CN212225111U - 牙轮钻头用斜对称双c型自适应密封结构 - Google Patents
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Abstract
牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构，包括环形密封槽、双C型橡胶圈组和金属环组；环形密封槽由牙轮与牙掌轴颈围成，包括上端面、下端面和内柱面、外柱面；双C型橡胶圈组的正C型橡胶圈和反C型橡胶圈以环形密封槽右上顶角和左下顶角的连线为对称轴布置；正C型橡胶圈和反C型橡胶圈内部设有蓄能金属弹簧，外部用橡胶包裹；金属环组包括金属动环和金属静环；金属动环上端面和外侧壁分别贴于环形密封槽的上端面和外柱面，下端面和内侧壁分别与正C型橡胶圈和反C型橡胶圈相切；金属静环下端面和内侧壁分别贴于环形密封槽的下端面和内柱面，上端面和外侧壁分别与反C型橡胶圈和正C型橡胶圈相切；金属动环和金属静环分别固定于牙轮、牙掌轴颈根部。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种牙轮钻头用的密封结构。
背景技术
牙轮钻头是钻井过程中的一种重要的破岩工具，而轴承密封件是牙轮钻头的关键部件，主要起到防止轴承润滑脂向外泄漏和外部泥浆内侵磨损的作用。牙轮钻头的寿命很大程度上依赖于密封结构的寿命，特别是在井底高温高压、磨粒介质和冲击振动等工况下，轴承润滑密封系统往往因密封失效而导致钻头轴承磨损严重，从而影响钻井效率。
目前牙轮钻头的密封结构主要有橡胶密封结构、金属密封结构和橡胶-金属组合式密封结构。其中最常见的是O型圈密封结构和单金属密封结构。O型圈密封利用密封圈压缩变形来保证密封，结构简单，成本低，但使用寿命短，密封效果欠佳，而且容易产生黏附磨损，从而使得钻井泥浆进入密封面加剧密封磨粒磨损，导致密封过早失效。单金属密封主要有金属动环、静环及橡胶辅助支撑圈等组成，动、静环之间形成的动密封面使其具有更好的密封稳定性和更长的使用寿命，同时橡胶增能件可以在一定程度上吸收冲击振动，但总体来说，单金属密封结构复杂，成本较高，所占轴、径向空间较大，而且对外界泥浆、岩屑侵入的抵御程度和井底多变工况的适应性有待增强。
因此，非常有必要设计一种结构简单、稳定可靠，能适应井底复杂多变工况，而且能有效抵御泥浆、岩屑等侵入的牙轮钻头用密封结构。
发明内容
本实用新型要克服现有技术的上述问题，提出一种结构简单、稳定可靠，能适应井底复杂多变工况，而且能有效抵御泥浆、岩屑等侵入的牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构。
本实用新型所述的牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构，其特征在于：包括环形密封槽、双C型橡胶圈组和金属环组。所述环形密封槽由牙轮与牙掌轴颈围成，包括上端面、下端面和内柱面、外柱面。
所述双C型橡胶圈组包括斜下端的正C型橡胶圈和斜上端的反C型橡胶圈，所述正C型橡胶圈和反C型橡胶圈以环形密封槽右上顶角和左下顶角的连线为对称轴对称布置，正C型橡胶圈和反C型橡胶圈背靠背设置，正C型橡胶圈和反C型橡胶圈的开口朝所述的对称轴反向设置。所述正C型橡胶圈的两个平端面分别与环形密封槽的下端面和外柱面接触，所述反C型橡胶圈的两个平端面分别与环形密封槽的上端面和内柱面接触，所述正C型橡胶圈和反C型橡胶圈内部为蓄能金属弹簧，外部用橡胶包裹。
所述金属环组包括金属动环和金属静环。所述金属动环呈“匚”形，所述金属动环上端面和外侧壁分别贴于环形密封槽的上端面和外柱面，下端面和内侧壁分别与正C型橡胶圈和反C型橡胶圈相切，金属动环的开口朝向外柱面。所述金属静环呈反向“匚”形，所述金属静环下端面和内侧壁分别贴于环形密封槽的下端面和内柱面，上端面和外侧壁分别与反C型橡胶圈和正C型橡胶圈相切，金属静环的开口朝向内柱面。所述金属动环和金属静环分别通过销钉固定于牙轮、牙掌轴颈根部或通过过盈配合固定于牙轮、牙掌轴颈根部。
所述金属动环内侧壁设有动环稳压孔，所述动环稳压孔位于金属动环与反C型橡胶圈切点的上方，连通金属动环的动环稳压腔和反C型橡胶圈、金属动环和上端面围成的三角形区域。所述金属动环下部设有动环调压孔，所述动环调压孔位于金属动环与正C型橡胶圈切点的外侧，连通动环稳压腔和正C型橡胶圈、金属动环和外柱面围成的三角形区域。所述动环调压孔直径小于动环稳压孔直径。
所述金属静环上部设有静环稳压孔，所述静环稳压孔位于金属静环与反C型橡胶圈切点的内侧，连通金属静环的静环稳压腔和反C型橡胶圈、金属静环和内柱面围成的三角形区域。所述金属静环外侧壁设有静环调压孔，所述静环调压孔位于金属静环与正C型橡胶圈切点的下方，连通静环稳压腔和正C型橡胶圈、金属静环和下端面围成的三角形区域。所述静环调压孔直径小于静环稳压孔直径。
优选地，所述静环稳压孔和静环调压孔沿金属静环周向可开设3～9个。所述动环稳压孔和动环调压孔沿金属动环周向可开设3～9个。
进一步，所述牙轮和牙掌轴颈根部截面的同一径向位置处开设凹槽，内嵌C型橡胶圈，作为第一道阻挡泥浆的初始密封。
进一步，所述正C型橡胶圈和反C型橡胶圈内部分别嵌入下O形橡胶圈和上O形橡胶圈。
本实用新型的有益效果主要表现在：
牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构采用橡胶-金属组合式密封结构，结构设计简单，制造方便，所占空间较小，可有效提高密封可靠性、延长使用寿命。
斜对称布置的双C型橡胶圈结构紧凑，两开口端分别正对润滑脂腔和外界泥浆侵入通道，并被与其互成90°的金属环组卡嵌，构成多级弹性密封，面对井下高温、高压等工况时，C型橡胶圈膨胀变形，与密封槽壁保持紧密贴合，形成自紧式密封效果。
金属环组的动、静环分别呈“匚”字和反“匚”字形结构，重量大大减小，而且在两相邻壁面设有开孔，构成密封系统的“稳压-调压”通道，在减少润滑脂泄漏的同时，保证牙轮钻头用密封系统内外压差的动态平衡，实现对多变钻井工况的自适应调节密封。
另外，还可以在牙轮和牙掌轴颈根部截面间内嵌设置C型橡胶圈，或在主密封槽双C型密封圈内嵌入O形橡胶圈，可进一步提高密封性能，并有效抵御外界泥浆、岩渣的侵入，强化密封效果。
附图说明
图1为本实用新型应用的牙轮钻头轴截面示意图。
图2为本实用新型牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构实施例1的局部放大图。
图3为本实用新型牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构实施例2的局部放大图。
图4为本实用新型牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构实施例3的局部放大图。
图5为本实用新型牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构的金属动环的三维图。
图6为本实用新型牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构的金属静环的三维图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型。
参照附图：
实施例1本实用新型所述的牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构，包括环形密封槽1、双C型橡胶圈组2和金属环组3。所述环形密封槽1由牙轮4与牙掌轴颈5围成，包括上端面11、下端面12和内柱面13、外柱面14。所述双C型橡胶圈组2包括斜下端的正C型橡胶圈21和斜上端的反C型橡胶圈22，所述正C型橡胶圈21和反C型橡胶圈22以环形密封槽1右上顶角和左下顶角的连线为对称轴对称布置，正C型橡胶圈21和反C型橡胶圈22背靠背设置，正C型橡胶圈21和反C型橡胶圈22的开口朝所述的对称轴反向设置。所述正C型橡胶圈21的两个平端面分别与环形密封槽1的下端面12和外柱面14接触，所述反C型橡胶圈22的两个平端面分别与环形密封槽1的上端面11和内柱面13接触，所述正C型橡胶圈21和反C型橡胶圈22内部为蓄能金属弹簧，外部用橡胶包裹。
所述金属环组3包括金属动环31和金属静环32。所述金属动环31呈“匚”形，所述金属动环31上端面和外侧壁分别贴于环形密封槽1的上端面11和外柱面14，下端面和内侧壁分别与正C型橡胶圈21和反C型橡胶圈22相切，金属动环31的开口朝向外柱面14。所述金属静环32呈反向“匚”形，所述金属静环32下端面和内侧壁分别贴于环形密封槽1的下端面12和内柱面13，上端面和外侧壁分别与反C型橡胶圈22和正C型橡胶圈21相切，金属静环32的开口朝向内柱面13。所述金属动环31和金属静环32分别通过销钉固定于牙轮4、牙掌轴颈5根部或通过过盈配合固定于牙轮4、牙掌轴颈5根部。
所述金属动环31内侧壁设有动环稳压孔311，所述动环稳压孔311位于金属动环31与反C型橡胶圈22切点的上方，连通金属动环31的动环稳压腔312和反C型橡胶圈22、金属动环31和上端面11围成的三角形区域。所述金属动环31下部设有动环调压孔313，所述动环调压孔313位于金属动环31与正C型橡胶圈21切点的外侧，连通动环稳压腔312和正C型橡胶圈21、金属动环31和外柱面14围成的三角形区域。所述动环调压孔313直径小于动环稳压孔311直径。
所述动环稳压孔311和动环调压孔313沿金属动环31周向可开设3～9个。
所述金属静环32上部设有静环稳压孔321，所述静环稳压孔321位于金属静环32与反C型橡胶圈22切点的内侧，连通金属静环32的静环稳压腔322和反C型橡胶圈22、金属静环32和内柱面13围成的三角形区域。所述金属静环32外侧壁设有静环调压孔323，所述静环调压孔323位于金属静环32与正C型橡胶圈21切点的下方，连通静环稳压腔322和正C型橡胶圈22、金属静环32和下端面12围成的三角形区域。所述静环调压孔323直径小于静环稳压孔321直径。
所述静环稳压孔321和静环调压孔323沿金属静环32周向可开设3～9个。
实施例2在本实用新型所述的牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构的基础上，在牙轮4和牙掌轴颈5根部截面的同一径向位置处开设凹槽6，内嵌C型橡胶圈7，作为第一道阻挡泥浆的初始密封。
实施例3在本实用新型所述的牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构的基础上，在正C型橡胶圈21和反C型橡胶圈22内部分别嵌入下O形橡胶圈211和上O形橡胶圈221。
本实用新型的工作原理如下：
在该牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构中，牙轮4与牙掌轴颈5围成一环形密封槽1，在环形密封槽1中斜对称布置双C型橡胶圈组2和金属环组3。金属动环31位于环形密封槽1的右上顶角处，通过销钉或过盈配合固定于牙轮4上，并随牙轮4一起旋转，金属静环32位于环形密封槽1的左下顶角处，通过销钉或过盈配合固定于牙掌轴颈5根部。金属动环31和金属静环32上均设置稳压孔、稳压腔和调压孔。正C型橡胶圈21和反C型橡胶圈22分别被压缩嵌于环形密封槽1的左上方和右下方区域，开口端分别朝向外界泥浆侵入通道和润滑脂通道，橡胶圈主体与金属环组3、环形密封槽1紧密贴合，装配后具有一定的过盈量。同时可在牙轮4和牙掌轴颈5根部截面之间进一步开设凹槽6，内嵌C型橡胶圈7，作为第一道阻挡泥浆的初始密封。正C型橡胶圈21和反C型橡胶圈22内部也可分别嵌入下O形橡胶圈211和上O形橡胶圈221，强化密封效果。
在牙轮钻头工作时，C型橡胶圈7和正C型橡胶圈21联合作用，抵抗外界泥浆、岩屑的侵入，反C型橡胶圈22则主要抵御内部润滑脂的泄漏，经由反C型橡胶圈22泄漏的少量润滑脂将进一步通过金属动环31或金属静环32上的稳压孔进入稳压腔，实现润滑脂的二次密封，同时利用金属动环31或金属静环32下部的调压孔对正C型橡胶圈21背部空间进行自动调节保压。
随着钻井压力、温度的不断升高，由于正C型橡胶圈21和反C型橡胶圈22的开口端均朝向压力源，C型橡胶圈不断膨胀张开，与密封槽壁保持紧密贴合，而且在金属环组2的限位下不会发生过大变形。同时，金属环组2开设的稳压腔和调压孔可在减少润滑脂泄漏的同时，保证牙轮钻头用密封系统内外压差的动态平衡，进而实现对多变钻井工况的自适应调节密封。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (6)
1.牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构，其特征在于：包括环形密封槽、双C型橡胶圈组和金属环组；所述环形密封槽由牙轮与牙掌轴颈围成，包括上端面、下端面和内柱面、外柱面；
所述双C型橡胶圈组包括斜下端的正C型橡胶圈和斜上端的反C型橡胶圈，所述正C型橡胶圈和反C型橡胶圈以环形密封槽右上顶角和左下顶角的连线为对称轴对称布置，正C型橡胶圈和反C型橡胶圈背靠背设置，正C型橡胶圈和反C型橡胶圈的开口朝所述的对称轴反向设置；所述正C型橡胶圈的两个平端面分别与环形密封槽的下端面和外柱面接触，所述反C型橡胶圈的两个平端面分别与环形密封槽的上端面和内柱面接触，所述正C型橡胶圈和反C型橡胶圈内部为蓄能金属弹簧，外部用橡胶包裹；
所述金属环组包括金属动环和金属静环；所述金属动环呈“匚”形，所述金属动环上端面和外侧壁分别贴于环形密封槽的上端面和外柱面，下端面和内侧壁分别与正C型橡胶圈和反C型橡胶圈相切，金属动环的开口朝向外柱面；所述金属静环呈反向“匚”形，所述金属静环下端面和内侧壁分别贴于环形密封槽的下端面和内柱面，上端面和外侧壁分别与反C型橡胶圈和正C型橡胶圈相切，金属静环的开口朝向内柱面；所述金属动环和金属静环分别固定于牙轮、牙掌轴颈根部；
所述金属动环内侧壁设有动环稳压孔，所述动环稳压孔位于金属动环与反C型橡胶圈切点的上方，连通金属动环的动环稳压腔和反C型橡胶圈、金属动环和上端面围成的三角形区域；所述金属动环下部设有动环调压孔，所述动环调压孔位于金属动环与正C型橡胶圈切点的外侧，连通动环稳压腔和正C型橡胶圈、金属动环和外柱面围成的三角形区域；所述动环调压孔直径小于动环稳压孔直径；
所述金属静环上部设有静环稳压孔，所述静环稳压孔位于金属静环与反C型橡胶圈切点的内侧，连通金属静环的静环稳压腔和反C型橡胶圈、金属静环和内柱面围成的三角形区域；所述金属静环外侧壁设有静环调压孔，所述静环调压孔位于金属静环与正C型橡胶圈切点的下方，连通静环稳压腔和正C型橡胶圈、金属静环和下端面围成的三角形区域；所述静环调压孔直径小于静环稳压孔直径。
2.如权利要求1所述的牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构，其特征在于：所述牙轮和牙掌轴颈根部截面的同一径向位置处开设凹槽，内嵌C型橡胶圈，作为第一道阻挡泥浆的初始密封。
3.如权利要求2所述的牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构，其特征在于：所述静环稳压孔和静环调压孔沿金属静环周向可开设3～9个；所述动环稳压孔和动环调压孔沿金属动环周向可开设3～9个。
4.如权利要求3所述的牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构，其特征在于：所述正C型橡胶圈和反C型橡胶圈内部分别嵌入下O形橡胶圈和上O形橡胶圈。
5.如权利要求1-4任一所述的牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构，其特征在于：所述金属动环和金属静环分别通过销钉固定于牙轮、牙掌轴颈根部。
6.如权利要求1-4任一所述的牙轮钻头用斜对称双C型自适应密封结构，其特征在于：所述金属动环和金属静环分别通过过盈配合固定于牙轮、牙掌轴颈根部。
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