油潤滑螺桿鉆具傳動軸總成的結構設計

摘 要：螺桿鉆具推力軸承組所采用的潤滑方式多為鉆井液潤滑，該潤滑方式容易導致推力軸承組發生磨粒磨損以及鉆井液腐蝕等現象，通過對傳統傳動軸總成結構進行分析總結，確定可能導致泄露情況發生的結構，可知影響儲油潤滑方式實現的主要結構可分為三大類：螺紋連接結構、相對靜止的間隙配合、相對旋轉的間隙配合。通過對傳動軸總成相關結構進行一系列改良，解決影響軸承組儲油潤滑方式實現的結構問題，實現軸承組潤滑方式由鉆井液潤滑到儲油潤滑的轉變。

關鍵詞：螺桿鉆具；油潤滑；密封圈；金屬波紋管；殼體

前言

隨著我國石油鉆井業的發展，人們對主要動力鉆井設備的性能及可靠性提出越來越高的要求，而我國螺桿鉆具整體工作壽命并不理想，在鉆井作業過程中，由于推力軸承組所受載荷比較復雜、載荷波動程度高、沖擊性強、作業壞境惡劣，軸承組失效時常發生。目前，我國螺桿鉆具推力軸承組的潤滑方式主要為鉆井液潤滑，該潤滑方式效果有限，潤滑液所攜帶的固體顆粒及其所具有的腐蝕作用會加劇推力軸承組滾球與滾道的磨損。對推力軸承組潤滑方式進行改良，提高其工作壽命具有重要的工程意義。

1 傳統推力軸承組潤滑結構及工作原理

螺桿鉆具主要由旁通閥總成、馬達總成、萬向節總成和傳動軸總成四部分組成，而傳動軸總成如圖1所示，是螺桿鉆具最關鍵的部件之一，其將鉆壓及扭矩傳遞給鉆頭；推力軸承組為傳動軸總成最為薄弱的環節，其主要作用是承受軸向載荷[1]。為了使推力軸承組實現油潤滑，此處需對傳統的傳動軸總成結構和工作原理進行分析，并進行優化改進。在鉆井作業過程中有超過90%的鉆井液由水帽進入傳動軸中部通道進而流向下部鉆頭，其余約7%的鉆井液主要通過上TC軸承動圈、靜圈之間的間隙，流經推力軸承組從而對其進行冷卻及潤滑[2]。

以外徑為172mm的螺桿鉆具為例，傳動軸轉速相對較低（90～160r/min），推力軸承組所承受的載荷主要為較大軸向載荷和較小的摩擦扭矩（徑向載荷主要由上、下TC軸承承擔），軸向載荷主要由靜鉆壓（60～150KN）和由于振動而引起的附加載荷（大小為靜鉆壓的25%～50%）組成[3]。推力軸承組工作環境惡劣，所受載荷巨大。目前，我國螺桿鉆具推力軸承組多采用鉆井液潤滑方式，相對于儲油潤滑，該潤滑方式不僅腐蝕性更強，而且鉆井液中不可避免會含有固體顆粒，在巨大的載荷作用下，固體顆粒對推力軸承組磨損嚴重，甚至會導致滾子崩碎的發生[4、5]。

如果想要推力軸承組實現儲油潤滑，需要對推力軸承組兩端進行可靠密封，以防止潤滑油的泄露，通過對傳統的傳動軸總成結構進行分析，將可能導致泄露發生的結構進行分類，需要解決的問題主要包括以下三種：

（1）螺紋連接結構，相關結構包括上TC動圈與傳動軸之間的連接結構、下TC靜圈與傳動軸殼體之間連接結構、下TC動圈與傳動軸之間的連接結構。相對而言該連接結構泄漏量較小，但主要起連接作用的螺紋顯然無法滿足可靠密封性要求。

（2）相對靜止的間隙配合，相關配合有上TC靜圈與傳動軸殼體之間的配合。該配合方式泄漏量相對較大，需要加以改進。

（3）存在相對旋轉的間隙配合，相關配合包括上TC靜圈與上TC動圈之間的配合以及下TC靜圈與下TC動圈之間的配合。由于存在相對旋轉運動，該配合方式泄漏量最大，可靠密封較難實現，為實現油密封結構需要解決的主要困難。

2 油潤滑結構的實現方案

2.1 螺紋連接結構的密封

對于螺紋連接結構，由于相連部件相對靜止且泄露量小，密封容易實現，可選用的密封方式主要有以下兩種：

第一種密封方式：可在間隙之間增設密封圈。以上TC動圈和傳動軸之間的螺紋連接結構為例，可在傳動軸的相應軸段上添加密封圈，通過研究發現，影響傳動軸壽命的主要因素為扭矩，其次為軸向力和徑向力。以172型號的螺桿鉆具為例，其工作扭矩為8500N.m，而制動扭矩可達15500N.m。如圖2所示，以制動扭矩為載荷條件進行傳動軸應力分析。經分析可知，雖然增添密封圈可以實現密封，但也會帶來一定的不利影響，矩形槽會減小傳動軸相應軸段的直徑，同時產生應力集中現象。因此，需要謹慎采用該密封方式。

第二種密封方式：改變螺紋類型，使螺紋兼具有連接和密封性能，同時可在螺紋連接部分涂680膠，以提高密封可靠性。該方式在沒有降低設備強度的基礎之上實現了有效密封，但對螺紋加工工藝要求較高。

以上兩種方案均可實現密封性要求，在實際應用過程中，可根據實際情況合理的選用某種密封方式，特殊情況下也可采用聯合密封方式，使其結構實現可靠密封。

2.2 相對靜止間隙配合的密封

對于相對靜止的間隙配合，屬于該配合方式的有上TC靜圈與傳動軸殼體之間的配合，對于該結構可在上TC靜圈與殼體之間的間隙上添加密封圈，然而添加密封圈主要有以下兩種方式：

第一種方式：將密封圈增設在上TC靜圈上，上TC靜圈所受的載荷主要有來自上TC動圈的摩擦扭矩、徑向力以及來自推力軸承組的軸向力。其中摩擦扭矩對其影響較大，令其摩擦扭矩為1000N.m，如圖3所示，由上TC靜圈應力分析結果可知，雖然上TC靜圈受力比較復雜，然而摩擦扭矩不是很大，應力集中現象并不明顯，故在上TC靜圈上增設密封圈對其結構強度影響不大。

第二種方式：將密封圈增設在傳動軸殼體上，與上TC靜圈所受載荷相比，傳動軸殼體所受載荷主要為一系列的徑向力和來自上、下TC靜圈的軸向力，受力比較簡單，而且殼體壁厚較大，將密封圈增設在傳動軸殼體上對其強度影響較小，但將矩形密封槽增設在傳動軸殼體上加工及密封圈安裝難度有所增加。

2.3 相對旋轉的間隙配合的密封

對存在相對旋轉的間隙配合，由于這種配合不但縫隙較大，泄露量較大，而且存在相對轉動，實現可靠密封較為困難，在此種情況下，如果只是簡單地添加橡膠圈，橡膠圈必然會隨著磨損量的增加而導致密封效果變差，如果僅僅采用此密封方式密封效果有限。為了實現比較可靠的密封，實現傳動軸軸承組由鉆井液潤滑到可補償式儲油潤滑方式的轉變，從而提高推力軸承組的壽命，這里將采取傳統密封方式與新型金屬波紋管機械密封相結合的方式，提高結構密封效果。為了能夠充分掌握金屬波紋管機械密封的性能，從而得到最為合理的結構，下面將著重對金屬波紋管機械密封進行探討分析。

金屬波紋管機械密封方式結構簡單、尺寸緊湊、安裝容易，最初主要被應用于航空、航天高溫密封，并逐漸在儀表、冶金、石油、化工等領域得到推廣[6]。和普通機械密封方式相比，金屬波紋管機械密封耐壓性、耐腐蝕性、伸縮性更加優良，可在高溫、低溫壞境下可靠的工作，且具有補償、預緊以及緩沖作用。金屬波紋管機械密封具有較穩定的密封性能和較長的工作壽命，如果能將金屬波紋管機械密封應用于螺桿鉆具推力軸承組的儲油密封結構，必然大大增強密封結構的可靠性，有利于推力軸承組儲油潤滑方式的實現[7、8]。

對于相對旋轉的間隙配合，如果僅僅于相對旋轉的間隙設置密封圈，其密封效果會隨著橡膠圈磨損量的增加而逐漸變差，并最終失去密封效果。金屬波紋管機械密封具有補償、預緊以及緩沖的作用，若將該密封方式應用于相對旋轉間隙配合的密封，在密封圈磨損的同時，波紋管可以及時提供相應的徑向補償，并保持一定的壓緊力，從而提供比較可靠而持久的密封效果[9、10]。良好的彈性有利于實現金屬波紋管可靠密封，因此在不影響波紋管穩定性的前提下，可適當的選用大波數、小波距、小壁厚、非對稱結構。取波數為7，波距為5mm，壁厚為0.4mm，內徑95mm，外徑120mm，施加預緊力200N，并采用非對稱結構。如圖4所示，對金屬波紋管進行有限元分析。

由圖4分析可知，由于金屬波紋管轉折連接處全部用大圓角過渡，使用該結構在設定預緊力情況下，不存在明顯應力集中的現象，符合工作要求，可以較為可靠地持續提供預緊力，對結構進行有效密封。

3 最終結構

通過以上對傳統螺桿鉆具傳動軸總成結構的分析，在其原有結構的基礎之上，針對可能導致泄露發生的三類連接配合方式對傳動軸殼體等結構進行密封性優化改進，從而使推力軸承組實現可補償儲油潤滑，所得補償式儲油潤滑傳動軸總成結構簡圖如圖5所示。相對于傳統的螺桿鉆具傳動軸總成，改進后傳動軸總成具有以下優點：

（1）以油潤滑代替鉆井液潤滑，可有效避免鉆井液固體顆粒對推力軸承組的磨粒磨損，且油潤滑效果更好，有利于推力軸承組壽命的提高。

（2）密封容易實現，該結構在傳統傳動軸總成的基礎之上進行改進，結構比較簡單，可行性強。

（3）密封方式可靠，對于存在相對旋轉，較難實現可靠密封的配合處，將傳統機械密封與新型波紋管機械密封相結合，傳統橡膠圈可在前期注油時實現可靠密封，金屬波紋管具有補償、預緊及緩沖的作用。可進行軸向補償橡膠圈的磨損量，密封效果可靠。

該結構使推力軸承組的潤滑方式實現了由鉆井液潤滑到儲油潤滑的轉變，可有效避免鉆井液潤滑而導致的磨粒磨損、鉆井液腐蝕等一系列負面影響。必將大大提升推力軸承組的工作壽命。

4 結束語

要實現傳動軸總成由鉆井液潤滑到油潤滑的轉變，需要解決的主要問題如下：

（1）對于螺紋連接結構，可于泄露間隙增設密封圈，或將連接型螺紋改為兼具連接和密封類型的螺紋并可在螺紋上涂680膠以增強密封效果。

（2）相對靜止的間隙配合，可在彼此間隙選擇合適的部位設置密封圈，實現可靠密封。

（3）相對旋轉的間隙配合，如使用傳統添加密封圈密封方式，容易使設置于間隙中的密封圈因磨損而降低密封效果。可使傳統密封與金屬波紋管機械密封方式配合使用，使密封效果更加可靠和持久。

參考文獻

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