一种扭矩过载保护工具技术领域
本发明涉及油气田开发领域，具体涉及一种扭矩过载保护工具。
背景技术
在油气田开发过程中，钻井和修井是主要的作业步骤，需要使用转盘、顶驱从地面给钻
头使钻头旋转破岩，或者使用螺杆马达等从井下对钻头提供旋转破岩。不论哪种方式，最终
都是通过钻杆或钻铤传递扭矩给钻头(或其他钻具组合)。在钻井过程中，不同的地层施加给
钻头不同的阻力，该阻力使得钻柱传递的扭矩超过正常钻井扭矩，可能导致钻柱的损害或断
裂，而大多钻杆只能传递一定的扭矩，过大扭矩时不能对井下工具进行过载保护。在井下工
具损坏后只能起钻更换损坏工具，增加了钻柱起升次数，浪费钻井作业时间和费用。
目前市面上已有的部分扭矩过载保护工具，包括滚珠式、摩擦式、液压式、气动式、电
磁式等，但这些保护器都存在体积较大、结构复杂、制造维护和使用成本较高的问题，无法
满足井下作业空间狭小、工作环境恶劣的需求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供了一种体积小巧、结
构简单，装配占用空间小，制造和使用成本低的扭矩过载保护工具，用于解决在钻井过程中
因扭矩过大产生的钻柱破坏。
本发明下端与井下工具连接，上端与钻柱相接。其技术方案是将扭矩分解为力与力臂的
乘积，通过弹簧实现对扭矩的调节。当扭矩超过设定的过载扭矩后，使得钻柱扭矩无法传递
到井下工具。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种扭矩过载保护工具，包括动力外筒、过载保护装置、轴承总成、密封总成和输出轴；
所述过载保护装置包括中心轴、上花键、下部传动装置、弹簧和锁紧螺母，上花键、下部传
动装置、弹簧和锁紧螺母均与中心轴共轴；所述动力外筒与过载保护装置相连，过载保护装
置下部依次连轴承总成和密封总成，中心轴与输出轴相连；
所述中心轴下端设有凸台B和螺纹A，上端设有台阶和凸台A；
所述上花键一段设有一圈均匀分布的凸台C，凸台C顶端为接触面B，凸台C间隙形成凹
槽C；所述上花键安装于中心轴上，通过凸台A固定，上端与台阶抵紧；所述上花键具有圆
柱形外表面A，在外表面A的径向方向外侧设有凸台A，凸台A嵌入动力外筒上对应的键槽，
配合传递扭矩。
进一步的，所述下部传动装置由传动花键和下花键一组成，所述传动花键外侧设有一圈
放射状均匀分布的凸台D，凸台D一侧为接触面A，上花键的接触面B嵌入传动花键的接触面
A中，相互配合传递扭矩；所述下花键一一段设有一圈均匀分布的凹槽D，凸台D嵌入凹槽D
中，相互配合传递扭矩；
所述上花键的接触面B和传动花键的接触面A为相连凹凸面；
所述弹簧一端与传动花键的端面接触，使上花键的接触面B与传动花键的接触面A之间
的滑动摩擦转化成轴向位移，进而转换成弹簧的压缩位移；
所述下花键一的一个端面上沿轴向方向设有凹槽D，在下花键一的内表面沿径向向外设有
凹槽E，凸台B嵌入凹槽E，相互配合传递扭矩。
进一步的，所述扭矩过载保护工具在顺时针或逆时针旋转且扭矩不超过设定的过载保护
扭矩时，动力外筒将扭矩传递给上花键，上花键通过接触面B与传动花键的接触面A发生接
触，通过摩擦力和周向推力带动传动花键转动，进而带动下花键一转动传递扭矩；当旋转扭
矩超过设定的过载保护扭矩时，上花键受到的扭矩过大，接触面B与接触面A之间的轴向推
力大于摩擦力和周向推力，轴向推力带动传动花键挤压弹簧，使上花键的接触面B与传动花
键的接触面A发生相对转动，而不带动下花键一转动，上花键与下花键一之间的滑动摩擦转
化成轴向位移，从而转换成弹簧的压缩位移，无法将扭矩传递到中心轴上，从而无法通过中
心轴将扭矩传递出去，达到了保护下部井下工具的目的。
进一步的，所述上花键的接触面B和传动花键的接触面A为波浪形圆弧面或锯齿形斜面。
进一步的，所述下部传动装置由下花键二和锁紧螺母组成；所述下花键二上部设有一圈
均匀分布的凹槽F，凹槽F上设有凸形圆弧面D；下花键二中部直径小于上部；所述锁紧螺母
通过螺纹A安装在中心轴上的；所述弹簧环绕在下花键二中部，一端抵紧下花键二上部的轴
肩，另一端抵紧锁紧螺母；所述下花键二端面由凹形圆弧面E和凸形圆弧面D间隔组成；所
述上花键由接触面B和凹槽C分别与下花键二的凹形圆弧面E和凸形圆弧面D接触。
进一步的，所述扭矩过载保护工具在顺时针或逆时针旋转且扭矩不超过设定的过载保护
扭矩时，动力外筒将扭矩传递给上花键，上花键通过接触面B与传动花键的圆弧面D发生接
触，通过摩擦力和周向推力带动下花键二转动；当旋转扭矩超过设定的过载保护扭矩时，上
花键受到的扭矩过大，接触面B与圆弧面D之间的轴向推力大于摩擦力和周向推力，轴向推
力带动下花键二挤压弹簧，使上花键的接触面B与传动花键的圆弧面D发生相对转动，而不
带动下花键二转动，上花键与下花键二之间的滑动摩擦转化成轴向位移，从而转换成弹簧的
压缩位移，无法将扭矩传递到中心轴上，从而无法通过中心轴将扭矩传递出去，达到了保护
下部井下工具的目的。
进一步的，所述上花键的接触面B和下花键二的圆弧面D为波浪形圆弧面或锯齿形斜面。
进一步的，所述弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧、蝶形弹簧或波形弹簧中任意一种。
本发明的优点在于：
1.为通过独特的结构设计，在动力外筒传递的扭矩不超过设定值时，可以通过上花键将
扭矩传递给下部传动装置，带动井下工具正常旋转；
2.为在动力外筒传递的扭矩大于过载保护扭矩设定值时，上花键的轴向推力推动下部传
动装置压缩弹簧，使上花键与下部传动装置之间无法传递扭矩，作业过程中连接到本发明下
端的工具不会被过大的扭矩破坏，使得工具寿命提高，节省了起下钻时间，降低了作业成本。
3.为本发明的扭矩可通过选择和调节弹簧来进行设定，能应对一定范围内扭矩设定值的
变化，满足现场使用需求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的过载保护装置的实施例1结构示意图；
图3是本发明的过载保护装置的实施例1局部结构示意图；
图4是本发明的过载保护装置的实施例1结构示意图主视图；
图5是本发明的上花键的正面结构示意图；
图6是本发明的上花键的反面结构示意图；
图7是本发明的传动花键的结构示意图；
图8是本发明的下花键一的结构示意图；
图9是本发明未承受扭矩状态的结构示意图；
图10是本发明已承受扭矩状态的结构示意图；
图11是本发明扭矩过载保护状态的结构示意图；
图12是本发明的过载保护装置的实施例2结构示意图。
图中，101为动力外筒，102为过载保护装置，103为轴承总成，104为密封总成，105
为输出轴，201为中心轴，202为上花键，203为传动花键，204为下花键一，205为弹簧，
301为台阶，302为凸台A，303为接触面A，304为凹槽A，305为螺纹A，306为凹槽B，307
为凸台B，308为螺纹B，309为接触面B，310为凸台C，311为凹槽C，312为外表面A，313
为外表面B，314为凸台D，315为侧面，316为端面，317为凹槽D，318为内表面，319为
凹槽E，402为圆弧面D，403圆弧面E，405为锁紧螺母。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限
制。
如图1～图12所示，一种扭矩过载保护工具，包括动力外筒101、过载保护装置102、轴
承总成103、密封总成104和输出轴105；所述过载保护装置102包括中心轴201、上花键202、
下部传动装置和弹簧205，上花键202、下部传动装置和弹簧205与中心轴201共轴；所述动
力外筒101与过载保护装置102相连，过载保护装置102下部依次连轴承总成103和密封总
成104，中心轴201与输出轴105相连；所述中心轴201下端设有凸台B307和螺纹A305，上
端设有台阶301和凸台A302；所述上花键202一段设有一圈均匀分布的凸台C310，凸台C310
顶端为接触面B309，凸台C310间隙形成凹槽C311；所述上花键202安装于中心轴201上，
通过凸台A302固定，上端与台阶301抵紧；所述上花键202具有圆柱形外表面A312，在外
表面A312的径向方向外侧设有凸台A302，凸台A302嵌入动力外筒101上对应的键槽，配合
传递扭矩。
实施例1、
如图1～图12所示，所述过载保护装置102由上花键202、传动花键203、下花键一204
以及弹簧205组成。其中，上花键202、传动花键203、下花键一204以及弹簧205均与中心
轴201同轴，且一端与中心轴201的台阶接触，另一端与传动花键203配合，传动花键203
与下花键一204配合。中心轴201的台阶A301限制了上花键202沿中心轴201向左移动，与
螺纹A305配合的锁紧螺母405限制了下花键一204沿中心轴201向右移动，并为弹簧205提
供了初始压缩力。
动力外筒101相当于载荷输入轴，与上部钻柱连接；轴承总成103用于承受来自轴向的
拉力和压力；密封总成104可以防止泥浆、碎屑等污染物进入轴承总成103及其他部件。
动力外筒101通过凸台A302将扭矩传递给上花键202，上花键202的端面接触面B309
与传动花键203的接触面A303接触，在两个接触面接触点的切向方向有摩擦力作用，通过摩
擦力将扭矩传递给下花键一204，下花键一204通过凸台B307将扭矩传递给中心轴201，中
心轴201通过螺纹B308与输出轴105连接，并将扭矩传递给输出轴105。
如图1和图4所示，弹簧205套在中心轴201中部，左端与传动花键203的端面接触，
右端与下花键一204的内表面接触。装配时，将上花键202从中心轴201右侧装入，使其与
台阶301的端面接触，再依次将传动花键203、弹簧205和下花键一204装入，最后将锁紧
螺母405装到螺纹A305上，为弹簧205提供初始压缩力。
如图5所示，上花键202的外表面A312为一圆柱面，在外表面A312的径向方向向外设
有凸台A302，凸台A302的数量至少为1个，优选为4个，凸台A302与动力外筒101内侧对
应的键槽(图中未显示)配合，将动力外筒101的扭矩传递到上花键202上。上花键202端
面上有沿轴向的凸台C310和凹槽C311，且至少由1对凸台C310和凹槽C311组成，优选为
12对，凸台310和凹槽311间隔均布于上花键202一端形成凹凸交错的形状。凸台C310的
端面为接触面B309，接触面B309也可以由若干相连的斜面代替，斜面倾角为30～60度。
如图6所示，传动花键203的外表面B313沿径向向外有至少一个凸台D314，凸台D314
沿传动花键203的轴向方向上，至少一个端面是接触面A303，凸台有两个沿径向向外的侧面
315。传动花键203的另一个端面316用来作为弹簧205的支撑面。
如图7所示，下花键一204的一个端面上沿轴向方向有至少一个凹槽D317，在下花键一
204的内表面318沿径向向外至少有一个凹槽E319，凹槽E319与凸台B307配合，将下花键
一204上的扭矩传递到中心轴201上。
传动花键203的凸台D314在下花键一204的凹槽D317内部可以沿轴向滑动，且侧面315
与凹槽D317的两个侧面接触。
具体工作状态为：传动花键203的接触面A303的边缘与上花键202的接触面B309的边
缘接触，此时，本发明处于没有承受扭矩状态，弹簧205处于初始压缩状态。
当本发明开始承受扭矩，但扭矩不超过设定值时，传动花键203的接触面A303与上花键
202的接触面B309发生滑动摩擦，且使得传动花键203的凸台D314在下花键一204的凹槽
D317里面沿轴向移动，且传动花键203的侧面315挤压凹槽D317的侧面，使得扭矩从上花
键202传递给下花键一204。此时，传动花键203继续沿轴向压缩弹簧205。
当本发明所承受的扭矩大于扭矩设定值时(扭矩设定值由弹簧205的压缩量决定)，传动
花键203的接触面A303与上花键202的接触面B309在各自的弧顶接触滑动，传动花键203
的凸台D314在下花键一204的凹槽D317里面沿轴向移动，使得传动花键203的接触面A303
的弧顶与下花键一204的端面平齐，此时，上花键202不受传动花键203和下花键一204的
约束，不能带动传动花键203转动，使得上花键202相对于传动花键203和下花键一204产
生空转，不把过载的转矩传递到其他井下工具上，从而实现在扭矩过载情况下的对工具的保
护。
当输入的扭矩值小于设定的过载保护扭矩时，弹簧205的回复力使得传动花键203的接
触面A303对上花键202的接触面B309产生滑动摩擦，且传动花键203的凸台D314发生轴向
位移，使得上花键202的扭矩继续通过传动花键203传递给下花键一204。
在本实施例中，所述弹簧205为圆柱螺旋压缩弹簧、蝶形弹簧或波形弹簧中任意一种。
在本实施例中，所述上花键202的接触面B309和传动花键203的接触面A303为波浪形
圆弧面或锯齿形斜面中任意一种。
实施例2、
如图1、图5、图6、图7、图12所示，所述过载保护装置102由上花键202、下花键二
206以及弹簧205组成。其中，上花键202、下花键二206以及弹簧205均与中心轴201同轴，
且一端与中心轴201的台阶接触，另一端与传动花键203配合，传动花键203与下花键二206
配合。中心轴201的台阶A301限制了上花键202沿中心轴201向左移动，与螺纹A305配合
的锁紧螺母405限制了下花键二206沿中心轴201向右移动，并为弹簧205提供了初始压缩
力。
动力外筒101相当于载荷输入轴，与上部钻柱连接；轴承总成103用于承受来自轴向的
拉力和压力；密封总成104可以防止泥浆、碎屑等污染物进入轴承总成103及其他部件。
动力外筒101通过凸台A302将扭矩传递给上花键202，上花键202的端面接触面B309
与下花键二206的圆弧面D402接触，在两个接触面接触点的切向方向有摩擦力作用，通过摩
擦力将扭矩传递给下花键二206，下花键二206通过凸台B307将扭矩传递给中心轴201，中
心轴201通过螺纹B308与输出轴105连接，并将扭矩传递给输出轴105。
所述下花键二206上部设有一圈均匀分布的凹槽F320，凹槽F320上设有凸形圆弧面D402；
下花键二206中部直径小于上部；所述锁紧螺母405通过螺纹A305安装在中心轴201上的；
所述弹簧205环绕在下花键二206中部，一端抵紧下花键二206上部的轴肩，另一端抵紧锁
紧螺母405；所述下花键二206端面由凹形圆弧面E403和凸形圆弧面D402间隔组成；所述
上花键202由接触面B309和凹槽C311分别与下花键二206的凹形圆弧面E403和凸形圆弧面
D402接触。
所述扭矩过载保护工具在顺时针或逆时针旋转且扭矩不超过设定的过载保护扭矩时，动
力外筒101将扭矩传递给上花键202，上花键202通过接触面B309与传动花键203的圆弧面
D402发生接触，通过摩擦力和周向推力带动下花键二206转动；当旋转扭矩超过设定的过载
保护扭矩时，上花键202受到的扭矩过大，接触面B309与圆弧面D402之间的轴向推力大于
摩擦力和周向推力，轴向推力带动下花键二206挤压弹簧205，使上花键202的接触面B309
与传动花键203的圆弧面D402发生相对转动，而不带动下花键二206转动，上花键202与下
花键二206之间的滑动摩擦转化成轴向位移，从而转换成弹簧205的压缩位移，无法将扭矩
传递到中心轴201上，从而无法通过中心轴201将扭矩传递出去，达到了保护下部井下工具
的目的。
具体工作状态为：本发明处于没有承受扭矩状态时，弹簧205处于初始压缩状态，上花
键202的接触面B309与下花键206的圆弧面E403接触，上花键202的凹槽C311与下花键
206的圆弧面D402接触，此时，本发明处于没有承受扭矩状态，弹簧205处于初始压缩状态。
当本发明开始承受扭矩，但扭矩不超过设定值时，传动花键203的接触面A303与上花键
202的接触面B309发生滑动摩擦，且使得传动花键203的凸台D314在下花键一204的凹槽
D317里面沿轴向移动，且传动花键203的侧面315挤压凹槽D317的侧面，使得扭矩从上花
键202传递给下花键一204。此时，传动花键203继续沿轴向压缩弹簧205。
当本发明所承受的扭矩大于扭矩设定值时(扭矩设定值由弹簧205的压缩量决定)，传动
花键203的接触面A303与上花键202的接触面B309在各自的弧顶接触滑动，传动花键203
的凸台D314在下花键一204的凹槽D317里面沿轴向移动，使得传动花键203的接触面A303
的弧顶与下花键一204的端面平齐，此时，上花键202不受传动花键203和下花键一204的
约束，不能带动传动花键203转动，使得上花键202相对于传动花键203和下花键一204产
生空转，不把过载的转矩传递到其他井下工具上，从而实现在扭矩过载情况下的对工具的保
护。
当输入的扭矩值小于设定的过载保护扭矩时，弹簧205的回复力使得传动花键203的接
触面A303对上花键202的接触面B309产生滑动摩擦，且传动花键203的凸台D314发生轴向
位移，使得上花键202的扭矩继续通过传动花键203传递给下花键一204。
在本实施例中，所述弹簧205为圆柱螺旋压缩弹簧、蝶形弹簧或波形弹簧中任意一种。
在本实施例中，所述上花键202的接触面B309和下花键二206的圆弧面D402为波浪形
圆弧面或锯齿形斜面中任意一种。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不局限于上述方式，在不脱
离本发明原理的前提下，还能进一步改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。