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螺纹根部设计成椭圆形的螺纹结构

阅读:1015发布:2020-06-23

专利汇可以提供螺纹根部设计成椭圆形的螺纹结构专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 提供的 螺纹 结构10有至少一条以一定的 螺距 沿着圆柱形支承元件12螺旋形延伸的公螺纹或母螺纹14。根部22在螺纹14相邻的螺纹圈之间延伸,而且有由椭圆24的一部分限定的弯曲部分。由于提供了椭圆24,在强负荷作用期间应 力 被减小。,下面是螺纹根部设计成椭圆形的螺纹结构专利的具体信息内容。

1、一种螺纹结构(10),其包括:圆柱形支承元件(12);至少有一条螺纹(14)以一定的螺距沿圆柱形支承元件(12)螺旋形延伸;在所述螺纹(14)的螺纹圈之间延伸的根部(22);所述螺纹结构(10)的特征在于根部(22)有一个由椭圆(24)的一部分限定的弯曲部分。
2、根据权利要求1所述的螺纹结构(10),其特征在于所述的椭圆(24)有长轴(26)和较短且垂直的短轴(28),所述长轴(26)沿着所述圆柱形支承元件(12)轴向延伸。
3、根据权利要求2所述的螺纹结构(10),其特征在于所述螺纹(14)包括负载支承斜面(16),非负载支承斜面(18),以及在所述负载支承斜面(16)和所述非负载支承斜面(18)之间延伸的顶部(20),所述顶部(20)具有平坦区域且沿着所述圆柱形支承元件(12)的轴向延伸。
4、根据权利要求3所述的螺纹结构(10),其特征在于所述负载支承斜面(16)的表面区域比非负载支承斜面的大。
5、根据权利要求4所述的螺纹结构(10),其特征在于所述椭圆(24)的短轴(28)比所述顶部(20)和所述根部(22)之间的径向距离短。
6、根据权利要求5所述的螺纹结构(10),其特征在于所述负载支承斜面(16)沿轴向向离开所述顶部的方向延伸,具有大约45度的斜(α);所述非负载支承斜面(18)沿轴向向离开所述顶部的方向延伸,具有大约75度的斜角(θ)。
7、一种螺纹结构(10),其包括:圆柱形支承元件(12);至少有一条螺纹(14)沿着所述圆柱形支承元件(12)以一定的螺距螺旋形延伸;所述螺纹(14)包含负载支承斜面(16),非负载支承斜面(18)和在所述负载支承斜面(16)和非负载支承斜面(18)之间延伸的顶部(20),所述负载支承斜面(16)比所述非负载支承斜面(18)的表面区域大;根部(22)在所述螺纹(14)的相邻螺纹圈之间延伸;所述螺纹结构(10)的特征在于根部(22)具有由椭圆(24)的一部分限定的弯曲部分,椭圆(24)包括长轴(26)和较短且垂直的短轴(28),所述长轴(26)沿着所述圆柱形支承元件(12)的轴向延伸。

说明书全文

发明涉及一般的螺纹连接或螺纹紧固装置。更详细地说,涉及在相邻的螺纹圈之间延伸的螺纹根部形状。

在向下冲击钻孔的技术中,如钻进、采石、打井等等,包括钻具的钻井元件,常常借助螺旋形螺纹结构连接在一起。在这些钻井元件的连接中,螺纹形状常常是引起螺纹结构损坏的重要因素。无论螺纹结构的损坏是怎样发生的,最初的破坏总是出现在螺纹根部,这是由于当螺纹结构受强负载作用时,在螺纹根部存在着很高的应集中。

现有技术的螺纹结构中,螺纹根部有由圆的一部分限定的弯曲部分,其与相邻的两螺纹斜面以相切的形式连接。一般来说,限定螺纹根部的圆半径越大,应力集中就越小。但是,当圆的尺寸超过最大允许半径时,在圆弧的端部,即在根部与螺纹斜面相切处的应力集中变得非常高,于是就成为传播破坏的起始点,反之,当限定根部弯曲度的圆尺寸减小到低于最小允许半径时,在螺纹根部底面的应力集中变得很大。因此,圆形的根部弯曲度被限制在半径尺寸的最大和最小极限范围内,这些极限值取决于如螺距和其他类似的因素。所以,既需要具有很大半径的根部弯曲度,又需要在螺纹斜面与根部相切的连接处作用的应力集中得到缓解。

1981年10月20日公布的霍曼勃格的US-4295751号美国专利公开了一种用于冲击式钻井元件的螺纹结构的实例,如其中图3所示,螺纹结构包括具有半径R的部分圆限定的根部22、22′。霍曼勃格的螺纹结构存在着缺陷,即圆形根部22、22′属于前面所属受限制的那种情况,其中圆形根部弯曲度不得超过最大 允许半径,而且限制了附加应力集中的缓解。

1985年10月29日公布的桑德斯的US-4549754号美国专利公开了一种用于钻井元件的螺纹结构,其包括由两个相切的圆限定的根部20,这两个半径分别为31、34的圆心靠得很近。这两个半径31、34分别绘制出的圆各限定根部20的一部分。使用两个半径31、34是为了在相互连接的公螺纹和母螺纹结构之间保持相同的螺纹与螺纹的接触长度时,提供具有较大等量弯曲度的圆形根部。然而,在根部20加大的弯曲度造成了在螺纹根部20的底部壁厚减小的不能接受的影响。对于冲击钻井技术中使用的螺纹结构不能允许减小其壁厚,因为壁厚包括了最小螺纹支承面积,因此在这个区域存在着损坏螺纹的隐患。此外,桑德斯的螺纹结构的根部形状产生的另一不可接受的影响是,在非载荷支承螺纹面35的内部和根部20的应力集中非常大。

另外,在现有技术中看到的那些具有圆形根部弯曲度的螺纹根部存在着缺陷。可以看到圆形根部是不合适的,因为增加限定螺纹根部的圆形部分的半径将不可接受地减小根部支承壁的厚度。或者,如果不减小壁厚,而增加限定螺纹根部的圆半径,将使连接根部螺纹斜面的圆弧端部的应力集中增加,于是就产生了使破坏蔓延的起始点。

本发明的主题提供了一种包括圆柱形支承元件的螺纹结构,在该支承元件上有至少一条螺纹以一定的螺距沿螺旋形延伸。在相邻的螺纹圈之间延伸的根部有由椭圆的一部分限定的弯曲部分。

本发明主题的螺纹结构中限定根部的椭圆形弯曲部分在螺纹根部提供了较大的等量半径,同时又不使螺纹斜面与根部连接处的应力集中增加。进一步地说,椭圆形根部弯曲度将不会使在根部测量得到的 壁厚减小。此外,设计的这种有椭圆形根部的螺纹加长了相互连接的公螺纹和母螺纹结构中相邻的螺纹与螺纹之间接触表面的长度。所以,改善了这种螺纹连接的磨损寿命。因此,本发明主题提供了一种在重负载条件下,在圆形根部的应力集中较小的螺纹结构,其具有最大可能的壁厚使得结构强度较高,而且通过增加相互连接的公螺纹和母螺纹结构之间螺纹与螺纹相接触表面,改善了磨损寿命。

联系附图,参照下面的详细说明可以清楚容易地理解本发明的其他优点。

图1是包括本发明主题螺纹结构的冲击钻具的主体图,图示了局部分解和局部四分之一剖视的情况。

图2是按照本发明主题的螺纹结构的截面图。

图3是按照本发明主题的公螺纹结构和母螺纹结构相互连接的截面图。

本发明主题的螺纹结构特别适用于向下冲击钻井操作中包括钻具的、与钻井元件紧固在一起的相互连接。虽然本发明可以应用于各种螺纹连接,这在那些现有技术中是显而易见的,但是后面的详细描述中将着重讨论所提到的冲击钻井技术。

参照附图,其中同类数字在全部附图中表示同类或相应的部分。本发明主题的螺纹结构一般以10表示。螺纹结构10包含一个圆柱形支承元件12。如在附图中看到的那样,用于外螺纹即公螺纹的圆柱形支承元件12包含用于螺纹结构10的外螺纹即公螺纹的既坚固又呈管状加长的轴杆,用于内螺纹即母螺纹的螺纹结构10为伸长的圆柱形管。螺纹结构10包含壁表面13,其既表示母螺纹结构10的外圆柱形表面,又表示公螺纹结构10的内中心孔表面。

至少一条螺纹14以一定螺距沿着圆柱形支承元件12螺旋延伸。也就是说,螺纹14既可以具有单头螺纹,又可以具有多头螺纹的引导形式。螺纹14包括支承载荷的斜面16,不支承载荷的斜面18和在载荷支承斜面16和非载荷支承斜面18之间延伸的顶部20。即,当螺纹结构10受载荷作用时,借助接触配合的分别位于公螺纹或母螺纹14上的载荷支承斜面16,作用力将在连接的公螺纹结构和母螺纹结构之间进行传递。顶部20是平坦的,而且沿圆柱形支承元件12的轴向延伸。换句话说,顶部20在螺纹斜面16和18之间,以直线而且平行于圆柱形支承元件12的纵向轴线延伸。

根部22在相邻的螺纹14的圈之间延伸。根部22有由椭圆的一部分限定的弯曲部分,以假想线24表示。以另一种方式来说,如在图2和3中看到的截面那样,椭圆24的轮廓限定根部20的凹面形状。椭圆24有长轴26和垂直于长轴的短轴28。长轴26沿着圆柱形支承元件12的轴向延伸。这就是说,长轴26以平行于圆柱形支承元件12的纵向轴线方式延伸,而椭圆24的短轴28沿着径向向外延伸并且垂直于圆柱形支承元件12的纵向轴线。

最好椭圆24的短轴28比顶部20和根部22之间的径向距离短。如在图2中清楚描绘的那样,椭圆24的短直径,即横着测量得到的短轴28比根部22的最底面和顶部20的最顶面之间的距离短。以这种方式,能保持壁面13和根部22的底面之间的最大支承区域的厚度,这在后续部分得到充分说明。

因为在冲击钻井的场合极大的负荷作用到螺纹结构上,螺纹14的载荷支承斜面16具有比非载荷支承斜面18大的表面区域。即,螺纹轮廓具有典型的颠倒的梯形螺纹轮廓,其中公螺纹和母螺纹结构 10中的载荷支承斜面16设有较长的螺纹与螺纹的接触长度区域。因此,相接触的区域大于非载荷支承斜面18。设置在载荷支承斜面16上较大的表面区域改善了螺纹结构10的磨损寿命。

正如图2和图3所示,载荷支承斜面16和非载荷支承斜面18在根部22以相切于椭圆24的形式一直延伸至顶部20。最好,载荷支承斜面16有一斜α,其沿轴向向离开顶部20的方向成大约45°角延伸。同样,非载荷支承斜面18有斜角θ,其沿轴向向离开顶部20的方向大约成75°角延伸。而且可以清楚地看到载荷支承斜面16的轴向斜角小于突出的非载荷支承斜面18的斜角,以便在顶部20和根部22之间获得较大的表面区域,如同前面所述。

在图1中,一种典型的冲击钻具如向地面钻孔的工具被局部分解和局部四分之一剖视。此冲击钻具包括一个连接到加长套34的穿孔端的钻头30,加长套34依次与头部32连接。典型的例子是从地面上传递到钻具的压缩空气驱使活塞(未图示)在套34中迅速而有力地往复移动冲击钻头30。此外,猛烈的压力和扭力施加到冲击钻具上,此时冲击钻具钻入地面。根据这个原理,连接各种冲击钻具元件相互配合的螺纹结构10受到强大应力负载的作用。本发明主题螺纹结构10中椭圆形根部轮廓为在这种高应力场合使用螺纹结构提供了较强和长耐久性的连接。与现有技术中看到的圆形根部的螺纹结构相比较,本发明主题的螺纹结构10中椭圆形根部22具有三个特殊优点。

第一,在具有相同壁厚和斜角的螺纹中,椭圆形根部比圆形根部轮廓在根部22具有较大的等量半径。在这里,术语“等量半径”是对照圆半径而言,其在数学意义上大致接近本发明主题的椭圆根部22 的弯曲度。更应当详细说明的是,等量半径等于限定一圆形弯曲部分的圆半径,这个圆形弯曲部分基本上等同于本发明中根部22的椭圆形弯曲部分。因为具有相同壁厚和斜角的螺纹的圆形根部半径比椭圆形根部22的等量半径短,所以在根部22上的应力集中得到较大程度的缓解。

第二,因为在根部22的底面和壁面13之间保持了较大的支承厚度,所以本发明主题的螺纹结构10比可比较的圆形根部的螺纹结构的强度高。如上面所述,比结果是由于在椭圆形根部22提供了较大的等量半径。当考虑到应力的数学关系与壁面13和根部22之间的厚度有关时,考虑保持的壁厚就是显而易见的事。更详细地说,应力值由下面的等式表示:应力=作用力/面积。其中“面积”为垂直于圆柱形支承元件12的纵向轴线获得的截面面积。因为在螺纹根部22和壁面13之间的截面面积最小,此面积就代表螺纹结构中的最弱点。因此,在螺纹结构10中获得最大壁厚和较小应力值就得以实现。

第三,本发明主题的螺纹结构10的椭圆形根部轮廓允许在相邻的、相互连接的公螺纹和母螺纹中的凸出的载荷支承斜面16之间得到较大的螺纹与螺纹的接触。更详细地说,最大螺纹与螺纹接触长度等于沿轴向测量得到的在顶部20和与负载支承斜面16相邻的椭圆24的切点之间的支承斜面上的距离。正如将要鉴别的那样,在现有技术中保持与椭圆形根部22具有同样壁厚的圆形根部轮廓有较短的螺纹与螺纹的接触长度,因而负载支承斜面较小。这是因为螺纹负载支承斜面相邻于圆形根部的切点距离根部的底面比可比较的椭圆形根部22的远。因此,本发明螺纹结构10的椭圆形根部22最终比具有 圆形根部轮廓的现有技术中螺纹结构提供了较长的磨损寿命。

上面以清楚地叙述方式对本发明进行了描述。可以理解,所使用的这些术语涉及到进行描述所需要的词性,而不是对它们的限制。

显然,根据上述技术方案的启示获得本发明的多种修改和改变的形式是可能的。因此,可以理解上述变化的形式都在权利要求书所述的范围内,其中采用的数字代号仅仅是为了便于描述,而不是任何限制。不需要专描述,就可以获得本发明的其他形式。

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