DE68905949T2

DE68905949T2 - Metallische dichtung fuer gesteinsbohrmeissel.

Info

Publication number: DE68905949T2
Application number: DE1989605949
Authority: DE
Inventors: George Franklin Anderson; Weng-Kwen Raymond Chia
Original assignee: Smith International Inc
Current assignee: Smith International Inc
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1989-02-24
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2009-02-25
Also published as: EP0335497A2; CA1333283C; EP0335497A3; NO891319L; EP0335497B1; DE68905949D1; NO891319D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtung für die Lager eines sich drehenden Konus-Gesteinsbohrmeißels. Insbesondere betrifft diese Erfindung Metall- Metall-Dichtungen für Hochgeschwindigkeitsanwendungen für sich drehende Gesteinsbohrmeißel, wobei die dynamische Metalldichtoberflächen von unterschiedlicher Härte sind, vor dem Zusammenbau geläppt werden und biegsam federnd zusammen vorgespannt werden.
Es gibt einige Patente im Stand der Technik, die zusammengesetzte Dichtungen beschreiben, die aus biegsamem Material hergestellt sind, welches einen metallischen Dichtungsring umfaßt oder zu diesem benachbart ist. Zum Beispiel beschreiben die US 4,344,629 und die US 4,394,020 eine Metall-Metall-Dichtung, wobei die metallischen Dichtoberflächen nicht vor dem Zusammenbau geläppt worden sind. Beide Patente zeigen eine biegsame Dichtung, die zu Beginn wirksam ist, um eine Dichtung zu schaffen, während die dynamische Metall-Metall-Dichtoberflächen während des Einsatzes des sich drehenden Gesteinsbohrmeißels in einem Bohrloch eingeläppt werden.
Die US 4,666,001 beschreibt einen Erdbohrmeißel mit Metall-Metall-Dichtungen. Eine starre Dichtoberflächeneinheit ist zwischen dem Schneideinsatz und dem Bohrschaft des Drehbohrmeißels angeordnet. Die Dichtungseinheit bewegt sich axial, um dynamische Druckwechsel des Schmiermittels in Nachbarachszapfen zur Dichtung zu kompensieren. Die Metall-Metall- Dichtung ist dazu vorgesehen, sich während der Betätigung des Bohrers in einem Bohrloch axial innerhalb eines vergrößerten Dichtungshohlraums zu bewegen, um auf plötzlichen Wechsel des Druckes über die Dichtoberfläche zu reagieren.
Das obengenannte Patent ist ähnlich zu einer typischen "Caterpillar"-Dichtung, von denen Beispiele in den US 3,180,648 der US 3,403,916 und der US 3,524,654 gefunden werden können, die alle von der Caterpillar Corporation angemeldet worden sind und die Verbesserungen ihrer grundlegenden Metall-Metall-Dichtungen zeigen. Diese Patente, während sie Metall- Metall-Dichtungen zeigen und lehren, bringen keine weitere Materialien auf diesen Metalldichtungen zum Einsatz.
Die US 4,306,727 beschreibt eine dynamische Dichtung zum Abdichten zwischen einem sich drehenden Schneideinsatz und einem Bohrmeißelachszapfen in einem Unter-Tage-Bohmeißel mit sich drehenden Koni. Diese Dichtung benutzt einen statischen elastomeren Dichtungsring, der gegen einen Metalldichtungsring anschlägt, der eine dynamische Dichtoberfläche hat. Ein metallischer Dichtungsring ist gegen die Konus-Dichtoberfläche durch ein Elastomer vorgespannt, das zwischen dem Schenkel und dem Achszapfen eines L-förmigen metallischen dynamischen Ringes eingeklemmt ist, der benachbart zum Konus angeordnet ist.
Ein anderes US Patent, die US 4,466,622, lehrt eine sehr ähnliche Dichtungsanordnung, außer daß zwei dynamische L-förmige Dichtungsringe vorgesehen sind, die zwischen zwei diagonal positionierten Elastomeren aufgehängt sind, so daß sich die beiden L-förmigen Ringe in einem Dichtungshohlraum frei bewegen, der zwischen dem Konus und dem Achszapfen vorgesehen ist.
Die US 4,306,727, welche eine Metall-Metall-Dichtung beschreibt, führt die verwendeten Materialien der dynamischen Dichtoberflächen innerhalb eines sich drehenden Gesteins-Drehbohrmeißels nicht weiter aus. Dasselbe gilt für die US 4,466,622, in der Rücken an Rücken angeordnete dynamische Dichtringe innerhalb eines abdichtenden Hohlraums eines sich drehenden Gesteinsbohrmeißels angeordnet sind. Diese beiden Patente legen den Schwerpunkt auf das elastomere Material, das zwischen der Schenkelrückfläche und dem Metalldichtungsring in Nachbarachszapfen des Konus oder einem ähnlichen L-förmigen Ring gegen den ersten Ring gedrückt ist.
Eine andere Schrift nach dem Stand der Technik, die US 4,722,404, beschreibt eine eine geringe Reibung aufweisende Dichtungseinheit zur Benutzung mit einem sich drehenden Gesteinsbohrmeißel, der Schneideinsätze aufweist, die durch das Gießen der Drehschneideinsätze hergestellt sind. Die Dichtungseinheit umfaßt ein Dichtungselement, welches eine Belleville-Feder aufweist, die von einem elastomeren Material umgeben ist. Die statische Seite dieser Dichtung ist in einer aufgerauhten Nut in dem Gußkonus dergestalt angeordnet, daß die innere dynamische Dichtungsseite der Belleville-Dichtung in der Nähe der Schnittlinie des Achszapfens und der Schenkelrückfläche angeordnet ist. Typischerweise ist bei einer Belleville-Dichtung die statische Seite der Dichtung an dieser Schnittlinie des Achszapfenes in der Schenkelrückfläche, wobei die dynamische Dichtoberfläche benachbart zum Drehkonus angeordnet ist. Ein Ausführungsbeispiel dieses Patentes beschreibt einen Metallring, der benachbart zur dynamischen Seite der Belleville-Dichtung angeordnet ist, welche gegen eine Oberfläche in der Nähe des Schnittpunktes des Achszapfenes und der Schenkelrückseite stößt.
Die US 4,722,404 zeigt, während sie eine Dichtung des Typs Belleville beschreibt, die Belleville-Dichtung in einer umgekehrten Konfiguration, wie sie bei einer typischen Belleville-Dichtung in einem sich drehenden Gesteinsbohrmeißel Verwendung findet. Da die dynamische Dichtoberfläche gegenüber der üblichen Belleville-Dichtung angeordnet ist, wird die Belleville-Dichtung, wie sie dort dargestellt ist, als ein natürliches dem Druck nachgebendes Ventil reagieren. Bedauerlicherweise wird die Ventilfunktion es gestatten, daß Bohrrückstände die Dichtkammer außen umgeben. Übliche Belleville-Dichtungen in der typischen umgekehrten Anordnung werden in der entgegengesetzten Richtung als Ventil wirken, woraus sich ergibt, daß Schmiermittel über die dynamischen Dichtoberflächen hinaus herausgetrieben wird, wordurch die Dichtoberfläche von jeglichen Rückständen gereinigt wird, anstatt diese kontaminierenden Gegenstände zuzulassen.
Die vorliegende Erfindung lehrt die Benutzung eines statischen metallischen Dichtungsringes, dessen Dichtoberfläche ein relativ weicheres metallisches Material aufweist als die gegenüber liegende dynamische Dichtoberfläche. Der statische oder sich nicht bewegende Dichtring aus weicherem Material ist gegen das härtere Material auf dem dynamischen gegenüber liegenden Dichtring geläppt. Die harten und weichen Materialien der Dichtringe sind vor dem Zusammenbau der Dichtung zwischen einem Achszapfen und einem Drehkonus vorgeläppt. Die weichere Dichtoberfläche ist in ihrer Oberflächenausdehnung vorzugsweise kleiner als die härtere dynamische Dichtoberfläche, um ein Konusschwingen oder Exzentrizitäten auszugleichen, die sich zwischen dem Konus und dem Achszapfen während der Betätigung des sich drehenden Gesteinsbohrmeißels in einem Bohrloch ergeben können.
Die zuerst genannten Patente nach dem Stand der Technik, die alle und wie die vorliegende Erfindung auf denselben Anmelder lauten, lehren die Benutzung von Metall-Metall-Dichtungen, die vor der Benutzung nicht vorgeläppt waren, wobei sich die grundlegende Dichtung auf ein biegsames Material stützt, um eine anfängliche Dichtung während des Läppprozesses zu schaffen. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich darin, daß die Metallringe der Dichtung vorgeläppt sind. Die weicheren statischen Dichtringmaterialien werden gegen die härteren dynamischen Oberflächen des dynamischen Dichtringes verfahren oder geläppt, bevor die Ringe in dem Gesteinsbohrmeißel eingebaut werden.
Gemäß der vorliegende Erfindung ist eine Metall-Metall-Dichtung für einen sich drehenden Gesteinsbohrmeißel geschaffen, wobei die Dichtung in einer Dichtkammer angeordnet ist, die zwischen einem Schenkel des Gesteinsbohrmeißels und einem sich drehenden Konus vorgesehen ist, der auf dem Achszapfen befestigt ist, der sich vom Schenkel des Meißels wegerstreckt, wobei die Dichtung einen ersten Metallring und eine erste Dichtoberfläche, die aus einem metallischen Material an der einen axialen Seite des Metallrings ausgebildet ist, der als Teil der Metall-Metall-Dichtung dient, und ein biegsames Material umfaßt, das innerhalb der Dichtkammer eingeschlossen und auf der gegenüber liegenden axialen Seite des ersten Metallringes zur ersten Dichtoberfläche hin angeordnet ist, um die erste metallische Dichtoberfläche gegen eine zweite metallische Dichtoberfläche zu drücken, um die ersten und zweiten Dichtoberflächen in dichtendem Eingriff zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Ring in einem umkreisförmigen Hohlraum in den Konus eingeführt und mit diesem Konus verbunden wird, wobei der zweite Ring die zweite metallische Dichtoberfläche begrenzt und axial benachbart zur ersten Dichtoberfläche an dem Metallring angeordnet ist, wobei die zweite metallische Dichtoberfläche aus einem metallischen Material hergestellt ist, welches härter als das metallische Material ist, welches die erste Dichtoberfläche bildet, wobei die ersten und zweiten Dichtoberflächen vorgeläppt sind, um eine Dichtung zwischen den Dichtoberflächen im wesentlichen zu vollenden, bevor die beiden Metallringe in die Dichtkammer eingesetzt werden.
Eine Metall-Metall-Dichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines typischen sich drehenden Gesteinsbohrmeißels,
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Schenkels eines sich drehenden Gesteinsbohrmeißels, die einen Abschnitt des Konus zeigt, der auf einer Achszapfenoberfläche angeordnet ist, die einen Dichthohlraum umfaßt, welcher zwischen der Achszapfenoberfläche und dem sich drehenden Konus ausgebildet ist,
Fig. 3 eine im Maßstab vergrößerte Ansicht einer beispielhaften Metall-Metall-Dichtung, welche innerhalb der Dichtkammer angeordnet ist, die in Fig. 2 dargestellt ist,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Metall-Metall-Dichtung, die innerhalb einer Dichtkammer ausgebildet ist, die zwischen der Achszapfenfläche und dem Konus des Gesteinsbohrmeißels ausgebildet ist,
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Metall-Metall-Dichtung,
Fig. 6 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Schenkels eines sich drehenden Gesteinsbohrmeißels, die ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Metall-Metall-Dichtung mit einer Belleville-Feder zeigt,
Fig. 7 eine im Maßstab vergrößerte Ansicht einer Metall-Metall- Belleville-Dichtung gemäß Fig. 6,
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Metall-Metall-Belleville-Dichtung, und
Fig. 9 noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Metall-Metall- Belleville-Dichtung.
In der Fig. 1 ist der mit einem dichtenden Lager versehene, sich drehende Konus-Gesteinsbohrmeißel ganz allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen und besteht aus einem Gesteinsbohrmeißel-Körper 12, einem oberen Bolzenende 11, und einem unterem Schneidende, welches insgesamt mit dem Bezugszeichen 26 versehen ist. Jeder Konus 28, der das Schneidende 26 aufbaut, ist an einem Schenkel 14 befestigt, der in einem Hemdsende-Abschnitt 16 endet. Jeder der Koni 28 verfügt, zum Beispiel, über eine Vielzahl von in gleichem Abstand angeordneten Wolframkarbid- Schneideinsätzen 29, die im Pressitz in Einsatzlöcher eingesetzt sind, die in den Konuskörpern 28 ausgebildet sind. Ein Schmiermittelbehälter, der mit dem Bezugszeichen 18 versehen ist, ist in jedem der Schenkel 14 vorgesehen, um Schmiermittel zu den Dichtoberflächen zu liefern, die zwischen den sich drehenden Koni und ihren jeweiligen Achszapfen angeordnet sind. Drei oder mehr Düsen 13 stehen in Verbindung mit einer Kammer, die innerhalb des Bohrmeißelkörpers 12 ausgebildet ist (nicht dargestellt). Die Kammer nimmt die Bohrflüssigkeit oder den "Schlamm" durch das obere Bolzenende 11 auf. Die Flüssigkeit wird dann während der Bohrbetätigung durch die Düsen 13 herausgedrückt.
Im Übergang auf die Fig. 2 kann man den Gesteinsbohrmeißelsschenkel 14 im Querschnitt erkennen, wobei das Schmiermittelbehältersystem dargestellt ist, welches mit dem Bezugszeichen 18 versehen ist. Das Behältersystem umfaßt eine Behälterabdeckkappe 20, die den Schmiermittelbehälterhohlraum 19 abschließt. Das Reservoir 19 ist von der Abdeckkappe durch eine federnde Membran 22 getrennt, wobei die Membran auf einen durch ein Loch 25 zugeleiteten äußeren Druck antwortet, welches in der Abdeckkappe 21 ausgebildet ist. Das Schmiermittel wird durch einen Schmiermittelkanal 23, welcher in dem Schenkel 14 ausgeformt ist, zu einem Kugellagerloch 26 herabgeleitet, welches durch das Hemdsende 16 hindurch ausgebildet ist. Das Schmiermittel dringt dann in ein Schmiermittelkanal 24 ein, der in einem Kugellagerloch mit Propfen 37 ausgebildet ist. Das Schmiermittel geht dann auf die Lageroberflächen über, die zwischen dem Achszapfen 32 und dem Konus 28 über zwei Kugellagerringe 33, 34 ausgebildet sind.
Eine Abfolge von Konusrückhaltekugeln 35 werden durch das Kugellagerloch 36 in die Kugellagerringe 33 und 34 eingesetzt, die jeweils in dem Achszapfen und dem Konus vorgesehen sind. Nachdem alle Konusrückhalte-Kugeln an ihrem Ort sind, wird üblicherweise ein Kugellagerlochverschluß 37 eingeführt und an Ort und Stelle verschweißt, um die Kugeln innerhalb ihres Lagers zu halten.
Unter Bezugnahme auf die beispielhaften Ausführungsbeispiele, die in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind, besteht eine Metall-Metall-Dichtung, die mit dem Bezugszeichen 40 versehen ist, aus einem äußeren biegsamen Material 42, das zumindest teilweise einen inneren Metallring 44 umgibt. Das gummiartige biegsame Material 42 wird derart ausgeformt, um in seiner Größe größer zu sein als ein Abschnitt des Dichthohlraums, der von der Schenkelrückfläche 58 gebildet wird, eine radial sich erstreckende Wand 56 in dem Konus, eine umkreisförmige Oberfläche 54, eine konische Rampe 39 auf dem Schenkel und eine Lageroberfläche 38 des Achszapfens 32. Ein Abschnitt des biegsamen Materials 43 wird durch die Rampe 39 und die Schenkelrückfläche 58 zusammengedrückt, um die Dichtoberfläche 47 des Metalleinsatzes 46 gegen eine radial ausgerichtete Dichtoberfläche 52 zu drücken, die auf einer Metallschicht 51 auf einem Ring 49 in dem Konus 28 ausgebildet ist. Das biegsame Material 42 kann zum Beispiel aus Nitrilgummi bestehen.
Der teilweise umschlossene Ring 44 weist zum Beispiel und ist mit diesem metallurgisch gebondet einen relativ weichen metallischen Material 46 auf, das eine äußere radiale Dichtoberfläche 47 aufweist, welche hochpoliert und gegen eine ähnlich polierte und geläppte Dichtoberfläche 50 geläppt ist, die aus härterem Material 51 ausgebildet ist, welches zum Beispiel metallurgisch befestigt und begrenzt innerhalb des radialen Ringes 49 vorgesehen ist.
Der radial angeordnete Ring 49 ist vorzugsweise metallurgisch an dem ringförmigen Schnittlinienschnitt 50 gebondet. Der Ring 49 kann zum Beispiel lasergeschweißt und an dem Schnittpunkt 50 durch ein Verfahren hermetisch abgedichtet sein, welches in der US 4,560,175 beschrieben ist, auf die hier inhaltlich Bezug genommen wird. Der Ring ist geeignet, innerhalb einer Ausnehmung 53 aufgenommen zu werden, welche innerhalb eines Konusmundes oder eines Dichtungshohlraums 48 des Konus 28 ausgebildet ist.
Die beiden geläppten Materialien 46 und 51 sind zum Beispiel zusammen vorgeläppt, bevor der radial angeordnete Ring 49 in die Ausnehmung 53 eingeführt wird, die sich in dem Konusmund des Konus 28 befindet. Die geläppte Oberfläche 52 des härteren Materials 51, welche innerhalb des Metallringes 49 gebondet ist, verfügt über eine größere Oberfläche als die geläppte Oberfläche 47 des weicheren Materials 46. Die größere Dichtoberfläche 52 des härteren Materials 51 nimmt Konusschwingungen und -exzentrizitäten auf, die während der Betätigung des Gesteinsbohrmeißels 10 in einem Bohrloch auftreten können.
In der nun betrachteten, eine vergrößerte Darstellung zeigende Fig. 3 ist die mit dem Bezugszeichen 40 versehene Dichtung gegen die Rampe 39 und die Schenkelrückfläche 58 innerhalb des Dichthohlraum 48 zusammengedrückt. Der vergrößerte Abschnitt 43, der strichliniert dargestellt ist, ist innerhalb der Dichtkammer 48 zusammengedrückt, um den Kontakt der geläppten Oberfläche 47 des weicheren metallischen Materials 46 gegen die geläppte Oberfläche 52 des härteren metallischen Materials 51 zu gewährleisten, welches mit dem Ring 49 gebonded ist.
Das Material 46 der Dichtoberfläche, welches teilweise mit dem eingekapselten Ring 44 gebonded ist oder einen Teil desselben darstellt, besteht aus einem solchen Metall wie Stellite oder Tribaloy, bei dem es sich um ein Warenzeichen der Stoody Delor Stellite Corporation of California handelt. Das Tribaloy-Material wird bevorzugt. Das Tribaloy-Metall enthält im wesentlichen Kobalt, Silizium und Molybdän, während anderes Tribaloy auch Anteile von Chrom, Nickel oder Wolframkarbid wie auch andere Elemente enthalten kann. Das Tribaloy-Material kann in seiner Härte zwischen Rockwell C 42 und 62 liegen. Ein Beispiel eines bevorzugten Tribaloys, eines abnutzungsbeständigen zwischenmetallischen Materials, wird als T-400, T-700 oder T-800 bezeichnet. Eine bevorzugte Qualität des Tribaloys ist T-800 mit einer Rockwell C Härte von 62. Tribaloy T-800 hat eine Zusammensetzung, die 3 % Nickel + Eisen, 28 % Molybdän, 17,5 % Chrom, 3,4 % Silizium, 0,08 % Kohlenstoff aufweist, wobei der 100% auffüllende Rest aus Kobalt besteht, und dieses Material weist eine Rockwell C Härte von 62 auf.
Das Material 51 des inneren Rings in dem Konus ist zum Beispiel aus Wolframkarbid hergestellt, welche eine Rockwell C-Härte aufweist, die um 10 Punkte höher liegt als die Rockwell C-Härte des gegenüber liegenden weicheren Materials 46. Wenn zum Beispiel das Tribaloy-Material 46 T-800 mit einer Rockwell C-Härte von 62 ist, wird die Rockwell C-Härte der gegenüber liegenden Wolframkarbid-Materialien 51 bei 72 liegen. Die beiden Oberflächen ( 47 des Materials 46 und 52 des Materials 51) sollten vorzugsweise flach geläppt sein und innerhalb von zwei Heliumwellenlängen mit einer Oberflächengüte zwischen 0,05 und 0,3 um im mittleren quadratischen Fehler liegen. Das einschließende biegsame Material, welches an dem Metallring 44 gebonded ist, ist vorzugsweise aus einer Nitril-Verbindung hergestellt, welche von der Royal Seal of Cucamonga, Kalifornien, hergestellt wird. Das biegsame Material 42 weist eine Shore- Härte zwischen 50 und 70 auf. Eine bevorzugte Shore-Härte des Nitril- Materials kann bei 60 liegen.
Der radial angeordnete innere Ring 49 und der äußere Ring 44 sind zusammen vorgeläppt, bevor die Ringe innerhalb des Dichtungshohlraumes 48 zusammengebaut werden. Es wäre sehr schwierig, eine Dichtoberfläche innerhalb des Hohlraums oder in der Aufnahme 53 innerhalb des Konus 28 zu läppen. Daher werden die Dichtungsringe 44 und 49 sorgfältig zusammengestellt, und ihre Dichtoberflächen 47 und 52 vollständig bearbeitet, bevor der radiale Ring 49 innerhalb des Konusmundes oder innerhalb der Aufnahme 53 metallurgisch befestigt wird.
Darüber hinaus könnten die Ringe 44 und 49 jeweils aus Tribaloy und Wolframkarbid hergestellt sein und damit den Bonding- oder Fusionsprozeß zu vermeiden, wobei das bevorzugte Material (Tribaloy 46 und Wolframkarbid 51) mit den Ringen 44 und 49 verbunden ist.
Der in der Fig. 3 deutlich zu erkennende Dichthohlraum ist in zwei ringförmige Bereichen 48 und 60 unterteilt. Vorzugsweise ist der innere Bereich 60 um einiges größer als der äußere ringförmige Bereich 48. Der Ringraum 60 wird zwischen dem inneren Durchmesser der Ringe 49 und 44 und der inneren Oberfläche des biegsamen Materials 42 hergestellt und enthält innere Schmiermittel aus dem Schmiermittelreservoirsystem 18. Der Bereich 48, der außerhalb der Dichteinheit 40 liegt, ist der äußeren Umgebung ausgesetzt, welcher Schlamm und Rückstände beinhaltet, die sich bilden, wenn ein Bohrmeißel in einem Bohrloch arbeitet.
Diese Art von Dichtung 40 wird bevorzugt, wenn hohe Fettdrücke innerhalb des inneren Ringraumes 60 auftreten, während die Lagerflächen geschmiert werden. Größere innere Schmierfettdrucke können helfen, die geläppten Oberflächen zu schützen, da jedes Aufbrechen einer Dichtung zwischen zwei geläppten Oberflächen dazu führen würde, daß das Schmiermittel bei hohem Druck aus dem Hohlraum 60 nach außen entweichen könnte. Daher vermeiden hohe innere Schmiermitteldrücke, daß Bohrrückstände, die die geläppten Oberflächen beschädigen können, in den äußeren Hohlraum 48 eindringen können.
Das biegsame Nitril-Material 42, welches an dem äußeren Ring 44 und an den Oberflächen 55 des Ringes 57 des Nitril-Materials gebonded ist, kann durch wohlbekannte Vulkanisierverfahren miteinander befestigt werden. Es wäre auch zum besseren Bonden des Nitrils an den Ring 44 vorteilhaft, die Oberfläche 52 auf ungefähr 3 Mikrometer in mittleren quadratischen Fehler anzurauhen.
Der Rampenwinkel der konischen Rampe 39 im Bezug auf die Mittenlinie des (nicht dargestellten) Achszapfenlagers sollte zwischen 10 und 45 Grad liegen. Der bevorzugte Rampenwinkel liegt bei ungefähr 30 Grad und ist in der Fig. 3 dargestellt. Der Rampenwinkel 39 hilft zu vermeiden, daß das vergrößerte biegsamen Material 42 gegenüber der Achszapfendichtung 32 rotiert.
Der Nitril-Gummi 42 kann zusätzlich an einer Oberfläche 59 gebonded sein, die durch die Rampe 39 gebildet wird. Die Ranpenoberfläche 59 kann, zum Beispiel, vorzugsweise auf ungefähr 3 Mikrometer im mittleren quadratischen Fehler angerauht werden, bevor sie an die Oberfläche 57 des Gummis 42 mit der Rampe gebonded wird. Ein Kleber kann benutzt werden, um die beiden Oberflächen zusammenzufügen, wie zum Beispiel Loc-Tite superklebendes thermisches Kreislauf Gel, welches mit dem Zeichen 499 von dem Hersteller, der Loc-Tite Corporation of Connecticut, versehen wird.
Ein kleiner radial angeordneter Winkel 63, ungefähr 5 Grad auf jeder Seite der Ringe 44 und 49 hat zwei Zwecke. Der erste Zweck liegt darin, Fett aus dem Schmierfett aus dem Schmiermittelreservoir 18 zu den Dichtoberflächen 47 und 52 zu leiten. Der zweite Zweck liegt darin, einen einfachen Übergang und eine gute Dichtoberfläche zu schaffen, wenn die gegenüber liegenden Oberflächen während der Benutzung abgenutzt werden. Der leichte kleine Winkel 63 hilft ebenfalls, ein Nuten der gegenüber liegenden Oberflächen während der Arbeit eines Bohrmeißels im Bohrloch zu vermeiden.
Die Metall-Metall-Dichtungskonfiguration, wie sie dargestellt und im Bezug auf die Fig. 3 beschrieben worden ist, kann in Alternative hierzu einen getrennten O-Ring umfassen, der innerhalb des dynamischen Metallringes angeordnet ist, wobei der O-Ring gegen den Metallring durch die Rampe, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, drückt.
Als zweites Beispiel zeigt die Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Dichteinheit ganz allgemein mit dem Bezugszeichen 140 versehen ist und einen getrennten O-Ring 142 umfaßt, der innerhalb einer konkaven Oberfläche 155 liegt, welche durch den Metallring 144 gebildet wird. Der O-Ring 142 wird gegen die konkave Oberfläche 155 durch eine konische Rampe 139 vorgespannt, die zwischen dem Achszapfenlager 132 und der Schenkelrückfläche 158 gebildet ist. Polierte Oberflächen 147 und 152 aus Tribaloy-Material 146 und Wolframkarbid-Material 151 werden durch die Kombination des übergroßen O-Ringes 142 (strichliniert 143) und dem Rampenwinkel 139 zusammengedrückt, um zu gewährleisten, daß die vorgeläppten Oberflächen in dichtendem Eingriff während der Betätigung des Meißels in einem Bohrloch verbleiben. Die Metall-Metall-Dichtungskonfiguration 140 arbeitet genau in der selben Weise wie die, die in den Fig. 2 und 3 beschrieben worden ist, mit der Ausnahme, daß der O-Ring 142 nicht mit dem dynamischen Metallring 44 gebonded oder an dieser befestigt ist.
Die konkave Oberfläche 155 in dem Ring 144 kann leicht aufgerauht sein, um zu gewährleisten, daß die Oberfläche 157 des O-Rings 142 während der Betätigung des Meißels nicht in die konkave Oberfläche 155 gleitet.
Der Ring 149, vorzugsweise aus Wolframkarbid, ist innerhalb des Konusmundes 148 des Konus 128 an der Schnittlinie zwischen dem äußeren Umkreisdurchmesser des Ringes 149 in der Konusmundöffnung 148 durch ein metallurgisches Bonden 150 befestigt. Darüberhinaus kann der Ring 149 durch eine Laserschweiß-Vorrichtung an den Konus angeschweißt sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 5 dargestellt, welche eine Metall-Metall-Dichteinheit zeigt, die mit dem Bezugszeichen 240 versehen ist und die einen dynamischen Metallring 244 umfaßt, welcher teilweise innerhalb eines Gummi-Nitril-Materials 242 verkapselt ist. Das Nitril- Material umgibt fast vollständig den inneren Ring 244, um einen Dichtgummiband 243 zu bilden. Der Zweck des dichtenden Bandes oder des "Höckers" 243 liegt darin, einen zusätzlichen Metall-Metall-Dichtschutz während der Betätigung der Dichtung in einem Gesteinsbohrmeißel zu schaffen. Das biegsame Nitril-Material 242 ist mit der Oberfläche 271 eines getrennten kreisförmigen Verschlußringes 270 gebonded oder befestigt. Der Ring 270 ist wiederum mit dem Achszapfenlager 232 an der Schnittlinie zwischen den Achszapfenlager 232 und der Schenkelrückfläche 248 befestigt. Der Verschlußring 270 ist durch Kleber oder durch vorzugsweise metallurgisches Bonden oder durch Laserschweißen 280 an dem Lager 232 befestigt. Der dynamische Metallring 244 verfügt über eine Schicht von Tribaloy 246, die mit dem Ring verbunden ist, wobei die Oberfläche 247 hochpoliert ist. Die Oberfläche 247 paßt mit einer polierten Oberfläche 252 des bevorzugten Wolframkarbid-Materials 251 zusammen, welches an dem Ring 249 befestigt ist. Der Ring 249 ist in einem Konusmund 248 des Konus 228 wie oben bereits beschrieben durch Laserschweißen 255 befestigt. Es wird noch einmal festgehalten, daß die Oberflächengröße der polierten Oberfläche 252 aus Wolframkarbid 251 sehr viel größer als der Oberflächenbereich 247 des Tribaloy-Materials 246 ist. Wiederum wird dieses gemacht, um ein mögliches Konusschwingen oder eine Konusexzentrizität des sich drehenden Konus um seinen jeweiligen Achszapfen aufzuheben. Der Gummi-Höcker 243 bewirkt, daß kein Bohrschlamm und keine Bohrrückstände zu den polierten Dichtoberflächen 247 und 252 gelangen.
Das Tribaloy-Material 46, 146 und 246 und die härteren gegenüber liegenden Materialien 51, 151 und 251, die in den Fig. 2, 3, 4 und 5 dargestellt sind, können auf ihren jeweiligen Rückringen zum Beispiel durch Plasmasprühen oder eine D-Kanone abgeschieden werden. Alternativ dazu kann das Material aufgeschweißt oder gelötet werden, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
Das Nitril-Material 242 kann durch Vulkanisieren oder durch Kleber befestigt werden, wie es oben bereits beschrieben worden ist, um die Einheitlichkeit der mit dem Bezugszeichen 240 versehenen Dichtung zu gewährleisten.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 werden weitere Ausführungsbeispiele beschrieben, die eine Metall-Metall-Belleville-Dichtung umfassen, die mit dem Bezugszeichen 340 versehen ist, und aus einer gummiverkapselten Belleville-Feder 342 und einem teilweise verkapselten ringförmigen Verschlußring 344 besteht. Der innere Verschlußring 344 wird vorzugsweise metallurgisch mit dem Achszapfen 332 mit einer um 360 Grad herumgeführten Laserschweißung an einer Schnittlinie 346 verbunden.
Das äußere Umkreisende 348 der Belleville-Dichtung 342 bildet eine ringförmige abgerundete konvexe Oberfläche 350, die sich innerhalb einer komplementären konkaven Oberfläche 352 einpaßt, welche in einem ringförmigen Metallring 354 ausgebildet ist. Der Ring 354 weist zum Beispiel eine metallurgische Bondung mit einem relativ weicheren Material 356 auf, welches eine äußere sich radial erstreckende Dichtoberfläche 357 aufweist, die hochpoliert ist, und eine geläppte Dichtoberfläche 359, die aus einem äußeren Material 360 besteht, welches zum Beispiel metallurgisch gebonded mit und innerhalb eines radiales Ringes 362 umschlossen ist. Der ringförmige Ring 362 paßt sich in eine Ausnehmung 363 ein, die innerhalb eines Konusmundes oder einer Dichtkammer 370 des Konus 328 ausgebildet ist, und die vorzugsweise metallurgisch mit der ringförmigen Schnittlinie 361 verbunden ist.
Die geläppte Oberfläche 359 des härteren Materials 360 ist mit dem Metallring 362 gebonded und weist einen Oberflächenbereich auf, der größer als der geläppte Oberflächenbereich 357 des weicheren Materials 356 ist. Die größere Dichtoberfläche 359 auf dem härterem Material 360 bildet eine Anpassung für Konusschwingungen und Konusexzentrizitäten, die während der Betätigung des Bohrmeißels in einem Bohrloch auftreten können.
Die Dichtoberfläche des Ringes 354 nahe des Ringes 348 der Belleville- Dichtung 340 ist aus einem Metall wie Stellite oder Tribaloy hergestellt. Das Tribaloy-Material wird, wie obengenannt, bevorzugt. Eine bevorzugte Qualität des Tribaloys ist das T-800 mit einer Rockwell C Härte von 62.
Das Material 360 wird zum Beispiel aus Wolframkarbid mit einer Rockwell C Härte hergestellt, die um 10 Punkte härter ist als die Rockwell C-Härte des gegenüber liegenden weichen Materials 356.
Der radial angeordnete Ring 362 und der ringförmige Ring 354 sind zusammen vorgeläppt, bevor die Ringe innerhalb der Dichtkammer 370 zusammengebaut werden. Die Dichtringe 354 und 360 sind sorgfältig zusammengestellt und ihre Dichtoberfläche 357 und 359 sind vollständig bearbeitet, bevor der radiale Ring 362 innerhalb des Konusmundes oder der Ausnehmung 363 metallurgisch befestigt wird.
Darüberhinaus können die Ringe 354 und 362 jeweils aus Tribaloy oder Wolframkarbid hergestellt sein, wodurch das Bonden oder der Fusionsprozeß vermieden werden kann, wenn die bevorzugten Materialien mit den Ringen verbunden werden.
Das biegsame Material 345, welches die Belleville-Feder 342 umkapselt, ist vorzugsweise mit einer ringförmigen konkaven Oberfläche 352 oder einem Ringrand 354 an der Oberfläche 350 nahe des Endes 348 der Belleville- Feder 340 gebonded. Die Oberflächen 350 und 352 können durch die üblichen wohlbekannten Vulkanisierverfahren zusammengebonded werden. Es könnte auch wünschenswert sein, die Oberflächen 352 auf ungefähr 3 Mikrometer im mittleren quadratischen Fehler aufzurauhen, um ein besseres Bonden des biegsamen Materials 345 an den Ringrand 354 zu schaffen. Das biegsame Material 345 wird typischerweise aus einem Nitrilmaterial hergestellt, welches eine Shore-Härte zwischen 50 bis 70 hat.
Während es bevorzugt wird, den ringförmigen Ring 354 an die Oberfläche 350 der Belleville-Feder 340 zu bonden oder zu befestigen, müssen die beiden Oberflächen nicht gebonded werden, solange eine wirksame Dichtung zwischen dem ringförmigen Höcker 350 und der ihm zugeordneten Ausnehmung 352 in dem Ring 354 besteht.
Es wird jedoch bevorzugt, daß der Ring 354 an der Oberfläche 352 des Ringes befestigt wird und die konvexe Oberfläche 350 der Belleville- Dichtung 340 durch einen Kleber wie Loc-Tite 499 verklebt wird. Der Ring kann auch mit der Belleville-Dichtung durch die wohlbekannten Vulkanisierverfahren gebonded werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 8 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben und gezeigt, bei dem die Dichteinheit mit dem Bezugszeichen 440 versehen ist und aus einer Belleville-Feder 442 besteht, die in ihr verkapselt ist, und einem Nitrilgummi-artigen Material 445. Der innere Durchmesser oder die Basis der Belleville-Feder ist innerhalb eines ringförmigen metallischen Verschlußringes 444 vorgesehen, welcher mit dem Nitrilgummi 445 gebondet oder befestigt ist. Wiederum kann der Ring 444 vorzugsweise mit dem Achszapfen 432 durch eine Schweißung an der Schnittlinie 446 verbunden werden. Das äußere Umkreisende 448 der Belleville-Feder 440 ist an einem ringförmigen, radial angeordneten metallischen Ring 454 befestigt.
Ein ringförmiger Dichthöcker 454 steht auf dem äußeren Umkreisende 448 und erstreckt sich über die Oberfläche des radial angeordneten Ringes 454 hinaus, so daß er eine Dichtung schafft, um die Dichtoberflächen zu schützen. Der Nitrilgummi 445 in seinem freien Zustand ist in der strichlinierten Zeichnung mit dem Bezugszeichen 449 versehen, wobei dieser Abschnitt zusammengedrückt wird, wenn die Dichtoberflächen in Kontakt miteinander stehen.
Wie oben angemerkt ist der Ring 454 mit dem Nitrilgummi 445 gebonded, der die Belleville-Feder 442 verkapselt. Der Ring 454 wird aus einem Metall hergestellt, bei dem es sich beispielsweise um Stellite oder vorzugsweise Tribaloy handelt.
Ein radial angeordneter Ring 462 ist in einer Ausnehmung 463 angeordnet, die innerhalb des Konusmundes 470 in den Konus 428 ausgebildet ist. Wiederum ist der radial angeordnete Ring 462 vorzugsweise mit einer Laserschweißung in dem Konus 428 an einer Schnittlinie 461 befestigt. Eine Schicht des hartnm Materials wie das bevorzugte Wolframkarbid 460 ist mit dem Ring 462 gebonded oder befestigt. Die gegenüber liegenden Dichtoberflächen 457 aus dem Tribaloy-Material 454 und die Oberfläche 459 des Wolframkarbid-Materials 460 sind vorgeläppt, bevor diese Dichtringe innerhalb des Dichthohlraums oder des Konusmundes 470 eingeführt werden.
Der ringförmige Höcker 450, wenn die Dichtoberflächen durch die Belleville-Feder zusammengedrückt werden, wird gegen die äußere umkreisförmige Oberfläche des Wolframkarbid-Materials 460 zusammengediückt. Der Höcker schafft so eine Dichtung für die polierten Oberflächen 457 und 459 während der Betätigung des Meißels in dem Bohrloch.
Es sollte zusätzlich nicht vergessen werden, daß eine Dichtung des Belleville-Typs üblicherweise als eine Einweg-Dichtung wirkt. In dem Falle, daß innere Drücke innerhalb des Gesteinsbohrmeißels innerhalb des abdichtenden Schmiermittelsystems eine gewisse Grenze überschreiten, wird die Belleville-Dichtung aufgehen und die Dichtung zwischen den polierten Oberflächen 457 und 459 wird es gestatten, daß Schmiermittel unter dem Überschußdruck zwischen den Dichtoberflächen in das Äußere von dem Gesteinsbohrmeißel fließen. So kann erreicht werden, daß diese Einweg- Ventilwirkung es vermeidet, daß Abfälle oder Bohrrückstände eintreten und die polierten Dichtoberflächen zerstören. Der Höcker 450 dient als eine Rückhaltedichtung, um Bohrrückstände zu behindern, die geschützen Lageroberflächen durch die Dichtung zu erreichen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 9 dargestellt, bei dem die Metall-Metall-Dichtung mit dem Bezugszeichen 540 versehen ist, und eine Belleville-Feder 542 umfaßt, die in einem Gummi 545 verkapselt ist, wobei die Feder an einem inneren Verschlußring 544 befestigt ist, und wobei dieser Verschlußring wiederum mit dem Mittel einer Laserschweißung an dem Achszapfen 532 befestigt ist. Das äußere Umkreisende 548 umfaßt teilweise einen radial angeordneten ringförmigen Ring 562. Eine Schicht des bevorzugten Tribaloy-Materials 554 ist metallurgisch mit dem Ring 553 verbonded. Eine abgeflachte Oberfläche 557 des Tribaloy-Materials ist poliert und mit der Oberfläche 559 des bevorzugten Wolframkarbid- Materials 560 in Passung gebracht worden. Das Wolframkarbid ist metallurgisch mit dem radial angeordneten Ring 562 verbonded, welcher innerhalb einer ringförmigen Nut 563 innerhalb des Konus 528 angelegt ist. Der Ring selbst ist wiederum an der Schnittlinie 561 innerhalb des Konus 528 angeschweißt. Die freiliegende Oberfläche 555 des Ringes 553 ist in einem Winkel von ungefähr 5 Grad in Bezug auf die Oberfläche 559 des Wolframkarbids 560 angeordnet und dies sowohl auf der inneren radialen Seite am Ort mit dem Bezugszeichen 555 des teilweise verkapselten Ringes 553 als auch an der nach außen weisenden radialen Fläche.
Wiederum sind die Oberflächen 557 des Tribaloy-Materials 554 und die Oberfläche 559 des Wolframkarbid-Materials 560 vorgeläppt und auf die oben genannte Parameter hin poliert, wobei dies vorzugsweise vor dem Einführen des ringförmigen Ringes 562 in den Konus 558 geschieht.
Es ist natürlich klar, daß verschiedene Veränderungen in der Ausgestaltung der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung gemacht werden können. Während die bevorzugte Konstruktion und Arbeitsweise der Erfindung anhand der besten Ausführungsbeispiele erläutert worden ist, sollte wohlverstanden sein, daß im Rahmen der beigefügten Ansprüche die Erfindung anders als hier beschrieben und erklärt angewandt werden kann.

Claims

1. Metall-Metall-Dichtung (40) für einen sich drehenden Gesteinsbohrmeißel (10), wobei die Dichtung (10) in einer Dichtkammer (48) angeordnet ist, die zwischen einem Schenkel (14) des Gesteinsbohrmeißels (10) und einem sich drehenden Konus (28) vorgesehen ist, der auf einem Achszapfen befestigt ist, der sich von dem Schenkel (14) des Meißels (10) wegerstreckt, wobei die Dichtung (40) einen ersten Metallring (44) und eine erste Dichtoberfläche (47), die aus einem metallischen Material an der einen axialen Seite des Metallrings (44) ausgebildet ist, der als Teil der Metall-Metall-Dichtung (40) dient, und ein biegsames Material (42) umfaßt, das innerhalb der Dichtkammer (48) eingeschlossen und auf der gegenüber liegenden axialen Seite des ersten Metallringes (44) zur ersten Dichtoberfläche (47) hin angeordnet ist, um die erste metallische Dichtoberfläche (47) gegen eine zweite metallische Dichtoberfläche (52) zu drücken, um die ersten und zweiten Dichtoberflächen (47, 52) in dichtendem Eingriff zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Ring (49) in einem umkreisförmigen Hohlraum in den Konus (28) eingeführt und mit diesem Konus (28) verbunden ist, wobei der zweite Ring (49) die zweite metallische Dichtoberfläche (52) begrenzt und axial benachbart zur ersten Dichtoberfläche an dem Metallring angeordnet ist, wobei die zweite metallische Dichtoberfläche (52) aus einem metallischen Material hergestellt ist, welches härter als das metallische Material ist, welches die erste Dichtoberfläche (47) bildet, wobei die ersten und zweiten Dichtoberflächen (47, 52) vorgeläppt sind, um eine Dichtung zwischen den Dichtoberflächen (47, 52) im wesentlichen zu vollenden, bevor die beiden Metallringe (44, 49) in die Dichtkammer (48) eingesetzt werden.

2. Metall-Metall-Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich der ersten Dichtoberfläche (47) kleiner als der Oberflächenbereich der zweiten Dichtoberfläche (52) ist, um Exzentrizitäten zu kompensieren, die sich zwischen den ersten und zweiten vorgeläppten Dichtoberflächen (47, 52) während der Betätigung des sich drehenden Konus-Gesteinsbohrmeißels in einem Bohrloch ausbilden können.

3. Metall-Metall-Dichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Material die erste Dichtoberfläche (47) eine Rockwell C Härte im Bereich zwischen 42 und 62 aufweist.

4. Metall-Metall-Dichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, welches die erste Dichtoberfläche (47) bildet, aus einem Material besteht, welches 3 Gewichtsprozent Nickel + Eisen, 28,5 Gewichtsprozent Molybdän, 17,5 Gewichtsprozent Chrom, 3,4 Gewichtsprozent Silizium, 0,08 Gewichtsprozent Kohlenstoff und den auffüllenden Rest Kobalt umfaßt, und eine Rockwell C Härte von 62 aufweist.

5. Metall-Metall-Dichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall, welches die erste Dichtoberfläche (47) bildet, Stellite mit einer Rockwell C Härte im Bereich zwischen 42 und 62 ist.

6. Metall-Metall-Dichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Dichtoberflächen (47, 52) innerhalb von zwei Heliumwellenlängen flach geläppt sind.

7. Metall-Metall-Dichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die zweite Dichtoberfläche (52) bildende Material Wolframkarbid mit einer Rockwell C Härte von 72 ist, wenn das Material, welches die erste Dichtoberfläche (47) bildet, eine Metallegierung mit einer Rockwell C Härte von 62 ist.

8. Metall-Metall-Dichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Metallring (49) metallurgisch innerhalb des umkreisförmigen Hohlraums (48) in dem Konus (28) befestigt ist.

9. Metall-Metall-Dichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbearbeitung der ersten und zweiten Dichtoberflächen (47, 52) zwischen 0,05 und 0,3 Mikrometer im mittleren quadratischen Fehler beträgt.

10. Metall-Metall-Dichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Metallring (44) teilweise innerhalb des biegsamen Materials (42) verkapselt ist, wobei die erste Dichtoberfläche (47) nach außen gewandt ist.

11. Metall-Metall-Dichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das biegsame Material (42) Nitril- Gummi ist.

12. Metall-Metall-Dichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dichtoberfläche (147) des ersten Metallringes (144) durch einen biegsamen O-Ring (142) gegen die zweite Dichtoberfläche (152) gedrückt wird.

13. Metall-Metall-Dichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der O-Ring (142) an dem ersten Metallring (144) gebonded ist.

14. Metall-Metall-Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dichtoberfläche (357) des ersten Metallringes (354) durch eine Belleville-Feder (342) gegen die zweite Metalldichtoberfläche (359) gedrückt wird.

15. Metall-Metall-Dichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Belleville-Feder (342) in einem gummiartigen Material (348) eingekapselt ist.

16. Metall-Metall-Dichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, das der erste Metallring (454) an dem gummiartigen Material an dem äußeren umkreisförmigen Rand der Belleville-Feder (462) befestigt ist und die erste Dichtoberfläche (457) auf dem ersten Metallring (454) übersteht.