CN109282038A - 一种耐高压的旋转密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐高压的旋转密封装置，包括转轴，转轴外套设有套筒，转轴径向外壁与套筒的内壁之间设置有密封组合件，碟形弹簧套设在转轴外，碟形弹簧抵设在挡圈与密封组合件之间或抵设在压装组件与密封组合件之间；挡圈径向内壁嵌设有减压环，挡圈径向内壁对应减压环轴向内侧区域与转轴径向外壁之间保持有径向间隙，该径向间隙形成一个环流槽。本发明的使密封组合件在工作过程中发生磨损后可在碟形弹簧的作用下对径向间隙进行自动补偿，密封组合件的轴向内侧设置有减压环，具有耐高压的性能。

Description

一种耐高压的旋转密封装置

技术领域

本发明涉及非开挖施工技术中领域中的水平定向钻机及地质钻探用全液压钻机技术，尤其是一种耐高压的旋转密封装置。

背景技术

水平定向钻机的钻孔为挤压式钻孔，即钻孔的方式为钻头将泥土往径向外围挤压，泥土并不会排出地面，因此钻头在钻进过程中受到的阻力很大，钻头与地层间的巨大摩擦力会造成钻头与之接触面温度急剧升高而改变钻具材料的金相组织而降低其使用性能，以及影响其成孔和拉管质量,必需通过泥浆或空压系统提供压力介质(如高压水或高压气体)对钻进处的石头泥土障碍物软化和转移，另一方面，泥浆或空压系统的压力介质还起到对钻头和钻杆进行冷却的作用，防止钻头因高温发生性能变化而影响钻头的钻削能力，因此，压力介质也作为一种冷却介质，可以对钻头及钻杆实施降温。通常的做法是在动力头主轴末端装一旋转密封装置，旋转密封装置的主要功能是将冷却液或冷却空气输入钻杆冷却钻头，其密封性能的好坏直接关系到钻头的冷却与钻进效果，从而关系到整套设备的使用和施工质量。

目前现有的水平定向钻机的旋转密封装置普遍存在的问题是密封高压空气或压力水的能力较差，在长时间的旋转动态使用过程中由于密封件的磨损而导致高压空气或压力水容易从旋转的转轴和密封件间渗漏，从而对设备的正常工作造成影响。因此，现有技术中需要一种方案来解决这个问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种耐高压的旋转密封装置，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种耐高压的旋转密封装置，包括转轴1，转轴外套设有套筒2，转轴与套筒之间设置有密封组合件4，密封组合件为圆筒状结构。工作过程中，转轴跟随动力头主轴转动，密封组合件的径向内壁为主要磨损面，套筒的内壁于密封组合件4轴向内侧(即靠近冷却介质入口20的一侧)凸设有挡圈24，挡圈24用于直接或间接挡住密封组合件4轴向一端的端面，密封组合件4轴向另一端的端面由压装组件压紧。

所述旋转密封装置还包括补偿弹簧3，补偿弹簧套在转轴外，补偿弹簧的弹力方向沿转轴轴向方向设置，补偿弹簧抵在挡圈与密封组合件之间或抵在压装组件与密封组合件之间。

优选的，所述补偿弹簧与密封组合件均为对称设置的两组，一组密封组合件对应一个挡圈、一组补偿弹簧及一组压装组件，两组密封组合件对称分布在冷却介质入口两侧，一组密封组合件与转轴连接动力头主轴的一端对应，另一组密封组合件与转轴另一端相对应。

作为优选，补偿弹簧与密封组合件端面之间的接触点应当位于密封组合件轴向端面靠近径向外缘位置，以使得内壁有一定磨损后的密封组合件在受到轴向挤压力时，其变形方向主要为沿径向方向向内(即由外壁指向内壁的方向)，而不是随意的径向变形，从而补偿密封组合件径向内壁发生的磨损，延长密封组合件的寿命。

进一步的，所述两组压装组件中至少一组包括调整锁位螺母67，调整锁位螺母67设有与转轴1外螺纹匹配的内螺纹，调整锁位螺母旋设在转轴上，调整锁位螺母直接或间接沿轴向方向旋紧在转轴上而将套筒内的补偿弹簧与密封组合件压紧。

旋转密封装置使用过程中，密封组合件的磨损由受到压缩而变形的补偿弹簧提供的弹力来提供动态压力补偿，使密封组合件与转轴之间的接触面始终保证贴紧状态，这一过程为自动补偿过程，一段时间后，密封组合件的内壁继续磨损至两补偿弹簧的压缩量快释放完而恢复原形，两补偿弹簧的压力逐渐减小，此时将调整锁位螺母往靠近密封组合件的方向旋转，使补偿弹簧重新回至压缩状态，密封组合件会进入下一轮的自动补偿过程，重复多次至密封组合件完全失效，密封组合件的使用寿命约为原来的5～7倍。

优选的，所述套筒内壁对应冷却介质入口的的位置凹设有环状水道21，冷却介质流通通道10的一端与动力头主轴内部通道连通，冷却介质流通通道的另一端设置有四个侧通孔101，四个侧通孔的位置均与环状水道21对应，转轴转动至任意位置，四个侧通孔都能保持与冷却介质入口20连通的状态，环状水道的宽度大于侧通孔101的直径，即便套筒与转轴发生了一定的轴向相对滑动，侧通孔仍然能够保持与冷却介质入口20连通的状态。

进一步的，套筒外壁于冷却介质入口处设置有带内螺纹的接头22，接头22用于连接从泵或压缩机接出的管路而将冷却介质引入旋转密封装置内部，套筒外壁上设置有止转板23，止转板用于连接止转机构而防止套筒发生旋转运动。

进一步的，所述挡圈24径向内壁嵌设有减压环7，减压环径向内壁与转轴径向外壁密封贴合，挡圈径向内壁与转轴径向外壁之间保持有0.8～1.2mm的径向间隙，该径向间隙形成一个环流槽P。

所述压装组件包括设置在密封组合件轴向外侧的补偿块，补偿块的端面用于直接或间接抵住密封组合件，补偿块对密封组合件的推力指向密封组合件轴向内侧，补偿块的径向外壁设置有台阶结构，套筒内壁设置有与补偿块台阶结构相匹配的孔肩。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明的旋转密封装置设置有可使密封组合件实现自动补偿的补偿弹簧，在工作过程中，密封组合件可始终保持与转轴径向外壁的紧密贴合状态，有效的确保了施工过程中的密封可靠性能。

为了进一步保证密封效果，将补偿弹簧与密封组合件端面间的力接触点设置在密封组合件端面边缘位置，可使密封组合件的变形方向主要为沿径向方向向内，而不是随意的径向变形，从而补偿密封组合件内壁发生的磨损，可使密封组合件的使用寿命延长5～7倍。

本发明在密封组合件的轴向内侧设置有减压环，套筒内壁于减压环轴向内侧区域与转轴径向外壁之间设置有环流槽，环流槽的径向宽度为0.8～1.2mm，具有一定压力的冷却介质经环流槽流至减压环处时，会受到减压环端面的反向冲击力，进而在环流槽处产生局部涡流，从而降低进入密封组合件处的冷却介质的压力，达到良好的密封效果，同时又防止不清洁水中的杂质进入密封组合件，提高密封组合件的使用寿命，在钻头受阻水压升高的情况下，同样可以达到此效果，使得整个旋转密封装置具有耐高压的性能。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例一的旋转密封装置的主视剖面图(补偿弹簧采用碟形弹簧)；

图2是本发明优选实施例一和/或优选实施例二中减压环处的细节放大图。

图中：1-转轴，10-冷却介质流通通道，101-侧通孔，11-连接端，2-套筒，20-冷却介质入口，21-环状水道，22-接头，23-止转板，24-挡圈，241-挡圈一，242-挡圈二，25-孔肩一，26-孔肩二，3-补偿弹簧，31-补偿弹簧一，32-补偿弹簧二，4-密封组合件，41-密封组合件一，42-密封组合件二，5-压装组件一，51-补偿块一，52-支撑轴承一，53-压盖一，54-防尘圈，6-压装组件二，61-补偿块二，62-支撑轴承二，63-隔离环，64-压盖二，65-止推轴承，66-挡环，67-调整锁位螺母，7-减压环，71-减压环一，72-减压环二，8-二次密封圈，81-二次密封圈一，82-二次密封圈二。

具体实施方式

参见图1～图2的旋转密封装置，包括用于连接水平定向钻机动力头主轴的转轴1，转轴1内部沿轴向方向设有冷却介质流通通道10，冷却介质流通通道10的出口与转轴用于连接动力头主轴的连接端11相对应，转轴外套设有套筒2，套筒筒体中间部位设有冷却介质入口20。

转轴径向外壁与套筒的内壁之间设置有密封组合件4，密封组合件为圆筒状结构，工作过程中，转轴跟随动力头主轴转动，密封组合件的内壁为主要磨损面，套筒的内壁于靠近冷却介质入口处设有挡圈24，挡圈24用于直接或间接挡住密封组合件4轴向一端的端面，密封组合件4轴向另一端的端面由压装组件压紧。

旋转密封装置还包括补偿弹簧3，补偿弹簧套设在转轴外，补偿弹簧的弹力方向沿转轴轴向方向设置，补偿弹簧抵设在挡圈与密封组合件之间或抵设在压装组件与密封组合件之间。

补偿弹簧与密封组合件均为对称设置的两组，一组密封组合件对应一组补偿弹簧及一组压装组件，两组密封组合件对称分布在冷却介质入口径向两侧，一组密封组合件与转轴连接动力头主轴的一端(即图1中的转轴轴向左端)对应，另一组密封组合件与转轴另一端(即图1中的转轴轴向右端)相对应。

作为优选，补偿弹簧与密封组合件轴向端面之间的接触点应当靠近密封组合件的径向外缘位置，以使得内壁有一定磨损后的密封组合件在受到轴向挤压力时，其变形方向主要为沿径向方向向内(即由外壁指向内壁的方向)，而不是随意的径向变形，从而补偿密封组合件内壁发生的磨损，延长密封组合件的寿命。

进一步的，挡圈24内壁嵌设有减压环7，参见图2，减压环径向内壁与转轴径向外壁密封贴合，挡圈径向内壁与转轴径向外壁之间保持有1mm的径向间隙，该径向间隙形成一个环流槽P，当具有一定压力的冷却介质经径向间隙流至减压环处时，会受到减压环端面的反向冲击力，进而在环流槽处产生局部涡流，从而降低进入密封组合件处的冷却介质的压力，达到良好的密封效果，同时又防止不清洁水中的杂质进入密封组合件，提高密封组合件的使用寿命，在钻头受阻水压升高的情况下，同样可以达到此效果，使得整个旋转密封装置具有耐高压的性能。

本发明中，对应转轴连接动力头主轴的一端的压装组件、补偿弹簧与密封组合件分别定义为压装组件一5、补偿弹簧一31与密封组合件一41，对应转轴另一端的压装组件、补偿弹簧与密封组合件分别定义为压装组件二6、补偿弹簧二32与密封组合件二42。

进一步的，所述压装组件一包括套设在转轴外围且位于套筒内部的补偿块一51与支撑轴承一52，补偿块一51位于内侧，支撑轴承一52位于外侧，压装组件一还包括压盖一53，压盖一固定在套筒上，压盖一沿轴向压紧支撑轴承一而压紧位于支撑轴承一52内侧的补偿块一51、密封组合件一41与补偿弹簧一31。

进一步的，所述压装组件二包括补偿块二61、支撑轴承二62、隔离环63、压盖二64、止推轴承65、挡环66与调整锁位螺母67；补偿块二61、支撑轴承二62、隔离环63、止推轴承65与挡环66均套设在转轴外围，五者由内到外依次分布且最大外径相同，压盖二固定在套筒上，压盖二上设有供补偿块二61、支撑轴承二62、隔离环63、止推轴承65与挡环66通过或来回轴向移动的过孔，调整锁位螺母67设有与转轴1末端外螺纹匹配的内螺纹，调整锁位螺母旋设在转轴上，调整锁位螺母沿轴向方向旋紧在转轴上而通过挡环66、止推轴承65、隔离环63、支撑轴承二62与补偿块二61将套筒内的补偿弹簧二32与密封组合件二42压紧。支撑轴承一与支撑轴承二可选用圆珠滚子轴承，止推轴承可选用推力球轴承，止推轴承用于提高调整锁位螺母旋紧过程中的顺畅度，方便操作。

旋转密封装置使用过程中，密封组合件一及密封组合件二的磨损由受到压缩而变形的补偿弹簧一及补偿弹簧二提供的弹力来提供动态压力补偿，使两密封组合件(包括密封组合件一及密封组合件二)与转轴之间的接触面(即密封组合件一与密封组合件二的内壁)始终保证贴紧状态，且在套筒对力的传递作用下，对称布置的补偿弹簧一与补偿弹簧二可相互达到力的平衡，这一过程为自动补偿过程，一段时间后，两密封组合件的内壁继续磨损至两补偿弹簧的压缩量快释放完而恢复原形，两补偿弹簧的也压力逐渐减小，此时将调整锁位螺母往靠近密封组合件的方向旋转，使补偿弹簧重新回至压缩状态，密封组合件会进入下一轮的自动补偿过程，重复多次至密封组合件完全失效，密封组合件的使用寿命约为原来的5～7倍。应当指出的是，压装组件一与压装组件二的位置也可以互换，即调整锁位螺母可以安装在任意一侧，也可以两侧都安装，本实施例中将调整锁位螺母设置在压装组件二一侧主要是为了使拆卸更换各部件更方便一点，只需将调整锁位螺母旋出转轴，将其余部件随着套筒一起拉离转轴即可，套筒用于容纳转轴及其他部件的中心通孔设置成中间孔细，两端孔粗的结构，结构简单，加工方便。

进一步的，压装组件一还包括嵌设在压盖一轴向外端端面上的防尘圈54，

进一步优选的，所述补偿块一与补偿块二的侧壁均设置有台阶结构，套筒内壁设置有分别与补偿块一、补偿块二的台阶结构相匹配的孔肩一25与孔肩二26，补偿块一及补偿块二的台阶结构分别用于限定补偿块一及补偿块二的轴向滑动极限，使用过程中，可以根据需要设定补偿块台阶结构的位置及轴向高度，当调整锁位螺母无法旋动时，说明密封组合件的压缩量已达限定值，提示应当更换密封组合件。

套筒内壁对应冷却介质入口的的位置凹设有环状水道21，挡圈24包括设置于环状水道宽度方向的两侧的挡圈一241与挡圈二242，挡圈一与转轴连接动力头主轴的一端对应，挡圈二与转轴另一端对应，减压环7为一种非金属硬质密封材料，减压环7包括减压环一71与减压环二72，减压环一、减压环二分别嵌设在挡圈一与挡圈二预设的沟槽内，冷却介质流通通道10的一端与动力头主轴内部通道连通，冷却介质流通通道的另一端设置有四个侧通孔101，四个侧通孔的位置均与环状水道21对应，转轴转动至任意位置，四个侧通孔都能保持与冷却介质入口20连通的状态，环状水道的宽度大于侧通孔101的直径，即便套筒与转轴发生了一定的轴向相对滑动，侧通孔仍然能够保持与冷却介质入口20连通的状态。

套筒外壁于冷却介质入口处焊接设置有带内螺纹的接头22，接头22用于连接从水泵接出的油管而将冷却介质引入旋转密封装置内部，套筒外壁上设置有止转板23，止转板用于连接止转机构而防止套筒发生旋转运动，对套筒位置进行锁定，在两个支撑轴承的辅助作用下减小转轴的转动摆动，并能减小非转动元件(套筒及其内元件)尤其是密封组合件的摆动与直线串动，提高旋转密封装置的寿命。

特别指出：本发明中未明确限定的内壁、外壁均指径向方向的内壁、外壁，本发明中未明确限定的内侧、外侧均指轴向方向的内侧、外侧。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种耐高压的旋转密封装置，其特征在于，包括转轴(1)，转轴外套设有套筒(2)，转轴径向外壁与套筒的内壁之间设置有密封组合件(4)，套筒的内壁于密封组合件轴向内侧凸设有挡圈(24)，挡圈用于直接或间接挡住密封组合件轴向一端的端面，密封组合件轴向另一端的端面由压装组件压紧；

所述旋转密封装置还包括碟形弹簧(3)，碟形弹簧套设在转轴外，碟形弹簧抵设在挡圈与密封组合件之间或抵设在压装组件与密封组合件之间；

所述挡圈径向内壁嵌设有减压环(7)，减压环径向内壁与转轴径向外壁贴合，挡圈径向内壁与转轴径向外壁之间保持有径向间隙，该径向间隙形成一个环流槽。

2.根据权利要求1所述的一种耐高压的旋转密封装置，其特征在于，碟形弹簧的弹力方向沿转轴轴向方向设置，碟形弹簧的开口朝向密封组合件，以保证碟形弹簧与密封组合件端面之间的接触点位于靠近密封组合件径向外缘位置处，以使得径向内壁有一定磨损后的密封组合件在受到轴向挤压力时，其变形方向主要为沿径向方向向内。

3.根据权利要求1所述的一种耐高压的旋转密封装置，其特征在于，所述环流槽的径向间隙的尺寸为0.8～1.2mm。

4.根据权利要求1所述的一种耐高压的旋转密封装置，其特征在于，套筒外壁于冷却介质入口处设置有带内螺纹的接头(22)，接头用于连接从泵或压缩机接出的管路而将冷却介质引入旋转密封装置内部，套筒外壁上设置有止转板(23)，止转板用于连接止转机构而防止套筒发生旋转运动。

5.根据权利要求1所述的一种耐高压的旋转密封装置，其特征在于，所述压装组件包括设置在密封组合件轴向外侧的补偿块，补偿块的端面用于直接或间接抵住密封组合件，补偿块对密封组合件的推力指向密封组合件轴向内侧，补偿块的径向外壁设置有台阶结构，套筒内壁设置有与补偿块台阶结构相匹配的孔肩。

6.根据权利要求1所述的一种耐高压的旋转密封装置，其特征在于，所述套筒筒体中间部位设有冷却介质入口(20)，套筒内壁对应冷却介质入口的位置凹设有环状水道(21)，转轴内部沿轴向方向设有冷却介质流通通道(10)，冷却介质流通通道的一端与动力头主轴内部通道连通，冷却介质流通通道的另一端设置有四个侧通孔(101)，四个侧通孔的位置均与环状水道对应。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的一种耐高压的旋转密封装置，其特征在于，所述碟形弹簧与密封组合件均为对称设置的两组，一组密封组合件对应一个挡圈、一组碟形弹簧及一组压装组件，两组密封组合件对称分布在冷却介质入口两侧，一组密封组合件与转轴连接动力头主轴的一端对应，另一组密封组合件与转轴另一端相对应。

8.根据权利要求7所述的一种耐高压的旋转密封装置，其特征在于，所述两组压装组件中至少一组包括调整锁位螺母(67)，调整锁位螺母设有与转轴外螺纹匹配的内螺纹，调整锁位螺母旋设在转轴上，调整锁位螺母直接或间接沿轴向方向旋紧在转轴上而将套筒内的碟形弹簧与密封组合件压紧。