CN114753824A - 一种自适应扭矩的无级变速钻具 - Google Patents

Abstract

本发明为一种自适应扭矩的无级变速钻具，包括钻杆和钻头，在钻杆和钻头之间连接有力反馈变速机构。力反馈变速机构包括壳体，在壳体内设有第一隔板以及能转动地穿设在第一隔板上的输入轴套，输入轴套的上端穿过壳体并与钻杆固接，输入轴套的下端与一摩擦副行星传动无级变速器连接，摩擦副行星传动无级变速器的下端穿过壳体并与钻头固接。在输入轴套上且位于第一隔板上方能轴向弹性滑动地套设有环状的吸盘，在第一隔板上周向开设有多个销孔，在吸盘的底面周向设有多个销钉，各销钉能卡设在对应的销孔内。本发明能形成对扭矩进行自适应的无极变速，构成一项安全高效钻井破岩新工具。

Description

一种自适应扭矩的无级变速钻具

技术领域

本发明是关于油气钻井开发机械设备技术领域，尤其涉及一种自适应扭矩的无级变速钻具。

背景技术

石油天然气资源是经济保持持续发展、关系国家战略安全的重要物资。近年来，油气开采已不可逆转得走向了深部复杂地层，其显著特点是硬度高、压力高、温度高。

PDC钻头(polycrystalline diamond compact bit，聚晶金刚石复合片钻头)是目前公认的钻进效率高的破岩工具，但在深部硬地层钻进时易出现憋跳、摆动、屈曲、粘滑振动等有害振动现象。钻至硬地层或软硬交互等复杂岩性地层时，钻头切削齿吃深过大需较大能量才能破碎岩石，此时钻头突然停止转动，钻柱扭矩增大、钻头内能积聚，直至剪切破碎齿前岩石，内能释放使钻头以数倍于转盘的转速旋转，使钻柱某中性点承受双方向交替扭转。

钻具长期发生粘滑振动，将导致破岩效率下降、钻具寿命缩短，甚至破坏井筒完整性、引发断钻具等严重事故，造成进尺、周期与成本的浪费。因此，寻求改进钻头结构、发展高效钻头是解决粘滑振动的根本症结，对提高钻井效率、缩短周期、高效开发非常规资源具有重要的现实意义。

目前对于井下钻具有害振动的识别判断主要通过有限元分析、地面测量判断、井下仪器测量等方法。近期的一些研究成果指出，钻头结构设计对钻具粘滑振动的表现有显著的影响，发生粘滑振动的根源在于钻头与岩石的相互作用。由于地层的岩石力学性质变化以及岩石的各向异性，导致钻头切削齿吃入深度的变化，进而导致钻头破岩效率和井底运动状态的变化。

基于对粘滑振动的研究，一些文献提出了相应的解决方法，主要有钻井参数优化、减震工具、钻头结构设计等。Kyllingstad和Hasley提出减小井底静摩擦力或控制转盘转速以及通过安装井下工具来控制钻头转速；李文飞等发明一种减震器来实时调节钻头与井底的相对位置；一些新型钻头增加了限位齿、限位块等结构设计等等。

以上解决方法的应用程度大多比较有限，虽能够在一定程度上减弱钻具粘滑振动或其他有害振动形式，但仍主要存在以下问题：粘滑振动产生机理不清；工具结构复杂，应用对象要求严格、局限性强；在减弱有害振动的同时也严重影响了钻进速度。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种自适应扭矩的无级变速钻具，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应扭矩的无级变速钻具，能形成对扭矩进行自适应的无极变速，构成一项安全高效钻井破岩新工具。

本发明的目的是这样实现的，一种自适应扭矩的无级变速钻具，包括钻杆和钻头，在钻杆和钻头之间连接有力反馈变速机构；力反馈变速机构包括竖直设置的壳体，在壳体内设有第一隔板以及能转动地穿设在第一隔板上的输入轴套，输入轴套的上端穿过壳体并与钻杆固接，输入轴套的下端与一摩擦副行星传动无级变速器连接，摩擦副行星传动无级变速器的下端穿过壳体并与钻头固接；在输入轴套上且位于第一隔板上方能轴向弹性滑动并周向固定地套设有环状的吸盘，在第一隔板上周向开设有多个销孔，在吸盘的底面周向设有多个销钉，各销钉能卡设在对应的销孔内；在壳体上周向开设有多个径向孔，在第一隔板上围绕吸盘的外周设有棘轮组件，棘轮组件包括能径向移动并能伸出对应的径向孔的多个棘轮；在壳体内还设有控制器、力矩传感器和电磁铁，力矩传感器固定在输入轴套上，电磁铁设在吸盘的正上方；控制器与力矩传感器、电磁铁和摩擦副行星传动无级变速器中的电驱动机构电连接，并能根据力矩传感器采集的扭矩信息控制电磁铁和摩擦副行星传动无级变速器的工作。

在本发明的一较佳实施方式中，摩擦副行星传动无级变速器包括具有内通孔的行星轮架，行星轮架与壳体枢接并与钻头固接，输入轴套的下端能转动地插设在内通孔中；在行星轮架上周向间隔设有能径向滑动的多个滑动轮轴，在每个滑动轮轴上套设有能上下滑动且转动的行星摩擦轮；在壳体内固定有环状的上太阳摩擦轮，并在上太阳摩擦轮下方设有能轴向弹性滑动的环状的下太阳摩擦轮；在输入轴套的下部外侧固定有下摩擦环，并在下摩擦环上方设有能上下滑动的上摩擦环；各行星摩擦轮的外侧夹设在上太阳摩擦轮与下太阳摩擦轮之间，各行星摩擦轮的内侧夹设在上摩擦环和下摩擦环之间；电驱动机构固定在输入轴套上，且电驱动机构与上摩擦环连接并能驱动上摩擦环滑动。

在本发明的一较佳实施方式中，每个行星摩擦轮的上部外壁为向上渐缩的锥面，其下部外壁为向下渐缩的锥面，上太阳摩擦轮的下部内壁、下太阳摩擦轮的上部内壁、上摩擦环的下部外壁以及下摩擦环的上部外壁的形状均与各行星摩擦轮的锥面相匹配。

在本发明的一较佳实施方式中，在行星轮架的上部周向间隔设有多个第一导轨，各滑动轮轴的底部能径向滑动地嵌设在第一导轨上。

在本发明的一较佳实施方式中，电驱动机构为电动行星滚柱丝杠机构，电动行星滚柱丝杠机构的主丝杠为中空结构并间隔套设在输入轴套的外侧，且主丝杠的下端与上摩擦环固接，电动行星滚柱丝杠机构的外壳与输入轴套固接；在主丝杠的外壁开设有沿其轴向延伸的长条状防转槽，在外壳上且位于外壳与主丝杠配合的出口端固设有凸起，凸起能滑动地嵌设在长条状防转槽内，控制器与电动行星滚柱丝杠机构的电机电连接并能控制主丝杠上下直线移动。

在本发明的一较佳实施方式中，在壳体内且位于力矩传感器的正下方固定有滑环，滑环包括位于外圈的固定部分以及位于内圈的旋转部分，固定部分通过导线与控制器连接，旋转部分与力矩传感器固定并电连接，力矩传感器能通过滑环将其采集的扭矩信息传递给控制器。

在本发明的一较佳实施方式中，在壳体内还设有蓄电池和发电机，蓄电池与发电机、控制器、力矩传感器和电驱动机构电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，在壳体内且位于第一隔板上方间隔固定有第二隔板，在第一隔板下方呈上下间隔设有第三隔板和第四隔板；在壳体顶面、第一隔板、第二隔板、第三隔板、第四隔板和壳体底面分别开设有上通孔、第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔和下通孔；输入轴套的上端由上通孔穿出，输入轴套的下端依次穿过第二通孔、第一通孔和第三通孔，行星轮架的上端由第四通孔穿出并通过第一推力轴承和第二推力轴承分别与第四隔板和输入轴套的下端连接，行星轮架的下端由下通孔穿出；滑环固定在第二隔板的顶面上，电磁铁固定在第二隔板的底面上，控制器和蓄电池固定在第三隔板上，发电机固定在壳体底面。

在本发明的一较佳实施方式中，在下通孔与行星轮架之间以及输入轴套与第一通孔和第三通孔之间均夹设有密封圈。

在本发明的一较佳实施方式中，在下太阳摩擦轮与第四隔板之间夹设有第一复位弹簧，在吸盘和第二隔板之间夹设有第二复位弹簧，下太阳摩擦轮与壳体内壁通过花键连接。

在本发明的一较佳实施方式中，输入轴套包括从上至下顺序固定的转接轴套、上内轴套、花键轴套和下内轴套，转接轴套与壳体轴向固定并与钻杆固接，力矩传感器与转接轴套固接，吸盘套设在花键轴套上并与花键轴套通过花键连接。

在本发明的一较佳实施方式中，棘轮组件还包括在第一隔板上周向间隔设置的多个第二导轨以及能径向滑动地嵌设在各第二导轨上的多个滚轮架，各棘轮安装在对应的滚轮架的外侧，各滚轮架的外侧通过压簧与壳体连接；吸盘的外壁与各滚轮架相接触，在吸盘向上移动时能向外挤压各滚轮架，以使各滚轮架径向向外滑动。

在本发明的一较佳实施方式中，在吸盘的外壁形成直径向上渐缩的第一斜面，各滚轮架的下部内侧形成与第一斜面相配合的第二斜面，第一斜面能顶靠在各第二斜面上。

由上所述，本发明中的钻具通过在钻杆和钻头之间增加力反馈变速机构，通过力矩传感器采集的扭矩信息，可以精准感知当前钻头端的运动状态；当扭矩较大时，可以通过控制摩擦副行星传动无级变速器达到减小钻头的转速并增大力矩的目的，且可以根据力反馈给出合适钻进地层的减速比，更有利于抑制钻头振动，快速钻井。整个钻具对钻杆的输入力矩和输入速度不做要求，即无需地面控制即可达到自动适应不同地层掘进工况的功能，有利于钻井现场的快速布置，提高效率。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明提供的自适应扭矩的无级变速钻具的整体图。

图2：为本发明提供的自适应扭矩的无级变速钻具处于无减速位置时的结构剖视图。

图3：为本发明提供的自适应扭矩的无级变速钻具处于无级减速位置时的结构剖视图。

图4：为本发明提供的自适应扭矩的无级变速钻具处于无级减速位置时的结构示意图一。

图5：为本发明提供的自适应扭矩的无级变速钻具处于无级减速位置时的结构示意图二。

图6：为本发明提供的吸盘的结构示意图一。

图7：为本发明提供的吸盘的结构示意图二。

附图标号说明：

100、力反馈变速机构；

1、壳体；11、第一隔板；111、销孔；112、第一通孔；12、第二隔板；121、第二通孔；13、第三隔板；131、第三通孔；14、第四隔板；141、第四通孔；15、上端盖；151、上通孔；16、上筒壳；161、径向孔；17、下筒壳；18、下端盖；181、下通孔；

2、输入轴套；21、转接轴套；211、凸缘；22、上内轴套；23、花键轴套；24、下内轴套；25、第二推力轴承；

3、摩擦副行星传动无级变速器；31、行星轮架；311、内通孔；312、第一导轨；32、滑动轮轴；33、行星摩擦轮；34、上太阳摩擦轮；35、下太阳摩擦轮；351、第一复位弹簧；36、上摩擦环；37、下摩擦环；38、电驱动机构；381、主丝杠；382、第三推力轴承；39、第一推力轴承；

4、吸盘；41、销钉；42、第一斜面；43、第二复位弹簧；

5、棘轮组件；51、棘轮；52、第二导轨；53、滚轮架；

6、控制器；

7、力矩传感器；71、滑环；

8、电磁铁；

9、蓄电池；91、发电机；92、导线；

200、钻杆；

300、钻头。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至图7所示，本实施例提供一种自适应扭矩的无级变速钻具，包括钻杆200和钻头300，在钻杆200和钻头300之间连接有力反馈变速机构100。

其中，力反馈变速机构100包括竖直设置的壳体1，在壳体1内设有第一隔板11以及能转动地穿设在第一隔板11上的输入轴套2，输入轴套2的上端穿过壳体1并与钻杆200固接，输入轴套2的下端与一摩擦副行星传动无级变速器3连接，摩擦副行星传动无级变速器3的下端穿过壳体1并与钻头300固接。在输入轴套2上且位于第一隔板11上方能轴向弹性滑动并周向固定地套设有环状的吸盘4，在第一隔板11上周向开设有多个销孔111，在吸盘4的底面周向设有多个销钉41，各销钉41能卡设在对应的销孔111内。

在壳体1上周向开设有多个径向孔161，在第一隔板11上围绕吸盘4的外周设有棘轮组件5，棘轮组件5包括能径向移动并能伸出对应的径向孔161的多个棘轮51。在壳体1内还设有控制器6、力矩传感器7和电磁铁8，力矩传感器7固定在输入轴套2上，电磁铁8设在吸盘4的正上方。控制器6与力矩传感器7、电磁铁8和摩擦副行星传动无级变速器3中的电驱动机构38电连接，并能根据力矩传感器7采集的扭矩信息控制电磁铁8和摩擦副行星传动无级变速器3的工作。

可以理解，钻杆200的内部通过输入轴套2的内部以及摩擦副行星传动无级变速器3的内部与钻头300的内部连通，以保证钻井液的正常通过。各棘轮51上具有棘齿，可咬住井壁，防止壳体1沿井壁周向转动，只允许壳体1径向摆动，或者随钻杆200的进深而向下滑动。

上述的输入轴套2的下端具体是与摩擦副行星传动无级变速器3中的摩擦轮传动组件连接，力反馈变速机构100具有无减速位置和无级减速位置：力反馈变速机构100处于无减速位置时，各销钉41卡设在对应的销孔111中，输入轴套2与壳体1之间相对固定，摩擦轮传动组件中的各摩擦轮摩擦接触且摩擦副行星传动无级变速器3的减速比为1，输入轴套2通过摩擦轮传动组件将转速传递给钻头300，使得钻头300的转速与钻杆200相同；力反馈变速机构100处于无级减速位置时，吸盘4向上移动至销钉41与销孔111脱离，多个棘轮51径向伸出对应的径向孔161并咬住井壁，摩擦轮传动组件中的各摩擦轮摩擦接触且摩擦副行星传动无级变速器3的减速比大于1，通过摩擦副行星传动无级变速器3的无级变速功能使得钻头300的转速小于钻杆200的转速。

在初始位置时，力反馈变速机构100处于无减速位置。开始钻井工作时，钻杆200将转速与力矩传递给输入轴套2，输入轴套2带动力矩传感器7一起转动，力矩传感器7可以采集扭矩信息，并将采集的扭矩信息传递给控制器6(也可以称作信息处理装置)。当扭矩处于正常工作范围时，控制器6控制电磁铁8处于待机状态，不吸附吸盘4；此时，吸盘4与第一隔板11嵌在一起，力反馈变速机构100仍处于无减速位置，如图2所示；力反馈变速机构100作为一个整体带动钻头300随钻杆200一起运动，钻头300与钻杆200的转速相同。

当扭矩超过一定范围，即触碰到硬地层或钻头300处于黏滑振动状态时，控制器6控制电磁铁8工作，电磁铁8吸附吸盘4，使得吸盘4与第一隔板11的互嵌状态解除。同时吸盘4将各棘轮51顶出，各棘轮51嵌入周围井壁，此时壳体1的转动停止，动力传递给输入轴套2，控制器6控制摩擦副行星传动无级变速器3开始进行无级减速，力反馈变速机构100处于无级减速位置，如图3所示；控制器6根据力矩传感器7反馈的扭矩大小调节摩擦副行星传动无级变速器3的减速比，减速比越大，钻头端研磨地层的力矩越大。

当钻头300磨穿坚硬地层之后，力矩传感器7的力反馈进入正常状态，控制器6控制摩擦副行星传动无级变速器3停止减速工作，同时控制电磁铁8恢复待机状态，此时吸盘4回落并与第一隔板11嵌在一起，各棘轮51径向缩回不再咬住井壁，进入普通工作状态，即无减速位置。

由此，本实施例中的钻具通过在钻杆200和钻头300之间增加力反馈变速机构100，通过力矩传感器7采集的扭矩信息，可以精准感知当前钻头端的运动状态；当扭矩较大时，可以通过控制摩擦副行星传动无级变速器3达到减小钻头300的转速并增大力矩的目的，且可以根据力反馈给出合适钻进地层的减速比，更有利于抑制钻头300振动，快速钻井。整个钻具对钻杆200的输入力矩和输入速度不做要求，即无需地面控制即可达到自动适应不同地层掘进工况的功能，有利于钻井现场的快速布置，提高效率。

在具体实现方式中，为了便于实现无级减速并简化结构，如图2所示，摩擦副行星传动无级变速器3包括具有内通孔311的行星轮架31，行星轮架31与壳体1枢接并与钻头300固接，输入轴套2的下端能转动地插设在内通孔311中。在行星轮架31上周向间隔设有能径向滑动的多个滑动轮轴32，在每个滑动轮轴32上套设有能上下滑动且转动的行星摩擦轮33。在壳体1内固定有环状的上太阳摩擦轮34，并在上太阳摩擦轮34下方设有能轴向弹性滑动的环状的下太阳摩擦轮35。在输入轴套2的下部外侧固定有下摩擦环37，并在下摩擦环37上方设有能上下滑动的上摩擦环36。各行星摩擦轮33的外侧夹设在上太阳摩擦轮34与下太阳摩擦轮35之间，各行星摩擦轮33的内侧夹设在上摩擦环36和下摩擦环37之间。电驱动机构38固定在输入轴套2上，且电驱动机构38与上摩擦环36连接并能驱动上摩擦环36滑动。

其中，上摩擦环36、下摩擦环37、上太阳摩擦轮34、下太阳摩擦轮35以及各行星摩擦轮33构成上述的摩擦轮传动组件。各行星摩擦轮33的外侧与上太阳摩擦轮34和下太阳摩擦轮35接触，各行星摩擦轮33的内侧与上摩擦环36和下摩擦环37接触，上太阳摩擦轮34、下太阳摩擦轮35、上摩擦环36、下摩擦环37与各行星摩擦轮33形成摩擦副行星轮系。当扭矩较大，吸盘4与第一隔板11脱离互嵌状态时，控制器6控制电驱动机构38驱动上摩擦环36向下移动并压紧行星摩擦轮33，开始进入无级减速位置，通过电驱动机构38可以控制上摩擦环36向下移动的距离，来调节减速比大小，上摩擦环36向下移动距离越大，则减速比越大。

在实际应用中，为了便于各摩擦轮之间的配合，每个行星摩擦轮33的上部外壁为向上渐缩的锥面，其下部外壁为向下渐缩的锥面(也即，各行星摩擦轮33构成顶面和底面向外侧逐渐倾斜的锥面，各行星摩擦轮33呈碟形)，上太阳摩擦轮34的下部内壁、下太阳摩擦轮35的上部内壁、上摩擦环36的下部外壁以及下摩擦环37的上部外壁的形状均与各行星摩擦轮33的锥面相匹配。

为了便于加工和安装，如图2所示，在行星轮架31的上部周向间隔设有多个第一导轨312，各滑动轮轴32的底部能径向滑动地嵌设在第一导轨312上。可以理解，行星轮架31为一光滑圆筒，滑动轮轴32的底部具有凸块，该凸块能滑动地嵌设在第一导轨312的轨道槽内。

进一步地，为了便于电驱动机构38驱动上摩擦环36上下移动，电驱动机构38为电动行星滚柱丝杠机构，电动行星滚柱丝杠机构的主丝杠381为中空结构并间隔套设在输入轴套2的外侧，且主丝杠381的下端与上摩擦环36固接，电动行星滚柱丝杠机构的外壳与输入轴套2固接，在主丝杠381的外壁开设有沿其轴向延伸的长条状防转槽，在外壳上且位于外壳与主丝杠381配合的出口端固设有凸起，凸起能滑动地嵌设在长条状防转槽内，控制器6与电动行星滚柱丝杠机构的电机电连接并能控制主丝杠381上下直线移动。

其中，电驱动机构38应只能驱动上摩擦环36上下移动，不能驱动上摩擦环36相对输入轴套2转动，也即要保证上摩擦环36与输入轴套2相对周向固定，两者转速相同，以便于控制摩擦副行星传动无级变速器3的减速比。

对于电动行星滚柱丝杠机构的结构为现有技术，例如可以采用GSX系列伺服电动缸并对其进行改动，具体是将GSX系列伺服电动缸的主丝杠381设计成中空的结构，然后在GSX系列伺服电动缸的主丝杠381和外壳上分别增加上述的长条状防转槽和凸起，以使得主丝杠381只能直线运动不能转动。对于GSX系列伺服电动缸包括电机、外壳、主丝杠381、多个滚柱丝杠、滚柱保持架和螺母，滚柱保持架套设在主丝杠381外侧，螺母套设固定在滚柱保持架的外侧，多个滚柱丝杠周向均匀安装在滚柱保持架上并均与主丝杠381螺纹配合，外壳罩设在螺母的外侧且主丝杠381的下端伸出外壳，电机设在外壳内且电机与螺母连接并将动力传递给螺母，主丝杠381、多个滚柱丝杠与螺母构成滚柱丝杠副。GSX系列伺服电动缸的具体结构为现有技术，在此不再赘述。

工作时，输入轴套2与上述的外壳、主丝杠381和上摩擦环36一起同步转动，彼此周向相对静止，进而将输入轴套2的转速通过上摩擦环36传递给行星摩擦轮33，根据行星摩擦轮33被径向推出的程度来达到不同的减速比。控制器6控制电机工作时，控制主丝杠381开始向下伸出并压紧行星摩擦轮33，开始进行无级减速，且主丝杠381伸出越长，行星摩擦轮33越被径向向外推出，减速比越大。当钻头300磨穿坚硬地层后，控制器6控制主丝杠381收回，使得行星摩擦轮33复位。电驱动机构38采用电动行星滚柱丝杠机构，对上摩擦环36的移动距离控制更加精准，承载力和集成度更高，占用空间更小。当然，根据需要电驱动机构38也可以采用其他的结构方式，只要能够方便驱动上摩擦环36上下滑动且相对输入轴套2周向相对静止即可，本实施例仅为举例说明。

进一步地，由于控制器6是位置固定的，而力矩传感器7需要随输入轴套2一起转动，两者之间还需要通过导线92(图2中的导线92只示意出了总线部分)电连接，为了避免力矩传感器7转动时损坏失效影响力矩传感器7的使用寿命，如图2所示，在壳体1内且位于力矩传感器7的正下方固定有滑环71，滑环71包括位于外圈的固定部分以及位于内圈的旋转部分，固定部分通过导线92与控制器6连接，旋转部分与力矩传感器7固定并电连接，力矩传感器7能通过滑环71将其采集的扭矩信息传递给控制器6。这里的滑环71就是负责为旋转体连通、输送能源与信号的电气部件，其具体结构为现有技术，在此不再赘述。

进一步地，为了保证各电器件电量充足，在壳体1内还设有蓄电池9和发电机91，蓄电池9与发电机91、控制器6、力矩传感器7和电驱动机构38电连接。

通过发电机91可以给蓄电池9提供电能，利用蓄电池9可以为各部件供电，如此，整个钻具的传感、做功、信息处理以及供电形成内部闭环，不需要依赖地面维护，操作更加简便。

在具体实现过程中，为了便于各部件的安装，如图3所示，在壳体1内且位于第一隔板11上方间隔固定有第二隔板12，在第一隔板11下方呈上下间隔设有第三隔板13和第四隔板14。在壳体1顶面、第一隔板11、第二隔板12、第三隔板13、第四隔板14和壳体1底面分别开设有上通孔151、第一通孔112、第二通孔121、第三通孔131、第四通孔141和下通孔181。输入轴套2的上端由上通孔151穿出，输入轴套2的下端依次穿过第二通孔121、第一通孔112和第三通孔131，行星轮架31的上端由第四通孔141穿出并通过第一推力轴承39和第二推力轴承25分别与第四隔板14和输入轴套2的下端连接，行星轮架31的下端由下通孔181穿出。滑环71固定在第二隔板12的顶面上，电磁铁8固定在第二隔板12的底面上，控制器6和蓄电池9固定在第三隔板13上，发电机91固定在壳体1底面。

其中，发电机91可以呈圆柱状并间隔套设在行星轮架31的外侧(具体结构为现有技术)，下摩擦环37可以与输入轴套2一体成型，输入轴套2的下端***内通孔311中且下摩擦环37通过上述第二推力轴承25与行星轮架31连接。可以理解，为了便于导线92的连接，在第一隔板11、第二隔板12、第三隔板13、第四隔板14以及上太阳摩擦轮34和下太阳摩擦轮35上开设有相应的走线孔。另外，电驱动机构38采用上述的电动滚柱丝杠机构的情况下，在电动滚柱丝杠机构的外壳与第三隔板13之间还连接有第三推力轴承382，通过第三推力轴承382压住电动滚柱丝杠机构。当然，控制器6、发电机91和蓄电池9也可以安装在其他位置，本实施例仅为举例说明。

一般壳体1包括从上至下顺序固定的上端盖15、上端开口的上筒壳16、两端开口的下筒壳17和下端盖18，上通孔151开设在上端盖15上。径向孔161开设在上筒壳16上，第一隔板11和第二隔板12固定在上筒壳16内，上筒壳16的底部构成第三隔板13。第四隔板14固定在下筒壳17内，上太阳摩擦轮34固定在下筒壳17的内壁上，发电机91固定在下端盖18上。另外，在下通孔181与行星轮架31之间以及输入轴套2与第一通孔112和第三通孔131之间均夹设有密封圈，以保护上筒壳16和下筒壳17内的电器件。

优选地，为了在钻头300磨穿坚硬地层之后，各行星摩擦轮33以及吸盘4能及时复位，如图2所示，在下太阳摩擦轮35与第四隔板14之间夹设有第一复位弹簧351，在吸盘4和第二隔板12之间夹设有第二复位弹簧43。

具体是，下太阳摩擦轮35与第一复位弹簧351连接，第一复位弹簧351的下端压在第四隔板14上，在第一复位弹簧351的压紧下，能保证上太阳摩擦轮34和下太阳摩擦轮35始终紧紧压住行星摩擦轮33。第二复位弹簧43的下端压在吸盘4上，上端压在第二隔板12上。当钻头300磨穿坚硬地层后，控制器6控制主丝杠381收回后，在第一复位弹簧351的挤压下，行星摩擦轮33快速复位；控制器6控制电磁铁8恢复待机状态后，在第二复位弹簧43的作用下吸盘4能快速回落，进而进入无减速位置。

另外，下太阳摩擦轮35与壳体1内壁(具体是下筒壳17的内壁)通过花键连接，以保证下太阳摩擦轮35只能轴向上下滑动，不能转动。

进一步地，为了保证吸盘4只能上下移动不能转动，以保证各销钉41落回时仍正对各销孔111，同时便于加工和安装，如图2所示，输入轴套2包括从上至下顺序固定的转接轴套21、上内轴套22、花键轴套23和下内轴套24，转接轴套21与壳体1轴向固定并与钻杆200固接，力矩传感器7与转接轴套21固接，吸盘4套设在花键轴套23上并与花键轴套23通过花键连接。可以理解，电驱动机构38固定在下内轴套24上，上述的下摩擦环37形成在下内轴套24上，工作时钻杆200将转速和力矩传递给转接轴套21，并依次转递给上内轴套22、花键轴套23和下内轴套24，下内轴套24通过电驱动机构38将转速和力矩传递给上摩擦环36。

一般在转接轴套21底面开设有环槽，上内轴套22的上端插设固定在环槽内，力矩传感器7嵌设在环槽内并与转接轴套21和上内轴套22同时固定。为了保证输入轴套2只能相对壳体1转动，不能相对壳体1上下移动，转接轴套21的上端外壁向外凸设有凸缘211，该凸缘211被壳体1顶部压住进行上限位，上述的滑环71可以对转接轴套21进行下限位，进而实现轴向固定。

进一步地，如图4所示，棘轮组件5还包括在第一隔板11上周向间隔设置的多个第二导轨52以及能径向滑动地嵌设在各第二导轨52上的多个滚轮架53，各棘轮51安装在对应的滚轮架53的外侧，各滚轮架53的外侧通过压簧(在图中并未示出)与壳体1连接。吸盘4的外壁与各滚轮架53相接触，在吸盘4向上移动时能向外挤压各滚轮架53，以使各滚轮架53径向向外滑动。

通过压簧能给滚轮架53提供回复力，以保证钻头300磨穿坚硬地层后各棘轮51能及时缩回不再咬住井壁。一般每个第二导轨52包括平行间隔设置的两个直轨，各滚轮架53的底部能滑动地嵌设在对应的两个直轨之间。

实际应用中，为了保证吸盘4向上移动时各滚轮架53能顺利挤出，如图2和图7所示，在吸盘4的外壁形成直径向上渐缩的第一斜面42，各滚轮架53的下部内侧形成与第一斜面42相配合的第二斜面，第一斜面42能顶靠在各第二斜面上。

以上仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (13)

1.一种自适应扭矩的无级变速钻具，包括钻杆和钻头，其特征在于，在所述钻杆和所述钻头之间连接有力反馈变速机构；

所述力反馈变速机构包括竖直设置的壳体，在所述壳体内设有第一隔板以及能转动地穿设在所述第一隔板上的输入轴套，所述输入轴套的上端穿过所述壳体并与所述钻杆固接，所述输入轴套的下端与一摩擦副行星传动无级变速器连接，所述摩擦副行星传动无级变速器的下端穿过所述壳体并与所述钻头固接；在所述输入轴套上且位于所述第一隔板上方能轴向弹性滑动并周向固定地套设有环状的吸盘，在所述第一隔板上周向开设有多个销孔，在所述吸盘的底面周向设有多个销钉，各所述销钉能卡设在对应的所述销孔内；在所述壳体上周向开设有多个径向孔，在所述第一隔板上围绕所述吸盘的外周设有棘轮组件，所述棘轮组件包括能径向移动并能伸出对应的所述径向孔的多个棘轮；

在所述壳体内还设有控制器、力矩传感器和电磁铁，所述力矩传感器固定在所述输入轴套上，所述电磁铁设在所述吸盘的正上方；所述控制器与所述力矩传感器、所述电磁铁和所述摩擦副行星传动无级变速器中的电驱动机构电连接，并能根据所述力矩传感器采集的扭矩信息控制所述电磁铁和所述摩擦副行星传动无级变速器的工作。

2.如权利要求1所述的自适应扭矩的无级变速钻具，其特征在于，

所述摩擦副行星传动无级变速器包括具有内通孔的行星轮架，所述行星轮架与所述壳体枢接并与所述钻头固接，所述输入轴套的下端能转动地插设在所述内通孔中；在所述行星轮架上周向间隔设有能径向滑动的多个滑动轮轴，在每个所述滑动轮轴上套设有能上下滑动且转动的行星摩擦轮；

在所述壳体内固定有环状的上太阳摩擦轮，并在所述上太阳摩擦轮下方设有能轴向弹性滑动的环状的下太阳摩擦轮；在所述输入轴套的下部外侧固定有下摩擦环，并在所述下摩擦环上方设有能上下滑动的上摩擦环；各所述行星摩擦轮的外侧夹设在所述上太阳摩擦轮与所述下太阳摩擦轮之间，各所述行星摩擦轮的内侧夹设在所述上摩擦环和所述下摩擦环之间；所述电驱动机构固定在所述输入轴套上，且所述电驱动机构与所述上摩擦环连接并能驱动所述上摩擦环滑动。

3.如权利要求2所述的自适应扭矩的无级变速钻具，其特征在于，

每个所述行星摩擦轮的上部外壁为向上渐缩的锥面，其下部外壁为向下渐缩的锥面，所述上太阳摩擦轮的下部内壁、所述下太阳摩擦轮的上部内壁、所述上摩擦环的下部外壁以及所述下摩擦环的上部外壁的形状均与各所述行星摩擦轮的锥面相匹配。

4.如权利要求2所述的自适应扭矩的无级变速钻具，其特征在于，

在所述行星轮架的上部周向间隔设有多个第一导轨，各所述滑动轮轴的底部能径向滑动地嵌设在所述第一导轨上。

5.如权利要求2所述的自适应扭矩的无级变速钻具，其特征在于，

所述电驱动机构为电动行星滚柱丝杠机构，所述电动行星滚柱丝杠机构的主丝杠为中空结构并间隔套设在输入轴套的外侧，且所述主丝杠的下端与所述上摩擦环固接，所述电动行星滚柱丝杠机构的外壳与所述输入轴套固接；在所述主丝杠的外壁开设有沿其轴向延伸的长条状防转槽，在所述外壳上且位于所述外壳与所述主丝杠配合的出口端固设有凸起，所述凸起能滑动地嵌设在所述长条状防转槽内，所述控制器与所述电动行星滚柱丝杠机构的电机电连接并能控制所述主丝杠上下直线移动。

6.如权利要求2所述的自适应扭矩的无级变速钻具，其特征在于，

在所述壳体内且位于所述力矩传感器的正下方固定有滑环，所述滑环包括位于外圈的固定部分以及位于内圈的旋转部分，所述固定部分通过导线与所述控制器连接，所述旋转部分与所述力矩传感器固定并电连接，所述力矩传感器能通过所述滑环将其采集的扭矩信息传递给所述控制器。

7.如权利要求6所述的自适应扭矩的无级变速钻具，其特征在于，

在所述壳体内还设有蓄电池和发电机，所述蓄电池与所述发电机、所述控制器、所述力矩传感器和所述电驱动机构电连接。

8.如权利要求7所述的自适应扭矩的无级变速钻具，其特征在于，

在所述壳体内且位于所述第一隔板上方间隔固定有第二隔板，在所述第一隔板下方呈上下间隔设有第三隔板和第四隔板；在所述壳体顶面、所述第一隔板、所述第二隔板、所述第三隔板、所述第四隔板和所述壳体底面分别开设有上通孔、第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔和下通孔；

所述输入轴套的上端由所述上通孔穿出，所述输入轴套的下端依次穿过所述第二通孔、第一通孔和第三通孔，所述行星轮架的上端由所述第四通孔穿出并通过第一推力轴承和第二推力轴承分别与所述第四隔板和所述输入轴套的下端连接，所述行星轮架的下端由所述下通孔穿出；所述滑环固定在所述第二隔板的顶面上，所述电磁铁固定在所述第二隔板的底面上，所述控制器和所述蓄电池固定在所述第三隔板上，所述发电机固定在所述壳体底面。

9.如权利要求8所述的自适应扭矩的无级变速钻具，其特征在于，

在所述下通孔与所述行星轮架之间以及所述输入轴套与所述第一通孔和所述第三通孔之间均夹设有密封圈。

10.如权利要求8所述的自适应扭矩的无级变速钻具，其特征在于，

在所述下太阳摩擦轮与所述第四隔板之间夹设有第一复位弹簧，在所述吸盘和所述第二隔板之间夹设有第二复位弹簧，所述下太阳摩擦轮与所述壳体内壁通过花键连接。

11.如权利要求1所述的自适应扭矩的无级变速钻具，其特征在于，

所述输入轴套包括从上至下顺序固定的转接轴套、上内轴套、花键轴套和下内轴套，所述转接轴套与所述壳体轴向固定并与所述钻杆固接，所述力矩传感器与所述转接轴套固接，所述吸盘套设在所述花键轴套上并与所述花键轴套通过花键连接。

12.如权利要求1所述的自适应扭矩的无级变速钻具，其特征在于，

所述棘轮组件还包括在所述第一隔板上周向间隔设置的多个第二导轨以及能径向滑动地嵌设在各所述第二导轨上的多个滚轮架，各所述棘轮安装在对应的所述滚轮架的外侧，各所述滚轮架的外侧通过压簧与所述壳体连接；所述吸盘的外壁与各所述滚轮架相接触，在所述吸盘向上移动时能向外挤压各所述滚轮架，以使各所述滚轮架径向向外滑动。

13.如权利要求12所述的自适应扭矩的无级变速钻具，其特征在于，

在所述吸盘的外壁形成直径向上渐缩的第一斜面，各所述滚轮架的下部内侧形成与所述第一斜面相配合的第二斜面，所述第一斜面能顶靠在各所述第二斜面上。

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