專利名稱：新型牙輪鉆頭密封圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于軸承密封領(lǐng)域，尤其涉及用于石油或地質(zhì)鉆探用牙輪鉆頭軸承密封。
背景技術(shù)：
牙輪鉆頭的壽命主要取決于鉆頭軸承的壽命，而軸承的壽命很大程度上依賴密封的壽命，美國休斯公司就是根據(jù)密封可靠性來預(yù)測鉆頭壽命。牙輪鉆頭目前的發(fā)展趨勢是轉(zhuǎn)速高速化，工況環(huán)境也越來越惡劣，特別是石油鉆探，隨著鉆井深度越來越深，普通軸承密封圈這一環(huán)節(jié)的薄弱性越來越突出。鉆頭軸承密封的功能在于分隔軸承和井底鉆井液，不讓井底鉆井液、巖屑等進入 軸承，同時還要保持軸承潤滑油不泄漏，從而保證鉆頭的使用壽命。牙輪鉆頭軸承密封的失效主要是密封接觸面的摩擦、磨損，而現(xiàn)在牙輪鉆頭軸承所承受的日益惡劣的環(huán)境工況使得軸承密封越來越無法滿足同時隔離鉆井液、巖屑等與潤滑油的要求井底壓力和軸承潤滑劑的壓力都很高，且運行過程中兩者的壓力也往往難以平衡，使得處于兩者間的密封件的接觸狀態(tài)和接觸位置容易發(fā)生變化，影響密封；循環(huán)鉆井液對井底壓力引起的波動，也使密封件的接觸狀態(tài)和接觸位置發(fā)生相應(yīng)變化；鉆井液中含有大量固體顆粒等磨礪性介質(zhì)，這些物質(zhì)容易進入密封圈內(nèi)，大大加劇密封件的磨損，乃至直接引起密封失效。這些因素都會加劇密封件的磨損，并加速橡膠件的降解。現(xiàn)在常用的牙輪鉆頭密封形式，其石油鉆探用O形密封圈材料選用高性能氫化丁腈橡膠，其具有耐高溫(150°C條件下可長期使用)，耐硫化氫、水蒸氣等腐蝕性介質(zhì)，很好的壓縮永久變形能力，較高的拉伸和撕裂強度等優(yōu)點。但橡膠的表面摩擦系數(shù)很大，而且要起到密封作用，必須與配合部件有較大的過盈，因此在軸承高速旋轉(zhuǎn)條件下摩擦阻力大，升熱高，磨損和老化現(xiàn)象嚴重，已無法保證軸承的使用壽命。改進型的密封形式也相繼出現(xiàn)了多種，如在橡膠中填加PTFE和二硫化鑰等，雖可適當降低橡膠的摩擦系數(shù)，但摩擦阻力任很大，且動密封性也不理想，仍難以滿足軸承壽命的要求。其他一些如增加金屬動密封結(jié)構(gòu)等也有各種缺點，因此難以達到理想的使用壽命要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出一種可以更適合鉆井工作的惡劣環(huán)境，能更有效地同時隔離潤滑油與鉆井液、巖屑等，兩者互不影響，延長密封裝置使用壽命的牙輪鉆頭軸承密封。本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)
一種新型牙輪鉆頭密封圈，其設(shè)于牙輪軸孔與牙掌軸頸之間的密封槽內(nèi)，所述密封槽兩端分別連通內(nèi)部潤滑油通道和外部鉆井液通道，包括固定于所述密封槽內(nèi)的金屬骨架，所述金屬骨架將該密封槽分隔成連通內(nèi)部潤滑油通道的潤滑油密封槽以及連通外部鉆井液通道的鉆井液密封槽，所述潤滑油密封槽內(nèi)設(shè)有潤滑油密封件，其與金屬骨架一起完全密封隔離所述內(nèi)部潤滑油通道，所述鉆井液密封槽內(nèi)設(shè)有鉆井液密封件，其與金屬骨架一起完全密封隔離所述外部鉆井液通道。作為優(yōu)選方式，所述潤滑油密封件一側(cè)面靜密封牙輪軸孔內(nèi)面，另一側(cè)面動密封牙掌軸頸軸面。作為優(yōu)選方式，所述潤滑油密封件由靜密封牙輪軸孔內(nèi)面的彈性靜密封件和動密封牙掌軸頸軸面的徑向動密封件組成，所述徑向動密封件由填充聚四氟乙烯制成。作為優(yōu)選方式，所述潤滑油密封件由動密封牙掌軸頸軸面的徑向動密封件和將其與金屬骨架固定的固定件組成，所述徑向動密封件由填充聚四氟乙烯制成。 作為優(yōu)選方式，所述潤滑油密封件為高壓橡膠油封。進一步地，所述密封件的動密封接觸面設(shè)有第一螺旋槽，其旋向與牙掌軸頸的旋向相反。作為優(yōu)選方式，所述鉆井液密封件一側(cè)面動密封牙掌軸頸端面。作為優(yōu)選方式，所述鉆井液密封件由動密封牙掌軸頸端面的端面動密封件以及填充端面動密封件與金屬骨架間的彈性填充件組成，所述端面動密封件由填充聚四氟乙烯制成。進一步地，所述密封件的動密封接觸面設(shè)有第二螺旋槽，其旋向與牙掌軸頸的旋向相反。作為優(yōu)選方式，所述密封件的動密封接觸面外側(cè)為平貼牙掌軸頸端面的平面。工作過程為牙輪軸孔與牙掌軸頸之間的間隙不可避免地形成潤滑油通道和鉆井液通道，由此內(nèi)部潤滑油可以通過潤滑油通道進入密封槽，外部鉆井液、巖屑可以通過鉆井液通道進入密封槽，而金屬骨架將潤滑油密封件和鉆井液密封件隔離，并同時分別與兩者構(gòu)成兩個獨立的對潤滑油和鉆井液、巖屑的隔離系統(tǒng)骨架有足夠的剛度承受內(nèi)外部產(chǎn)生的壓力，可以平衡壓力并保持兩側(cè)的潤滑油密封件和鉆井液密封件的穩(wěn)定；潤滑油由潤滑油密封件、金屬骨架完全隔離，并隔絕了潤滑油壓力對鉆井液密封件的影響；鉆井液由鉆井液密封件、金屬骨架完全隔離，并隔絕了鉆井液壓力、巖屑對潤滑油密封件的影響。本發(fā)明的有益效果傳統(tǒng)密封方式主要采用單個O形圈來密封，該O形圈即要密封軸承內(nèi)部潤滑油，又要密封外部鉆井液和巖屑等，使用壽命很低?，F(xiàn)在已逐漸被一些改進型所替代，其中包括用O型圈做靜密封，動密封采用高精密的金屬密封，其密封壓力來自O(shè)形圈，但內(nèi)部潤滑油和外部鉆井液存在壓差，且不斷變化，同一 O形圈同時承受內(nèi)外壓差，故對O形圈的壓縮量等有很精確的要求，技術(shù)保證困難，且一對金屬磨擦副同時密封內(nèi)外介質(zhì)，密封性受到影響，潤滑油容易流失，故軸承的使用壽命仍不十分理想。而本發(fā)明優(yōu)勢在于:
I、將內(nèi)外介質(zhì)由兩組密封分開，避免了內(nèi)外壓力的相互影響可同時滿足對潤滑油和鉆井液、巖屑的完全隔離，避免內(nèi)外壓力差、井底壓力波動等對密封裝置的影響，減少磨損，更適合鉆井等嚴酷的工作環(huán)境；巧妙的將徑向密封和端面密封相結(jié)合，可達最佳密封效果。2、彈性靜密封件和彈性填充件通過自密封原理將潤滑油、鉆井液增加的壓力傳到相鄰動密封件上，使動密封件的密封壓強始終高于外部介質(zhì)的壓強，無論介質(zhì)壓力如何變化，無論是靜態(tài)還是動態(tài)，都能保證密封。同時，由于彈性靜密封件和彈性填充件不與牙掌軸頸發(fā)生動態(tài)摩擦，因此不存在磨損，其使用壽命也完全滿足要求。3、填充聚四氟乙烯耐高溫性遠優(yōu)于橡膠，可在270°C的條件下長期工作，且耐各種腐蝕性都非常好，耐磨性好，同時其摩擦系數(shù)，較橡膠低很多倍，具有自潤滑性，在動密封時不易磨損。彈性靜密封件/彈性填充件與動密封件的結(jié)合，一方面彈性件的良好彈性保證了填充聚四氟乙烯持久可靠的密封效果，填充聚四氟乙烯的良好性能保證了密封壽命又保證了彈性件的壽命，兩者的完美配合使得密封裝置達到最佳的密封效果與壽命。4、潤滑油密封件的第一螺旋槽其旋向與牙掌軸頸的旋轉(zhuǎn)方向反，可起到很好的泵吸效果，能將旋轉(zhuǎn)過程中外泄的潤滑油向內(nèi)泵壓，從而起到密封的作用。同時，由于牙掌軸頸在旋轉(zhuǎn)過程中潤滑油一直在牙掌軸頸與密封件之間形成一層很薄的油膜，因此大弧度降低了密封件與軸之間的摩擦系數(shù)，使摩擦生熱小，密封件的磨損也非常小，大大延長其使用壽命。5、鉆井液密封件的第二螺旋槽同樣起到很好的泵吸效果，螺旋槽將進入到密封件接觸面的鉆井液向外泵送，且外側(cè)為完整的平面，始終與牙掌軸頸端面貼合，阻止了巖屑等固體顆粒進入密封面。


圖I是本發(fā)明實施例I的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實施例I中徑向動密封件的結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明實施例I中端面動密封件的結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下列非限制性實施例用于說明本發(fā)明
實施例I
如圖I至圖3所示，一種新型牙輪鉆頭密封圈，其設(shè)于牙輪軸孔I與牙掌軸頸2之間的密封槽內(nèi)3，所述密封槽兩端分別連通內(nèi)部潤滑油通道4和外部鉆井液通道5，包括固定于所述密封槽3內(nèi)的金屬骨架6，所述金屬骨架6將該密封槽3分隔成連通內(nèi)部潤滑油通道4的潤滑油密封槽以及連通外部鉆井液通道5的鉆井液密封槽，所述潤滑油密封槽內(nèi)設(shè)有潤滑油密封件，其與金屬骨架6 —起完全密封隔離所述內(nèi)部潤滑油通道4，所述鉆井液密封槽內(nèi)設(shè)有鉆井液密封件，其與金屬骨架6 —起完全密封隔離所述外部鉆井液通道5。如本實施例優(yōu)選所示，環(huán)形金屬骨架6截面呈“Z”形，固定于牙輪軸孔I上，本實施例中“Z”形結(jié)構(gòu)大環(huán)軸面緊貼牙輪軸孔I內(nèi)壁過盈配合，配合面可涂耐高溫密封膠，能完全密封內(nèi)外部介質(zhì)，“Z”形金屬骨架6 —方面將潤滑油密封件貼緊牙掌軸頸2軸面，同時潤滑油密封件緊貼“Z”形金屬骨架6大環(huán)內(nèi)周面以實現(xiàn)對牙輪軸孔I內(nèi)面的靜密封，另一方面將鉆井液密封件貼緊牙掌軸頸2端面。所述潤滑油密封件一側(cè)面靜密封牙輪軸孔I內(nèi)面，另一側(cè)面動密封牙掌軸頸2軸面。如本實施例優(yōu)選所示，所述潤滑油密封件由靜密封牙輪軸孔I內(nèi)面的彈性靜密封件7和動密封牙掌軸頸2軸面的徑向動密封件8組成，彈性靜密封件7采用矩形橡膠密封圈，其材料選用氫化丁腈橡膠，裝配徑向壓縮量一般選用15 20%，所述徑向動密封件8為一環(huán)形件，其截面呈“L”形，徑向面夾于彈性靜密封件7矩形橡膠密封圈與“Z”形金屬骨架6中間端面間，軸向面為密封唇，壓于彈性靜密封件7矩形橡膠密封圈下，徑向動密封件8由填充聚四氟乙烯制成，優(yōu)選超細玻璃纖維作為填料，可使聚四氟乙烯具備較好的彈性，且徑向動密封件8密封唇由彈性靜密封件7橡膠密封圈徑向壓緊，使密封唇的跟隨性大弧度提高，可滿足牙輪軸承通常存在的O. 5左右的徑向跳動。所述徑向動密封件8的動密封接觸面設(shè)有第一螺旋槽9，其旋向與牙掌軸頸2的旋向相反。所述鉆井液密封件一側(cè)面動密封牙掌軸頸2端面。作為優(yōu)選方式，所述鉆井液密封件由動密封牙掌軸頸2端面的端面動密封件10以及填充端面動密封件10與金屬骨架6間的彈性填充件11組成，所述端面動密封件10由填充聚四氟乙烯制成的環(huán)形圈，優(yōu)選填加有機硅和石墨等，彈性填充件11優(yōu)選矩型氫化丁腈橡膠密封圈，由橡膠圈自密封性可知，當外界鉆井液壓強增加時，密封圈的軸向壓強也相應(yīng)增加，保證了端面動密封件10和橡膠圈的密封壓力始終高于密封介質(zhì)的壓力。所述端面動密封件10的動密封接觸面設(shè)有第二螺旋槽12，其旋向與牙掌軸頸2的旋向相反。所述端面動密封件10的動密封接觸面外側(cè)13為平貼牙掌軸頸2端面的平面。本實施例該密封裝置可以在整個牙輪失效的情況下密封不失效，從而最大程度的保證牙輪的使用壽命，該密封裝置可滿足軸配合面旋轉(zhuǎn)線速度達5m/s的高速牙輪密封。實施例2
如圖4所示，本實施例中，當潤滑油壓力小于IMPa的工況條件下，結(jié)構(gòu)可以適當調(diào)整，所述潤滑油密封件由動密封牙掌軸頸2軸面的徑向動密封件14和將其與金屬骨架6固定的固定件組成，固定件由金屬固定件15和橡膠墊片16組成，通過金屬骨架6卷邊使金屬固定件15壓緊徑向動密封件14，金屬骨架6卷邊時通過金屬固定件15和徑向動密封件14將力量傳遞到橡膠墊片16上，使其產(chǎn)生壓縮，可密封從金屬固定件15與橡膠墊片16之間滲漏的潤滑油。所述徑向動密封件14由填充聚四氟乙烯制成，同樣地，所述密封件的動密封接觸面分別設(shè)有第一、二螺旋槽9、12，其旋向與牙掌軸頸2的旋向相反，其他也與實施例I相同。實施例3
如圖5所示，本實施例中，當潤滑油壓力小于IMPa的工況條件下，結(jié)構(gòu)可以適當調(diào)整，所述潤滑油密封件為常規(guī)的高壓橡膠油封17，由橡膠制成，其他與實施例I相同。高壓橡膠油封17是一種耐高壓的油封結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)已在其他領(lǐng)域大量使用。此處提到的目的在于表明凡是內(nèi)外都采用流體動壓密封原理并與本發(fā)明類似的組合密封方式均應(yīng)受到專利保護。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種新型牙輪鉆頭密封圈，其設(shè)于牙輪軸孔與牙掌軸頸之間的密封槽內(nèi)，所述密封槽兩端分別連通內(nèi)部潤滑油通道和外部鉆井液通道，其特征在于包括固定于所述密封槽內(nèi)的金屬骨架，所述金屬骨架將該密封槽分隔成連通內(nèi)部潤滑油通道的潤滑油密封槽以及連通外部鉆井液通道的鉆井液密封槽，所述潤滑油密封槽內(nèi)設(shè)有潤滑油密封件，其與金屬骨架一起完全密封隔離所述內(nèi)部潤滑油通道，所述鉆井液密封槽內(nèi)設(shè)有鉆井液密封件，其與金屬骨架一起完全密封隔離所述外部鉆井液通道。
2.如權(quán)利要求I所述的一種新型牙輪鉆頭密封圈，其特征在于所述潤滑油密封件一側(cè)面靜密封牙輪軸孔內(nèi)面，另一側(cè)面動密封牙掌軸頸軸面。
3.如權(quán)利要求2所述的一種新型牙輪鉆頭密封圈，其特征在于所述潤滑油密封件由靜密封牙輪軸孔內(nèi)面的彈性靜密封件和動密封牙掌軸頸軸面的徑向動密封件組成，所述徑向動密封件由填充聚四氟乙烯制成。
4.如權(quán)利要求I所述的一種新型牙輪鉆頭密封圈，其特征在于所述潤滑油密封件由動密封牙掌軸頸軸面的徑向動密封件和將其與金屬骨架固定的固定件組成，所述徑向動密封件由填充聚四氟乙烯制成。
5.如權(quán)利要求I所述的一種新型牙輪鉆頭密封圈，其特征在于所述潤滑油密封件為高壓橡膠油封。
6.如權(quán)利要求2、3或4所述的一種新型牙輪鉆頭密封圈，其特征在于所述密封件的動密封接觸面設(shè)有第一螺旋槽，其旋向與牙掌軸頸的旋向相反。
7.如權(quán)利要求I所述的一種新型牙輪鉆頭密封圈，其特征在于所述鉆井液密封件一側(cè)面動密封牙掌軸頸端面。
8.如權(quán)利要求7所述的一種新型牙輪鉆頭密封圈，其特征在于所述鉆井液密封件由動密封牙掌軸頸端面的端面動密封件以及填充端面動密封件與金屬骨架間的彈性填充件組成，所述端面動密封件由填充聚四氟乙烯制成。
9.如權(quán)利要求7或8所述的一種新型牙輪鉆頭密封圈，其特征在于所述密封件的動密封接觸面設(shè)有第二螺旋槽，其旋向與牙掌軸頸的旋向相反。
10.如權(quán)利要求9所述的一種新型牙輪鉆頭密封圈，其特征在于所述密封件的動密封接觸面外側(cè)為平貼牙掌軸頸端面的平面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型牙輪鉆頭密封圈，屬于軸承密封領(lǐng)域，其設(shè)于牙輪軸孔與牙掌軸頸之間的密封槽內(nèi)，所述密封槽兩端分別連通內(nèi)部潤滑油通道和外部鉆井液通道，包括固定于所述密封槽內(nèi)的金屬骨架，所述金屬骨架將該密封槽分隔成連通內(nèi)部潤滑油通道的潤滑油密封槽以及連通外部鉆井液通道的鉆井液密封槽，所述潤滑油密封槽內(nèi)設(shè)有潤滑油密封件，其與金屬骨架一起完全密封隔離所述內(nèi)部潤滑油通道，所述鉆井液密封槽內(nèi)設(shè)有鉆井液密封件，其與金屬骨架一起完全密封隔離所述外部鉆井液通道。本發(fā)明更適合鉆井工作的惡劣環(huán)境，能更有效地同時隔離潤滑油與鉆井液、巖屑等，兩者互不影響，延長密封裝置使用壽命。
文檔編號E21B10/25GK102628338SQ201110165109
公開日2012年8月8日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者余全勝 申請人:成都盛幫密封件股份有限公司