专利名称：一种井下马达万向轴的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种油气田钻探设备，尤其涉及一种井下马达万向轴。
背景技术：
在油气田钻探过程中，需要使用一种动力驱动钻头旋转来破碎地层，实现钻井；井 下马达就是这种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥 浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定 子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。由于马达的转子是偏心的，转子在定子内旋转时即产生绕自身中心线的自转，又 会在偏心距的作用下绕定子中心线的公转，将转速和扭拒传递到钻头；在传递过程中，需要 将转子的不平稳的偏心转动，传递到传动轴的同心平稳转动，这一过程就由万向轴来实现。目前，国内使用的马达万向轴采用的是花瓣式和球铰接式；花瓣式加工工艺复杂、 摩擦面无润滑，所以使用寿命短，无法满足正在兴起的大扭拒低转速井下马达的要求；球铰 接式万向轴虽然有润滑油润滑，但是传递扭拒的接触面属于线接触，同样使用寿命短，无法 满足正在兴起的大扭拒低转速井下马达的要求。
实用新型内容发明目的针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的是提供一种井下马达 万向轴，以满足大扭拒、低转速的使用需求。技术方案为了实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为—种井下马达万向轴，包括设置在万向轴壳体内的上万向节、芯轴和下万向节，所 述的上万向节和下万向节分别设置在芯轴的两端，所述的上万向节和下万向节分别通过球 形顶块与芯轴接触，在芯轴上下两端均设有半圆挡键，在半圆挡键上设有球形套；在芯轴的 外周设有波纹形油封，波纹形油封与上万向节和下万向节连接，波纹形油封的球形面与球 形套的球面相接触；在芯轴上设置有球顶柱面滑键，所述的球顶柱面滑键与芯轴、上万向节 和下万向节一起形成滑键配合。所述的球顶柱面滑键包括圆柱体，在圆柱体上设置有方板，所述的方板的顶部为 球面。所述的滑键配合为球顶柱面滑键的圆柱体设置在芯轴上对应的圆柱孔内，可在 芯轴对应的圆柱孔内转动；球顶柱面滑键的方板设置在上万向节或下万向节对应的键槽， 球顶柱面滑键的球面与上万向节或下万向节对应的键槽根部圆柱形面相配合，上万向节或 下万向节对应的键槽根部的圆柱面可沿着球顶柱面滑键顶部球面以同一圆心在球顶柱面 滑键顶部球面上转动。在所述的芯轴的两端均设置有4至8组球顶柱面滑键。在所述的上万向节和下万向节上均设有浮塞，在波纹形油封和芯轴之间设置有0 形密封圈，所述的浮塞与0形密封圈配合使用后形成万向轴上下2个密封腔，在该密封腔内设置有润滑脂。在所述的上万向节和下万向节上均设有浮塞的移动腔体。所述的波纹形油封为2个，所述的波纹形油封的一端为固定端，另一端为自由端， 所述的固定端通过螺纹与上万向节或下万向节连接；所述的自由端在芯轴上上下移动。所述的波纹形油封包括上密封接头、0型圈、压环、胶筒和下密封接头；上密封接 头上部为球形面，与球形套的球形面相配合，在上密封接头上设有螺纹与上万向节或下万 向节的内螺纹相配合；所述的0型圈将波纹形油封与上万向节或下万向节密封住；通过压 环将上密封接头和下密封接头固定设置在胶筒的两端。万向轴是将马达转子的偏心旋转，传递到传动轴的同心平稳旋转，同时传递着巨 大的扭拒到钻头来破碎岩石；在将偏心旋转转变成平稳旋转这一过程中，万向轴上下两个 万向节在完成着这种工作，整个工作原理是上万向节将转子的偏心旋转通过万向轴芯轴 传递到下万向节，后再传递到传动轴产生平稳旋转；上下两个万向节在传递扭拒及转速中， 随芯轴一起旋转外，还在芯轴上上下左右摆动，消除了偏心带来的影响，实现了万向的功 能；本实用新型的万向轴上下两个万向节在芯轴上上下左右摆动时有润滑油润滑，使得万 向轴内的运动件灵活、可靠，大大减少了磨损，延长了使用寿命。有益效果本实用新型的井下马达万向轴，在整个井下马达中起着承上启下的作 用，它的灵活性和设计结构直接影响着整个井下马达传递扭拒及转速的大小，以及马达转 子和传动轴的强度，关系到整个井下马达的使用寿命。该实用新型的井下马达万向轴，结构 简单、紧凑、使用灵活、可靠、功能齐全、使用寿命长、传递扭拒大等优点，是花瓣式万向轴的 替代品，具有比球铰接式万向轴强度高、传递扭拒大、结构较之简单的特点，适合于当前钻 井所需求的大扭拒、低转速井下马达。应用井下马达可实现直径、斜井、大位移井、水平井、分支井、鱼刺井的钻井，提高 油公司的增产上储；减少占用土地，有利于保护环境、缩短见井周期、杜绝或减少事故的发 生；有利于少投入、多产出，大大的降低了开发成本。本实用新型的万向轴适合用于100、 165、172、197、244外径尺寸的井下马达配套，上述外径尺寸的井下马达基本囊括了钻井所 需求的使用范围。
图1是井下马达的结构示意图。图2是井下马达万向轴的结构示意图。图3是波纹形油封的结构示意图。图4球顶柱面滑键的结构示意图。图5是图4的B-B向剖视图。图6是图4的A向视图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步的解释。如图1所示，为井下马达结构。井下马达包括马达部分1、万向轴部分4和传动轴 部分5。马达部分1包括马达定子2和设置在马达定子2内的马达转子3。传动轴部分5包括传动轴6和设置在传动轴6外的传动轴外壳7。万向轴外壳上端与马达外壳相连，万 向轴外壳下端与传动轴外壳7相连；万向轴上端与马达转子3相连，万向轴下端与传动轴6 相连。如图2所示，为万向轴的结构。万向轴包括浮塞8、球形顶块9、上万向节10、球顶 柱面滑键11、半圆挡键12、球形套13、波纹形油封14、芯轴15、下万向节16和外壳17。现有的万向轴在万向节与芯轴之间，采用4至6个钢球来传递转速和扭拒；钢球一 半坐在芯轴内，另一半与万向节半圆槽接触来传递扭拒，由于钢球与万向节半圆槽是线接 触，所以磨损快、使用寿命短、无法承受大扭拒。本实用新型的井下马达万向轴，上万向节10、下万向节16分别通过球形顶块9与 芯轴15接触，半圆挡键12分别镶在芯轴15上下两端，由球形套13顶在半圆挡键12上，再 通过波纹形油封14的球形面与球形套13的球面相接触，波纹形油封14螺纹与上万向节 10、下万向节16螺纹连接，在芯轴15上设置有球顶柱面滑键11，球顶柱面滑键11与芯轴 15、上万向节10和下万向节16 —起形成滑键配合，就组成整个万向轴部分4。如图4、图5和图6所示，为球顶柱面滑键11的结构。本实用新型的井下马达万 向轴上的球顶柱面滑键11下部圆柱体24插进芯轴15对应的圆柱孔内，球顶柱面滑键11 上部滑键平板25插进上万向节10或下万向节16对应的键槽内形成滑键配合；球顶柱面滑 键11顶部的球面26与上万向节10或下万向节16对应的键槽根部圆柱形面相对应。该滑 键配合为球顶柱面滑键11下部的圆柱体25插在芯轴15对应的圆柱孔内，并可在芯轴15 对应的圆柱孔内转动，拨动芯轴15转动来传递扭拒及转速，起万向转动的一部分作用；球 顶柱面滑键11上部滑键平板25插进上万向节10或下万向节16对应的键槽内起到传递扭 拒及转速，其上万向节10或下万向节16对应的键槽根部的圆柱面可沿着球顶柱面滑键11 顶部球面26以同一圆心在球顶柱面滑键11顶部球面26上转动，实现另一部分万向转动作 用；上述两部分转动作用就形成整体的万向轴作用。整体工作原理是上万向节10、下万向 节16连同球顶柱面滑键11 一起，可在芯轴15上左右转动；上万向节10和下万向节16，可 在球顶柱面滑键11与芯轴15上，上下转动。井下马达万向轴上的上下两端，每端安装有4 至8组球顶柱面滑键11。如图3所示，为波纹形油封的结构。波纹形油封14主要包括密封接头18、0型圈 19、压环20、胶筒21和下密封接头22组成；上密封接头18上部为球形面，与球形套13的 球形面相吻合，可在球形套13的球形面上以同一圆心上下左右转动；上密封接头18的螺纹 与上万向节10或下万向节16的内螺纹相吻合，其上的0型圈19将波纹形油封14与上万 向节10或下万向节16密封住；将内外波纹橡胶套与金属波纹增强层粘接挤压后，进行硫化 成波纹形胶筒21 ；胶筒21与上密封接头18、压环20、下密封接头22内外粘接挤压，后将胶 筒与上密封接头18、压环20、下密封接头22牢牢的连接在一起，形成波纹形油封14。本实用新型的井下马达万向轴波纹形油封14与浮塞8形成了对万向轴内所有活 动件的动密封，若干0形密封圈形成对万向轴内所有活动件的静密封；万向轴波纹形油封 14、浮塞8与若干0型圈形成了万向轴上下两个密封腔，密封腔内注满耐高温的润滑脂；地 面注满耐高温的润滑脂的密封腔内压力很小，当下入井内，数千米井筒压力对密封腔形成 巨大的压差，此时，就由浮塞8、波纹形油封14的移动，压缩密封腔内的耐高温润滑脂，进行 了密封腔内的压力补偿，大大缩小了密封腔内压力与外面压力之间的压差，并使得压力腔
5内损耗的润滑脂得到补充。本实用新型的井下马达万向轴波纹形油封14，一端与万向节连接并将上万向节 10、下万向节16与芯轴15连成一体，两者之间有一道0型圈将密封腔封住；波纹形油封14 另一端是自由端，套在芯轴15上，并可在芯轴15上上下移动，波纹形油封14与芯轴15之 间有一道0形密封圈，将密封腔封住；波纹形油封14的自由端在外压的作用下向里移动，可 压缩密封腔内的耐高温润滑脂，使得密封腔内的压力与密封腔外的压力保持平衡，从而保 护了密封件密封效果、延长了密封件的使用寿命；另外，波纹形油封14的自由端在外压的 作用下向里移动，弥补了由于密封腔内各活动件的运动损耗掉的润滑脂；本实用新型的井下马达万向轴两端的浮塞8，在上万向节10、下万向节16内有一 段移动腔体，浮塞8在外压作用下向里移动，压缩密封腔内的润滑脂，使得密封腔内的压 力与密封腔外的压力保持平衡，同时弥补了由于密封腔内各活动件的运动损耗掉的润滑 脂。井下马达万向轴在整个井下马达中起着承上启下的作用，它的灵活性和设计结构 直接影响着整个井下马达传递扭拒及转速的大小，以及马达转子和传动轴的强度，关系到 整个井下马达的使用寿命。该实用新型的井下马达万向轴，结构简单、紧凑、使用灵活、可 靠、功能齐全、使用寿命长、传递扭拒大等优点，是花瓣式万向轴的替代品，具有比球铰接式 万向轴强度高、传递扭拒大、结构较之简单的特点，适合于当前钻井所需求的大扭拒、的转 速井下马达。应用井下马达可实现直径、斜井、大位移井、水平井、分支井、鱼刺井的钻井，提高 油公司的增产上储；减少占用土地，有利于保护环境、缩短见井周期、杜绝或减少事故的发 生；有利于少投入、多产出，大大的降低了开发成本。本实用新型的万向轴适合于100、165、 172、197、244外径尺寸的井下马达配套，上述外径尺寸的井下马达基本囊括了钻井所需求 的使用范围。
权利要求一种井下马达万向轴，包括设置在万向轴壳体(17)内的上万向节(10)、芯轴(15)和下万向节(16)，所述的上万向节(10)和下万向节(16)分别设置在芯轴(15)的两端，其特征在于所述的上万向节(10)和下万向节(16)分别通过球形顶块(9)与芯轴(15)接触，在芯轴(15)上下两端均设有半圆挡键(12)，在半圆挡键(12)上设有球形套(13)；在芯轴(15)的外周设有波纹形油封(14)，波纹形油封(14)与上万向节(10)和下万向节(16)连接，波纹形油封(14)的球形面与球形套(13)的球面相接触；在芯轴(15)上设置有球顶柱面滑键(11)，所述的球顶柱面滑键(11)与芯轴(15)、上万向节(10)和下万向节(16)一起形成滑键配合。
2.根据权利要求1所述的井下马达万向轴，其特征在于所述的球顶柱面滑键(11)包 括圆柱体(24)，在圆柱体(24)上设置有方板(25)，所述的方板(25)的顶部为球面(26)。
3.根据权利要求1所述的井下马达万向轴，其特征在于所述的滑键配合为球顶柱面 滑键(11)的圆柱体(24)设置在芯轴(15)上对应的圆柱孔内，在芯轴(15)对应的圆柱孔 内转动；球顶柱面滑键(11)的方板(25)设置在上万向节(10)或下万向节(16)对应的键 槽，球顶柱面滑键(11)的球面(26)与上万向节(10)或下万向节(16)对应的键槽根部圆 柱形面相配合，上万向节(10)或下万向节(16)对应的键槽根部的圆柱面沿着球顶柱面滑 键(11)顶部球面以同一圆心在球顶柱面滑键(11)顶部球面上转动。
4.根据权利要求1或3所述的井下马达万向轴，其特征在于在所述的芯轴(15)的两 端均设置有4至8组球顶柱面滑键(11)。
5.根据权利要求1所述的井下马达万向轴，其特征在于在所述的上万向节(10)和下 万向节(16)上均设有浮塞(8)，在波纹形油封(14)和芯轴(15)之间设置有0形密封圈，所 述的浮塞(8)与0形密封圈配合使用后形成万向轴上下2个密封腔，在该密封腔内设置有 润滑脂。
6.根据权利要求5所述的井下马达万向轴，其特征在于在所述的上万向节(10)和下 万向节(16)上均设有浮塞(8)的移动腔体。
7.根据权利要求5所述的井下马达万向轴，其特征在于所述的波纹形油封(14)为2 个，所述的波纹形油封(14)的一端为固定端，另一端为自由端，所述的固定端通过螺纹与 上万向节(10)或下万向节(16)连接；所述的自由端在芯轴(15)上上下移动。
8.根据权利要求1或5所述的井下马达万向轴，其特征在于所述的波纹形油封(14) 包括上密封接头(18)、0型圈(19)、压环(20)、胶筒(21)和下密封接头(22)；上密封接头 (18)上部为球形面，与球形套(13)的球形面相配合，在上密封接头(18)上设有螺纹与上 万向节(10)或下万向节(16)的内螺纹相配合；所述的0型圈(19)将波纹形油封(14)与 上万向节(10)或下万向节(16)密封住；通过压环(20)将上密封接头(18)和下密封接头 (22)固定设置在胶筒(21)的两端。
专利摘要本实用新型公开了一种井下马达万向轴。该井下马达万向轴，包括设置在万向轴壳体内的上万向节、芯轴和下万向节，所述的上万向节和下万向节分别设置在芯轴的两端，所述的上万向节和下万向节分别通过球形顶块与芯轴接触，在芯轴上下两端均设有半圆挡键，在半圆挡键上设有球形套；在芯轴的外周设有波纹形油封，波纹形油封与上万向节和下万向节连接，波纹形油封的球形面与球形套的球面相接触；在芯轴上设置有球顶柱面滑键，所述的球顶柱面滑键与芯轴、上万向节和下万向节一起形成滑键配合。该万向轴，结构简单、紧凑、使用灵活、可靠、功能齐全、使用寿命长、传递扭拒大，使用范围广，适合于当前钻井所需求的大扭拒、低转速井下马达。
文档编号E21B17/03GK201763265SQ20102025288
公开日2011年3月16日 申请日期2010年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者祝兆清 申请人:扬州天业石油机械有限公司