牙轮钻头、安装牙轮钻头挡圈的工装及挡圈的安装方法
【专利摘要】本发明涉及钻井工具【技术领域】，尤其涉及一种牙轮钻头，包括牙轮轴孔、牙掌轴、密封系统、储油补偿压力平衡系统，所述牙掌轴的环周设有第一限位槽，与所述第一限位槽相对应的牙轮轴孔内部设有第二限位槽，所述第一限位槽和第二限位槽中安装有截面挡圈；所述牙掌轴由轴承大轴和斜轴两部分构成，所述斜轴的底部与井底相平行的受力面上设有第一硬质合金层，所述斜轴的受力面的背侧设有长油槽，。用强力截面挡圈轴承锁紧系统代替钢球锁紧系统，节约了保贵的轴承空间，增大了轴承受力面积，简化了轴承结构，滑动轴承受力面积增加也是增大了润滑油脂油膜面积，使牙轮钻头更能适应大钻压、高温环境下的定向钻进。
【专利说明】牙轮钻头、安装牙轮钻头挡圈的工装及挡圈的安装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钻井工具【技术领域】，尤其涉及一种牙轮钻头。
【背景技术】
[0002]牙轮钻头是在地壳中破碎岩石的一种工具，广泛应用与石油、天然气钻井以及其他矿产资源钻探和开发等领域。
[0003]牙轮钻头工作负荷很重，传力达数百千牛，传递机械功率达数十千瓦，工作环境恶劣，上有数千米弹性杆柱的振动，下有强度高、研磨性强的岩石，周围是含有砂粒和腐蚀性物质的高压、高温钻井液，而狭小的井眼又限制了钻头的体积，当然最终限制了滑动轴承的受力面积，因而牙轮轴承在恶劣的工况下，极小的受力面积必须承受很大的钻压和扭矩。随着钻井技术向深井、小直径井、丛式井、水平井和大斜度延伸井发展，适应高钻压、高转速、耐高温、定向造斜等钻井要求的钻采油气牙轮钻头，将是牙轮钻头发展方向，而适应高钻压、高转速、耐高温、定向造斜等要求的牙轮钻头，必需最大限度的加大轴承受力面积，最大限度的提高牙轮钻头的工作稳定性，现今牙轮钻头轴承因结构问题已做到极限，开发新结构的滑动轴承是必须要做的工作。满足钻井技术的发展需求是钻井工具制造领域的唯一目的。现有的牙轮钻头主要由牙轮轴孔、牙掌轴、定位钢球、密封系统、储油补偿压力平衡系统构成，所述的定位钢球设置在牙轮轴孔和牙掌轴的钢球锁紧槽之间，用于将牙轮轴孔和牙掌轴锁紧，所述牙掌轴由大轴和小轴两部分构成，所述大轴的上部设有止推面，所述止推面上固定所述小轴，所述止推面与大轴的侧面通过外凸弧形面连接成一体，所述外凸弧形面的弧度与井底形态相同，并并行于井底角。上述结构中由于牙掌轴和牙轮轴孔之见的锁紧靠的是传统的锁紧钢球，由于安装锁紧钢球需要在牙掌轴上开出一个锁紧钢球槽并塞入塞销，还需要在牙轮轴孔上开出一个用于限制锁紧钢球移动的限位槽，并且锁紧钢球直径较大，较大的占用了牙掌轴的空间，牙掌轴的受力面积降低，采用大轴和小轴并存的方式，由于小轴承受力较低，常常容易发生折断，进而影响钻头的使用寿命。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种牙轮钻头，缩小牙掌轴和牙轮轴孔之间锁紧装置的占用空间，增加牙掌轴的承重面积。
[0005]本发明为实现上述目的，采用以下技术方案:一种牙轮钻头，包括牙轮轴孔、牙掌轴、密封系统、储油补偿压力平衡系统，牙轮轴孔套接在所述牙掌轴上，密封系统置于所述牙轮轴孔和牙掌轴之间将二者密封，储油补偿压力平衡系统通过长油孔与牙掌轴上的轴承中心油孔连通，牙轮轴孔的外凸弧形面的弧度与井底形态相同，并行于井底角，所述牙掌轴的环周设有第一限位槽，与所述第一限位槽相对应的牙轮轴孔内部设有第二限位槽，所述第一限位槽和第二限位槽中安装有截面挡圈；所述牙掌轴由轴承大轴和斜轴两部分构成，所述斜轴的底部与井底相平行的受力面上设有第一硬质合金层，所述斜轴的受力面的背侧设有长油槽，所述长油槽与轴承中心油孔连通；所述牙掌轴的顶部为止推面，所述止推面上镶嵌有硬质合金块，所述硬质合金块中部设有锥形通孔，所述锥形通孔与所述轴承中心油孔连通。由于本方案采用截面挡圈取代了现有技术中锁紧钢球的锁紧方式，采用截面挡圈一方面安装便捷，加工方式简单，另一方面占用牙掌轴的空间小，从而增加了牙掌轴的承重能力；去除了现有的小轴，用硬质合金块镶嵌在牙掌轴的止推面上，大大增加了止推面的耐磨性能，并且在硬质合金块中部开有锥形通孔，通过该锥形通孔润滑油脂能够进入到硬质合金块和牙轮轴孔之间，增加两者之间的润滑油脂油膜面积，减小两者之间的摩擦，从而提高牙轮的使用寿命。
[0006]优选地,所述截面挡圈为上、下两个,分为上截面挡圈和下截面挡圈，两个位置都设置在轴承大轴上，下截面挡圈靠近轴承密封系统，上截面挡圈靠近斜轴，在两个截面挡圈之间轴承大轴的受力面上设有第二硬质合金层，所述第二硬质合金层的背侧的两个截面挡圈之间设有大轴油孔，所述大轴油孔与所述轴承中心油孔连通。增加了截面挡圈的锁紧效果，同时第二硬质合金层的设置进一步保证轴承大轴的承压能力，增设大轴油孔能够保证两个挡圈之间具有润滑油，从而降低牙轮轴孔与牙掌轴之间的摩擦力。
[0007]优选地，所述截面挡圈与所述第一限位槽和第二限位槽之间留有间隙。有了这种间隙，首先截面挡圈便于安装到牙轮轴孔中，其次，牙掌轴便于安装到牙轮轴孔中。
[0008]优选地，用于放置下截面挡圈的第一限位槽的外部设有第一环形斜面凸缘，与牙轮轴孔上同样设有一个与所述第一环形斜面凸缘配合的第二环形斜面凹缘。设置两个相互配合的斜面凸缘能够便于下截面挡圈进入到第一限位槽中，同时，能够避免下截面挡圈从第一限位槽弹出。
[0009]优选地，用于放置上截面挡圈的第一限位槽的内侧设有便于上截面挡圈进入的倒角。由于上、下截面挡圈都是先安装到相应的第二限位槽中，设置这个倒角是为了防止安装牙掌轴时下截面挡圈卡在用于安装上截面挡圈的第一限位槽中，由于存在这个倒角，下截面挡圈就过顺着这个倒角的倾斜面滑出，最终滑入到牙掌轴根部的第一限位槽中。
[0010]为了便于将截面挡圈安装到牙轮轴孔中，本发明还提供了 一种用于安装牙轮钻头中挡圈的工装，包括上工装和下工装，所述上工装上带有第一内孔，所述上工装顶端设有第一环形卡台，所述第一环形卡台的外径大于所述下工装的内径；所述上工装的外径大于截面挡圈的内径小于截面挡圈的外径；所述下工装上设有第二内孔，所述第二内孔由锥形孔和圆柱形孔连接而成，所述下工装的内径大于所述上工装的外径，上工装能够插入到下工装中下工装与牙轮轴孔配合。上工装用于下压截面挡圈，下工装深入到牙轮轴孔中，下压上工装，上工装压紧相应的截面挡圈，截面挡圈顺着下工装上的锥形孔和圆柱形孔进入到相应的第二限位槽中，通过这个工装可以将两个截面挡圈顺利的装入牙轮轴孔中的两个第二限位槽中，安装便捷，提高工作效率。
[0011]优选地，所述下工装上部设有第二环形卡台，第二环形卡台的外径大于牙轮轴孔的内径。第二环形卡台卡在牙轮轴孔的外部，便于用力。
[0012]一种挡圈的安装方法，其特征在于:该方法需要用到挡圈工装，该挡圈工装包括上工装和下工装，所述上工装上带有第一内孔，所述上工装顶端设有第一环形卡台，所述第一环形卡台的外径大于所述下工装的内径；所述上工装的外径大于截面挡圈的内径小于截面挡圈的外径；所述下工装上设有第二内孔，所述第二内孔由锥形孔和圆柱形孔连接而成，所述下工装的内径大于所述上工装的外径，上工装能够插入到下工装中下工装与牙轮轴孔配合；步骤一、将下工装深入到牙轮轴孔中下工装上的第二环形卡台抵紧牙轮轴孔的末端；步骤二、将上截面挡圈放入到下工装的第二内孔中平放；步骤四、将上工装置于上截面挡圈的上方并且逐渐下压，直到加工上截面挡圈顺着第二内孔的孔壁进入到牙轮轴孔最前端的第二限位槽中；步骤四，由于用于安装下截面挡圈的第二限位槽距离牙轮轴孔根部比较近，直接将下截面挡圈压入到第二限位槽中。安装此种方法安装上、下截面挡圈，由于用于安装上截面挡圈的第二限位槽距离牙轮轴孔的根部比较远，直接用手下压上截面挡圈不易安装，按照本方法进行安装，安装快捷，省时省力。
[0013]本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明滑动轴承受力面积相对于现有同型号滑动轴承可以增加25%以上，牙掌轴承工作面大量敷焊和镶嵌高强度耐磨性好的硬质合金，轴承斜轴受力面平行于钻头工作受力面(井底角)，轴承主受力面与井底形态相同，且具有止推功能，用两套强力的截面挡圈锁紧轴承，替代一套钢珠锁紧轴承，节构简单锁紧效果好。
[0014]新型牙轮钻头滑动轴承与联接方式。用强力截面挡圈轴承锁紧系统代替钢球锁紧系统，节约了保贵的轴承空间，增大了轴承受力面积，简化了轴承结构，节约了产品成本，并且可减少轴承局部受力的情况的发生，滑动轴承受力面积增加也是增大了润滑油脂油膜面积，使牙轮钻头更能适应大钻压、高温环境下的定向钻进。
[0015]新型滑动轴承相对于现有同型号滑动轴承，有效的利用了牙轮壳体空间，牙轮壳体壁厚均匀，加工时热处理效果更好；牙轮轴承空间大，利于轴承加工，而且加工效果更好，增加了刀杆直径，刀具工作更平衡。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的结构示意图；
图2为截面挡圈的结构不意图；
图3为截面当圈装配结构示意图；
图4为轴承装配结构示意图；
图5为现有技术中牙轮钻头的结构示意图；
1、牙掌轴；2、牙轮轴孔；3、硬质合金块；4、斜轴；41、第一硬质合金层；5、上截面挡圈；
6、下截面挡圈；7、密封系统；8、长油槽；9、轴承大轴；91、第二硬质合金层；10、轴承中心油孔；11、大轴油孔；12、长油孔；13、储油补偿压力平衡系统；14、下工装；141、第二内孔；142、锥形孔；143、圆柱形孔；144、第二环形卡台；15、上工装；151、第一内孔；152、第一环形卡台；16、第一限位槽；17、第二限位槽；18、第一环形斜面凸缘；19、第二环形斜面凹缘；20、倒角。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的【具体实施方式】。如图所示:一种牙轮钻头，包括牙轮轴孔2、牙掌轴1、密封系统7、储油补偿压力平衡系统13，牙轮轴孔套接在所述牙掌轴上，密封系统置于所述牙轮轴孔和牙掌轴之间将二者密封，储油补偿压力平衡系统通过长油孔12与牙掌轴上的轴承中心油孔10连通，牙轮轴孔的外凸弧形面的弧度与井底形态相同，并行于井底角，所述外凸弧形面的弧度与井底形态相同，并行于井底角。通过加轴承大轴的主受力面，防止轴承大轴局部受力而产生的不稳定现象，提高钻头运行的平稳性。
[0018]作为本发明的改进，所述牙掌轴的环周设有第一限位槽16，与所述第一限位槽相对应的牙轮轴孔内部设有第二限位槽17，所述第一限位槽和第二限位槽中安装有截面挡圈，本发明的截面挡圈采用强力截面挡圈，具有较高的强度，由于截面挡圈带有开口，因此本截面挡圈能够沿截面挡圈的径向收缩。
[0019]所述牙掌轴由轴承大轴9和斜轴4两部分构成，将斜轴的弧面替代了现有技术中小轴，从而避免小轴折断，所述斜轴的底部与井底相平行的受力面上设有第一硬质合金层41，由于该部位是主要的承重部位，因而通过设置第一硬质合金层，增加该部位的耐磨能力，所述斜轴的受力面的背侧设有长油槽8，所述长油槽与轴承中心油孔10连通，轴承中心油孔的油脂进入到长油槽中，随着牙轮的转动油脂分布到牙掌轴和压轮轴孔之间。所述牙掌轴的顶部为止推面，所述止推面上镶嵌有硬质合金块3，由于止推面也是轴承的主要受力部位，硬质合金块的设置增加了止推面的承压能力。为了能够使油脂进入到硬质合金块前端与牙轮轴孔之间，降低牙轮轴孔和硬质合金块之间的摩擦，所述硬质合金块中部设有锥形通孔31，所述锥形通孔与所述轴承中心油孔19连通，润滑油脂通过锥形通孔进入到牙轮轴孔和硬质合金块之间，止推面工作时润滑效果更好。由于本方案采用截面挡圈取代了现有技术中锁紧钢球的锁紧方式，采用截面挡圈一方面安装便捷，加工方式简单，另一方面占用牙掌轴的空间小，从而增加了牙掌轴的承重能力；去除了现有的小轴，用硬质合金块镶嵌在牙掌轴的止推面上，大大增加了止推面的耐磨性能，并且在硬质合金块中部开有锥形通孔，通过该锥形通孔润滑油脂能够进入到硬质合金块和牙轮轴孔之间，增加两者之间的润滑油脂油膜面积，减小两者之间的摩擦，从而提高牙轮的使用寿命。
[0020]作为本发明的最优方案，所述截面挡圈为上、下两个，分为上截面挡圈5和下截面挡圈6，采用两个截面挡圈能够将牙轮轴孔和牙轮轴锁紧的更牢固，两个位置都设置在轴承大轴上，下截面挡圈靠近轴承密封系统7，上截面挡圈靠近斜轴，在两个截面挡圈之间轴承大轴的受力面上设有第二硬质合金层91，所述第二硬质合金层的背侧的两个截面挡圈之间设有大轴油孔11，第二硬质合金层能够增加轴承大轴的耐磨能力，所述大轴油孔与所述轴承中心油孔连通，大轴油孔中的润滑油脂进入到轴承中心油孔中。增加了截面挡圈的锁紧效果，同时第二硬质合金层的设置进一步保证轴承大轴的承压能力，增设大轴油孔能够保证两个挡圈之间具有润滑油，从而降低牙轮轴孔与牙掌轴之间的摩擦力。
[0021 ] 为了便于安装截面挡圈，所述截面挡圈与所述第一限位槽和第二限位槽之间留有间隙。有了这种间隙，首先截面挡圈便于安装到牙轮轴孔中，其次，牙掌轴便于安装到牙轮轴孔中，牙掌轴在安装到牙轮轴孔中时会撑大已经安装在第二限位槽中的截面挡圈，由于存在这个间隙，截面挡圈可以径向扩大，直到牙掌轴完全插入到压轮轴孔中，此时，第一限位槽和第二限位槽彼此对应，截面挡圈恢复到原来的形状，完全的置于第一限位槽和第二限位槽形成的空间中，从而起到限位的作用。
[0022]为了便于下截面挡圈进入到第一限位槽中，用于放置下截面挡圈的第一限位槽的外部设有第一环形斜面凸缘18，与牙轮轴孔上同样设有一个与所述第一环形斜面凸缘配合的第二环形斜面凹缘19。由于此时已经将两个截面挡圈分别安装到牙轮轴孔上的第二限位槽中，下一步工作就需要将牙掌轴压入到牙轮轴孔中，设置两个相互配合的斜面凸缘能够便于下截面挡圈进入到位于牙掌轴根部的第一限位槽中，同时，能够避免下截面挡圈从第一限位槽弹出。
[0023]用于放置上截面挡圈的第一限位槽的内侧设有便于上截面挡圈进入的倒角20。由于上、下截面挡圈都是先安装到相应的第二限位槽中，设置这个倒角是为了防止安装牙掌轴时下截面挡圈卡在用于安装上截面挡圈的第一限位槽中，这第一限位槽位于牙掌轴的中部，由于存在这个倒角，下截面挡圈就过顺着这个倒角的倾斜面滑出，最终滑入到牙掌轴根部的第一限位槽中。
[0024]为了便于将截面挡圈安装到牙轮轴孔中，本发明还提供了 一种用于安装牙轮钻头中挡圈的工装，包括上工装15和下工装14，所述上工装上带有第一内孔151，所述上工装顶端设有第一环形卡台152，所述第一环形卡台的外径大于所述下工装的内径；所述上工装的外径大于截面挡圈的内径小于截面挡圈的外径；所述下工装14上设有第二内孔141，所述第二内孔由锥形孔142和圆柱形孔143连接而成，所述下工装的内径大于所述上工装的外径，上工装能够插入到下工装中下工装与牙轮轴孔配合。上工装用于下压截面挡圈，下工装深入到牙轮轴孔中，下压上工装，上工装压紧相应的截面挡圈，截面挡圈顺着下工装上的锥形孔和圆柱形孔进入到相应的第二限位槽中，通过这个工装可以将两个截面挡圈顺利的装入牙轮轴孔中的两个第二限位槽中，安装便捷，提高工作效率。
[0025]所述下工装上部设有第二环形卡台144，第二环形卡台的外径大于牙轮轴孔的内径。第二环形卡台卡在牙轮轴孔的外部，便于用力。
[0026]与现有技术相比，本发明滑动轴承受力面积相对于现有同型号滑动轴承可以增加25%以上，牙掌轴承工作面大量敷焊和镶嵌高强度耐磨性好的硬质合金，轴承斜轴受力面平行于钻头工作受力面(井底角)，轴承主受力面与井底形态相同，且具有止推功能，用两套强力的截面挡圈锁紧轴承，替代一套钢珠锁紧轴承，节构简单锁紧效果好。
[0027]新型牙轮钻头滑动轴承与联接方式。用强力截面挡圈轴承锁紧系统代替钢球锁紧系统，节约了保贵的轴承空间，增大了轴承受力面积，简化了轴承结构，节约了产品成本，并且可减少轴承局部受力的情况的发生，滑动轴承受力面积增加也是增大了润滑油脂油膜面积，使牙轮钻头更能适应大钻压、高温环境下的定向钻进。
[0028]新型滑动轴承相对于现有同型号滑动轴承，有效的利用了牙轮壳体空间，牙轮壳体壁厚均匀，加工时热处理效果更好；牙轮轴承空间大，利于轴承加工，而且加工效果更好，增加了刀杆直径，刀具工作更平衡。
[0029]首先利用装配强力截面挡圈工装14、15在牙轮轴孔2中装配完成上、下截面挡圈
5、6的安装工作，步骤一、将下工装深入到牙轮轴孔中下工装上的第二环形卡台抵紧牙轮轴孔的末端；步骤二、将上截面挡圈放入到下工装的第二内孔中平放；步骤四、将上工装置于上截面挡圈的上方并且逐渐下压，直到加工上截面挡圈顺着第二内孔的孔壁进入到牙轮轴孔最前端的第二限位槽中；步骤四，由于用于安装下截面挡圈的第二限位槽距离牙轮轴孔根部比较近，直接将下截面挡圈压入到第二限位槽中。接下来安装密封系统7，最后将装配完成后的牙轮轴孔2压装在在牙掌轴I相应位置，上、下截面挡圈5、6将自动锁紧轴承，最终将牙轮轴孔2与牙掌轴I套接构成牙轮钻头滑动轴承系统。组装钻头，抽真空给储油补偿压力平衡系统13注轴承润滑油脂，最后封闭注油孔。
[0030]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种牙轮钻头，包括牙轮轴孔、牙掌轴、密封系统、储油补偿压力平衡系统，牙轮轴孔套接在所述牙掌轴上，密封系统置于所述牙轮轴孔和牙掌轴之间将二者密封，储油补偿压力平衡系统通过长油孔与牙掌轴上的轴承中心油孔连通，牙轮轴孔的外凸弧形面的弧度与井底形态相同，并行于井底角，其特征在于:所述牙掌轴的环周设有第一限位槽，与所述第一限位槽相对应的牙轮轴孔内部设有第二限位槽，所述第一限位槽和第二限位槽中安装有截面挡圈；所述牙掌轴由轴承大轴和斜轴两部分构成，所述斜轴的底部与井底相平行的受力面上设有第一硬质合金层，所述斜轴的受力面的背侧设有长油槽，所述长油槽与轴承中心油孔连通；所述牙掌轴的顶部为止推面，所述止推面上镶嵌有硬质合金块，所述硬质合金块中部设有锥形通孔，所述锥形通孔与所述轴承中心油孔连通。
2.根据权利要求1所述的牙轮钻头，其特征在于:所述截面挡圈为上、下两个，分为上截面挡圈和下截面挡圈，两个位置都设置在轴承大轴上，下截面挡圈靠近轴承密封系统，上截面挡圈靠近斜轴，在两个截面挡圈之间轴承大轴的受力面上设有第二硬质合金层，所述第二硬质合金层的背侧的两个截面挡圈之间设有大轴油孔，所述大轴油孔与所述轴承中心油孔连通。
3.根据权利要求1或2所述的牙轮钻头，其特征在于:所述截面挡圈与所述第一限位槽和第二限位槽之间留有间隙。
4.根据权利要求3所述的牙轮钻头，其特征在于:用于放置下截面挡圈的第一限位槽的外部设有第一环形斜面凸缘，与牙轮轴孔上同样设有一个与所述第一环形斜面凸缘配合的第二环形斜面凹缘。
5.根据权利要求4所述的牙轮钻头，其特征在于:用于放置上截面挡圈的第一限位槽的内侧设有便于上截面挡圈进入的倒角。
6.一种用于安装牙轮钻头中挡圈的工装，其特征在于:包括上工装和下工装，所述上工装上带有第一内孔，所述上工装顶端设有第一环形卡台，所述第一环形卡台的外径大于所述下工装的内径；所述上工装的外径大于截面挡圈的内径小于截面挡圈的外径；所述下工装上设有第二内孔，所述第二内孔由锥形孔和圆柱形孔连接而成，所述下工装的内径大于所述上工装的外径，上工装能够插入到下工装中下工装与牙轮轴孔配合。
7.根据权利要求6所述的用于安装牙轮钻头中挡圈的工装，其特征在于:所述下工装上部设有第二环形卡台，第二环形卡台的外径大于牙轮轴孔的内径。
8.—种挡圈的安装方法，其特征在于:该方法需要用到挡圈工装，该挡圈工装包括上工装和下工装，所述上工装上带有第一内孔，所述上工装顶端设有第一环形卡台，所述第一环形卡台的外径大于所述下工装的内径；所述上工装的外径大于截面挡圈的内径小于截面挡圈的外径；所述下工装上设有第二内孔，所述第二内孔由锥形孔和圆柱形孔连接而成，所述下工装的内径大于所述上工装的外径，上工装能够插入到下工装中下工装与牙轮轴孔配合；步骤一、将下工装深入到牙轮轴孔中下工装上的第二环形卡台抵紧牙轮轴孔的末端；步骤二、将上截面挡圈放入到下工装的第二内孔中平放；步骤四、将上工装置于上截面挡圈的上方并且逐渐下压，直到加工上截面挡圈顺着第二内孔的孔壁进入到牙轮轴孔最前端的第二限位槽中；步骤四，由于用于安装下截面挡圈的第二限位槽距离牙轮轴孔根部比较近，直接将下截面挡圈压入到第二限位槽中。
【文档编号】E21B10/24GK103939023SQ201410182097
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】陈斌 申请人:天津立林钻头有限公司