专利名称：具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种石油、矿山、煤田、气田等领域用涡轮钻具中间支承节，尤其是一种适应较高转速且工作寿命较长的具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，属于机械制造技术领域。
提高涡轮钻具整机工作寿命的关键在于如何提高涡轮钻具易损件推力轴承组的工作寿命。现有结构涡轮钻具承担轴向载荷的易损件为金属～橡胶推力轴承组，在钻井液(泥浆)冷却润滑条件下工作，钻井液中的高硬度固相颗粒(如石英砂)成为磨粒介质，造成推力轴承组在钻井液磨粒磨损条件下过快磨损，金属橡胶推力轴承组的工作寿命达不到二十一世纪工业发展的需要，一般只有50～100小时。
本实用新型的另一目的在于针对现有技术之不足，提供一种具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，能够防止密封油腔内形成过高的压力，避免漏油。
本实用新型的再一目的在于针对现有技术之不足，提供一种具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，保证TC轴承在充分冷却润滑条件下具有较长的工作寿命。
本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的一种具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，它由轴、上TC轴承、下TC轴承和外壳组成，其中，上、下TC轴承在轴上顺次设置，轴承外设置有外壳，在上TC轴承和下TC轴承之间顺次设置有上部橡胶密封、多级推力轴承组和下部橡胶密封，上部橡胶密封、下部橡胶密封、轴与外壳四者围成的空间为工作油腔，多级推力轴承组设置在工作油腔内。
多级推力轴承组为多级四点角接触推力球轴承组或多级推力满圆锥滚子轴承组或多级推力短圆柱滚子轴承组，它设置在工作油腔内，级数为两级以上，其轴向游隙为0.1～5.0mm。
在上TC轴承与上部橡胶密封之间还设有储油补偿器。储油补偿器主要包括补偿环、补偿器基体、单向安全阀、补偿器内筒、补偿器外筒、活塞和密封圈；补偿环紧贴轴侧，补偿器基体、补偿器内筒、外筒与活塞所形成的环形空间为储油腔，补偿器内筒或外筒上端设有单向安全阀。
储油补偿器基体上设有供润滑油通过的通孔，补偿器内筒或外筒的上端与单向安全阀接触处设有一纵向开槽，储油腔经由环状通道与工作油腔相连，在储油补偿器与补偿环之间设有环状钻井工作液通道。
橡胶密封分别由密封动环、静环和橡胶密封圈组成，橡胶密封圈又分为动密封圈和静密封圈。其中，动密封圈设在密封动环和静环之间，静密封圈分别设在密封动环与轴之间和密封静环与外壳之间。
在储油补偿器与上部橡胶密封之间位置的轴上和在下部橡胶密封与下TC轴承之间位置的轴上分别设置有一个钻井液通孔，在外壳体两端分别设置有一个注油孔和排油孔。
在上TC轴承上方的轴上设置有上半联轴器，下TC轴承下方的轴上设置有下半联轴器。轴上端的上半联轴器为花键公锥式半联轴器或花键母锥式半联轴器，轴下端的下半联轴器为牙嵌式半联轴器或方轴式半联轴器或方孔式半联轴器，上、下半联轴器通过锥螺纹与轴相连接。
支承节的外壳包括上短接头和壳体两部分，上短接头下端与壳体上端之间通过锥螺纹连接。上短接头的一端为母扣，另一端为公扣。在此值得说明的是，为了加工工艺性好和降低生产成本，支承节的外壳也可以设计成由上短接头、壳体和下短接头三部分组成，此时支承节的壳体变成两端为母扣的薄壁套筒式壳体，下短接头为两端为公扣的短接头。
综上所述，本实用新型具有如下优点1、本实用新型利用井下动力钻具工作环境压力较高的特点，使涡轮钻具易损件推力轴承组密封在工作油腔内，密封油腔内的所有工作零件始终在油浴状态下工作，而且当油腔内的润滑油有少量漏失时，在钻井工作液压力作用下储油补偿器会及时从储油腔向工作油腔补充一定数量的润滑油，以延长涡轮钻具易损件推力轴承组的工作寿命。
2、本实用新型同时还能防止密封油腔内形成过高的压力，能避免漏油。
3、本实用新型还保证了上、下TC轴承在充分冷却润滑的条件下工作，具有较长的工作寿命；4、本实用新型的涡轮钻具中间支承节，将涡轮钻具中承担水力载荷和轴上零件自重的易损件止推轴承从每节涡轮钻具(涡轮节)中分离出来，成为一种独立的寿命较长的中间支承节，在涡轮钻具常规检修时只需要检修中间支承节就可以了，使涡轮钻具的安装、维修更加方便和快捷。
实施例1将图5所示推力轴承组置入
图1所示涡轮钻具中间轴承节工作油腔H就成为本实用新型一种具有储油补偿器的橡胶密封多级四点角接触推力球轴承组(两环)涡轮钻具中间支承节。它主要由上半联轴器1、上短接头2、壳体3、上TC轴承动环4、上TC轴承静环5、储油补偿器12、上部橡胶密封13、多级四点角接触推力球轴承组6、下部橡胶密封14、下TC轴承动环7、下TC轴承静环8、轴9和下半联轴器10等组件。其中，下TC轴承动环7、下部橡胶密封动环14a、推力轴承组动环6a、上部橡胶密封动环13a、补偿环11、上TC轴承动环4等依次装在轴9上，由上半联轴器1压紧在轴9上；下半联轴器10装在轴9下部。以上零部件构成涡轮钻具中间支承节的转动部分。下TC轴承静环8、下部橡胶密封静环14b、推力轴承组静环6b、上部橡胶密封静环13b、储油补偿器12、上TC轴承静环5等依次装在壳体3内，由上短接头2压紧在壳体3内。以上零部件构成涡轮钻具中间支承节的静止部分。
如
图1、图2和图3所示，储油补偿器12位于工作油腔H上方，它主要包括补偿器基体15、单向安全阀22、补偿器内筒21、补偿器外筒19、活塞20以及密封圈17等。储油补偿器基体15上设置有润滑油通孔F和G，补偿器内筒21或外筒19的上端与弹性套筒式单向安全阀22接触处设置有一纵向开槽B。储油腔M与工作油腔H由环状润滑油通道C相连。在储油补偿器12与补偿环11之间为环状钻井工作液通道D。当工作油腔H和储油腔M内产生气体或因其它原因造成油腔内压力过高时单向安全阀22会自动打开，允许气体或过多的润滑油溢出，而不允许钻井工作液从环行空间进入密封油腔内。
如图4所示，为本实用新型上部和下部橡胶密封结构示意图。从图中可知，上部橡胶密封13由密封动环13a、静环13b及其上的密封圈16构成，其中密封圈16a、16e和16f为静密封，而密封圈16b、16c和16d为旋转动密封。下部橡胶密封14由密封动环14a、静环14b及其上的密封圈18构成，其中密封圈18a、18e和18f为静密封，而密封圈18b、18c和18d为旋转动密封。密封动环13a和14a外表面均经过表面硬化处理，其具有较高硬度和良好耐磨性。由于有多道密封，因此在较高压力下钻井液也无法进入密封油腔内。
图中箭头表示钻井工作液流动方向。在储油补偿器12与上部橡胶密封13之间位置的轴9上设置有一个钻井液通孔N，在下部橡胶密封14与下TC轴承动环7之间位置的轴9上设置有一个钻井液通孔Q。当涡轮钻具在井下工作时会有少量钻井液自上TC轴承动环4与静环5之间的间隙通过环状通道D和通孔N进入轴9内孔，与此同时钻井液的压力通过活塞20、储油腔M和环状通道C传递到工作油腔H中，储油腔M中的润滑油自环状通道C进入工作油腔H，直到活塞20移动到储油腔M最上端位置。
当涡轮钻具在井下工作时，在钻井液压差作用下有少量钻井液沿
图1中箭头所示方向从上TC轴承动环4与静环5之间的间隙流过对上TC轴承进行冷却润滑后沿通孔N进入轴9中心内孔；同时，轴9中心内孔中的少量钻井液会在压差作用下自通孔Q沿
图1中箭头所示方向从下TC轴承动环7与静环8之间的间隙流过对下TC轴承进行冷却润滑。
如
图1所示，在外壳体3两端分别设置有一个注油孔L和排油孔P，以方便向储油腔M、工作油腔H以及环状润滑油通道C注入润滑油。
本实用新型轴上端的上半联轴器为花键公锥式半联轴器，轴下端的下半联轴器为牙嵌式半联轴器。
实施例2将图6所示推力轴承组置入
图1所示涡轮钻具中间轴承节工作油腔H就成为本实用新型一种具有储油补偿器的橡胶密封多级四点角接触推力球轴承组(四环)涡轮钻具中间支承节。此实施例与实施例1结构基本相同，不同的是本实施例采用的多级推力球轴承为四环斜平面多级四点角接触双向推力球轴承，实施例1采用的多级推力球轴承为两环弧面多级四点角接触双向推力球轴承。
实施例3将图7所示推力轴承组置入
图1所示涡轮钻具中间轴承节工作油腔H就成为本实用新型一种具有储油补偿器的橡胶密封多级推力满圆锥滚子轴承组涡轮钻具中间支承节。它主要由上半联轴器1、上短接头2、壳体3、上TC轴承动环4、上TC轴承静环5、储油补偿器12、上部橡胶密封13、多级推力满圆锥滚子轴承组24、下部橡胶密封14、下TC轴承动环7、下TC轴承静环8、轴9和下半联轴器10等组件。此实施例与实施例1结构基本相同，不同的是本实施例采用的推力轴承组为多级推力满圆锥滚子轴承组，实施例1采用的推力轴承组为多级两环弧面四点角接触双向推力球轴承组。
多级推力满圆锥滚子轴承组工作时圆锥滚子24c与支撑盘即推力盘24a及24b之间是线接触，而角接触推力球轴承工作时钢球6c与支撑盘即轴承动环6a及6b之间是点接触。推力满圆锥滚子轴承的特征是圆锥滚子母线与圆锥滚子自转中心线的交点即圆锥滚子锥顶在支承节轴心线上，推力满圆锥滚子轴承中圆锥滚子自转中心线与圆锥滚子公转中心线即支承节轴心线相垂直，推力满圆锥滚子轴承中圆锥滚子的圆锥角α为10°～20°，推力满圆锥滚子轴承中所有圆锥滚子的圆锥角度数和为360°。
本实用新型采用多级(两级以上)推力轴承结构，使支承节受到的轴向载荷均布到各级推力轴承，使每级推力轴承承担的载荷较小。为了保证载荷能可靠地均布到各级推力轴承，除加工和装配时提高精度外，我们还在推力轴承支撑盘之间设置了弹簧23(如橡胶弹簧或组合蝶形弹簧，其结构形状如图8或图9所示)。弹簧在保证各级推力轴承协调工作的同时还可以有效降低支承节受到的动载，避免轴承发生冲击破坏。
实施例4将
图10所示推力轴承组置入
图1所示涡轮钻具中间轴承节工作油腔H就成为本实用新型一种具有储油补偿器的橡胶密封多级推力短圆柱滚子轴承组涡轮钻具中间支承节。它主要由上半联轴器1、上短接头2、壳体3、上TC轴承动环4、上TC轴承静环5、储油补偿器12、上部橡胶密封13、多级推力短圆柱滚子轴承组25、下部橡胶密封14、下TC轴承动环7、下TC轴承静环8、轴9和下半联轴器10等组件。此实施例与实施例3结构基本相同，不同的是本实施例采用的推力轴承组为多级推力短圆柱滚子轴承组，实施例3采用的推力轴承组为多级推力满圆锥滚子轴承组。
多级推力短圆柱滚子轴承工作时圆柱滚子25c与支撑盘即推力盘25a和25b之间也是线接触(图中25d为轴承保持架)。另外，本实用新型多级推力短圆柱滚子轴承中的短圆柱滚子为单列或双列或多列，滚子直径为12～36mm，滚子长度为10～30mm，其特征在于轴承具有保持架，短圆柱滚子自转中心线与圆柱滚子公转中心线即支承节轴心线相垂直。
另外，需要说明的是，本实用新型中所涉及到的“储油补偿器”利用了实用新型专利“井下动力钻具储油密封补偿结构”(专利设计人谭春飞，专利号ZL00234224.3)部分技术，所不同的地方是本实用新型中所有动密封和静密封均是径向橡胶密封，而专利“井下动力钻具储油密封补偿结构”中旋转动密封为端面密封，其余动密封和静密封为径向橡胶密封。
为了检修时方便，本实用新型将涡轮钻具中承担水力载荷和轴上零件自重的推力轴承组从每节涡轮钻具(涡轮节)中分离出来，设计成一个独立的长寿命涡轮钻具中间支承节。这样，涡轮钻具常规检修时只需检修中间支承节就可以了。当然，大修或涡轮钻具有异常损坏时还必须将涡轮节拆开进行检查或更换涡轮定子、转子及扶正轴承。
在支承节中轴上端的上半联轴器为花键公锥式半联轴器或花键母锥式半联轴器，轴下端的下半联轴器为牙嵌式半联轴器或方轴式半联轴器或方孔式半联轴器。各种联轴器的结构示意图如
图11～
图14所示。上半联轴器或下半联轴器通过锥螺纹与轴相连接。在上半联轴器或下半联轴器锥螺纹小端底部均有一个Φ8～Φ20mm的测量、观察或通气孔。上半联轴器既承担自上而下的轴向载荷，又传递来自涡轮节的输出扭矩；下半联轴器只传递扭矩，不承担轴向载荷。
涡轮钻具中间支承节中起扶正作用的TC轴承的径向间隙为0.1～0.8mm。其中，上TC轴承工作面长度为50～150mm，下TC轴承工作面长度为75～200mm，这样就可以保证中间支承节中的多级推力球轴承组只承受轴向载荷。TC轴承动环外圆表面和静环内圆表面均镶嵌有耐磨硬质合金，硬质合金的硬度高，耐磨性好，能在恶劣工况条件下良好工作，寿命较长。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.一种具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，它由轴、上TC轴承、下TC轴承和外壳组成，其中，上TC轴承、下TC轴承在轴上顺次设置，轴承外设置有外壳，其特征在于在上TC轴承和下TC轴承之间顺次设有上部橡胶密封、多级推力轴承组和下部橡胶密封，上部橡胶密封、下部橡胶密封、轴与外壳四者围成的空间为工作油腔，多级推力轴承组设在工作油腔内。
2.根据权利要求1所述的具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，其特征在于所述的多级推力轴承组为多级四点角接触推力球轴承组或多级推力满圆锥滚子轴承组或多级推力短圆柱滚子轴承组，它设置在工作油腔内，级数为两级以上，其轴向游隙为0.1～5.0mm。
3.根据权利要求1所述的具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，其特征在于在上TC轴承与上部橡胶密封之间还设有储油补偿器。
4.根据权利要求3所述的具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，其特征在于储油补偿器主要包括补偿环、补偿器基体、单向安全阀、补偿器内筒、补偿器外筒、活塞和密封圈；补偿环紧贴轴侧，补偿器基体、补偿器内筒、外筒与活塞所形成的环形空间为储油腔，补偿器内筒或外筒上端设有单向安全阀。
5.根据权利要求4所述的具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，其特征在于所述的储油补偿器基体上设有供润滑油通过的通孔，补偿器内筒或外筒的上端与单向安全阀接触处设有一纵向开槽，储油腔经由环状通道与工作油腔相连，在储油补偿器与补偿环之间设有环状钻井工作液通道。
6.根据权利要求1所述的具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，其特征在于所述的橡胶密封分别由密封动环、静环和橡胶密封圈组成，橡胶密封圈又分为动密封圈和静密封圈。其中，动密封圈设在密封动环和静环之间，静密封圈分别设在密封动环与轴之间和密封静环与外壳之间。
7.根据权利要求1所述的具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，其特征在于在储油补偿器与上部橡胶密封之间位置的轴上和在下部橡胶密封与下TC轴承之间位置的轴上分别设置有一个钻井液通孔，在外壳体两端分别设置有一个注油孔和排油孔。
8.根据权利要求1所述的具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，其特征在于在上TC轴承上方的轴上设置有上半联轴器，下TC轴承下方的轴上设置有下半联轴器。
9.根据权利要求7所述的具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，其特征在于轴上端的上半联轴器为花键公锥式半联轴器或花键母锥式半联轴器，轴下端的下半联轴器为牙嵌式半联轴器或方轴式半联轴器或方孔式半联轴器，上、下半联轴器通过锥螺纹与轴相连接。
10.根据权利要求1或8或9所述的具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，其特征在于所述的外壳分为上短接头和壳体两部分，上短接头下端与壳体上端通过锥螺纹连接。
专利摘要具有储油补偿器的橡胶密封涡轮钻具中间支承节，它由轴、上、下TC轴承(径向硬质合金滑动轴承)和外壳组成，上、下TC轴承在轴上顺次设置，其外设置有外壳，在上、下TC轴承之间顺次设有上部橡胶密封、多级推力轴承组和下部橡胶密封，上、下部橡胶密封、轴与外壳四者围成的空间为工作油腔，其内设轴承组，上、下TC轴承两侧的轴上分别设有上、下半联轴器。本实用新型使中间支承节工作油腔内的推力轴承组工作时得到良好润滑，且当润滑油少量漏失时，在钻井工作液压力作用下储油补偿器会及时补充；能防止密封油腔内形成过高的压力，避免漏油；能保证TC轴承在充分冷却润滑条件下具有较长的工作寿命；本实用新型工作可靠，更换易损件方便。
文档编号E21B12/00GK2565962SQ02246310
公开日2003年8月13日 申请日期2002年8月19日 优先权日2002年8月19日
发明者谭春飞, 蔡镜仑 申请人:石油大学(北京)