-推力轴承组、13-下滚柱轴承组、14-挡环、15-隔环、16-密封组合Ⅱ、17-下密封承压环、18-O型密封圈Ⅲ、19-传动轴、20-传动轴壳体；B1-盘根压环、B2-复合密封圈O型圈、B3-盘根、B4-压力主环、B5-自润滑首环、B6-盘根座；C1-分隔油封座、C2-K型密封组合、C3-O型密封圈、C4-Y型圈座；1101-轴承内圈、1101-轴承外圈和1103-圆柱滚子。具体实施方式 [0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0028] 如图1所示，一种新型螺杆钻具密封传动轴总成，包括传动轴19、设于传动轴外部的传动轴壳体20和设于传动轴顶部的水帽1，所述传动轴上部与传动轴壳体上部之间设有密封总成2，所述传动轴下部与传动轴壳体下部之间设有下密封承压环17，所述传动轴壳体与传动轴的中部设有推力轴承组12，在推力轴承组上设有上滚柱轴承组11，在推力轴承组下设有下滚柱轴承组13，上滚柱轴承组和下滚柱轴承组采用双排圆柱滚子轴承组合，安装到传动轴和传动轴壳体之间，上滚柱轴承组和下滚柱轴承组的内圈与传动轴的圆柱面过盈配合装配，并随传动轴一起转动，将原来的推力球轴承四点接触改为圆柱面与圆柱面的接触，减小了滚珠轴承上的轴向和径向应力，加强上下轴承的承载能力。在下密封承压环与下滚柱轴承组之间设有隔环15，隔环与传动轴中间设有挡环14，对隔环和传动轴起到定位作用；在密封总成与上滚柱轴承组之间设有密封套筒4，密封套筒与传动轴壳体之间自上而下依次设有密封压环5、油封座组件9和上密封承压环7。 [0029] 作为本发明的优选结构，还包括丝堵3，丝堵与传动轴壳体上部通过螺纹旋合连接。 [0030] 如图4所示，本发明中上滚柱轴承组11或下滚柱轴承组13由轴承内圈1101、轴承外圈1102和圆柱滚子1103组成，轴圆柱滚子承内圈的内侧壁与传动轴过盈配合，轴承内圈的外侧壁上沿其锥面设有与圆锥滚子配合的滚道，轴承外圈的内侧壁上沿其柱面也设有多个滚道，两相对滚道之间装有多个圆柱滚子，轴承内圈的外侧壁与传动轴的外壁面过盈配合；上滚柱轴承组和下滚柱轴承组的滚道内表面镀有一层耐磨耐腐蚀材料。 [0031] 如图3所示，密封总成包括盘根压环B1、复合密封O型圈B2、盘根B3、压力主环B4、自润滑首环B5和盘根座B6；所述盘根、压力主环、自润滑首环依次压紧配合，构成一组密封组件，两组密封组件分别嵌入到的密封槽内部，两套密封组件由盘根座隔离，便于安装为常规复合密封结构，对端面起到二次密封作用；盘根压环由ASTM B148-19973.5"盘根压环/铝青铜制成，复合密封O型圈由派克N702制成，盘根由PTFK制成，压力主环为改性PTFE制成，自润滑首环为改性NBR，盘根座由42CrMo制成。 [0032] 作为本发明的优选方案，密封套筒加工有环形槽，环形槽内安装有O型密封圈Ⅰ6；密封压环内加工有环形槽，环形槽内安装有两组O型密封圈Ⅱ8；上密封承压环外壁上加工有2个环形槽，环形槽内安装密封组合Ⅰ10；在下密封承压环与传动轴之间设有两组O型密封圈Ⅲ18，在下密封承压环与传动轴壳体之间设有两组密封组合Ⅱ16。 [0033] 进一步优选的方案，如图2所示，密封组合Ⅰ包括分隔油封座C1、K型密封组合C2、O型密封圈C3和Y型圈座C4，所述K型密封组合、O型密封圈和Y型圈座组合后安装在分隔油封座内，密封压环下端面压紧在Y型密封圈斜面上，构成一组密封副；分隔油封座由45#钢制成，K型密封组合由聚四氟乙烯制成，O型密封圈由派克N702制成，O型圈座由聚四氟乙烯制成。 [0034] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。 [0035] 本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。 [0036] 最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。