CN114320163A - 一种用于牙轮钻头的密封件及牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于牙轮钻头的密封件及牙轮钻头，涉及油田机械密封技术领域，包括内密封部、外密封部和设置在所述内密封部和外密封部之间的上凹型槽和下凹型槽；所述内密封部的截面轮廓至少包含一条弧线并沿径向向内突出，所述外密封部的截面轮廓至少包含一条弧线并沿径向向外突出；所述上凹型槽的最低点与所述下凹型槽的最高点之间的连线与所述密封件的轴线平行；所述密封件的截面沿所述上凹型槽的最低点与所述下凹型槽的最高点之间的连线形成不对称的第一截面和第二截面；本发明解决了现有密封件与轴颈动密面接触面积过大，使密封件磨损严重，寿命短的技术问题，达到了在增加外界压力时，减小密封件旋转的磨损程度及减少热量产生的技术效果。

Description

一种用于牙轮钻头的密封件及牙轮钻头

技术领域

本发明涉及油田机械密封技术领域，尤其是涉及一种用于牙轮钻头的密封件及牙轮钻头。

背景技术

牙轮钻头是石油钻井工程中常用的破岩工具，其工作寿命直接影响着钻井效率。密封件是储油润滑密封系统的核心元件，牙轮的寿命受制于轴承，轴承的寿命取决于密封，密封件的优劣影响甚至决定了牙轮钻头在井下工作的寿命。密封件能够将钻井液与轴承隔开，一方面防止钻井液对轴承的侵蚀和磨损，另一方面留住包裹轴承的润滑脂，从很大程度上提高了轴承的寿命；牙轮钻头轴承多采用金属密封结构，这种密封结构有一对金属密封环和一对橡胶O型圈，其中O型圈既能起到精密封作用又起到给金属密封环提供预紧力的作用，但由于橡胶是一种高分子聚合物，其性能受时间和温度的影响较大，在井下温度的影响下，使预紧力不能达到合理状态，造成密封早期失效。针对在高压高转速工况下，产生金属密封对牙轮振动敏感以及占用空间大的问题，在橡胶密封中，相同内径的具有高纵横比特性的扁平密封圈比O型圈占用的轴向空间更小且具有更高的压缩比，能有效补偿密封接触的磨损。普通密封圈结构简单、设计紧凑，但在装入牙轮槽后会产生不对齐或者歪斜，造成密封区域接触压力不均匀，密封效果不好，此外在安装时，密封圈内部磨损严重，影响密封圈整体使用寿命，无法满足现有不同工况下的使用需求。因此，研制出密封性能佳且使用寿命长的密封件，提高牙轮钻头的寿命，从而节约钻井成本迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构更优化的用于牙轮钻头的密封件，以解决现有技术中存在的密封圈密封效果不佳，磨损严重，使用寿命短的技术问题。

本发明提供的一种用于牙轮钻头的密封件，其特征在于，所述密封件包括：内密封部、外密封部和设置在所述内密封部和外密封部之间的上凹型槽和下凹型槽；所述内密封部的截面轮廓至少包含一条弧线并沿径向向内突出，所述外密封部的截面轮廓至少包含一条弧线并沿径向向外突出；所述上凹型槽截面轮廓的最低点与所述下凹型槽截面轮廓的最高点之间的连线与所述密封件的轴线平行；所述密封件的截面沿所述上凹型槽截面轮廓的最低点与所述下凹型槽截面轮廓的最高点之间的连线形成不对称的第一截面和第二截面。

进一步的，所述内密封部的截面轮廓和所述外密封部的截面轮廓上的弧线曲率半径不同。

进一步的，所述连线相对于所述密封件的截面中心线向内密封部方向或外密封部方向偏置预设距离。

进一步的，所述偏置的预设距离大于1/6L且小于2/5L，其中，L为内密封部截面轮廓最内端到外密封部截面轮廓最外端之间的距离。

进一步的，所述上凹型槽截面轮廓开口端的最高点和上凹型槽截面轮廓凹陷的最低点之间的高度差大于等于1/5 H1且小于等于4/5H1，其中H1为内密封部的高度。

进一步的，所述下凹型槽截面轮廓开口端的最低点和下凹型槽截面轮廓凹陷的最高点之间的高度差大于等于1/5 H1且小于等于4/5H1，其中H1为内密封部的高度。

进一步的，所述内密封部与所述上凹型槽和所述下凹型槽之间设置第一过渡斜边，所述外密封部与所述上凹型槽和所述下凹型槽之间设置第二过渡斜边。

进一步的，所述第一过渡斜边和第二过渡斜边的截面轮廓为圆弧或线段。

进一步的，所述外密封部的截面轮廓上的弧线曲率半径满足大于等于H2/2且小于等于H2，其中H2为所述外密封部的高度。

本发明另一方面提供一种牙轮钻头，设置有密封沟槽，所述的密封件安装在所述密封沟槽中。

本发明提供的一种用于牙轮钻头的密封件，其横截面沿上凹型槽的最低点和下凹型槽的最高点的连线形成左右不对称的两个截面，不对称截面的设计，使得在相同过盈量的前提下，不对称截面的形心偏移量比对称截面的形心偏移量小，从而使得不对称截面相比于相同动密截面为基准的对称截面，在装配后密封件与轴颈和密封沟槽抵接部的接触面积变小，产生的动密面摩擦面积变小，有效的避免了动密面接触面积过大而造成密封件过度摩擦受损；不对称截面的设计也在一定程度上避免了密封介质压差过大而将密封件挤进间隙造成密封件出现间隙咬伤的现象；该不对称截面的设计结构简单紧凑，不仅有效地避免了密封件摩擦过度受损，也很大程度上延长了密封件的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于牙轮钻头的密封件结构示意图 ；

图2为本发明实施例提供的密封件不对称截面轮廓示意图；

图3为本发明实施例提供的密封件及与之配合的牙轮钻头局部结构剖面图；

图4为本发明实施例提供的密封件装配在牙轮钻头密封沟槽中的局部结构剖面放大图。

图标：1-密封件；10-内密封部；11、12-第一过渡斜边；13-第一截面；20-外密封部；21、22-第二过渡斜边；23-第二截面；30-上凹型槽；40-下凹型槽；2-牙轮钻头；3-密封沟槽；4-轴颈；a、b-上凹型槽开口处端点；e-上凹型槽凹陷最低点；c、d-下凹型槽开口处端点；f-下凹型槽凹陷最高点；H1-上凹型槽开口处a点与下凹型槽开口处c点距离；d1-上凹型槽开口处a点与内密封部最内侧距离；H2-上凹型槽开口处b点与下凹型槽开口处d点距离；d2-上凹型槽开口处b点与外密封部最外侧距离；L-内密封部最内侧与外密封部最外侧距离；△hs-上凹型槽开口处最高点到上凹型槽凹陷最低点之间距离；△hx-下凹型槽开口处最低点到下凹型槽凹陷最高点之间距离；C-密封件中心轴线；c1-上凹型槽最低点与下凹型槽最高点之间连线；c2-密封件截面中心线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

本发明实施方式提供的一种用于牙轮钻头的密封件1，如图1所示，所述密封件1具有环状的形状，图1中的密封件1为沿着密封件1中轴线C延伸的假想竖直面剖切的半个环形形状，所述密封件1包括内密封部10、外密封部20和设置在所述内密封部10与所述外密封部20之间的上凹型槽30和下凹型槽40；所述内密封部10的截面轮廓至少包含一条弧线并沿着截面的径向方向向内突出，所述外密封部20的截面轮廓至少包含一条弧线并沿着截面径向方向向外突出，所述的截面径向方向为与中轴线C垂直的方向，内密封部10和外密封部20相对设置；所述上凹型槽30的截面轮廓开口方向向上，并且开口处具有两个端点a和b，所述上凹型槽30的截面轮廓向下凹陷，并且具有凹陷最低点e，端点a和b距离凹陷最低点e的垂直距离可以相等，也可以不等；所述下凹型槽40的截面轮廓开口方向向下，同样开口处具有两个端点c和d，所述下凹型槽40的截面轮廓向上凹陷，并且具有凹陷最高点f，端点c和d距离凹陷最高点f的垂直距离可以相等，也可以不等；所述上凹型槽30的截面轮廓的最低点e和所述下凹型槽40的截面轮廓的最高点f处于一条直线c1上，并且所述最低点e和最高点f的连线c1与所述密封件1的中轴线C平行，所述密封件1的截面沿着所述上凹型槽30的截面轮廓最低点e和所述下凹型槽40的截面轮廓最高点f之间的连线c1形成不对称的第一截面13和第二截面23。

所述不对称的第一截面13和第二截面23的设计，使得密封件在相同过盈量的情况下，不对称的截面的形心偏移量比对称截面的形心偏移量小，从而使不对称截面相比于对称截面，在装配后密封件1与密封沟槽3和轴颈4的接触面积变小，产生的动密封截面摩擦面积变小，有效的避免了动密封截面接触面积过大而造成密封件1过度摩擦受损的问题；不对称截面的设计也在一定程度上避免了密封介质压差过大而将密封件1挤进密封沟槽3与轴颈4之间的间隙造成密封件1出现间隙咬伤的现象；该不对称截面的设计结构简单紧凑，避免密封件1摩擦过度受损的同时，在一定程度上延长了密封件的使用寿命。

所述上凹型槽30和所述下凹型槽40的设计是为了在压力加大时，降低紧迫力，能减少旋转产生的热量以及减小密封件1的磨损，从而提高密封件1的寿命，在一定程度上增加了密封件1的强度，使得密封件1与密封沟槽内侧之间的密封性加强。

具体的，所述密封件1由弹性材料制成，弹性材料本身的弹力能够与弹性结构变形产生的回复力相结合，进一步强化所述密封件1的密封效果。

本发明实施方式的密封件1的内密封部10的截面轮廓和外密封部20的截面轮廓上的弧线曲率半径不同，该设计在不同过盈量下可产生一部分径向力，该部分径向力能够补偿所述上凹型槽30的最低点e和所述下凹型槽40的最高点f之间的连线相对于密封截面中心线的偏置量，使得密封件保持良好的密封状态；并且在有压差的情况下，可以防止所述内密封部10和外密封部20完全贴合牙轮钻头2上的密封沟槽3侧面，留出空隙，从而使密封沟槽3在增大压力的同时降低紧迫力，减少旋转产生的热量，并进一步减小密封件1与密封沟槽3抵接处的磨损，有效提高密封件1的寿命。

具体的，结合图1和图2进一步对密封件1的不对称截面进行说明，所述连线c1相对于所述密封件1的截面中心线c2向内密封部10的方向偏置预设距离l，偏置预设距离l范围为1/6L<l<2/5L，其中，L为内密封部10截面轮廓最内端到外密封部20截面轮廓最外端之间的距离，所述密封件1的截面中心线c2是指在同一截面轮廓中，与内密封部10截面轮廓的最内端和外密封部20截面轮廓的最外端之间的距离相等且与轴线C平行的直线；因受到外界压力后，密封件1被挤压，凹型槽也会随之变形，因此，所述上凹型槽30和所述下凹型槽40之间的连线c1也可以向外密封部20的方向偏置，同样，偏置距离1/6L<l<2/5L；在该偏置距离的范围，在受到挤压变形时，能够保证密封件1径向保持平衡，使得内密封部10和外密封部20与牙轮钻头密封沟槽3的侧壁有效贴合，避免产生不必要的空隙，进而保证密封件1的有效密封。

更具体的，所述上凹型槽30截面轮廓开口端的最高点和上凹型槽30截面轮廓凹陷的最低点e之间存在高度差△hs，上凹型槽30截面轮廓开口端具有端点a和b，a和b可以为同一高度，也可以是不同高度，当a和b处于同一高度时，上凹型槽30的最高点可以理解为a点和b点之间连线的任意一点，当a和b处于不同高度时，上凹型槽30开口端的最高点可以是a点也可以是b点，上述高度差△hs的范围是1/5 H1≤△hs≤4/5H1，H1为内密封部10的高度，即上凹型槽30的a点到下凹型槽40的c点的高度，该高度差的设计，使得密封件1在体积较大的情况下，也只需要较小的力就能够轻松地让密封件1受挤压变形，增加密封件1与密封沟槽3的接触面积，从而实现拆装方便且密封效果好。

同样地，所述下凹型槽40开口端的最低点和下凹型槽40截面轮廓凹陷的最高点f之间存在高度差△hx，下凹型槽40的开口端具有端点c和d，c和d可以为同一高度，也可以是不同高度，当c和d处于同一高度时，下凹型槽40的最低点可以理解为c点和d点之间连线的任意一点，当c和d处于不同高度时，下凹型槽40开口端的最低点可以是a点也可以是b点，同样，上述高度差△hx的范围是1/5 H1≤△hx≤4/5H1。

更具体地，所述内密封部10与所述上凹型槽30和所述下凹型槽40之间存在第一过渡斜边，所述第一过渡斜边具有11和12两段，第一过渡斜边11处于内密封部10和上凹型槽30之间，第一过渡斜边12处于内密封部10和下凹型槽40之间；所述外密封部20与所述上凹型槽30和所述下凹型槽40之间存在第二过渡斜边，第二过渡斜边具有21和22两段，第二过渡斜边21处于外密封部20和上凹型槽30之间，第二过渡斜边22处于外密封部20和下凹型槽40之间；所述第一、第二过渡斜边的设置，当向所述密封件1施加沿径向方向的作用力时，两所述过渡斜边发生弹性形变，由该弹性变形产生的回复力使得两所述过渡斜边牢牢接触于牙轮钻头2密封沟槽3抵接部或者轴颈4抵接部，增强两所述过渡斜边与密封沟槽3内侧的密封性能，并使得该处密封结构能够承受更大的井下压力，可以同时提高密封件1的工作性能及安全性能。

更具体的，所述过渡斜边截面轮廓为圆弧， 所述圆弧曲率半径小于密封沟槽内侧曲率半径，即使随着使用时间增长，密封沟槽发生轻微变形，密封部仍能够保持良好的密封效果，也不会发生泄露现象。

所述过渡斜边截面轮廓也可以为线段，所述线段与水平方向的夹角θ的范围为大于20度且小于70度，在该范围内，可保证即使密封沟槽发生轻微变形，密封部仍能够保持良好的密封效果，也不会发生泄露现象。

更具体地，所述内密封部10的高为H1，即上凹型槽30端点a到下凹型槽40端点c的距离，宽为d1，即上凹型槽30端点a到内密封部10最内端的距离，内密封部10的高宽比D1=H1/d1，所述外密封部20的高为H2，即上凹型槽端点b到下凹型槽端点d的距离，宽为d2，即上凹型槽30端点b到外密封部20最外端的距离，外密封部20的高宽比D2=H2/d2，其中H1和H2可以相等，也可以不等，d1和d2可以相等也可以不等，值得注意的是，H1/d1和H2/d2不相等，即第一截面13和第二截面23不对称，该不对称性在一定程度上避免密封介质压差过大将密封件1挤进密封沟槽3与轴颈4之间的间隙造成密封件1出现间隙咬伤现象和密封接触面间的接触压力与接触面积过大造成密封件1出现过度摩擦受损。

更具体地，如图2所示，所述外密封部20的截面轮廓上的弧线曲率半径R满足大于等于H2/2且小于等于H2，其中H2为所述外密封部20的高，即上凹型槽端点b到下凹型槽端点d的距离，该弧线曲率半径R的大小对密封件1的性能影响较大，曲率半径太大与密封沟槽内侧接触面积越大，摩擦越大，但磨损较多，寿命较低；曲率半径太小与密封沟槽内侧接触面积越小，摩擦小，寿命更长，但密封性能较低；而弧线曲率半径R的范围满足大于等于H2/2且小于等于H2时，接触面积适中，摩擦较轻，密封性和寿命均可满足使用要求。

本发明的实施方式还提供了一种牙轮钻头2，如图3和图4所示，上述的用于牙轮钻头的密封件1安装在该牙轮钻头2中的密封沟槽3中，进而对牙轮钻头2紧密密封。所述密封件1安装在密封沟槽3中，通过压缩密封件1形成双向密封，可有效的防止液体沿轴窜入轴承。

表1为本发明各实施例的对密封件各种尺寸评价结果表，由实施例1、实施例2和实施例3的评价结果可知，在偏置预设距离l范围为1/6L<l<2/5L，高度差△hs的范围是1/5 H1≤△hs≤4/5H1，高度差△hx的范围是1/5 H1≤△hx≤4/5H1，弧线曲率半径R的范围1/2 H2≤R≤H2时,既能保证密封件1的密封性能，又能提高密封件1的寿命，同时又能保证密封件1的磨损程度和发热程度在合格范围内。

表1 本发明各实施例的对密封件各种尺寸评价结果表

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于牙轮钻头的密封件，其特征在于，所述密封件包括：内密封部、外密封部和设置在所述内密封部和外密封部之间的上凹型槽和下凹型槽；

所述内密封部的截面轮廓至少包含一条弧线并沿径向向内突出，所述外密封部的截面轮廓至少包含一条弧线并沿径向向外突出；

所述上凹型槽截面轮廓的最低点与所述下凹型槽截面轮廓的最高点之间的连线与所述密封件的轴线平行；

所述密封件的截面沿所述上凹型槽截面轮廓的最低点与所述下凹型槽截面轮廓的最高点之间的连线形成不对称的第一截面和第二截面。

2.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述内密封部的截面轮廓和所述外密封部的截面轮廓上的弧线曲率半径不同。

3.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述连线相对于所述密封件的截面中心线向内密封部方向或外密封部方向偏置预设距离。

4.根据权利要求3所述的密封件，其特征在于，所述偏置的预设距离大于1/6L且小于2/5L，其中，L为内密封部截面轮廓最内端到外密封部截面轮廓最外端之间的距离。

5.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述上凹型槽截面轮廓开口端的最高点和上凹型槽截面轮廓凹陷的最低点之间的高度差大于等于1/5 H1且小于等于4/5H1，其中H1为内密封部的高度。

6.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述下凹型槽截面轮廓开口端的最低点和下凹型槽截面轮廓凹陷的最高点之间的高度差大于等于1/5 H1且小于等于4/5H1，其中H1为内密封部的高度。

7.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述内密封部与所述上凹型槽和所述下凹型槽之间设置第一过渡斜边，所述外密封部与所述上凹型槽和所述下凹型槽之间设置第二过渡斜边。

8.根据权利要求7所述的密封件，其特征在于，所述第一过渡斜边和第二过渡斜边的截面轮廓为圆弧或线段。

9.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述外密封部的截面轮廓上的弧线曲率半径满足大于等于H2/2且小于等于H2，其中H2为所述外密封部的高度。

10.一种牙轮钻头，设置有密封沟槽，其特征在于，如权利要求1-9任一项所述的密封件安装在所述密封沟槽中。

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