CN1196451A - 一种轴承密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于牙轮钻头的轴承密封结构。这种密封结构的牙轮密封槽内安装有一个保持环,该环的外径面与牙轮密封槽底之间的环形空间是非密闭的。一个O形橡胶圈置于由牙轮密封槽边壁、保持环和牙掌轴颈面组成的环形空间中,形成了由径向密封和端面密封组成的密封结构。该密封结构的O形橡胶圈密封变形挤压量基本上不会受牙轮偏心旋转的影响,因此密封寿命长,并且可降低O形橡胶圈挤压量,以便适应高速旋转。

Description

一种轴承密封结构

本发明涉及一种石油、地质钻井用牙轮钻头的轴承密封，也可用于其它类似机械或工具的轴承密封。

由于牙轮钻头的轴承空间有限，所以在美国专利U.S.Pat.No3,397,928率先将O形橡胶圈用作牙轮钻头的轴承径向密封件后，O形橡胶圈密封因其结构简单、性能可靠一直沿用至今。通常，牙轮钻头因工作温度高而将轴承间隙设计较大(一般为0.08～0.23mm)，然而，大的轴承间隙却给O形橡胶圈径向密封方式带来了不利的影响。因为牙轮承载后的偏心旋转，要求O形橡胶圈有较大的变形挤压量，而大的变形挤压量又会导致其滑动摩擦热的增加，高温下造成O形圈的永久变形。因此，目前采用O形橡胶圈密封的钻头不能适应高转速，而且工作寿命短。多年来，人们对牙轮钻头的橡胶圈密封结构提出过许多改进方案，但效果都不十分理想。例如，美国专利U.S.Pat.No.4,623,028采用一个较软的静态O形橡胶圈、一个较硬的动态O形橡胶圈和一个刚性保持圈组成密封件总成。较硬的动态O形橡胶圈选用较小的变形挤压量，而较软的且变形挤压量较大的静态O形圈起补偿牙轮旋转偏心的作用，从而提高其高速旋转的适应性。但由于该方案结构复杂，占用空间较大，所以限制了它的应用成功。美国专利U.S.Pat.NO.4,428,687提出了一种浮动密封结构，它是在牙掌轴颈上开一密封槽，槽内放入一个开口的保持环，由密封槽边壁、保持环外径和牙轮轴承面组成的环形空间内放置一个O形橡胶圈，形成由径向密封和端面密封组成的密封结构。但是由于O形橡胶圈与密封槽边壁形成端面密封后，保持环外径面与密封槽底之间的密封浮动空腔充满空气而且是密闭的，在钻井过程中极高的钻井液压力将使该空腔内外出现很大的压力差。所以该专利的实际应用效果并不理想。

本专利的目的在于提供一种浮动密封结构，它能适应高转速的牙轮钻头轴承密封。在钻井过程中，密封浮动空腔能与钻井液压力自动保持平衡。结构简单、性能可靠。

本发明专利的目的是这样实现的：牙轮轴孔的口部有一个密封环槽，槽底有与外界(例如钻井液或者轴承润滑脂)相通的传压孔；槽中放有一个保持环，保持环外径比牙轮密封槽底径小；将一个O形橡胶圈置入由保持环内径面与牙轮密封槽边壁组成的环槽内。当牙掌轴颈组装进牙轮轴孔后，O形橡胶圈就会受到四面挤压，使O形橡胶圈与牙掌轴颈面形成径向密封、与牙轮密封槽边壁形成端面密封。由于O形橡胶圈与牙轮密封槽边壁之间的滑动摩擦力远小于橡胶圈所受的径向密封挤压力，所以当牙轮作偏心旋转时，橡胶密封圈和保持环将始终保持与牙掌轴颈基本上同轴，确保橡胶圈基本上不会出现在轴承受力边变形挤压过大、在轴承非受力边变形挤压过小的现象，从而可在设计时减小其变形挤压量，使其适应高速旋转。因为牙轮密封槽底有与外界相通的传压孔，所以保持环外径与密封槽底之间的浮动空腔中的压力将保持与该外界的压力保持平衡，确保密封的可靠性。当密封浮动空腔是与钻井液相通时，进入该腔中的钻井液还可起到冷却O形橡胶圈的作用，从而达到延长密封寿命的目的。

本发明与现有牙轮钻头轴承密封技术相比，具有以下优点：

1、O形橡胶密封圈变形挤压量小，滑动摩擦热小，所以适应高速旋转的能力强；

2、钻井液与O形橡胶圈的接触面积大，对O形橡胶圈的冷却效果好，所以密封寿命长；

3、结构简单，紧凑，加工成本低。

说明书附图

图1是采用本轴承密封结构专利的牙轮钻头局部剖面图；

图2至图7是牙轮钻头轴承密封部位局部放大图；

图2是本专利的第一种密封结构实例；

图3是本专利第一种密封结构在牙轮偏心时轴承受力边的状态；

图4是本专利的第二种密封结构实例；

图5是本专利第二种密封结构在牙轮偏心时轴承受力边的状态；

图6是本专利的第三种密封结构实例

图7是本专利第三种密封结构在牙轮偏心时轴承受力边的状态。附图说明：

1、牙掌；2、12、22、32、牙掌轴颈；3、13、23、33、牙轮4、钢球；5、润滑脂孔；6、16、26、36、O形橡胶圈；7、保持环；17、矩形保持环；27、L形保持环；37、V形保持环；8、18、28、38、牙轮密封槽，9、19、29、39、传压孔；121、221、321、牙掌轴颈面；131、231、331、牙轮轴孔；132、232、332、牙轮轴孔口部；171、271、371、保持环外径面；172、272、保持环内径面；372、V形保持环的V形面；273、L形保持环内端面；274、L形保持环外端面；181、281、381、牙轮密封槽槽底；182、282、382、牙轮密封槽内边壁；183、283、383、牙轮密封槽外边壁。

下面结合附图对本发明技术作进一步说明。

图1是采用本专利密封结构的牙轮钻头局部剖面图。牙掌1的轴颈2上有可旋转的用于破岩的牙轮3，钢球4将牙轮3保持在牙掌轴颈2上，润滑脂孔5给钻头轴承提供润滑脂，牙轮密封槽8中有一个保持环7和一个O形橡胶圈6，为钻头轴承提供可靠的密封，防止轴承内润滑脂泄漏和外界钻井液侵入。传压孔9可以让钻井液进入牙轮密封槽8内，起到冷却O形橡胶圈6和保持牙轮密封槽内外压力一致的作用，从而确保密封可靠性和延长密封寿命。

本发明的第一种密封结构实例如图2所示。牙轮轴孔有一个环形密封槽18，槽内安装一个截面为矩形的保持环17，该环的外径171与牙轮密封槽底181之间的间隙比轴承间隙大。为了能将保持环17变形后装进牙轮密封槽18，保持环17的径向厚度很小，例如0.2～1.0mm，并且用弹性金属制作，例如弹簧钢等。将一个O形橡胶圈16塞入由牙轮密封槽内边壁182、外边壁183和保持环内径面172组成的矩形环槽内，再将牙掌轴颈12装入牙轮轴孔131。这时O形橡胶圈16就会受到轴向和径向3％～10％的挤压，形成O形橡胶圈16与牙轮密封槽内边壁182的端面密封、与牙掌轴颈面121的径向密封。由于O形橡胶圈16与牙轮密封槽边壁182、183的滑动摩擦力远小于O形橡胶圈16所受的径向挤压力，所以如图3所示，在牙轮13相对于牙掌轴颈12作偏心旋转时，O形橡胶圈16将会与牙轮密封槽边壁182、183相对滑动，而基本保持与牙掌轴颈12同轴。在钻井过程中，传压孔19可以让钻井液进入牙轮密封槽18内，以便牙轮密封槽18内的压力与钻井液的压力一致，同时还可起到冷却O形橡胶圈16的作用。

本发明的第二种密封结构实例如图4所示。牙轮轴孔有一个环形密封槽28，牙轮轴孔口部直径232比牙轮轴孔面231直径大。将一个截面为“L”形的保持环27装入密封槽28内。保持环外径271比牙轮轴孔口部直径232大，其差值至少大于轴承间隙；保持环外径271比牙轮密封槽底径281小，其差值至少是保持环外径271与牙轮轴孔口部直径232差值的π倍。以便将保持环27压变成短轴小于牙轮轴孔口部直径232的椭圆形时，将长轴的一端塞入牙轮密封槽28后，长轴的另一端能顺利通过牙轮口部直径232。保持环用弹簧钢之类的弹性材料制作，确保保持环27进入牙轮密封槽28后，能靠自身的弹性恢复原来的圆形。将一个O形橡胶圈26塞入由牙轮密封槽内边壁282和保持环内径面272、内端面273组成的矩形环槽内，再将牙掌轴颈22装入牙轮轴孔231，这时O形橡胶圈26就会受到轴向和径向3％～10％的挤压，形成O形橡胶圈26与牙轮密封槽内边壁282的端面密封、与牙掌轴颈轴承面221的径向密封。由于O形橡胶圈26与牙轮密封槽内边壁282的滑动摩擦力、保持环外端面274与牙轮密封槽外边壁283的滑动摩擦力都远小于O形橡胶圈26所受的径向挤压力，所以如图5所示，在牙轮23相对于牙掌轴颈22作偏心旋转时，O形橡胶圈26和保持环27将会与牙轮密封槽边壁282、283相对滑动，而基本保持与牙掌轴颈22同轴。在钻井过程中，传压孔29可以让钻井液进入牙轮密封槽28内，以便牙轮密封槽28内的压力与钻井液的压力一致，同时还可起到冷却O形橡胶圈26的作用。

本发明的第三种密封结构实例如图6所示。牙轮轴孔有一个环形密封槽38，槽内安装一个截面为“V”形的、其“V”形夹角为90～160°的保持环37，该环的外径371与牙轮密封槽底381之间的间隙比轴承间隙大。为了能将保持环37变形后装进牙轮密封槽38，保持环37需要用超弹性合金制作，例如镍钛合金等。将一个O形橡胶圈36塞入由牙轮密封槽内边壁382、外边壁383和保持环V形面372组成的环槽内，再将牙掌轴颈32装入牙轮轴孔331。这时O形橡胶圈36就会受到轴向和径向3％～10％的挤压，形成O形橡胶圈36与牙轮密封槽内边壁382的端面密封、与牙掌轴颈面321的径向密封。由于O形橡胶圈36与牙轮密封槽边壁382、383的滑动摩擦力远小于O形橡胶圈36所受的径向挤压力，所以如图7所示，在牙轮33相对于牙掌轴颈32作偏心旋转时，O形橡胶圈36将会与牙轮密封槽边壁382、383相对滑动，而基本保持与牙掌轴颈32同轴。在钻井过程中，传压孔39可以让钻井液进入牙轮密封槽38内，以便牙轮密封槽内的压力与钻井液压力一致，同时还可起到冷却O形橡胶圈36的作用。

Claims (5)

1、一种牙轮钻头的轴承密封结构，其特征在于牙轮轴孔口部的密封环槽中放有一个保持环，保持环的外径与牙轮密封槽底之间的间隙大于轴承间隙；一个O形橡胶圈放置在由牙轮密封槽槽壁、保持环和牙掌轴颈面组成的环形空间中；O形橡胶圈与牙轮密封槽槽壁形成端面密封、与牙掌轴颈面形成径向密封；保持环外径面与牙轮密封槽底之间的环形空间有传压孔与外界相通。

2、根据权利要求1所述，其特征在于O形橡胶圈在径向和轴向受到的挤压为3％～10％。

3、根据权利要求1和权利要求2所述，其特征是保持环截面为矩形，截面径向厚度为0.2～1.0mm，用弹性合金制作。

4、根据权利要求1和权利要求2所述，其特征是保持环截面为L形，用弹性合金制作；

5、根据权利要求1和权利要求2所述，其特征是保持环截面为V形，其V形夹角为90～160°，用超弹性合金制作。

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