具有柔性金属面密封的牙轮钻头的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及土钻钻头，并且更具体地涉及具有可旋转刀具(也被称为锥体)的钻头。
【背景技术】
[0002]带有滚动体刀具的土钻钻头具有轴承，所述轴承采用滚子作为载荷承载元件，或使用轴颈作为载荷承载元件。在过去五十多年里，在这种牙轮钻头轴承内使用密封装置已显著地提高了轴承寿命。
[0003]早期用于牙轮钻头的密封件是通过包覆有柔性体的金属碟形弹簧(Bellevillespring)设计的，所述柔性体通常为丁腈橡胶(NBR)。该金属弹簧为密封表面提供激励力(energizing force)，并且橡胶涂层抵靠头部和锥体的金属表面进行密封，并且在相对粗糙的表面上提供密封件，因为在密封表面上的微观粗糙结构中填充的橡胶涂层具有顺从性能。这种类型的碟形密封件主要被应用在具有滚子轴承的牙轮钻头中。由于柔性体的磨损，在相当短的几小时操作时间后密封件将失效，导致容纳在轴承腔内的润滑剂流失。在没有润滑剂的益处下，钻头将继续利用滚子轴承运行一段时间。
[0004]当O形环类型的密封件被引入时，牙轮钻头密封件出现了重大的进步。这些密封件由丁腈橡胶组成并且具有圆形横截面。该密封件被装配到由头部与锥体轴承之间的柱形表面形成的径向压盖内，并且就所测量的密封件的横截面而言，所形成的环形的尺寸比原始尺寸小。然后O形环密封件在柱形表面之间被径向挤压。
[0005]为了使滑动摩擦力和所导致的发热及磨损量最小化，通常为旋转式O形环提供最小的径向压缩量。然而，往复式(碟形)密封件必须具有大得多的径向压缩，以便在轴向滑移期间(通常大约两倍压缩)从密封区域排除污染物。牙轮钻头密封件必须既在相对的头部/锥体轴向运动期间排除污染物，又在旋转期间使磨损量最小化。
[0006]现在参考图1，其图示说明土钻钻头的现有技术配置。图2示出该现有技术配置的特写示图，其关注与安装在钻头头部8的轴6上的旋转锥体4有关的密封系统2的区域。O形环密封件10被嵌入密封压盖12内并且被挤压在锥体密封表面14与头部密封表面16之间。
[0007]现在参考图3，其图示说明土钻钻头的现有技术配置。图4示出该现有技术配置的特写示图，其关注与安装在钻头头部28的轴26上的旋转锥体24有关的密封系统22的区域。第一环30被加压装配(press-fit)到在锥体24中形成的压盖32内。第一环30存在第一金属密封面34。第二环36也被放置在压盖32中。第二环36存在第二金属密封面38。激励(energizing)结构40也被放置在压盖32中并且被配置为抵靠第二环36的背部表面42施加轴向力和径向力的组合，以推动第二金属密封面38与第一金属密封面34接触。图4中所示的结构示出众所周知的单一激励器类型的金属面密封系统。
[0008]在金属面密封结构的所有配置中，必须通过激励结构40为密封系统22提供充足的力，以保持(第二金属密封面38与第一金属密封面34之间)充分的密封接触，并且进一步克服在内部区域和外部区域之间的任意压力差。这些区域之间的压力差随着锥体在运转期间在轴承上扭曲而波动。该现象在本领域中被称为“锥体栗送(cone pumping)”。锥体栗送在金属面轴承密封件处抛投内部压力湧动，这可能随着时间的推移产生密封件的严重故障。另外，钻头在使用过程中深度的改变可能引起内部压力与外部压力之间的压力波动。相反，由激励结构40在密封件上施加太大的力可能引起锥体难以组装到轴承，并且可能导致第一环30和第二环36的加速磨损。重要的是金属密封面34和38是平坦的，因此经常提供表面的研磨(在光带范围内)。
[0009]图4中所示的单一激励器类型的金属面密封系统的重大挑战是:第一环30在锥体压盖32中的加压装配可以使第一环变形并且在第一金属密封面34中产生“波纹”。具有第二金属密封面38的第二环36必须通过由激励结构40施加的力克服该表面波纹，以保持期望的密封接触(否则密封件将泄漏)。
[0010]图4中所示的单一激励器类型的金属面密封系统的另一挑战是:柔性体激励结构40发生偏移，从而不仅在优选的轴向方向而且还在径向方向上对第二环36施加力。因此，密封力被施加到径向方向上的浪费的力分量耗散。该径向施加的力分量进一步引进扭矩到第二环36上，该扭矩减小(即缩窄)由金属密封面34和38形成密封表面接触之处的有效密封表面的径向宽度。宽度减小的出现是因为引进的扭矩导致密封环的畸变，这产生了关于密封环的密封面的不平坦表面状况。
[0011]图4中所示的单一激励器类型的金属面密封系统的再一个挑战是:由于油脂压力的增加，金属密封面34和38变为无负荷。例如，牙轮钻头轴承可能在内部压力大于环境压力的情况下操作。因此，可能产生油脂泄漏。
[0012]尽管存在前述挑战，金属面密封系统经常被用于滚子锥体钻头，此类钻头在较高转速(RPM)的钻进应用中运行，因为金属密封面34和38抗磨损并因此表现出比图1和图2中所示的标准O形环式密封系统更长的运行寿命。
[0013]前述挑战仍然是一个问题，并且因此在本领域中存在对用于牙轮钻头的改进金属面密封系统的需求。
【发明内容】
[0014]在一个实施例中，一种用于包括轴区和旋转锥体的钻头的密封系统包括:第一环形压盖，其被限定在旋转锥体中；第一环，其被保持在第一环形压盖内并具有第一金属密封面；第二环形压盖，其被限定在轴区的基部处；第二环，其被保持在第二环形压盖内；第三环，其被定位在第一环与第二环之间，所述第三环包括具有与第一金属密封面接触的第二金属密封面的密封区、包括与第二金属密封面轴向相对的偏压表面的主体区以及将密封区枢转互连到主体区的轴向延伸的柔性构件；弹簧构件，其被嵌入第一压盖内并被配置为抵靠第三环的偏压表面施加轴向力；以及在第二环和第三环之间的径向驱动连接件。
[0015]在另一个实施例中，一种用于包括轴区和旋转锥体的钻头的密封系统包括:第一环形压盖，其被限定在旋转锥体中；第一环，其被安装到第一环形压盖中并具有第一金属密封面；第二环，其被安装到轴区；第三环，其被定位在第一环与第二环之间，所述第三环包括具有与第一金属密封面接触的第二金属密封面的密封区、具有与第二金属密封面轴向相对的偏压表面的主体区以及将密封区枢转耦接到主体区的柔性构件；以及偏压系统，其被配置为抵靠第三环的偏压表面施加轴向力。
[0016]在另一个实施例中，一种用于包括轴区和旋转锥体的钻头的密封系统包括:环形压盖，其被限定在旋转锥体中；第一环，其被安装在环形压盖中并具有第一金属密封面；第二环，其被嵌入环形压盖中并包括具有与第一金属密封面接触的第二金属密封面的密封区、具有与第二金属密封面轴向相对的偏压表面的主体区以及将密封区枢转耦连到主体区的柔性构件；0形环，其被第二环主体区的密封表面压缩以限定静态密封件；以及偏压系统，其被配置为抵靠第三环的偏压表面施加轴向力。
【附图说明】
[0017]本发明的其他特征和优点将在遵循一些非限制性示例的说明书中结合附图变得清楚，其中:
[0018]图1示出具有常规O形环式密封系统的土钻钻头的现有技术配置；
[0019]图2示出图1的现有技术配置的特写示图，其关注密封件的区域；
[0020]图3示出具有常规单一激励器金属面密封系统的土钻钻头的现有技术配置；
[0021]图4示出图3的现有技术配置的特写示图，其关注密封件的区域；
[0022]图5A和图5B示出金属面密封系统的实施例；以及
[0023]图6示出金属面密封系统的实施例。
【具体实施方式】
[0024]之前已经描述了图1-4。
[0025]现在参考图5A，其示出金属面密封系统100的实施例的横截面图。密封系统100与安装在轴区104上的旋转锥体102有关。该密封系统100适用于任何密封应用，包括本领域技术人员熟知的其中锥体被支撑用于使用轴颈轴承或滚子轴承旋转的实施方式。
[0026]密封系统100被提供在压盖结构内，该压盖结构被形成在锥体102内并且处于轴区104的基部处。该压盖结构包括在锥体中形成的第一压盖106以及在轴区104的基部中形成的第二压盖108。第一压盖106是由径向表面110和柱形表面112限定的环形结构，其中径向表面110远离锥体旋转轴垂直地向外延伸进入锥体102的主体内，而柱形表面112在平行于锥体旋转轴的方向从径向表面朝着锥体的底表面(基部)114垂直地向后延伸。轴区104由柱