CN1285900A - 用于将钻动能量传送到切削构件上的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种连续等长的绞合柔性钻能传送设备,用于在能量源和工作头(9)之间传送作用力/反作用力并保持平衡,使得当钻能传送设备在多个紧急弯曲和直进位置工作时对扭矩,张力,压力和自撑力进行约束。钻能传送设备具有一个芯部承载单元和一外部承载单元,该芯部承载单元上带有多个以一定螺旋角排列定尺寸并排列的绞合钢丝(13,14,15),而外部承载单元带有由多个以一定螺旋角定尺寸并排列的第二绞合钢丝(17,18)。

Description

用于将钻动能量传送到切削构件上的方法和设备

发明背景

1．本发明所属技术领域

本发明涉及用于将旋扭钻动能量从动力源传送到钻头的方法和设备。更特别地，本发明涉及具有所描述的用于利用一柔性旋转钻杆来钻取一急剧半径弯曲钻孔的特征的方法及设备。

2．现有技术的描述

现有多种用于不同特定目的的旋转驱动设备。每一种柔性杆的旋转驱动均被设计成能够为实现特定目的而在容许的水平下工作并能够达到具有某种特性的运行参数。但在此处所参考的现有技术中没有一种已经能够按照在硬质材料上钻取一个弯曲钻孔而设定的要求来操作。例如，许多申请人提及并参考的现有技术，虽然涉及柔性旋转钻杆和钢丝丝构件，但都是为了与钻取弯曲钻孔无关的特定目的而参考的。这些设备以非常高的转速工作并通常具有不同的操作性能要求。其中一个这种例子就是Nash的美国专利No.4，686，982，其中公开了一种用于转动送丝导管的螺旋钢丝轴承。这个公开代表了柔性驱动装置的一种典型类型，即没有芯轴并可以以非常高的转速工作，通常超过20，000转/分。这种基本的设计结构由于现有的钻能传送部件(DETM)芯部经受极限载荷而在本发明的钻孔设备中无法使用。

另外一种类型的现有技术是如在Parlato的美国专利No.5，820，464中所公开的一种典型的工业用柔性杆构造，具有一个心轴和共计六层线匝。这些特殊类型的柔性杆由多个由非常细微的钢丝形成的线匝制成，其芯部包括多个以角度非常大的螺旋节距排列的线匝。这种类型柔性杆的问题是其通常非常缠绕得过于紧密，从而在本发明的应用中刚性过大。由于缠绕过紧且在芯部的螺旋节距刚度过大，所以当沿急剧弯曲的半径穿行时其芯部不具备足够的纵向强度或柔韧度来承受巨大的扭转载荷。

在Troost的美国专利No.4，185，473中公开了这种现有技术的另外一个示例。Troost公开的另一示例中具有过多的层或线匝，过多的以过大螺旋节距缠绕的钢丝。同时，Troost的这种杆的另外一个问题是，由于芯部线匝的节距角度过大，无法沿芯部排列以获得纵向线性强度。这种柔性杆在放到现有的操作环境中时同样无法使用，因为绞合钢丝缠绕过紧且缺乏柔韧性，将无法沿紧密弯曲半径传送钻动能量。这些类型的柔性杆通常具有多重由直径大致相同的钢丝形成的线匝，并因此无法正确平衡以处理在多个工作位置遇到的极限载荷，比如在急剧弯曲和直线钻进的状况下。

Hodgson的美国专利No.5，052，404中公开了另外一种类型的扭矩传送装置。这种特殊的扭矩传送装置仅具有非常少的线匝，因此不具备足够的柔韧性以经受沿一急剧弯曲半径钻动。另外一种旋转传送装置是一个如Moore的美国专利No.5，072，759中所公开的旋转传送导管。Moore的传送导管包括一个由聚合物材料制成的内部管状衬垫和一个由粘性材料制成的外部层。这些类型的装置通常由不同类型的钢丝线匝部件组成，并具有另外的元件构造。这类装置的问题在于，该合成元件占据了有用空间，从而使其强度降到高柔韧性弯曲钻孔应用中所需强度之下。在Fleischhacker等人的美国专利No.5，165，421中还描述了这种装置的另外一种类型。Fleischhaker等人公开了一种由螺旋缠绕内部和外部线匝而形成的一种流明(lumen)缆索。这类构造的问题是该结构中没有张力或线性压力元件，结果，如果施加线性应力将会迅速失效。由于缺乏平衡性，所需的柔韧性，以及在钻能传送设备芯部发生的极限载荷，所有这些基本的现有技术设计在目前的急剧半径弯曲孔钻动设备中均无法使用。另外，在加载过程中在多个不同位置必须使用的钻能传送设备中，平衡力也是需要的。

钢丝是具有一些相关性的现有绞合结构的另外一种形式。这些构造主要制成用于在滑轮上线性行进，并有意构造成当它们跨越滑轮时不发生转动。但这种方法的启示与本发明正好相反。

最后还有我本人的专利No.5，700，265；5，509，918；5，002，546；及4，941，466，均描绘了已经在紧急半径弯曲钻动中使用的现有技术柔性杆。这些转动驱动装置的问题在于，它们不对外部扩张力和内部压力件力进行平衡，并因而只有较短的使用寿命。它们的芯部构造没有被排列成能够经受必须的拉伸力，而外部扭矩层也没有被缠绕成对两个外部层相互之间以及与芯部拉伸压力件层之间进行平衡。因此，这类转动驱动装置的使用寿命被缩短。

总的考虑

为了钻取一紧急半径弯曲孔而沿钻能传送设备在动力源和工作头之间传送钻动能量具有独特的工作要求。不仅钻能传送设备必须在多个工作位置工作，即在弯曲和直线钻进之间工作，而且还必须谨慎地对动力源和在钻取紧急半径弯曲孔时所经受的多个可变反作用力之间产生的净反作用力进行平衡。一般地，钻能传送设备整个工作区包括：(1)一端刚性联结到工作头上；(2)沿一短的直线段行进；(3)沿一紧急半径曲线行进；(4)从紧急半径曲线过渡到一较直的段；(5)向上转移到一较直的自支撑段；及(6)然后联结到一个实心动力杆上。钻能传送设备的净反作用力必须谨慎地平衡，以便在这些特定的动态工作区顺利工作。其中包括平衡：(1)切削附件处的分力；(2)在切削附件与曲线的过渡处的分力；(3)穿过弯曲处的分力；(4)在弯曲中峰值应力区域的分力；(5)在不同曲率半径和峰值应力变化处的分力；(6)远离峰值应力并过渡到直线段处的分力；(7)在自支撑直线段中的分力；(8)在钻能传送设备与一近侧实心杆连接而终止处的分力。在负荷均分的范围内所有分力关系之间的平衡也是非常重要的。

当制造一个在前述环境中工作的钻能传送设备时必须考虑几个重要特性。一些重要特性包括：钢丝数目；冷处理回火程度；每匝线匝中钢丝数目；最优的捻搓节距；最优的工作节距；在钻能传送设备旋转时节距对钢丝质心的偏心变化范围；在捻搓后通过加热回火消除钢丝中应力；选取合适的钢丝尺寸；选取钢丝尺寸相对于钢丝的全部直径和线匝间距的合适百分比；线匝中间距的百分比；直径相对于半径的百分比；过渡区；接近弯曲部的直线段分力样本；峰值半径位置弯曲部的分力样本；过渡过程中分力样本偏移灵活度；在弯曲端部激光焊接直线段的分力；捻搓横向偏移量；径向偏移量；层间线匝偏移量；在三点钟，六点钟，九点钟和十二点钟旋转位置处偏移量的差值。其他必须考虑的因素涉及：峰值应力区；易弯区的激光焊接终端；激光焊接的高热影响区控制面积；弯曲部的尖锐点；当钻能传送设备进入弯曲部的较大区域然后返回在直的自支撑位置处的峰值应力时钻动峰值应力的转变；以及在弯曲部接近刚性终端处的峰值力。

本发明的概述

本发明提供了一种柔性钻杆及构造这种柔性钻杆的方法，它能够平衡在钻动能量源与工作头之间产生的净作用力/反作用力，尤其当在一个极硬或高密度材料上一紧急半径处钻动时。在紧急半径钻孔形成过程中，当钻杆在弯曲和直进段之间以及在弯曲和直进段工作时这种平衡一直保持。一芯部或芯轴承载单元提供拉伸和承压强度，并由多个绞合钢丝组成，该多个绞合钢丝被定尺寸并以一足够用于在旋转的钻动力作用下传送预定轴向载荷的螺旋角度排列设置。一外部线匝承载单元提供扭转和转动强度并由多个绞合钢丝组成，该多个绞合钢丝被定尺寸并以一足够用于在旋转的钻动力作用下传送预定的扭矩载荷的螺旋角度在芯轴上排列设置。芯轴和外部承载单元的力场和质量分布被功能性地平衡，使得芯轴承载单元在结构上支撑外部线匝承载单元以克服破坏性的轴向力，而外部线匝承载单元在结构上支撑芯轴以克服破坏性的转动扭力，并因此而保持纵向支撑。

在一个用0.045英寸的柔性钻杆在像比如骨头这样的硬质材料上钻取曲率半径为1/4英寸钻孔的最佳实施例中，提供了一种1x19+5+7的杆结构。该弯曲杆这样构造，即首先围绕一单独的钢丝芯轴以右旋方向排列六根绞合钢丝并随后在相反方向上以相同的螺旋角排列十二根绞合钢丝线匝以形成第一或芯部承载单元。为了在旋钻过程中传递拉压载荷，这些绞合钢丝以相对平直呈10-15度的螺旋角大致轴向排列。第二承载单元围绕芯部制成，并通过一由五根右旋绞合钢丝组成的线匝和一由七根左旋绞合钢丝组成的线匝分别以60-68度和68-72度排列而组成，并用于在旋转钻孔过程中传递扭转载荷。芯部承载单元和外部线匝承载单元相对于柔性杆的质量和力被功能性地平衡，用于提供较高的轴向强度，而扭矩承载线匝以在形成紧急半径弯曲钻孔过程中保持杆的总体结构完整性。

在第一实施例中，提供了一种用于将弯曲杆末端刚性联结到切削头的改进的联结装置，包括切削头上的中空茎干，该中空茎干具有适合容纳杆端的直径。在第二实施例中，切削头茎干与杆端直径相等，并提供了一个横跨在邻接的茎干和杆端上的独立的套管。在这个实施例中，可以在临近切削头的套管的一端进行焊接，以提供一个不受干扰的支承表面来与钻具导向件接触。

附图的简要描述

图1是一个用于安装并操纵两个钻能传送设备紧急半径柔性杆的可动夹头的平面视图；

图2是图1中两个相对的弯曲切削导向件和柔性钻杆其中之一的平面视图；

图3是一个在完全延展位置适合钻取180度弯曲钻孔的切削导向件和柔性钻杆的平面视图；

图4是根据本发明的一个柔性钻杆的部分切去的正视图，表示带有以相对较小或平直的螺旋角右转或左转排列的芯部，和以相对较大螺旋角右转和左转排列的外部承载单元；

图5是沿图4中线5-5的剖视图；

图6用图表表示了芯部和外部绞合线匝的螺旋角以及各线匝的力矩杠杆臂；

图7是带有一个通过相邻钢丝层紧密缠绕而形成的平面的单一绞合钢丝的放大剖视图；

图8是当钻能传送设备在一弯曲钻孔中转动时相邻线匝中钢丝交叉角偏移量的示意图；

图9是通过激光焊接固定在切削元件茎干插座中的弯曲杆的局部剖视图；

图10是图9中利用激光焊接固定的弯曲杆和切削头的正视图；

图11是图9中弯曲杆和切削头的分解视图；

图11A是用于将杆联结到切削头上的一个修改结构的分解视图；

图11B是图11A中带有肩部元件的安装构件的分解视图；

图12是沿图9中线12-12的剖视图，表示了激光焊接的穿透。

最佳实施例的详细描述

图1-3表示了用于钻取紧急半径钻孔的柔性钻杆的一种现有技术应用。所示出的示例通过参照我本人发表的美国专利No.5，509，918将会得到进一步的理解，该专利可包括在此作为参考并作为本发明公开的一部分。这个现有的专利涉及一种钻取弯曲钻孔的设备，利用一可动夹头来安装，起动和导引柔性杆穿过一紧急半径弯曲部。此处的图1是可动夹头的平面视图，并去除了两部分壳体中的一个，以表示工作部件之间的关系。壳体1支撑可转动并可线性滑动的右转和左转刚性驱动杆2和3。驱动杆2和3，与其相关的操作联杆，导向件和柔性杆均镜像相同，因此将仅对一个弯曲杆的布置进行描述。应该理解在这种状况下杆2和3可以由某种形式的电机装置来驱动。

随着杆2的旋转，一个适当的铰接推拉式联杆4被操纵来将弯曲杆8从图1中所示的位置绕一紧急半径曲线推进到图2所示的位置。尽管在图1和图2的实施例中描述了一种双弯曲杆的布局，其中每一个弯曲杆和切削头均仅需被推进90度而形成180度的弯曲钻孔，但图3中示出了一个相似的实施例，其中切削头和弯曲杆穿过了一个完整的180度圆弧。图2和图3实施例中的切削头可以相同，并通常包括一个用9指代的切削头，该切削头包括一个连接在后部茎干12上的尖锐并带有凹槽的切削头11，茎干12通过比如激光点焊的方式顺次固定在柔性杆8的端部。为了本发明的目的，需要指出的是，图2中所示的弯曲钻孔半径R接近1/4英寸。

图4示出了钻能传送设备的最佳实施例以及对形成柔性杆的多个钢丝线匝进行构造或布置的方法。关于各种线匝的优选结构在本领域中的特征为1x19+5+7，其中1x19的芯部包括一单独的绞合线芯轴13，六根以右转方向缠绕的绞合线14和十二根以相反或左转方向排列的绞合线16。1x19芯部以非常小或平直的螺旋角设置，在所示的实施例中大约为12度但可以在10-15度的范围内变化。线匝以与图5中所示相反的方向倾斜，以提供轴向强度，柔韧度并在紧急半径钻取过程中防止芯部拉长。外部承载单元或扭矩承载线匝包括五根以右转方向排列的绞合钢丝17和七根以左转方向排列的绞合钢丝18。如图6中所示，17中的绞合线以60-68度的螺旋角排列而绞合钢丝18在相反的方向以68-70度的螺旋角排列。图5是装配好的弯曲杆剖视图，表示了单独的钢丝芯轴13，第一右转钢丝线匝14和左转钢丝线匝16。在优选实施例中，芯轴13，第一层14，和第二层16，均可以由多根直径通常为0.0045英寸的钢丝组成。外部右旋的五根多股钢丝线匝17可以由直径为0.0065英寸的钢丝组成，而外部七根左旋排列的钢丝线匝18可以由直径为0.006英寸的钢丝组成。

图7是一根钢丝的放大剖视图，示出了一根略微变形或带有“支撑平面”的“卵形”钢丝，“支撑平面”是在捻搓弯曲杆过程中在将一根钢丝紧紧缠绕或横跨在另外一根钢丝上的力的作用下在钢丝内表面上形成的。在杆的非弯曲方式中，将获得连续缠绕钢丝的一给定横跨角，而承载平面处在一特定位置。当弯曲杆以旋转状态通过弯曲通道时，相邻线匝之间的交叉角将发生偏移或改变，承载平面理论上为图8所示的改变角度提供了支点P。当然，离钻能传送设备芯部越远，连续钢丝层之间交叉角的偏移量越大。图8还示出了如果螺旋角不能被正确地控制，支点将平移到第二位置P1，其造成的影响将在后面进行详述。

图9-12表示了将柔性杆8端部安装到工作头9上的方法。正如在图9-11中看到的那样，切削头11联结在圆柱形茎干12上，一肩部21位于它们之间并限定出一个用于切削元件与钻具的弯曲导向装置6配合的区域。茎干12可以包括一个与钻具的导向装置6端部配合的支承区域。如图9中所示，茎干12还带有一容纳柔性杆8端部的的内部插座。杆8的端部可以在22处激光焊接或用其他熔融方式联结，将切削头11牢固地连接到弯曲杆8上。如图12中所示，激光焊接或其他的熔融操作必须穿透到柔性杆的芯部，并在这种情况下到达芯轴13。如图所示，激光焊接在茎干12外部横向引入，以实现所需的穿透。在另外一种方式中，激光焊接可以倾斜地引向切削头9的非支承区，比如在弯曲杆端部的两个或更多位置上贴靠肩部21，而不对支承点处茎干12的圆柱外形造成过度影响。

柔性杆8和切削头9间连接装置的一种替代装置是如图11A和11B中12a所示形成其直径不大于柔性杆8直径的切削头茎干。一个单独的套管23随后被套装在茎干12a和弯曲杆8的邻接端上。茎干12a和弯曲杆8端部可以随后比如通过激光焊接而固定到套管23上。优选地，弯曲杆8充分地套装在轴套23中以便它可以被点焊在轴套中与钻具导向件/导套的支承区域间隔开的某一点上。轴套23也可以制成带有如图11B中所示的法兰24或肩部28用于与钻具导向件接触。如图11A和11B中所示，杆8的端部和切削头茎干12a在由线24所示的位置配合。通过这种布置，线24上方的区域26可以用于焊接，剩余的线下方区域27作为钻具导向件畅通的支承区域。在可替换的方式中，钻具夹头曲线导向件可以带有一个沉孔肩部来与轴套底部接触并因此不再需要肩部。任何连接机构中的切削头总直径都是法兰28，这种考虑的一个原因是，必须提供空间使切削下来的材料通过，例如在硬质材料上形成弯曲钻孔的情况下排出碎屑。

一般来说，根据本发明的钻能传送设备具有多个复杂的力平衡质量要求。对钻能传送设备传递的工作能量的控制与平衡是约束和限制动力源与工作头之间的作用力/反作用力所要求的。由钻能传送设备完成的工作能量的控制和平衡以所实现的功能来表示，平衡也是相对于功能来表示。平衡和功能以质量来表示。杠杆位置以对应于到钻能传送设备芯部的距离的杠杆力矩比来表示。杠杆力矩的合成还与拉伸强度的量与转动强度的量之间的平衡有关。总的拉伸强度发生在芯轴部，而总的转动刚度发生在钻能传送设备外部线匝之间的平衡中。

质量分布

对于本申请来说，词语“质量”将表示任何给定长度的绞合材料的量。1x19+5+7型钻能传送设备包括两个主要的，三个次要的和四个更次要的承载单元。被约束在芯部中的是芯轴钢丝。两个主要承载单元包括一个芯部或内部拉/压单元，1x19，占总质量的41.6％，而外部扭转承载单元+5+7占总质量的57.3％。三个次要承载单元包括占总质量41.6％的原有1x19内部拉伸单元；占总质量25.1％的+5右旋排列承载单元；以及占总质量32.2％的+7左旋排列承载单元。四个更次要的承载单元包括一占总质量12.6％的+6右旋排列承载单元；一占总质量27％的+12左旋排列承载单元；一占总质量25％的+5右旋排列单元；和一占总质量大约31.3％的+7左旋排列单元。芯轴钢丝占总质量的大约1.8％。应该理解，质量百分比可在本发明范围内正负5％变化。

倾斜关系

两个主要的，三个次要的和四个更次要的承载单元中的每一个均以一定的螺旋倾角缠绕。包含两个主要承载单元，1x19芯部拉伸承载单元由芯轴加上+6右旋再加上+12左旋组成。1x19内部拉伸层的总螺旋倾角是1x19芯部绞合钢丝线性拉伸承压件倾角的8.8倍。+5，+7外部扭矩的螺旋倾角总和等于扭矩倾角的4.3倍。换句话说，内部螺旋拉伸的1x19芯轴由+6右旋层贴靠缠绕在+12左旋层上形成，+6右旋层的螺旋角优选为约12度，范围为10-15度，而+12左旋层的螺旋角优选为约12度，范围为10-15度。+6右旋层的12度螺旋倾角是拉伸方向的4.6倍，而+12左旋层的12度螺旋倾角是拉伸方向的4.2倍。倾角范围为60-68度的右旋+5层具有大约为扭矩方向2.3倍的螺旋倾角。大约为68-72度的左旋+7层具有大约为扭转方向2倍的螺旋倾角。因此，1x19芯部拉伸芯轴的螺旋倾角总和大约是螺旋拉伸方向倾角的8.8倍。这种对应扭矩螺旋倾角总和的平衡包括一个大约为螺旋扭转方向4.3倍的系数。总之，钻能传送设备包括：拉伸方向螺旋倾角为扭转方向上4.6倍的+6右旋层，拉伸方向螺旋倾角大约为扭转方向上4.2倍的+12左旋层，扭转方向的右旋螺旋倾角大约为拉伸方向上2.3倍的+5右旋层，以及扭转方向的左旋螺旋倾角大约为拉伸方向上2倍的+7左旋层。

力臂关系

杠杆力臂确定为从芯部钢丝质心向外到每个+6，+12，+5和+7承载单元质心之间的距离。每一个杠杆力臂近似等于从芯部到外部线匝的附加距离。例如+6右旋层的杠杆力距，表示芯轴钢丝的质心到+6右旋层质心的距离，大约占总距离的25％。从芯轴钢丝质心到+12左旋层质心的距离大约占另外25％。从芯轴钢丝质心到+5右旋层质心的距离占又一个大约25％而从芯轴钢丝质心到+7左旋层质心的距离占再一个大约25％。因此，从芯轴钢丝质心到+6右旋层质心的杠杆力臂是总力臂的1x系数或25％，而从芯轴钢丝芯部到+12左旋层质心的+12左旋层杠杆力臂大约是总力臂的2x系数或50％。+5右旋层的杠杆力臂或者从芯轴钢丝质心到+5右旋层质心的距离大约是总力臂的75％或3x系数。+7左旋层的杠杆力臂或者从芯轴钢丝到+7左旋层质心的距离大约为总力臂的100％或4x系数。应该理解，从芯轴钢丝到+7左旋层质心总的杠杆力臂大约为100％或4x的系数。

横截面积

钻能传送设备的横截面积也可以根据生产计划以及传送元件中分配到不同承载单元上的横截面积的多少而计算出来。考虑钻能传送设备和四个更次要的承载单元加上芯轴钢丝，其横截面积根据下面横截面积相对总面积的百分比来确定。芯轴钢丝大约占总横截面积的0.99％；+6右旋层大约占总横截面积的0.7％；+12左旋层大约占总横截面积的16.9％；+5右旋层的横截面积大约占总横截面积的45.2％；而+7左旋层占总横截面积的54.7％。

体积

就本发明而言，体积与分配到钻能传送设备中各特定独立工作承载单元的立体空间量有关。体积，在此示例中仅从理论上来讲，我们将利用一个2倍直径的高度(或9的一个度量单位)。通过将钻能传送设备的总体积视为一个圆柱来计算，并减去各个工作承载单元的体积以便得到各个独立承载单元的体积。这对确定什么是承载单元之间的实际的平衡非常重要。分布并位于这些立体承载单元空间中的绞合钢丝的量决定了其实际质量，并且这对于确定承载单元之间的平衡十分重要。

对于两个主要的，三个次要的和四个更次要的承载单元的平衡，其与承载单元相对于所有五个承载单元的分配百分比有关。芯轴大约占总体积的1％。+6右旋承载单元大约占总体积的8％。+12左旋承载单元大约占总体积的16％。+5右旋承载单元大约占总体积的37％。

^*2-主要承载单元：大约占总体积25％的内部拉伸承载单元与大约占总体积75％的外部承载单元之间平衡。

^*3-次要承载单元：大约占总体积25％的内部拉伸承载单元与外部扭矩承载单元平衡，外部扭矩承载单元包括：a)大约占总体积37％的+5右旋承载单元，和b)大约占总体积37.7％的+7左旋承载单元。

^*4-更次要承载单元：四个更次要的承载单元之间相互平衡。

偏移量

相对于偏移量表示的螺旋节距定义为相邻线匝在围绕钻能传送设备芯部转动时它们之间交叉角度的变化。在弯曲处，并且在抖动和盘绕环境中，离钻能传送设备芯部越远，交叉角的偏移量越大。各个钢丝之间的支点或交叉角对于缠绕或捻搓过程中在钢丝内表面上形成的承载平面来说非常重要。小的承载平面产生，由于缺乏更好的类比，一个单侧Lincoln圆木稳定平面。离芯部更远的反向线匝接近承载平面支点枢转，这一点十分重要。在距操作和扭矩承载位置尽可能近的地方对钻能传送设备进行应力消除和弹簧回火处理，这一点也十分重要。在制造柔性杆时，通常使钢丝直径在0.0045到0.008英寸之间，以使钢丝之间留出间隙。绞合钢丝之间的任何这种间隙在以紧急半径传送时都将由于巨大的力作用而变得紧凑。当线匝在紧急半径处围绕钻能传送设备芯部旋转时，钢丝被拉紧并相互并排贴靠支撑并且沿从12点钟的位置到3点钟的位置，再到6点钟的位置再到9点钟的位置并再返回到12点钟的位置的转动而改变节距。从而，由于这些钢丝的全部侧面贴靠支撑，所以钻能传送设备从外部的12点钟位置到内部的6点钟位置的转动导致节距偏移角的打开和关闭。这种操作节距偏移角进行了一完整循环，而钻能传送设备转动了一整转。这种偏移量循环根据钻能传送设备的转速确定的频率发生。例如，如果钻能传送设备以625RPM(转/分钟)旋转，那么这些偏移角在承载平面的中心支点上每分钟变化625次。这就在钻能传送设备上产生了循环的节距偏移载荷。紧急半径钻能传送设备应用中一个最有区别的特征就是，相对于其他标准应用而言，钢丝之间必须的偏移程度。例如，工业标准柔性杆通常制成用直径为0.045英寸的钻能传送设备在大约3英寸的半径下工作。本发明中紧急半径柔性杆的应用和目前的操作环境是以大约1/4英寸或0.25英寸的半径进入或穿出。这就表示半径比柔性杆平均工作半径小大约8-10倍。用这个半径，在传递元件中排列钢丝的偏移率是标准钻能传送设备的800-1000％。

由于在紧急半径钻孔应用中所需的较大的偏移量，同时钻能传送设备要求以平直非支撑形式约束钻动能量，所以需要以一种新颖独特的方式对平衡进行控制。这种较大的偏移量还需要在制造过程中进行很重要的协调，比如在捻搓过程中保持合适的节距，合适的钢丝尺寸和每层合适的钢丝尺寸。另外，在制造完毕后，还必须对节距的正确平衡及对钻能传送设备消除弹簧应力的回火或热处理进行控制，以便调整后的工作节距，调整后的工作偏移角和承载平面均以下述方式相匹配，即两个外部线匝的节距偏移角保持对齐，使承载平面充当工作节距偏移的交叉支点。

在所描述的1x19+5+7型钻能传送设备的优选实施例中，偏移发生在所有钢丝之间和所有线匝之间。注意到下面这点很重要，即在为了成功地限制钻能传送设备通过上述的多个不同工作位置时遇到的作用力/反作用力而对该结构的质量进行处理过程中，钢丝的冷处理温度，每层中钢丝的数目，每层的螺旋倾角，以及每层中钢丝的直径，在平衡和应力控制及冷处理中均充当重要角色。在本申请中钻能传送设备的一个最独特的要求是，沿曲线产生的峰值应力随着弯曲钻具导向件的前进和回缩的起动而增加和减小。这就表示这些可移动的偶合力和平衡力可滑动地沿钻能传送设备的一部分线性移动，而钻能传送设备必须对应于弯曲钻具导向件的起动而沿其长度方向向后和向前及向上和向下交替变化力的参数要求。可以对根据上面所引用的本申请人以前发表的专利找到的这些独特的要求进行参照。

工作节距偏移角在外部的七个左旋层和中间的五个右旋线匝中尤为重要。正是在这种平衡中，承载平面的中心充当这种偏移的支点，这就使线匝的加工节距和螺旋倾角在可以控制的情况下尽量靠近工作偏移节距的节距处进行应力消除和弹簧回火处理变得非常重要。这样就保持了承载平面上的任何环形周期摩擦或磨损并在工作节距偏移过程中保持钢丝外径一致。如果在承载平面区域上有太多工作节距偏移，那么钢丝将上升到承载平面的一侧，从而改变整个钻能传送设备的直径。这同样很重要，因为承载平面支点可作为一个微转轴。当钢丝承载平面，工作节距偏移角和质心处的回火应力消除的平衡在制造阶段不匹配时，传递元件将不能协调工作，并且分子回火材料的质心将被搅动从而导致微转轴冷变形并过早疲劳。当工作节距偏移不合适时，左旋外部层与右旋中间线匝层之间的偏移将是环形模式而不是枢轴模式。正是环形模式在环形磨损和碰撞过程中导致其外径改变。也正是环形运动模式，当钢丝冲击承载平面区侧边，且相对的钢丝随着每次旋转而支点弯曲时，导致每根钢丝上的微转轴应力过大。

制造

制造工艺中的主要考虑因素是：将各个钢丝拉伸以达到尺寸；随着连续压延和退火将各钢丝尺寸拉伸到所需韧度；钢丝的拉伸率；每次拉伸尺寸缩减的百分比；以及使每根钢丝达到所需KSI。合适的KSI韧度对于钻能传送设备可以经受应用中的合理冲击和振动非常重要。拉伸的KSI韧度对于整体负载均分和局部能效捻搓运动弹簧系数偏差以及工作节距偏移也非常重要。钢丝通过拉伸模具进行拉拨，并带有润滑剂以实现平滑拉伸。这种润滑在钢丝之间提供充足的表面处理，这样过度的磨损和破坏表面的腐蚀就不会发生。消除应力是热处理回火，为了松弛钢丝并将由于在制造过程中对材料进行多次冷处理而产生的弹簧加载张力从传递元件中消除，在制造过程结束时进行应力消除是十分重要的。材料的冷处理发生在钢丝拉伸阶段和捻搓阶段。弹簧加载张力由于捻搓而在钢丝中形成。正是应力消除或热处理回火对钢丝进行回火，使得当钢丝被截断时能够保持其直径并且不会散开。每一根钢丝的质心均通过应力消除和热回火而形成并确定。

尺寸范围从小于和等于0.0045英寸到等于和大于0.0081英寸的细微钢丝，一般都通过金刚石拉模拉伸到所需的钢丝直径。在钢丝拉伸工艺中通常考虑的因素包括：每次拉伸的所应达到的收缩率，和如何控制这个拉伸率以制得具有所需拉伸强度的钢丝。不同的材料将以不同的拉伸率进行拉拨，以满足不同的所需的技术规格和钢丝尺寸。例如，对于由304SS，L605SS和MP35N型不锈钢合成的不锈钢合金，其所需的拉伸强度硬度范围可通过分别拉伸以获得达到所需规格的平均范围。对于304型不锈钢，其平均拉伸硬度大约为330KSI。对于L605型合金，平均拉伸硬度大约为190KSI。对于MP35N型不锈钢合金来说，其平均拉伸硬度大约为290KSI。

钢丝根据一定的直径收缩百分比由金刚石拉模进行拉伸，然后进行退火，为材料软化作准备，以便通过另外的冷处理将直径减小。这种拉伸和退火是交替和协调进行的，直到这种钢丝达到具有所需拉伸强度的最终直径。拉伸强度范围可以对应于最终拉伸强度而有灵活性地加以控制和协调，且该范围可以非常宽地变化，在每一方向上均达到30％，从而具有较高或较低的拉伸强度。

质量和力的平衡

在紧急半径弯曲钻孔钻取中出现了新的工作状况，新的实际需求和困难的工程问题，其中柔性杆在弯曲钻孔范围内工作和行进并向其提供钻动能量。这些新型钻能传送设备的问题包括：保持结构整体性以提高操作寿命周期和弯曲半径，对于一特定直径的传递元件来讲，其弯曲半径可以达到比工业中常见的弯曲半径急剧1200％。另外，在硬质材料上弯曲钻孔将产生巨大的扭矩载荷，该载荷由钻动压力，摩擦力，沿切削通道的切削循环或步进钻取，弯曲和伸直，切屑包装和去除材料碎屑，以一对应于转速(RPM)变化的交变载荷，以沿曲线通道切削循环或步进钻取速率变化的交变载荷，过应力，材料的不均匀性以及其他应力因素复合而成。钻能传送设备的尺寸被限制，以能够与钻具导向装置和工作头装置一起装配在曲线钻孔中。钻能传送设备还必须适于以这种构造安装在一切削头上，即必须能够在弯曲钻孔的空间范围内顺利工作。钻能传送设备的直径还必须小于切削头及所形成的钻孔的尺寸。由于在弯曲通道中必须与弯曲的导向件分享空间，所以柔性杆的横截面也受到限制。

这种新型钻能传送设备工作时的紧急半径及对其外径的限制和很高的螺旋剪切扭矩载荷，都呈现出在其他的柔性杆应用中无法找到的极其独特的拉伸支撑，收敛技术以及设计要求。这就意味着必须通过对平衡传递元件中的质量和力平衡以达到一个功能性输出而对紧急半径钻能传送设备的特定设计，构造及复合结构进行优化。根据本发明优化传递元件构造的方法可以通过结合前面所提及的专利对不同柔性元件构造和失效的微观失效模式进行研究而发现，所发生的失效是在钻取一个比常见半径急剧1200％的紧急半径弯曲钻孔的应变条件下操作而造成的。

一个具有多个层的柔性杆，其中每层均包括多根绞合钢丝，该柔性杆经过测试和评估后用于在钻取紧急半径弯曲钻孔的设备中使用。这个弯曲钻孔钻取设备提供了特定的条件和工作需求，以表示在这种条件下工作的柔性钻能传送设备的标准。通过这种失效模式分析，可以从测试的多种不同类型的柔性杆结构中发现，损坏或失效的主要机理是在柔性杆芯轴和其外部扭矩承载区之间缺乏强度及力平衡能力。这两个主要工作承载单元的不平衡导致在柔性件芯部将在过度轴向载荷作用下首先失效。这就造成了结构坍塌并缩短了使用寿命周期。芯轴达到约为芯部横截面中心尺寸的50％或在外径为0.045英寸的柔性杆中约为0.018英寸到0.025英寸时，将首先朝芯部破损，从而失去内在支撑体。没有内在支撑体，外部扭矩承载线匝将失去内部拉伸或承压支撑体。这将导致中间右旋层被拉长而传递元件整体直径缩小从而引起变细。最外层随后也被拉长，变直，坍塌，然后整个钻能传送设备失效。因此由于其外径的尺寸导致机械结构坍塌并丧失其优点，从而造成其结构整体性的完全丧失，并进而导致疲劳和失效。因此在工作过程中维护钻能传送设备中绞合钢丝的配置，构造和结构位置就成为这种弯曲钻孔应用中的工程难题。

因此，考虑在多个复杂的载荷均分，载荷支承和载荷单元之间质量使用寿命的平衡就非常重要。对应于功能输出对这些力进行平衡的根本点在于传递元件的使用寿命周期增加了。如果不能正确地平衡这些力/质量相互之间的关系，机械结构将坍塌，并由于其外径的尺寸而丧失其固有的优点从而造成其结构整体性丧失并导致疲劳和失效。本发明解决了多个复杂承载单元与功能输出之间的平衡问题，并消除了由于弯曲杆芯部较弱的轴向拉伸强度而造成的原始破裂和失效。考虑到一根柔性绞合钢丝结构，其结构的第一失效模式区域(其芯部的失效可以等于芯部截面尺寸的50％)具有较高的轴向拉伸强度并与传递元件的外部扭矩承载部分相平衡。本发明的柔性杆其中结构的芯轴主要在轴向和纵向排列以得到较高的拉伸和承压性能，从而使得其能够承受芯部在钻取紧急半径弯曲钻孔而扭转和旋转期间遇到的极限纵向应力。本发明对动力源和工作头之间遇到的净作用力/反作用力的钻动能量进行约束。本发明还承受反作用在其自身上的钻动力，并在紧急半径钻孔成形期间保持钻能传送设备结构集中。如果芯轴结构没有轴向排列以优化弯曲杆芯部的轴向拉伸强度，并保持芯轴与主要的旋转应力所充当的力相平衡，那么整个寿命周期有时实质上会缩短200-400％。已经确定，如果芯部绞合钢丝结构被优化以平衡轴向载荷和旋转扭矩载荷，那么在两个最外螺旋扭矩承载线匝中使用L605型不锈钢将从本质上提供足够的强度，以经受钻取紧急半径钻孔时的极限压力和极限应力。已经发现，将弯曲杆芯部轴向拉/压性能增加到与外部扭矩承载线匝在功能上相平衡的水平，是在紧急半径弯曲钻孔成形过程中保持传递元件整体完整性的解决方案。

当柔性钻能传送设备经受极限紧急半径扭矩和拉伸力时，柔性杆中每一根绞合钢丝必须在承受钻动能量应力的同时共同工作以分担旋转时的特定载荷要求。当一根绞合钢丝失效时，整个结构将象多米诺效应一样崩溃，从第一个失效开始进而到其他绞合钢丝直到整个弯曲杆在载荷下崩溃。这种失效发生得很快。

除了上面考虑的因素，在弯曲钻孔中行进的柔性杆联结方法受它们尺寸和形状的极端限制，并具有严格的空间限制。传递元件中可以联结到切削头上的长度通常不会比其直径大很多。因此一个外径为0.045英寸的传递元件在其一端用于联结到工作头上的长度不会比0.045英寸大很多或者说接近0.050英寸。这就意味着弯曲杆绞合钢丝必须在横截面上保持在一起以便它可以在横截面上作为一个与工作头成一整体的实心单元，并在此与工作头联结，以承受接头引起的极限压力，在接头处不再柔软而是与工作头一起成为的结实整体。此接头处的端部压力极大并高度集中以致于传递元件在一个非常短的区段上从柔性变为刚性。在此所采用的联结方法经过了结构强度试验，并再次给定了在弯曲钻孔中行进并提供能量所需的空间尺寸和形状的限制。这些限制中只有一条是要求这个联结区域在直线长度上必须足够短以便它可以进出弯曲钻孔。因此，一个柔性杆必须具有可相互联结并可联结到切削头上的绞合钢丝，层和横截面。端面在安装到钻头的接头处必须能够用作横跨横截面的一实心横截单元。弯曲杆柔性在与钻头的联结点处终止的该区段承受极高的终端扭矩和拉伸力。如果弯曲杆的绞合钢丝没有作为一个整体保持在一起，那么绞合钢丝将变得离散和松散从而造成结构整体性丧失并在形成紧急半径钻孔的极限载荷作用下失效。

能够合适地平衡一线匝与另一线匝相互之间的载荷力，并在整体结构的芯部具有主要与外部扭矩承载线匝相平衡的轴向承载性能的柔性钻能传送设备的预防措施可确定为过早断裂问题的解决方案。对通过微观观察多个经受钻取紧急半径钻孔载荷的不同柔性杆结构而进行的失效模式分析进行了处理和观察。那些相互之间没有构造成具有合适承载单元平衡的结构会过早地失效。那些没有构造成芯轴与外部扭矩承载线匝平衡的结构也会过早地失效。那些没有构造成具有能够经受紧急半径弯曲钻孔中极限轴向中心力的芯轴的结构损坏的几率比本发明早200-400％。

更具体地说，在直径为0.045英寸的传递元件中芯部直径大约为杆直径的50％，或者说芯部直径为0.020英寸，包括多根绞合钢丝来提供轴向强度。这些绞合钢丝以非常接近轴向或以非常接近与弯曲杆长径平行的纵向排列。这些纵向钢丝每英寸的钢丝数目比常规的弯曲杆芯部的每英寸钢丝数目少，并被纵向排列在弯曲杆的轴线上，并且更接近芯部，这些绞合钢丝提供了柔韧性和必须的承压强度，以支撑外部线匝从而在工作过程中能够保持它们的结构位置。这与常规弯曲杆的结构正好相反，其教导也相反，在常用弯曲杆中具有多重缠绕的弹簧状层，其芯部大约为杆的50％。这种新型芯部结构的拉伸强度特征特别减小了拉伸度，提供了柔韧度，并能保持外部扭矩承载线匝的结构位置构造。这将使得整体结构完整性保持一更长的寿命周期，而每根钢丝在工作过程中结构位置的保持也显著增加了紧密弯曲钻孔成形设备中传递元件的使用寿命。当外径为0.045英寸的弯曲杆以0.25英寸的曲率在一硬质材料上切削一直径为2毫米的弯曲通道时，在其芯部发生的极限轴向载荷是由于若干绞合钢丝在它们围绕急剧弯曲的中心轴转动时发生严重偏移而造成的。这种偏移的发生频率比柔性杆以3英寸半径工作时发生偏移的频率高接近1200％。

具体实施例

参照图4，一大约由五根绞合钢丝17组成的层围绕芯轴以右旋方向排列。这组右旋排列的绞合钢丝必须具有一定节距，以便当轴处于一弯曲位置时，在与杆一起旋转的外圆弧中克服由剪切力而造成的松散。外圆弧中的绞合钢丝延展并具有最大的工作节距偏移。这个张开的节距角和偏移可以将绞合钢丝放置在一节距位置，当施加扭转载荷时，该节距位置对于在平直方向采取绞合钢丝组是薄弱的。在外圆弧中这些右旋排列的绞合钢丝将承载施加的侧部载荷或切应力，它们施加的力趋于将它们纵向张开并将它们拉直。七根绞合钢丝18组成的外部左旋线匝紧贴在中间右旋排列的绞合钢丝17上从而造成当施加扭矩载荷时这两个外部线匝反向工作。这两个以相反方向缠绕的外部层提供了联锁力，该联锁力尤其是在平直非支撑状态有助于约束整体的钻动能量。

除了图4和5所描述的最佳实施例之外，在多个载荷承载单元相互之间平衡的同时能够增加芯轴轴向拉伸承载强度的具体结构包括：

例1－1x7+5+7型，其中钢丝尺寸包括，从芯部向外，芯部钢丝的尺寸为0.0075英寸，中间钢丝的尺寸为0.0069英寸而外部钢丝的尺寸为0.006英寸。这种结构采用的钢丝由0.0075英寸的钢丝经标准拉制而成。这种芯部结构具有接近68.4磅的破坏载荷，而整个杆结构的破坏载荷在破坏之前可以拉长6.7英寸而破坏强度大约为75.7磅。这些钢丝被从0.0085英寸拉制到0.00745英寸从而具有一正常的冷处理硬度。

例2－1x7+5+7型结构，具有与例1相同的钢丝尺寸和层，但是，由0.0045英寸绞合钢丝组成的芯轴(1x7)具有更高的冷处理性能以提高钢丝在拉伸冷工艺中的硬度。中心钢丝被从0.0095英寸拉制到0.0075英寸，增大了此芯部结构的硬度，从而提高了此芯部结构的拉伸破坏载荷。这种拉制方式中的冷处理使得芯部破坏载荷为88.5磅，整个柔性杆的破坏载荷值为101.8磅，且在破坏之前拉长率为2.8％。例1和例2的弯曲杆结构具有较高的芯部轴向抗破坏拉伸强度，但是，它们的硬度要求工作曲率大约为1/2英寸。

例3－1x9+5+7型结构，该结构包括由一根0.010英寸的钢丝芯轴和八根在其上缠绕的0.006英寸钢丝而形成的芯部以及五根右旋排列的钢丝和七根左旋排列的钢丝。这种传递元件的整体破坏载荷大约为83磅，在破坏之前拉长率为3.3％。这种减小的拉长系数表明提高了拉伸的轴向克服力，正是由于提供了这些轴向承压强度值，将两层外部缠绕层保持在其结构位置，以阻止崩溃。由于0.010英寸的芯轴和八根缠绕其上的钢丝，使得这种结构需要大约为0.5英寸的工作半径。

已经发现，其他绞合钢丝结构具有高的拉伸特性并有足够的绞合钢丝具有能够承受紧急半径应用的柔韧度，但是钢丝直径尺寸较大。这些绞合钢丝具有被称为7x7和7x19的结构。这些绞合钢丝通常作为一整体使用，但是在此之前还未发现用于钻能传送设备的芯部或用作紧急半径柔性钻能传送设备的芯部轴向承压部分或特地用于向旋转输送杆芯部提供轴向承压强度。为了在紧急半径弯曲杆中以某种方式形成抗拉长力，放置在构造芯部轴向层中的绞合钢丝数目可以依据特定的工作半径和弯曲杆直径而变化，以便平衡载荷质量和外部扭矩支承载荷输出的力。这就涉及到需要钻取的弯曲钻孔的规格。可以用作紧急半径弯曲杆芯部的芯部结构例子包括1x19，7x7，7x19型，以及其他任何可以满足提供轴向承压强度，柔韧度，线性纵向排列并能够防止拉长和结构崩溃要求的结构。外部的两层线匝也可以根据钻能传送设备的直径及半径的紧急度而变化。如果需要具有较大的半径的弯曲钻孔，可以将更多的绞合钢丝添加到两层外部层的每一层中，而不会妨碍其性能。另外，如果所需具有较大的半径的弯曲钻孔，更坚硬的芯部也是适合的。在较小半径的情况下，可能需要减少外部线匝中的钢丝数目，并增加芯部钢丝的数目，该芯部钢丝由更多的轴向结构绞合而成，以提供更大的轴向强度和柔韧度来承受芯部轴向载荷，该轴向芯部载荷将两层外部线匝在其结构位置保持平衡。本发明以及在此公开的1x19+5+7型传递元件结构的最佳实施例的主题正是钻能传送设备承载工作单元相互之间的载荷，质量和力的平衡。对于本领域技术人员来说下面这一点是显而易见的，即对于不同的紧急半径弯曲钻孔要求范围，可以对这些结构之间的平衡进行调整。例如，当需要一个大于0.25英寸的半径时，可以参照承载单元的力和质量平衡原理进行调整，而当需要一个小于0.25英寸的半径时则恰好相反。这两个原理可以结合所需钻取的2毫米弯曲钻孔而加以应用。当需要同时得到不同尺寸的弯曲钻孔直径和不同半径的弯曲钻孔时，可以在不脱离本发明精神和范围的前提下对扭矩和轴向载荷柔韧性之间的平衡进行修改。因此，本发明原理可以应用到广泛的不同尺寸和构造的钻能传送设备中以及应用到不同的工作半径中。

在本申请中，载荷，力和质量的平衡关系是与能量源和工作头之间钻动能量和净作用力的传递和约束同时发生的。本发明将完成的这项工作，用于在动力源和工作头之间传递钻动能量的钻能传送设备，在此将被描述成一个具有同等功能的平衡的组合。因此功能用平衡表示，而平衡可以用承载单元的质量如何相互关联来表示。这些承载单元的质量，一个承载单元相对于其他承载单元，用矢量力模式来表示。矢量力模式可以，彼此之间相对，参照由两个承载组支承和由每根单独钢丝支承的质心来表示。各承载单元及各单独钢丝的质心可以，彼此之间相对，参照它们在整个传递元件中的相对位置来表示。相对位置与承载单元和单独钢丝有关，彼此之间相对，依据整个传递元件中力臂位置。各承载单元或各单独钢丝的杠杆作用位置可以，彼此之间相对，参照力矩杠杆的长处和短处来表示。每一个力矩杠杆，彼此之间相对，在钻能传送设备中占用一相对位置，且相对于传递元件中的该位置具有不同的力冲击。

这些力矩杠杆涉及本发明的制造方法。这些力矩杠杆包括一个质心，质心相互之间在拉伸，旋转，偏移，节距，转动角，工作节距偏移这些性能上相平衡，从而使整体疲劳寿命延长。

更具体地说，根据本发明1x19+5+7型最佳实施例中质量与功能之间的平衡，矢量力承载单元之间的平衡包括比率和百分比关系之间的某种平衡，来补充最佳实施例工作必须的功能上的平衡。这种平衡比率和百分比通常可以用相互之间平衡且与功能相平衡并具有一根芯轴钢丝的两个主要承载单元，三个次要承载单元和四个更次要的承载单元表示。

在各主要，次要，和更次要平衡中，以比率和百分比表示的与功能的特定平衡关系涉及线性横截面，横截面积，体积，质量，矢量角或节距，载荷均布，工作偏移以及优先完成的工作。这些因素中的每一个均相对于功能性输出的其他平衡。以比率和百分比表示的功能上的平衡在紧急半径弯曲钻孔钻具工作过程中在不同的工作区和不同的时间段具有不同的工作责任优先性。功能/工作的优先位置及承载平面的合适定位，支撑角，绞合钢丝变形量，以及在最佳实施例制造过程中限定的其他因素，在最佳实施例中都将组合在一起发挥作用。与功能相平衡的两个主要承载线匝各自的净力包括将传递元件中1x19拉伸芯部轴向受力区段与外部剪切扭矩承载+5+7线匝相平衡。+5+7线匝占略微超过钻能传送设备总线性横截面的50％。功能平衡比率在主要平衡之间的线性横截面上测定，表现为内部拉压纵向排列的1x19芯轴的线性横截面大约比+5+7外部螺旋扭矩旋转剪切承载线匝小10％。因此，在线性横截面中，内部拉伸力比外部扭力小10％，反过来，在线性横截面中外部扭力比内部拉力大约10％。实际上，我们使得两个主要承载单元与功能性输出相平衡。

对应于横截面积并参照平衡范围内的整体钻能传送设备，两个主要承载单元的功能相对于关系在数值上相距甚远。当将两主要承载单元平衡的线性横截面与横截面积平衡相比较时，百分比率更加分散。例如包含内部横截面积的承载单元大约占外部扭矩承载剖面的44.6％。相反地，整个钻能传送设备的外部承载扭矩横截面积大约比内部承载横截面积大224％。这意味着外部横截面积大约为内部横截面积的2.24倍，而传递元件的芯部轴向强度和内部芯轴强度部分比外部扭矩承载横截面积小2.2倍。记住下面这点很重要，当对两个主要承载单元内部与外部，外部与内部，拉力与扭力，扭力与拉力，直线的与螺旋的，螺旋的与直线的，承压件与拉伸件，拉伸件与承压件进行平衡时，这些比率和百分比的平衡是存在的，并且当对这些百分比和比率相对于功能以及功能相对于平衡进行平衡时，传递元件的工作性能是非常重要的。最佳实施例中承受拉伸力的内部1x19芯部的横截面积占钻能传送设备总横截面积的30.87％。外部螺旋的扭矩承载单元的横截面积占总横截面积的69％。涉及到线性横截面与已经与功能相平衡的两个主要承载单元之间横截面积，即1x19芯部与+5+7功能上相平衡，需要重点指出的是，在线性横截面中，线性横截面实质上仅有10％的差别，但在横截面积上，差别实质上增长到224％。这在如何根据倾斜质量对分力进行平衡中起到重要作用；相对于传递元件中不同位置的力矩杠杆作用及如何有差异地消除并协作；根据与功能的平衡接收到的力的总体平衡。当传递元件与功能相平衡时，功能以相互之间不同的质量/倾角/拉伸力关系表示。为了推断质量，对传递元件中不同受力工作单元的体积进行检测。体积表示为传递元件的每一给定高度或传递元件和一给定长度或传递元件的一给定层相对于传递元件一给定直径来表示。为了学术目的，当1x19+5+7最佳实施例与功能相平衡时，本发明的一个例子即传递元件的连续适合结构相对于高度来表示。这种为了学术目的的表示仅仅是以一种比较容易理解的方式来传递一般的平衡关系和比率，并且随着传递与直径关系发生变化平衡、数值和比率可以向上或向下进行调整。

当到达以百分比和比率表示的同等功能的平衡时，考虑不同的传递元件工作受力单元相互之间分配的空间体积也是非常重要的。在一个例子中，处于直线位置的高度作为一圆柱体，由1x19内部拉伸线匝所占的体积大约为+5+7外部扭矩线匝所占体积的1/3，相反地，+5+7外部扭矩线匝大约为1x19芯部线性拉伸线匝所占总体积的3倍。用百分比表示1x19内部线匝所占体积大约为外部扭矩工作受力区的33％，相反地，外部扭矩工作受力区大约为1x19芯部直线芯轴的353％。1x19芯轴体积大约占传递元件总体积的25％，而+5+7外部扭矩承载单元的体积占整个传递元件总体积的75％。换句话说，1x19直线拉伸线匝体积大约占传递元件总体积的1/4，而+5+7外部扭矩承载线匝的体积占整个传递元件体积的3/4，相反地，外部扭矩承载线匝的体积占整个传递元件总体积的3/4，而1x19内部拉伸线匝的体积占整个元件总体积的1/4。理解相互之间的这些百分比和比率关系非常重要，结合相互之间横截面积百分比和比率以及相互之间线性横截面积百分比和比率，当试图理解由于钢丝尺寸的不同而造成的冲击时，即当理解在直径为0.045英寸的钻能传送设备中位于不同的工作承载位置并具有不同的杠杆作用的相互排列的每一个直径为0.0045英寸，0.0065英寸和0.006英寸直径的钢丝的冲击的不同以及重要性时，可以理解表面上微小的可变性造成的主要差别的量。当根据线性横截面积、在传递元件和集束钢丝中分配空间中的横截面体积考虑这些表面上相似，表面上直径变化很小的钢丝的特性时，当在本申请中对传递元件进行功能平衡时，很明显，当这些钢丝尺寸转换到接收用来进行能量特性加工和载荷特性输出的工作载荷能量的限定中，并引入到包含在能量源与位于紧急半径弯曲钻孔钻取应用位置的工作头之间传递能量的复杂性的空间和机构关系中时，表面上很小的钢丝尺寸变化上的差异将直接转换成彼此相对的重大的性能差异。

在评估用质量来表示的平衡并理解将每个工作承载区单元放置一起的整体牵连时，理解两个主要，三个次要，四个更次要工作承载单元之间的质量关系显得非常重要。质量的比率和百分比与倾角和杠杆一起再次与功能相平衡。大约为0.0045英寸，0.0065英寸和0.006英寸的钢丝尺寸相互之间表面上很小的明显的差异，当相互之间用质量百分比和比率表示时，相互之间再次显示出显著不同。因此，从操作的观点来看，相互之间所表现出的百分比和比率上的主要差别相对于每个工作承载单元的横截面积，质量，倾角和进入钢丝的杠杆作用彼此相互叠加。因此在钻能传送设备中表示平衡及质量与功能的关系时，平衡和力叠加和叠减，因为沿紧急半径弯曲钻孔钻动反映出，在不同绞合钢丝中钢丝尺寸的微小变化，在对收到的工作载荷能量百分比和比率相对于彼此进行平衡时，会功能性地转换成很大的差异。注意到下面一点很重要，制造工艺和消除应力工序去除了钢丝中由制造过程所产生的弹簧韧度，并且与承载平面相匹配以在平面中心部形成与工作节距偏移相对应的支点，还获得了与力相对应的合适的工作承载关系，与功能的平衡具有本发明的中心性质，并包括与1x19+5+7最佳实施例相对应的本专利申请的主题。

当再次评估如在本发明中用于钻取一紧急半径弯曲钻孔的一个钻能传送设备的功能均衡要求时，该钻能传送设备可以体现在附录A，附录B，附录C，附录D的专利和产品中，传递元件工作承载功能单元相互之间的质量平衡比率和百分比关系是非常重要的，并且必须在相互之间传递。当传递元件的一部分线性渐进地和线性地进入和移出一弯曲工作位置时，两个主要，三个次要，四个更次要工作承载单元的工作载荷优先性沿钻能传送设备滑动在相互之间转换并线性改变。这种单一适合的传递元件中结构力和质量与功能之间相平衡顺利地对钻取紧急半径弯曲钻孔应用中工作载荷单元之间的工作载荷优先性进行交替使用和转换。

每个工作承载单元组中钢丝的体积同样通过使百分比和比率与功能相平衡来表示。再次为了从理论上表示本发明的结构，此处所表示的百分比和比率涉及具有给定高度的钻能传送设备。这仅从理论上表示这个独立适合结构相互之间的关系。容易理解，由于钻能传送设备的排列长度或高度及直径要求均已选定，需要不同的半径且为了特别的应用还会增加，在本申请中所表达的体积和质量将会与最终选定的层或高度成比例关系地增加和减少。因此应该明白，由于为了所确定的特殊应用对所需的弯曲钻孔和长度进行了调整，在两个主要的，三个次要的，四个更次要的承载单元中表达的相互之间承载单元的百分比和比率关系就将上下调整。包括传递元件芯轴部分的内部1x19结构大约占总质量41.6％。相反地，传递元件的+5+7外部螺旋扭矩剪切承载部分大约占总质量的57.3％。因此我们对占总质量41.6％的内部拉伸轴向受力部分与占总质量57.3％的外部螺旋扭矩剪切承载线匝相互之间的关系进行平衡。因此支承了内部拉伸线性压力强度的总质量的41.6％被19根独立的钢丝元件均分，而占总质量57.3％的外部螺旋线匝的载荷均分到12根独立的钢丝元件，以相对于内部传送传递元件的外部扭转剪切载荷。41.6％内径相对于57.3％外部堆叠之间显著差异的比率最大可大于2.3倍，内部拉伸力与外部扭矩之间机械力臂杠杆的总和达到在半径钻孔应用中实现力与功能平衡的工作载荷质量的明显的差异值。

相对于与功能平衡的三个次要承载单元的承载单元之间各体积质量平衡的总和，与功能的平衡是通过在真实的主要载荷对比情况下对以前识别的1x19芯部进行识别而评价的，但外部扭矩承载线匝的+5右旋层和+7左旋层被它们各自的承载单元钢丝质量体积数量破坏了，以进一步理解承载单元之间的关系，以及它们在钻取紧急半径弯曲孔时是如何操作的。这在理解比率和百分比之间的差异时同样重要，这样表面上很小的分别为0.0045、0.0065和0.006的钢丝的剖面直径的差异可以转换成与功能相平衡，而这些很小的直径变化上的差异也操作地转换成主要平衡功能参数。如前所述，包括1x19芯部大致占钻能传送设备总质量41.6％。因此，分配到传递元件轴向承压部分1x19芯部的质量被均分到19个独立的传递元件单元中，其中芯部占钻能传送设备总质量的41.6％。+5右旋层包括一个由5根直径为0.0065英寸的独立传递元件组成的线匝。+5右旋层占总体质量的25.1％。因此由占总质量25.1％并由0.0065英寸钢丝组成的+5右旋线匝提供外部线匝螺旋剪切力的联锁。+7左旋层包括由7根独立的传递元件组成的最外层线匝。其质量大约占总质量的32.26％。左旋排列的+7和右旋排列的+5承载单元形成了联锁结构。因此占总质量25.1％的+5右旋排列层与占总质量32.26％的+7左旋排列层在操作上联锁。相反占总质量32.26％的+7左旋排列层联锁在占总质量25.1％的+5右旋层上，而+5右旋层又联锁在+7左旋层上。

当对包括锁紧力、分力、螺旋节距和倾斜分量的钻能传送设备的更多特定因素进行评估时，有必要对具有四个更次要的工作承载单元部件的钻能传送设备进行考虑。此外1x19+5+7优选实施例中包括一根钢丝芯轴和六根围绕其右旋缠绕的排列层，加上12根围绕其左旋的排列层，加上5根围绕其右旋的排列层。同样当与功能相平衡时，考虑包括五个总的承载单元中每一个的质量非常重要。同样在这个例子中，钻能传送设备的高度或层或长度都是给定其直径的，下面的数值表明了包括传递元件的质量关系。

此外应该明白，为了表示一个钻能传送设备中不同承载单元之间与其功能相平衡的百分比和比率的差值，为此，本申请已经结合钻能传送设备进行了描述，其中该钻能传送设备的高度大约是直径的两倍。应该明白，根据所需的传递元件给定的长度，可以将给定的特定数值上下调整到任何给定的长度。这种数值上的上下调整可以相对钻能传送设备各工作承载单元相互直径的比率和百分比关系来进行，且以特定弯曲钻孔钻取设备的选取标准为基础。

在对一钻能传送设备+6右旋+12左旋+5右旋+7左旋结构之间的工作承载单元进一步平衡时，每单元组中的螺旋节距角或倾角也是一个因素。例如当平衡前述的两个主要的承载单元组，1x19内部承载单元和+5+7外部承载单元，之间的百分比率关系时，+6右旋和+6左旋承载单元的螺旋节距角均以大约12度更趋向轴向地纵向排列在钻能传送设备的芯部。因此12度排列的6根右旋钢丝以与12度排列的12根左旋钢丝相反的方向排列。这种长的节距对于包括由1x19芯部所需的轴向拉伸强度是有责任的。+5+7外部扭矩承载线匝在相反方向以较大的螺旋节距排列，对于传递传递元件的扭转剪切力特性是有责任的。+5右旋排列线匝以大约60-68度的范围排列。+7左旋排列的反向线匝以大约68-72度的范围排列。具有轴向载荷的1x19芯部与+5+7螺旋扭转载荷之间的平衡与12度内部轴向层及约60-70度的外部节距层成比例。+6右旋和+6 12的12度轴向纵向层对于层来说，纵向约为垂向的3.5-4倍。60度-72度的+5+7大约节距角大致包括一是纵向层1/2-2倍的螺旋倾斜率。内部到外部线匝的螺旋倾角的这些不同结合起来有助于各部件钢丝在它们各承载单元中与功能平衡，并包括一基本在于现有技术中的寿命周期。

此外，由承载工作组对倾角、螺旋节距、排列、体积和质量特性进行平衡也非常重要，从而使平衡与功能等同。注意到下面这点也是很重要的，将细微直径的钢丝精确控制在0.0045到0.0065的尺寸范围内是非常困难的。这意味着在制造工艺中钢丝之间会出现细微间隙。注意到下面这点也是很重要的，特别是在进出弯曲钻取位置的钻能传送设备的一部分上的力非常大，以致于消除了钢丝之间的间隙。因此，通过在紧急半径工作的柔性杆段中的工作节距角对制造节距角进行调整。由于间隙的消除并且钢丝在所有方向上并排贴靠，间隙被占据，节距角与钢丝中在制造和先前操作中所存在的间隙量成比例地增加。因此可以肯定地说，钢丝和钻能传送设备的工作节距和在弯曲处工作的钻能传送设备一部分上发生的工作节距偏移角通过传递元件的工作加以调整。此外这些还与消除制成的柔性杆的应力相结合，使倾角和节距角尽可能地靠近调整后的工作节距角，增加了传递元件的寿命周期。另外，为了制造而精确地对钢丝进行应力消除和消除弹簧韧度，排列在制造中的工作节距产生了一个柔性杆，该制造的柔性杆的节距和层在投入运行后只需很小的调整就可从制造的节距到达工作节距，传递元件旋转时发生的节距偏移或工作节距偏移尽可能地靠近质心位置。这就减少了从钢丝分子结构以紧密关系被回火和消除的操作到调整后的工作节距偏移所需的冷加工量。

应该明白，前面的描述和附图以及通过图示和示例的方式给出。还应该明白，对于本领域熟练技术人员来说显而易见的几个部件形状的改变、等同构件的替换以及部件的布置，都是考虑到的，因为它落入了由下面的权利要求限定的本发明的范围之内。

Claims (22)

1．一种柔性钻能传送设备，包括：

一包括多根第一绞合钢丝的芯部承载单元，该多根第一绞合钢丝以足够在旋转的钻动力作用下传递预定的拉伸和承压载荷的螺旋角定尺寸和排列，及

一包括多根第二绞合钢丝的外部线匝承载单元，该多根第二绞合钢丝以足够在旋转的钻动力作用下传递预定的扭矩载荷的螺旋角定尺寸和排列，

所述承载单元的力场和质量分布被功能性地平衡，使所述第一承载单元克服轴向力的破坏在结构上支撑所述第二承载单元，所述第二承载单元克服旋转方向扭力的破坏在结构上支撑所述第一承载单元，并为其保持纵向支撑。

2．一种用于紧急半径旋转钻动的多绞合柔性钻能传送设备，包括：

一个由多根第一绞合钢丝组成的芯部结构，该多根第一绞合钢丝包括一第一承载单元，该第一承载单元用于在旋转钻动力作用下传递拉伸和承压载荷，

所述多根第一绞合钢丝通常轴向定向并以一平直的螺旋角排列，

一围绕所述芯部并由多根第二绞合钢丝组成的外部线匝结构，该多根第二绞合钢丝包括一第二承载单元，用于在旋转钻动力作用下传递旋转扭矩载荷，

所述多根第二绞合钢丝通常圆周方向定向并以一较大的螺旋角排列，

所述第一和第二承载单元的力场和质量分布被功能性地平衡，使所述第一承载单元克服轴向力的破坏在结构上支撑所述第二承载单元，而所述第二承载单元克服旋转方向扭力的破坏在结构上支撑所述第一承载单元，并为其保持纵向支撑。

3．如权利要求2所述的钻能传送设备，其特征在于：

所述多根第一绞合钢丝以足够在旋转钻动力作用下传递预定的拉伸和承压载荷的螺旋角定尺寸和排列，及

所述的多根第二绞合钢丝以足够在旋转钻动力作用下传递预定的扭矩载荷的螺旋角定尺寸和排列。

4．如权利要求3所述的钻能传送设备，其特征在于：

所述多根第一绞合钢丝包括一单独的绞合钢丝芯轴和以一平直的螺旋角排列其上的方向相反的第一和第二内部螺旋绞合线匝，形成一联锁结构，用于传递轴向载荷。

5．如权利要求4所述的钻能传送设备，其特征在于：

所述多根第二绞合钢丝包括以一较大的螺旋角排列的方向相反的第一和第二外部螺旋绞合线匝，形成一联锁结构，用于传递扭矩载荷。

6．如权利要求3所述的钻能传送设备，其特征在于：

所述钻能传送设备具有一给定的总质量，且所述第一和第二承载单元包括主要承载单元，

所述第一承载单元的质量占总质量的大约41.6％，及

所述第二承载单元的质量包括总质量的剩余部分。

7．如权利要求6所述的钻能传送设备，其特征在于：

所述第二承载单元包括分开的径向连续第一和第二反向缠绕螺旋扭矩线匝，每一个线匝均包含多根绞合钢丝，

所述第一扭矩线匝包括一约占总质量25.1％的中间扭矩线匝，及

所述第二扭矩线匝包括一约占总质量32.2％的外部扭矩线匝。

8．如权利要求7所述的钻能传送设备，其特征在于：

所述第一承载单元包括一芯轴绞合钢丝和反向缠绕的内层、外层螺旋芯部线匝，每一个线匝均包含多根绞合钢丝，

所述内层芯部线匝占总质量的12.6％，

所述外层芯部线匝占总质量的27％，而

所述芯轴绞合钢丝占总质量的1.8％。

9．如权利要求8所述的钻能传送设备，其特征在于：

所述中间扭矩线匝包括五根右旋排列的绞合钢丝，

所述外部扭矩线匝包括七根左旋排列的绞合钢丝，

所述内层芯部线匝包括六根右旋排列的绞合钢丝，

所述外层芯部线匝包括十二根左旋排列的绞合钢丝。

10．如权利要求5所述的钻能传送设备，其特征在于：

所述第一和第二内层螺旋绞合线匝以10-15度的螺旋角排列，而

所述第一和第二外层螺旋绞合线匝分别以60-68度和68-72度螺旋角排列。

11．如权利要求8所述的钻能传送设备，其特征在于：

所述内层和外层芯部线匝以10-15度的螺旋角排列，而

所述中间和外部扭矩线匝分别以60-68度和68-72度的螺旋角排列。

12．一种用于构造钻能传送设备的方法，包括：

由多根绞合钢丝绕一单独的钢丝芯轴以10-15度的螺旋角沿第一方向形成一第一线匝，

将由多根绞合钢丝组成的第二线匝沿相反方向以10-15度的螺旋角排列在所述第一线匝上，

将由多根绞合钢丝组成的第三线匝沿所述第一方向以60-68度的螺旋角排列在所述第二线匝上，

将由多根绞合钢丝组成的第四线匝沿所述相反方向以68-72度的螺旋角排列在所述第三线匝上。

13．一种柔性钻能传送设备，包括：

一用于在钻动力作用下传递轴向拉伸和承压载荷的芯部承载单元，和外部线匝扭矩传递承载单元，

所述芯部承载单元包括一单独的绞合钢丝芯轴，一由六根绞合钢绳右旋排列而成的第一线匝和一由十二根绞合钢绳左旋排列而成的第二线匝，

所述外部线匝承载单元包括一由五根绞合钢丝沿右旋方向排列在所述十二根绞合钢线匝上而形成的第一外部线匝和由七根绞合钢丝沿左旋方向排列在所述五根绞合钢线匝上而形成的第二外部线匝。

14．如权利要求13所述的钻能传送设备，其特征在于：

所述钻能传送设备的总体直径为0.045英寸，

所述六根和所述十二根绞合钢丝线匝以10-15度的螺旋角排列，

所述五根绞合钢丝线匝以60-68度的螺旋角排列，

所述七根绞合钢丝线匝以68-72度的螺旋角排列。

15．如权利要求14所述的钻能传送设备，其特征在于：

所述芯轴，所述六根绞合钢丝线匝和所述十二根绞合钢丝线匝包括直径为0.0045英寸的钢丝，

所述五根绞合钢丝线匝包括直径为0.0065英寸的钢丝，及

所述七根绞合钢丝线匝包括直径为0.006英寸的钢丝。

16．一种用于将切削头联结到具有给定直径的柔性旋转杆端部的刚性构件，包括：

位于所述切削头上的一中空圆柱形茎干，

所述中空茎干的内径设置成能够紧密地容纳所述杆端部的一部分；并且

至少一个熔焊焊缝延伸穿过所述茎干体进入所述杆的中心区域。

17．如权利要求16所述的构件，其特征在于：所述熔焊焊缝包括多个在所述茎干壁上周向间隔的径向熔融区，

所述熔融区从茎干的外表面延伸到所述杆的芯部。

18．一种用于将切削头联结到具有给定直径的柔性旋转杆端部的刚性构件，包括：

一位于所述切削头上的中空圆柱形茎干，

所述茎干的内径设置成能够紧密地容纳所述杆端部的一部分，

一在所述切削头上位置紧邻所述中空茎干底部的肩部，及

至少一个熔焊焊缝倾斜穿过所述肩部进入所述杆的芯部。

19．一种用于将切削头联结到具有给定直径的柔性旋转杆端部的刚性构件，包括：

一个位于所述切削头上的茎干，该茎干的直径与所述杆的直径相等并适于与所述杆的端部紧密配合，

一个中空的圆柱形套管，该套管的内径被设置成能够以紧密配合容纳所述杆和所述茎干，及

至少一个熔焊焊缝延伸穿过所述套管体进入所述茎干和所述杆缩结端面的中心区。

20．如权利要求19所述的构件，其特征在于：所述熔焊焊缝包括多个在所述套管壁上圆周方向间隔的径向熔融区域。

21．如权利要求19所述的构件，其特征在于：所述熔焊焊缝位置与邻接所述切削头的所述套管的一端毗邻。

22．如权利要求20所述的构件，包括：

一个安装在所述套管外侧的刚性挡圈，用于与钻具的钻孔网格接触。

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