CN106989874B - 一种水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，包括轴、螺旋轴套和牙轮，螺旋轴套与牙轮螺纹连接，螺旋轴套的内径上设置密封螺纹，螺旋轴套和牙轮均套装于轴上，螺旋轴套、牙轮和轴之间形成密封的第一空腔，轴具有第一通孔、第二通孔和第三通孔，第一通孔与第一空腔相连通，螺旋轴套和牙轮与轴之间存在轴向间隙并形成第二空腔，第一空腔与第二空腔相连通，第二通孔和第三通孔均与第二空腔相连通。本发明试验装置，模拟牙轮钻头轴承螺旋密封结构，牙轮带动螺旋轴套旋转，可以通过测量含砂液体排出时间和含砂液体排出量两种方法，测试螺旋密封的排砂性能，为螺旋密封产品顺利生产应用提供了保障。
Description
技术领域
本发明涉及钻井工程机械领域，特别是涉及一种水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置。
背景技术
牙轮钻头是钻井工程中最主要的破岩工具，在井底破岩中起着主导作用，其工作性能的好坏直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本，牙轮钻头的使用寿命几乎直接取决于钻头轴承的寿命，而轴承的寿命在很大程度上又依赖密封的寿命。牙轮钻头目前的发展趋势是实现高速化，随着钻头转速的不断提高，在恶劣环境下工作的轴承密封这一环节的薄弱性将显得越来越突出。因此，在研究钻头的同时，决不可忽视对轴承寿命的研究和改进。轴承密封是高速牙轮钻头最薄弱的环节，也是易损部件，是决定高速牙轮钻头寿命的最关键因素。据现场数据统计分析表明，因轴承先期损坏导致失效的钻头占失效钻头总数的80％，因密封先期失效而严重磨损的轴承占失效轴承总数的30％。牙轮钻头的轴承密封问题已经成为严重影响高速牙轮钻头钻井效率及钻井成本的技术瓶颈，是目前石油钻采工程中亟待解决的问题。
实践表明，目前常规牙轮钻头轴承密封性能不能很好的满足使用要求，特别是在较高转速钻进的时候，其密封使用寿命更低，密封的耐久性能较差，密封的磨损、老化较严重。牙轮钻头密封的工况是十分恶劣的，包括高温、高磨砺性介质、高载荷，并且密封腔的尺寸很小，这些工况和环境就加剧了密封的失效，也给密封的研究带来了巨大的困难和挑战。泥浆磨砺介质的进入是影响高速牙轮钻头密封寿命的最关键因素，现有轴承密封均属被动密封方式，不具有自动排砂功能，一旦泥浆颗粒进入密封腔，密封将会快速磨损后失效。目前，针对高速牙轮钻头螺旋密封的试验装置还未涉及，试验研究是现场试验及产品应用顺利进行的前提保障，而试验装置更是决定试验研究成功与否的关键，进行高速牙轮钻头螺旋密封试验装置的开发对提高钻头寿命具有重要意义。
因此，如何改变现有技术中，高速牙轮钻头螺旋密封试验无法进行的现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，以解决上述现有技术存在的问题，使牙轮钻头螺旋密封的密封性能能够通过试验进行测试，为实际生产应用提供便利。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，包括轴、螺旋轴套和牙轮，所述螺旋轴套与所述牙轮螺纹连接，所述螺旋轴套的内径上设置密封螺纹，所述螺旋轴套和所述牙轮均套装于所述轴上，所述螺旋轴套、所述牙轮和所述轴之间形成第一空腔，所述轴具有第一通孔、第二通孔和第三通孔，所述第一通孔与所述第一空腔相连通，所述螺旋轴套和所述牙轮与所述轴之间存在轴向间隙并形成第二空腔，所述第一空腔和所述第二空腔相连通，所述第二通孔和所述第三通孔均与所述第二空腔相连通。
优选地，水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括电机、机座、机盖和机架，所述电机通过联轴器与所述牙轮相连，所述电机和所述机座均设置于所述机架上，所述机座与所述机盖可拆卸连接，所述轴、所述螺旋轴套和所述牙轮均设置于所述机座与所述机盖形成的腔体内。
优选地，所述牙轮与所述机座、所述机盖转动连接处加装轴承，并用轴承端盖固定，所述轴承端盖与所述机座、所述机盖用螺钉连接。
优选地，所述轴通过螺钉与所述机座和所述机盖连接在一起，所述牙轮的轴线平行于所述机架所在的平面。
优选地，水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括收集槽，所述收集槽设置于所述机架的内部，所述机座上还设置有收集容器，所述收集槽与所述第二空腔相连通，所述收集容器通过管路与所述收集槽相连通。
优选地，水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括第一介质容器和第二介质容器，所述第一通孔通过管路分别与所述第一介质容器和外界相连通，所述第二通孔和所述第三通孔分别通过管路与所述第二介质容器相连通。
优选地，所述第一通孔与所述第一介质容器之间、所述第一通孔与外界之间均加装阀门，所述第二通孔与所述第二介质容器之间、所述第三通孔与所述第二介质容器之间均加装阀门。
优选地，所述第一通孔与所述轴同轴，所述第二通孔和所述第三通孔相对于所述轴的轴线对称布置。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，包括螺旋轴套，螺旋轴套内侧上设置密封螺纹，模拟牙轮钻头轴承螺旋密封结构，牙轮带动螺旋轴套旋转，可以通过测量含砂液体排出时间和含砂液体排出量两种方法，测试螺旋密封的排砂性能，为螺旋密封产品顺利生产应用提供了保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的整体结构示意图；
图2为本发明水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的俯视方向的剖切示意图；
图3为本发明水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的正向的剖切示意图；
图4为本发明水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的A部的放大示意图；
图5为本发明水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的螺旋轴套的结构示意图；
图6为本发明水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的螺旋轴套的剖切结构示意图；
其中，1为轴，101为第一通孔，102为第二通孔，103为第三通孔，2为螺旋轴套，201为密封螺纹，3为牙轮，4为第一空腔，5为第二空腔，6为轴套，7为电机，8为机座，9为机盖，10为机架，11为轴承端盖，12为螺钉，13为收集槽，14为收集容器，15为第一介质容器，16为第二介质容器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，以解决上述现有技术存在的问题，使牙轮钻头螺旋密封的密封性能能够通过试验进行测试，为实际生产应用提供便利。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1至图6，图1为本发明水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的整体结构示意图，图2为本发明水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的俯视方向的剖切示意图，图3为本发明水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的正向的剖切示意图，图4为本发明水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的A部的放大示意图，图5为本发明水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的螺旋轴套的结构示意图，图6为本发明水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置的螺旋轴套的剖切结构示意图。
本发明提供一种水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，包括轴1、螺旋轴套2和牙轮3，螺旋轴套2与牙轮3可拆卸连接，螺旋轴套2的内径上设置密封螺纹201，螺旋轴套2和牙轮3均套装于轴1上，螺旋轴套2、牙轮3和轴1之间形成第一空腔4，轴1具有第一通孔101、第二通孔102和第三通孔103，第一通孔101与第一空腔4相连通，螺旋轴套2和牙轮3与轴1之间存在轴向间隙并形成第二空腔5，第一空腔4和第二空腔5相连通，第二通孔102和第三通孔103均与第二空腔5相连通。
本发明的水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，包括螺旋轴套2，螺旋轴套2内侧上设置密封螺纹201，模拟牙轮钻头轴承螺旋密封结构，牙轮3带动螺旋轴套2旋转，可以通过测量含砂液体排出时间和含砂液体排出量两种方法，测试螺旋密封的排砂性能，为螺旋密封产品顺利生产应用提供了保障。
试验时，通过第一通孔101向第一空腔4内通入一定量的含砂液体，含砂液体沿着第一空腔4流向螺旋轴套2中的密封螺纹201处，由密封螺纹201与轴1之间的间隙流出，通过牙轮3与轴1之间的间隙流出，通过牙轮3与轴1之间的间隙流到第二空腔5中，第二空腔5中的含砂液体向装置外流动，当第二空腔5中的含砂液体流尽时，记录所用时间，此时为密封螺纹201无泵送效应时的排砂时间。当牙轮3带动螺旋轴套2旋转时，重复上述操作，向第一空腔5内通入同样量的含砂液体，此时，螺旋轴套2中的密封螺纹201旋转产生泵送效应，记录含砂液体排尽时的时间。通过比较排尽含砂液体的时间长短，可以评价螺旋轴套2中的密封螺纹201的密封性能。
同时，本发明的水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还能够通过螺旋轴套2的排砂量来评估螺旋轴套2中的密封螺纹201的密封性能，试验时，通过第二通孔102和第三通孔103向轴1与螺旋轴套2中的密封螺纹201之间的间隙通入含砂液体，事先对要注入的含砂液体称重，牙轮3带动螺旋轴套2旋转，如果螺旋轴套2中的密封螺纹201泵送排砂性能较好，则含砂液体无法进入第一空腔4中，含砂液体沿着螺旋轴套2和牙轮3与轴1之间的间隙，进入第二空腔5中，再由第二空腔5中排出装置外；若螺旋轴套2中的密封螺纹201泵送排砂性能较差，则一部分含砂液体会通过密封螺纹201进入第一空腔4中，然后经由第一通孔101排出装置外，将含砂液体由第二空腔5排出装置外的部分称重，即为螺旋轴套2中的密封螺纹201的泵送排砂量，通过比较排砂量的大小，可以评价螺旋轴套2中的密封螺纹201的密封性能。
具体地，水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括电机7、机座8、机盖9和机架10，电机7通过联轴器与牙轮3相连，电机7和机座8均设置于机架10上，机座8与机盖9可拆卸连接，轴1、螺旋轴套2和牙轮3均设置于机座8与机盖9形成的腔体内。
本发明用螺旋轴套2内壁上的密封螺纹201模拟高速牙轮钻头轴承螺旋密封结构，解决了螺旋密封结构的安装问题，提高了使用寿命。同时，不用频繁更换牙轮，节约成本，提高试验效率，提高牙轮3的适用性，在本具体实施方式中，螺旋轴套2和牙轮3螺纹连接，螺纹连接稳固，拆卸方便，便于测试不同规格的螺旋轴套2的密封螺纹的密封性能，密封螺纹201与轴1之间存在间隙，一般0.5mm-1.0mm左右。同时应注意，螺旋轴套2和牙轮3连接螺纹的旋向与电机7的转向相反，防止旋转过程中，螺旋轴套2和牙轮3松脱，影响试验结果。
电机7为牙轮3提供了动力来源，电机7带动牙轮3高速运转，继而牙轮3带动与之相连的螺旋轴套2高速旋转，为测试密封螺纹201的排砂性能提供了便利条件。轴1、螺旋轴套2和牙轮3均设置于机座8与机盖9形成的腔体内，机座8与机盖9可拆卸连接，为装置的维修、保养以及清洁等提供了便利，电机7和机座8均设置于机架10上，支架10为电机7和机座8提供了支撑，防止试验过程中装置晃动、产生位移等影响试验结果，提高装置整体稳定性。
其中，牙轮3与电机7连接的一端穿过机座8和机盖9连接处的孔，牙轮3与机座8、机盖9转动连接处加装轴承，并用轴承端盖11固定，轴承端盖11与机座8、机盖9用螺钉连接，连接稳定，拆卸方便。
更具体地，轴1通过销钉12与机座8和机盖9连接在一起，定位简单，连接便捷，牙轮3的轴线平行于机架10所在的平面。
进一步地，水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括收集槽13，收集槽13设置于机架10的内部，用于收集从第二空腔5内流出的含砂液体，机座8上还设置有收集容器14，收集槽13与第二空腔5相连通，收集容器14通过管路与收集槽13相连通。在测试密封螺纹201的排砂时间时，含砂液体由第一空腔4，通过密封螺纹201，经由牙轮3与轴1之间的间隙流到第二空腔5中，由第二空腔5中流到与之相连通的收集槽13中，在本具体实施方式中，收集槽13设置在轴1的下方，进入第二空腔5中的含砂液体，流到位于其下方的收集槽13中，收集槽13设置为类似抽屉的抽拉式结构，可以将收集槽13抽出，方便倒掉含砂液体和进行清洗。收集槽13中的含砂液体还可以通过管道流入收集容器14中，用收集容器14将流出装置外的含砂液体进行收集，干净方便，避免污染，还能够对含砂液体进行回收利用。
更进一步地，水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置还包括第一介质容器15和第二介质容器16，第一通孔101通过管路分别与第一介质容器15和外界相连通，第二通孔102和第三通孔103分别通过管路与第二介质容器16相连通。在测试密封螺纹201的排砂时间时，向第一介质容器15中注入一定体积的含砂液体，含砂液体通过管路由第一通孔101进入第一空腔4中，最后由第二空腔5排出装置外，记录含砂液体的排尽时间。在本具体实施方式中，第一介质容器15上加装振动装置，使得含砂液体的输出更均匀，同时避免砂砾堆积，堵塞第一介质容器15的出口。
在测试密封螺纹201的排砂重量时，向第二介质容器16中注入一定重量的含砂液体，含砂液体通过第二通孔102和第三通孔103进入轴1与螺旋轴套2中的密封螺纹201之间的间隙，最终由第二空腔5排出流入收集容器14中，对收集容器14中的含砂液体进行称重，即为密封螺纹201的排砂量。在本具体实施方式中，第二介质容器16上加装振动装置和称重传感装置，在避免含砂液体堆积的同时，可以方便地对第二介质容器16中的含砂液体进行称重、差量称重，方便试验的进行。
另外，第一通孔101与第一介质容器15之间、第一通孔102与外界之间均加装阀门，方便控制含砂液体的流量和启停。
第一通孔101与轴1同轴设置，第二通孔102和第三通孔103相对于轴1的轴线对称布置，在本具体实施方式中，第二通孔102和第三通孔103正对轴1和牙轮3之间的间隙，方便进行试验，避免含砂液体不接触密封螺纹201直接流入第二空腔5中，使试验结果更准确。
本发明的水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，包括轴1、螺旋轴套2和牙轮3，螺旋轴套2与牙轮3螺纹连接，螺旋轴套2的内径上设置密封螺纹201，螺旋轴套2和牙轮3均套装于轴1上，螺旋轴套2、牙轮3和轴1之间形成密封的第一空腔4轴1具有第一通孔101、第二通孔102和第三通孔103，第一通孔101与第一空腔4相连通，螺旋轴套2和牙轮3与轴1之间存在轴向间隙并形成第二空腔5，第一空腔4与第二空腔5相连通，第二通孔102和第三通孔103均与第二空腔5相连通。
试验时，牙轮3带动螺旋轴套2高速旋转，向第一介质容器15内注入含砂液体，打开阀门，通过第一通孔101向第一空腔4内通入一定量的含砂液体，含砂液体沿着第一空腔4流向螺旋轴套2中的密封螺纹201处，密封螺纹201高速旋转产生泵送效应，由密封螺纹201与轴1之间的间隙流出，通过牙轮3与轴1之间的间隙流出，通过牙轮3与轴1之间的间隙流到第二空腔5中，第二空腔5中的含砂液体向装置外流动，当第二空腔5中的含砂液体流尽时，记录所用时间，即为排砂时间；与此同时，还可以通过密封螺纹201的排砂量进行测试，测试时，向第二介质容器16中注入含砂液体，打开阀门，通过第二通孔102和第三通孔103向轴1与螺旋轴套2中的密封螺纹201之间的间隙通入含砂液体，事先对要注入的含砂液体称重，牙轮3带动螺旋轴套2旋转，将含砂液体由第二空腔5排出装置外的部分称重，即为螺旋轴套2中的密封螺纹201的泵送排砂量。通过比较排砂时间的长短和排砂量的大小即可用来评价螺旋轴套2的密封螺纹201的排砂性能，为螺旋密封产品顺利应用于生产中提供了保障。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，其特征在于：包括轴、螺旋轴套、牙轮、电机、机座、机盖、机架、第一介质容器和第二介质容器，所述螺旋轴套与所述牙轮螺纹连接，所述螺旋轴套的内径上设置密封螺纹，所述螺旋轴套和所述牙轮均套装于所述轴上，所述螺旋轴套、所述牙轮和所述轴之间形成第一空腔，所述轴具有第一通孔、第二通孔和第三通孔，所述第一通孔与所述第一空腔相连通，所述螺旋轴套和所述牙轮与所述轴之间存在轴向间隙并形成第二空腔，所述第一空腔和所述第二空腔相连通，所述第二通孔和所述第三通孔均与所述第二空腔相连通；所述电机通过联轴器与所述牙轮相连，所述电机和所述机座均设置于所述机架上，所述机座与所述机盖可拆卸连接，所述轴、所述螺旋轴套和所述牙轮均设置于所述机座与所述机盖形成的腔体内；所述第一通孔通过管路分别与所述第一介质容器和外界相连通，所述第二通孔和所述第三通孔分别通过管路与所述第二介质容器相连通，所述第一介质容器和所述第二介质容器均具有振动装置。
2.根据权利要求1所述的水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，其特征在于：所述牙轮与所述机座、所述机盖转动连接处加装轴承，并用轴承端盖固定，所述轴承端盖与所述机座、所述机盖用螺钉连接。
3.根据权利要求1所述的水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，其特征在于：所述轴通过螺钉与所述机座和所述机盖连接在一起，所述牙轮的轴线平行于所述机架所在的平面。
4.根据权利要求1所述的水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，其特征在于：还包括收集槽，所述收集槽设置于所述机架的内部，所述机座上还设置有收集容器，所述收集槽与所述第二空腔相连通，所述收集容器通过管路与所述收集槽相连通。
5.根据权利要求1所述的水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，其特征在于：所述第一通孔与所述第一介质容器之间、所述第一通孔与外界之间均加装阀门，所述第二通孔与所述第二介质容器之间、所述第三通孔与所述第二介质容器之间均加装阀门。
6.根据权利要求1所述的水平式高速牙轮钻头轴承螺旋密封试验装置，其特征在于：所述第一通孔与所述轴同轴，所述第二通孔和所述第三通孔相对于所述轴的轴线对称布置。
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