DE69215002T2

DE69215002T2 - Bohrmeissel mit geschützten Dichtungen

Info

Publication number: DE69215002T2
Application number: DE69215002T
Authority: DE
Inventors: James R Hall; Cary A Maurstad
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1992-03-12
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2012-03-13
Also published as: DE69215002D1; EP0515780B1; NO921207D0; NO921207L; US5129471A; EP0515780A1

Description

1. Bereich der Eründung

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Bohrmeißel entsprechend dem Oberanspruch von Anspruch 1. Ein Bohrmeißel dieser Art ist bekannt aus der US-A-3,397,928.

2. Hintergrundinformation

Eine der erfolgeichsten Dichtungseinrichtungen, die bei Bohrmeißeln mit rotierendcii Schneidwerkzeugen eingesetzt werden, ist die O-Ringdichtung. Sie hält Schmiermittel im Lagerbefeich, während sie Verunreinigungen über eine lange Zeit bis z um Versagen feinhält.
Es existieren zwei allgemeine Kategorien von bei Bohrmeipjeln eingesetzten O- Ringdichtungen: (1) solche, die eine axiale Bewegung oder Spiel des O-Ringes zulassen; und (2) solche, die eine Ausnehmung ausnutzen, um die Dichtuiig in einer Positioii, entweder relahv zu dem Schneidwerkzeug oder der Lagerwelle, im allgemeinen dem Schneidwerkzeug, zu halten.
Ein Beispiel dieser Bohrmeißel mit Dichtungen, die eine axiale Bewegung relativ zu der Lagerwelle zulassen, sind US 4,014,595 und 4,516,641.
Das Dokument US-A-3,397,928 offenbart eine Dichtungeinrichtung für Bohrlagerungell, insbesondere Einrichtungen einer Packringart, mit der Eigenschaft, daß der kreisförmige Packnug eine komprimierte Länge hat, die kleiner ist, als die minimale Länge zwischen der radialen Fläche der ringförmigen Dichtungsausnehmung und der radialen Fläche des Hauptteils des Bohrteiles. Die reduzierte Länge bezüglich der kreisförmigen Dichtungsausnehmung stellt sicher, daß die Dichtwirkung des kreisförmigen Packringes bestehen bleibt, wenn Schmiermitteldruckspitzen oder eine Relativbewegung des einzehien Teiles des Bohrers auftritt. Was als gravierender Nachteil bezüglich des obigen Dokumentes anzusehen ist, ist die Tatsache, daß der kreisförmige Packnug in der Lage ist, sich innerhalb der Ausnehmung zu bewegen, wenn er gegen die vertikale Dichtfläche des Hauptkörpers des Bohrers oder des Schneidwerkzeuges gepresst wird, was wiederum zu Wärmeerzeugung und exzessivern Verschleiß des kreisförmigen Packringes führen wird, was die Lebensdauer dieser Dichteinrichtungen verringert.
In Übereinstimmung mit der Erfindung werden diese Nachteile durch die charakterisieren den Merkmale des Anspruches 1 umgangen.
Beispiele der Dichtungen, die in einer Position relativ zum Schneidwerkzeug gehalten werden, sind US 3,765,495 und 4,372,624.
Das Dokument US-A-4,554,985 offenbart einen rotierenden Bohrer mit kreisförmigen Dichteinrichtungen, bei denen der Kontaktdruck an der Spitze der Dichtung wesentlich kleiner ist, als der Kontaktdruck an den Oberseiten der Dichtung, so daß kein resultierender Druck oder Kraft entstehen kann, die die Dichtung in irgendeine Richtung entlang der Lagerflächen drängt. Die Betrachtung der Teile in diesem Dokument, die die Dichteinrichtungen aufnehmen, zeigen, daß die Dichteinrichtung in eine Dreieckskontur gedrückt wird, was den kreisförmigen Packring in seiner ursprünglichien Position hält, ohne die Möglichkeit einer Relativbewegung entlang der Achse der Lagerflächen. Eine Dichtungsanordnung entsprechend diesem Dokument wird nicht in der Lage sein, die Schmiermitteldruckpulse durch eine elastische Deformation der Dichteinriditungen zu kompensieren.
Der Hauptvorteil dieser O-Ringdichtungen, die eine Axialbewegung zulassen, ist die Mininüerung der Druckpulse im Schmiermittel. Druckpulse im Bereich der Dichtung kann schädlich sein und kann zu einer Leckage von Schmiermittel oder zu einer Beschädigung der Dichtung führen, wenn kein ausreichendes Spiel der Dichtung in der Ausnehmung vorhanden ist, um ein Herausdrücken zu vermeiden. Ein ausreichendes Spiel reduziert die Höhe die Druckpulse, um ein Herausdrücken des O-Ringes aus der Dichtungs ausnehmung zu verhindern (im allgemeinen als "Stopfbüchse" bezeichnet).
Die Vorteile dieser Dichtungssysteme, bei denen die Dichtung in einer Position gehalten wird, normalerweise im Schneidwerkzeug, sind: (1) Schutz der Dichtung vor Verunreinigungen, die Abnutzung und Verschlechterung hervorrufen, (2) Vorspannen der Dichtung, um die Dichtung zur Minimierung der Druckptilse am Schneidwerkzeug zu halten und (3) Vernieidung eines Pressens des O-Ringes durch Druckpulse im Schmiermittel mit exzessiver Kraft gegen eine stationäre Dichtfläche am Körper des Meißels.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein verbesserter Bohrmeißel, mit einem Körper, einem druckkompensierenden Schmiersystem und einer freitragen den Lagerwelle, mit einer zylindrischen, radialen Dichtfläche. An der Lagerwelle ist ein Schneidwerkzeug drehbares gelagert, mit einer radialen Dichtausnehmung, mit einer radialen und einer zylindrischen Dichtfläche, gegenüber der Dichtflächen am Körper und an der Lagerwelle. Ein elastischer und kreisförmiger Packring wird zwischen den zylindrischen Dichtflächen komprimiert, hat aber einen Abstand zu den radialen Dichtflächen, um eine druckkompensierende Bewegung der Dichtung in der Ausnehmung zuzulassen. Ein Vorsprung erstreckt sich am äußeren Ende der kreisförmigen Dichtausnehmung nach innen, um den Packring zum Schutze des Ringes nach innen zu drücken. Die Dichtausnehmung hat eine Länge, die ungefähr 30% größer ist, als die entspannte Dicke des O-Ringes.
Zusätzliche Eigenschaften, Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

Beschreibuiig der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Längsquerschnitt eines Beines eines Bohrmeißels, der die Merkmale der Erfindung verkörpert.
Figur 2 ist ein Teillangsschnitt eines Teiles der Ausführungsform nach Figur 1 und zeigt einen Bereich der Lagerwelle, die sich von dein Kopf ausgehend erstreckt.
Figur 3 ist Teillängsquerschnitt und zeigt eine vergrößerte Ansicht der Dichteinrichtung und der Ausnehmungskonfiguration nach Figur 1.
Figur 4 ist ein Teillängsschnitt des Ausnehmungsbereiches im Konus der Ausführungsform nach Figur 1.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Das Bezugszeichen 11 in Figur 1 der Zeichnung bezeichnet einen Bohrmeißel mit einehi mit einem Gewinde versehenen oberen Bereich 13 zur Verbindung mit einem Bohrgestänge teil (Nicht gezeigt). Ein Flüssigkeitskanal 15 leitet Bohrflüssigkeit zu eitiel Düse (nicht gezeigt), die Bohrflüssigkeit gegen den Borlochboden spritzt, um Abraum an die Erdoberfläche an zu spülen.
Ein druckkompensierendes System 17 ist innerhalb jeden Bereiches des Körpers eingeschlossen, wobei in der Regel drei vorhanden sind, die zur Bildung des Kompositkörpers geschweißt sind. Das Schmiersystem entspricht vorzugsweise demjenigen aus dem Dokument US 4,727,942.
In jedem Bereich des Körpers ist ein Schmiermittelkanal 19 angeordnet, der sich abwärts bis zu einem Schnittpunkt mit einem anderen Schiniermittelkanal 21 im oberen Bereich eines Kugelsteckers 23 erstreckt, welcher durch eine Lochnaht 25 an dem Körper befestigt ist. Ein dritter Schmiermittelkanal 27 führt Schrniermittel zu einer zylindrischen Lagerfläche 29 an einer Lagerwelle 30. Über das Schneidwerkzeug verteilt sind mehrere Reihen von erdzerteilenden Zähnen 35, die aus einem gesinterten Wolframkarbid konstruiert sind, die durch Preßsitz in passenden Löchern im Schneidwerkzeug 33 befestigt sind.
Wie in Figur 3 gezeigt, ist eine zylindrische Dichtfläche 39 in der Nähe der Basis der Lagerwelle 30 augeordnet, um mit einer radialen Dichtfläche 41 zusammenzutreffen, wobei diese Flächen über einen geeigueten Radius miteinander verbunden sind. Den Dichtflächen 39, 41 liegt eine radiale Dichtfläche 43 im Schneidwerkzeug 33 gegenüber, das ebenfalls eine zylindrische Dichtfläche 45 enthält, wobei diese Flächen über einen geeigneten Radius mlteinander verbunden sind.
Wie am besten in Fig. 4 dargestellt, erstreckt sich ein Vorsprung 47 über eine bestimmte Distanz nach innen über die Dichtfläche 45 in dem Schneidwerkzeug 33 hinaus in Richtung der zylindrischen Fläche 39 in der Lagerwelle, um den elastischen Packring, hier ein O-Ring, 37 nach innen zu drücken. Dieser Vorsprung 47 erstreckt sich vorzugsweise nicht weiter als 30% der Querschnittsdicke des O-Ringes in entspanntem Zustand vor der Montage an der Lagerwelle 30 nach innen. Der O-Ring 37 wird vorzugsweise zwischen den zylindrischen Dichtflächen 39, 45 in einem Bereich von unbefähr 10 bis 15% komprimiert. Wie in Fig. 3 dargesrellt, hat der Vorsprung 47 eine nach inne geneigte Fläche 49, ausgebildet für einen Eingiiff mit dem O-ring 37, um diesen nach innen und von der radialen Dichtfläche 41 weg zu drücken. Der Vorsprung 47 hat auch eine nach außen geneigte Fläche 51, die einer parallelen geneigten Fläche 53 in dem Kopf, wie in Fig. 2 gezeigt, gegenüberliegt Die konische Rückseite 52 in Fig. 3 liegt der zuletzt bearbeiteten Fläche 54 im Körper des Meißels gegenüber.
Der elastische O-Ring 37 reicht nicht über die Distanz zwischen den radialen Dichtflächen 41, 43 des Kopfes und des Schneidwerzeuges, sondern hat eher eine um die minimale Distanz "C" der Kompositstopfbuchse verringerte Länge. Die Kompositausnehmung sollte ungefähr 30% größer in der Breite sein als die des O-Ringes in entspanntem Zustand. Die nominale Quetschung des O-Ringes beträgt vorzugsweise 12%, variiert in der Praxis aber von 10 bis 15%. Der Freiraum C ist daher ausreicheiid, um dem O-Ring 37 eine Vor- und Rückwärtsbewegung innerhalb der Kompositdichtausnehmung zu erlauben, um Druckdifferenzen im Schimermittel Zu kompensieren uiid Druckpulse zu minimieren, die andererseits dazu tendieren, den O- Ring in einer Weise nach außen zu drücken, die eine übermäßige Wärme, Abnutzung odet Extrusion erzeugt.
Mit Bezug auf Fig. 3 sind die bevorzugten Dimensionen wie folgt:
C = 0.15D
X = 1.4D
Y = 1.2D
Z = 0.15D
α = 30º
β = 30º
Wobei: C die Differenz der Länge der komprümerten Dichtung und der minimalen Länge der Kompositstopfbuchse oder die Distanz zwischen den radialen Dichtfiächen ist.
X die Distanz von der Rückseite des Schneidwerkzeuges zu der radialen Dichtfläche 43 ist.
Y die Distanz von der Rückseite 42 des Schneidwerkzeuges zum minimalen Durchmesser des Vorsprunges ist.
Z die Distanz ist, die sich der Vorsprung von der zylindrischen Dichtfläche 45 nach innen erstreckt.
α der Winkel der äußeren geneigten Dichtfläche ist.
β der Winkel der inneren geneigten Fläche ist.
D die Querschnitts dicke des O-Ringes in entspanntem Zustand ist.
Meißel, die wie oben beschrieben konstruiert sind, haben eine geringere Abnutzung als vergleichbare Meißel, bei denen Metall die radiale Dichtfläche 41 im Kopf bildet. Dies ist das Resultat des Vorsprunges 47, der den O-Ring 37 davor schützt, durch Krafteinwirkung gegen die radiale Dichtfläche 41 und die entsprechende Fläche der Dichtung gedrückt zu werden. Die Konfiguration des Vorsprunges führt auch zu einem Schutz vor dem Eindringen.

Claims

1. Bohrmeißel mit einem Körper, d.h. dem Hauptteil des Kopfes des Bohrmeißels, einem druckkompensierenden Schmiersystem (17), welches von dem Körper getragen wird, einer freitragenden Lagerwelle (30), die sich von einem äußeren Bereich des Körpers erstreckt, einem Schneidwerkzeug (33), welches drehbar auf der Lagerwelle (30) befestigt ist, einer zylindrischen Dichtfläche (39) an dem Körper, einer ringfömigen Dichtausnehmung in dem Schneidwerkzeug (33) mit radialen (43) und zylindrischen (45) Dichtflächen, die der Dichtfläche (39) am Körper gegenüberliegen, einem elastischen und ringförmigen Packring (37), der zwischen den zylindrischen Dichtflächen (39, 41, 43, 45) zusammengepreßt ist, wobei die Länge des komprimierten ringförmigen Packnuges (37) der minimalen Länge zwischen der radialen Fläche (43) der ringförmigen Dichtausnehmung und einer radialen Dichtfläche (41) entspricht, die am Körper angeorduet ist, minus einer gewählten Distanz (C), um eine druckkompensierende Bewegung des kreisförmigen Packringes (37) in der Ausnehmung zuzulassen, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Schneidwerkzeug (33) angrenzend an die ringförmige Dichtausnehmung ein Vorsprung (47) vorgesehen ist, der sich über eine bestinimte Distanz, nicht mehr als ungefähr 30 % der Querschnittsdicke des kreisförmigen Packringes (37) in entspanntem Zustand nach innen erstreckt, um den Packring (37) von der radialen Dichtfläche (41) des Körpers entfernt zu halten.

2. Bohrmeißel nach Anspruch 1, darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, daß der Packnug (37) ein U-Ring ist.

3. Bohrmeißel nach Anspruch 1, darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, daß sich der Vorsprung (47) nach innen von der Schneidwerkzeugrückseite erstreckt und eine schräge Fläche (49) einschließt, um den Packring (37) nach innen zu drücken.

4. Bohrmeißel nach Anspruch 2, darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, daß der U-ringartige Packring (37) zwischen den zylindrischen Flächen (39, 45) in eiriem Bereich von ungefähr 10 bis 15 % komprimiert ist.