等壁厚螺杆钻具马达及制造工艺的制作方法

本发明涉及螺杆钻具马达及制造工艺，具体说是等壁厚螺杆钻具马达及制造工艺，属于钻探设备技术领域。

背景技术：

石油、天然气、地热井用螺杆钻具是钻井工程中使用最普遍的动力钻具；螺杆马达是螺杆钻具的动力元件，由定子、转子两部分组成；定子壳体内孔由橡胶硫化成型工艺粘结在定子壳体壳体的内壁，形成连续螺旋槽，转子是通过金属加工工艺在圆柱面形成连续螺旋槽，定子与转子按一定尺寸公差配合形成封闭腔，在高压流体的作用下，推动转子与定子壳体产生相对旋转运动。在钻井工作中，通过马达把泥浆压力转化为钻头的动力，因此马达的转速和扭矩在很大程度上影响着螺杆钻具的工作效率，同时作为核心部件马达的寿命又在很大程度上影响螺杆钻具的使用寿命。

螺杆钻具马达转子采用金属加工工艺，技术比较成熟；马达定子为金属外壳、内橡胶衬套，目前技术相对较差，采用的技术手段、制造工艺各有不同；非等壁厚螺杆钻具马达又称为常规马达，是目前应用较多的制造技术，等壁厚螺杆钻具马达是近几年开始应用的制造新技术。

非等壁厚螺杆钻具马达的定子在内壁光滑的无缝管直接注胶硫化，通过模具形成内螺旋曲面，橡胶薄厚不均匀，在井下工作时受到高温和挤压作用，橡胶发生不均匀变形，会降低螺杆钻具马达定子壳体与转子配合精度，致使工作效率下降。作为热的不良导体，由于橡胶薄厚的不均匀，局部较厚橡胶处会产生热量聚集，加速橡胶老化，导致螺杆钻具马达的使用寿命下降；

中国专利CN105356646 A“等壁厚金属衬套螺杆马达及其注胶工艺”中的定子是将内外壁有螺旋槽的管通过注胶硫化工艺衬入到内壁光滑的圆管内，中间的橡胶作为粘结层，是非等壁厚橡胶，螺旋管内壁再注胶硫化出等壁厚橡胶衬层；除制造工艺复杂外，螺杆钻具马达定子壳体整体存在非等壁厚橡胶，仍然存在局部热量聚集现象。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种工作效率高、使用寿命长，能够进行工艺化生产的等壁厚螺杆钻具马达及制造工艺。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种等壁厚螺杆钻具马达，包括定子和转子，定子包括定子壳体、内螺旋金属衬套和等壁厚橡胶衬套；等壁厚橡胶衬套的内壁和外壁均设置螺旋槽，内螺旋金属衬套的内壁设置螺旋槽；内螺旋金属衬套衬于定子壳体内壁，等壁厚橡胶衬套内衬于内螺旋金属衬套内壁与内螺旋金属衬套内壁的螺旋槽配合，相互配合的等壁厚橡胶衬套外螺旋槽和内螺旋金属衬套内壁的螺旋槽线数和导程一致；位于等壁厚橡胶衬套内部的转子的外壁设置与等壁厚橡胶衬套内壁螺旋槽线数和导程一致的螺旋槽；等壁厚橡胶衬套各处壁厚相等。

进一步的，定子壳体是内孔和外圆均光滑的无缝管，定子壳体中部设置定子壳体注胶孔，定子壳体两端设置定子壳体放气孔；内螺旋金属衬套中部设置内螺旋金属衬套注胶孔，内螺旋金属衬套两端设置内螺旋金属衬套放气孔；定子壳体注胶孔的中心线与内螺旋衬套注胶孔的中心线为同一直线，定子壳体放气孔与内螺旋金属衬套放气孔的中心线为同一直线。

进一步的，定子壳体注胶孔、内螺旋金属衬套注胶孔设置一个；定子壳体放气孔和内螺旋金属衬套放气孔设置一个。

进一步的，定子壳体注胶孔、内螺旋金属衬套注胶孔的个数大于一个，定子壳体注胶孔和内螺旋金属衬套注胶孔在同一截面上沿圆周方向均匀分布；定子壳体放气孔和内螺旋金属衬套放气孔个数大于一个，定子壳体放气孔和内螺旋金属衬套放气孔在同一截面上沿圆周方向均匀分布。等壁厚螺杆钻具马达制造工艺，述制造工艺需要的工艺装备为注胶芯轴和堵头，制造工艺步骤如下，

A、将作为定子壳体的无缝管的外圆和内孔机械加工至符合粗糙度要求，将内螺旋金属衬套采用金属热成型工艺制作成型；

B、将内螺旋金属衬套压入定子壳体的内孔中使两者通过过盈配合连接，然后加工定子壳体注胶孔和内螺旋金属衬套注胶孔以及定子壳体放气孔和内螺旋金属衬套放气孔；

C、将注胶芯轴装入内螺旋金属衬套内孔中并使用堵头将定子壳体两端堵住，定子壳体、内螺旋金属衬套、注胶芯轴、堵头共同组成两端封闭的等壁厚注胶腔11；

D、通过定子壳体注胶孔、内螺旋金属衬套注胶孔向等壁厚注胶腔注入橡胶，经过硫化工艺形成等壁厚橡胶衬套，完成注胶硫化工艺过程后取出注胶芯轴，将预制好的转子装入等壁厚橡胶衬套内腔完成等壁厚螺杆马达的制作。

进一步的，步骤A中内螺旋金属衬套采用的金属热成型制作工艺为熔模铸造工艺。

进一步的，步骤B中内螺旋金属衬套与定子壳体的过盈配合采用加热后使用液压机压入实现。

进一步的，所述堵头外圆为阶梯圆柱，堵头内壁设置内螺纹；注胶芯轴两端有与堵头内壁配合的外螺纹；注胶芯轴的外螺旋槽与内螺旋金属衬套的内螺旋槽头数、螺旋导程一致，注胶芯轴的外表面与内螺旋金属衬套的内表面为等距曲面。

进一步的，注胶芯轴外表面抛光镀铬。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

本发明中的等壁厚螺杆钻具马达的定子部分中的等壁厚橡胶衬套厚度薄、壁厚均匀，能够保证在使用过程中导热散热均匀。在使用过程中橡胶挤压变形量小、受力均匀，等壁厚橡胶衬套与转子之间的摩擦力小，等壁厚橡胶衬套的使用寿命得到提高。

本发明中内螺旋金属衬套和等壁厚橡胶衬套的组合使用，保证了均匀散热，避免了局部热量聚集。

本发明中的等壁厚螺杆钻具马达的制造工艺简单，不需要用到专用设备，各零部件均可以进行批量化生产。

本发明中的等壁厚橡胶衬套通过注胶工艺制造，通过注胶工艺生产的等壁厚橡胶衬套质地均匀充实，能够延长等壁厚螺杆钻具马达的使用寿命。

本发明中的等壁厚螺杆钻具马达的制造工艺采用熔模铸造的方法加工内螺旋金属衬套，可以达到较高的加工精度。

附图说明

图1是本发明等壁厚螺杆钻具马达的截面视图；

图2是本发明等壁厚螺杆钻具马达带有局部剖视的轴测视图；

图3是本发明等壁厚螺杆钻具马达的分解示意图；

图4是本发明等壁厚螺杆钻具马达制作工艺中注胶的截面示意图；

图5是本发明等壁厚螺杆钻具马达制作工艺中注胶的带有局部剖视的轴测视图；

图6是本发明等壁厚螺杆钻具马达制作工艺中注胶的分解示意图；

其中，1、定子壳体，2、内螺旋金属衬套，3、等壁厚橡胶衬套，4、转子，5、注胶芯轴，6、堵头，7、定子壳体注胶孔，8、定子壳体放气孔，9、内螺旋金属衬套注胶孔，10、内螺旋金属衬套放气孔，11、等壁厚注胶腔。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明公开了等壁厚螺杆钻具马达及制造工艺，所述等壁厚螺杆钻具马达包括定子和转子4。定子包括定子壳体1、内螺旋金属衬套2和等壁厚橡胶衬套3；在等壁厚橡胶衬套3的内壁和外壁均设置螺旋槽，在内螺旋金属衬套2的内壁设置螺旋槽；内螺旋金属衬套2内衬于定子壳体1的内壁，两者通过过盈配合紧密组合在一起；等壁厚橡胶衬套3内衬于内螺旋金属衬套2内壁，等壁厚橡胶衬套3的外螺旋槽与内螺旋金属衬套2内壁的螺旋槽相互配合，两者紧密组合，相互配合的等壁厚橡胶衬套3的外螺旋槽和内螺旋金属衬套2的内壁的螺旋槽线数和导程一致，具体结构如图1、图2所示。本发明的转子4的外壁上设置与等壁厚橡胶衬套3内壁螺旋槽线数和导程一致的螺旋槽，转子4位于等壁厚橡胶衬套3的内孔中。本发明中等壁厚橡胶衬套3的各处壁厚均相同，壁厚一般取6～15mm，等壁厚橡胶衬套3的壁厚小、均匀，保证了使用过程中散热均匀。本发明将热的不良导体的橡胶衬套部分设置为等壁厚橡胶衬套3，而将热的良导体的金属衬套设置为壁厚不一致的内螺旋金属衬套2，保证了散热的均匀与迅速。金属材质的内螺旋金属衬套2导热良好可以消除衬套厚度不一致带来的导热散热不均的影响。橡胶材质的等壁厚橡胶衬套3壁厚小、均匀，保证了导热散热均匀。内螺旋金属衬套2和等壁厚橡胶衬套3的组合使用，保证了均匀散热，避免了局部热量聚集。在钻井工作过程中，等壁厚橡胶衬套3受转子4和高压泥浆的挤压，变形均匀、变形量小可以减缓等壁厚橡胶衬套3的橡胶老化速度；由于等壁厚橡胶衬套3壁厚小、均匀，橡胶受挤压变形量小、受力均匀，可以减小等壁厚橡胶衬套3、转子4之间的摩擦，提高使用寿命；等壁厚橡胶衬套3壁厚小、均匀，减小了在注胶硫化工艺过程中橡胶的变形量，提高了制造精度，螺杆钻具马达的整体容积效率、机械效率都可以提高。本发明结构简单，各零部件形状比较规则，易于加工制作。

本发明定子壳体1是内孔外圆均光滑的无缝管，材质为高强度合金钢，定子壳体1中部有定子注胶孔7，两端各有一个定子壳体放气孔8；内螺旋金属衬套2采用高强度合金钢，通过金属热成型工艺制造的管件，外圆光滑，内壁有螺旋槽，内螺旋金属衬套2中部有内螺旋金属衬套注胶孔9，两端各有一个内螺旋金属衬套放气孔10，定子壳体注胶孔7的中心线与内螺旋衬套注胶孔9的中心线为同一直线，定子壳体放气孔8与内螺旋金属衬套放气孔10的中心线为同一直线，具体结构如图3、图6所示。

定子壳体1中部的定子壳体注胶孔7和内螺旋金属衬套2中部的内螺旋金属衬套注胶孔9可以设置为一个，也可以设置为大于一个，如果定子壳体注胶孔7和内螺旋金属衬套注胶孔9设置的个数大于一个，则定子壳体注胶孔7和内螺旋金属衬套注胶孔9在同一截面上沿圆周方向均匀分布；定子壳体1两端的定子壳体放气孔8和内螺旋金属衬套2两端的内螺旋金属衬套放气孔10的个数可以为一个，也可以为大于一个，如果定子壳体放气孔8和内螺旋金属衬套放气孔10的个数大于一个，则定子壳体放气孔8和内螺旋金属衬套放气孔10在同一截面上沿圆周方向均匀分布。

本发明中的等壁厚橡胶衬套通过注胶工艺制造，在定子壳体1中部、内螺旋金属衬套2中部开设注胶孔以进行注胶作业；在定子壳体1两端和内螺旋金属衬套2两端开设放气孔可以保证注胶工艺顺利完成，保证通过注胶工艺生产的等壁厚橡胶衬套3质地均匀充实，从而延长等壁厚螺杆钻具马达的使用寿命。

本发明中定子壳体1、内螺旋金属衬套2、等壁厚橡胶衬套3组成定子，定子和转子4共组成了等壁厚螺杆钻具的马达。

根据本发明中等壁厚螺杆钻具马达的特点，优先选用注胶工艺进行批量化生产。等壁厚螺杆钻具马达的制造工艺需要的工艺装备为注胶芯轴5和堵头6，制造工艺步骤如下，

A、将作为定子壳体1的无缝管的外圆和内孔机械加工至符合粗糙度要求，将内螺旋金属衬套2采用金属热成型工艺制作成型；为了达到加工精度并且进行批量化生产，优先选用熔模铸造工艺进行内螺旋金属衬套2的制作加工。

B、将内螺旋金属衬套2压入定子壳体1的内孔中使两者通过过盈配合连接，然后加工定子壳体注胶孔7和内螺旋金属衬套注胶孔9以及定子壳体放气孔8和内螺旋金属衬套放气孔10；内螺旋金属衬套2与定子壳体1的过盈配合采用加热后使用液压机压入实现，即先将定子壳体1进行加热然后使用液压机将内螺旋金属衬套2压入定子壳体1内腔中。

C、将注胶芯轴5装入内螺旋金属衬套2内孔中并使用堵头6将定子壳体两端堵住，定子壳体1、内螺旋金属衬套2、注胶芯轴5、堵头6共同组成两端封闭的等壁厚注胶腔11，具体结构如图4、图5所示，图6为螺杆钻具马达制作工艺中注胶的分解示意图。等壁厚注胶腔11的形成为本工艺的关键，等壁厚注胶腔11可以保证制作完成的等壁厚橡胶衬套3实现各处壁厚大小一致并且质地均匀。

D、通过定子壳体注胶孔7、内螺旋金属衬套注胶孔9向等壁厚注胶腔11注入橡胶，经过硫化工艺形成等壁厚橡胶衬套3，完成注胶硫化工艺过程后取出注胶芯轴5，将预制好的转子4装入等壁厚橡胶衬套3内腔完成等壁厚螺杆马达的制作。转子4使用数控机床加工，以保证加工的精度。

所述制造工艺中用到的工艺装备为堵头6和注胶芯轴5。堵头6外圆为阶梯圆柱，堵头6内壁设置内螺纹；注胶芯轴5两端有与堵头6内壁配合的外螺纹；注胶芯轴5的外螺旋槽与内螺旋金属衬套2的内螺旋槽头数、螺旋导程一致，注胶芯轴5的外表面与内螺旋金属衬套2的内表面为等距曲面。注胶芯轴5外表面需要进行抛光镀铬，以保证注胶芯轴表面有低粗糙度和高耐磨强度。

本发明中等壁厚螺杆钻具马达的制作工艺中，通过向由定子壳体、内螺旋金属衬套、注胶芯轴和堵头共同组成的等壁厚注胶腔进行注胶，来完成等壁厚螺杆钻具马达中的关键部件等壁厚橡胶成套的制作，制作完成的等壁厚橡胶衬套各处厚度大小一致，并且质地均匀充实，在使用过程中完全能够达到使用要求，延长等壁厚螺杆钻具马达的使用寿命。