专利名称：球形滚轮扩管器的制作方法
技术领域：
本实用新型有关于钻井、修井等领域中用于可膨胀金属波纹管的扩管器，特别是有关一种球形滚轮扩管器。
背景技术：
采用可膨胀金属波纹管来封隔复杂井段的技术原理是利用金属的塑性变形，将 内径略大于裸眼井径的圆管轧制成为通径小于裸眼井眼直径的波纹管，将波纹管下入到预 封隔井段后，通过水力膨胀作用和机械力作用将波纹管胀开到圆管状态，从而达到在井眼 直径不变条件下封隔复杂井段的目的。水力膨胀的作用是利用水压将波纹管的主体膨胀到一定的圆度。由于波纹管形状 复杂、曲率变化大，轧制过程中常会造成内部残余应变极不均勻；同时由于波纹管单根之间 的连接方式为焊接连接，这也造成波纹管材料性能的差异；因此经水力膨胀后的波纹管主 体会有一定椭圆度和表面凹凸不平度，这就需要利用波纹管机械整形工具将胀开状态的波 纹管修整到要求的形状尺寸。如图12所示，中国200810104954. 1号实用新型专利就揭示了一种修整工具一种 球形波纹管胀管器，该球形波纹管胀管器包括滚轮轴1和球体2，球体2的中心与滚轮轴1 的旋转中心之间存在偏心距。滚轮轴1具有空心的圆柱状凸轴11，凸轴11内设有固定孔 12，球体2具有连接孔21，连接孔21包括枢接孔段212、中通孔段213和下通孔段214，中 通孔段213的孔径小于两端的枢接孔段212和下通孔段214的孔径，滚轮轴1的凸轴11配 合在枢接孔段212内且与枢接孔段212的内壁面为间隙配合，由凸轴11外表面与枢接孔段 212内壁面的接触面构成滑动摩擦副轴承系统，锁紧销钉3的钉体31穿过下通孔段214和 中通孔段213后插入凸轴11的固定孔12内并与滚轮轴1焊接固定，销钉头32配合在下通 孔段214内。当钻柱不旋转时，钻具组合的最大直径可以从上部井段下入。当滚轮轴1随 钻柱旋转时，球体2绕钻柱旋转中心旋转，因球体2的中心与滚轮轴1的旋转中心之间存在 偏心距，球体2旋转后的管径大于球体2的直径，从而能将波纹管修整到合理的圆度和表面 平整度。但在实际使用过程中，发现该球形波纹管胀管器存在如下不足之处一、在钻井过程中，上部钻柱的钻力N会分解为径向力Fl和轴向力F2，其中径向力 Fl作用在枢接孔段212的侧壁面2120上，轴向力Fl作用在枢接孔段212的端面2121上。 凸轴11外表面与枢接孔段212的侧壁面2120和端面2121之间为滑动摩擦配合，存在装配 间隙，凸轴11和球体2直接作为磨耗元件，径向力Fl会导致球体2的中心与由凸轴11和 枢接孔段212的侧壁面2120构成的滑动摩擦轴承系统的中心不同心，凸轴11和枢接孔段 212的侧壁面2120的接触面会发生偏磨；而轴向力F2具有冲击性会导致端面2121磨损， 严重影响轴承系统的寿命。另外滑动摩擦轴承系统的摩擦阻力相对较大，球体2的启动力 矩也较大，球形波纹管胀管器在工作过程中需要较大的膨胀力才能完成扩管作业，容易发 生蹩卡现象。二、滚轮轴1的凸轴11的外表面和枢接孔段212的内壁面所构成的滑动摩擦轴承系统缺少润滑系统，凸轴11的外表面和枢接孔段212的内壁面之间是干式滑动摩擦，加剧 了球体2和滚轮轴1的凸轴11的磨损，也会影响轴承系统寿命。三、滑动轴承系统是敞开式的，不具有密封性，因井下工作环境复杂，工作介质和 其它杂质极易进入滑动轴承内，摩擦副摩擦面极易发生磨粒磨损，也会影响轴承系统寿命。四、球体2仅通过锁紧销钉3锁固在滚轮轴1上，锁固可靠度不足，球体2容易在 作业过程中脱落至井底，导致井下事故。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种球形滚轮扩管器，能显著降低对凸轴和 球体的磨损，减小摩擦阻力，启动力矩降低，在工作过程中需要较小的膨胀力就能完成扩管 作业，不易发生蹩卡现象。本实用新型要解决的技术问题是提供一种球形滚轮扩管器，能显著降低径向力和 轴向力对轴承系统的影响，全面改善轴承系统的受力状态，延长使用寿命。本实用新型要解决的技术问题是提供一种球形滚轮扩管器，具有密封的润滑系 统，也能避免工作介质和其它杂质进入轴承系统而使轴承系统发生磨粒磨损，进一步延长 轴承系统的寿命。本实用新型要解决的技术问题是提供一种球形滚轮扩管器，球体通过双重锁紧机 构锁定在滚轮轴上，球体锁固可靠，不易脱落。本实用新型提供的一种球形滚轮扩管器，包括滚轮轴和球体，所述滚轮轴包括凸 轴，所述球体设有连接孔，所述凸轴与所述连接孔枢转配合，在所述凸轴的外表面与所述连 接孔的内壁面之间设有轴承。在一个实施方式中，所述球体的中心与所述滚轮轴的旋转中心线之间具有偏心距。在一个实施方式中，所述轴承包括滚动轴承，所述滚动轴承设在所述凸轴和所述 连接孔相配合的侧壁面之间。在一个实施方式中，所述轴承包括止推轴承，所述止推轴承设在所述凸轴和所述 连接孔相配合的端面之间。在一个实施方式中，所述轴承包括滚动轴承和止推轴承，所述滚动轴承设在所述 凸轴和所述连接孔相配合的侧壁面之间，所述止推轴承设在所述凸轴和所述连接孔相配合 的端面之间。在一个实施方式中，所述球体的连接孔包括四个不同孔径的孔段，依次分别是定 位孔段、设置前述轴承且孔径小于定位孔段的枢接孔段、孔径小于枢接孔段的中通孔段及 孔径大于中通孔段的下通孔段，所述凸轴配合该定位孔段具有定位凸部，且凸轴内部设有 固定孔，所述轴承设在所述枢接孔段内，一个锁紧销穿过所述下通孔段、中通孔段、凸轴的 固定孔而固接在滚轮轴上，锁紧销的销钉头配合在下通孔段内。在一个实施方式中，所述凸轴的外表面的侧壁面与所述连接孔的定位孔段、枢接 孔段、中通孔段、下遥孔段的侧壁面之间形成环形空腔，所述环形空腔的两端密封，在环形 空腔内封闭有润滑剂。在一个实施方式中，所述凸轴与所述定位孔段相配合的侧壁面之间，及所述凸轴与所述中通孔段相配合的侧壁面之间分别设有密封圈。在一个实施方式中，在所述球体上设有与所述环形空腔相连通的注油孔，在所述注油孔的上部设有注油组件，所述注油组件包括与注油孔内壁固定连接的固定壳体、设于 固定壳体内的弹性元件及被弹性元件向外部顶压的珠体，所述固定壳体的上壁对应所述珠 体设有注油开口，所述注油开口通过弹性元件向外顶压珠体而被封闭。在一个实施方式中，在所述凸轴与所述中通孔段相配合的侧壁面之间设有锁紧钢 珠，所述凸轴的侧壁面和中通孔段的侧壁面分别设有钢珠槽而相对构成钢珠跑道，所述凸 轴的钢珠槽还连接有安装通孔，在所述安装通孔中设有挡块。根据上述方案，本实用新型相对于现有技术的效果是显著的一、本实用新型的球形滚轮扩管器，改变了凸轴和球体为保证强度导致二者配合 面之间基本没有剩余空间而无法安装轴承元件的习惯性思维，通过优化设计确定了滚轮轴 的凸轴直径和球体壁厚的最佳值，在凸轴和枢接孔段的内壁面之间形成一定空间，从而在 该空间内设置轴承，来代替现有技术中直接由凸轴的外表面和枢接孔段的内壁面所构成的 滑动摩擦系统，通过轴承承受摩擦力来保护凸轴和球体，避免凸轴和球体的直接磨耗，消除 对凸轴和球体的磨损，也使摩擦阻力大大减小，球体的启动力矩明显降低，球形波纹管胀管 器在工作过程中需要较小的膨胀力就能完成扩管作业，不易发生蹩卡现象。二、本实用新型的球形滚轮扩管器，在滚轮轴的凸轴与枢接孔段的侧壁面之间设 置滚动轴承，摩擦副由传统的滑动摩擦改变为滚动摩擦配合，摩擦阻力大大减小，有效改善 对凸轴和枢接孔段的侧壁面的偏磨现象，启动力矩明显降低；在凸轴和枢接孔段的端面之 间设置止推轴承，能降低轴向力对轴承系统的冲击作用力，减少端面的磨损，全面改善轴承 系统的受力状态，延长使用寿命，球体的启动力矩进一步降低，球形波纹管胀管器在工作过 程中需要膨胀力进一步减小，不会发生蹩卡现象。三、本实用新型的球形滚轮扩管器具有密封的润滑系统，能确保轴承系统润滑状 态良好，并且工作介质和其它杂质不会进入轴承空间内，轴承不会发生磨粒磨损，显著提高 轴承系统寿命。四、本实用新型的球形滚轮扩管器，球体通过锁紧销和锁紧钢珠实现双重锁紧，球 体锁固可靠，球体在作业过程中不易脱落至井底导致井下事故。
图1为本实用新型实施方式1的示意图。图2为图1中滚轮轴的局部剖视图。图3为图1中球体的剖视图。图4为图3的侧视图。图5为本实用新型实施方式2的示意图。图6为本实用新型实施方式3的示意图。图7为图6中球体的剖视图。图8为图6中的注油组件的放大示意图。图9为本实用新型的使用状态示意图。图10为图9的V-V断面剖视图。[0038]图11为图9的IV-IV断面剖视图。图12为现有球形滚轮扩管器的示意图。
具体实施方式
实施方式1如图1 4所示，本实用新型提供了一种球形滚轮扩管器，包括滚轮轴1和球体2，球体2的中心与滚轮轴1的旋转中心线之间具有偏心距e，滚轮轴1包括凸轴11，凸轴11具 有固定孔12，球体2设有连接孔21，凸轴11与连接孔21枢转配合，球体2的连接孔21包 括四个不同孔径的孔段，依次分别是定位孔段211、孔径小于定位孔段211的枢接孔段212、 孔径小于枢接孔段212的中通孔段213及孔径大于中通孔段213的下通孔段214，凸轴11 配合该定位孔段211具有定位凸部10，凸轴11内部设有固定孔12，锁紧销3穿过下通孔段 214、中通孔段213、凸轴11的固定孔12后可通过焊缝与滚轮轴1连为一体，锁紧销3的销 钉头32配合在下通孔段214内以轴向固定球体2，保证其不会脱落；本实用新型的改进之 处是在凸轴11的外表面与连接孔21的内壁面之间设有轴承4，具体是在枢接孔段212构 成轴承容纳腔，以在其内安放轴承4，由轴承4承受摩擦力来保护凸轴11和球体2，避免凸 轴11和球体2的直接磨耗，消除对凸轴11和球体2的磨损，也能使摩擦阻力大大减小，球 体2的启动力矩明显降低，球形波纹管胀管器在工作过程中需要较小的膨胀力就能完成扩 管作业，不易发生蹩卡现象。本实用新型中，轴承4包括滚动轴承41例如滚柱轴承或滚珠轴承，如图1中的滚 动轴承41为滚柱轴承，滚动轴承41设在凸轴11的侧壁面和相配合的连接孔21的侧壁面之 间，能克服径向力作用，有效改善径向力对凸轴11和枢接孔段212的侧壁面的偏磨现象，摩 擦阻力非常小，启动力矩低。滚动轴承41可以包括多个，依次分布在凸轴11的外表面的侧 壁面和连接孔21的内壁面的侧壁面之间，相邻的滚动轴承41之间设置挡圈5，再用螺钉将 挡圈5固定在滚轮轴1的凸轴11上，以实现滚动轴承41之间的轴向支撑定位。当然，也可 以考虑在凸轴11的外表面的侧壁面和连接孔21的内壁面的侧壁面之间设置滑动轴承(图 中未示)，虽然摩擦阻力相较滚动轴承偏大，但同样能够通过磨耗滑动承轴本身来保护凸轴 11和球体2的连接孔21的侧壁面，不会直接发生磨耗，在滑动轴承被磨损后可以取下更换 新件。进一步改进，在凸轴11的外表面的侧壁面与连接孔21的侧壁面即定位孔段211、 枢接孔段212、中通孔段213、下通孔段214的侧壁面之间形成环形空腔6，环形空腔6主要 分布于枢接孔段212，在环形空腔6的两端例如分别通过0型密封圈7进行密封，在环形空 腔6内封闭有润滑剂例如润滑油和润滑脂，能为承轴系统提供润滑，延长使用寿命。0型密 封圈7并不局限于0型，两个0型密封圈7分别设于定位孔段211的侧壁面与凸轴11的外 表面的侧壁面之间，以及中通孔段213的侧壁面与凸轴11的外表面的侧壁面之间。优选的方案中，在中通孔段213的侧壁面与凸轴11的外表面的侧壁面之间设有锁 紧钢珠8，锁紧钢珠8位于下部密封圈7的上方，锁紧钢珠8能轴向锁紧定位球体2，从而与 锁紧销3构成双重锁紧机构，在锁紧钢珠8被破坏后，与滚轮轴11连为一体的锁紧销3仍 能锁紧球体2，球体2固定更加可靠，能消除球体2脱落的隐患。详细结构是在凸轴11的 侧壁面和中通孔段213的侧壁面之间分别设有相对的钢珠槽111、2131而构成钢珠跑道，凸轴11的钢珠槽111还连接有安装通孔13，锁紧钢珠8由该安装通孔13中安装入位，且在通孔13中设有挡块81，以保证各锁紧钢珠8不易脱出，如图2所示。如图3、4所示，球体2的外部轮廓线采用直线段22和圆弧段23构成，圆弧段23用 于由小到大逐渐胀开可膨胀管管体，直线段22用于防止管体胀开部分收缩以保证胀开直 径，球体2的连接孔21的内腔包括滚动轴承41的跑道和锁紧钢珠8的跑道(钢珠槽2131)， 球体2的外表面均勻分布12条流道24，过流时冷却润滑胀管器，同时流道24的存在减小了 球体与膨胀管体内表面的接触面积，增加局部膨胀力。实施方式2如图5所示，该实施方式与实施方式1的基本、原理和效果基本相同，不再重述，不 同之处是该实施方式中轴承4包括止推轴承42，止推轴承42设在凸轴11和球体2的连 接孔21的相配合的端面之间，承受轴向冲击载荷，防止轴向力冲击挤毁轴承，减少端面的 磨损，全面改善轴承系统的受力状态，延长使用寿命。图5中所示的止推轴承42为滚动式 止推轴承，例如滚柱止推轴承或滚珠止推轴承，止推轴承42也可以选用滑动式止推轴承， 实验中发现滑动式止推轴承可以更好的承受轴向力。实施方式3如图6 8所示，该实施方式与实施方式1的基本、原理和效果基本相同，不再重 述，该实施方式是本实用新型的最佳实施方式。不同之处有两点第一、轴承4包括滚动轴承41和止推轴承42，滚动轴承41设在凸轴11的侧壁面 和相配合的连接孔21的侧壁面之间，止推轴承42设在凸轴11和球体2的连接孔21的相 配合的端面之间，能同时降低径向力和轴向力对侧壁面和端面的磨损，全面改善轴承系统 的受力状态，提高使用寿命。在止推轴承42与相邻的滚动轴承41之间，以及相邻的滚动轴承41之间分别设有 挡圈5，并用螺钉将挡圈5固定在滚轮轴1的凸轴11上，以实现轴承之间的轴向支撑定位。第二、在球体2上设有与环形空腔6相连通的注油孔61，在注油孔61的上部设有 注油组件9，如图8所示，注油组件9例如可以包括与注油孔61内壁固定连接(例如螺纹 连接)的固定壳体91、设于固定壳体91内的弹性元件92及由弹性元件92向外部顶压的珠 体93，固定壳体91的上壁对应珠体93设有注油开口 910，注油开口 910通过弹性元件92 向外顶压珠体93而被封闭，优选珠体93没有凸出于球体2外表面，以避免珠体93对膨胀 管内壁造成额外的损伤，该方案在润滑剂因高温等挥发以后，可通过注油孔61再次注入润 滑剂，增加球形滚轮扩管器的持续使用性能。当然，在本实用新型中注油组件9并不局限于 前述所讲的结构，现有技术当中其它能实现注油并保持密封的结构均可采用。如图9 11所示，包括实施方式1、2、3的球形滚轮扩管器的扩管操作过程是把 异型管94放入井壁管95内，采用液压从内部对异型管94进行矫直后，沿着异型管94的内 壁在纵向上还存在未矫直的凹凸部分941 ；此时就可以将本实用新型的球形滚轮扩管器随 钻杆放入异型管94内，启动钻杆，钻杆旋转带动球体2绕钻杆旋转中心旋转，球体2的表面 会与异型管94的凹凸部分941接触，球体2的表面会作为切削工作而将凹凸部分17矫直， 同时把异型管94的全部内表面校准，并与井壁管95紧贴完成操作。实施方式4该实施方式与实施方式1、2、3相比较，除了球体2的中心与滚轮轴1的旋转中心线之间同心而没有偏心距e以外，其它的内容完全相同，不再提供附图和详细说明。 但以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式
，当不能以此限定本实用新型实施 的范围，凡依本实用新型的发明内容所作的等同变化与修饰，即任何他人在滚轮轴的凸轴 和球体内腔之间的空间内设置了用于承受载荷的轴承元件，都应属于本实用新型的保护范围。
权利要求一种球形滚轮扩管器，包括滚轮轴和球体，所述滚轮轴包括凸轴，所述球体设有连接孔，所述凸轴与所述连接孔枢转配合，其特征是在所述凸轴的外表面与所述连接孔的内壁面之间设有轴承。
2.根据权利要求1所述的球形滚轮扩管器，其特征是所述球体的中心与所述滚轮轴 的旋转中心线之间具有偏心距。
3.根据权利要求1所述的球形滚轮扩管器，其特征是所述轴承包括滚动轴承，所述滚 动轴承设在所述凸轴和所述连接孔相配合的侧壁面之间。
4.根据权利要求1所述的球形滚轮扩管器，其特征是所述轴承包括止推轴承，所述止 推轴承设在所述凸轴和所述连接孔相配合的端面之间。
5.根据权利要求1所述的球形滚轮扩管器，其特征是所述轴承包括滚动轴承和止推 轴承，所述滚动轴承设在所述凸轴和所述连接孔相配合的侧壁面之间，所述止推轴承设在 所述凸轴和所述连接孔相配合的端面之间。
6.根据权利要求1所述的球形滚轮扩管器，其特征是所述球体的连接孔包括四个不 同孔径的孔段，依次分别是定位孔段、设置前述轴承且孔径小于定位孔段的枢接孔段、孔径 小于枢接孔段的中通孔段及孔径大于中通孔段的下通孔段，所述凸轴配合该定位孔段设有 定位凸部，且凸轴内部设有固定孔，所述轴承设在所述枢接孔段内，一个锁紧销穿过所述下 通孔段、中通孔段、凸轴的固定孔而固接在滚轮轴上，锁紧销的销钉头配合在下通孔段内。
7.根据权利要求6所述的球形滚轮扩管器，其特征是所述凸轴的外表面的侧壁面与 所述连接孔的定位孔段、枢接孔段、中通孔段、下通孔段的侧壁面之间形成环形空腔，所述 环形空腔的两端密封，在环形空腔内封闭有润滑剂。
8.根据权利要求7所述的球形滚轮扩管器，其特征是所述凸轴与所述定位孔段相配 合的侧壁面之间，及所述凸轴与所述中通孔段相配合的侧壁面之间分别设有密封圈。
9.根据权利要求8所述的球形滚轮扩管器，其特征是在所述球体上设有与所述环形 空腔相连通的注油孔，在所述注油孔的上部设有注油组件，所述注油组件包括与注油孔内 壁固定连接的固定壳体、设于固定壳体内的弹性元件及被弹性元件向外部顶压的珠体，所 述固定壳体的上壁对应所述珠体设有注油开口，所述注油开口通过弹性元件向外顶压珠体 而被封闭。
10.根据权利要求6所述的球形滚轮扩管器，其特征是在所述凸轴与所述中通孔段相 配合的侧壁面之间设有锁紧钢珠，所述凸轴的侧壁面和中通孔段的侧壁面分别设有钢珠槽 而相对构成钢珠跑道，所述凸轴的钢珠槽还连接有安装通孔，在所述安装通孔中设有挡块。
专利摘要一种球形滚轮扩管器，包括滚轮轴和球体，球体的中心与滚轮轴的旋转中心线之间优选具有偏心距，所述滚轮轴包括凸轴，所述球体设有连接孔，所述凸轴与所述连接孔枢转配合，在所述凸轴的外表面与所述连接孔的内壁面之间设有轴承。优选所述轴承包括滚动轴承和止推轴承，所述滚动轴承设在所述凸轴的外表面的侧壁面和所述连接孔的内壁面的侧壁面之间，所述止推轴承设在所述凸轴的外表面的端面和所述连接孔的内壁面的端面之间。本实用新型能显著降低对凸轴和球体的磨损，减小摩擦阻力，启动力矩降低，在工作过程中需要较小的膨胀力就能完成扩管作业，不易发生蹩卡现象；能降低径向力和轴向力对凸轴和球体的磨损，全面改善轴承系统的受力状态，提高使用寿命。
文档编号E21B29/00GK201574709SQ20092035082
公开日2010年9月8日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者王宇, 王镇全 申请人:中国石油大学(北京)