CN112041532B - 一体式轴承段和方法 - Google Patents

Abstract

一体式轴承段包括部分设置在壳体内的心轴。该轴承段包括设置在心轴的外表面和壳体的内表面之间的球形构件。径向轴承部分由球形构件形成，该球形构件部分地设置在凹槽内并接合平滑轮廓的相对表面。凹槽可以在心轴的外表面、心轴套筒的外表面、壳体的内表面或外部径向轴承的内表面中。平滑轮廓的相对表面可以在外部径向轴承的内表面、壳体的内表面、心轴的外表面或心轴套筒的外表面上。推力轴承部分由部分地设置在两个相对表面中的凹槽内的球形构件形成，所述相对表面例如为：心轴的外表面或心轴套筒的外表面；以及壳体的内表面或外部推力轴承的内表面。

Description

一体式轴承段和方法

背景

在油井和气井的钻井过程中，井下钻井马达可以连接到钻柱(drill string)，以旋转和操纵钻头。常规的钻井马达通常包括顶部接头、动力组件、传动组件和轴承组件。旋转由动力组件来提供。传动组件将扭矩和速度从动力组件传动到设置在钻井马达的下端处的钻头。轴承组件承受钻井期间施加在钻柱和钻头上的轴向和径向载荷。

常规的轴承组件包括穿过上部径向轴承、推力轴承和下部径向轴承而定位的心轴(mandrel)。推力轴承放置在两个径向轴承之间的布置是机械工程领域中公知的轴承段的经典组成。心轴的下端被配置为接合钻头。上部径向轴承和下部径向轴承各自包括具有相对的平滑轮廓的表面(flat profile surfaces)的外部滑动构件和内部滑动构件。当外部滑动构件和内部滑动构件相对于彼此旋转时，相对的平滑轮廓沿着彼此滑动。滑动径向轴承由于摩擦力而磨损，该摩擦力导致接触表面处的磨料磨损。推力轴承包括一系列滚珠轴承，该滚珠轴承设置在由多个外部推力构件和多个内部推力构件形成的凹槽内。推力轴承的滚珠构件的直径随着它们的磨损而减小，这导致外部推力构件和内部推力构件之间的相对轴向运动。

在其他常规的轴承组件中，径向轴承由滚珠轴承或滚子轴承形成，以减少与摩擦相关联的磨料磨损。径向滚珠轴承的内部构件和外部构件各自包括凹槽，并且每个滚珠轴承被设置在内部构件的凹槽和外部构件的凹槽内。当推力轴承的滚珠轴承磨损并且其直径减小时，外部推力构件和内部推力构件之间的相对轴向运动在径向轴承的内部构件和外部构件上施加不均匀的载荷。由于滚珠轴承设置在外部构件和内部构件中的凹槽内的径向轴承布置，因此不允许外部构件和内部构件之间的相对轴向运动。因此，当推力轴承磨损时，这种径向轴承布置就会失效。

附图简述

图1是包括带有凹槽的心轴的一体式轴承段(integrated bearing section)的横截面图。

图2是包括带有凹槽的心轴的一体式轴承段的替代实施例的横截面图。

图3是在心轴的凹槽中具有较大的球形构件情况下的图2的一体式轴承段的横截面图。

图4是包括带有凹槽的心轴套筒的一体式轴承段的替代实施例的横截面图。

图5是包括带有凹槽的心轴套筒的一体式轴承段的另一替代实施例的横截面图。

图6是包括带有凹槽的心轴套筒和外部一体轴承的一体式轴承段的进一步的实施例的横截面图。

图7是包括带有凹槽的分离的心轴套筒的一体式轴承段的替代实施例的横截面图。

图8是包括带有凹槽的心轴和带有凹槽的壳体的一体式轴承段的替代实施例的横截面图。

图9是包括带有凹槽的心轴和带有凹槽的壳体的一体式轴承段的替代实施例的横截面图。

图10是包括带有凹槽的心轴和带有凹槽的壳体的一体式轴承段的替代实施例的横截面图。

图11是包括带有凹槽的壳体的一体式轴承段的替代实施例的横截面图。

优选实施方案的详细描述

一种一体式轴承段包括至少部分地设置在壳体的内孔内的心轴。该轴承段包括设置在心轴的外表面和壳体的内表面之间的多个球形构件。轴承段的至少一个径向轴承部分由一个或更多个球形构件形成，该球形构件部分地设置在心轴的外表面中的凹槽内、在围绕心轴设置的心轴套筒的外表面中的凹槽内、或在壳体的内表面中的凹槽内。径向轴承部分的一个或更多个球形构件直接接合与凹槽相对的平滑轮廓的表面，例如外部径向轴承的内表面上的平滑轮廓的表面、壳体的内表面上的平滑轮廓的表面、心轴的外表面上的平滑轮廓的表面、或者围绕心轴设置的心轴套筒的外表面上的平滑轮廓的表面。轴承段的至少一个推力轴承部分由一个或更多个球形构件形成，该球形构件部分地设置在心轴的外表面中的凹槽内或设置在围绕心轴设置的心轴套筒的外表面中的凹槽内，以及设置在壳体的内表面中的凹槽内或外部推力轴承的内表面中的凹槽内。

在一个实施例中，心轴的外表面包括一系列周向凹槽。多个球形构件中的每一个部分地设置在心轴的外表面中的一个周向凹槽内。一体式轴承段还包括外部径向轴承和外部推力轴承，每个轴承设置成围绕心轴且在壳体的内孔内。外部径向轴承具有平滑轮廓的内表面，而外部推力轴承具有包括周向凹槽的内表面。至少一个球形构件接合外部径向轴承的平滑轮廓的内表面，并且至少一个球形构件接合外部推力轴承的周向凹槽。接合外部径向轴承的内表面的每个球形构件被允许沿着平滑轮廓滚动，从而提供了外部径向轴承和心轴之间的相对轴向运动，而径向轴承不吸收任何推力载荷。

在另一个实施例中，这一系列周向凹槽可以设置在围绕心轴定位的心轴套筒的外表面上。多个球形构件中的每个部分地设置在心轴套筒的外表面中的一个周向凹槽内。心轴套筒可以由单个一体套筒或两个或更多个单独的套筒部分形成。

在另一个实施例中，心轴的外表面包括至少一个周向凹槽和平滑轮廓区段。壳体的内表面包括至少一个周向凹槽。径向轴承部分由一个或更多个球形构件形成，这些球形构件部分地设置在壳体的内表面的周向凹槽内，并接合心轴的外表面的平滑轮廓区段。这些球形构件被允许沿着心轴的平滑轮廓区段滚动，从而提供壳体和心轴之间的相对轴向运动。推力轴承部分由一个或更多个球形构件形成，这些球形构件部分地设置在心轴的外表面的周向凹槽内，并接合外部推力轴承的内表面中的周向凹槽，该外部推力轴承设置成围绕心轴且在壳体的内孔内。

在另一个实施例中，壳体的内表面包括至少一个周向凹槽。径向轴承部分由一个或更多个球形构件形成，这些球形构件部分地设置在壳体的内表面中的周向凹槽内，并接合心轴套筒(该心轴套筒围绕心轴设置)的平滑轮廓的外表面。这些球形构件被允许在壳体和心轴套筒之间滚动，从而提供壳体和心轴之间的相对轴向运动。

每个实施例中的外部推力轴承可由形成连续轴承构件的两个半圆柱形构件(或“半壳(half shell)”)形成或由一系列环形成。在另一个实施例中，外部径向轴承和外部推力轴承可以由形成外部一体轴承的两个半圆柱形构件(或“半壳”)一体地形成。一体式轴承段可以包括多于一个的径向轴承部分和/或多于一个的推力轴承部分，每个部分都包括已描述特征的任意组合。

参照图1，泥浆润滑式钻井马达的一体式轴承段10可以包括心轴12和壳体14。心轴12可以部分地设置在壳体14的壳体内孔16内。心轴12可由大致圆柱形的构件形成，该构件包括直径扩大的下端18，该下端18构造成接合钻头并向钻头传递扭矩。心轴12的上端20可以构造成接合钻井马达的传动组件并从传动组件接收扭矩。心轴的外表面包括一系列周向凹槽。例如，心轴12包括沿着外表面24的长度的周向凹槽22。每个周向凹槽22可以围绕心轴12的圆周延伸，并且具有如图1所示的大致半圆形的轮廓。

一体式轴承段10可包括多个球形构件26(或滚珠轴承)，每个球形构件部分地设置在一个周向凹槽22内。每个球形构件26的半径可以不大于球形构件26所设置在其内的周向凹槽22的半径。例如，每个球形构件26的半径可以近似等于或略小于相应周向凹槽22的轴向横截面的半径。每个球形构件26可以由钢、陶瓷或任何其他硬质金属形成。

一体式轴承段10可进一步包括围绕心轴12设置并位于壳体内孔16内的一个或更多个外部径向轴承和一个或更多个外部推力轴承。例如，外部径向轴承28、30和外部推力轴承32可以各自设置在心轴12周围和壳体内孔16内。在该实施例中，外部推力轴承32设置在外部径向轴承28和外部径向轴承30之间，但是一体式轴承段可以包括任意数量、组合和构造的外部径向轴承和外部推力轴承。

外部径向轴承28和30可以分别由具有平滑轮廓的内表面34和36的圆柱形套筒形成。外部径向轴承28、30的平滑轮廓的内表面34、36中的每个分别接合至少一个球形构件26。这样，球形构件26分别位于心轴12与外部径向轴承28和30之间的空间中。任何数量的球形构件26可以设置在心轴12和外部径向轴承28、30之间(例如，各自两个到一百个)。随着心轴12相对于外部径向轴承28、30旋转，这些球形构件26中的每一个可以在心轴12的周向凹槽22内旋转，并且可以在平滑轮廓的内表面34、36上沿轴向方向自由行进。这样，一体式轴承段10允许心轴12和外部径向轴承28、30之间的相对轴向运动，而外部径向轴承28、30不吸收任何推力载荷。外部径向轴承28的内表面34可以包括肩部37，以限制外部径向轴承28和心轴12之间的相对轴向运动的范围。外部径向轴承28和30的内表面34和36可以由硬化金属层(例如，通过热处理表面硬化的金属层)或耐磨表面层(由金属或陶瓷组成的耐磨表面层)形成。

外部推力轴承32的内表面38包括至少一个周向凹槽40。每个周向凹槽40可以围绕内表面38的圆周延伸，并且具有如图1所示的大致半圆形的轮廓。外部推力轴承32中的周向凹槽40中的每个接合至少一个球形构件26。这样，至少一个球形构件26部分地设置在心轴12中的一个周向凹槽22中且部分地设置在外部推力轴承32的一个周向凹槽40中。外部推力轴承32通过球形构件26和周向凹槽22和40吸收作用在心轴12或壳体14上的推力载荷。在图1所示的实施例中，外部推力轴承32由两个半圆柱形构件(或“半壳”)形成，以允许组装一体式轴承段10。

仍然参考图1，一体式轴承段10可以进一步包括设置在心轴12周围和壳体14下方的螺母构件42。螺母构件42可以由具有带螺纹的上端的大致圆柱形的构件形成。特别地，螺母构件42的上端44可以螺纹固定到壳体14的下端46。螺母构件42和壳体14可以一起形成壳体组件。螺母构件42可包括平滑轮廓的内表面48，该平滑轮廓的内表面48可由至少一个球形构件26接合。这样，螺母构件42在一体式轴承段10内起到径向轴承的作用。保持环50可以设置在心轴12周围和壳体内孔16内，并且可以邻接螺母构件42的上端44，以将心轴12保持在壳体14的内孔16内。外部径向轴承30可以邻接保持环50，使得保持环50将外部径向轴承30、外部推力轴承32和外部径向轴承28支撑并保持在壳体内孔16内。

一体式轴承段10可以通过首先将螺母构件42滑过心轴12的上端20并沿着心轴12的长度滑动来组装。球形构件26可以定位在心轴12的最下面的周向凹槽22内，然后螺母构件42滑过这些周向的凹槽22。这样，球形构件26被固定在最下面的周向凹槽22内。保持环50然后可以围绕心轴12定位。球形构件26可以在将外部径向轴承30和28从心轴12的上端20滑过心轴12之前被定位在心轴12的周向凹槽22内，从而将球形构件26固定在周向凹槽22中和外部径向轴承30和28内。球形构件26可以在外部推力轴承32的两个半圆柱形构件围绕心轴12定位在周向凹槽22上之前定位在周向凹槽22内。在所有这些部件就位后，用户可以将壳体14滑过心轴12的上端20、外部径向轴承28、外部推力轴承32和外部径向轴承30，直到壳体14的下端46到达螺母构件42的上端44。壳体14的下端46然后螺纹固定到螺母构件42的上端44，以将所有部件固定到心轴12。

在操作过程中，心轴12相对于外部径向轴承28、30和外部推力轴承32旋转。当球形构件在心轴12的周向凹槽22内旋转时，球形构件26可能会由于穿过轴承段的钻井泥浆中存在添加剂和钻屑以及球形构件26和外部推力轴承32之间的正常磨损而磨损。球形构件26上的磨损可减小每个球形构件26的直径。另外，心轴12的周向凹槽22的表面和/或外部推力轴承32的周向凹槽40的表面也可能磨损，从而导致这些周向凹槽的尺寸增加。两种类型的磨损都导致心轴12的周向凹槽22变得与外部推力轴承32的周向凹槽40不对齐，造成心轴12和外部推力轴承32以及外部径向轴承28、30之间的相对轴向运动。作为响应，球形构件26可以在外部径向轴承28和30的平滑轮廓的内表面34和36上自由移动，以允许心轴12和外部径向轴承28、30之间的相对轴向运动，而接合外部径向轴承28和30的平滑轮廓的内表面34和36的球形构件26不吸收任何轴向载荷。这种布置使得一体式轴承段10比常规滚珠轴承段更耐磨，因为它减少了接合外部径向轴承28、30的球形构件26出故障的频率。

图2示出了一体式轴承段60，是本公开的一体式轴承段的替代实施例。除非另有说明，一体式轴承段60包括以与上面关于一体式轴承段10描述的相同的方式包括相同的特征和功能，相同的附图标记表示上面描述的相同的结构和功能。一体式轴承段60包括外部推力轴承62，外部推力轴承62包括一系列环64。环64的内表面66可以各自包括一个或更多个部分凹槽68，当环64被叠放好时，部分凹槽68与相邻环64的部分凹槽68配合以形成周向凹槽70。这样，外部推力轴承62的内表面包括至少一个周向凹槽70，其中在每个周向凹槽70内部分地设置至少一个球形构件26。每个周向凹槽70可以具有大致半圆形的轮廓。每个周向凹槽70的轴向横截面的半径可以近似等于或稍大于设置在周向凹槽70中的每个球形构件26的半径。外部推力轴承62的周向凹槽70的数量可以比外部推力轴承62中的环64的数量少一个。一系列环64一起形成外部推力轴承62，该外部推力轴承62通过球形构件26和周向凹槽22和70吸收作用在心轴12和壳体14上的推力载荷。

除了外部推力轴承部件的组装之外，一体式轴承段60可以以与上面关于一体式轴承段10描述的相同的方式组装。对于一体式轴承段60而言，螺母构件42和外部径向轴承30可以首先放置在球形构件26和心轴12上。然后，用户可以将外部推力轴承62的第一环64滑动到心轴12上，并且在将下一个环64滑动到心轴12上以邻接第一环64之前，将球形构件26定位在心轴12的周向凹槽22和第一环64的部分凹槽68内。心轴12的外表面可包括邻近每个周向凹槽22的渐缩的或变细的轮廓，以帮助将每个球形构件26定位在周向凹槽22内。外部推力轴承62的每个环64都重复这个过程。这样，球形构件26被固定在外部推力轴承62的周向凹槽70内。接下来，球形构件26被定位在心轴12的上面的周向凹槽22内，然后将外部径向轴承28滑动到心轴12的这一区段上。最后，用户可以将壳体14滑过心轴12的上端20、外部径向轴承28、外部推力轴承62和外部径向轴承30，直到壳体14的下端46到达螺母构件42的上端44。壳体14的下端46然后螺纹固定到螺母构件42的上端44，以将所有部件固定到心轴12。

如图2所示，心轴12的下端18可以包括第一指示带72，以指示使用第一尺寸的球形构件26。第一指示带72可以由心轴12的下端18中的凹部形成。随着心轴12相对于外部径向轴承28、30和外部推力轴承62旋转，心轴12的周向凹槽22的表面和/或外部推力轴承62的周向凹槽70的表面可能会随着球形构件26上的磨损而磨损。如上文关于一体式轴承段10所描述的，两种类型的磨损都会导致心轴12和外部径向轴承28、30以及外部推力轴承62之间的相对轴向运动。一旦相对轴向运动达到阈值水平，一体式轴承段60可从使用中拆卸下来，以进行维护。维护可包括按照所描述的组装步骤以相反的顺序拆卸一体式轴承段60。

参照图3，心轴12中的每个周向凹槽22可以被加工成第二半径尺寸，以容纳较大的球形构件74。周向凹槽22的轴向横截面的第二半径尺寸可以近似等于或略大于每个较大球形构件74的半径。此外，外部推力轴承62的环64的部分凹槽68中的每个可以被加工成第二半径尺寸，该第二半径尺寸近似等于或稍大于每个较大球形构件74的半径。第二指示带76可以被添加到心轴12的下端18，以指示更大的周向凹槽22的存在和更大的球形构件74的使用。第二指示带76可以由心轴12的下端18中的凹部形成。然后，一体式轴承段60可以使用上面关于图2描述的过程与较大的球形构件74组装在一起。这种调整周向凹槽的尺寸并使用较大球形构件的过程可以应用于本文公开的一体式轴承段的任何实施例。以这种方式，可以展开对一体式轴承段的使用，以降低与更换轴承段设备相关的成本。

图1-图3所示的一体式轴承段10和60各自包括心轴12的周向凹槽。因为这些实施例中的一体式轴承段不需要内部径向轴承构件或内部推力轴承构件，所以心轴可以具有比常规轴承段更大的厚度，从而提供更强的心轴，该心轴能够将更多的扭矩传递到被固定在心轴下端的钻头。

参照图4，一体式轴承段80是本公开的一体式轴承段的另一替代实施例。除非另有说明，一体式轴承段80以与上面关于一体式轴承段10和60所描述的相同的方式包括相同的特征和功能，相同的附图标记表示上面描述的相同结构和功能。图4中的一体式轴承段80包括心轴84和心轴套筒86。除了心轴84包括设置在壳体内孔16内的受限直径区段88之外，心轴84可以具有与图1-图3中的心轴12相同的形状和特征。心轴套筒86围绕心轴84的受限直径区段88设置，并且位于壳体内孔16、外部径向轴承28、30和外部推力轴承62内。心轴套筒86的外表面90包括一系列围绕心轴套筒86的圆周延伸的周向凹槽92，并且具有如图所示的大致半圆形的轮廓。这样，心轴套筒86的外表面包括一系列周向凹槽92。每个球形构件26设置在心轴套筒86的一个周向凹槽92内。心轴套筒86和心轴84一起相对于外部径向轴承28、30和外部推力轴承62旋转。外部推力轴承62通过心轴套筒86、球形构件26和周向凹槽70吸收作用在心轴84上的推力载荷。一体式轴承段80中的心轴套筒86由两个半圆柱形构件(或“半壳”)形成，每个构件延伸心轴84的受限直径区段88的整个长度。一体式轴承段80中的心轴套筒86可以通过夹紧、螺栓连接或焊接的方式固定到心轴84，以防止心轴套筒86和心轴84之间的相对旋转运动。

对一体式轴承段80的组装可首先涉及对心轴84和心轴套筒86的组装。具体地，心轴套筒86的两个半圆柱形构件围绕心轴84的受限直径区段88定位。此后，一体式轴承段80可以以与上面关于一体式轴承段60描述的相同的方式组装，将球形构件26定位在心轴套筒86的周向凹槽92内。

图5示出了一体式轴承段100，本公开的一体式轴承段的替代实施例。除非另有说明，一体式轴承段100以与上面关于一体式轴承段10、60和80描述的相同的方式包括相同的特征和功能，相同的附图标记表示上面描述的相同的结构和功能。一体式轴承段100包括具有受限直径区段106的心轴104和围绕心轴104的该受限直径区段106设置的心轴套筒108。心轴104可由大致圆柱形的构件形成，包括直径扩大的下端110，该下端110构造成接合钻头并向钻头传递扭矩。心轴104的上端112可以被构造成接合钻井马达的传动组件并从其接收扭矩。在该实施例中，心轴套筒108可以由单个圆柱形套筒形成，该套筒滑过心轴104的上端112进行组装。心轴套筒108及心轴104的一部分设置在壳体116的壳体内孔114内。壳体116包括下肩部117，该下肩部117被构造用于使各个部件保持在壳体内孔114内。

心轴套筒108的外表面118可以包括一系列周向凹槽120，周向凹槽120围绕心轴套筒108的圆周延伸并且具有如图所示的大致半圆形的轮廓。每个球形构件26设置在心轴套筒108的一个周向凹槽120内。心轴套筒108中的每个周向凹槽120可具有半径大致等于或略大于球形构件26的半径的轴向横截面。

仍然参考图5，一体式轴承段100还包括外部径向轴承28、外部推力轴承32和外部径向轴承122，每个轴承都围绕心轴套筒108设置并位于壳体内孔114内。外部径向轴承122可以由圆柱形套筒形成，该套筒具有平滑轮廓的内表面124和在该套筒的下端处的肩部126。至少一个球形构件26分别接合外部径向轴承28和122的平滑轮廓的内表面34和124。这样，球形构件26位于心轴套筒108和外部径向轴承28和122之间的空间中。随着心轴套筒108和心轴104一起相对于外部径向轴承28和122旋转，这些球形构件26中的每一个可以在心轴套筒108的周向凹槽120内旋转，并且可以在外部径向轴承28和122的平滑轮廓的内表面34和124上沿轴向自由行进。这样，一体式轴承段100允许心轴104和外部径向轴承28和122之间的相对轴向运动，而外部径向轴承28和122不吸收任何推力载荷。肩部37和126分别限制了外部径向轴承28和122与心轴104和心轴套筒108之间的相对轴向运动的范围。

一体式轴承段100还可以包括螺母构件128，该螺母构件128被构造成螺纹附接到心轴104的上端112。螺母构件128可以邻接心轴套筒108的上端，以将心轴套筒108围绕心轴104固定在适当位置。适配器130可以螺纹固定到壳体116的上端。适配器130的下端可以邻接外部径向轴承28。因此，外部径向轴承28、外部推力轴承32和外部径向轴承122可以围绕心轴套筒108固定，并且固定在壳体116的下肩部117和适配器130之间的壳体内孔114内。外部推力轴承32通过螺母构件128、心轴套筒108、球形构件26和周向凹槽40吸收作用在心轴104上的推力载荷。

对一体式轴承段100的组装可首先涉及对包括心轴套筒108和外部径向轴承28、122以及外部推力轴承32的筒单元的组装。筒单元可以通过将球形构件26定位在心轴套筒108的下端和上端附近的周向凹槽120中并将外部径向轴承122和28分别滑动到心轴套筒108的下端和上端上以将球形构件26固定在这些周向凹槽120中而被组装。然后，球形构件26可以定位在心轴套筒108的中部区段中的周向凹槽120中，并且外部推力轴承32的两个部分(或“半壳”)可以围绕心轴套筒108固定，以将球形构件26固定在这些周向凹槽120中。筒单元可以以其组装状态储存。用户可以将筒单元(包括心轴套筒108、外部径向轴承28、122、外部推力轴承32和球形构件26)滑动到壳体14的壳体内孔114中并围绕心轴104。螺母构件128然后可以螺纹固定到心轴104的上端112，以将心轴套筒108围绕心轴104固定。最后，适配器130可以螺纹固定到壳体116的上端。这样，外部径向轴承28、122和外部推力轴承32被固定在下肩部117和适配器130之间的壳体内孔114内。

图6示出了一体式轴承段140，本公开的一体式轴承段的替代实施例。除非另有说明，一体式轴承段140以与上面关于一体式轴承段100描述的相同的方式包括相同的特征和功能，相同的附图标记表示上述相同的结构和功能。一体式轴承段140包括设置在心轴套筒108周围和壳体内孔114内的外部一体轴承142。外部一体轴承142包括外部径向轴承区段144和146以及外部推力轴承区段148。外部径向轴承区段144、146分别包括平滑轮廓的内表面150、152和肩部154、156。外部推力轴承区段148包括具有至少一个周向凹槽159的内表面158。周向凹槽159可以各自围绕内表面158的圆周延伸，并且可以具有大致半圆形的形状，其轴向横截面的半径大约等于或略大于球形构件26的半径。这样，一体式轴承段140的外部径向轴承和外部推力轴承一体形成。外部一体轴承142可以由两个半圆柱形构件(或“半壳”)形成。

至少一个球形构件26接合外部径向轴承区段144、146的平滑轮廓的内表面150、152和外部推力轴承区段148中的周向凹槽159中的每一个。这样，球形构件26定位在心轴套筒108和外部一体轴承142之间的空间中。随着心轴104和心轴套筒108一起相对于外部一体轴承142旋转，接合平滑轮廓的内表面150、152的每个球形构件26可以在心轴套筒108的周向凹槽120内旋转，并且可以在平滑轮廓的内表面150、152上沿轴向方向自由行进。这样，一体式轴承段140允许心轴104和外部一体轴承142之间的相对轴向运动(当周向凹槽的表面和球形构件磨损时)。外部一体轴承142的外部推力轴承区段148通过心轴套筒108、球形构件26和周向凹槽159吸收作用在心轴104上的推力载荷。

对一体式轴承段140的组装可首先涉及对包括心轴套筒108、外部一体轴承142和球形构件26的筒单元的组装。筒单元可以通过将球形构件26定位在心轴套筒108中的每个周向凹槽120内，并将外部一体轴承142的两个部分(或“半壳”)围绕心轴套筒108固定，以将球形构件26固定在心轴套筒108的周向凹槽120中，使至少一个球形构件26位于周向凹槽159中而被组装。筒单元可以以其组装状态储存。筒单元可以以与上面结合一体式轴承段100描述的相同的方式插入壳体116的壳体内孔114中并围绕心轴104。这种组装可以通过首先将筒单元插入或滑动到壳体116的壳体内孔114中，然后将心轴104插入或滑动穿过筒单元的心轴套筒108的中心部分来实现。可选地，这种组装可以通过首先将筒单元插入或滑动到心轴104上，然后将壳体116滑动到筒单元上以将筒单元定位在壳体内孔114内来实现。

一体式轴承段100和一体式轴承段140的筒单元可以通过减少对轴承段进行修理或维护所需的时间来降低成本。筒单元可以作为组装的单元来构建、组装和储存，以快速替换一体式轴承段中的现有筒单元。这样，筒单元为轴承段提供了替换零件。

图7示出了一体式轴承段160，本公开的一体式轴承段的替代实施例。除非另有说明，一体式轴承段160以与上面关于一体式轴承段100描述的相同的方式包括相同的特征和功能，相同的附图标记表示上述相同的结构和功能。一体式轴承段160包括心轴104和心轴套筒162。每个心轴套筒162可以由滑过心轴104的上端112以围绕心轴104的受限直径区段106定位的圆柱形套筒形成。每个心轴套筒162的外表面164可以包括一系列周向凹槽166，周向凹槽166围绕相应的心轴套筒162的圆周延伸并且具有如图所示的大致半圆形的轮廓。每个球形构件26设置在一个心轴套筒162的一个周向凹槽166内。心轴套筒162中的每个周向凹槽166可以包括半径近似等于或略大于球形构件26的半径的轴向横截面。

心轴套筒162及心轴104的一部分设置在壳体170的壳体内孔168内。壳体170包括壳体下部部分172，壳体下部部分172具有从肩部176延伸至壳体170的下端178的平滑轮廓的内表面174。外部径向轴承28和外部推力轴承32围绕心轴套筒162设置，并位于肩部176上方的壳体内孔168内。肩部176邻接外部推力轴承32，以将外部推力轴承32和外部径向轴承28保持在壳体内孔168内。一体式轴承段160的上部径向轴承部分由部分地设置在心轴套筒162的周向凹槽166内并且接合外部径向轴承28的平滑轮廓的内表面的一个或更多个球形构件26形成。一体式轴承段160的下部径向轴承部分由部分地设置在另一个心轴套筒162的周向凹槽166内并接合壳体下部部分172的平滑轮廓的内表面174的一个或更多个球形构件26形成。随着心轴套筒162和心轴104相对于外部径向轴承28和壳体下部部分172一起旋转，这些球形构件26中的每一个可以在相应的心轴套筒162的周向凹槽166内旋转，并且可以沿着外部径向轴承28的平滑轮廓的内表面和壳体下部部分172的平滑轮廓的内表面174在轴向方向上自由行进。这样，一体式轴承段160允许心轴104和外部径向轴承28之间以及心轴104和壳体170之间的相对轴向运动，而外部径向轴承28或壳体170不吸收任何推力载荷。

对一体式轴承段160的组装可以首先涉及对两个筒单元的组装。一个筒单元可以通过将球形构件26定位在心轴套筒162的周向凹槽166中并将外部径向轴承28滑动到心轴套筒162的上端以将球形构件26固定在这些周向凹槽166中来组装。第二筒单元可以通过将球形构件26定位在另一个心轴套筒162的周向凹槽166中，并将外部推力轴承32的两个部分(或“半壳”)围绕心轴套筒162固定以将球形构件26固定在这些周向凹槽166中而被组装。两个筒单元可以在组装状态下储存。用户可以将第三心轴套筒162滑过心轴104的上端112，并将球形构件26定位在该心轴套筒162的周向凹槽166中。用户可以将第二筒单元和第一筒单元滑入壳体内孔168，然后将带有第二筒和第一筒的壳体170滑过心轴的上端112，将心轴104滑入壳体内孔168中，以将球形构件26固定在这些周向凹槽166中和固定在壳体下部部分172内。螺母构件128然后可以螺纹固定到心轴104的上端112，以将所有心轴套筒162围绕心轴104固定。最后，适配器130可以螺纹固定到壳体170的上端。这样，外部径向轴承28和外部推力轴承32被固定在肩部176和适配器130之间的壳体内孔168内。

参照图8，一体式轴承段180是本公开的一体式轴承段的替代实施例。除非另有说明，一体式轴承段180包括以与上面关于一体式轴承段10、60和80描述的相同的方式包括相同的特征和功能，相同的附图标记表示上面描述的相同的结构和功能。一体式轴承段180包括心轴182和壳体184。壳体184包括可以被螺纹连接的上壳体186和下壳体188。下壳体188可以以类似于图1中的螺母构件42的方式起作用。壳体内孔190可以穿过上壳体186和下壳体188。上壳体186在第一区段在其内表面上可以包括周向凹槽192。上壳体186的第二区段可以包括平滑轮廓的内表面。下壳体188也可以在其内表面上包括周向凹槽194。

心轴182可以穿过上壳体186和下壳体188部分地设置在壳体内孔190内。心轴182可由大致圆柱形的构件形成，该构件包括直径扩大的下端196，该下端196被构造用于接合钻头并向钻头传递扭矩。心轴182的上端可被构造用于接合钻井马达的传动组件并从其接收扭矩。心轴182的第一区段198包括平滑轮廓的外表面200。心轴182的第二区段202在其外表面中包括一系列周向凹槽204。每个周向凹槽204可以围绕心轴182的圆周延伸，并且具有如图所示的大致半圆形的轮廓。心轴182的第三区段206包括平滑轮廓的外表面208。

一体式轴承段180还可以包括外部推力轴承62，该外部推力轴承62包括一系列环64和设置在心轴182和壳体184之间的环形空间中的多个球形构件210。外部推力轴承62围绕心轴182的第二区段202设置在壳体内孔190内。环212可以设置在外部推力轴承62的上端和上壳体186的肩部214之间。一个或更多个球形构件210可以各自部分地设置在上壳体186的一个周向凹槽192内，并接合心轴182的第一区段198的平滑轮廓的外表面200。一个或更多个球形构件210可以各自部分地设置在下壳体188的一个周向凹槽194内，并接合心轴182的第三区段206的平滑轮廓的外表面208。随着心轴182相对于壳体184旋转，这些球形构件210中的每一个可以在上壳体186和下壳体188的周向凹槽192和194内旋转，并且可以分别在平滑轮廓的外表面200和208上沿轴向方向自由行进。这样，一体式轴承段180允许心轴182和壳体184之间的相对轴向运动，而壳体184不吸收任何推力载荷。一个或更多个球形构件210可以各自部分地设置在外部推力轴承62的一个周向凹槽70内，并且部分地设置在心轴182的第二区段202的一个周向凹槽204内。外部推力轴承62通过球形构件210和周向凹槽204和70吸收作用在心轴182或壳体184上的推力载荷。

一体式轴承段180可以通过将球形构件210定位在周向凹槽194内，同时将下壳体188滑过心轴182的上端并沿着心轴182的长度滑动，以将下壳体188定位在心轴182的第三区段206上而被组装。这样，球形构件210被固定在周向凹槽194内。球形构件210然后可定位在心轴182的第二区段202中的每个周向凹槽204内，紧接着的是外部推力轴承62的紧接在后的环64。接下来，球形构件210可以定位在上壳体186内的周向凹槽192内。上壳体186滑过心轴182的上端，以将上壳体186围绕外部推力轴承62定位，并将上壳体186内的球形构件210定位在心轴182的第一区段198上。上壳体186的下端螺纹固定到下壳体188的上端，以将所有部件固定到心轴182。在操作过程中，心轴182相对于外部推力轴承62以及上壳体186和下壳体188旋转。

参考图9，一体式轴承段220是本公开的一体式轴承段的替代实施例。除非另有说明，一体式轴承段220以与上面关于一体式轴承段180描述的相同的方式包括相同的特征和功能，相同的附图标记表示上述相同的结构和功能。一体式轴承段220包括设置在心轴182的第二区段202周围并且设置在上壳体186的壳体内孔190内的外部推力轴承32。外部推力轴承32由两个半圆柱形构件(或“半壳”)形成，在每个构件的内表面中具有周向凹槽40(如上文关于图1所述的)。球形构件210部分设置在心轴182的周向凹槽204中，并且部分设置在外部推力轴承32的周向凹槽40中。

图10示出了一体式轴承段230，其是本公开的一体式轴承段的另一替代实施例。除非另有说明，一体式轴承段230以与上面关于一体式轴承段220描述的相同的方式包括相同的特征和功能，相同的附图标记表示上述相同的结构和功能。一体式轴承段230不包括环212。相反，外部推力轴承32的上端直接接合上壳体186的肩部214。

参照图11，一体式轴承段240是本公开的一体式轴承段的替代实施例。除非另有说明，一体式轴承段240以与上面关于一体式轴承段160描述的相同的方式包括相同的特征和功能，相同的附图标记表示上述相同的结构和功能。一体式轴承段240包括心轴242和心轴套筒244和246。心轴242可由大致圆柱形的构件形成，该构件包括直径扩大的下端247，该下端247被构造用于接合钻头并向钻头传递扭矩。每个心轴套筒244和246可以由滑过心轴242的上端248以围绕心轴242的受限直径区段250定位的圆柱形套筒形成。心轴套筒244每个都包括平滑轮廓的外表面252。心轴套筒246的外表面254可以包括围绕心轴套筒246的圆周延伸并且具有如图所示的大致半圆形轮廓的周向凹槽256。球形构件258可以各自部分地设置在一个周向凹槽256内。外部径向轴承260和外部推力轴承32可以分别围绕心轴套筒244和心轴套筒246设置。外部径向轴承260可以由圆柱形套筒形成，该圆柱形套筒具有围绕内表面264的圆周延伸的周向凹槽262。球形构件258可以部分地设置在外部径向轴承260中的周向凹槽262内，并且可以接合心轴套筒244的平滑轮廓的外表面252。随着心轴242和心轴套筒244相对于外部径向轴承260一起旋转，这些球形构件258中的每一个可以在外部径向轴承260的周向凹槽262内旋转，并且可以沿着心轴套筒244的平滑轮廓的外表面252在轴向方向上自由行进。这样，一体式轴承段240允许心轴242和外部径向轴承260之间的相对轴向运动。球形构件258部分设置在外部推力轴承32的周向凹槽40内，且部分设置在心轴套筒246的周向凹槽256内。

一体式轴承段240还包括带有壳体内孔267的壳体266。心轴242的一部分、心轴套筒244、246、外部径向轴承260和外部推力轴承32设置在壳体内孔267内。壳体266包括下部区段268，下部区段具有带有周向凹槽272的内表面270。该下部区段268围绕一个心轴套筒244设置。球形构件258部分地设置在壳体266的周向凹槽272内，并接合心轴套筒244的平滑轮廓的外表面252。随着心轴242和心轴套筒244相对于壳体266一起旋转，这些球形构件258中的每一个可以在壳体266的周向凹槽272内旋转，并且可以沿着心轴套筒244的平滑轮廓的外表面252在轴向方向上自由行进。这样，一体式轴承段240允许心轴242和壳体266之间的相对轴向运动。壳体266可以在下部区段268上方包括肩部274。肩部274可以将外部推力轴承32和外部径向轴承260保持在壳体内孔267内。例如，外部推力轴承32的下端可接合肩部274，外部径向轴承260的下端可接合外部推力轴承32的上端。

对一体式轴承段240的组装可首先涉及对两个筒单元的组装。一个筒单元可以通过将球形构件258定位在外部径向轴承260的周向凹槽262中，并使心轴套筒244滑动穿过外部径向轴承260的中心开口，以将球形构件258固定在外部径向轴承260的周向凹槽262中而被组装。第二筒单元可以通过将球形构件258定位在心轴套筒246的周向凹槽256中，并将外部推力轴承32的两个部分(或“半壳”)围绕心轴套筒246定位，以将球形构件258固定在心轴套筒246的周向凹槽256中和外部推力轴承32的周向凹槽40中而被组装。两个筒单元都可以在组装状态下储存。用户可以将另一个心轴套筒244滑过心轴242的上端248，将球形构件258定位在壳体266的下部区段268中的周向凹槽272内，并且将壳体266滑动到心轴242和心轴套筒244上，以将球形构件258固定在壳体266的下部区段268和心轴套筒244之间。然后，用户可以将第二筒单元和第一筒单元滑过心轴242的上端242，并进入壳体内孔267。螺母构件128然后可以螺纹固定到心轴242的上端248，以将心轴套筒244和246固定在心轴242的受限直径区段250周围。最后，适配器130可以螺纹固定到壳体266的上端。这样，外部径向轴承260和外部推力轴承32被固定在肩部274和适配器130之间的壳体内孔267内。

在某些常规的轴承段中，较小的滚珠轴承用于径向轴承，并且较大的滚珠轴承用于单个轴承段的推力轴承内。在组装这些常规轴承段的过程中，操作者或用户有时会混淆用于每个段的滚珠轴承。在本文公开的一体式轴承段的每个实施例中，具有相同尺寸或半径的球形构件可用于径向轴承部分和推力轴承部分内。这种设计减少了组装错误。

本公开中描述的每个组件可以包括每个单独的组件实施例的所描述的部件、特征和/或功能的任何组合。本公开中描述的每个方法可以包括以任何顺序的对所描述的步骤的任何组合，包括没有某些描述的步骤，和对单独的实施例中使用的步骤的组合。本文中公开的任何数值范围包括其中的任何子范围。复数意味着两个或更多个。

虽然已经描述了优选的实施例，但是应当理解的是，这些实施例仅仅是说明性的，并且本发明的范围将仅由所附的权利要求(当符合本领域技术人员根据对本发明的查阅自然地想到的各种等同物、许多变化和修改的全部范围时)限定。

本申请还涉及以下方面：

1).一种用于泥浆润滑式钻井马达的一体式轴承段，包括：

壳体，所述壳体具有壳体内孔；

心轴，所述心轴至少部分地设置在所述壳体内孔内，所述心轴包括具有一系列周向凹槽的外表面；

多个球形构件，其中所述球形构件中的每个球形构件部分地设置在所述心轴的所述周向凹槽中的一个周向凹槽内；

外部径向轴承，所述外部径向轴承设置成围绕所述心轴且在所述壳体内孔内，所述外部径向轴承包括平滑轮廓的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述外部径向轴承的平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴和所述外部径向轴承之间的相对轴向运动；和

外部推力轴承，所述外部推力轴承设置成围绕所述心轴且在所述壳体内孔内，所述外部推力轴承包括具有周向凹槽的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述外部推力轴承的周向凹槽。

2).根据1)所述的一体式轴承段，其中所述外部径向轴承的所述内表面包括肩部，所述肩部被配置为限制所述外部径向轴承和所述心轴之间的相对轴向运动。

3).根据1)所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由两个半圆柱形构件形成。

4).根据1)所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由一系列环形成。

5).根据1)所述的一体式轴承段，还包括第二外部径向轴承，所述第二外部径向轴承设置成围绕所述心轴且在所述壳体内孔内，所述第二外部径向轴承包括平滑轮廓的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述第二外部径向轴承的平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴和所述第二外部径向轴承之间的相对轴向运动，并且其中所述外部推力轴承被设置在所述外部径向轴承和所述第二外部径向轴承之间。

6).根据5)所述的一体式轴承段，还包括螺母构件，所述螺母构件围绕所述心轴设置并螺纹接合所述壳体的一端，其中所述螺母构件包括平滑轮廓的内表面，并且其中所述球形构件中的至少一个接合所述螺母构件的所述平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴和所述螺母构件之间的相对轴向运动。

7).根据1)所述的一体式轴承段，其中所有球形构件具有相同的半径。

8).一种用于泥浆润滑式钻井马达的一体式轴承段，包括：

壳体，所述壳体具有壳体内孔；

心轴，所述心轴至少部分地设置在所述壳体内孔内，所述心轴包括受限直径区段；

心轴套筒，所述心轴套筒设置成围绕所述心轴的所述受限直径区段且在所述壳体内孔内，其中所述心轴套筒包括具有一系列周向凹槽的外表面；

多个球形构件，其中所述球形构件中的每个球形构件部分地设置在所述心轴套筒的所述周向凹槽中的一个周向凹槽内；

外部径向轴承，所述外部径向轴承设置成围绕所述心轴套筒且在所述壳体内孔内，所述外部径向轴承包括平滑轮廓的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述外部径向轴承的所述平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴套筒和所述外部径向轴承之间的相对轴向运动；和

外部推力轴承，所述外部推力轴承设置成围绕所述心轴套筒且在所述壳体内孔内，所述外部推力轴承包括具有周向凹槽的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述外部推力轴承的周向凹槽。

9).根据8)所述的一体式轴承段，其中所述心轴套筒由两个半圆柱形构件形成。

10).根据8)所述的一体式轴承段，其中所述心轴套筒由单个圆柱形套筒形成。

11).根据8)所述的一体式轴承段，其中所述心轴套筒由两个或更多个圆柱形套筒形成，所述两个或更多个圆柱形套筒围绕所述心轴彼此轴向相邻地设置。

12).根据11)所述的一体式轴承段，其中所述心轴套筒由设置在所述外部径向轴承内的第一心轴套筒、设置在所述外部推力轴承内的第二心轴套筒和设置在所述壳体的下壳体区段内的第三心轴套筒形成；其中所述下壳体区段包括平滑轮廓的内表面；并且其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述第三心轴套筒中的一个周向凹槽内，并且接合所述下壳体区段的所述平滑轮廓的内表面，以允许所述第三心轴套筒和所述壳体之间的相对轴向运动。

13).根据8)所述的一体式轴承段，其中，所述外部径向轴承和所述外部推力轴承一体形成。

14).根据8)所述的一体式轴承段，其中所有球形构件具有相同的半径。

15).根据8)所述的一体式轴承段，其中所述外部径向轴承的内表面包括肩部，所述肩部被配置为限制所述外部径向轴承和所述心轴套筒之间的相对轴向运动。

16).根据8)所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由两个半圆柱形构件形成。

17).根据8)所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由一系列环形成。

18).根据8)所述的一体式轴承段，还包括第二外部径向轴承，所述第二外部径向轴承设置成围绕所述心轴套筒且在所述壳体内孔内，所述第二外部径向轴承包括平滑轮廓的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述第二外部径向轴承的所述平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴套筒和所述第二外部径向轴承之间的相对轴向运动，并且其中所述外部推力轴承设置在所述外部径向轴承和所述第二外部径向轴承之间。

19).根据18)所述的一体式轴承段，其中所述外部径向轴承、所述第二径向轴承和所述外部推力轴承一体地形成。

20).根据8)所述的一体式轴承段，还包括螺母构件，所述螺母构件围绕所述心轴设置并螺纹接合所述壳体的下端，其中所述螺母构件包括平滑轮廓的内表面，并且其中所述球形构件中的至少一个接合所述螺母构件的所述平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴套筒和所述螺母构件之间的相对轴向运动。

21).一种用于泥浆润滑式钻井马达的一体式轴承段，包括：

壳体，所述壳体具有壳体内孔，其中所述壳体内孔的内表面包括周向凹槽；

心轴，所述心轴至少部分地设置在所述壳体内孔内，所述心轴包括第一心轴区段和第二心轴区段，其中所述第一心轴区段包括平滑轮廓的外表面，且所述第二心轴区段包括具有周向凹槽的外表面，其中所述壳体内孔的所述内表面中的所述周向凹槽与所述第一心轴区段的所述平滑轮廓的外表面轴向对齐；

外部推力轴承，所述外部推力轴承设置成围绕所述第二心轴区段且在所述壳体内孔内，所述外部推力轴承包括内表面，所述外部推力轴承的所述内表面具有与所述第二心轴区段的所述外表面中的周向凹槽轴向对齐的周向凹槽；和

多个球形构件，其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述第二心轴区段的周向凹槽内，并且部分地设置在所述外部推力轴承的周向凹槽内，并且其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述壳体内孔的周向凹槽内，并且接合所述第一心轴区段的所述平滑轮廓的外表面，用于允许所述心轴和所述壳体之间的相对轴向运动。

22).根据21)所述的一体式轴承段，还包括：

下壳体，所述下壳体与所述壳体的下端螺纹接合，所述下壳体包括下壳体内孔，所述下壳体内孔具有包括周向凹槽的内表面；

其中所述心轴还包括第三心轴区段，所述第三心轴区段设置在所述下壳体内孔内，其中所述第三心轴区段包括平滑轮廓的外表面，其中所述下壳体内孔的所述内表面中的周向凹槽与所述第三心轴区段的所述平滑轮廓的外表面轴向对齐；并且

其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述下壳体内孔的周向凹槽内，并接合所述第三心轴区段的所述平滑轮廓的外表面，以允许所述心轴和所述下壳体之间的相对轴向运动。

23).根据21)所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由两个半圆柱形构件形成。

24).根据21)所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由一系列环形成。

25).一种用于泥浆润滑式钻井马达的一体式轴承段，包括：

壳体，所述壳体具有壳体内孔，其中所述壳体内孔的内表面包括周向凹槽；

心轴，所述心轴至少部分地设置在所述壳体内孔内，所述心轴包括受限直径区段；

第一心轴套筒和第二心轴套筒，所述第一心轴套筒和所述第二心轴套筒设置成围绕所述心轴的所述受限直径区段且在所述壳体内孔内，其中所述第一心轴套筒包括平滑轮廓的外表面，其中所述壳体内孔的所述内表面中的周向凹槽与所述第一心轴套筒的所述平滑轮廓的外表面轴向对齐，其中所述第二心轴套筒包括具有周向凹槽的外表面；

外部推力轴承，所述外部推力轴承设置成围绕所述第二心轴套筒且在所述壳体内孔内，所述外部推力轴承包括内表面，所述外部推力轴承的所述内表面具有与所述第二心轴套筒的所述外表面中的周向凹槽轴向对齐的周向凹槽；

多个球形构件，其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述第二心轴套筒的周向凹槽内，并且部分地设置在所述外部推力轴承的周向凹槽内，并且其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述壳体内孔的周向凹槽内，并且接合所述第一心轴套筒的平滑轮廓的外表面，用于允许所述第一心轴套筒和所述壳体之间的相对轴向运动。

26).根据25)所述的一体式轴承段，还包括：

第三心轴套筒，所述第三心轴套筒围绕所述心轴的所述受限直径区段设置，其中所述第三心轴套筒包括平滑轮廓的外表面；

外部径向轴承，所述外部径向轴承设置成围绕所述第三心轴套筒和所述壳体内孔内，所述外部径向轴承包括内表面，所述外部径向轴承的所述内表面具有与所述第三心轴套筒的所述平滑轮廓的外表面轴向对齐的周向凹槽；

其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述外部径向轴承的周向凹槽内，并接合所述第三心轴套筒的所述平滑轮廓的外表面，以允许所述外部径向轴承和所述第三心轴套筒之间的相对轴向运动。

27).根据25)所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由两个半圆柱形构件形成。

28).一种吸收泥浆润滑式钻井马达中的径向载荷和推力载荷的方法，包括以下步骤：

a)为钻井马达提供一体式轴承段，所述一体式轴承段包括：壳体，所述壳体具有壳体内孔；心轴，所述心轴至少部分地设置在所述壳体内孔内，所述心轴包括具有一系列周向凹槽的外表面；多个球形构件，其中所述球形构件中的每个球形构件部分地设置在所述心轴的所述周向凹槽中的一个周向凹槽内；外部径向轴承，所述外部径向轴承设置成围绕所述心轴且在所述壳体内孔内，所述外部径向轴承包括平滑轮廓的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述外部径向轴承的所述平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴和所述外部径向轴承之间的相对轴向运动；以及外部推力轴承，所述外部推力轴承设置成围绕所述心轴且在所述壳体内孔内，所述外部推力轴承包括具有周向凹槽的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述外部推力轴承的周向凹槽；

b)向所述心轴传递扭矩，以使所述心轴相对于所述壳体、所述外部径向轴承和所述外部推力轴承旋转；

c)利用所述外部径向轴承吸收所述径向载荷，并且利用所述外部推力轴承吸收所述推力载荷；以及

d)当所述球形构件或所述周向凹槽磨损时，允许所述外部径向轴承和所述心轴之间的相对轴向运动。

29).根据28)所述的方法，还包括步骤：

e)拆卸所述一体式轴承段；

f)增加所述心轴中的所述一系列周向凹槽中的每一个周向凹槽的轴向横截面的半径，并增加所述外部推力轴承中的周向凹槽的半径；和

g)为所述一体式轴承段组装多个较大的球形构件，其中所述较大的球形构件中的每个球形构件部分地设置在所述心轴的所述周向凹槽中的一个周向凹槽内，其中所述较大的球形构件中的至少一个接合所述外部推力轴承中的周向凹槽，其中所述较大的球形构件的尺寸近似等于或略小于所述心轴中的所述一系列周向凹槽的轴向横截面的半径。

30).一种吸收泥浆润滑式钻井马达中的径向载荷和推力载荷的方法，包括以下步骤：

a)为钻井马达提供一体式轴承段，所述一体式轴承段包括：壳体，所述壳体具有壳体内孔，其中所述壳体内孔的内表面包括周向凹槽；心轴，所述心轴至少部分地设置在所述壳体内孔内，所述心轴包括第一心轴区段和第二心轴区段，其中所述第一心轴区段包括平滑轮廓的外表面，且所述第二心轴区段包括具有周向凹槽的外表面，其中所述壳体内孔的所述内表面中的周向凹槽与所述第一心轴区段的所述平滑轮廓的外表面轴向对齐；外部推力轴承，所述外部推力轴承设置成围绕所述第二心轴区段且在所述壳体内孔内，所述外部推力轴承包括内表面，所述外部推力轴承的所述内表面具有与所述第二心轴区段的所述外表面中的周向凹槽轴向对齐的周向凹槽；以及多个球形构件，其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述第二心轴区段的周向凹槽内，并且部分地设置在所述外部推力轴承的周向凹槽内，并且其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述壳体内孔的周向凹槽内，并且接合所述第一心轴区段的所述平滑轮廓的外表面，以允许所述心轴和所述壳体之间的相对轴向运动；

b)向所述心轴传递扭矩，以使所述心轴相对于所述壳体和所述外部推力轴承旋转；

c)利用所述壳体吸收所述径向载荷，并且利用所述外部推力轴承吸收所述推力载荷；以及

d)当所述球形构件或所述周向凹槽磨损时，允许所述壳体和所述心轴之间的相对轴向运动。

31).根据30)所述的方法，还包括以下步骤：

e)拆卸所述一体式轴承段；

f)增加所述第二心轴区段中的周向凹槽的轴向横截面的半径，增加所述外部推力轴承中的周向凹槽的半径，以及增加所述壳体中的周向凹槽的半径；和

g)将所述一体式轴承段与多个较大的球形构件组装，其中所述较大的球形构件中的至少一个部分地设置在所述第二心轴区段的周向凹槽内，并且部分地设置在所述外部推力轴承的周向凹槽内，并且其中所述较大的球形构件中的至少一个部分地设置在所述壳体内孔的周向凹槽内。

Claims (31)

1.一种用于泥浆润滑式钻井马达的一体式轴承段，包括：

壳体，所述壳体具有壳体内孔；

心轴，所述心轴至少部分地设置在所述壳体内孔内，所述心轴是大致圆柱形的整体构件，具有直径扩大的下端和用于传送钻井泥浆的内孔，所述心轴包括具有一系列周向凹槽的外表面；

多个球形构件，其中所述球形构件中的每个球形构件部分地设置在所述心轴的所述周向凹槽中的一个周向凹槽内；

外部径向轴承，所述外部径向轴承设置成围绕所述心轴且在所述壳体内孔内，所述外部径向轴承包括平滑轮廓的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述外部径向轴承的平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴和所述外部径向轴承之间的相对轴向运动；和

外部推力轴承，所述外部推力轴承设置成围绕所述心轴且在所述壳体内孔内，所述外部推力轴承包括具有周向凹槽的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述外部推力轴承的周向凹槽；

其中所述外部径向轴承和所述外部推力轴承彼此直接接触。

2.根据权利要求1所述的一体式轴承段，其中所述外部径向轴承的所述平滑轮廓的内表面包括肩部，所述肩部被配置为限制所述外部径向轴承和所述心轴之间的相对轴向运动。

3.根据权利要求1所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由两个半圆柱形构件形成。

4.根据权利要求1所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由一系列环形成。

5.根据权利要求1所述的一体式轴承段，还包括第二外部径向轴承，所述第二外部径向轴承设置成围绕所述心轴且在所述壳体内孔内，所述第二外部径向轴承包括平滑轮廓的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述第二外部径向轴承的平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴和所述第二外部径向轴承之间的相对轴向运动，并且其中所述外部推力轴承被设置在所述外部径向轴承和所述第二外部径向轴承之间，且其中所述第二外部径向轴承和所述外部推力轴承彼此直接接触。

6.根据权利要求5所述的一体式轴承段，还包括螺母构件，所述螺母构件围绕所述心轴设置并螺纹接合所述壳体的一端，其中所述螺母构件包括平滑轮廓的内表面，并且其中所述球形构件中的至少一个接合所述螺母构件的所述平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴和所述螺母构件之间的相对轴向运动。

7.根据权利要求1所述的一体式轴承段，其中所有球形构件具有相同的半径。

8.一种用于泥浆润滑式钻井马达的一体式轴承段，包括：

壳体，所述壳体具有壳体内孔；

心轴，所述心轴至少部分地设置在所述壳体内孔内，所述心轴包括受限直径区段、直径扩大的下端和用于传送钻井泥浆的内孔；

心轴套筒，所述心轴套筒设置成围绕所述心轴的所述受限直径区段且在所述壳体内孔内，其中所述心轴套筒包括具有一系列周向凹槽的外表面；

多个球形构件，其中所述球形构件中的每个球形构件部分地设置在所述心轴套筒的所述周向凹槽中的一个周向凹槽内；

外部径向轴承，所述外部径向轴承设置成围绕所述心轴套筒且在所述壳体内孔内，所述外部径向轴承包括平滑轮廓的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述外部径向轴承的所述平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴套筒和所述外部径向轴承之间的相对轴向运动；和

外部推力轴承，所述外部推力轴承设置成围绕所述心轴套筒且在所述壳体内孔内，所述外部推力轴承包括具有周向凹槽的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述外部推力轴承的周向凹槽。

9.根据权利要求8所述的一体式轴承段，其中所述心轴套筒由两个半圆柱形构件形成。

10.根据权利要求8所述的一体式轴承段，其中所述心轴套筒由单个圆柱形套筒形成。

11.根据权利要求8所述的一体式轴承段，其中所述心轴套筒由两个或更多个圆柱形套筒形成，所述两个或更多个圆柱形套筒围绕所述心轴彼此轴向相邻地设置。

12.根据权利要求11所述的一体式轴承段，其中所述心轴套筒由设置在所述外部径向轴承内的第一心轴套筒、设置在所述外部推力轴承内的第二心轴套筒和设置在所述壳体的下壳体区段内的第三心轴套筒形成；其中所述下壳体区段包括平滑轮廓的内表面；并且其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述第三心轴套筒中的一个周向凹槽内，并且接合所述下壳体区段的所述平滑轮廓的内表面，以允许所述第三心轴套筒和所述壳体之间的相对轴向运动。

13.根据权利要求8所述的一体式轴承段，其中，所述外部径向轴承和所述外部推力轴承一体形成。

14.根据权利要求8所述的一体式轴承段，其中所有球形构件具有相同的半径。

15.根据权利要求8所述的一体式轴承段，其中所述外部径向轴承的所述平滑轮廓的内表面包括肩部，所述肩部被配置为限制所述外部径向轴承和所述心轴套筒之间的相对轴向运动。

16.根据权利要求8所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由两个半圆柱形构件形成。

17.根据权利要求8所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由一系列环形成。

18.根据权利要求8所述的一体式轴承段，还包括第二外部径向轴承，所述第二外部径向轴承设置成围绕所述心轴套筒且在所述壳体内孔内，所述第二外部径向轴承包括平滑轮廓的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述第二外部径向轴承的所述平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴套筒和所述第二外部径向轴承之间的相对轴向运动，并且其中所述外部推力轴承设置在所述外部径向轴承和所述第二外部径向轴承之间。

19.根据权利要求18所述的一体式轴承段，其中所述外部径向轴承、所述第二外部径向轴承和所述外部推力轴承一体地形成。

20.根据权利要求8所述的一体式轴承段，还包括螺母构件，所述螺母构件围绕所述心轴设置并螺纹接合所述壳体的下端，其中所述螺母构件包括平滑轮廓的内表面，并且其中所述球形构件中的至少一个接合所述螺母构件的所述平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴套筒和所述螺母构件之间的相对轴向运动。

21.一种用于泥浆润滑式钻井马达的一体式轴承段，包括：

壳体，所述壳体具有壳体内孔，其中所述壳体内孔的内表面包括周向凹槽；

心轴，所述心轴至少部分地设置在所述壳体内孔内，所述心轴包括第一心轴区段和第二心轴区段，其中所述第一心轴区段包括平滑轮廓的外表面，且所述第二心轴区段包括具有周向凹槽的外表面，其中所述壳体内孔的所述内表面中的所述周向凹槽与所述第一心轴区段的所述平滑轮廓的外表面轴向对齐；

外部推力轴承，所述外部推力轴承设置成围绕所述第二心轴区段且在所述壳体内孔内，所述外部推力轴承包括内表面，所述外部推力轴承的所述内表面具有与所述第二心轴区段的所述外表面中的周向凹槽轴向对齐的周向凹槽；和

多个球形构件，其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述第二心轴区段的周向凹槽内，并且部分地设置在所述外部推力轴承的周向凹槽内，并且其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述壳体内孔的周向凹槽内，并且接合所述第一心轴区段的所述平滑轮廓的外表面，用于允许所述心轴和所述壳体之间的相对轴向运动。

22.根据权利要求21所述的一体式轴承段，还包括：

下壳体，所述下壳体与所述壳体的下端螺纹接合，所述下壳体包括下壳体内孔，所述下壳体内孔具有包括周向凹槽的内表面；

其中所述心轴还包括第三心轴区段，所述第三心轴区段设置在所述下壳体内孔内，其中所述第三心轴区段包括平滑轮廓的外表面，其中所述下壳体内孔的所述内表面中的周向凹槽与所述第三心轴区段的所述平滑轮廓的外表面轴向对齐；并且

其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述下壳体内孔的周向凹槽内，并接合所述第三心轴区段的所述平滑轮廓的外表面，以允许所述心轴和所述下壳体之间的相对轴向运动。

23.根据权利要求21所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由两个半圆柱形构件形成。

24.根据权利要求21所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由一系列环形成。

25.一种用于泥浆润滑式钻井马达的一体式轴承段，包括：

壳体，所述壳体具有壳体内孔，其中所述壳体内孔的内表面包括周向凹槽；

心轴，所述心轴至少部分地设置在所述壳体内孔内，所述心轴包括受限直径区段；

第一心轴套筒和第二心轴套筒，所述第一心轴套筒和所述第二心轴套筒设置成围绕所述心轴的所述受限直径区段且在所述壳体内孔内，其中所述第一心轴套筒包括平滑轮廓的外表面，其中所述壳体内孔的所述内表面中的周向凹槽与所述第一心轴套筒的所述平滑轮廓的外表面轴向对齐，其中所述第二心轴套筒包括具有周向凹槽的外表面；

外部推力轴承，所述外部推力轴承设置成围绕所述第二心轴套筒且在所述壳体内孔内，所述外部推力轴承包括内表面，所述外部推力轴承的所述内表面具有与所述第二心轴套筒的所述外表面中的周向凹槽轴向对齐的周向凹槽；

多个球形构件，其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述第二心轴套筒的周向凹槽内，并且部分地设置在所述外部推力轴承的周向凹槽内，并且其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述壳体内孔的周向凹槽内，并且接合所述第一心轴套筒的平滑轮廓的外表面，用于允许所述第一心轴套筒和所述壳体之间的相对轴向运动。

26.根据权利要求25所述的一体式轴承段，还包括：

第三心轴套筒，所述第三心轴套筒围绕所述心轴的所述受限直径区段设置，其中所述第三心轴套筒包括平滑轮廓的外表面；

外部径向轴承，所述外部径向轴承设置成围绕所述第三心轴套筒和所述壳体内孔内，所述外部径向轴承包括内表面，所述外部径向轴承的所述内表面具有与所述第三心轴套筒的所述平滑轮廓的外表面轴向对齐的周向凹槽；

其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述外部径向轴承的周向凹槽内，并接合所述第三心轴套筒的所述平滑轮廓的外表面，以允许所述外部径向轴承和所述第三心轴套筒之间的相对轴向运动。

27.根据权利要求25所述的一体式轴承段，其中所述外部推力轴承由两个半圆柱形构件形成。

28.一种吸收泥浆润滑式钻井马达中的径向载荷和推力载荷的方法，包括以下步骤：

a)为所述泥浆润滑式钻井马达提供一体式轴承段，所述一体式轴承段包括：壳体，所述壳体具有壳体内孔；心轴，所述心轴至少部分地设置在所述壳体内孔内，所述心轴是大致圆柱形的整体构件，具有直径扩大的下端和用于传送钻井泥浆的内孔，所述心轴包括具有一系列周向凹槽的外表面；多个球形构件，其中所述球形构件中的每个球形构件部分地设置在所述心轴的所述周向凹槽中的一个周向凹槽内；外部径向轴承，所述外部径向轴承设置成围绕所述心轴且在所述壳体内孔内，所述外部径向轴承包括平滑轮廓的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述外部径向轴承的所述平滑轮廓的内表面，以允许所述心轴和所述外部径向轴承之间的相对轴向运动；以及外部推力轴承，所述外部推力轴承设置成围绕所述心轴且在所述壳体内孔内，所述外部推力轴承包括具有周向凹槽的内表面，其中所述球形构件中的至少一个接合所述外部推力轴承的周向凹槽；且其中所述外部径向轴承和所述外部推力轴承彼此直接接触；

b)向所述心轴传递扭矩，以使所述心轴相对于所述壳体、所述外部径向轴承和所述外部推力轴承旋转；

c)利用所述外部径向轴承吸收所述径向载荷，并且利用所述外部推力轴承吸收所述推力载荷；以及

d)当所述球形构件或所述心轴的所述周向凹槽或所述外部推力轴承的所述周向凹槽磨损时，允许所述外部径向轴承和所述心轴之间的相对轴向运动。

29.根据权利要求28所述的方法，还包括步骤：

e)拆卸所述一体式轴承段；

f)增加所述心轴中的所述一系列周向凹槽中的每一个周向凹槽的轴向横截面的半径，并增加所述外部推力轴承中的周向凹槽的半径；和

g)为所述一体式轴承段组装多个较大的球形构件，其中所述较大的球形构件中的每个球形构件部分地设置在所述心轴的所述周向凹槽中的一个周向凹槽内，其中所述较大的球形构件中的至少一个接合所述外部推力轴承中的周向凹槽，其中所述较大的球形构件的尺寸近似等于或略小于所述心轴中的所述一系列周向凹槽的轴向横截面的半径。

30.一种吸收泥浆润滑式钻井马达中的径向载荷和推力载荷的方法，包括以下步骤：

a)为所述泥浆润滑式钻井马达提供一体式轴承段，所述一体式轴承段包括：壳体，所述壳体具有壳体内孔，其中所述壳体内孔的内表面包括周向凹槽；心轴，所述心轴至少部分地设置在所述壳体内孔内，所述心轴包括第一心轴区段和第二心轴区段，其中所述第一心轴区段包括平滑轮廓的外表面，且所述第二心轴区段包括具有周向凹槽的外表面，其中所述壳体内孔的所述内表面中的周向凹槽与所述第一心轴区段的所述平滑轮廓的外表面轴向对齐；外部推力轴承，所述外部推力轴承设置成围绕所述第二心轴区段且在所述壳体内孔内，所述外部推力轴承包括内表面，所述外部推力轴承的所述内表面具有与所述第二心轴区段的所述外表面中的周向凹槽轴向对齐的周向凹槽；以及多个球形构件，其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述第二心轴区段的周向凹槽内，并且部分地设置在所述外部推力轴承的周向凹槽内，并且其中所述球形构件中的至少一个部分地设置在所述壳体内孔的周向凹槽内，并且接合所述第一心轴区段的所述平滑轮廓的外表面，以允许所述心轴和所述壳体之间的相对轴向运动；

b)向所述心轴传递扭矩，以使所述心轴相对于所述壳体和所述外部推力轴承旋转；

c)利用所述壳体吸收所述径向载荷，并且利用所述外部推力轴承吸收所述推力载荷；以及

d)当所述球形构件或所述壳体内孔的所述周向凹槽或所述第二心轴区段的所述周向凹槽或所述外部推力轴承的所述周向凹槽磨损时，允许所述壳体和所述心轴之间的相对轴向运动。

31.根据权利要求30所述的方法，还包括以下步骤：

e)拆卸所述一体式轴承段；

f)增加所述第二心轴区段中的周向凹槽的轴向横截面的半径，增加所述外部推力轴承中的周向凹槽的半径，以及增加所述壳体中的周向凹槽的半径；和

g)将所述一体式轴承段与多个较大的球形构件组装，其中所述较大的球形构件中的至少一个部分地设置在所述第二心轴区段的周向凹槽内，并且部分地设置在所述外部推力轴承的周向凹槽内，并且其中所述较大的球形构件中的至少一个部分地设置在所述壳体内孔的周向凹槽内。

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