一种螺杆马达及井下动力钻具的制作方法

发明涉地质勘探领域，尤其涉及一种螺杆马达及井下动力钻具。

背景技术：

螺杆钻具是目前使用最广泛的一种井下动力钻具，主要由马达、万向轴总成和传动轴总成等部分构成，其中马达包括转子、定子衬套和定子管，定子衬套通常为具有一定弹性的邵氏硬度70-85的橡胶、邵氏硬度大于90的塑料或复合材料，以压注、粘结等方式粘结在定子管内壁上。衬套内轮廓与转子外轮廓相互啮合，并且转子对定子衬套有一定的预压缩，形成若干个位置不同的螺旋密封腔。钻井液通入后，在一定压差作用下，转子转动，将钻井液的水力能转换成转子扭矩和旋转动能，并通过万向轴、传动轴传递给螺杆钻具末端连接的钻头，为钻头破碎岩石提供能量。

现有的常规螺杆马达如图1所示，包括定子管10、穿设在定子管10中的定子衬套20，穿设在定子衬套20中的转子30，该螺杆马达的定子管10一般用钢制成，其内壁为光滑的圆柱面，定子衬套20的外周面和定子管10的内周面贴合，定子衬套20的内周面呈花瓣状，定子衬套20的波峰与波谷处的厚度相差2倍以上。马达的转子30工作过程中，类似行星运动，定子衬套20处于压缩-回弹-压缩的循环中，会生成热。由于橡胶材料的导热性较差，橡胶材料厚度大，其心部容易发生热聚效应，导致橡胶性能降低，发生分层破坏，甚至脱胶，密封失效，动力不足乃至制动。

针对上述情况，现有技术中也有将定子衬套20制成等壁厚的结构，将定子管10内壁预制成型，使定子衬套20具有相同大小的壁厚，这种结构的螺杆马达称为等壁厚螺杆马达。如图2所示，该螺杆马达的定子管10的内壁呈花瓣状，定子衬套20的外周面与定子管10的内周面贴合，定子衬套20的内周面同样呈花瓣状，并且其各个位置的厚度相等，通过等壁厚螺杆马达能够有效解决现有常规螺杆马达定子衬套20厚度相差大所导致的橡胶心部热聚问题，而且定子衬套20由定子管10轮廓支撑，单位长度螺杆马达提供的扭矩增大。但使用过程中，等壁厚螺杆马达还会发生局部掉胶等失效，导致钻具寿命不满足使用要求。通过分析研究发现，等壁厚螺杆马达转子30转动过程中，定子衬套20应力分布不均匀，最大应力为最小应力10倍以上，这是等壁厚螺杆马达定子衬套20局部掉胶、剥落的主要原因，为了保证定子衬套20使用寿命，不得不增大定子衬套20厚度，降低定子衬套20硬度，以减小应力峰值；而且，等壁厚螺杆马达由于定子衬套20受力不均匀，导致其转子30运动轨迹不规则，万向轴摆角较大，磨损较快，万向轴磨损后，摆角更大，反过来又会影响定子衬套20受力，导致定子衬套20早期失效。

因此，亟需一种螺杆马达及井下动力钻具以解决上述问题。

技术实现要素：

发明的一个目的在于：提供一种螺杆马达，以解决现有技术中等壁厚螺杆马达转子转动过程中定子衬套受力不均匀容易造成定子衬套掉胶、剥落的问题。

发明的另一目的在于提供一种井下动力钻具，以解决现有技术中等壁厚螺杆马达的定子衬套容易早期失效的问题。

一方面，发明提供一种螺杆马达，该螺杆马达包括定子管，穿设在所述定子管内且由弹性材质制成的定子衬套，穿设在所述定子衬套内的转子，所述定子衬套的外周面和所述定子管的内周面贴合，所述定子管的内周面、所述定子衬套的外周面以及所述定子衬套的内周面均呈环形且呈波纹状，所述定子衬套的外周面上波峰相对所述定子衬套的外周面上波谷远离所述定子管的中心，所述定子衬套的内周面上波峰相对所述定子衬套的内周面上波谷远离所述定子管的中心，所述定子衬套的外周面上波峰与其内周面上的波峰相对且构成波峰部，所述定子衬套的外周面上波谷与其内周面上的波谷相对且构成波谷部，沿所述转子的转动方向，所述波谷部和与其前方相邻的所述波峰部通过承载部连接，所述波峰部和与其前方相邻的所述波谷部通过密封部连接，所述波峰部以及所述波谷部的厚度均小于所述承载部的厚度且均大于所述密封部的厚度。

作为优选，所述承载部的厚度为所述密封部厚度的1.1-1.5倍。

作为优选，所述波峰部以及所述波谷部的厚度均为所述密封部厚度的1.02-1.03倍。

作为优选，所述承载部的厚度小于7mm。

作为优选，所述定子衬套由塑料材料成型。

作为优选，所述定子衬套由复合材料成型。

作为优选，所述定子衬套与所述定子管粘结。

作为优选，所述定子衬套的材质为橡胶。

作为优选，所述定子衬套的邵氏硬度为83-90。

另一方面，发明提供井下动力钻具，包括上述任一方案中的螺杆马达。

发明的有益效果为：

通过使定子衬套的外周面上波峰与其内周面上的波峰相对，定子衬套的外周面上波谷与其内周面上的波谷相对，从而使定子衬套壁厚近似相等，可以避免常规螺杆马达定子衬套厚度相差大所导致的热聚效应；通过使波峰部以及波谷部的厚度均小于承载部的厚度且均大于密封部的厚度，从而相对等壁厚螺杆马达，转子转动过程中定子衬套受力趋于均匀，可以避免出现局部应力幅值过大而导致的衬套分层、剥落、脱落等现象，从而提高了定子衬套的使用寿命；进而可以使定子衬套厚度减小，散热效果更好；定子衬套硬度增加，单位长度马达可以提供更大的扭矩。

附图说明

图1为本发明现有技术中常规定子马达的横截面结构示意图；

图2为本发明现有技术中等壁厚定子马达的横截面结构示意图；

图3为本发明本实施例中定子马达的横截面结构示意图；

图4为本发明本实施例中井下动力钻具的结构示意图。

图中：

10、定子管；20、定子衬套；30、转子；

1、定子管；2、定子衬套；21、波峰部；22、波谷部；23、承载部；24、密封部；3、转子；4、万向轴总成；5、传动轴总成。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明发明的技术方案。

如图3所示，本实施例提供一种螺杆马达，该螺杆马达包括定子管1、定子衬套2以及转子3，定子衬套2穿设在定子管1中并且定子衬套2的外周面和定子管1的内周面贴合，转子3穿设在定子衬套2中。本实施例中定子衬套2为弹性体，当转子3转动时，定子衬套2被转子3挤压，定子衬套2处于压缩-回弹-压缩的往复过程中。

本实施例中，定子管1由钢材制成，其外周面为圆柱面，内周面呈环状且呈波纹状，相应的定子衬套2的外周面由于和定子管1的内周面匹配，也呈波波纹状。定子管1通过其波纹状的内周面能够对定子衬套2进行有效支撑，从而可以增大单位长度螺杆马达提供的扭矩。

本实施例中，定子衬套2的内周面以及转子3的外周面同样均呈环状且呈波纹状，对于定子衬套2而言，其外周面上远离定子管1中心的部位为波峰，靠近定子管1中心的部分为波谷，其内周面上远离定子管1中心的部位为波峰，靠近定子管1中心的部分为波谷。定子衬套2内周面上的波峰以及外周面上的波峰相对，定子衬套2内周面上的波谷以及外周面上的波谷相对，并且定子衬套2内周面上相邻的波峰和波谷形状一致，仅开口方向相反，定子衬套2外周面上相邻的波峰和波谷形状不一致并且开口相反，从而定子衬套2各处的厚度不等厚但近似等厚，从而该螺杆马达依旧可以避免常规螺杆马达定子衬套厚度相差大所导致的热聚效应。

具体的，定子衬套2的外周面上波峰与其内周面上的波峰构成波峰部21，定子衬套2的外周面上波谷与其内周面上的波谷构成波谷部22，波峰部21相对波谷部22远离定子管1的中心。沿转子3的转动方向，波谷部22和与其相邻的且位于转子3转动的前方的波峰部21通过承载部23连接，波峰部21和与其相邻的且位于转子3转动的前方的波谷部22通过密封部24连接，波峰部21以及波谷部22的厚度均小于承载部23的厚度且均大于密封部24的厚度。当转子3转动过程中，承载部23的受力比密封部24大，相应的将承载部23处的厚度设置为比密封部24厚，可以使定子衬套2各处所受的应力趋于均匀，进而改善定子衬套2局部掉胶、剥落失效的问题。

本实施例中，承载部23的厚度为密封部24厚度的1.1-1.5倍，波峰部21以及波谷部22的厚度均为密封部24厚度的1.02-1.03倍，承载部23的厚度小于7mm。

定子衬套2可以由弹性的塑料材料成型或者复合材料成型，并将成型后的定子衬套2和定子管1粘结。塑料材料可以为橡胶、聚烯烃热塑性弹性体以及热塑性聚酯弹性体等材质。复合材料可以为聚氨酯类材料。当定子衬套2的材质为橡胶时，定子衬套2通过橡胶压注成型，橡胶的邵氏硬度为83-90。

如图4所示，本实施例还提供一种井下动力钻具，包括上述方案中的螺杆马达，还包括与螺杆马达连接的万向轴总成4以及和万向轴总成4连接的传动轴总成5。

显然，发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明发明所作的举例，而并非是对发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在发明权利要求的保护范围之内。