科技信息2013 年第 25 期ＳＣＩ ＥＮＣＥ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩ ＮＦＯＲＭＡＴＩ ＯＮ0引 言高造斜率井眼轨迹控制工具主要应用 于定向 井和大位移井等复杂结构井的导向钻进。 在钻井过程中当需要造斜时， 需要通过使用高造斜率井眼轨迹控制工具使钻轴弯曲 ， 这种使钻轴弯曲 的过程是由 高造斜率井眼轨迹控制工具的偏置机构完成的。 在高造斜率井眼轨迹控制工具中偏置机构主要由两个偏心环组成， 通过两个偏心环的组合运动来实现钻轴的弯曲 ， 偏心环的旋转动力直接由 钻轴通过离合器提供凯发国际app首页。 由 于偏心环必须以较低的速度旋转以保证偏心环旋转角 度的精确， 但是钻轴旋转速度太高， 必须降低速度， 才能保证高造斜率井眼轨...

　　科技信息2013 年第 25 期ＳＣＩ ＥＮＣＥ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩ ＮＦＯＲＭＡＴＩ ＯＮ0引 言高造斜率井眼轨迹控制工具主要应用 于定向 井和大位移井等复杂结构井的导向钻进。 在钻井过程中当需要造斜时， 需要通过使用高造斜率井眼轨迹控制工具使钻轴弯曲 ， 这种使钻轴弯曲 的过程是由 高造斜率井眼轨迹控制工具的偏置机构完成的。 在高造斜率井眼轨迹控制工具中偏置机构主要由两个偏心环组成， 通过两个偏心环的组合运动来实现钻轴的弯曲 ， 偏心环的旋转动力直接由 钻轴通过离合器提供。 由 于偏心环必须以较低的速度旋转以保证偏心环旋转角 度的精确， 但是钻轴旋转速度太高， 必须降低速度， 才能保证高造斜率井眼轨迹控制工具的控制精度， 提高井下定位的准确性。 因此就需要设计一个传动比大的减速机构来降低速度[1]。1减速机构选取井下工具常用的减速机构有行星齿轮减速机构、涡轮蜗杆减速机构和谐波齿轮减速机构。 由于在井下工作， 高造斜率井眼轨迹控制工具减速机构受到各种条件限制， 应满足下几点：1）占用空间小；2）传动比较大；3）安装、更换方便；4）工作寿命长；5）传动效率高。行星齿轮减速机构有回程间隙小， 精度较高， 使用寿命长， 额定输出扭矩大等特点。 但是， 由于行星齿轮减速机构的传动比与其体积尺寸有很大关联， 在井下狭小的环空里根本无法实现很大的传动比， 同时其安装也不方便， 因此不予采用 。蜗轮蜗杆减速机构具有反向自 锁功能， 结构紧凑， 具有较大的传动比， 传动功率范围大， 但其输入轴和输出轴不在同一轴线上， 也不在同一平面上， 而在高造斜率井眼轨迹控制工具中由于其空间的狭小必须要满足减速机构的输入轴和输出轴在同一轴线上， 这一点蜗轮蜗杆传动无法实现。 同时蜗轮蜗杆传动效率比较低， 影响了 高造斜率井眼轨迹控制工具的工作效率， 并且精度不高， 若采用 蜗轮蜗杆减速机构则会对高造斜率井眼轨迹控制工具的控制精度产生很大影响柔轮筒体壁厚。 另 外，蜗轮蜗杆减速机构易发热， 容易导致高造斜率井眼轨迹控制工具内 部温度过高， 致使其他零部件损坏从而无法正常工作。 而且其蜗轮易磨损， 轴承(蜗杆处)易损坏节曲面， 这对井眼轨迹控制工具的使用寿命有很大影响， 故不予采用。谐波齿轮减速机构主要是靠中间柔性构件的弹性变形来实现运动和动力传递， 其主要特点有：1）结构简单、体积小、重量轻、传动平稳、运动精度高；2）传动比大、范围宽（一级传动传动比范围 为 50～500， 二级可达2500～25000）人工老化试验滚轮支架， 且在传动比很大的情况下， 仍具有较高的效率（单级传动可达 69%～ 96%）；3）承载能力强， 齿与齿的啮合是面接触， 加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多， 因而单位面积载荷小， 承载能力能够满足井下要求；4）同轴性好， 齿侧间隙可以调整， 齿面磨损小而均匀 ， 可实现向密闭空间传递运动及动力[2]。鉴于谐波齿轮减速机构体积小、重量轻， 能够在井下狭小环空内实现安装与传动， 而且在井下狭小空间限制下仍能实现很大的传动比， 同时能长时间在高温高压等油浴的环境下正常工作， 对比三种减速机构优缺点， 最终选择谐波齿轮传动作为高造斜率井眼轨迹控制工具的减速机构。2谐波齿轮减速机构的设计2.1谐波齿轮减速机构结构及工作原理谐波齿轮减速机构是高造斜率井眼轨迹控制工具中不可缺少的组成部分反正切。 其主要由三个基本构件组成： 刚性齿轮、柔性齿轮和波发生器。 带有内 齿圈的为刚性齿轮， 它相当于行星系中的中心轮； 带有外齿圈的为柔性齿轮， 它相当于行星齿轮； 波发生器则相当于行星架。 其中柔轮可以产生变形， 波发生器为输入端， 刚轮为输出 端， 可实现减速，能够得到固定的传动比。 柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮， 其内 孔直径略小于波发生器的总长[3]。 其结构示意图如下图 1 所示。图 1谐波齿轮减速机构示意图1．刚 轮；2．柔轮；3．轴承；4．波发生器；5．钻轴其工作原理为： 当波发生器转动时轨迹发生器， 带动柔轮旋转， 柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形， 在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合， 在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开。 在波发生器长轴与短轴的区间， 柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态排气管， 称为啮入。 有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态， 称为啮出 。 由于波发生器的连续转动， 使得啮入、完全啮合理论啮合线、啮出 混联系统、完全脱开这四 种情况依次变化， 循环不已。 由 于柔轮比刚轮的齿数少， 所以当 波发生器转动一周时， 柔轮向相反方向转过两个齿的角度， 从而实现了大的减速比[4]。波发生器采用双波结构， 因为双波结构传动平稳， 承载能力大， 能井眼轨迹控制工具减速机构研究施雷冯定张红刘旭辉（长江大学 机械工程学院， 湖北 荆州 434023）【摘要】随着定向井和大位移井等复杂结构井的 大量出 现， 井眼轨迹控制 工具的 作用 越来越明 显。 本文对高造斜率井眼轨迹控制 工具中减速机构进行了 深入研究： 将行星齿轮、蜗轮蜗杆和谐波齿轮三种减速机构进行了 对比， 最终优选出 了 谐波齿轮减速机构， 并对其工作原理进行了 阐 述； 然后对谐波齿轮减速机构中 柔轮进行了 结构设计、强度校核和稳定性分析； 最后 对谐波齿轮减速机构的 设计进行了 总结， 提出 了 柔轮寿命存在的 问 题， 为 高造斜率井眼轨迹控制 工具的 进一步研究奠定了 基础。【关键词】轨迹控制 ； 减速机构； 谐波齿轮； 柔轮； 强度校核The Researching on Decelerating Mechanism of Wellbore Trajectory Controlling Tools With Point-the-bitSHI LeiFENG DingZHANG Hong（School of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou Hubei, 434023, China）【Abstract】With emergence of the complex structure wells such as directional wells and extended reach wells in large numbers, the effects ofwellbore trajectory controlling tools have become increasingly apparent. In this paper, the decelerating mechanism of well trajectory controlling toolswith point-the-bit is deeply researched: the planetary gears, worm gears and harmonic gears being compared, the harmonic gear mechanism isselected out finally, and its working principle is described. Then structural design, strength check and stability analysis of the flexible gears which isan important part of harmonic gear mechanism is carried out. Finally, the design of harmonic gear mechanism being summarized, and the problems ofservice life of the flexible gears being proposed, it lays the foundation for further study of well trajectory controlling tools.【Key words】Trajectory controlling; Decelerating mechanism; Harmonic gear; Flexible gear; Strength checkLIU Xu-hui○ 机械与电子○143