CN101341310B - 一种用于牙轮钻头的加长型密封轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于在地壳上钻井的牙轮钻头的轴承和密封，特别是一种用于牙轮钻头的加长型密封轴承，包括有牙掌(2)与套装于牙掌(2)悬臂轴上的牙轮(1)，其特征在于牙轮端面(13)设置牙轮端面圆周凹槽(3)，内置密封结构；设置牙轮大轴承加长部分(12)；对应于牙轮(1)的牙掌(2)在悬臂轴根部的外围有一个牙掌凸起圆环(11)。采用加长型密封轴承结构，既可以得到充足的密封空间，又可以获得足够长的轴承载荷接触线长度，有效地降低轴承端部奇异分布的高接触应力；加长型大轴承的直径相对减小，在同样的牙轮转速下，可以降低轴承转动的线速度；在牙轮端部充足的密封空间用于恶劣工作条件下的牙轮钻头密封，可以采用多级密封结构。
Description
技术领域
本发明涉及用于在地壳上钻井的牙轮钻头的轴承和密封，特别是一种用于牙轮钻头的加长型密封轴承。
背景技术
牙轮钻头作为一种在地壳上钻井的工具已被广泛应用。典型的牙轮钻头上端部分与钻杆柱相连接，下端部分包括若干条臂(通常为三条)，每条臂带有转轴，其轴径向内和向下伸出，形成牙掌悬臂轴。锥形牙轮安装在每条悬臂轴上，在牙轮与悬臂轴之间装有一组轴承支撑其旋转。轴承结构分为敞开型轴承结构和密封型轴承结构。根据径向轴承的结构，密封型轴承结构又分为密封滑动轴承结构和密封滚动轴承结构。
敞开型轴承结构的牙轮钻头，采用无密封的径向滚柱轴承结构，其优点是：省去的密封空间可用于加长滚柱轴承的长度，因而提高了牙轮钻头的承载能力。缺点是缺少润滑，轴承易于磨损；钻井中的岩屑也容易从轴承的敞开处侵入轴承腔体，导致轴承的早期磨损。采用密封型轴承结构的牙轮钻头，其轴承具有相对良好的润滑性能。然而，一旦密封部件失效，钻井岩屑通过其间隙进入支承表面，将会破坏轴承，引起钻头的早期失效。所以很多研究工作集中在加强密封结构上。美国专利NO.6695079中公布采用双密封结构，以提高密封的工作寿命。但是加强了的密封结构所占据的空间相对较大，因而缩短了大轴承的支撑长度，降低了轴承的承载能力。所以需要平衡设计轴承寿命和密封寿命，但目前此类牙轮钻头的轴承或密封的早期失效仍然是其寿命低的主要原因。
发明内容
本发明的目的就是设计一种用于牙轮钻头的加长型密封轴承结构，以解决上述密封轴承寿命低的技术问题，并适用于高载荷的工作环境。
本发明的技术方案是：采用一种加长型密封轴承结构，既可以得到充足的密封空间，又可以获得足够长的轴承载荷接触线长度，有效地降低轴承端部奇异分布的高接触应力。
一种用于牙轮钻头的加长型密封轴承，包括有牙掌(2)与套装于牙掌(2)悬臂轴上的牙轮(1)，其特征在于牙轮端面(13)设置牙轮端面圆周凹槽(3)，内置密封结构；设置牙轮大轴承加长部分(12)；对应于牙轮(1)的牙掌(2)在悬臂轴根部的外围有一个牙掌凸起圆环(11)。
密封牙轮钻头的轴承结构主要由牙掌(2)上的悬臂轴与牙轮(1)的内孔所形成的3个滑动轴承所构成，包括大轴承、小轴承和止推轴承。其中，大轴承和小轴承主要承受径向负荷；止推轴承主要承受轴向负荷。锁紧钢球(6)用来防止钻头工作时牙轮从牙掌轴颈上脱落下来。本发明的特征在于，大轴承采用加长型密封轴承结构，在牙轮端面(13)设置牙轮端面圆周凹槽(3)，内置密封结构，这样使牙轮与牙掌悬臂轴之间载荷接触线(14)延伸到密封结构的内径以内，形成了的牙轮大轴承加长部分(12)，加长了的牙轮与牙掌悬臂轴之间载荷接触线(14)可以有效增加大轴承的承载能力；对应于牙轮的结构，牙掌(2)在悬臂轴根部的外围有一个牙掌凸起圆环(11)，用于与密封部件之间形成密封支撑。迷宫型密封部件(7)和橡胶密封部件(8)主要起密封作用，阻止外部岩屑侵入轴承，同时防止轴承内的润滑剂流失。外密封挡环(9)和内密封挡环(10)用于固定密封部件。
本发明的主要优点在于：
1、加长型轴承结构可以有效降低密封牙轮钻头中大轴承上的接触应力，特别是轴承端部奇异分布的高接触应力。
2、加长型大轴承的直径相对减小，在同样的牙轮转速下，可以降低轴承转动的线速度。
3、在牙轮的端部可以给出足够的密封空间用于恶劣工作条件下的牙轮钻头密封，可以采用多级密封结构。
4、采用迷宫型密封与橡胶密封相结合的密封方式，可以阻止外部岩屑侵入轴承，同时防止轴承内的润滑剂流失。
附图说明
图1为采用牙轮与牙掌悬臂轴直接滑动接触的加长型轴承结构。
图2为图1牙轮端面圆周凹槽和牙轮大轴承加长部分局部放大结构。
图3为设置大滑动轴套的滑动加长型轴承结构。
图4为设置滚柱的滚动加长型轴承结构。
其中，牙轮1、牙掌2、牙轮端面圆周凹槽3、小滑动轴承套4、圆形止推垫圈5、锁紧钢球6、迷宫型密封部件7、橡胶密封部件8、外密封挡环9、内密封挡环10、牙掌凸起圆环11、牙轮大轴承加长部分12、牙轮端面13、牙轮与牙掌悬臂轴之间载荷接触线14、牙轮与大滑动轴套之间载荷接触线15、牙掌悬臂轴与大滑动轴套之间载荷接触线16、大滑动轴套17、滚柱18、牙轮与滚柱之间载荷接触线19、牙掌悬臂轴与滚柱之间载荷接触线20、L1-牙轮大轴承加长部分的长度、L2-牙轮用于密封空间部分的长度(牙轮端面到圆周凹槽底部的长度)。
具体实施方式
在本发明的范围内，牙轮钻头上的每个牙轮内的轴承及密封结构是基本相同的，因此结合附图只对其中一个牙轮内部结构进行详细说明。根据大轴承的结构，采用加长型轴承结构的牙轮钻头分为三种形式：采用牙轮与牙掌悬臂轴直接滑动接触的加长型轴承结构、设置大滑动轴套(17)的滑动加长型轴承结构和设置滚柱(18)的滚动加长型轴承结构。
对于采用牙轮与牙掌悬臂轴直接滑动接触的加长型轴承结构，在牙掌(2)上的悬臂轴与牙轮(1)的内孔形成3个滑动轴承，大滑动轴承、小滑动轴承和止推轴承；其中，牙轮与牙掌悬臂轴直接滑动接触形成的大轴承和设置小滑动轴承套(4)的小轴承主要承受径向负荷；而用于止推轴承的圆形止推垫圈(5)主要承受轴向负荷；锁紧钢球(6)用来防止钻头工作时牙轮从牙掌悬臂轴上脱落下来。
大轴承采用加长型密封轴承结构，在牙轮端面(13)设置牙轮端面圆周凹槽(3)，内置密封结构，这样使牙轮与牙掌悬臂轴之间载荷接触线(14)(如图1)延伸到密封结构的内径以内，形成了的牙轮大轴承加长部分(12)，加长了的载荷接触线可以有效增加大轴承的承载能力；大轴承的工作长度比以前密封大轴承的长度加长了L1(牙轮大轴承加长部分的长度)，其轴承加长部分的长度L1可以小于、等于甚至大于牙轮用于密封空间部分的长度L2；牙轮大轴承加长部分(12)的断面形状可以是长方形，也可以是梯形；图中给出的梯形牙轮大轴承加长部分(12)有一个斜度，靠近牙轮端面部分较窄，而远离端面部分较宽。
对应于牙轮的结构，牙掌(2)在悬臂轴根部的外围有一个牙掌凸起圆环(11)，用于与密封部件之间形成密封支撑，该牙掌凸起圆环(11)可以在牙掌部件上直接机械加工生成，也可以采用镶嵌的方法，组合而成；与牙轮大轴承加长部分(12)所采用的形状相匹配，牙掌凸起圆环(11)的断面可以是长方形，也可以是相对应的梯形；图中给出的梯形的牙掌凸起圆环(11)有一个对应斜度，靠近牙掌体部分较宽，而伸出的外端面较窄。
可以采用表面强化工艺强化牙轮(1)的内孔、牙轮大轴承的加长部分(12)、牙掌(2)上的悬臂轴和牙掌凸起圆环(11)生成的密封支撑面。
在充足的密封空间里，可以采用多级密封方式，这里给出的是采用双级密封结构；外层密封结构由迷宫型密封部件(7)、外密封挡环(9)以及牙掌凸起圆环(11)组成迷宫型密封方式，主要作用是阻止或减缓外部岩屑侵入；内层密封结构由橡胶密封部件(8)、内密封挡环(10)以及牙掌凸起圆环(11)组成橡胶密封方式，主要作用是防止轴承内的润滑剂流失及外部岩屑侵入。
可以采用静配合的方式或者螺纹配合的方式，将外密封挡环(9)和内密封挡环(10)与牙轮固定在一起；迷宫型密封部件(7)、外密封挡环(9)和内密封挡环(10)选用高强高耐磨材料。
由于采用该种加长型轴承结构，在密封空间处的牙轮对应于牙掌的相对位移较小，所以可以采用迷宫型的密封结构。
该加长型密封轴承结构也可以增加设置大滑动轴套(17)，如图3所示；这样可以增加牙轮(1)与大滑动轴套(17)之间载荷接触线(15)以及牙掌(2)悬臂轴与大滑动轴套(17)之间载荷接触线(16)的长度，同样具有上述加长型轴承结构的优点。
图4为采用滚柱(18)的加长型滚动轴承结构。该轴承结构是增加设置了长型滚柱(18)代替图3中的大滑动轴套(17)，同样增加了牙轮(1)与滚柱(18)之间载荷接触线(19)以及牙掌(2)悬臂轴与滚柱(18)之间载荷接触线(20)的长度，优点与上相同。
Claims (3)
1.一种用于牙轮钻头的加长型密封轴承，包括有牙掌(2)与套装于牙掌(2)悬臂轴上的牙轮(1)，其特征在于牙轮端面(13)设置牙轮端面圆周凹槽(3)，所述凹槽内置密封结构；设置牙轮大轴承加长部分(12)；对应于牙轮(1)的牙掌(2)在悬臂轴根部的外围有一个牙掌凸起圆环(11)。
2.按权利要求1所述的一种用于牙轮钻头的加长型密封轴承，其特征在于所述密封结构采用两级密封，外层密封结构由迷宫型密封部件(7)、外密封挡环(9)以及牙掌凸起圆环(11)组成迷宫型密封；内层密封结构由橡胶密封部件(8)、内密封挡环(10)以及牙掌凸起圆环(11)组成橡胶密封。
3.按权利要求1或2所述的一种用于牙轮钻头的加长型密封轴承，其特征在于大轴承是设置大滑动轴套(17)的滑动轴承或是设置滚柱(18)的滚动轴承。
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