专利名称：高转速耐高压耐冲击牙轮钻头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于油田钻井及地质勘探的牙轮钻头，尤其涉及一种高转速 耐高压耐冲击牙轮钻头。
背景技术：
目前在油田钻井及地质勘探领域广泛使用牙轮钻头，如图1所示，牙轮钻头主要 由牙轮20和牙掌40两部分组成，牙轮20通过滑动轴承或滚动轴承结构与牙掌接合。牙掌 40设有大轴颈41和小轴颈42，牙轮20对应设有大轴孔21和小轴孔22，牙轮的大轴孔21 和小轴孔22分别套装在牙掌的大轴颈41和小轴颈42上，并通过在靠近大轴颈端部设置的 一圈环轴锁紧滚珠6将牙轮20锁定在大轴颈41上，也即锁定在牙掌40上。锁紧滚珠6的 圆环滚道60是由大轴颈41外侧的圆环型半圆截面凹槽形成的轴颈滚珠半滚道和由牙轮大 轴孔孔壁上对应设置的圆环型半圆截面凹槽形成的轴孔滚珠半滚道闭拢形成。牙轮和牙掌 间设有橡胶密封圈30，牙轮20上镶有合金齿10，牙轮钻头工作时，牙轮20围绕牙掌大轴颈 及小轴颈旋转运动，使牙轮上的合金齿20轮流破岩进行油田钻井或地质勘探钻孔。在采用滑动轴承结构连接时，牙掌轴颈和牙轮轴孔直接接触，接触面积大，能承受 很大的钻井压力，但在高转速下牙掌轴颈和牙轮轴孔滑动摩擦加剧，产生高温，使牙轮轴孔 磨损变大，很快失效，因此滑动轴承不适合高转速钻井。图1是现有采用滚动轴承结构及锁 紧滚珠结构的牙轮钻头的局部结构示意图。如图所示，在牙轮大轴孔21内壁环周设有环形 滚道90，牙掌的大轴颈41为圆滑的圆柱面，没有环形滚道，所以滚道内的一圈圆柱形滚柱 50只是变滑动摩擦为滚动摩擦，解决了滑动摩擦的滑动磨损问题，适合高转速，但没有锁紧 功能，采用这种滚动轴承结构带来的技术缺陷是(1)由于在大轴颈41端部设有锁紧滚珠 6，因此占用了一定空间，使圆柱形滚柱50的长度受到限制，现有圆柱形滚柱的长度一般小 于20mm ； (2)圆柱形滚柱50减小了牙掌大轴颈41和牙轮大轴孔21的接触面积；(3)圆柱 形滚柱50的两端面为平面，端面的锐棱边沿容易产生应力集中；因此使现有采用滚动轴承 连接方式的牙轮钻头的结构耐高压，耐冲击性能差，不适用于高压深井钻井作业。
实用新型内容本实用新型的主要目的在于针对上述问题，对现有滚动轴承结构的牙轮钻头进行 改进，提供一种高转速耐高压耐冲击牙轮钻头。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种高转速耐高压耐冲击牙轮钻头，包括牙轮、牙掌，牙掌设有大轴颈和小轴颈， 牙轮对应设有大轴孔和小轴孔，牙轮的大轴孔和小轴孔分别套装在牙掌的大轴颈和小轴颈 上，并通过嵌装于滚道中的滚柱与牙掌滚动摩擦连接，其特征在于在所述大轴颈外表面环 周设有由宽度延伸至靠近大轴颈端部的轴颈圆环形凹槽形成的轴颈半滚道，在大轴孔孔壁 上与轴颈半滚道对应设有由轴孔圆环形凹槽形成的轴孔半滚道，所述滚道由轴颈半滚道和 轴孔半滚道闭合形成，所述滚柱为嵌装于该滚道内的加长型滚柱。[0007]所述滚柱的两端面为曲面，所述牙轮和牙掌上的圆环形凹槽的侧壁为与所述曲面 对应的曲面侧壁。所述滚柱设有贯穿柱体的空腔。所述滚柱柱面母线是外凸对数曲线或弧线。所述加长型滚柱的长度比现有滚柱延长10 15mm。所述滚柱的材料为抗冲击轴承钢55SiMoVA。本实用新型的有益效果是本实用新型提供出一种高转速耐高压耐冲击牙轮钻 头，具体体现在加长的滚柱同时具有承受钻头动载荷的滚动摩擦、锁紧牙轮、改善润滑条 件等多种功能，滚柱受力面积加大，接触点的压强减小，使牙轮钻头能够承受更大的载荷， 且避免牙轮本体上薄弱部位的出现，结构更加强固；空腔滚柱增加了滚柱柔性，改善了系统 润滑，使钻头能适应震动冲击，增大润滑脂存储空间，有利于轴承系统润滑；滚柱端面为曲 面，消除了滚柱两端由于锐棱带来的应力集中问题，同时改善了摩擦部位间的润滑条件，也 方便了滚柱的安装；滚柱面母线采用外凸对数曲线或弧线，使偏载、过载现象大大减小，增 加了滚柱承载能力，延长了轴承寿命；尤其，滚柱材料采用抗冲击轴承钢55SiMoVA，使其抗 冲击韧性显著提高，本实用新型的载荷承受力是现有技术的1.6倍以上，适用于高压深井 钻井作业。
图1是现有采用滚动轴承连接结构及锁紧滚珠结构的牙轮钻头的局部结构示意 图；图2是本实用新型的整体剖面结构示意图；图3是本实用新型的牙轮、牙掌连接部分的剖面结构示意图；图4是本实用新型滚柱的剖面结构示意图。图中1合金齿，2牙轮，23大轴孔，24小轴孔，3橡胶密封圈，4牙掌，43大轴颈，44 小轴颈，5滚柱，51滚柱端面，52滚柱柱面，53滚柱空腔，6锁紧滚珠，7供油系统，81牙轮锁 紧时轴孔滚道和滚柱端面的接触面(受力面)，82牙轮锁紧时轴颈滚道和滚柱端面的接触 面(受力面)，9滚道，91轴颈滚道，92轴孔滚道；10合金齿，20牙轮，21大轴孔，22小轴孔， 30橡胶密封圈，40牙掌，41大轴颈，42小轴颈，50圆柱形滚柱，60滚珠圆环轨道，90滚道。
以下结合附图和实施例对本实用新型详细说明。
具体实施方式
图2 图4示出一种高转速耐冲击牙轮钻头，包括镶有合金齿1的牙轮2、牙掌4， 牙掌4设有大轴颈43和小轴颈44，牙轮2对应设有大轴孔23和小轴孔24，牙轮的大轴孔 23和小轴孔24分别套装在牙掌的大轴颈43和小轴颈44上，并通过嵌装于滚道9中的滚柱 5与牙掌4滚动摩擦连接，牙掌4上还设有供油系统7，橡胶密封圈3。如图2，图3所示，本实用新型的特征在于在上述大轴颈43外表面环周设有由宽度 延伸至靠近大轴颈43端部的轴颈圆环形凹槽形成的轴颈半滚道91，在大轴孔23孔壁上与 轴颈半滚道91对应设有由轴孔圆环形凹槽形成的轴孔半滚道92，上述滚道9由轴颈半滚道 91和轴孔半滚道92闭合形成，上述滚柱5为嵌装于该滚道内的加长型滚柱。这里，加长型滚柱5的长度比现有滚柱延长10 15mm。上述滚柱的两端面51为曲面，上述牙轮2和牙掌4上的圆环形凹槽的侧壁为与该 曲面对应的曲面侧壁，也即轴孔半滚道92和轴颈半滚道91的侧壁为曲面。本实施例中滚 柱5的端面51为球面，牙轮2上的轴孔半滚道92和牙掌4上的轴颈半滚道91的侧壁为与 该球面对应的球面侧壁。上述滚柱5设有贯穿柱体的空腔53。本实施例中，空腔53由沿轴向穿过柱体的长 孔形成。滚柱柱面52的母线是外凸对数曲线或弧线。本例中滚柱柱面母线是弧线，滚柱5 的材料为抗冲击轴承钢55SiMoVA。本实用新型的工作原理本实用新型在采用适合高转速的滚动轴承连接结构前提下，通过采用上述实施方 案提高了牙轮钻头的耐高压、耐冲击特性。下面具体分析其工作原理。(1)本实用新型去掉现有技术中锁紧滚珠6结构，把其锁紧功能附加到滚柱5上， 由于锁紧滚珠6的圆环滚道60在牙掌40的大轴颈41和牙轮20的大轴孔21上各占一半， 所以锁紧滚珠6才能把牙轮锁在牙掌上；为使滚柱5也具备锁紧功能，将滚柱5的圆环滚道 由现有技术中仅在牙轮20大轴孔上环周设有内凹环形滚道，大轴颈上不设滚道改为牙掌 大轴颈和牙轮大轴孔各占一半滚道。如图2 图3所示，滚柱5通过牙掌4上的轴颈滚道 91和牙轮2上的轴孔滚道92来锁紧牙轮牙掌，替代了图1中锁紧滚珠6锁紧结构。由于去 掉了滚珠滚道，所以本实用新型中的滚柱滚道9可以加宽，可延伸到原来锁紧滚珠6的靠近 大轴颈端部位置，也即，使滚柱5的长度在现有滚柱长度基础上可以加长，能比现有圆柱形 滚柱50加长IOmm 15mm，可达30mm以上，从而加大了滚柱5的受力面积，减小了接触点的 压强，使牙轮钻头能够承受更大的载荷。本实用新型使滚柱5同时具有承受钻头动载荷的 滚动摩擦、锁紧牙轮、改善润滑条件等多种功能。同时使牙轮2本体上滚柱滚道的深度变成 原来的一半，使牙轮本体截面变厚，避免了薄弱部位的出现，结构更加强固。(2)如图3、图4所示，滚柱5设置贯穿柱体的空腔53，增加了滚柱柔性，改善了系 统润滑。使钻头能适应震动冲击，空心的滚柱5可以有更多的润滑脂存储空间，载荷越大轴 承温度越高，润滑脂涌出越多，有利于轴承系统润滑。(3)滚柱5的端面将现有圆柱形滚柱50的两个平面端面改为曲面51，同时牙轮2 和牙掌4上的圆环形凹槽即轴孔半滚道92和轴颈半滚道91的侧壁也相应改为曲面侧壁， 这样在滚柱锁紧牙轮时，轴孔滚道92和滚柱端面的接触部位即受力部位81及轴颈滚道91 和滚柱端面的接触部位即受力部位82的接触由原来的面接触变为线接触，消除了滚柱两 端由于锐棱带来的应力集中，同时改善了摩擦部位间的润滑条件，也方便了滚柱的安装。(4)滚柱5柱面52的母线采用外凸对数曲线或弧线。滚柱的“边缘效应”是指圆 柱形滚子在动载荷和大压力下产生拉伸变形，滚柱中间部分变细，使载荷大部分作用在滚 柱两端，滚柱两端首先发生疲劳破坏。本实用新型将滚柱母线由直线改变成外凸对数曲线 或弧线，即将滚柱做成中间粗两端细的外形，则使偏载、过载现象大大减小，增加了滚柱承 载能力，延长了轴承寿命。(5)为保证改进的滚柱的强度，滚柱5采用了抗冲击轴承钢55SiMoVA，热处理后其 抗冲击韧性较现有滚柱采用的GCrl5提高数倍。以上所述，仅是本实用新型的优选实施例而已，并非对本实用新型的形状材料和
5结构作任何形式上的限制。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单 修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求一种高转速耐高压耐冲击牙轮钻头，包括牙轮、牙掌，牙掌设有大轴颈和小轴颈，牙轮对应设有大轴孔和小轴孔，牙轮的大轴孔和小轴孔分别套装在牙掌的大轴颈和小轴颈上，并通过嵌装于滚道中的滚柱与牙掌滚动摩擦连接，其特征在于在所述大轴颈外表面环周设有由宽度延伸至靠近大轴颈端部的轴颈圆环形凹槽形成的轴颈半滚道，在大轴孔孔壁上与轴颈半滚道对应设有由轴孔圆环形凹槽形成的轴孔半滚道，所述滚道由轴颈半滚道和轴孔半滚道闭合形成，所述滚柱为嵌装于该滚道内的加长型滚柱。
2.根据权利要求1所述的高转速耐高压耐冲击牙轮钻头，其特征在于所述滚柱的两端 面为曲面，所述牙轮和牙掌上的圆环形凹槽的侧壁为与所述曲面对应的曲面侧壁。
3.根据权利要求2所述的高转速耐高压耐冲击牙轮钻头，其特征在于所述滚柱设有贯 穿柱体的空腔。
4.根据权利要求2或3所述的高转速耐高压耐冲击牙轮钻头，其特征在于所述滚柱柱 面母线是外凸对数曲线或弧线。
5.根据权利要求1所述的高转速耐高压耐冲击牙轮钻头，其特征在于所述加长型滚柱 的长度比现有滚柱延长10 15mm。
6.根据权利要求1所述的高转速耐高压耐冲击牙轮钻头，其特征在于所述滚柱的材料 为抗冲击轴承钢55SiMoVA。
专利摘要本实用新型涉及一种高转速耐高压耐冲击牙轮钻头，包括牙轮，牙掌，牙掌设大轴颈和小轴颈，牙轮对应设有大轴孔和小轴孔，牙轮的大轴孔和小轴孔分别套装在牙掌的大轴颈和小轴颈上，并通过嵌装于滚道中的滚柱与牙掌滚动摩擦连接，其特征在于在所述大轴颈外表面环周设有由宽度延伸至靠近大轴颈端部的轴颈圆环形凹槽形成的轴颈半滚道，大轴孔孔壁上与轴颈半滚道对应设有由轴孔圆环形凹槽形成的轴孔半滚道，滚道由轴颈半滚道和轴孔半滚道闭合形成；滚柱是端面为曲面的空腔加长型滚柱，滚柱柱面母线是外凸对数曲线或弧线。本实用新型的优点是提供出能承受更大载荷，抗冲击韧性增强的高转速耐高压耐冲击牙轮钻头，适用于高压深井钻井作业。
文档编号E21B10/22GK201679448SQ201020198460
公开日2010年12月22日 申请日期2010年5月20日 优先权日2010年5月20日
发明者薛中学 申请人:天津立林钻头有限公司