專利名稱：一種壓力平衡密封軸承牙輪鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及石油和地質(zhì)鉆井用的一種壓力平衡密封軸承牙輪鉆頭，特別是一種實(shí)現(xiàn)了壓力平衡裝置與卡簧鎖緊的密封軸承一體化的牙輪鉆頭，采用新型卡簧和軸承密封圈提高了鎖緊牙輪和軸承密封的可靠性，采用新型牙輪齒提高了破巖效率，有利于提高鉆頭壽命和鉆頭工作指標(biāo)。
查閱與本實(shí)用新型有關(guān)的專利文獻(xiàn)資料，提供有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)的背景和現(xiàn)狀。
1、關(guān)于壓力平衡裝置，凡是密封軸承牙輪鉆頭必須有壓力平衡裝置，平衡鉆頭密封軸承內(nèi)外壓力差，保證軸承密封圈在內(nèi)外壓差基本平衡條件下正常工作。壓力來(lái)自鉆井時(shí)井筒內(nèi)泥漿柱的壓力和鉆頭工作時(shí)牙輪破碎地層巖石使牙輪產(chǎn)生高頻率的軸向串動(dòng)在密封軸承內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，需要壓力平衡裝置中的橡膠壓力平衡器(也叫壓力補(bǔ)償器)的變形來(lái)平衡密封軸承內(nèi)外壓力差。壓力平衡裝置一般由絲堵、壓蓋、保護(hù)杯、壓力平衡器及傳壓孔、長(zhǎng)油孔、注油孔、通油孔等五個(gè)零件和四個(gè)孔及鉆頭脂組成，傳壓孔與井筒泥漿相通，其他孔與軸承相通，在壓力平衡裝置與密封軸承內(nèi)充滿鉆頭潤(rùn)滑脂，壓力平衡器通過(guò)鉆頭脂傳遞壓力平衡密封軸承內(nèi)外壓力差，保證密封圈能長(zhǎng)時(shí)間正常工作。每個(gè)鉆頭公司生產(chǎn)的密封軸承牙輪鉆頭都有自己的壓力平衡裝置，而且都是布置在牙掌上部鈄面處(在


圖1上部鈄面中心線處)，因?yàn)槟抢镉休^大的體積來(lái)安裝壓力平衡裝置，這就是壓力平衡裝置的現(xiàn)有技術(shù)，存在的問(wèn)題是這個(gè)位置距離軸承密封圈太遠(yuǎn)，傳遞壓力要通過(guò)長(zhǎng)油孔、通油孔和軸承的徑向間隙傳遞給密封圈，因此它的靈敏性和可靠性都較差。國(guó)內(nèi)外各公司都在不斷改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，一是不斷完善現(xiàn)有裝置；二是使這個(gè)裝置簡(jiǎn)易化和小型化，并使它更靠近軸承；三是把這個(gè)裝置放在密封軸承內(nèi)部。為此我們查閱了國(guó)內(nèi)外有關(guān)專利文獻(xiàn)資料，特別是美國(guó)休斯、史密斯、端德和塞克瑞特等四大鉆頭生產(chǎn)公司的研究發(fā)展動(dòng)向，一般來(lái)說(shuō)鉆頭新技術(shù)往往來(lái)自這四大公司。這些公司生產(chǎn)的密封軸承牙輪鉆頭的壓力平衡裝置都是放置在牙掌上部鈄面處。例如美國(guó)專利US4984643、US4811801、US4911255和US4330158。有關(guān)簡(jiǎn)易化和小型化的專利有US4386667和US4380072，這兩項(xiàng)專利都是在牙掌上部鈄面處有一個(gè)簡(jiǎn)易的壓力平衡裝置放在長(zhǎng)油孔的進(jìn)口處，通過(guò)長(zhǎng)油孔與軸承內(nèi)的通油孔或塞肖孔與軸承相通。但這些專利已授權(quán)十年左右未見(jiàn)到在鉆頭上應(yīng)用，說(shuō)明它們的實(shí)用性差，可靠性差不能取代現(xiàn)有裝置。還有兩項(xiàng)專利如US4519719和US4597455，前一項(xiàng)專利是在牙掌背錐面鉆塞肖孔位置設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的壓力平衡裝置通過(guò)一個(gè)細(xì)的通油孔與密封圈位置連通，這是休斯公司1985年5月18日被授于專利權(quán)的，但至今未見(jiàn)應(yīng)用說(shuō)明沒(méi)有實(shí)用價(jià)值；后一項(xiàng)專利是把一個(gè)微型的壓力平衡裝置放在軸頸的非工作面(上部)，缺點(diǎn)是平衡器太小，1986年7月1日授權(quán)，至今未見(jiàn)應(yīng)用也說(shuō)明它的可靠性差，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。經(jīng)查閱來(lái)發(fā)現(xiàn)與本實(shí)用新型完全相同或相似的技術(shù)。
2、有關(guān)卡簧問(wèn)題。美國(guó)休斯公司發(fā)明用卡簧(鋼絲擋圈)鎖緊牙輪，它的專利號(hào)US4491428(1985年1月1日授權(quán))，該公司在小尺寸鉆頭上試用取得成功后很快在各種尺寸鉆頭上取代鋼球鎖緊牙輪。一開始用園截面積鋼絲，后來(lái)改成近似D形截面，就是把卡簧內(nèi)徑磨一個(gè)園柱面。從九十年代開始發(fā)現(xiàn)卡簧有兩個(gè)缺點(diǎn)一是不適合高轉(zhuǎn)速，卡簧與牙掌卡簧槽處的15°鈄面是線接觸，在高速條件下卡簧的園形截面與15°鈄面相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較高的摩擦熱能使一部分潤(rùn)滑脂氣化影響密封軸承的壽命；二是當(dāng)鉆頭密封失效后軸頸很快磨損，磨去滲碳層后軸頸的軟基體在鉆壓作用下開始變形使卡簧槽的寬度變小，牙輪的卡簧槽是園弧形的與卡簧接觸時(shí)在井壁推力的作用下產(chǎn)生一個(gè)向心的側(cè)向力，可以把卡簧向軸卡簧槽內(nèi)推，逐步的把卡簧的任何一點(diǎn)卡死在牙掌軸頸槽內(nèi)，卡簧的兩端就會(huì)在牙輪卡簧槽的推力下被推進(jìn)軸卡簧槽發(fā)生掉牙輪事故?；谝陨蟽牲c(diǎn)休斯公司決定改用鋼球鎖緊牙輪，只在小尺寸鉆頭上仍保留卡簧鎖緊牙輪，現(xiàn)在引進(jìn)美國(guó)休斯公司牙輪鉆頭制造技術(shù)的江漢鉆頭廠也在改成鋼球鎖緊牙輪。
3、有關(guān)軸密封圈問(wèn)題。目前牙輪鉆頭軸密封圈都是實(shí)芯的橡膠密封圈，大部份是O形截面的，但也有其他形狀的。美國(guó)休斯公司ATM型鉆頭采用金屬密封圈與橡膠圈組合的密封圈。這就是現(xiàn)有技術(shù)。美國(guó)塞克瑞特公司有一項(xiàng)空芯橡膠O形密封圈專利US4279250(1981年7月21日授權(quán))，但至今未見(jiàn)到在鉆頭上應(yīng)用，說(shuō)明它沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。現(xiàn)有技術(shù)實(shí)芯O形橡膠密封圈的缺點(diǎn)是它與軸承密封面的摩擦熱較高，影響軸承密封壽命。未查到與本實(shí)用新型相同的技術(shù)。
4、關(guān)于牙輪齒問(wèn)題。美國(guó)專利US4108260(1978年8月22日授權(quán))，這是美國(guó)休斯公司勺形齒專利，后來(lái)又經(jīng)過(guò)幾次改進(jìn)，勺形齒有它的優(yōu)點(diǎn)，在破巖時(shí)有勺形就增加了自由面有利于提高破巖效率，也有它的缺點(diǎn)，一是勺形齒背部隆起對(duì)牙齒將要離開巖石表面時(shí)有壓實(shí)作用；二是有個(gè)另齒有轉(zhuǎn)方向問(wèn)題，休斯公司在錐球齒的錐面上也有一個(gè)小勺形。另外美國(guó)史密斯、瑞德公司在高速鉆頭上都采用錐球齒效果很好，它適應(yīng)的地層要比勺形齒廣一些，而且錐球齒沒(méi)有方向性問(wèn)題，這些公司牙輪背錐齒均采用平頭硬質(zhì)合金齒。
本實(shí)用新型的目的是改進(jìn)以上四個(gè)方面現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，具體改進(jìn)內(nèi)容一是實(shí)現(xiàn)壓力平衡裝置與密封軸承一體化；二是采用不產(chǎn)生側(cè)向力的外徑是園柱面的鍍銀卡簧減少摩擦熱和防止掉牙輪；三是采用柔性復(fù)合密封圈，降低與密封面之間的摩擦熱，提高軸承壽命；四是牙輪齒保徑齒采用雙面勺形齒，切削齒采用沒(méi)有方向性勺形錐面錐球齒，背錐齒采用帶硬質(zhì)合金套的園柱聚晶金剛石齒，提高鎖緊牙輪和密封軸承的可靠性和牙齒壽命，提高鉆頭工作指標(biāo)。
本實(shí)用新型改進(jìn)的技術(shù)方案和內(nèi)容如下1、實(shí)現(xiàn)壓力平衡裝與密封軸承的一體化，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和制造工藝，降低生產(chǎn)成本。采用的方案是把壓力平衡器放在牙掌軸頸中心的孔內(nèi)，把小軸壓進(jìn)小軸孔并固定和密封壓力平衡器，防止泥漿進(jìn)入軸承。具體做法是在完成軸頸各部位加工，采用車偏心方法在軸頸非受力面車一個(gè)深3mm的偏心儲(chǔ)油槽，槽的兩端有30°鈄面向受力方向沿伸在軸頸非受力面的200°范圍內(nèi)而消失，然后把牙掌送去熱處理，在需要加工和鉆孔的部位涂防滲碳涂料。熱處理后對(duì)軸頸進(jìn)行加工，首先鉆中心孔，深度超過(guò)軸頸最后加工面10mm，擴(kuò)中心孔成壓力平衡器孔，在進(jìn)口處鉆鉸小軸孔，然后在軸頸上部靠近密封面的偏心槽的30°鈄面處鉆通油孔，深度超過(guò)軸頸底平面10mm，在牙掌后側(cè)面的外形表面鉆傳壓孔與中心孔鉆通，再鉆注油孔與通油孔鉆通，在它的進(jìn)口處攻絲堵螺紋孔，這就完成了牙掌壓力平衡密封軸承各種孔的加工，把壓力平衡器安裝在平衡器孔內(nèi)，再將小軸壓入小軸孔，靠過(guò)盈配合固緊小軸，小軸下部密封面直徑壓緊壓力平衡器進(jìn)口處園截面的密封部位，這樣能防止泥漿進(jìn)入軸承，壓進(jìn)小軸后對(duì)軸頸進(jìn)行磨加工，大小軸頸一起磨保證它們的同軸度，完成磨軸頸及拋光密封面之后對(duì)軸頸進(jìn)行清洗烘干后進(jìn)行牙輪和牙掌的分裝；把軸密封圈套在軸頸底部，把卡簧放在卡簧槽處用卡簧鉗把卡簧夾進(jìn)牙掌軸頸卡簧槽，再把加工完的牙輪扣在軸頸上、下壓牙輪推動(dòng)卡簧鉗到底后去掉卡簧鉗，再把牙輪向下壓到底平面，此時(shí)卡簧就彈開進(jìn)入牙輪卡簧槽。最后把絲堵上緊防止在以后工序中有水進(jìn)入軸承。把分裝好的牙輪和牙掌，三片組焊成一體車鉆頭接頭螺蚊，對(duì)鉆頭表面清洗干凈后，去掉絲堵對(duì)軸承進(jìn)行抽真空和注潤(rùn)滑脂，注滿后把絲堵上緊，三個(gè)牙掌都要抽真空和注潤(rùn)滑脂。這樣就完成了壓力平衡密封軸承牙輪鉆頭的全部加工。
2、采用外徑是園柱面的卡簧。為克服休斯卡簧鎖緊牙輪存在的缺點(diǎn)，決定把園形截面卡簧的外徑磨成園柱面，在卡簧上部有15°鈄面，下部磨一段平面，牙輪卡簧槽為直角平面，因牙輪卡簧槽對(duì)卡簧沒(méi)有向心的側(cè)向推力，在鉆頭工作時(shí)，牙輪卡簧槽推動(dòng)卡簧，卡簧上部的15°鈄面與牙掌軸頸卡簧槽處的15°鈄面相互作用是15°面相接觸，而不是線接觸，在鉆壓和轉(zhuǎn)速一定的條件下就會(huì)減少摩擦熱。當(dāng)鉆頭軸承密封失效后，軸頸嚴(yán)重磨損而導(dǎo)到軸頸卡簧槽處變形，槽寬變小后對(duì)卡簧內(nèi)徑下部的園弧面有一個(gè)向外的推力，而牙輪卡簧槽又沒(méi)有向心的側(cè)向推力，因此不可能發(fā)生把卡簧卡死在卡簧槽內(nèi)造成掉牙輪事故。另外為了減少摩擦熱對(duì)卡簧進(jìn)行鍍銀起減蘑作用，也有利于防止卡住卡簧發(fā)生掉牙輪事故。改進(jìn)后的卡簧提高了鎖緊牙輪的可靠性并能使它適合高轉(zhuǎn)速。卡簧截面由現(xiàn)在的D形改進(jìn)成
形，正好相反，使卡簧更能滿足鎖緊牙輪的需要。
3、采用柔性復(fù)合密封圈。采用帶低熔點(diǎn)合金芯O形橡膠密封圈，當(dāng)鉆頭下井工作時(shí)軸承溫度達(dá)到57℃時(shí)合金芯就變成液態(tài)，這時(shí)復(fù)合密封圈變得很柔軟，可降低與密封面之間的摩擦熱，并能隨著鉆頭軸頸受力面和非受力面密封空間的變化而相適應(yīng)，有利于提高軸承壽命。
4、關(guān)于牙輪齒問(wèn)題。牙輪的外排齒(保徑齒)它既要切削井壁又要切削井底巖石，因此采用勺形齒較合適，為了克服休斯勺形齒的缺點(diǎn)，采用雙面勺形齒，就是原來(lái)的勺形齒齒背隆起處增加一個(gè)小的勺形面。改進(jìn)的理由是，牙齒破碎巖石主要有三個(gè)過(guò)程一是開始接觸巖石時(shí)有勺形可增加自由面；二是牙齒垂直作用巖石表面時(shí)巖石產(chǎn)生體積破碎；三是開始離開巖石表面時(shí)，齒背對(duì)巖石有一個(gè)壓實(shí)作用，如果齒背也有一個(gè)小勺形就增加了自由面并減少壓實(shí)作用，因此有兩個(gè)勺形面要比一個(gè)好，勺形齒還有一個(gè)缺點(diǎn)，就是個(gè)別齒轉(zhuǎn)方向，在內(nèi)勺面下邊增加一個(gè)防轉(zhuǎn)向槽。牙輪的切削齒采用勺形錐面錐球齒，由三部分組成，齒頂是球形的，下部是園錐形的，中間上勺形錐面形狀，這與休斯勺形錐球齒不同，它有方向性，現(xiàn)在采用的則是沒(méi)有方向性勺形錐球齒，牙輪背錐齒采用帶硬質(zhì)合金套的園柱聚晶金剛石齒。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)1、實(shí)現(xiàn)了壓力平衡裝置與密封軸承一體化，使壓力平衡器更接近密封圈，壓力平衡增加了可靠性，最大限度的簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和制造工藝，降低了生產(chǎn)成本，泥漿進(jìn)入中心孔和平衡器周圍對(duì)軸承起冷卻作用，有利于軸承壽命的提高，以上這些都是現(xiàn)有技術(shù)做不到的，優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)；2、采用鍍銀的外徑是園柱面的卡簧提高了鎖緊牙輪的可靠性，減少摩擦熱，防止掉牙輪事故，提高了軸承壽命，這些都優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)；
3、采用柔性復(fù)合密封圈，降低與密封面之間的摩擦熱，有利于提高軸承壽命，這是現(xiàn)有技術(shù)所沒(méi)有的；4、牙輪采用雙面勺形齒保徑齒，勺形錐面錐球齒切削齒和帶硬質(zhì)合金套的園柱聚晶金剛石背錐齒，以上三種齒都是符合破巖規(guī)律的新齒形，三者裝在同一個(gè)牙輪上是最佳匹配，是現(xiàn)有技術(shù)做不到的，有利于破巖效率的提高和鉆頭的保徑，有利于提高鉆頭工作指標(biāo)。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)。
圖1是本實(shí)用新型壓力平衡密封軸承一體化結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型卡簧鎖緊牙輪結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)作新型柔性復(fù)合密封圈結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型雙面勺形齒結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實(shí)用新型勺形錐面錐球齒結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本實(shí)用新型帶套園柱聚晶金剛石齒結(jié)構(gòu)示意圖；本實(shí)用新型附圖編號(hào)1—牙掌軸頸；2—牙輪內(nèi)孔；3—軸密封圈；4—卡簧；5—小軸，6—壓力平衡器；7—絲堵；8—中心孔；9—平衡器孔，10—小軸孔；11—傳壓孔；12—偏心槽；13—偏心槽30°鈄面；14—通油孔；15—注油孔；16—絲堵螺蚊孔；17—鉆頭脂；18—軸卡簧槽；19—卡簧槽15°鈄面；20—卡簧15°鈄面；21—卡簧外徑；22—卡簧底平面；23—牙輪卡簧槽；24—柔性復(fù)合密封圈；25—低熔點(diǎn)合金芯；26—橡膠圈；27—保徑齒；28—切削齒，29—背錐齒；30—雙面勺形齒；31—內(nèi)勺形面；32—外勺形面；33—防轉(zhuǎn)向槽；34—勺形錐面錐球齒；35—球面；36—勺形錐面；37—園錐面；38—帶套園柱聚晶金剛石齒；39—園柱聚晶金剛石齒；40—硬質(zhì)合金套。
結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容，具體結(jié)構(gòu)和實(shí)施做進(jìn)一步描述并舉例說(shuō)明。
圖1是本實(shí)用新型壓力平衡密封軸承一體化結(jié)構(gòu)示意圖，它實(shí)現(xiàn)了壓力平衡裝置與密封軸承的一體化，使壓力平衡器更接近軸密封圈，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和制造工藝，提高了壓力平衡的可靠性，從
圖1可以看到把壓力平衡裝置簡(jiǎn)化到只剩下絲堵和壓力平衡器兩個(gè)零件，把壓力平衡器放在軸頸中心的孔內(nèi)縮短了壓力平衡器與軸密封圈的距離，使壓力平衡更迅速，更靈敏。壓力平衡密封軸承一體化是由于牙掌軸頸1、牙輪內(nèi)孔2、軸密封圈3、卡簧4、小軸5、壓力平衡器6、絲堵7、中心孔8、傳壓孔9、通油孔14、注油孔15、絲堵孔16等七個(gè)零件四個(gè)孔和鉆頭脂17組成。具體實(shí)施是在牙掌軸頸的外形尺寸加工完，車偏心槽12增加軸承儲(chǔ)油和改善軸承潤(rùn)滑，然后送熱處理，對(duì)需要加工的小軸孔、通油孔、傳壓孔及注油孔等各部位都要涂防滲碳涂料，熱處理完后，首先鉆軸頸中心孔8深度超過(guò)軸頸最后加工面10mm，再車平衡器孔9及鉆鉸小軸孔10，在靠近密封面處的偏心槽30°鈄面13處鉆通油孔14深度超過(guò)軸頸底平面10mm，在牙掌后側(cè)面外部表面鉆傳壓孔11與中心孔鉆通，鉆注油孔15與通油孔14鉆通，在注油孔的進(jìn)口處攻絲堵螺蚊孔16，這樣就完成了各種孔的加工。把壓力平衡器6裝進(jìn)平衡器孔9，把小軸5壓進(jìn)小軸孔10內(nèi)靠過(guò)盈配合固緊小軸，小軸下部的直徑壓緊壓力平衡器進(jìn)口處園截面的密封部位，保證泥漿不能進(jìn)入軸承內(nèi)，然后磨軸頸、密封面和小軸直徑，保證它們的同軸度。把軸頸清洗干凈后進(jìn)行牙掌和牙輪的分裝，首先將軸密封圈3套在牙掌軸頸1的根部，把卡簧4套在軸卡簧槽上，用卡簧鉗把它夾進(jìn)軸卡簧槽18內(nèi)，把加工好的牙輪套在軸頸上往下壓，推動(dòng)卡簧鉗下降，去掉卡簧鉗把牙輪壓到底，此時(shí)卡簧自動(dòng)進(jìn)入牙輪卡簧槽23，把絲堵7擰進(jìn)絲堵螺紋孔16防止以后工序里有水進(jìn)入軸承。車完鉆頭接頭螺蚊后就可以去掉絲堵對(duì)密封軸承抽真空和注鉆頭潤(rùn)滑脂，注滿后上緊絲堵，這樣完成鉆頭的加工。牙輪外錐鋃有保徑齒27、切削齒28和背錐齒29等三種齒。
圖2是本實(shí)新型卡簧鎖緊牙輪結(jié)構(gòu)示意圖，牙輪鉆頭的牙輪內(nèi)孔2和牙掌軸頸1組成軸承，牙輪隨著鉆頭的公轉(zhuǎn)而自轉(zhuǎn)，必須有一個(gè)鎖緊零件掛住牙輪，防止它掉下來(lái)，一般都采用鋼球，采用卡簧是最簡(jiǎn)單的一種鎖緊零件。本實(shí)用新型采用一種新結(jié)構(gòu)卡簧改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)。從圖2中看出是由外徑是園柱形面的卡簧4、軸卡簧槽18、卡簧槽15°鈄面19、卡簧15°鈄面20、卡簧外徑21、卡簧底平面22、牙輪卡簧槽23組成。舉例說(shuō)明改進(jìn)后卡簧的結(jié)構(gòu)要求，用于215.9mm牙輪鉆頭的卡簧是采用4.88mm的彈性鋼絲做成的，要求把卡簧外徑磨成園柱面，再磨底平面使寬度等于2mm，在卡簧上部磨一個(gè)向內(nèi)徑方向的15°鈄面，與卡簧槽15°鈄面相平行，磨成的15°鈄面寬度為1mm，卡簧內(nèi)徑是原鋼絲的園弧面，卡簧的外徑與底平面組成直角平面，因此牙輪卡簧槽是直角平面形狀的。在鉆頭工作時(shí)，牙齒破碎地層巖石時(shí)產(chǎn)生較高頻率的軸向串動(dòng)，當(dāng)井壁反力推動(dòng)牙輪背錐面時(shí)，牙輪卡簧槽直角平面推動(dòng)卡簧，卡簧的15°鈄面接觸卡簧槽15°鈄面，改進(jìn)后的牙輪卡簧槽不是園弧面而是直角平面，它對(duì)卡簧沒(méi)有向心的側(cè)向推力，當(dāng)軸承密封失效后，軸頸嚴(yán)重磨損而變形，軸卡簧槽寬度變小也不會(huì)卡住卡簧，因?yàn)檩S頸與卡簧下部園弧面接觸產(chǎn)生互相推力，使卡簧不可能進(jìn)入軸卡簧槽，既使發(fā)生了某一點(diǎn)卡住了卡簧，卡簧的兩個(gè)端面也不會(huì)被牙輪槽推進(jìn)軸卡簧槽，因?yàn)檠垒喛ɑ稍闶侵苯瞧矫娴牟粫?huì)產(chǎn)生這種推力。另外為了減少摩擦熱對(duì)卡簧鍍銀，新卡簧對(duì)卡簧槽15°鈄面的接觸不是線接觸而是15°鈄面對(duì)15°鈄面，在鉆壓和轉(zhuǎn)速一定條件下會(huì)降低摩擦熱。采用新的卡簧可以減少摩擦熱和防止掉牙輪。卡簧截面由現(xiàn)有技術(shù)的D形改進(jìn)成
形，能更好地滿足鎖緊牙輪的需要。
圖3是本實(shí)用新型柔性復(fù)合密封圈結(jié)構(gòu)示意圖。圖3中的柔性復(fù)合密封圈24由低熔點(diǎn)合金芯25和橡膠圈26組成．制造方法是用模具制造出園截面的低熔點(diǎn)合金環(huán)，合金的熔點(diǎn)是57℃，再用模具壓制出半園環(huán)形截面橡膠圈坯料，把合金環(huán)放在兩件橡膠料之間并壓實(shí)，把兩件坯料的交界面合成一體后放入壓制O形密封圈的模具中放入硫化平板上，就可以壓制出這種柔性復(fù)合密封圈，取出密封時(shí)合金芯處于液態(tài)密封圈很柔軟，當(dāng)溫度降至57℃以下時(shí)合金芯變成固態(tài)，這時(shí)的密封圈的手感與普通實(shí)芯密封圈幾乎相同。這種密封圈裝在鉆頭上下井使用時(shí)，由于井下泥漿溫度，鉆頭軸承工作時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱很快就超過(guò)57℃，使合金芯變成液態(tài)，特別是在1800mm以下井深使用時(shí)鉆頭下到井底時(shí)合金芯自然就液化了。舉例說(shuō)明，如果制造適用于215.9mm牙輪鉆頭的軸承密封圈，低熔點(diǎn)合金芯直徑為1.5mm，O形密封圈截面直徑為5.5mm，橡膠圈的壁厚為2mm。使用柔性復(fù)合密封圈特別適用于深井鉆頭，地?zé)釡囟雀叩牡貐^(qū)鉆井用鉆頭及高速滑動(dòng)軸承牙輪鉆頭，有利于降低密封圈與密封面之間的摩擦熱，由于它的柔性會(huì)使軸承受力面和非受力面各部位的摩擦熱基本相等。有利于提高軸承壽命。
圖4是本實(shí)用新型雙面勺形齒結(jié)構(gòu)示意圖，鉆頭的保徑齒27采用雙面勺形齒30，齒面由內(nèi)勺形面31，外勺形面32和防轉(zhuǎn)向槽33組成，改進(jìn)的內(nèi)容是增加一個(gè)外勺形面和一個(gè)防轉(zhuǎn)向槽。牙齒破碎巖石有三個(gè)主要過(guò)程，一是牙齒開始吃入巖石時(shí)，有一個(gè)勺形面就增加了自由面有利于提高破巖效率；二是牙齒齒頂垂直壓碎巖石，使巖石產(chǎn)生體積破碎；三是牙齒開始離開巖石前的瞬間，現(xiàn)有勺形齒的齒背隆起對(duì)巖石有壓實(shí)作用，在齒背上增加一個(gè)小勺形面就減少壓實(shí)面甚至又增加了一個(gè)自由面，有利于巖石擴(kuò)大破碎面。因此有兩個(gè)勺形面要比一個(gè)勺形面好，為了防止個(gè)別齒由于固齒的過(guò)盈量小或有時(shí)到鉆頭使用后期個(gè)別牙齒有轉(zhuǎn)方向的現(xiàn)象，為防止轉(zhuǎn)向在內(nèi)勺形面的下部加工一個(gè)防轉(zhuǎn)向槽33，寬2mm，深1mm，長(zhǎng)2mm，這個(gè)槽不影響固齒效果，可以在槽邊牙輪基體上用锪頭打變形，也可以不打在鉆頭使用過(guò)程中牙齒吃入巖石后，巖石把孔邊的牙輪基體壓進(jìn)槽就起到防轉(zhuǎn)向作用了。這樣改進(jìn)后與現(xiàn)有技術(shù)相比增加了一個(gè)外形勺面和一個(gè)防轉(zhuǎn)向槽。
圖5是本實(shí)用新型勺形錐面球齒結(jié)構(gòu)示意圖。
牙輪的切削齒28采用勺形錐面錐球齒34，由球面35、勺形錐面36和園錐面37組成，這樣就把普通錐球齒改進(jìn)成勺形錐面錐球齒，主要改進(jìn)內(nèi)容是在球面與園錐面之間增加了勺形錐面，使這種齒變成沒(méi)有方向性的勺形齒了。
圖6是本實(shí)用新型帶套園柱聚晶金剛石齒結(jié)構(gòu)示意圖。
牙輪的背錐齒29采用帶套園柱聚晶金剛石齒38，提高它的耐磨性就增加了保徑能力，是由硬質(zhì)合金套40和園柱聚晶金剛石齒39組成。把園柱聚晶金剛石齒放在銅基WC粉末中采用熱壓法就可燒結(jié)出帶硬質(zhì)合金套的園柱聚晶金剛石平頭齒，磨外徑后把它壓進(jìn)牙輪背錐孔內(nèi)，這種齒在研磨地層鉆進(jìn)有較好的保徑能力。
從以上描述中可看到本實(shí)用新型的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)壓力平衡器與密封軸承一體化，采用新結(jié)構(gòu)的密封圈和牙輪卡簧提高了軸承密封和鎖緊牙輪的可靠性，采用新結(jié)構(gòu)的保徑齒、切削齒和背錐齒提高了保徑能力和破巖效率，有利于提高鉆頭工作指標(biāo)和降低鉆井成本。
權(quán)利要求1.一種壓力平衡密封軸承牙輪鉆頭，由牙掌軸頸(1)、牙輪內(nèi)孔(2)、軸密封圈(3)、卡簧(4)、小軸(5)、壓力平衡器(6)、絲堵(7)、保徑齒(27)、切削齒(28)和背錐齒(29)等主要零件組成，其特征是實(shí)現(xiàn)了壓力平衡器(6)與外徑是園柱面卡簧(4)鎖緊的新結(jié)構(gòu)密封軸承一體化，壓力平衡器(6)布置在牙掌軸頸(1)中心壓力平衡器孔(9)內(nèi)，小軸(5)壓進(jìn)小軸孔(10)內(nèi)固定和密封壓力平衡器，軸密封圈(3)采用柔性復(fù)合密封圈(24)和牙掌軸頸(1)的非受力面有儲(chǔ)油偏心槽(12)及牙輪外錐鋃裝新結(jié)構(gòu)牙輪齒的牙輪鉆頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征是采用表面鍍銀的O形截面卡簧(4)，由園柱形卡簧外徑21、園弧內(nèi)徑上部的卡簧15°鈄面(20)和卡簧底平面(22)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征是軸密封圈采用柔性復(fù)合密封圈(24)，是由低熔點(diǎn)合金芯(25)和橡膠圈(26)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征是牙掌軸頸(1)非受力面200°范圍內(nèi)的偏心儲(chǔ)油槽，是由偏心槽(12)和兩端的偏心槽30°鈄面(13)組成。
5.根提權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征是牙輪保徑齒(27)采用雙面勺形齒(30)，齒形是由內(nèi)勺形面(31)，外勺形面(32)和防轉(zhuǎn)向槽(33)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征是牙輪切削齒(28)采用勺形錐面錐球齒(34)，齒形由球面(35)、勺形錐面(36)和園錐面(37)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征是牙輪背錐齒(29)采用帶套園柱聚晶金剛石齒(38)，是由園柱聚晶金剛石齒(39)和硬質(zhì)合金套(40)組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了石油鉆井用的一種壓力平衡密封軸承牙輪鉆頭,是由于牙掌軸頸(1)、牙輪內(nèi)孔(2)、軸密封圈(3)、卡簧(4)、壓力平衡器(5),絲堵(7)、保徑齒(27)、切削齒(28)、背錐齒(29)等主要零件組成,它的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了壓力平衡器與外徑是圓柱面卡簧鎖緊的新結(jié)構(gòu)密封軸承一體化,牙輪齒采雙面勺形齒(30)、勺形錐面錐球齒(34)和帶套圓柱聚晶金剛石齒(38)。提高了軸承密封和鎖緊牙輪的可靠性,有利于提高鉆頭工作指標(biāo)和降低鉆井成本。
文檔編號(hào)E21B10/22GK2276985SQ9624389
公開日1998年3月25日 申請(qǐng)日期1996年10月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月23日
發(fā)明者孫泰林 申請(qǐng)人:孫泰林