专利名称：具有牙轮防脱预警装置的牙轮钻头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及各类钻井工程中使用的牙轮钻头及滚轮钻头，特别是石油天然气钻井工程中使用的牙轮钻头。
在钻井工程中使用的牙轮钻头通常是由钻头体和牙轮组成，牙轮安装于钻头体的牙爪轴颈上，在钻头工作时，牙轮既随牙爪轴颈一起绕钻头轴线公转，又绕牙爪轴颈自转，在这种复合运动下，牙轮上的牙齿对井底岩石产生冲击、压人和刮挤等破岩作用。为将牙轮准确地安装在牙爪轴颈上，并防止牙轮从牙爪轴颈上脱落，通常是采用一组钢球或卡簧作为牙轮在牙爪轴颈上的定位和防脱落装置。钢球防脱落装置的缺点是，当牙轮牙爪轴承副磨损量过大时，钢球会从牙轮内孔壁与牙爪轴颈之间已被磨大了的间隙中脱出，进而导致牙轮脱落；而卡簧防脱落装置存在的问题时，当牙爪轴承止推面过量磨损时，轴承承载能力下降，卡簧槽会发生塑性变形，将卡簧咬死，使其丧失弹性，从而导致其防脱作用失效。牙轮脱落事故一旦发生，将给后续的钻井工作带来很大困难，严重影响钻井进程，增加钻井成本。由于牙轮脱落一般发生在牙轮牙爪轴承副磨损过度，牙轮防脱落装置失效的情况，故为了避免牙轮脱落，必须在牙轮防脱装置失效前就将钻头从井中起出，然而，由于井下工况的复杂性以及钻柱的柔性等的影响，井场地面操作人员很难准确地判断钻头在井下的磨损状况，因而实际钻井作业中只好按保守的方法粗略估计钻头寿命，提前起出钻头。这种做法虽然可以减小牙轮脱落的可能性，但却是以钻头工作能力的牺牲或浪费为代价的(许多钻头起出后仍有相当高的新度)。尽管如此，由于钻头制造质量的不稳定或其它原因，牙轮脱落事故仍时有发生。因此，如何使地面操作人员较准确地判断牙轮牙爪轴承副的磨损已达危险界限，以便适时地起出钻头，防止牙轮脱落，这是一个急待解决的问题。
本实用新型的目的在于，提出一种具有牙轮防脱预警装置的牙轮钻头，当牙轮牙爪轴承副的磨损量达到预定的危险界限时，牙轮防脱预警装置能向地面发出“报警”信号，地面工作人员可据此作出钻头已接近失效的判断，以便及时起出钻头，避免牙轮脱落事故的发生，从而降低钻井成本。
为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案牙轮钻头的组成部件与现有牙轮钻头的组成部件相同，主要由钻头体(7)和牙轮(3)组成，牙轮(3)的内孔安装在钻头体(7)的牙爪轴颈(1)上，且相互配合构成牙轮牙爪轴承副，牙轮(3)上有牙齿(4)，牙轮牙爪轴承副之间有密封圈(2)及牙轮定位、防脱装置(5)，其特征在于，在牙爪轴颈(1)上设置了一个牙轮防脱预警装置，该装置由牙爪轴颈(1)上一个深度渐浅的周向滚道槽(8)和置于该槽内的滚动体(6)组成，滚道槽(8)深度渐浅的方向与牙轮(3)绕牙爪轴颈(1)转动的方向一致，槽(8)的起始深度小于滚动体(6)的直径，在槽(8)底部的起始端开有一滚动体预装槽(9)，滚动体(6)装入预装槽(9)后，其外园顶部与轴颈园柱面齐平或略低于轴颈园柱面。
滚道槽(8)槽底在垂直于轴颈中心线截面内的截交线可以是满足下述条件的任意曲线当滚动体(6)进入滚道槽(8)时，在滚道槽(8)任意位置处，滚动体(6)与滚道槽(8)及牙轮内孔接触点的连线(AB)和接触点法线(AO2、BO2)之间的夹角(α)小于接触副的摩擦角。
预装槽(9)的宽度根据轴承副允许的最大磨损量确定，轴承副允许的最大磨损量越大，则槽的宽度越大。
在新钻头开始工作时，轴承间隙很小，随着钻头的振动，滚动体(6)会上下左右微幅跳动，在滚动体(6)跳动过程中，有可能出现滚动体(6)与滚道(8)起始点C以及牙轮(3)的内孔同时接触的情况，但此时接触状况不满足自锁条件，滚动体(6)会很快脱离此状态，回到预装槽(9)中。随着轴承副磨损量的逐步增大，轴承副之间的间隙越来越大，滚动体(6)的跳动幅度也随之增加。当磨损量达到一定限值时，一旦滚动体(6)跳动到与滚道(8)起始点C以及牙轮内孔同时接触的位置时，摩擦自锁条件成立，滚动体(6)将无法回到预装槽(9)，而是进入滚道(8)并沿滚道(8)滚动。由于滚道(8)的深度是渐浅的，而且滚道(8)各处均满足摩擦自锁条件，因而随着滚动体(6)沿滚道(8)的滚动，其承受的压力和摩擦力会越大，最终将牙轮(3)憋死在轴颈(1)上，使牙轮(3)不再绕轴颈(1)转动，此时轴承副的磨损随之停止，同时钻头的工作扭矩急剧增大，机械钻速急剧降低，钻台工作人员即可根据此报警信号判定钻头轴承已临近失效，应该及时起出钻头。
本实用新型的优点是(1)能够控制轴承副的最大允许磨损量，当轴承副的磨损量达到此限值时，牙轮防脱预警装置启动，牙轮被憋卡在轴颈上，不再绕轴颈转动，因而可有效地避免轴承的进一步磨损。由于轴承磨损量得到控制，原有的牙轮定位防脱装置可保证牙轮不脱落。(2)牙轮防脱预警装置启动后，钻头的工作扭矩急剧增大，机械钻速急剧降低，钻头扭矩和机械钻速的显著变化作为轴承失效的报警信号，很容易被钻台工作人员识别，可以据此判定钻头轴承已临近失效，应该及时起出钻头，这样，既避免了过早起出钻头，又防止了牙轮脱落，有利于降低钻井成本。
如下图1是牙轮钻头示意图；图2是带有牙轮防脱预警装置的牙爪轴颈与牙轮的装配示意图；图3是牙轮防脱预警装置的局部剖视图；图4是牙轮防脱预警装置局部放大示意图；图5是牙轮防脱预警装置的滚动体与滚道槽及牙轮内孔接触情况示意图。
以下结合附图说明本实用新型的实施例牙轮钻头组成部件与现有牙轮钻头的组成部件相同，主要由钻头体(7)和牙轮(3)组成，牙轮(3)的内孔安装在钻头体(7)的牙爪轴颈(1)上并相互配合，构成牙轮牙爪轴承副。牙轮钻头可以是单牙轮、双牙轮、三牙轮或多牙轮钻头，图1所示为三牙轮钻头示意图。牙轮(3)上有牙齿(4)，牙齿(4)可以是镶齿或铣齿。牙轮牙爪轴承副之间有密封圈(2)和牙轮定位防脱装置(5)，牙轮定位防脱装置(5)可采用钢球或卡环式，图2中所示(5)为钢球定位防脱装置。在牙爪轴颈(1)上设置了一个牙轮防脱预警装置，该装置由一个深度渐浅的周向滚道槽(8)和安装于该槽内的滚动体(6)组成。滚道槽(8)深度渐浅的方向与牙轮(3)绕轴颈(1)转动的方向一致，滚道槽(8)的起始深度小于滚动体(6)的直径，在槽(8)底部的起始端开有一个滚动体预装槽(9)。滚道槽(8)槽底在垂直于轴颈中心线截面内的截交线可以是满足下述条件的任意曲线当滚动体(6)进入滚道槽(8)时，在滚道槽(8)任意位置处，滚动体(6)与滚道槽(8)及牙轮内孔接触点连线(AB)与接触点法线(AO2、BO2)的夹角(α)小于接触副的摩擦角(参看图4、图5)。图4中所示R为轴颈(1)外园半径，中心点为O，滚道槽(8)之槽底曲线为园弧，半径为R1，园弧中心为O1。预装槽(9)的形状取决于滚动体(6)的形状，当采用园柱形滚子时，预装槽(9)为平行于牙爪轴颈轴线的直槽；当采用腰鼓形滚子时，预装槽(9)为与滚子母线轮廓相谐调的曲边槽，也可以是直槽；当采用球形滚珠时，预装槽(9)为园孔。图2、图3所示预装槽(9)为平行于牙爪轴颈轴线的直槽，滚动体(6)为园柱型滚子。预装槽(9)的宽度根据轴承副允许的最大磨损量确定，轴承副允许的最大磨损量越大则槽(9)的宽度越大。滚动体(6)装入预装槽(9)后，其外园顶部与轴颈园柱面齐平或略低于轴颈园柱面。
权利要求1.一种具有牙轮防脱预警装置的牙轮钻头，主要由钻头体(7)和牙轮(3)组成，牙轮(3)的内孔安装在钻头体(7)的牙爪轴颈(1)上，且相互配合构成牙轮牙爪轴承副，牙轮(3)上有牙齿(4)，牙轮牙爪轴承副之间有密封圈(2)及牙轮定位防脱装置(5)，其特征在于在牙爪轴颈(1)上设置了一个牙轮防脱预警装置，该装置由牙爪轴颈(1)上一个深度渐浅的周向滚道槽(8)和置于该槽内的滚动体(6)组成，滚道槽(8)深度渐浅的方向与牙轮(3)绕牙爪轴颈(1)转动的方向一致，槽(8)的起始深度小于滚动体(6)的直径，在槽(8)底部的起始端开有一滚动体预装槽(9)，滚动体(6)装入预装槽(9)后，其外园顶部与轴颈园柱面齐平或略低于轴颈园柱面。
2.根据权利要求1所述的具有牙轮防脱预警装置的牙轮钻头，其特征在于，滚道槽(8)槽底在垂直于轴颈中心线截面内的截交线可以是满足下述条件的任意曲线当滚动体(6)进入滚道槽(8)时，在滚道槽(8)任意位置处，滚动体(6)与滚道槽(8)及牙轮内孔接触点的连线(AB)和接触点法线(AO2、BO2)之间的夹角(α)小于接触副的摩擦角。
3.根据权利要求1所述的具有牙轮防脱预警装置的牙轮钻头，其特征在于预装槽(9)的宽度根据轴承副允许的最大磨损量确定，轴承副允许的最大磨损量越大，则槽的宽度越大。
专利摘要本实用新型涉及钻井工程中使用的牙轮钻头。其特点是,在原有牙轮钻头的牙爪轴颈上设置了一个牙轮防脱预警装置,该装置由一沿牙轮转动方向深度渐浅的周向滚道槽和置于槽内的滚动体组成,滚道槽起始端开有一滚动体预装槽。当轴承磨损到预定的危险界限时,牙轮被憋卡在轴颈上,钻头工作扭矩和机械钻速急剧变化,工作人员据此作出钻头已接近失效应及时起出的判断,既避免了过早起出钻头,又防止了牙轮脱落,从而降低了钻井成本。
文档编号E21B10/08GK2480537SQ0120634
公开日2002年3月6日 申请日期2001年5月24日 优先权日2001年5月24日
发明者杨迎新, 林敏 , 刘德明, 杨建忠 申请人:西南石油学院