CN105051312A - 具有径向自对准金属面密封的牙轮钻头 - Google Patents
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Abstract
一种密封系统包括在锥体内的第一压盖和在轴区内的第二压盖。第一环被安装在第一压盖内，第二环被安装在第二压盖内，并且第三环被定位在第一环与第二环之间。第一环和第三环存在一对金属密封面。第三环通过一组安装销被安装到第二环，该组安装销允许第三环的轴向运动。偏压弹簧安装在第二环内并且被配置为抵靠第三环施加轴向力，以保持金属密封面处于密封接触。第三压盖形成在第二环与第三环之间，其中O形环密封构件被安装到第三压盖内并且在第二环与第三环之间以密封关系被压缩。
Description
技术领域
本发明涉及土钻钻头，并且更具体地涉及具有可旋转刀具(也被称为锥体)的钻头。
背景技术
带有滚动体刀具的土钻钻头具有轴承，所述轴承采用滚子作为载荷承载元件，或使用轴颈作为载荷承载元件。在过去五十多年里，在这种牙轮钻头轴承内使用密封装置已显著地提高了轴承寿命。
早期用于牙轮钻头的密封件是通过包覆有弹性体的金属蝶形(Belleville)弹簧设计的，所述弹性体通常为丁腈橡胶(NBR)。该金属弹簧为密封表面提供激励力(energizingforce)，并且橡胶涂层抵靠头部和锥体的金属表面进行密封，并且提供在相对粗糙的表面上的密封，因为在密封表面上的微观粗糙结构中填充的橡胶涂层具有顺从性能。这种类型的蝶形密封件主要被应用在具有滚子轴承的牙轮钻头中。由于弹性体的磨损，在相当短的操作时间后密封将失效，导致容纳在轴承腔内的润滑剂流失。在没有润滑剂的益处下，钻头将继续利用滚子轴承运行一段时间。
当O形环式的密封件被引入时，牙轮钻头密封出现了重大的进步。这些密封件由丁腈橡胶组成，并且具有圆形横截面。该密封件被装配到由头部与锥体轴承之间的圆柱表面形成的径向压盖内，并且就所测量的密封件的横截面而言，所形成的环形的尺寸比原始尺寸小。然后O形环密封件在圆柱表面之间被径向挤压。
为了使滑动摩擦力和所导致的发热及磨损量最小化，通常为旋转式O形环提供最小量的径向压缩。然而，往复式(蝶形)密封件必须具有大得多的径向压缩，以便在轴向滑移期间排除来自密封区域的污染物(通常大约两倍压缩)。牙轮钻头密封必须既在相对的头部/锥体轴向运动期间排除污染物，又在旋转期间使磨损量最小化。
现参考图1，其图示说明土钻钻头的现有技术配置。图2示出现有技术配置的特写示图，其关注与安装在钻头头部8的轴6上的旋转锥体4有关的密封系统2的区域。O形环密封件10被嵌入密封压盖12内，并且在锥体密封表面14与头部密封表面16之间被挤压。
现参考图3，其图示说明土钻钻头的现有技术配置。图4示出现有技术配置的特写示图，其关注与安装在钻头头部28的轴26上的旋转锥体24有关的密封系统22的区域。第一环30被压配到在锥体24中形成的压盖32内。第一环30存在第一金属密封面34。第二环36也被放置在压盖32中。第二环36存在第二金属密封面38。激励(energizing)结构40也被放置在压盖32中并且被配置为抵靠第二环36的背部表面42施加轴向力和径向力的组合，以推动第二金属密封面38与第一金属密封面34接触。图4中所示的结构示出众所周知的单一增能器类型的金属面密封系统。
在金属面密封结构的所有配置中，必须通过增能结构40为密封系统22提供充足的力，以保持(第二金属密封面38与第一金属密封面34之间)充分的密封接触，并且进一步克服在内部区域和外部区域之间的任意压力差。这些区域之间的压力差随着锥体在运转期间在轴承上的扭曲而波动。该现象在本领域中被称为“锥体泵送(conepumping)”。锥体泵送在金属面轴承密封处抛投内部压力湧动，这可能随着时间的推移产生密封件的严重故障。另外，钻头在使用过程中深度的改变可能引起内部压力与外部压力之间的压力波动。相反，由激励结构40在密封件上施加太大的力可能引起锥体组装到轴承的困难，并且可能导致第一环30和第二环36的加速磨损。重要的是金属密封面34和38是平坦的，因此经常提供表面的研磨(在光带范围内)。
图4中所示的单一激励器类型的金属面密封系统的重大挑战是：第一环30在锥体压盖32中的压装可以使第一环变形并且在第一金属密封面34中产生“波纹”。具有第二金属密封面38的第二环36必须通过由激励结构40施加的力克服该表面波纹，以保持期望的密封接触(否则密封件将泄漏)。
图4中所示的单一激励器类型的金属面密封系统的另一挑战是：弹性体激励结构40发生偏移，以便不仅在优选的轴向方向而且还在径向方向上对第二环36施加力。因此，密封力被施加到径向方向上浪费的力分量消散。径向施加的力分量进一步引进扭矩到第二环36上，其减小(即缩窄)由金属密封面34和38形成密封表面接触之处的有效密封表面的径向宽度。宽度减小的出现是因为引进的扭矩导致密封环的畸变，这产生了关于密封环的密封面的不平坦表面状况。
图4中所示的单一激励器类型的金属面密封系统的再一个挑战是：由于油脂压力的增加，金属密封面34和38变为无负荷。例如，牙轮钻头轴承可能在内部压力大于环境压力的情况下操作。因此，可能产生油脂泄漏。
尽管存在前述挑战，金属面密封系统经常被用于滚子锥体钻头，此类钻头在较高转速的钻进应用中运行，因为金属密封面34和38抗磨损并因此表现出比图1和图2中所示的标准O形环式密封系统更长的运行寿命。
前述挑战仍然是一个问题，并且因此在本领域中存在对用于牙轮钻头的改进金属面密封系统的需求。
发明内容
在一个实施例中，一种用于包括轴区和旋转锥体的钻头的密封系统包括：第一环形压盖，其被限定在旋转锥体内；第一环，其被压装在第一环形压盖中并具有第一金属密封面；第二环形压盖，其被限定在轴区的基部；第二环，其被压装在第二环形压盖中，所述第二环包括具有多个第一轴向延伸孔和多个第二轴向延伸孔的径向延伸凸缘区；第三环，其被定位在第一环与第二环之间，所述第三环包括与第一金属密封面接触的第二金属密封面，并且进一步包括与第二金属密封面轴向相对的偏压表面以及多个第三轴向延伸孔；弹簧构件，其嵌入每个第一轴向延伸孔内并被配置为抵靠第三环的偏压表面施加轴向力；以及嵌在每对第二轴向延伸孔和第三轴向延伸孔之间的销构件。
在另一个实施例中，一种用于包括轴区和旋转锥体的钻头的密封系统包括：第一环形压盖，其被限定在旋转锥体内；第一环，其被压装到第一环形压盖内并具有第一金属密封面；第二环，其被安装到轴区并包括具有多个第一轴向延伸孔的凸缘；第三环，其包括与第一金属密封面接触的第二金属密封面，并进一步包括与第二金属密封面轴向相对的偏压表面；以及偏置构件，其被嵌入每个第一轴向延伸孔内并被配置为抵靠第三环的偏压表面施加轴向力。
在另一个实施例中，一种用于包括轴区和旋转锥体的钻头的密封系统包括：第一环形压盖，其被限定在旋转锥体内；第一环，其被压装到第一环形压盖中并具有第一金属密封面；第二环，其被安装到轴区并包括具有多个第一轴向延伸孔的凸缘；第三环，其包括与第一金属密封面接触的第二金属密封面，并且进一步包括与多个第一轴向延伸孔对齐的多个第二轴向延伸孔；以及嵌在每对第二轴向延伸孔和第三轴向延伸孔之间的销构件。
附图说明
本发明的其他特征和优点将在遵循一些非限制性示例的说明书中结合附图变得清楚，其中：
图1示出具有常规O形环式密封系统的土钻钻头的现有技术配置；
图2示出图1的现有技术配置的特写示图，其关注密封的区域；
图3示出具有常规单一激励器金属面密封系统的土钻钻头的现有技术配置；
图4示出图3的现有技术配置的特写示图，其关注密封的区域；
图5A、图5B、图5C、图5D和图5E示出金属面密封系统的一个实施例的各种示图。
具体实施方式
之前已经描述了图1-4。
现在参考图5A和图5B，其示出在金属面密封系统100的一个实施例的两个不同圆周角度处的截面图。密封系统100与安装在轴区104上的旋转锥体102有关。该密封系统100适用于任何密封应用，其包括锥体被支撑用于使用本领域技术人员熟知的轴颈轴承或滚子轴承旋转的实施方式。
密封系统100被提供在压盖结构内，该压盖结构在锥体102内形成并且处于轴区104的基部处。该压盖结构包括在锥体中形成的第一压盖106以及在轴区104的基部中形成的第二压盖108。第一压盖106是由径向表面110和圆柱表面112限定的环形结构，其中径向表面110远离锥体旋转轴垂直地向外延伸进入锥体102的主体内，而圆柱表面112在平行于锥体旋转轴的方向从径向表面朝着锥体的底表面(基部)114垂直地向后延伸。轴区104由圆柱轴表面116和径向表面118限定，其中锥体102被(以本领域技术人员熟知的常规方式)安装到圆柱轴表面116，而径向表面118在轴区的基部处远离锥体旋转轴从圆柱轴颈表面116垂直地向外延伸。第二压盖108是类似环形通道的结构，其在轴区104的基部处由一对圆柱(通道侧)表面120和122以及在环形结构的底部与圆柱表面120和122相互连接的径向(通道底)表面124限定在径向表面118内。在该配置中，应当注意第二压盖向第一压盖打开。
密封系统100进一步包括第一环130(具有大致方形或矩形的横截面)，该第一环在表面110与112接合处的拐角处抵靠径向表面110和圆柱表面112被压装到第一压盖106内。由表面132限定的第一环130的内直径从轴区104的圆柱表面116偏移。第一环130进一步包括第一金属密封面(使用径向延伸表面)134。
密封系统100进一步包括形成腔室构件的第二环140(具有不规则的横截面)，该腔室构件包括中心主体区142、从中心主体区向后轴向延伸的后部区144、从中心主体区向内径向延伸的凸缘区146以及从中心主体区向前轴向延伸的前部区148。第二环140的后部区144在表面124和120接合处的拐角处抵靠径向表面124和圆柱表面120被压装到第二压盖108内。第二环140的前部区148形成第三压盖150的一部分，其包括由径向表面152和圆柱表面154限定的环形结构，径向表面152远离锥体旋转轴垂直地向外延伸进入前部区148内，而圆柱表面154在与锥体旋转轴平行的方向从径向表面朝着第二环148的端部垂直地向前延伸。
如图5A和图5C所示，第二环140的凸缘区146包括多个轴向延伸的第一孔160，其围绕凸缘区146的内周长均匀地沿圆周分布。第一孔160完全穿过凸缘区146。如图5B和图5C所示，第二环140的凸缘区146进一步包括多个轴向延伸的第二孔162，其围绕凸缘区146的内周长均匀地沿圆周分布。第一孔160和第二孔162被显示为完全穿过凸缘区146，但在可替换实施例中可以包括仅部分穿过凸缘区146的盲孔。第一孔160中的单独一个在图5A中示出，而第二孔162中的单独一个在图5B中示出。图5C(未按比例绘图)示出第一孔160和第二孔162围绕凸缘区146的内周长的交替分布。在该说明性实施例中，存在十二个第一孔160和十二个第二孔162，从而成对的第一孔和成对的第二孔之间的角度偏移是三十度。在另一个实施方式中，可以提供十六个第一孔160和十六个第二孔162。可以根据期望的设计(可能基于锥体的直径和压盖106的直径)提供更少或更多的孔。
密封系统100进一步包括具有第二金属密封面(使用径向延伸表面)172的第三环170(具有L形的横截面)，该第二金属密封面包括第一部分172a和第二部分172b。第一部分172a和第二部分172b同轴并且被环形通道174彼此分开。环形通道174形成密封面的非接触区，其用于分开第一部分172a和第二部分172b的功能。通道174的宽度被选择，以确保提高第一部分172a的接触。在第二金属密封面172的第二部分172b中提供多个径向延伸通道184，以在第三环170的内周长186与环形通道174之间延伸。通道184支持在通道174与基准面186处的密封件的油脂侧之间提供压力均衡。压力均衡是期望的，以便第二部分172b将起到轴承表面(不是密封表面)的作用，而第一部分172a起到密封表面的作用(具有压力差)。图5E(未按比例绘图)示出通道184围绕内周长186的角度分布。因此，第二金属密封面172的第二部分172b是沿圆周不连续的，并且不参与形成密封(而第一部分172a是沿圆周连续的，因此负责提供滑动密封表面)。在该说明性实施例中，存在十二个通道184，使得通道之间的角度偏移是三十度。在另一个实施方式中，可以提供十六个通道184。可以根据期望的设计(可能基于锥体的直径和压盖106的直径)提供更少或更多的通道。
第二金属密封面172被定位成与第一金属密封面134处于滑动/密封接触。在第二金属密封面172的第一部分172a与第一环130的第一金属密封面134之间进行密封接触。与第二金属密封面172轴向相对，第三环170进一步包括偏压表面176。在该说明性实施例中，偏压表面176被提供在径向延伸的偏压凸出构件178的远端处。也与第二金属密封面172轴向相对，第三环170进一步包括后表面180。
参考图5B和图5D，第三环170进一步包括多个轴向延伸的第三孔182，其围绕第三环的内周长均匀地圆周分布。在图5B中示出单个第三孔182。图5D(未按比例绘图)示出第三孔182围绕内周长的分布。第三孔182包括在后表面180中制造的并且仅部分穿过第三环170的盲孔。第三环170中的第三孔182的数量和第三孔182之间的角间隔与第二环140中的第二孔162的数量和第二孔之间的角间隔匹配。驱动销190被分别安装到每对角度对齐的第二孔162和第三孔182内并在两者之间延伸。驱动销190的第一端被安装到第二孔162内，而驱动销190的相对的第二端被安装到第三孔182内。驱动销190的总体功能是将第三环170附连到第二环140。由于第二环140被压装到第二压盖108内，因此驱动销190附连第三环170到第二环将确保当锥体102旋转时第三环不随着第一环130旋转。
第三环170的L形通过展现环形结构进一步协助限定第三压盖150，所述环形结构由径向表面192和圆柱表面194限定，其中径向表面远离锥体旋转轴垂直地向外延伸，而圆柱表面平行于锥体旋转轴从径向表面朝着表面176垂直且向后延伸。
O形环密封构件200(例如，具有圆形横截面)被嵌入第三压盖150内，并且在第二环140的圆柱表面154与第三环170的圆柱表面194之间被径向压缩。O形环密封构件200可以进一步在第二环140的径向表面152与第三环170的径向表面192之间被轴向压缩。因为第一环140和第二环170通过驱动销190分别被彼此附连，所以压缩的O形环密封构件200在密封系统100的油脂侧和外部侧(例如，淤泥侧)之间形成静态密封。在油脂侧和外部侧之间的滑动密封分别由相对的第一金属密封面134和第二金属密封面172提供。
参考图5A，螺旋弹簧210被安装在每个第一孔160中。螺旋弹簧210的第一端在轴区104的基部处接合径向表面118。螺旋弹簧210的第二端接合第三环170的偏压表面176。因此，每个螺旋弹簧210在径向表面118和偏压表面176之间被压缩。在该配置中，螺旋弹簧210的功能是抵靠第三环170施加轴向力，以保持第一环130的第一金属密封面134和第三环170的第二金属密封面172之间的滑动/密封接触。第一环140和第二环140通过驱动销190分别被彼此附连，以防止差分角运动。然而，驱动销190在至少一个开口162和182内是可轴向滑动的，从而允许第三环170响应于由螺旋弹簧210施加的轴向力而相对于压装的第二环140的差分轴向运动以及锥体102的任意轴向运动。
虽然偏压表面176被图示为与第三环170的后表面180分开的表面，但是应当明白，在可替换实施例中，偏压表面176和后表面180可以包括第三环170的相同表面，螺旋弹簧210的第二端抵靠该表面施加轴向力以分别保持第一金属密封面134与第二金属密封面172之间的密封关系。
第二金属密封面172的第二部分172b不提供用于密封(由于存在径向延伸通道184和环形通道174)，而是作为用于滑动密封件的自对准引导面。第三环170由于其短轴长而比较灵活。通过密封环上的液压力的仔细安排，并且响应于由多个螺旋弹簧210抵靠第三环170供应的圆周分布力，滑动密封件变得自对准在第一金属密封面134上由于压装第一环130到第一压盖106而存在的任意倾斜(即波形起伏)。第二部分172b被螺旋弹簧210和压力引起的载荷预加载。接触力将根据需要变化，以确保第二部分172b保持与表面134接触，而不管由于面倾斜导致的任何圆周变化(即由于压装导致的表面134的波形起伏)。这确保第一部分172a与表面134处于密封接触(即这些表面保持平行面接触)。
在图5A的说明性实施例中，孔160被显示为完全穿过凸缘区146，从而弹簧210的第一端接合径向表面118。在可替换实施例中，孔160被盲孔(例如，与所示的孔182类似)取代。在盲孔配置中，弹簧210将存留在孔160内，其中第一端接合孔的底面，而第二端接合偏压表面176。
虽然图5A和图5B的优选实施方式示出使用第二压盖108将第二环安装到轴区104，但是应当明白，在可替换实施例内，环140可以包括区域142、146和148，其中使用任意适合的安装手段(包括例如焊接连接)将区域142安装到轴区104。类似地，可以使用任意适合的安装手段(包括例如焊接连接)将第一环130可替换地安装在第一压盖106内。
虽然螺旋弹簧210被图示为存留在孔160内并且抵靠第三环170提供偏置轴向力，但是应当明白，该孔可以采用不同于圆孔的其他形状，并且螺旋弹簧210可以可替换地包括本领域技术人员熟知的被嵌入孔内的其他弹簧或激励结构(包括例如弹簧片或弹性构件)。
虽然已经在附图中示出并在之前的具体实施方式中描述了方法和装置的优选实施例，但是应当明白本发明并不局限于所公开的实施例，而是在不偏离如随附权利要求阐述和限定的本发明的精神的情况下，可以进行各种重新布置、修改和替代。
Claims (23)
1.一种用于包括轴区和旋转锥体的钻头的密封系统，包括：
第一环形压盖，其被限定在所述旋转锥体内；
第一环，其被压装在所述第一环形压盖内并具有第一金属密封面；
第二环形压盖，其被限定在所述轴区的基部；
第二环，其被压装在所述第二环形压盖内，所述第二环包括具有多个第一轴向延伸孔和多个第二轴向延伸孔的径向延伸凸缘区；
第三环，其被定位在所述第一环与所述第二环之间，所述第三环包括与所述第一金属密封面接触的第二金属密封面并且进一步包括与所述第二金属密封面轴向相对的偏压表面以及多个第三轴向延伸孔；
弹簧构件，其被嵌入每个第一轴向延伸孔内并且被配置为抵靠所述第三环的所述偏压表面施加轴向力；以及
销构件，其被嵌在每对第二轴向延伸孔和第三轴向延伸孔之间。
2.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述轴区包括圆柱表面和从所述圆柱表面垂直延伸的径向表面，并且其中所述第二压盖被形成在所述轴区的所述径向表面中。
3.根据权利要求1所述的密封系统，进一步包括：
形成在所述第二环与所述第三环之间的第三环形压盖；以及
压缩在所述第三环形压盖内的O形环密封构件。
4.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述轴区包括圆柱表面和从所述圆柱表面垂直延伸的径向表面，并且其中所述弹簧构件包括接合所述轴区的所述径向表面的第一端和接合所述第三环的所述偏压表面的第二端。
5.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述偏压表面位于从所述第三环的后表面凸出的轴向延伸构件的远端。
6.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述第三环上的所述第二金属密封面包括被环形通道彼此分开的一对同轴布置的表面部分。
7.根据权利要求6所述的密封系统，其中所述一对同轴布置的表面部分中的第一表面部分与所述第一环上的所述第一金属密封面处于滑动和密封配置。
8.根据权利要求7所述的密封系统，其中所述一对同轴布置的表面部分中的第二表面部分包括与所述环形通道连接的多个径向延伸通道。
9.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述第一孔和所述第二孔围绕所述第二环的圆周交替定位。
10.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述弹簧构件是螺旋弹簧。
11.一种用于包括轴区和旋转锥体的钻头的密封系统，包括：
第一环形压盖，其被限定在所述旋转锥体内；
第一环，其被安装在所述第一环形压盖内并具有第一金属密封面；
第二环，其被安装到所述轴区并包括具有多个第一轴向延伸孔的凸缘；
第三环，其包括与所述第一金属密封面接触的第二金属密封面并且进一步包括与所述第二金属密封面轴向相对的偏压表面；以及
偏置构件，其被嵌入到每个第一轴向延伸孔内并且被配置为抵靠所述第三环的所述偏压表面施加轴向力。
12.根据权利要求11所述的密封系统，其中所述第二环进一步包括多个第二轴向延伸孔并且所述第三环进一步包括与所述多个第二轴向延伸孔对齐的多个第三轴向延伸孔，所述密封系统进一步包括：
嵌在每对第二轴向延伸孔和第三轴向延伸孔之间的销构件。
13.根据权利要求11所述的密封系统，其中所述轴区包括圆柱表面和从所述圆柱表面垂直延伸的径向表面，并且所述密封系统进一步包括在所述轴区的基部处形成在所述径向表面内的第二环形压盖，其中所述第二环被压装到所述第二压盖内。
14.根据权利要求11所述的密封系统，其中所述轴区包括圆柱表面和从所述圆柱表面垂直延伸的径向表面，并且其中所述偏置构件包括螺旋弹簧，所述螺旋弹簧包括接合所述轴区的所述径向表面的第一端和接合所述第三环的所述偏压表面的第二端。
15.根据权利要求11所述的密封系统，其中所述第三环上的第二金属密封面包括被环形通道彼此分开的一对同轴布置的表面部分，并且其中所述一对同轴布置的表面部分中的第一表面部分与所述第一环上的所述第一金属密封面处于滑动和密封配置。
16.根据权利要求15所述的密封系统，其中所述一对同轴布置的表面部分中的第二表面部分包括与所述环形通道连接的多个径向延伸通道。
17.根据权利要求11所述的密封系统，进一步包括：
形成在所述第二环与所述第三环之间的第三环形压盖；和
压缩在所述第三环形压盖内的O形环密封构件。
18.一种用于包括轴区和旋转锥体的钻头的密封系统，包括：
第一环形压盖，其被限定在所述旋转锥体内；
第一环，其被安装在所述第一环形压盖内并具有第一金属密封面；
第二环，其被安装到所述轴区并包括具有多个第一轴向延伸孔的凸缘；
第三环，其包括与所述第一金属密封面接触的第二金属密封面并且进一步包括与所述多个第一轴向延伸孔对齐的多个第二轴向延伸孔；以及
嵌在每对第二轴向延伸孔和第三轴向延伸孔之间的销构件。
19.根据权利要求18所述的密封系统，其中所述第二环的所述凸缘进一步包括多个第三轴向延伸孔，所述密封系统进一步包括：
偏置构件，其嵌入到每个第三轴向延伸孔内并且被配置为抵靠所述第三环的偏压表面施加轴向力。
20.根据权利要求18所述的密封系统，其中所述第三环上的所述第二金属密封面包括被环形通道彼此分开的一对同轴布置的表面部分，并且其中所述一对同轴布置的表面部分中的第一表面部分与所述第一环上的所述第一金属密封面处于滑动和密封配置。
21.根据权利要求20所述的密封系统，其中所述一对同轴布置的表面部分中的第二表面部分包括与所述环形通道连接的多个径向延伸通道。
22.根据权利要求18所述的密封系统，进一步包括：
形成在所述第二环与所述第三环之间的第三环形压盖；和
压缩在所述第三环形压盖内的O形环密封构件。
23.根据权利要求18所述的密封系统，其中所述轴区包括圆柱表面和从所述圆柱表面垂直延伸的径向表面，并且所述密封系统进一步包括在所述轴区的基部处形成在所述径向表面内的第二环形压盖，其中所述第二环被压装到所述第二压盖内。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151111 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |