CN105121774A - 具有压力平衡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安装在压盖内的第一环。第二环被安装到轴区。第三环被定位在第一环和第二环之间。第一环和第三环存在一对金属密封面。第二压盖在第二环和第三环之间形成，其中O形环密封构件被安装在第三压盖内且在第二环和第三环之间以密封关系被径向压缩。第二压盖的尺寸被设计为允许O形环密封构件响应于压力变化在第二压盖内轴向运动。激励器被配置为抵靠第三环施加轴向力，以便保持金属密封面处于密封接触。该轴向力被施加在对应于金属密封面的径向中心的径向位置。
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碟形弹簧(Bellevillespring)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，并且在相对粗糙的表面上提供密封件，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。这种类型的碟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，在相当短的几小时操作时间后密封件将失效，导致容纳在轴承腔内的润滑剂流失。没有了润滑剂的益处，钻头将继续利用滚子轴承运行一段时间。
当O形环类型的密封件被引入时，牙轮钻头密封件出现了重大的进步。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柱形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形环密封件在柱形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形环提供最小的径向压缩量。然而，往复式(碟形)密封件必须具有大得多的径向压缩，以便在轴向滑移期间(通常大约两倍压缩)从密封区域排除污染物。牙轮钻头密封件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。
现在参考图1，其图示说明土钻钻头的现有技术配置。图2示出该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内并且被挤压在锥体密封表面14与头部密封表面16之间。
现在参考图3，其图示说明土钻钻头的现有技术配置。图4示出该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被加压装配(press-fit)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激励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，必须通过激励结构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件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难以组装到轴承，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中的加压装配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，从而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的浪费的力分量耗散。该径向施加的力分量进一步引进扭矩到第二环36上，该扭矩减小(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。这发生是因为由加压装配所造成的密封环的畸变，这引起了关于密封环的表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(RPM)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，其被安装在第一环形压盖中并具有第一金属密封面；第二环，其被安装在轴区的基部；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；以及激励结构，其靠近第二环安装并被配置为在径向位置附近抵靠第三环的偏压表面施加轴向力，所述径向位置基本在径向上对应于第二金属密封面的径向中心。
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，其被安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；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；第二环压盖，其形成在第二环和第三环之间；O形环密封构件，其在第二环形压盖内被径向压缩，并且其中第二压盖的尺寸被设计为允许O形环密封构件响应于压力变化在第二压盖内的轴向移动；以及激励结构，其被配置为抵靠第三环的偏压表面施加轴向力。
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，其关注密封件的区域；
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，其关注密封件的区域；
图5A、图5B和图5C示出金属面密封系统的实施例；
图5D示出金属面密封系统的实施例；
图5E和图5F示出金属面密封系统的实施例；以及
图6示出金属面密封系统的实施例。
具体实施方式
之前已经描述了图1-4。
现在参考图5A，其示出金属面密封系统100的实施例的横截面图。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，包括本领域技术人员熟知的其中锥体被支撑用于使用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106内，该压盖结构在锥体102内靠近轴区104的基部形成。在锥体中形成的压盖结构106是由径向表面110和柱形表面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，而柱形表面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由柱形轴表面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)安装到柱形轴表面116，而径向表面118在轴区的基部处远离锥体旋转轴从柱形轴表面116垂直地向外延伸。环形突出部108在轴区104的基部处从径向表面118轴向延伸，并且包括一对柱形侧表面120和122以及在环形突出部的顶部与柱形表面120和122相互连接的径向表面124。在该配置中，应当注意环形突出部108延伸到压盖结构106内。环形油脂压盖126在轴区104内柱形轴表面116接合径向表面118之处形成。该油脂压盖126是可选结构，并且在可替换的实施例中(以虚线示出)，柱形轴表面116延伸到与径向表面118相接的拐角处。
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相接的拐角处抵靠径向表面110和柱形表面112而被加压装配到第一压盖106内。由表面132限定的第一环130的内直径从轴区104的柱形表面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进一步包括第二环140(具有T形横截面)，该第二环包括第一腿区142、第二腿区144和第三腿区146。第一腿区142和第二腿区144轴向延伸彼此远离且远离第三腿区146。第三腿区146从第一腿区142和第二腿区144向内径向延伸。第一腿区142的远端被安装到轴区104(见标记148)。更特别地，在一个实施例中，第一腿区的远端被焊接到环形突出部108的径向表面124。在可替换实施例中，可以不存在环形突出部108，并且第一腿区142的远端被焊接到轴区104的径向表面118。在另一个可替换实施例中，第一腿区142的远端可以被焊接到环形突出部108的表面120。虽然焊接呈现一种用于将第二环140安装到轴区104的优选方法，但是也可以替代地选择其他安装手段，诸如将远端加压装配到在突出部108或表面118中形成的环形槽内。更近一步，可以通过整体成形第二环与轴区104来完成第二环140的安装。
第二环140的第二腿区144和第三腿区146形成第二压盖150的一部分，该第二压盖150包括由远离锥体旋转轴垂直延伸的第三腿区146的径向表面152和从径向表面向第二腿区144的远端在平行于锥体旋转轴的方向上垂直向前延伸的第二腿区144的柱形表面154限定的环形结构。
密封系统100进一步包括第三环170(具有L形横截面)，该第三环170包括第二金属密封面(使用径向延伸表面)172，该第二金属密封面172包括第一部分172a和第二部分172b。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。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。
第一部分172a和第二部分172b是同轴的并且被环形沟道174彼此分开。环形沟道174形成表面172的非接触区，其用于分开第一部分172a的功能和第二部分172b的功能。沟道174的尺寸(例如，宽度)可以被选择用于通过调节作用于第一部分172a和第二部分172b的力来进行设计的目的。提供延伸穿过第三环170的多个通道184，以将第三环170的内圆周表面186连接到环形沟道174。多个通道184围绕环形沟道174成角度地分布。通道184提供沟道174与在标记186处的密封件的油脂侧之间的压力均衡。图5B(未按比例绘制)示出通道184围绕内周界186的角度分布。在该配置中，第一部分172a和第二部分172b都是周向连续的。然而，所述部分172a负责提供密封表面。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。
在可替换的实施方式中，多个径向延伸的沟道184’被提供在第二金属密封面172的第二部分172b中，以在第三环170的内周界186与环形沟道174之间延伸。沟道184’提供沟道174与在标记186处的密封件的油脂侧之间的压力均衡。图5C(未按比例绘制)示出沟道184’围绕内周界186的角度分布。因此，第二金属密封面172的第二部分172b是周向不连续的，并且不参与形成密封件(而第一部分172a是周向连续的，因此负责提供滑动密封表面)。在该说明性实施例中，存在十二个沟道184’，使得沟道之间的角度偏移是三十度。在另一个实施方式中，可以提供十六个沟道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)提供更少或更多的沟道。
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和柱形表面194限定，其中该径向表面远离锥体旋转轴垂直地向外延伸，而该柱形表面平行于锥体旋转轴从径向表面向表面176垂直地向后延伸。
O形环密封构件200(例如具有圆形横截面)被嵌入第二压盖150内，并且在第二环140的柱形表面154与第三环170的柱形表面194之间被径向压缩。在优选实施方式中，在第二压盖150内存在充足的轴向空间(在表面152和192之间)，以允许O形环密封构件200响应于压力变化在第二压盖内的一些轴向运动。在可替换实施方式中，O形环密封构件200可以进一步被轴向压缩在第二环140的径向表面152与第三环170的径向表面192之间。
O形环密封构件200在表面154和表面194之间的径向压缩将第三环170耦连到第二环140。因此，被压缩的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件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。
激励结构206被安装在第一压盖106内处于第三环170和轴区104之间。激励结构206在轴区104的基部处接合径向表面118并且进一步接合第三环170的偏压表面176。因此，激励结构206在径向表面118和偏压表面176之间被压缩。在该配置中，激励结构206的功能是抵靠第三环170施加轴向定向力，以便保持第一环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。
在优选实施方式中，激励结构206包括碟形弹簧构件208(或任意合适的锥形弹簧垫圈设备)和力转移环210。碟形弹簧构件208包括外周边缘212，该外周边缘在轴区104的基部处与径向表面118接合。碟形弹簧构件208的内周边缘214与力转移环210的后表面216接合。力转移环210的相对前表面218接合第三环170的偏压表面176。应当注意，力转移环210被配置为将轴向定向偏压力的径向作用点从碟形弹簧构件208的内周边缘214处的相对较小径向位置转移到偏压表面176处的相对较大径向位置。重要地，在第三环上轴向施加的偏压力的该相对较大径向位置在径向上大约位于第三环的第二金属密封面172的径向中心处，以便均衡由第二金属密封面172的第一部分172a和第二部分172b抵靠第一金属密封面134施加的力，并且更重要地确保由第一部分172a施加的充足的力，以保持与第一金属密封面134的密封关系。
第二金属密封面172的第二部分172b不提供密封(由于存在通道184或沟道184’和环形沟道174)，而是作为用于滑动密封件的自对准引导面。第三环170由于其短轴长而有一定程度的柔性。通过仔细安排密封环上的液压力并且响应于由激励结构206抵靠第三环170供应的周向分布力，滑动密封件变得自对准在第一金属密封面134上由于加压装配第一环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被弹簧构件208和压力载荷预加载。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，而不管表面倾斜的任何周向变化(即由于例如环130的加压装配导致的表面134的波形起伏)。这确保第一部分172a与表面134保持平行面密封接触。
就应用驱动扭矩而言，可以利用多种技术实施方式。在优选实施例中，提供径向延伸的驱动连接件(在标记230处图示)以相互连接第二环140、第三环170和转移环210。该径向延伸的驱动连接件230可以采取多个周向间隔的驱动销的形式，这些驱动销径向延伸穿过在第二环140、第三环170和转移环210中形成的通道。
作为应用驱动扭矩的进一步可替代方案，提供轴向延伸的驱动连接件(在标记231处图示)以相互连接弹簧构件208到转移环210。例如，可以在内边缘214和表面216中形成多个周向间隔的凹槽和相对应的突出件以提供接合。同样地，转移环210和第三环170的接合可以通过多个周向间隔的凹槽和相对应的突出件来形成，以便确保驱动扭矩被转移到第三环170。并且更近一步，同样地，弹簧表面212和轴径向表面118的接合可以通过使用多个周向间隔的凹槽和相对应的突出件来形成，以便确保驱动扭矩被从轴116转移到弹簧208。
现在参考图5D，其示出金属面密封系统100的实施例的横截面视图。图5D的实施例与图5A的实施例类似，并且相同的附图标记指示相同或类似的部分，其进一步讨论将不会再被提供。相对于这些部分，参考图5A的描述。图5D的实施例与图5A的实施例的不同之处主要在于第二环140’和激励结构206’的配置。
首先转向第二环140’，第二环140’具有L形横截面，其包括主体区142’和轴向延伸的腿区144’。主体区142’被安装到轴区104(参见标记148’)。更特别地，在一个实施例中，主体区142’被焊接到环形突出部108的柱形表面120。另外或可替换地，主体区142’被焊接到轴区104的径向表面118。在另一个可替代的实施方式中，主体区142’抵靠环形突出部108的柱形表面120被加压装配，或者被加压装配到在表面118中形成的环形槽内。更进一步地，第二环140’的安装可以通过整体形成第二环与轴区104来完成。
在说明性实施例中，在轴向延伸的偏压突出构件178的远端处提供偏压表面176。同样在轴向上与第二金属密封面172相对，第三环170进一步包括后表面180。
关于激励结构206’，激励结构206’被安装到第一压盖106内处于第三环170和轴区104之间。激励结构206’在轴区104的基部处接合径向表面118，并且进一步接合第三环170的偏压表面176。因此，激励结构206’在径向表面118和偏压表面176之间被压缩。在该配置中，激励结构206’的功能是抵靠第三环170施加轴向定向力，以便在第一环130的第一金属密封面134和第三环170的第二金属密封面172之间保持滑动/密封接触。
在优选实施方式中，激励结构206’包括碟形弹簧构件208’(或任意合适的锥形弹簧垫圈器件)。碟形弹簧构件208’包括在轴区104的基部与径向表面118接合的内周边缘212。碟形弹簧构件208’的外周边缘214与第三环170的偏压表面176接合。应当注意，碟形弹簧构件208’的取向与图5A中的构件208的取向相反。通过这种配置，不需要转移环210，并且碟形弹簧构件208’在相对较大的径向位置处沿轴向对偏压表面176施加力，其中该相对较大的径向位置在径向上大致位于第三环170的径向中心，以便均衡由第二金属表面172的第一部分172a和第二部分172b抵靠第一金属表面134施加的力，并且更重要地保证由第一部分172a施加充足的力以保持与第一金属密封面134的密封关系。此外，在一个径向位置对偏压表面176施加轴向力，其中该径向位置大体上在径向对应于第二金属密封面172的径向中心。
关于施加驱动扭矩，可以利用许多技术实施方式。在优选实施例中，提供多个径向延伸的驱动销230’以相互连接第二环140’和第三环170。径向延伸的驱动销230’围绕这些环周向间隔开并且径向延伸穿过第一通道232，第一通道232在第二环140’中形成且相应地与第三环170中的第二通道234对齐。销230’被加压装配(或以其他密封方式固定)到通道232内。通道234以轴向延伸的槽的形式被配置，这些槽宽松地接收销230’，以便允许第三环170相对于第二环140’的轴向滑动。
现在参考图5E，其示出金属面密封系统100的实施例的横截面视图。图5E的实施例与图5A和图5D的实施例相似，并且相同的附图标记代表相同或相似的部分，其进一步讨论将不会再被提供。对于这些部分，参考图5A和图5D的描述。图5E的实施例与图5A和图5D的实施例的不同之处主要在于激励结构206”的配置。
激励结构206”包括在轴区104的基部处靠近径向表面118安装在压盖106内的环室(ringhousing)220。环室220包括多个轴向延伸的孔222，这些孔围绕环室均匀地周向分布(参见图5F，其未按比例绘制)。在该说明性实施例中，存在十二个孔222，从而各孔之间的角度偏移是三十度。在另一种实施方式中，可以提供十六个孔222。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。
在每个孔222中安装螺旋弹簧224。螺旋弹簧224的第一端接合孔222的底部。螺旋弹簧224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在孔222的底部和偏压表面176之间被压缩。在该配置中，螺旋弹簧224的功能是抵靠第三环170施加轴向定向力，以便保持第一环130的第一金属密封面134与第三环170的第二金属密封面172之间的滑移/密封接触。如同使用碟形弹簧构件208’，螺旋弹簧224在大致位于第三环170的径向中心的相对较大径向位置处在轴向上对偏压表面176施加力，以便均衡由第二金属密封面172的第一部分172a和第二部分172b抵靠第一金属密封面134施加的力，并且更重要地保证由第一部分172a施加充足的力以保持与第一金属密封面134的密封关系。同样，轴向力在一个径向位置处被施加到偏压表面176，其中该径向位置基本上在径向对应于第二金属密封面172的径向中心。
对于施加驱动扭矩，可以利用许多技术实施方式。在一个实施例中，提供轴向延伸的驱动连接件(在标记240处图示)以相互连接环室220和第三环170。轴向延伸的驱动连接件240可以采取多个周向间隔的驱动销的形式，这些驱动销轴向延伸穿过在环室220与第三环170中形成的通道。在另一实施方式中，可以使用径向延伸的驱动连接件(例如，参见图5A和图5D)来施加驱动扭矩。
虽然偏压表面176在图5D和图5E中被显示为与第三环170的后表面180分开的表面，但是应当了解，在可替代的实施例中，偏压表面176和后表面180可以包括第三环170的相同表面，激励结构抵靠该相同表面施加轴向定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。
虽然螺旋弹簧224被显示为留存在孔220内并抵靠第三环170施加偏压轴向力，但是应当理解，该孔可以采取不同于圆形孔的其他形状，并且可替代地，螺旋弹簧224可以包括本领域技术人员已知的嵌入到孔内的其他弹簧或激励结构(例如，包括叶片弹簧(leafspring)或弹性构件)。
现在参考图6，其示出金属面密封系统300的实施例的横截面视图。该密封系统300与安装在轴区304上的旋转锥体302相关联。密封系统300适用于任何密封应用，其包括使用本领域技术人员熟知的轴颈轴承或滚子轴承支撑该锥体以便旋转的实施方式。
密封系统300被提供在压盖结构内，该压盖结构被形成在锥体302中并处于轴区304的基部处。该压盖结构包括在锥体中形成的第一压盖306和在轴区304的基部中形成的第二压盖308。第一压盖306是由径向表面310和柱形表面312限定的环形结构，其中径向表面310远离锥体旋转轴垂直地向外延伸进入锥体302的主体内，而柱形表面312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)314垂直地向后延伸。轴区304由柱形轴表面316和径向表面318限定，其中锥体302被(以本领域技术人员熟知的常规方式)安装到柱形轴表面316，而径向表面318在轴区的基部处远离锥体旋转轴从柱形轴颈表面316垂直地向外延伸。第二压盖308是环形沟道式的结构，其在轴区304的基部被一对柱形(沟道侧面)表面320和322以及径向(沟道底部)表面324限定在径向表面318内，其中径向表面324在环形结构的底部相互连接柱形表面320和322。在该配置中，应当注意第二压盖通向第一压盖。
密封系统300进一步包括第一环330(具有大致方形或矩形的横截面)，该第一环在表面310与312相接的拐角处抵靠径向表面310和柱形表面312被加压装配到第一压盖306内。由表面332限定的第一环330的内直径从轴区304的柱形表面316偏移。第一环330进一步包括第一金属密封面(使用径向延伸表面)334。
密封系统300进一步包括第二环340(具有不规则的横截面)，该第二环形成包括中心主体区342、后部区344、凸缘区346和前部区348的腔室构件，其中该后部区从中心主体区向后且轴向延伸，该凸缘区从中心主体区向内且径向延伸，该前部区从中心主体区向前且轴向延伸。第二环340的后部区344抵靠径向表面324和柱形表面320在表面324与320相接的拐角处被加压装配到第二压盖308内。第二环340的前部区348形成包括环形结构的第三压盖350的一部分，该环形结构由径向表面352和柱形表面354限定，其中径向表面352远离锥体旋转轴垂直地向外延伸进入到前部区348内，而柱形表面354从径向表面在平行于锥体旋转轴的方向朝向第二环348的端部垂直地向前延伸。
凸缘区346从中心主体区342沿径向向内延伸，以限定用于偏压装置的基座，其将在下面更详细地描述。
密封系统300进一步包括第三环370(具有L形横截面)，该第三环包括第二金属密封面(使用径向延伸的表面)372，该第二金属密封面包括第一部分372a和第二部分372b。第一部分372a和第二部分372b是共轴的，并且被环形沟道374彼此分开。环形沟道374形成密封面的非接触区，其用于分开第一部分372a的功能和第二部分372b的功能。沟道374的宽度被选择为确保由第一部分372a实现的改善的接触。在第二金属密封面372的第二部分372b内提供多个径向延伸的沟道384，以在第三环370的内周界386和环形沟道374之间延伸。沟道384支持提供沟道374和标记386处的密封件的油脂侧之间的压力均衡。压力均衡是期望的，以使得第二部分372b将起到轴承表面的作用(不是密封表面)，而第一部分372a起到密封表面的作用(具有压力差)。可以参考图5C，其示出类似于沟道384的沟道184的角度分布。相应地，第二金属密封面372的第二部分372b是周向不连续的，并且因此不参与形成密封件(而第一部分372a是周向连续的，并且因此负责提供滑动密封表面)。
第二金属密封面372被定位成与第一金属密封面334处于滑动/密封接触。该密封接触是在第二金属密封面372的第一部分372a与第一环330的第一金属密封面334之间形成的。在轴向上与第二金属密封面372相对，该第三环370进一步包括偏压表面376。在说明性实施例中，偏压表面376被提供在径向延伸的偏压突出构件378的远端处。而且，在轴向上与第二金属密封面372相对，第三环370进一步包括后表面380。
第三环370进一步包括围绕偏压突出构件378均匀地周向分布的多个轴向和径向延伸的第一孔382(例如以轴向延伸的贯通槽的形状形成)。第二环340的中心主体区342包括相应的多个径向延伸的第二孔390，其与第一孔382对准。驱动销388穿过相应对准的第一孔和第二孔。多个驱动销388共同用于连接第三环370到第二环340，以便应用驱动扭矩。当第二环340被加压装配到第二压盖308内时，驱动销388附连第三环370到第二环，确保当锥体302被旋转时第三环将不与第一环330一起旋转。在优选实施方式中，驱动销388被加压装配在孔382内，并且宽松地装配以便在孔390内进行轴向滑动。
第三环370的L形通过呈现环形结构来进一步协助限定第三压盖350，所述环形结构由径向表面392和柱形表面394限定，其中该径向表面远离锥体旋转轴垂直向外延伸，而该柱形表面平行于锥体旋转轴从径向表面向表面376垂直向后延伸。
O形环密封构件400(例如具有圆形横截面)被嵌入第三压盖350内，并且在第二环340的柱形表面354与第三环370的柱形表面394之间被径向压缩。O形环密封构件400可以进一步在第二环340的径向表面352与第三环370的径向表面392之间被轴向压缩。因为第二环340和第三环370分别通过驱动销388彼此附连，被压缩的O形环密封构件400在密封系统300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334和第二金属密封面372提供。
激励结构406被安装在第一压盖306内处于第三环370和由第二环340的凸缘区346形成的基座之间。激励结构406接合凸缘区406的径向表面，并且进一步接合第三环370的偏压表面376。因此，激励结构406在第二环340和偏压表面376之间被压缩。在该配置中，激励结构406的功能是抵靠第三环370施加轴向定向力，以便保持第一环330的第一金属密封面334和第三环370的第二金属密封面372之间的滑动/密封接触。
在优选实施方式中，激励结构406包括碟形弹簧构件408(或任意合适的锥形弹簧垫圈设备)。碟形弹簧构件408包括外周边缘412和内周边缘414，其中外周边缘412接合偏压表面376，内周边缘414接合凸缘区346。碟形弹簧构件408因此施加轴向定向力，该定向力的径向位置大致位于第三环的第二金属密封面372的径向中心，以便均衡由第二金属密封面372的第一部分372a和第二部分372b抵靠第一金属密封面334施加的力，并且更重要地确保由第一部分372a施加的充足的力，以保持与第一金属密封面334的密封关系。
虽然偏压表面376被图示为与第三环370的后表面380分离的表面，但应当理解，在可替代的实施例中，偏压表面376和后表面380可以包括第三环370的相同的表面，弹簧构件408抵靠该相同的表面施加轴向定向力，以保持分别在第一金属密封面334和第二金属密封面372之间的密封关系。
第二金属密封面372的第二部分372b不提供密封(由于存在径向延伸沟道384和环形沟道374)，而是作为用于滑动密封件的自对准引导面。第三环370由于其短轴长而具有一定程度的柔性。通过仔细安排密封环上的液压力并且响应于由弹簧构件408抵靠第三环370供应的周向分布力，滑动密封件变得自对准由于加压装配第一环330到第一压盖306而存在于第一金属密封面334上的任意倾斜(即波形起伏)。第二部分372b被弹簧构件408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372b保持与表面334接触，而不管由于面倾斜导致的任何周向变化(即由于加压装配导致的表面334的波形起伏)。这确保第一部分372a与表面334处于密封接触(即该表面保持平行面接触)。
在图6的说明性实施例中，每个孔382和390被显示为分别完全穿过第三环370和第二环340。在可替代实施例中，孔382和390中的一个或另一个可以包括盲孔。
虽然图6示出使用第二压盖308将第二环安装到轴区304，但是应当明白，在可替代的实施例中，环340可以包括区域342、区域346和区域348，其中使用任意合适的安装手段(包括例如焊接附连)将区域342安装到轴区304。例如，参见图5A、图5D和图5E。另外，第一环330可以使用任意合适的安装手段(包括例如焊接附连)可替代地安装在第一压盖306内。
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 (30)
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，其被安装在所述轴区的基部；
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
激励结构，其邻近第二环安装并且被配置为抵靠所述第三环的所述偏压表面在大约径向位置处施加轴向力，所述径向位置基本上径向对应于所述第二金属密封面的径向中心。
2.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述轴区包括柱形表面和从所述柱形表面垂直延伸的径向表面，并且其中所述第二环被安装到所述轴区的所述径向表面。
3.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述轴区包括柱形表面和从所述柱形表面垂直延伸的径向表面，并且进一步包括从所述径向表面延伸的环形突出部，并且其中所述第二环被安装到所述环形突出部。
4.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述轴区包括柱形表面和从所述柱形表面垂直延伸的径向表面，并且进一步包括在所述径向表面中形成的环形压盖，并且其中所述第二环被安装在所述环形压盖中。
5.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二环形压盖；以及
压缩在所述第二环形压盖内的O形环密封构件。
6.根据权利要求5所述的密封系统，其中所述O形环密封构件被径向压缩在所述第二压盖内处于所述第二环的第一柱形表面与所述第三环的第二柱形表面之间，并且其中所述第二压盖的尺寸被设计为在所述第二环的第一径向表面与所述第三环的第二径向表面之间，以允许所述O形环密封构件响应于压力变化在所述第二压盖内的轴向运动。
7.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述轴区包括柱形表面和从所述柱形表面垂直延伸的径向表面，并且其中所述激励结构包括碟形弹簧构件，所述碟形弹簧构件包括与所述轴区的所述径向表面接合的内边缘和与所述第三环的所述偏压表面接合的外边缘。
8.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述轴区包括柱形表面和从所述柱形表面垂直延伸的径向表面，并且其中所述激励结构包括碟形弹簧构件，所述碟形弹簧构件包括与所述轴区的所述径向表面接合的外边缘和与力转移环接合的内边缘，所述力转移环被配置为径向地转移用于应用到所述第三环的所述偏压表面的轴向力。
9.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述第二环包括径向向内延伸的凸缘，并且其中所述激励结构包括碟形弹簧构件，所述碟形弹簧构件包括与所述径向向内延伸的凸缘接合的内边缘和与所述第三环的所述偏压表面接合的外边缘。
10.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沟道彼此分开的一对同轴布置的表面部分。
11.根据权利要求10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密封配置。
12.根据权利要求11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沟道连接的多个径向延伸沟道。
13.根据权利要求11所述的密封系统，进一步包括多个径向延伸通道，所述径向延伸通道穿过所述第三环并与所述环形沟道连接。
14.根据权利要求1所述的密封系统，进一步包括将所述第二环与所述第三环相互连接的至少一个径向延伸驱动销。
15.根据权利要求1所述的密封系统，其中所述激励结构包括多个弹簧构件，所述多个弹簧构件被配置为抵靠所述第三环的所述偏压表面在所述径向中心附近施加轴向力。
16.根据权利要求15所述的密封系统，其中每个弹簧构件是螺旋弹簧。
17.根据权利要求16所述的密封系统，进一步包括耦接至所述第三环的至少一个轴向延伸驱动构件。
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中；
第一环，其被安装在所述第一环形压盖中并具有第一金属密封面；
第二环，其被安装到所述轴区；
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；
第二环形压盖，其被形成在所述第二环与所述第三环之间；
O形环密封构件，其被径向压缩在所述第二环形压盖内，并且其中所述第二压盖的尺寸被设计成允许所述O形环密封构件响应于压力变化在所述第二压盖内的轴向运动；以及
激励结构，其被配置为抵靠所述第三环的所述偏压表面施加轴向力。
19.根据权利要求18所述的密封系统，其中所述轴区包括柱形表面和从所述柱形表面垂直延伸的径向表面，并且其中所述第二环被安装到所述轴区的所述径向表面。
20.根据权利要求18所述的密封系统，其中所述轴区包括柱形表面和从所述柱形表面垂直延伸的径向表面，并且进一步包括从所述径向表面延伸的环形突出部，并且其中所述第二环被安装到所述环形突出部中。
21.根据权利要求18所述的密封系统，其中所述轴区包括柱形表面和从所述柱形表面垂直延伸的径向表面，并且其中所述激励结构包括碟形弹簧构件，所述碟形弹簧构件包括与所述轴区的所述径向表面接合的内边缘和与所述第三环的所述偏压表面接合的外边缘。
22.根据权利要求18所述的密封系统，其中所述轴区包括柱形表面和从所述柱形表面垂直延伸的径向表面，并且其中所述激励结构包括碟形弹簧构件，所述碟形弹簧构件包括与所述轴区的所述径向表面接合的外边缘和与力转移环接合的内边缘，所述力转移环被配置为径向转移用于应用到所述第三环的所述偏压表面的轴向力。
23.根据权利要求18所述的密封系统，其中所述第二环包括径向向内延伸的凸缘，并且其中所述激励结构包括碟形弹簧构件，所述碟形弹簧构件包括与所述径向向内延伸的凸缘接合的内边缘和与所述第三环的所述偏压表面接合的外边缘。
24.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沟道彼此分开的一对同轴布置的表面部分。
25.根据权利要求24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密封配置。
26.根据权利要求24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沟道连接的多个径向延伸沟道。
27.根据权利要求24所述的密封系统，进一步包括多个径向延伸通道，所述径向延伸通道穿过所述第三环并且与所述环形沟道连接。
28.根据权利要求18所述的密封系统，其中抵靠所述第三环的所述偏压表面在径向位置附近施加所述轴向力，其中所述径向位置基本在径向上对应于所述第二金属密封面的径向中心。
29.根据权利要求28所述的密封系统，其中所述激励结构包括多个弹簧构件，所述多个弹簧构件被配置为抵靠所述第三环的所述偏压表面在所述径向中心附近施加轴向力。
30.根据权利要求29所述的密封系统，其中每个弹簧构件是螺旋弹簧。
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Application publication date: 20151202 |