CN102287139A - 牙轮钻头金属浮动密封装置 - Google Patents

Abstract

一种牙轮钻头金属浮动密封装置，主要由动密封环(1)、静密封环(2)和异型橡胶密封圈(3)组成，其中：动密封环(1)所处的牙轮(4)内孔的外端部位与牙掌轴颈(5)根部构成密封腔(6)，将由动密封环(1)、静密封环(2)和异型橡胶密封圈(3)组成的金属密封装置安装在密封腔(6)内，动密封环(1)与牙轮(4)内孔过盈配合，其另一端与牙轮(4)内孔台肩接触，动密封环(1)、静密封环(2)的端面构成密封面，异型橡胶密封圈(3)被静密封环(2)压缩于根部环形凹槽(51)内。本发明改进了牙轮(4)的结构，简化了密封结构，加工更方便，降低了制造成本，增加了密封的可靠性，降低了磨损，提高了耐磨性能及使用寿命。

Description

牙轮钻头金属浮动密封装置

技术领域

本发明涉及一种牙轮钻头金属密封装置，尤其是用于石油、天然气、矿山、水井及地质钻探用的牙轮钻头轴承部位密封的牙轮钻头金属浮动密封装置。

背景技术

金属浮动密封是一种具有良好的耐高温、耐磨性能的密封结构，广泛应用于石油、矿山、等领域的恶劣工况场合，其作用是防止密封腔内的润滑油泄漏，阻止外部杂质的侵入，保证被密封的机件(如轴承等)在良好的环境条件下工作，以延长使用周期。早期使用的浮动密封为双O型橡胶圈结构，即采用两个硬度很高的金属端面密封环和两个O型橡胶密封圈构成密封装置，结构对称，两个密封环一个旋转一个静止，靠接触面的轴向压力压紧形成端面密封，该密封结构称为双金属浮动密封。由于牙轮钻头在井下工作时，转速要求较高，钻头轴承密封系统空间小，还要承受重载及振动，双金属密封结构中的一只橡胶圈也要高速旋转，就使轴承和密封元件的摩擦磨损加剧，降低了工作寿命，因此双金属密封存在密封结构较复杂、密封结构轴向尺寸较大、泥浆易侵入导致密封圈受腐蚀等不足。为了克服双金属密封的缺点，出现了单金属密封结构，这种密封结构减少了一只需要旋转的橡胶圈，有助于提高密封性能和钻头使用的可靠性，同时减小了轴向尺寸，使牙轮钻头的滑动轴承有更大的承载面积。

在中国专利CN1069557A中提出了单金属密封结构，但是其O型密封圈仍然易受泥浆腐蚀，致使O型密封圈不能长时间保持足够的弹性力。另外，与密封环贴合的牙轮内孔台肩面要成为高精度的密封面加工难度大，且耐磨性也不好。另一件中国专利CN2099225U对上述专利结构作了改进，在内孔台肩上装了一个全接触的密封垫，但需要在内孔台肩面上加工放置密封垫的凹槽，虽然节省了密封结构轴向尺寸，但同样加工难度大、不能满足高精度的配合要求。在中国专利CN200982158提出的技术，虽然通过增加辅助密封垫和牙轮内孔压入环，解决了牙轮内孔台肩面的加工和耐磨问题，提高了密封的可靠性，但是仍然需要加工牙掌轴颈上的容纳O型密封圈的斜面，加工难度大、装配精度高的缺点依然存在，而且辅助密封垫和O型圈的匹配也是个问题。美国专利US7,413,037中提出的技术，仅仅对辅助密封垫牙轮内孔压入环的结构做了优化，但是还是存在牙掌轴颈加工难度大、O型橡胶圈容易磨损，辅助密封垫和O型圈的不易匹配的问题。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的是针对上述现有金属浮动密封存在的不足，采用一个异型橡胶密封圈代替橡胶O型圈和支撑橡胶圈的方式，设计了一种牙轮钻头金属浮动密封装置。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种牙轮钻头金属浮动密封装置，主要由动密封环(1)、静密封环(2)和异型橡胶密封圈(3)组成，其中：动密封环(1)所处的牙轮(4)内孔的外端部位与牙掌轴颈(5)根部构成密封腔(6)，由动密封环(1)、静密封环(2)和异型橡胶密封圈(3)组成的金属浮动密封装置安装在密封腔(6)内，动密封环(1)与牙轮(4)的内孔(11)过盈配合，动密封环(1)的另一端面与牙轮(4)内孔台肩接触，动密封环(1)随牙轮(4)一起转动，动密封环(1)、静密封环(2)的端面相配合，构成相对转动的密封面，异型橡胶密封圈(3)被静密封环(2)压缩于牙掌轴颈(5)上。

所述的牙掌轴颈(5)和静密封环(2)的内锥面之间装有异型橡胶密封圈(3)，异型橡胶密封圈(3)的密封面包括端面(31)、锥面(32)和外圆面(33)，在锥面(32)上有环状凸起(34)，异型橡胶密封圈(3)与静密封环(2)之间形成静密封面。

所述的异型橡胶密封圈(3)的锥面(32)，其轴截面倾斜的角度小于静密封环(2)的内锥面倾斜角度。

所述的牙掌轴颈(5)为圆柱形，牙掌根部有环形凹槽(51)，异型橡胶密封圈(3)嵌入在牙掌轴颈(5)根部的环形凹槽(51)内并紧套在牙掌轴颈(5)上。

所述的静密封环(2)的外圆面为阶梯状，静密封环(2)与动密封环(1)接触的端面外径要大于静密封环(2)另一个端面的外径。

所述的动密封环(1)与静密封环(2)由不锈钢、硬质合金、高速钢等材料制成，在动密封环(1)与静密封环(2)的端面上有硬陶瓷材料或金刚石类超硬材料涂层。

所述的异型橡胶密封圈(3)由橡胶等弹性材料制成。

本发明包括动密封环、静密封环和异型橡胶密封圈。动密封环与牙轮内孔为过盈配合，动密封环的另一端面与牙轮内孔台肩接触，动密封环随牙轮一起转动。动密封环、静密封环的端面相配合，构成相对转动的密封面。异型橡胶密封圈套在牙掌轴颈上，底部嵌在牙掌轴颈的根部凹槽内，在钻头工作过程中，异型橡胶密封圈套不在牙掌轴颈上运动，同时与静密封环之间的摩擦力也阻止了静密封环的旋转运动。在牙掌轴颈和静密封环之间装有异型橡胶密封圈，异型橡胶密封圈的端面和锥面与静密封环构成静密封，阻止泥浆和岩屑侵入密封腔，同时对静密封环施加轴向力，使动密封环、静密封环紧密接触形成密封面，防止外部泥浆的侵入和润滑脂漏失。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点和效果：

1、本发明采用一个异型橡胶密封圈代替金属密封中的橡胶O型圈和支撑橡胶圈，简化了密封结构；

2、本发明牙掌轴颈由原来的复杂曲面简化为圆柱面，加工更方便，降低了制造成本；

3、本发明的异型橡胶环密封圈的端面和锥面与静密封环紧密贴合形成静密封面。锥面上有环状凸起，能起到橡胶O型圈密封的作用。由于锥面橡胶的支撑作用，使凸起能以较小的变形提供更大的的轴向密封力。端面与静密封环之间的密封能阻止泥浆进入锥面和凸起与静密封环之间组成的密封面，增加了密封的可靠性；

4、本发明异型橡胶密封圈套在牙掌轴颈上，并被静密封环紧紧压在牙掌根部的环形凹槽里，运行过程不在轴颈上运动，减小了其与牙掌轴颈之间的磨损，提高了使用寿命。

5、本发明增加了静密封环与动密封环端面之间的接触长度，减小了接触比压，降低了磨损。

6、本发明静密封环与动密封环端面采用硬陶瓷材料或金刚石类超硬材料涂层，提高了耐磨性能。

附图说明

图1是三牙轮钻头外观示意图

图2是牙轮钻头轴截面示意图

图3是本发明的结构示意图

图4是本发明结构局部结构放大图

图5是本发明异型橡胶密封圈结构剖面图

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的结构。

由图1至图5示出，一种牙轮钻头金属浮动密封装置，主要由动密封环1、静密封环2和异型橡胶密封圈3组成，其中：动密封环1所处的牙轮4内孔的外端部位与牙掌轴颈5根部构成密封腔6，由动密封环1、静密封环2和异型橡胶密封圈3组成的金属浮动密封装置安装在密封腔6内，动密封环1与牙轮4的内孔11过盈配合，动密封环1的另一端面与牙轮4内孔台肩接触，动密封环1随牙轮4一起转动，动密封环1、静密封环2的端面相配合，构成相对转动的密封面，异型橡胶密封圈3被静密封环2压缩于牙掌轴颈5上。

如图1所示为本发明所应用的三牙轮钻头，三牙轮对称分布。图2为单个牙轮轴截面的示意图，可以看出本发明所设计的密封结构处于牙轮4与牙掌轴颈5的根部之间。

如图3所示，本发明包括动密封环1、静密封环2、异型橡胶密封圈3，动密封环1的上端面与静密封环2的下端面相配合，构成相对转动的密封端面。动密封环1与牙轮4内孔为过盈配合，能随着牙轮4一起转动，动密封环1的下端面与牙轮4内孔台肩面接触。在牙掌轴颈5根部的环形凹槽51、牙掌轴颈5的轴颈和静密封环2的锥面21之间装有异型橡胶密封圈3。

如图4所示，安装时先把动密封环1压入牙轮4的内孔11，保证过盈配合，然后在牙掌轴颈5的轴颈上依次套上异型橡胶密封圈3、静密封环2、带有动密封环1的牙轮4，装入锁紧滚珠12即完成安装。当静密封环2挤压异型橡胶密封圈3的锥面和上面的环状突起34时，异型橡胶密封圈3能对静密封环2施加一轴向力，使静密封环2与转动的动密封环1端面紧密接触，形成动密封，防止润滑脂漏失。由于锥面环状突起34受到异型橡胶密封圈3底部橡胶的支撑，不会沿轴向移动，不但能产生更大的轴向力，而且不易磨损。静密封环2和异型橡胶密封圈3的端面接触，所形成的密封面能进一步阻止泥浆和岩屑侵入密封腔，同时也可对静密封环2施加一辅助轴向力，使密封更加可靠。动密封环1和静密封环2的接触密封面为平面，静密封环端面3的内侧为斜面，能使润滑脂进入该接触密封面。动密封环1和静密封环2都是由硬质合金材料、不锈钢，或者其他金属材料制成，表面有硬陶瓷材料或金刚石类超硬材料涂层，具有更好的耐磨性能。静密封环2的外圆面为阶梯状，动密封环1和静密封环2接触端面的宽度大于静密封环2另一个端面的宽度，通过增大接触宽度，能降低动密封环1和静密封环2之间的接触比压，减小磨损。牙掌轴颈5为圆柱面，降低了加工难度。动密封环1、静密封环2相对应的牙掌轴颈表面应通过磨削加工保证较高的表面光洁度，而安装异型橡胶密封圈的轴颈面则无须磨削加工，较为粗糙的表面有利于增大与异型橡胶圈3的摩擦力。

如图5所示，异型橡胶密封圈3由橡胶等弹性材料制成，异型橡胶密封圈3的密封面主要由端面31、锥面32和外圆面33组成。异型橡胶密封圈3的锥面32，其倾斜的角度小于静密封环2的内锥面21倾斜角度。在锥面上有环状凸起34，凸起34的轴截面呈圆弧形，与锥面相接处平滑过渡。端面31、锥面32和外圆面33分别与静密封环2的端面、锥面和凹槽边缘之间形成静密封面。异型橡胶密封圈3对静密封环2的摩擦力能有效的阻止静密封环2在牙轮4钻头工作过程中随动密封环1的旋转运动。

Claims (7)

1.一种牙轮钻头金属浮动密封装置，主要由动密封环(1)、静密封环(2)和异型橡胶密封圈(3)组成，其特征在于：动密封环(1)所处的牙轮(4)内孔的外端部位与牙掌轴颈(5)根部构成密封腔(6)，由动密封环(1)、静密封环(2)和异型橡胶密封圈(3)组成的金属浮动密封装置安装在密封腔(6)内，动密封环(1)与牙轮(4)的内孔(11)过盈配合，动密封环(1)的另一端面与牙轮(4)内孔台肩接触，动密封环(1)随牙轮(4)一起转动，动密封环(1)、静密封环(2)的端面相配合，构成相对转动的密封面，异型橡胶密封圈(3)被静密封环(2)压缩于牙掌轴颈(5)上。

2.根据权利要求1所述的牙轮钻头金属浮动密封装置，其特征在于：所述的牙掌轴颈(5)和静密封环(2)的内锥面之间装有异型橡胶密封圈(3)，异型橡胶密封圈(3)的密封面包括端面(31)、锥面(32)和外圆面(33)，在锥面(32)上有环状凸起(34)，异型橡胶密封圈(3)与静密封环(2)之间形成静密封面。

3.根据权利要求2所述的牙轮钻头金属浮动密封装置，其特征在于：所述的异型橡胶密封圈(3)的锥面(32)，其轴截面倾斜的角度小于静密封环(2)的内锥面倾斜角度。

4.根据权利要求1所述的牙轮钻头金属浮动密封装置，其特征在于：所述的牙掌轴颈(5)为圆柱形，牙掌根部有环形凹槽(51)，异型橡胶密封圈(3)嵌入在牙掌轴颈(5)根部的环形凹槽(51)内并紧套在牙掌轴颈(5)上。

5.根据权利要求1所述的牙轮钻头单金属浮动密封装置，其特征在于：所述的静密封环(2)的外圆面为阶梯状，静密封环(2)与动密封环(1)接触的端面外径要大于静密封环(2)另一个端面的外径。

6.根据权利要求1所述的牙轮钻头金属浮动密封装置，其特征在于：所述的动密封环(1)与静密封环(2)由不锈钢、硬质合金、高速钢等材料制成，在动密封环(1)与静密封环(2)的端面上有硬陶瓷材料或金刚石类超硬材料涂层。

7.根据权利要求1所述的牙轮钻头金属浮动密封装置，其特征在于：所述的异型橡胶密封圈(3)由橡胶等弹性材料制成。

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