锁定装置以及对应方法与流程

1.本发明涉及一种用于锁定第一连接构件相对于第二连接构件的旋转位置的锁定装置，例如，在钻井操作期间，通常需要这种锁定装置作为陆上或海上井筒相关活动的一部分。


背景技术：

2.钻井设备通常包括顶部驱动装置以及旋转杆，所述顶部驱动装置包括一个或更多个顶部驱动马达，例如电动顶部驱动马达，所述旋转杆沿作业线延伸并由所述一个或更多个马达驱动，以便在连接到所述顶部驱动时将旋转运动传递到钻井管柱。顶部驱动马达和旋转杆之间和/或旋转杆和钻井管柱之间的连接可以受益于锁定装置，特别是在使用第一连接构件以及第二连接构件进行连接的情况下，其中所述第一连接构件具有内螺纹段和外螺纹段中的一种，所述第二连接构件具有内螺纹段和外螺纹段中的另一种，以与第一连接构件的螺纹段相配合。
3.特别是当施加的扭矩处在用于将第一和第二连接构件连接的螺纹段的松动方向上时，锁定装置防止连接意外松动。
4.在ep1664477a1中公开了一种现有技术的锁定装置，其中该锁定装置包括两个单独的锁定环，这两个单独的锁定环通过在它们的第一侧上的相应的齿和凹槽而彼此啮合。两个锁定环中的每一个在第二侧上具有不同数量的齿和凹槽。面对连接构件的两个第二侧形成为在锁定环沿轴向方向分开之后啮合形成在连接构件的相对侧的肩部上的相应数量的凹槽和齿，同时保持第一和第二锁定环之间的啮合。
5.尽管ep1664477a1的锁定装置的优点是锁定环不必相对于连接构件径向延伸，但缺点是使用两个锁定环和由此产生的三个连接，即每个锁定环与对应连接构件的连接以及两个锁定环之间的连接。这不仅导致在所有部件之间提供足够强的连接的设计挑战，还导致保持两个锁定环分开以保持锁定啮合的设计挑战。


技术实现要素：

6.因此，本发明的目的在于提供一种易于设计和使用的锁定装置。
7.根据本发明，提供了一种锁定装置，包括：
[0008]-第一连接构件，其具有内螺纹段和外螺纹段中的一种，并且包括具有完整的齿轮齿数n1的第一组齿；以及
[0009]-第二连接构件，其具有内螺纹段或外螺纹段中的另一种，以与第一连接构件的螺纹段相配合用于将第一连接构件连接到第二连接构件，并且第二连接构件包括具有完整的齿轮齿数n2的第二组齿，
[0010]
其中，在n1和n2的因数分解之后，n1和n2具有大于1的非公因数，
[0011]
其中，锁定装置进一步包括单个固定直径的锁定环，
[0012]
其中，锁定环包括第三组齿和第四组齿，所述第三组齿配置为与第一组齿相配合，
所述第四组齿配置为与第二组齿相配合，
[0013]
并且其中，至少在第一连接构件连接到第二连接构件的情况下，锁定环在释放位置和锁定位置之间沿第一连接构件和第二连接构件的轴向方向能够移动，在所述释放位置，第二组齿与第四组齿脱离，以允许第一连接构件相对于第二连接构件旋转，在所述锁定位置，第一组齿与第三组齿啮合，并且第二组齿与第四组齿啮合，以将第一连接构件相对于第二连接构件的旋转位置锁定。
[0014]
需要注意的是，第一至第四组齿中的任何一个都可以由一个或更多个齿轮段形成，因此，不形成完整的齿轮。为了避免将一组齿形成一个完整的齿轮的情况与一组齿由一个或更多个齿轮段形成的情况进行区分，引入了完整的齿轮齿数的概念，其指的是由一组齿定义的完整的齿轮的齿的数量。当一组齿已经形成完整的齿轮时，完整的齿轮齿数等于该组齿中的实际齿的数量。当一组齿形成完整的齿轮的一部分时，完整的齿轮齿数将高于该组齿中的实际齿的数量。
[0015]
优选地，第一和第二组齿形成完整的齿轮。其优点可以是更容易确定第一组齿中的哪个齿基本上与第二组齿中的另一个齿对齐，这对于正确定向锁定环以朝向锁定位置移动锁定环可能是有用的，这将在下面更详细地解释。
[0016]
根据本发明的锁定装置的优点是仅使用单个固定直径的锁定环，导致只有两个连接，即锁定环与第一和第二连接构件之间的连接，并且锁定只需要锁定环相对于连接构件的移动。这导致更少的设计挑战和更容易使用锁定装置。
[0017]
使用完整的齿轮齿数n1和n2具有的优点是第一连接构件相对于第二连接构件的可锁定定向的数量增加并且高于n1和n2的最大值，其中在n1和n2的因数分解之后，n1和n2具有大于1的非公因数。下面的表1提供了一些合适的n1和n2组合的示例。
[0018]
表1：完整的齿轮齿数n1和完整的齿轮齿数n2的合适组合的示例
[0019][0020]
在上面的示例中，n1总是大于n2，但情况不一定如此，例如当n1和n2交换时，n2大于n1同样适用。这里明确指出，数量n1与n2不同的事实不足以导致更大数量的可锁定定向。
例如，当其中一个数量是另一个数量的倍数时，例如n1为6，n2为3(即n1＝2*n2)，得到的可锁定定向数量等于n1、n2的最大值，因此在本示例中为6(n1)。
[0021]
从表1中的示例可以看出，在n1和n2的因数分解之后，可以优选选择除了1之外没有任何公因数的完整的齿轮齿数n1和完整的齿轮齿数n2。正确的是例如当n1和n2中的一个是质数并且n1和n2中的另一个不是所述质数的倍数时。于是可锁定定向的数量为n1*n2。可锁定定向的数量越多，需要调整的第一和第二连接构件之间的相互旋转定向就越少，从而允许锁定环锁定第一连接构件相对于第二连接构件的旋转位置，即锁定相互旋转定向。
[0022]
在一个实施方案中，完整的齿轮齿数n1和n2中的一个是56，并且完整的齿轮齿数n1和n2中的另一个是55。
[0023]
在一个实施方案中，第一组齿在释放位置与第三组齿脱离。其优点在于，锁定环可以相对于第一和第二连接构件旋转，从而允许将锁定环的定向调整到第一和第二连接构件之间的相互定向，进而允许锁定环锁定旋转位置，优选地无需调整第一和第二连接构件之间的相互定向。
[0024]
在一个实施方案中，第三组齿具有完整的齿轮齿数n3，其等于完整的齿轮齿数n1。
[0025]
在一个实施方案中，第四组齿具有完整的齿轮齿数n4，其等于完整的齿轮齿数n2。
[0026]
在一个实施方案中，齿在相应的连接构件的外部上平行于纵向轴线轴向地延伸，并且从相应的连接构件从齿根到齿顶径向向外延伸。
[0027]
在一个实施方案中，锁定装置包括保持构件以将锁定环保持在释放位置或锁定位置。优选地，保持构件与第一组齿和/或第二组齿接合以保持锁定环的位置。
[0028]
在一个实施方案中，锁定环包括例如以孔的形式的第一座部和第二座部，第一座部和第二座部配置为容纳保持构件，其中在保持构件被容纳在第一座部中的情况下，锁定环被保持在释放位置，并且其中在保持构件被容纳在第二座部中的情况下，锁定环被保持在锁定位置。
[0029]
在一个实施方案中，第三组齿不能穿过第二组齿，使得第三组齿与第二组齿的接合可以附加地或替代地将锁定环保持在锁定位置。
[0030]
在一个实施方案中，第一座部布置在第三组齿和第四组齿之间，并且第二座部布置在第四组齿的相对侧。
[0031]
在一个实施方案中，锁定环设置有第三组齿和第四组齿的相互旋转定向的视觉指示，例如，指示第三组齿的齿与第四组齿的齿对齐的位置的线。
[0032]
作为说明，一组齿与另一组齿的配合以及第一和第二连接构件的旋转位置的锁定可以允许由于齿隙而导致的相应部件之间的一些运动，这对于齿的配合来说是常见的。替代地，齿隙可以限定为相应组齿的圆周齿距的最多0.1倍，优选为圆周齿距的最多0.05倍，更优选为圆周齿距的最多0.02倍，最优选为圆周齿距的最多0.01倍。
[0033]
本发明还涉及一种用于将根据本发明的锁定装置的第一连接构件和第二连接构件连接并锁定的方法，其中所述方法包括以下步骤：
[0034]
a)通过使对应的螺纹段相配合而将第一连接构件连接到第二连接构件；以及
[0035]
b)将锁定环从释放位置移动到锁定位置。
[0036]
在一个实施方案中，在将锁定移动到锁定位置之前，将锁定环旋转到可锁定定向。优选地，锁定环设置有第三组齿和第四组齿的相互旋转定向的视觉指示，例如，指示第三组
齿的齿与第四组齿的齿对齐的位置的线，其中所述方法包括例如通过将锁定环上的线对齐于与第二组齿的齿对齐的第一组齿的齿，而使锁定环上的视觉指示与第一组齿和第二组齿对齐。
[0037]
在一个实施方案中，设置有保持构件以将锁定环保持在释放位置，其中所述方法包括在将锁定环移动到锁定位置之前移除保持构件的步骤。优选地，保持构件从第一座部移除。
[0038]
在一个实施方案中，所述方法包括在将锁定环移动到锁定位置之后设置保持构件以在锁定位置保持锁定状态的步骤。优选地，保持构件设置在第二座部中。
附图说明
[0039]
现在将通过参考附图以非限制性方式描述本发明，其中相同的部分使用相同的附图标记表示，其中：
[0040]
图1示意性地描绘了根据本发明实施方案的锁定装置，其中第一和第二连接构件处于断开状态并且彼此隔开一定距离；
[0041]
图2示意性地描绘了图1的锁定装置，其中第一连接构件插入到第二连接构件中；
[0042]
图3示意性地描绘了图2的锁定装置，其中第一连接构件的螺纹段与第二连接构件的螺纹段相配合；
[0043]
图4示意性地描绘了图3的锁定装置，其中第一和第二连接构件之间紧固连接；
[0044]
图5示意性地描绘了在将锁定环与第一和第二连接构件上的齿组对准之后的图4的锁定装置；
[0045]
图6示意性地描绘了在移除锁定环保持螺栓之后的图5的锁定装置；
[0046]
图7示意性地描绘了在将锁定环从释放位置移动到锁定位置之后的图6的锁定装置；
[0047]
图8示意性地描绘了在锁定环保持螺栓进入之前的图7的锁定装置；
[0048]
图9示意性地描绘了在锁定环保持螺栓进入之后的图8的锁定装置；以及
[0049]
图10示意性地描绘了锁定装置的截面图，其中图的右侧对应于如图7至图9所示的锁定环的锁定位置，并且图的左侧对应于如图5和图6所示的锁定环的释放位置。
具体实施方式
[0050]
图1至图10示意性地描绘了根据本发明实施方案的锁定装置la，其中各个附图指示了将第一连接构件cm1和第二连接构件cm2彼此连接和锁定的不同步骤，或者如果以相反的顺序观察，则指示了将第一和第二连接构件cm1、cm2释放和断开的不同步骤。
[0051]
第一连接构件cm1包括外螺纹段mts，并且第二连接构件cm2包括内螺纹段fts以与外螺纹段mts相配合，如下面将参照图1至图4解释。如图1所示，外螺纹段mts和/或内螺纹段fts优选地是锥形的。其优点是更容易对齐第一和第二连接构件cm1、cm2。
[0052]
在图1中，第一连接构件cm1和第二连接构件cm2彼此隔开一定距离布置，第一连接构件cm1的纵向轴线la1与第二连接构件cm2的纵向轴线la2基本对齐，从而当第一和第二连接构件cm1、cm2在平行于第一和第二连接构件cm1、cm2的纵向轴线la1、la2的方向上相对于彼此移动时，允许外螺纹段mts插入到内螺纹段fts中。优选地，纵向轴线la1、la2重合。
[0053]
在图2中，上述将外螺纹段mts插入到内螺纹段fts中的相对运动已经发生，外螺纹段mts和内螺纹段fts彼此接触或几乎接触而不彼此配合，这意味着在这个位置外螺纹段mts仍然可以从内螺纹段缩回。如果在图1的情况下存在初始错位，则接触(未相配合)可以使第一和第二连接构件cm1、cm2彼此对准。
[0054]
在图3中，第一连接构件cm1已相对于第二连接构件cm2如箭头a1所示围绕纵向轴线la1旋转，使得外螺纹段mst和内螺纹段fst相配合，这意味着在不先沿与箭头a1相反的方向旋转的情况下，外螺纹段mts将无法再缩回。图2和图3之间导致螺纹段相配合的旋转可以替代地称为将外螺纹段拧入到内螺纹段中或将内螺纹段拧入到外螺纹段上。这里明确指出，由于螺纹段的螺纹连接，它们也在轴向方向上彼此靠近。
[0055]
图3描绘了第一连接构件cm1可以沿方向a1进一步旋转或者可以沿相反的方向旋转的情况。图4描绘了第一连接构件cm1已经沿方向a1进一步旋转直到不能进一步旋转的情况。图3的情况可以认为是第一和第二连接构件的连接状态，而图4的情况可以认为是第一和第二连接构件的连接并紧固状态。
[0056]
第一和第二连接构件之间的连接可以用于许多不同的应用中，例如，将旋转运动从钻井设备的顶部驱动马达的旋转杆传递到钻井管。当传递的旋转运动为箭头a1方向时，螺纹连接的紧固状态将确保旋转运动易于传递。然而，当传递的旋转运动沿与箭头a1相反的方向时，可能会意外地发生第一和第二连接构件之间的螺纹连接松动而变为如图3甚至图2所示的状态。为了防止这种情况，锁定装置la包括独立于由外螺纹段和内螺纹段提供的连接来锁定第一和第二连接构件的旋转位置的措施，如下文将更详细地解释。
[0057]
第一连接构件cm1包括具有完整的齿轮齿数n1的第一组s1齿t1。使用附图标记t1仅指示几个齿t1以保持附图清晰。第二连接构件cm2包括具有完整的齿轮齿数n2的第二组s2齿t2。同样，使用附图标记t2仅指示几个齿t2以保持附图清晰。
[0058]
齿t1和齿t2各自在相应的连接构件cm1、cm2的外部上平行于纵向轴线la1、la2轴向地延伸。齿t1和t2从相应的连接构件cm1、cm2径向向外从齿根延伸到齿顶。
[0059]
第一组s1和第二组s2齿t1、t2在第一和第二连接构件cm1、cm2处于如图4所示的连接并紧固状态时形成彼此相邻布置的完整的齿轮。提供完整的齿轮意味着没有省略齿，并因此实际的齿t1、t2的数量分别等于完整的齿轮齿数n1、n2。然而，第一组s1和第二组s2也可以由一个或更多个齿轮段形成，不形成完整的齿轮，而是以类似于完整的齿轮的方式布置，并因此完整的齿轮齿数是指如果一个或更多个齿轮段之间的缺失齿被填充以完成齿轮将会出现的齿数。
[0060]
锁定装置la进一步包括单个固定直径的锁定环lr。如图10所示，锁定环lr设置有第三组s3齿t3和第四组s4齿t4，第三组s3齿t3配置为与第一组s1齿t1相配合，第四组s4齿t4配置为与第二组s2齿t2相配合。
[0061]
在该实施方案中，第三组s3和第四组s4齿t3、t4形成彼此相邻布置的完整的齿轮，分别具有完整的齿轮齿数n3、n4，其中优选地n1＝n3并且n2＝n4。同样，如上文针对第一组s1和第二组s2所描述，设想第三组s3和第四组s4由一个或更多个齿轮段形成。
[0062]
当第三组s3齿t3与第一组s1齿t1啮合，同时第四组s4齿t4与第二组s2齿t2啮合时，第一连接构件cm1相对于第二连接构件cm2的旋转位置被锁定。这种旋转位置可替代地称为可锁定定向。
[0063]
在n1和n2的因数分解之后，完整的齿轮齿数n1和n2具有大于1的非公因数，使得第一连接构件cm1相对于第二连接构件的可锁定定向的数量增加且高于n1和n2的最大值。
[0064]
锁定环lr在释放位置和锁定位置之间沿第一和第二连接构件cm1、cm2的轴向方向(即平行于第一和第二连接构件cm1、cm2的纵向轴线la1、la2)进一步可移动，在所述释放位置，锁定环lr的齿t3、t4与第一和第二连接构件cm1、cm2上的齿t1、t2脱离，在所述锁定位置，齿t3、t4分别与齿t1、t2啮合。虽然从锁定状态到释放状态只有齿t4需要从齿t2脱离，但是齿t3从齿t1脱离的优点是锁定环lr相对于第一和第二连接构件cm1、cm2可自由旋转。
[0065]
锁定环lr进一步设置有垂直于第一连接构件cm1的纵向轴线la1延伸的上孔uh和下孔lh。上孔uh在第三组s3齿t3和第四组s4齿t4之间延伸，而下孔lh在第四组s4齿t4的相对侧延伸。上孔uh和下孔lh配置为容纳保持构件rm，在这种情况下为螺栓的形式。
[0066]
当保持构件rm被容纳在上孔uh中时，锁定环lr不能穿过第一连接构件cm1上的第一组s1齿t1，并因此保持在释放位置。这种情况如图1至图5以及图10左侧所示。
[0067]
当保持构件rm被容纳在下孔lh中时，锁定环lr不能穿过第二连接构件cm2上的第二组s2齿t2，并因此保持在锁定位置。这种情况如图9和图10右侧所示。
[0068]
从图10中可以清楚地看出，不同组的齿布置在距纵向轴线la1、la2不同的距离处。第一组s1布置在距离d1处，第二组s2布置在距离d2处，第三组s3布置在距离d3处，第四组s4布置在距离d4处。为了使第三组s3与第一组s1相配合，d1需要大于d3。为了使第四组s4与第二组s2相配合，d2需要大于d4。为了使第四组s4脱离第二组s2而不与第一组s1啮合，d4需要大于d1。因此，以下可以适用：d3《d1《d4《d2。结果，第三组s3不能穿过第二连接构件cm2上的第二组s2，这也将导致锁定环lr保持在锁定位置。
[0069]
第三组s3和第四组s4具有固定的相互旋转定向。该固定的相互旋转定向可以在锁定环lr的外侧上指示，在该示例中为线li，该指示可以例如指示齿t3与齿t4对齐的位置。如用于所示实施方案的图5所示，这允许锁定环lr相对于第一和第二连接构件cm1、cm2旋转，以例如通过寻找与齿t2对齐的齿t1并将线l1定位在这些齿处来匹配第一和第二组s1、s2的相互旋转定向。由于匹配的旋转定向，第三组s3能够与第一组s1啮合，同时第四组s4能够与第二组s2啮合。
[0070]
然而，在啮合之前，如图6所示，需要从上孔uh中移除保持构件rm。这允许将锁定环lr从图6中的释放位置移动到如图7中所示的锁定位置。然后，如图8所示，保持构件rm朝向下孔lh移动并被容纳在下孔lh中，从而将锁定环lr保持在如图9中所示的锁定位置。