泥浆马达传动装置及使用方法与流程

本发明要求2014年5月5日提交的美国临时专利申请No.61/988，688的优先权，该专利的全部公开内容通过引用的方式并入本文。

背景技术：

当驱动轴需要适应(accommodate)角度关系的变化时，从一个轴向另一个轴传递能量需要适于传递扭转力(即，扭矩)的联轴器，从而容许联轴器的每一侧上的轴之间的相对移动。万向接头和等速接头(等速万向节)是两种用于该目的常用的联轴器。在石油生产工业中，爪式离合器或类似设备提供该功能。在既用来传递扭转载荷又用来传递轴向载荷时，这些联轴器置于极端载荷下，导致过早失效。

本发明提供适合用于从一个轴向另一个轴传递扭转能量的新的联轴器。具体地说，本发明的联轴器在适应偏心或平行偏移的轴对准的同时容许从一个轴向另一个轴传递扭转能量。结果，本发明将任一输入轴处产生的移动中的角度变化基本上消除或至少基本上最小化。

技术实现要素：

在一个实施例中，本发明提供一种适于将扭转能量从一个轴传递到另一个轴的联轴器。第一联轴器包括具有第一端部和第二端部的第一输入轴。第二端部具有至少一个凹陷的槽和至少一个向外突出的脊部(隆起)。另外，联轴器包括具有第一端部和第二端部的第二输入轴。第二输入轴的第二端部承载有双关节联轴器形式的第二联轴器。第二联轴器可以通过适于构件的端部使用的任何常规的结构固定至第二输入轴的第二端部。第二输入轴的第一端部具有至少一个凹陷的槽和至少一个向外突出的脊部。位于第一输入轴与第二输入轴之间的是具有第一承磨表面和第二承磨表面的承磨盘。第一承磨表面具有至少一个向外突出的脊部和至少一个凹陷的槽，并且第二承磨表面具有至少一个向外突出的脊部和至少一个凹陷的槽。输入轴的脊部接纳在承磨盘的槽内，同时承磨盘的脊部接纳在输入轴的槽内。因此，第一联轴器容许构件相对于彼此侧向地移动。由第二输入轴的第二端部所承载的第二联轴器(即双关节联轴器)是双关节联轴器，该双关节联轴器包括联轴器输入轭架、联轴器中央元件和联轴器输出轭架。联轴器输入轭架具有限定榫舌和榫槽结构(tongue and groove arrangement)的槽并且每个榫舌具有拱形凹部。联轴器输出轭架与联轴器输入轭架的构造相对应。因此，双关节联轴器的第一端部固定至中间轴或第二输入轴，并且第二端部具有限定榫舌和榫槽结构的槽并且每个榫舌具有拱形凹部。联轴器中央元件具有构造为接纳在联轴器输入轭架的槽内的第一榫舌，以及构造为接纳在联轴器输入轭架的每个榫舌的拱形凹部内的一对关节。另外，联轴器中央元件具有构造为接纳在联轴器输出轭架的槽内的第二榫舌，以及构造为接纳在联轴器输出轭架的每个榫舌的拱形凹部内的一对关节。第二联轴器中的构件的每个榫舌的相对长度可以根据由所描述的联轴器连接起来的轴所驱动的构件而变化。最后，所有构件可以位于壳体内。

在另一实施例中，本发明提供一种驱动轴，该驱动轴包括输入轴、中央轴、输出轴和两个中央联轴器元件。输入轴、第一中央联轴器和中央轴的第一端部限定第一双关节联轴器。输出轴、第二中央联轴器和中央轴的第二端部限定第二双关节联轴器。中央轴的第一端部和第二端部承载有联轴器轭架，每个联轴器轭架限定榫舌和榫槽结构并且每个榫舌具有拱形凹部。由第一联轴器轭架限定的凹槽和由第二联轴器轭架限定的凹槽可以彼此成一直线或彼此不对准。输入轴的第一端部构造为附接至动力输入构件，并且输入轴的第二端部限定榫舌和榫槽结构并且每个榫舌具有拱形凹部。输入轴可以是整体构件或输入轴可以承载有适于将输入轴固定至驱动构件的输入轴接合器。输出轴的第一端部限定榫舌和榫槽结构并且每个榫舌具有拱形凹部，并且输出轴的第二端部构造为附接到被驱动构件。在一个实施例中，输出轴是包括在井下环境中适于用作分流器的流体流动孔口的整体构件。在另一实施例中，输出轴承载有适于固定至被驱动构件(诸如分流器或其它被驱动构件等)的输出轴接合器。在一个实施例中，每个榫舌还具有定位销孔。每个联轴器中央件具有第一榫舌和第二榫舌并且每个榫舌限定扭矩反作用面(torque reaction face)。另外，每个联轴器中央件具有构造为接纳在每个榫舌的拱形凹部内的一对关节。关节位于联轴器中央件的榫舌的两侧上。因此，关节为与各个接纳榫舌的拱形凹部对准而分开或间隔开。对于第一联轴器中央件，第一榫舌位于由输入轴所承载的榫舌和榫槽构造限定的槽内，并且第一关节接纳在输入轴的榫舌的拱形凹部内。第一联轴器中央件的第二榫舌位于由中央轴的第一端部所承载的榫舌和榫槽构造限定的槽内，并且第一联轴器中央件的第二关节位于中央轴的第一端部的榫舌的拱形凹部内。同样地，第二联轴器中央件的第一榫舌位于由中央轴的第二端部的榫舌和榫槽构造限定的槽内，并且由第二联轴器中央件所承载的第一对关节位于中央轴的第二端部的榫舌的拱形凹部内。组装后，位于每个定位销孔中的驱动轴构件为定位销。

附图说明

图1A是本发明的第一实施例中的第一联轴器的侧视图。

图1B是图1A中所绘出的第一联轴器的特写视图。

图2是使用本发明的第一实施例的泥浆马达传动装置的剖视图，其中，输入联轴器是滑动型联轴器并且输出联轴器是双关节联轴器。

图3是输出联轴器的联轴器输入轭架的视图。

图4是输出联轴器的联轴器中央元件的视图。

图5是联轴器输出轭架的视图。

图6是以壳体的剖视图示出的本发明的第二实施例的透视图。该透视图绘出了将输入轴、中央轴和输出轴接合起来的两个双关节联轴器。

图7绘出了具有输入轴接合器的输入轴的侧视图。

图8绘出了具有输入轴接合器的输入轴的侧剖视图。

图9绘出了中央联轴器元件。

图10是中央轴的透视图。

图11是输出轴的一个实施例的透视图。

图12是输出轴的一个实施例的侧剖视图，其中示出了适于将联轴器结合到泥浆马达传动装置中时的定位销孔和流体流动孔。

图13是绘出销穿过输入轴和中央轴中的通孔并且将输入轴和中央轴固定到中央联轴器元件上的侧剖图。

图14是示出位于剖开的适于钻具中使用的弯曲壳体内的双联轴器的分解图的局部剖视图。

图15是结合有两个双关节型联轴器的驱动轴的另一实施例的侧剖图。在该实施例中，驱动轴的输出端使用输出轴和适于与被驱动构件连接的输出轴接合器。

图16是结合有两个双关节型联轴器的驱动轴的另一实施例的侧剖图。在该实施例中，驱动轴的输出端使用输出轴和与后续的被驱动轴连接的输出轴接合器。

图17示出了用于中央联轴器元件的枢轴点X和Y。

图18是输入轴接合器和可加工垫圈就位的输入轴的侧视图。

图19是安装有轴接合器和可加工垫圈的输入轴的侧剖图并且其中绘出了锁定丝的位置。

图20是在组装之前的可加工垫圈、输入轴接合器和锁定丝的透视图。

图21A是安装在输入轴上的输入轴接合器的端视图，其中可加工垫圈在输入轴接合器的扭转六角形部上就位。

图21B是沿图19的线21B截取的安装在输入轴上的输入轴接合器的端部剖视图，其中可加工垫圈在输入轴接合器的扭转六角形部上就位。

图22提供了在扭转试验机上试验图6至图21的设备而产生的数据。

图23提供了在扭转试验机上试验图6至图21的设备而产生的数据。

具体实施方式

本发明提供一种被设计为用于传递扭转力和轴向力的改进的驱动轴构造10。将基于泥浆马达传动装置，对驱动轴构造10的构造和操作方面进行说明。然而，驱动轴构造10适用于需要经由下述联轴器来传递扭矩的设备：该联轴器需要适应驱动轴之间的角度变化。这种操作的非限定性实例可以包括以驱动轴构造10来代替万向接头或连续速度接头的驱动轴。

首先参考图1和图2，在一个实施例中，驱动轴构造10包括第一输入轴12、承磨盘14和第二输入轴16。第一输入轴12具有第一端部18和第二端部20。第二输入轴16具有第一端部22和第二端部24。承磨盘14具有第一承磨表面26和第二承磨表面28。第一输入轴12的第一端部18和第二输入轴16的第二端部24可以具有螺纹或者以任何有助于固定驱动链或钻具中的其它构件的方式构造。

第一输入轴12的第二端部20具有至少一个槽30和至少一个向外突出的脊部32。类似地，第二输入轴16的第一端部22具有至少一个槽34和至少一个向外突出的脊部36。承磨盘14的承磨表面26和承磨表面28中的每一个具有构造为接纳或配合输入轴12、16的槽30、34和脊部32、36的相应的槽38和相应的脊部40。

参考图1A和图1B，槽30、34、38和脊部32、36、40的几何构造可以随着驱动轴构造10的使用而变化。适当的构造包括但不限于矩形、梯形(即渐缩形)、三角形和圆齿形。脊部和槽通常具有倒圆的拐角以减小摩擦力和应力。通常，脊部32、36、40为梯形的或渐缩形的。通常，渐缩形或梯形的表面在不损失面接触的同时允许联轴器磨损。因此，该构造通过保持联轴器构件的相对对准而延长了联轴器寿命。齿的高度、宽度、渐缩角度和数量可根据联轴器的尺寸和应用而变化。脊部32、36、40的宽度从脊部的基部到末端表面的变化可以在0％到50％之间。通常，对于梯形的脊部40，末端表面将比基部窄10％到50％。如图中所示出的那样，驱动轴构造10针对槽30、34、38和脊部32、36、40采用相反的渐缩面或“燕尾榫接合”构造。

此外，如图1b中所绘出，由承磨盘14所承载的向外突出的脊部40可选地包括末端表面中的润滑凹槽。尽管仅在承磨盘14的脊部40上示出，但驱动轴构造10的所有接触表面都可以包括润滑凹槽，以加强横穿并通过驱动轴构造10的钻井泥浆和其它润滑剂的移动性。

承磨盘14在适应偏心或平行偏置的轴对准的同时将在第一输入轴12处接收的扭转力和轴向力传递到第二输入轴16，从而将在输入轴12、16中的任一个处产生的移动中的角度变化基本上消除或至少基本上最小化。槽30、34、38与脊部32、36、40的构造和协作容许输入轴12、16与承磨盘14之间的侧向滑移。在构件中的这种移动将必然产生表面磨损。通常，尽管承磨盘14和输入轴12、输入轴16上的表面被磨损，但与输入轴12、输入轴16协作的承磨盘14的构造提供联轴器构件的连续结构化对准。通过如图2中所绘出的联轴器壳体57提供进一步的对准关系。

为了提供横跨表面26和表面28的基本均匀的磨损速度，承磨盘14通常由与轴12和轴16所用的材料相同的高强度合金钢(诸如300M、4340、8620或不锈钢成分等)制造，并且所有接触表面承载有可选硬质涂层(诸如陶瓷基或钴-碳化钨涂层等)，以提供额外的抗磨和抗损耗性。作为选择，承磨盘14可以由诸如高强度铜等牺牲性材料制成。在一个实施例中，对所有的滑动或接触表面26、28以及端部20、22实施抗磨和抗损耗表面处理。如将在下文中详细说明的，在泥浆马达传动装置的范围内，输入轴12与输入轴16之间的独特的、非固定的承磨盘14结构在未对准的输入轴(即具有偏移、平行的旋转轴线的输入轴)之间提供有效的转动能量传输。一般来说，与目前工业中采用的常规“爪式离合器”联轴器相比，输入轴12、输入轴16和承磨盘14的上述构造使驱动轴构造10承受的g力(g-force)的值减少约80％至约93％，从而减少了内部构件的冲击、提供了更加安静的运行并延长了驱动轴构造10的运行寿命。

如图2中所绘出的，驱动轴构造10承载有固定在第二输入轴16的端部24上的双关节联轴器400。双关节联轴器400包括联轴器输入轭架402、联轴器中央元件404和联轴器输出轭架406。最后，如图6所绘出的，如果将驱动轴10用在泥浆马达传动装置中，则弯曲壳体408(也被称作曲面壳体)可以容纳双关节联轴器400。可以将双关节联轴器400固定至任何常规的钻头盒(bit box)或固定至本领域的技术人员已知的其它井下驱动工具。作为选择，可以以适当的方式将双关节联轴器400固定至任何被驱动构件以向被驱动构件传递扭矩。

因此，驱动轴构造10在已被结合到泥浆马达传动装置100中时，在提供容易更换的联轴器的同时在定向钻进期间提供驱动钻头的能力。然而，本发明还提供了明显的其它优点。

通过任何适于驱动轴10的预期用途的常规手段将双关节联轴器400固定至轴16的端部24。联轴器输入轭架402具有第一端部和第二端部。第一端部固定于端部24。第二端部具有限定榫舌和榫槽构造的槽436。每个榫舌434具有拱形凹部432。联轴器中央元件404具有构造为被接纳在槽436内的第一榫舌415以及构造为被接纳在联轴器输出轭架406的槽439内的第二榫舌417。另外，中央联轴器元件承载有构造为接纳在联轴器输入轭架402和联轴器输出轭架406的各个拱形凹部内的两对拱形关节411。每个榫舌415、榫舌417的各自的面416用作适于从输入轭架向输出轭架传递扭矩的扭矩反作用面416。另外，关节411具有从拱形表面到扭矩反作用面的半径过渡部，半径过渡部通过适应(迁就)施加于联轴器输入轭架的轴向力而进一步加强扭矩传递。第二联轴器中的构件的每个榫舌的相对长度可以根据由所描述的联轴器连接起来的轴所驱动的构件而变化。最后，所有构件可以位于壳体内。

参考图6，具有两个双关节联轴器400的驱动轴10可以设置在弯曲子壳体408内或者替代具有CV接头或万向接头的任何驱动轴。驱动轴包括输入轴403、中央轴410、输出轴407和两个联轴器中央元件404。输入轴403、第一中央联轴器404a和中央轴410的第一端部限定第一双关节联轴器。输出轴407、第二中央联轴器404b和中央轴410的第二端部限定第二双关节联轴器。如图7至图8所反映出的，输入轴403在功能上与输入轭架402相对应，并且输出轴407在功能上与输出轭架406相对应。

中央轴410的第一端部和第二端部承载有联轴器轭架，每个联轴器轭架限定榫舌和榫槽结构并且每个榫舌438具有拱形凹部432。由第一联轴器轭架限定的槽437和由第二联轴器轭架限定的槽437可以彼此成一直线或彼此不对准。

输入轴403的第一端部构造为附接至动力输入构件，并且输入轴403的第二端部限定榫舌和榫槽结构并且每个榫舌434具有拱形凹部432。输入轴可以是整体构件或输入轴可以承载有适于将输入轴固定至驱动构件的输入轴接合器412。如图8中所绘出的，输入轴接合器412具有内部六角形部413。图18至图21绘出了输入轴接合器412的更加典型的实施例。如这里所绘出的，输入轴接合器412具有外部扭转六角形部421。在输入轴接合器412安装到输入轴上之前，将锁定丝442安置在输入轴接合器412的螺纹444上。最后，在输入轴接合器412安装到输入轴403中并且拧紧至适当的扭矩之后，锁定丝442插入并穿过输入轴403的孔447并配合到输入轴接合器412以及输入轴403中的凹槽449(未示出输入轴上的凹槽)中。将可加工垫圈440安置在扭转六角形部421上。可加工垫圈440保护扭转六角形部421不被损坏并且提供从输入轴403到输入轴接合器412的光滑过渡部。

输出轴407的第一端部限定榫舌和榫槽结构并且每个榫舌441具有拱形凹部443，并且输出轴的第二端部构造为附接到被驱动构件。在一个实施例中，输出轴是包括适于在井下环境中用作分流器的流体流动孔口422的整体构件。在另一实施例中，输出轴承载有适于固定至被驱动构件(诸如分流器或其它被驱动构件等)的输出轴接合器。

在一个实施例中，输入轴403、中央轴410和输出轴407上的每个榫舌分别具有至少一个定位销孔(或定位销洞)424、418和420。每个联轴器中央元件404具有第一榫舌415和第二榫舌417并且每个榫舌限定扭矩反作用面416。另外，每个联轴器中央件具有构造为接纳在每个榫舌的拱形凹部内的两对关节411。如图所绘出，联轴器中央元件404是对称的并且可以与“向上或向下”的任一榫舌安装在一起。在每对关节中，关节411位于联轴器中央件的榫舌415、417的两侧上。因此，关节411为与各个接纳榫舌的拱形凹部对准而分开或间隔开适当的距离。

对于第一联轴器中央元件404a，第一榫舌415位于由输入轴403承载的榫舌和榫槽构造所限定的槽436内，并且第一关节411接纳在输入轴的榫舌434的拱形凹部432内。第一联轴器中央元件404a的第二榫舌417位于由中央轴410的第一端部承载的榫舌和榫槽构造限定的槽437a内，并且第一联轴器中央元件404a的第二关节411位于中央轴410的第一端部的榫舌438的拱形凹部432a内。同样地，第二联轴器中央元件404b的第一榫舌位于由中央轴410的第二端部的榫舌和榫槽构造限定的槽437b内，并且由第二联轴器中央元件404b承载的第一关节411位于中央轴410的第二端部的榫舌438的拱形凹部432b内。组装后，位于中央轴410的定位销孔418、输入轴403的定位销孔424、输出轴407的定位销孔420中的每一个内的驱动轴构件为定位销426。

定位销426在孔418、孔420或孔424内具有宽松的间隙配合。销426在中央联轴器元件404的底部封闭的孔414内也具有宽松的间隙配合。然而，为确保在每个双关节联轴器400的枢转运动期间围绕销426的运动的自由度，孔414的直径大于孔418、420和424的直径。因此，由孔414、418、420和424内的定位销426提供的运动的自由度允许围绕图17所绘出的点划线X和Y作枢转运动。最后，设置在销426上的管塞428或等同元件将定位销426固定在双关节联轴器400的孔中。

在前述实施例中，输出轴407适于用在泥浆马达传动装置中。如图11至图12所绘出的，输出轴的第二端部具有螺纹以用于固定至钻头盒或其它井下工具。另外，输出轴407包括泥浆流动通道孔口422。然而，输出轴407可以适用于地面或井下使用的任何动力输出构造。如图15至图16所绘出的，输出轴407承载有这样的输出轴接合器409：适于连接至交叉引流器(cross-flow diverter)(如所绘出的那样)或任何其它被驱动构件，被驱动构件包括但不限于差速器、变速器或需要动力输入的任何类似设备。

在图15和图16的实施例中，驱动轴结合有如上文所述的两个双关节联轴器。第二双关节联轴器包括输出轴407，该输出轴407具有与上文的输出轴407的第一端部相同的榫舌和榫槽构造。唯一的区别是输出轴407的第二端部的构造。在本实施例中，输出轴407承载有输出轴接合器409。输出轴接合器409具有以任何常规手段固定至输出轴407的第二端部的第一端部，如所绘出的那样，通过螺纹提供连接。输出轴432的第二端部可以带有螺纹或适于连接至被驱动构件或附加轴的任何其它构造。

为演示图6至图21所绘出的构造所提供的改进，在Dyna Drill测功机上对图6至图21的实施例进行试验。在仅使用水代表钻孔液体的情况下，轴以4000磅×英尺的扭矩(约5423Nm的扭矩；也是泥浆马达使用的最大额定值)运转14小时。在该试验之后，在LORD公司将相同的驱动轴与扭转试验机配合。在试验期间使用300000磅×英寸的扭矩传感器(约33.9KNm的扭矩传感器)来测量扭矩。在试验环境中，因不需要壳体408而将壳体408省略。为了该试验，将300000磅×英寸的扭矩(约33.9KNm的扭矩)与扭转试验机配合。执行三次试验。试验1因打滑而作废。试验2和试验3在图22至图23中绘出。在后续试验期间，扭转试验机的代表钻头心轴的等同物的螺纹杆断裂。螺纹杆由300M合金钢构成。该钢的品质被认为强于常规的井下钻头心轴。由于试验过程没有损坏驱动轴的双关节接头或中央轴，因此可以推断出图6至图21所绘出的设备的构造具有大于常规的井下钻头心轴的扭矩传递能力。

参考图22至图23，使输入轴与输出轴接合起来的具有中央轴的两个双关节构造顺利地运行到14000lb×ft(168000lb×in或约19KNm)的失速扭矩。在图22中，线A的倾斜度＝-24020+157550/-1.503+6×403＝27251lb×in/度(约3.1KNm/度)，并且线B的倾斜度＝-167688+162205/-12.653+7.003＝970lb×in/度(约110Nm/度)。线B反映出轻微的螺纹打滑。在图23中，线A的倾斜度＝-155258+19433/-5.953+1.005＝27450lb×in/度(约3.1KNm/度)，并且线B的倾斜度＝-167887+165651/-8.203+6.553＝1355lb×in/度(约153Nm/度)。线B反映出轻微的螺纹打滑。

图22至图23的数据表明轴在试验期间的表现如预期一样，并且表明试验机与螺柱之间的螺纹接合朝向试验的上限连续地打滑(滑动)或屈服。

在运行中，结合有两个双关节接头400的驱动轴10将提供从输入轴403到输出轴407的改进的扭矩传递。图6至图21所绘出的构造提供两个扭矩路径。第一扭矩路径遵循：输入轴403的榫舌和榫槽构件、中央轴410、输出轴407以及中央联轴器元件404a和404b。因此，施加于输入轴403的扭矩从榫舌434传递到中央联轴器元件404a的榫舌415的扭矩传递面416上。榫舌417的中央联轴器元件的扭矩传递面416进而将扭矩传递到形成第一槽437a的榫舌438。同样地，槽437b处的榫舌438将扭矩传递到中央联轴器元件404b的榫舌415的扭矩传递面416。最后，中央联轴器元件404b的榫舌417的扭矩传递面416将扭矩传递到输出轴407的榫舌441。

第二扭矩路径提供了改进的效率。第二扭矩路径利用双关节接头400的拱形接触点。具体地说，如上文所述，输入轴407的每个榫舌434具有拱形凹部432。同样地，中央轴410的每个榫舌具有含拱形凹部432的榫舌438，并且输出轴407的每个榫舌441具有拱形凹部443。输入轴403、中央轴410和输出轴407的榫舌中的拱形凹部具有与中央联轴器元件404的每个关节411的拱形表面对应的半径。第二扭矩路径遵循：榫舌的拱形凹部和关节的拱形表面，直至到达输出轴407。

本发明的其它实施例将对本领域的技术人员是显而易见。此外，前述说明仅用来实现和描述本发明的基本使用和方法。相应地，所附权利要求限定了本发明的真实范围。