[发明专利]牙轮钻头

说明书

本发明涉及石油地质钻井的牙轮钻头，具体地说是一种装有全滚动滚锥轴承的牙轮钻头。

滚动轴承牙轮钻头与滑动牙轮钻头相比，其摩擦系数小几倍至几十倍，摩擦功耗小，摩擦温升低，可以提高转速3～6倍。滚动轴承的缺点在于由于滚子与牙爪轴及牙轮孔的接触为线接触，接触压力比滑动轴承大近十倍。滚动轴承的寿命为载荷的近似三次幂成反比，因而当载荷增大时将产生严重的疲劳磨损，寿命较低。此外，这类牙轮钻头（例如目前所使用的美国HUGHES公司生产的X3A型密封式钢珠滚柱轴承牙轮钻头及我国的XHP型牙轮钻头）其轴承有下列缺点：

1.在牙轮钻头工作时只有牙爪轴下半部小于180°的周向支承面积承担载荷，且载荷分布不均匀。从而加速该半部的磨损;

2.采用滑动止推面来承受轴向载荷，摩擦阻力大，不利于实现高速。

3.由于空间限制及轴承结构的要求，大轴承的滚子长度较短，接触应力很大，寿命较短。

4.由于加工、装配工艺要求，轴承存在径向及轴向间隙，这些间隙在钻头工作时将产生振动，影响密封性能及轴承的承载能力。

美国专利US4136748公开了一种带有滚锥轴承的牙轮钻头，虽然这种滚锥轴承可以在一定程度上克服钢珠、滚柱轴承接触面小、易磨损的缺点，但它仍然采用了径向滑动轴承和止推滑动轴承（US4136748附图中32、50、78和38、40、80以及88、92），因此不能克服摩擦阻力大、易发热，不利于实现高速运转等缺点。另外，这种牙轮钻头的牙轮空间相当的一部分被轴套、止推环等占踞，而滚锥轴承所利用空间很少，造成承载有限。

本发明的目的在于克服上述技术中钢珠、滚柱轴承的接触面小、易磨损;径向滑动轴承和止推滑动轴承摩擦阻力大、易发热，不利于实现高速运转等缺点，提出一种牙轮钻头轴承设计，由此制出一种没有径向滑动轴承和止推滑动轴承的全滚动滚锥轴承的牙轮钻头，有效地提高牙轮钻头轴承寿命、钻头转速和承载能力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术：本发明牙轮钻头，它有若干个牙爪（1），牙爪（1）由牙爪轴（3）、滚锥（4）、牙轮（5）和密封圈（2）组成，其特征在于：牙爪轴（3）中心孔内装有拉杆（9），拉杆（9）端部具有凸缘（7），牙轮（5）的盲孔中装有止推环（6），止推环（6）将拉杆（9）端部凸缘（7）卡在牙轮（5）的盲孔中，使牙爪轴（3）、滚锥（4）和牙轮（5）形成具有滚锥轴承的牙爪（1）。

本发明还采用如下技术方案，牙轮钻头的滚锥（4）大头端面（15）做成球面并与牙爪轴（3）的止推面（16）球面接触，实现了全滚动摩擦。

本发明的优点是：

1.滚锥轴承与牙轮锥形轮廓相似，有利于改善轴承的载荷分布，由于采用拉杆连接，加长了滚锥长度，相应地降低了接触应力，提高了轴承的承载能力及轴承寿命。

2.由于采用采用拉杆连接，去掉了径向滑动轴承和止推滑动轴承，用滚动止推面来代替现有的滑动止推面，从而实现了全滚动摩擦，可提高牙轮钻头转速3～6倍。增加钻井进尺及降低钻井成本。

3.锁紧装置可以保证装配时消除轴承的径向及轴向间隙，从而消除了由于装配间隙所产生的振动，有利于提高密封性能及减少轴承磨损。

上述优点已被理论分析计算及地面模拟试验所证实。

本发明附图说明如下：

图1为本发明的牙轮钻头结构图（只画出相同的1/3部分）;

图2为牙轮钻头滚锥轴承部分的局部结构图;

图3为牙轮钻头锁紧装置局部结构图;

图4为本发明的牙轮钻头另一实施例结构图（只画出相同的1/3部分）。

以下结合附图对本发明的技术特征和实施例做进一步的说明：

参看图1，牙爪1向下伸出牙爪轴3（两者为一整体），牙爪轴3做成锥形，在其周向放置一系列滚锥4，滚锥4的大头端面15做成球面与牙爪轴3的球面止推面16接触。牙轮5内锥孔与滚锥4及牙爪轴3相配合组成滚锥轴承，承担钻头工作时的轴向及径向载荷和扭矩。锁紧装置是由带螺纹8的拉杆9及止推环6组成。止推环6用焊接、螺纹、或其他方式与牙轮5固定在一起，并将拉杆9的凸缘7夹在中间。通过上紧螺纹8使牙轮5与和牙爪3连接在一起，并消除轴承在装配时的轴向及径向间隙。润滑脂从贮油腔（未画出）经过通道11、19、23，进入轴承区域润滑轴承。密封2封闭了轴承腔，防止润滑脂外流及泥浆进入轴承系统。密封圈2可以用碟形圈、“O”形圈、端面密封或流体动压密封等方式。