具有金属橡胶止推轴承和滚动轴承的井下动力钻具传动轴 【技术领域】
本发明涉及一种石油、矿山、煤田、气田等领域井下动力钻具传动轴，尤其是一种使用寿命较长的具有金属橡胶止推轴承和滚动轴承的井下动力钻具传动轴。属于机械制造技术领域。
背景技术
由于使用条件的限制，石油、矿山、煤田、气田等领域的井下动力钻具(如螺杆钻具、涡轮钻具等)都被迫做成管状，而且直径有限。在有限的空间内设计出强度、性能、工作寿命都能满足要求的动力钻具困难很大，提高井下动力钻具整机性能的关键是提高井下动力钻具传动轴的工作寿命，国内外无数科技工作者长期致力于这方面的研究，取得了一些成果，但还不十分令人满意。如目前涡轮钻具和螺杆钻具传动轴采用开式结构，利用钻井工作液(泥浆)冷却润滑轴承，即使选用最好的材质和热处理工艺，其易损件的平均工作寿命只有50～100小时，钻井工作液净化好的时侯易损件工作寿命最长也不超过150小时。
整体的具体结构如图1所示，两圈滚动轴承组结构如图5所示，四圈滚动轴承组结构如图4所示。主要由上部径向硬质合金滑动轴承1、滚动轴承组3、下部径向硬质合金滑动轴承6、外壳体7、轴8等组成。其中，上部径向硬质合金滑动轴承动圈1a、滚动轴承组动圈3b、下部径向硬质合金滑动轴承动圈6a等依次装在轴8上，由紧临上部径向硬质合金滑动轴承动圈1a的压紧螺母压紧在轴8上，构成传动轴的转动部分；上部径向硬质合金滑动轴承静圈1b、滚动轴承组静圈3c等依次装在外壳体7内，由下部径向硬质合金滑动轴承静圈6b压紧在外壳体7内，构成传动轴的静止部分。
当轴在井下工作一定时间后D截面及附近危险截面发生疲劳破坏断裂时，轴的下部轴头和其上的钻头或其它工具有可能掉井，时常造成额外的较大损失。
发明目地
本发明的目的在于针对现有技术之不足而提供一种具金属橡胶止推轴承和滚动轴承的井下动力钻具传动轴，其具有较长使用寿命，并且使用安全。
本发明的目的是这样实现的：一种具有金属橡胶止推轴承和滚动轴承的井下动力钻具传动轴，它至少包括轴、轴侧依序设置的上部径向硬质合金滑动轴承、滚动轴承组、下部径向硬质合金滑动轴承以及各轴承外设置的外壳体组成。其中，在滚动轴承组与滑动轴承之间设置金属橡胶止推轴承，金属橡胶止推轴承由止推轴承动环以及止推轴承静环构成，其中止推轴承动环装在轴上，止推轴承静环装在外壳体内。金属橡胶止推轴承静环或动环轴向的两个或一个端面凹槽内固定有耐磨耐油橡胶，动环或静环轴向的两个或一个端面进行了表面硬化处理，硬度HRC50～70。金属橡胶止推轴承轴向游动量为1.0mm～5.0mm。
金属橡胶止推轴承设置在滚动轴承组的上部和/或下部。金属橡胶止推轴承为一级以上，例如1～20级。
再有，本发明在下部径向硬质合金滑动轴承上方、金属橡胶止推轴承的轴与外壳体之间设有防掉机构，防掉机构内环的外凸台肩的直径大于防掉机构外环内孔最小直径和/或下部径向硬质合金滑动轴承静圈内径。
在轴下部径向硬质合金滑动轴承的上方位置的轴上开设压力平衡通孔，压力平衡通孔可为为一个以上，例如为3个。
根据上述技术方案分析可知，本发明结构简单、合理，具有较长的使用寿命，并且能够防止在下部径向硬质合金滑动轴承与轴的结合处截面及附近危险截面发生疲劳破坏断裂时，轴的下部轴头和其上的钻头或其它工具不掉井，以免造成更大损失。
【附图说明】
图1为本发明一种四圈滚动轴承组传动轴结构示意图。
图2为本发明一种两圈滚动轴承组混合传动轴结构示意图。
图3为本发明的金属橡胶止推轴承组结构示意图。
图4为四圈滚动轴承组结构示意图
图5为两圈滚动轴承组结构示意图
图6为现有技术中两圈滚动轴承组传动轴结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步地详细说明。
参见图1、3，本发明为一种具有金属橡胶止推轴承和滚动轴承的井下动力钻具传动轴。它主要由上部径向硬质合金滑动轴承1、上部轴向金属橡胶止推轴承2、滚动轴承组3、下部轴向金属橡胶止推轴承4、防掉机构5、下部径向硬质合金滑动轴承6、外壳体7、轴8等组成。上部径向硬质合金滑动轴承动圈1a、上部轴向金属橡胶止推轴承动环2a、滚动轴承组动圈3b、下部轴向金属橡胶止推轴承动环4a、防掉机构内环5a、下部径向硬质合金滑动轴承动圈6a等依次装在轴8上，由紧临上部径向硬质合金滑动轴承动圈1a的压紧螺母压紧在轴8上，构成传动轴的转动部分；上部径向硬质合金滑动轴承静圈1b、上部轴向金属橡胶止推轴承静环2b、滚动轴承组静圈3c、下部轴向金属橡胶止推轴承静环4b、防掉机构外环5b等依次装在外壳体7内，由下部径向硬质合金滑动轴承静圈6b压紧在外壳体7内，构成传动轴的静止部分。图2所示的实施例与图1所不同的仅仅是滚动轴承组的设置，其他结构均为一致。
配合图1、2，提高井下动力钻具传动轴工作寿命的关键在于如何提高传动轴易损件的寿命。井下动力钻具传动轴的主要易损件是轴承。现有传动轴结构只有滚动轴承组承担轴向载荷，且通过滚动轴承组摩擦面间隙的钻井液流量较多，造成滚动轴承组在钻井液磨粒磨损条件下过快磨损。本发明在现有传动轴结构基础上增加了0～20级轴向金属橡胶止推轴承，这些金属橡胶止推轴承装配在滚动轴承组的上部和/或下部。金属橡胶止推轴承的轴向游动量为1.0mm～5.0mm，而滚动轴承组的轴向游动量为0.5mm～1.0mm，因此在滚动轴承组磨损到一定程度后金属橡胶止推轴承与滚动轴承组共同承担轴向载荷，从而保证新型传动轴比现有传动轴工作寿命更长。金属橡胶止推轴承静环或动环轴向的两个或一个端面凹槽内固定有耐磨耐油橡胶，动环或静环轴向的两个或一个端面进行了表面硬化处理，硬度HRC50～70，使其在恶劣工况条件下具有良好的耐磨性。
滚动轴承组上方和下方的径向硬质合金滑动轴承的径向间隙为0.1mm～0.8mm，上部径向硬质合金滑动轴承摩擦面长度为50～200mm，下部径向硬质合金滑动轴承摩擦面长度为100～300mm，这样就可以保证传动轴中的金属橡胶止推轴承和滚动轴承组只承受轴向载荷，只让适量含较小颗粒粒子的钻井液进入轴承腔内，对轴承进行润滑和冷却，又不影响钻头的喷射效果。径向硬质合金滑动轴承动圈外圆表面和静圈内圆表面镶嵌有耐磨硬质合金，硬质合金的硬度高，耐磨性好，能在恶劣工况条件下良好工作，寿命较长。
另外，本发明在轴8下部径向硬质合金滑动轴承动圈6a的上方位置B处有压力平衡通孔9。根据流体力学原理，A、D两点间的压力降ΔPAD，A、B两点间的压力降ΔPAB(工作液压力的沿程损失很小)，B、C两点间的压力降ΔPBC(C点处的压力为井底压力，ΔPBC为钻头压降)，C、D两点间的压力降ΔPCD，A、F两点间的压力降ΔPAF，F、E两点间的压力降ΔPFE，A、F两点间的压力降ΔPAF之间存在如下关系：
ΔPAD＝ΔPAB+ΔPBC+ΔPCD＝ΔPAF+ΔPFE+ΔPED＝ΔPAB+PBE+ΔPED
据上式有ΔPAF+ΔPFE＝ΔPAB+ΔPBE，ΔPBC+ΔPCD＝PBE+ΔPED。
由于ΔPAF、ΔPCD、ΔPBE都很小，可以忽略不计，因此有
ΔPFE ≈ΔPAB，ΔPED≈ΔPBC。
由于ΔPAB与ΔPBC相比很小，因此ΔPFE与ΔPED相比也很小。
由于上部径向硬质合金滑动轴承动圈1a与静圈1b之间的径向间隙为0.1～0.8mm，与轴8内孔直径Φ20～Φ60mm相比很小，因此传动轴工作时在较小压差ΔPFE下通过硬质合金滑动轴承、金属橡胶止推轴承和滚动轴承组摩擦面间隙的钻井液适量，从而保证硬质合金滑动轴承、金属橡胶止推轴承和滚动轴承组在充分冷却润滑条件下有足够长的工作寿命。
此外，为防止轴从D截面处断裂造成掉井后传动轴其余零部件不掉井，本新型实用设计了防掉机构。传动轴防掉机构内环的外凸台肩的直径比防掉机构外环内孔最小直径和/或传动轴下部硬质合金滑动轴承静圈内径都大，当轴在井下工作一定时间后D截面及附近危险截面发生疲劳破坏断裂时，轴的下部轴头和其上的钻头或其它工具有可能掉井。本发明有了上述防掉机构后可以阻止剩余部分轴及轴上其它零件不掉井，以免造成更大损失。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。