CN108442885B - 牙轮钻头用单金属复合密封结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种牙轮钻头用单金属复合密封结构，广泛应用于石油天然气、矿山开采井下动力工具的旋转动密封中，防止轴承内部润滑油泄漏，阻止外部泥浆进入轴承内部。主要由动密封环、静密封环、X型橡胶密封圈、支撑环和牙掌轴颈组成。其技术方案：动密封环所处的牙轮内孔的外端部位与牙掌轴颈根部构成密封腔，将动密封环、静密封环、X型橡胶密封圈和支撑环组成的单金属密封装置放入密封腔内；动密封环与牙轮内孔过盈配合，动密封环与静密封环接触端面为密封面；X型橡胶密封圈被静密封环压缩于支撑环内。本发明改进了单金属密封结构，增加密封的可靠性，增大散热面积，提高耐磨性能和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种动力钻具用单金属复合密封结构。
背景技术
单金属密封作为井下动力工具中常用的旋转动密封，具有结构简单、占用空间小、抗冲击振动能力强、转速高、寿命长等特点，能够用于井下高温、高压、磨砺性和振动等工况，因而广泛应用于石油天然气、矿山开采中，其作用是防止密封腔内的润滑油泄漏，抵抗来自钻井外部流体的磨损。现目前使用的单金属密封结构由一个O型橡胶圈、动密封环、顶部平滑的静密封环、支撑橡胶环和牙掌轴颈组成。单金属密封结构不仅会受到O型橡胶圈、支撑橡胶环的弹性力，还会受到内侧润滑油与外侧钻井泥浆的压力载荷，密封环会产生一定的力变形，同时，单金属密封在工作时，密封端面处于压紧贴合状态，动静环之间相对转动，在力载荷作用下，引起密封端面产生热变形，导致密封端面泄漏量变化，使得密封失效。
针对现有单金属密封结构易发生密封失效的问题，制定密封性能更可靠、使用寿命更长的单金属密封结构具有现实意义和广泛前景。
发明内容
本发明的目的是：为克服现有单金属密封装置在井下恶劣工况中易发生密封失效的问题，设计了一种密封性能更可靠、使用寿命更长的牙轮钻头用单金属复合密封结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种牙轮钻头用单金属复合密封结构，包括动密封环、静密封环、X型橡胶密封圈、支撑环和牙掌轴颈，其特征在于：
动密封环所处的牙轮内孔的外端部位与牙掌轴颈根部构成密封腔，由动密封环、静密封环、X型橡胶密封圈和支撑环组成的单金属密封装置放入密封腔内，动密封环与牙轮内孔过盈配合，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，X型橡胶密封圈被静密封环压缩于支撑环内；
静密封环顶端的平面开有细小凹槽，凹槽之间的间隔大于凹槽深度；动密封环与静密封环由高速钢、不锈钢、硬质合金等材料制成，在动密封环与静密封环的端面上有石墨类耐高温润滑涂层；
牙掌轴颈和静密封环的内锥面之间装有X型橡胶密封圈，X型橡胶密封圈的密封面为外圆面，在一个密封面上的两个外圆面之间有一个圆弧内角，X型橡胶密封圈与静密封环之间形成静密封面；
支撑环上端有起伏圆弧形凹槽，X型橡胶密封圈嵌入在支撑环上端的起伏圆弧形凹槽内并紧套在牙掌轴颈上；静密封环底部与支撑环顶端形成密封面；
支撑环顶部圆弧形凸起，居中圆弧尺寸大于两边圆弧，静密封环底部与支撑环顶端形成三个不同面积的密封面；支撑环由改性的聚四氟乙烯制成。
本发明的有益效果是：(1)本发明所述静密封环顶端的平面开有细小凹槽，可增加散热面积，同时凹槽可储存润滑油，减少摩擦；(2)动密封环和静密封环端面上有石墨类耐高温润滑涂层，在井下高温作业时可减少实现动密封产生的摩擦；(3)采用X型橡胶密封圈，在往复动密封中产生的交变应力较小，不易使橡胶体产生疲劳破坏，且在主密封面面上的接触应力较大，更适用于往复动密封；(4)支撑环顶端有中间高两侧低的圆弧形凸起，当初始压缩量增加时，圆弧面逐步与静密封环接触，增加静密封环底部与支撑环的接触长度，保证底部静密封可靠性；(5)支撑环采用改性的聚四氟乙烯制成，具有耐磨损、耐高温和自润滑等特点。
附图说明
图1为本发明应用的牙轮钻头轴截面示意图。
图2为本发明密封结构局部放大图。
图3为本发明支撑环结构剖面图。
图4为本发明静密封环结构剖面图。
图5为本发明X型橡胶密封圈结构剖面图。
图中：1.牙掌轴颈，2.牙轮，3.锁紧滚珠，4.长油孔，5.塞销，6.支撑环，7.X型橡胶密封圈，8.静密封环，9.动密封环，10.牙轮内孔，11.牙掌轴颈凹槽，12.静密封环内侧斜面，13.圆弧形凸起，14.支撑环凹槽，15.静密封环顶部凹槽，16.外圆面，17.圆弧内角。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
由图1～图5所示，牙轮钻头用单金属复合密封结构，主要由动密封环9、静密封环8、X型橡胶密封圈、支撑环6和牙掌轴颈1组成，其中：动密封环9所处的牙轮2内孔10的外端部位与牙掌轴颈1根部构成密封腔，由动密封环9、静密封环8、X型橡胶密封圈和支撑环6组成的单金属密封装置放入密封腔内，动密封环9与牙轮2内孔10过盈配合，动密封环9的另一端与牙轮2内孔10台肩接触，动密封环9随牙轮2一起转动，动密封环9、静密封环8的端面相配合，构成相对转动的密封面，X型橡胶密封圈7被静密封环8压缩于安装在牙掌轴颈1凹槽11上的支撑环6凹槽14中。
如图1所示为本发明应用的牙轮钻头轴截面示意图，可以看出本发明所设计的密封结构处于牙轮2内孔10的外端部位与牙掌轴颈1根部构成的密封空腔中。安装时先把动密封环9压入牙轮2内孔10，保证过盈配合，然后在牙掌轴颈1的轴颈上依次套上X型橡胶密封圈7、支撑环6、静密封环8、带有动密封环9的牙轮2，锁紧滚珠3从塞销孔放入轴承后将塞销5焊接固定，通过锁紧滚珠3将牙轮2保持在牙掌轴颈1上，长油孔4给钻头轴承提供润滑脂。当静密封环8挤压X型橡胶密封圈7外圆面16时，X型橡胶密封圈7能对静密封环8施加一轴向力，使静密封环8与转动的动密封环9端面紧密接触，形成动密封，防止润滑脂漏失。静密封环8和支撑环6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8施加一辅助轴向力，使密封更可靠。静密封环8顶部凹槽15可储存润滑脂，润滑密封面，减小磨损，增大散热面积，静密封环8内侧斜面12能使润滑脂进入密封面。动密封环9和静密封环8都是由高速钢、不锈钢、硬质合金等材料制成。动密封环9与静密封环8的端面上有石墨类耐高温润滑涂层，在井下高温作业时可减少实现动密封产生的摩擦。
如图2所示，本发明包括动密封环9、静密封环8、X型橡胶密封圈7、支撑环6和牙掌轴颈1。动密封环9的上端面与静密封环8的下端面相配合，构成相对转动的密封端面。动密封环9与牙轮2内孔10为过盈配合，可随牙轮2一起转动，动密封环9的下端面与牙轮2内孔10台肩面接触。在牙掌轴颈1根部和静密封环8的锥面之间装有X型橡胶密封圈7。
如图3所示，支撑环6由改性的聚四氟乙烯制成，支撑环6的环顶部为中间高两侧低的圆弧形凸起13，当初始压缩量增加时，圆弧面逐步与静密封环8接触，增加静密封环8底部与支撑环6的接触长度，保证底部静密封可靠性，且具有耐磨性、耐高温和自润滑等方面的特点。
如图4所示，静密封环8顶部凹槽15，两凹槽之间的间隔大于凹槽深度，可增加散热面积，同时凹槽可储存润滑油，能够减少摩擦。且端面上有石墨类耐高温润滑涂层，在井下高温作业时可减少实现动密封产生的摩擦。
如图5所示，X型橡胶密封圈7由橡胶等弹性材料制成，为轴对称结构。X型橡胶密封圈7的密封面的密封面为外圆面16。在一个密封面上为两个外圆面16和一个圆弧内角17，圆弧内角17可储存润滑油，在往复动密封中，润滑密封面，减少摩擦，不易使橡胶体产生疲劳破坏。
Claims (1)
1.牙轮钻头用单金属复合密封结构，包括动密封环(9)、静密封环(8)、X型橡胶密封圈(7)、支撑环(6)和牙掌轴颈(1)，其特征在于：
动密封环(9)所处的牙轮(2)内孔(10)的外端部位与牙掌轴颈(1)根部构成密封腔，由动密封环(9)、静密封环(8)、X型橡胶密封圈(7)和支撑环(6)组成的单金属密封装置放入密封腔内，动密封环(9)与牙轮(2)内孔(10)过盈配合，动密封环(9)随牙轮(2)一起转动，动密封环(9)、静密封环(8)的端面相配合，构成相对转动的密封面，X型橡胶密封圈(7)被静密封环(8)压缩于支撑环(6)内；
静密封环(8)顶端的平面开有细小凹槽，凹槽之间的间隔大于凹槽深度；动密封环(9)与静密封环(8)由高速钢、不锈钢、硬质合金材料制成，在动密封环(9)与静密封环(8)的端面上有石墨类耐高温润滑涂层；
牙掌轴颈(1)和静密封环(8)的内锥面之间装有X型橡胶密封圈(7)，X型橡胶密封圈(7)的密封面为外圆面(16)，在一个密封面上的两个外圆面(16)之间有一个圆弧内角(17)，X型橡胶密封圈(7)与静密封环(8)之间形成静密封面；
支撑环(6)上端有起伏圆弧形凹槽，X型橡胶密封圈(7)嵌入在支撑环(6)上端的起伏圆弧形凹槽内并紧套在牙掌轴颈(1)上；静密封环(8)底部与支撑环(6)顶端形成密封面；
支撑环(6)顶部圆弧形凸起(13)，居中圆弧尺寸大于两边圆弧，静密封环(8)底部与支撑环(6)顶端形成三个不同面积的密封面；支撑环(6)由改性的聚四氟乙烯制成。
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