专利名称：油用牙轮钻头浮动复合密封装置的制作方法
技术领域：
本发明属于动密封领域，其结构是介于机械密封和填料密封之间的另一种 形式，特别涉及一种油用牙轮钻头浮动复合密封装置。
背景技术：
目前，在石油钻井及其它矿用钻探方面使用的牙轮钻头，大多采用橡胶填 料密封装置或简化的机械密封装置，其中橡胶填料密封装置的橡胶与轴颈或轮 孔直接摩擦，产生的热量大，磨损较快，只能低速运转，使用时间短，密封早 期失效，进而使整个牙轮钻头过早报废。而机械密封装置对元件要求极为严格， 加工难度较大，组装工艺繁琐，产品一致性差；在工作中如遇特殊工况，使密 封面稍有分离，在泥浆压力高于轴承腔压力时，泥浆携带岩屑便浸入，使形成 密封面的两个密封环表面光洁度遭到破坏，失去密封作用，导致钻头失效。普 通的机械密封允许有一定量的泄漏，这样更利于磨擦面的润滑。而不管哪种密 封形式的牙轮钻头，由于工作条件所限，都不允许泄漏，确切的说是不允许外 部的泥浆向注有润滑脂的轴承腔内部泄漏。要求其密封性要好。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有问题，而提供一种介于填料密封与机 械密封之间的一种油用牙轮钻头浮动复合密封装置，该密封装置制作相对简单， 适用于较高转速，延长使用寿命，提高钻井效率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是油用牙轮钻头浮动复合密封装 置，其特征在于由浮动复合密封环、可装配的牙轮与牙掌，及位于牙掌外侧 的定位钢球构成，所述的浮动复合密封环设置在牙轮钻头牙轮孔的阶台与牙掌 轴底的平面之间，所述的定位钢球设置在牙轮和牙掌的"R"槽之间。
上述浮动复合密封环由用聚四氟乙烯制成的主浮动密封环与用橡胶制成的 辅助浮动密封环组成。
上述浮动复合密封环的两工作面分别与所述的牙轮孔的阶台、牙掌轴底的平面紧密贴合，形成两对摩擦副。 本发明的有益效果在于
1、 牙轮钻头使用该装置取代传统的橡胶密封，可降低摩擦系数，有效延长 工作时间，进而提高牙轮钻头的使用寿命。
2、 牙轮钻头使用该装置取代结构复杂的机械密封，加工制造简单，产品一 致性好，质量稳定。
3、 浮动复合密封适应较高转速。使用该密封装置的牙轮钻头可与井下动力 螺杆钻具配合，实现复合钻进，提高综合钻井效率。
4、 浮动复合密封使用了辅助密封，使主密封面免于接触泥浆的浸蚀；主密 封面有瞬时脱离迹象时，辅助密封起到了临时密封的保护作用。
5、 由于聚四氟乙烯是柔性的， 一旦有杂质浸入密封面，很快被压入聚四氟 乙烯的基体里，对密封面造成的影响极小。
图1为木发明的牙轮钻头牙掌与牙轮的组装结构示意图。 图2为本发明未组装状态的剖面结构示意图。 图3为本发明组装压紧后的剖面结构示意图。 图4为本发明在只对聚四氟乙烯密封环施压后的理论剖面结构图。
具体实施例方式
图中l为主浮动密封环，2为辅助浮动密封环，3为牙轮及轮孔，4为牙掌 及掌轴，5为定位钢球，6为聚四氟乙烯主浮动密封环与牙轮/牙掌组成的摩擦副 的工作面，7为橡胶辅助浮动密封环与牙轮/牙掌组成的摩擦副的工作面。
如图1所示，本发明由浮动复合密封环、可装配的牙轮(3)与牙掌(4)， 及位于牙掌(4)外侧的定位钢球(5)构成，浮动复合密封环设置在牙轮钻头 牙轮孔(3)的阶台与牙掌(4)轴底的平面之间，定位钢球(5)设置在牙轮(3) 和牙掌(4)的"R"槽之间。
浮动复合密封环由用聚四氟乙烯制成的主浮动密封环(1)与用橡胶制成的 辅助浮动密封环(2)组成。
施实例如图2所示，是本发明第一种方案未组装状态的剖面结构示意图，辅助浮 动密封环(2)没有被压縮。当件1一5装配时，辅助浮动密封环(2)受压变形 后形成如图3所示的(21)的形状，图3所示是组装压紧后的情况，这时装入 定位钢球(5)，锁定牙轮(3)与牙掌(4)的轴向相对位置。主浮动密封环(1) 和辅助浮动密封环(2)组成的复合浮动密封环的两工作面分别与牙掌轴(4)、 牙轮孔(3)的特定端面紧密贴合，形成两对摩擦副(6)、 (7)。两个摩擦副(6) 两工作面的贴合力的大小，取决于辅助浮动密封环(2)的压縮及变形量。当辅 助浮动密封环(2)压縮至图3所示的(21)几何形状后，由于其本身的回弹作 用，试图恢复到图2所示的辅助浮动密封环(2)的几何形状，所产生的作用力 加在主浮动密封环(1)的工作面上，使摩擦副(6)始终保持一定的力矩范围， 隔离轴承内腔与外部空间。与此同时，辅助浮动密封环(2)的两个端面分别与 牙掌轴(4)、牙轮孔(3)的特定端面紧密贴合，形成两个摩擦副(7)，摩擦副 (7)类似于橡胶填料密封，不同的是一般橡胶填料密封压縮量较大，摩擦系数 亦大。如图4所示，是主浮动密封环(1)和辅助浮动密封环(2)分别同时压 縮于牙轮孔(3)和牙掌轴(4)的两个特定端面，形成两个复合密封面。橡胶 密封面已经在对聚四氟乙烯密封环施压时进行了预压縮，其本身的压縮量只是 凸出于主浮动密封环(1)的微小部分，如图4所示的阴影部分，其压縮量很小 而储能较大。当牙轮转动时，牙轮(3)与牙掌(4)的特定端面作相对运动， 而浮动复合密封环瞬间总是在压力及摩擦系数较小的一面做相对运动，形成动 密封，而压力及摩擦系数较大的一面没有相对运动则为静密封。牙轮钻头工作 中在不停的振动，压力不断变化，两个密封面交替产生动密封和静密封的作用， 或同时产生动密封的作用，进而使浮动复合密封环两个复合密封面的相对位移 交替进行或同时进行，形成浮动密封，防止轴承腔内润滑油脂外溢和外部钻井 液内浸。
填充聚四氟乙烯的主浮动密封环(1)起主要密封作用，辅助浮动密封环(2) 不仅为填充聚四氟乙烯的主浮动密封环(1)提供弹性能量，而且它的两个端面 亦能起到一定的密封作用，牙轮钻头工作时主浮动密封环(1)可能出现瞬时分 离，由于辅助浮动密封环(2)面凸出于主浮动密封环(1)面，它的整体压縮 量和储能较大，反应速度很快，不会与牙轮(3)或牙掌(4)的密封面分离，起到瞬时密封作用。当橡胶承受不住压力时，主浮动密封环(1)面又恢复密封 功能。两种材料互补，形成复合密封。
图3可看出，由聚四氟乙烯构成的摩擦副(6)位于牙掌轴(4) 一侧，与 润滑脂接触，由橡胶构成的摩擦副(76)位于牙轮(3) —侧，与泥浆接触。牙 轮钻头在井下的工作环境中，轴承腔内外的压差在不断的变化，在上文所述的 主浮动密封环(l)出现的瞬时分离，如果正处在轴承腔内部的压力高于外部时， 润滑脂外泄，无论辅助浮动密封环(2)能否起到密封作用，泄漏的润滑脂都能 在密封面中起到润滑作用，摩擦系数减小，降低发热量，延长使用寿命。如果 正处在轴承腔外部的压力高于内部时，辅助浮动密封环(2)受压后紧紧贴合于 主浮动密封环(1)，把分离的缝隙封严，使外部的泥浆不能浸入密封面。由聚 四氟乙烯制成的主浮动密封环(1)和由橡胶制成的辅助浮动密封环(2)构成 的复合密封装置，在某种意义上讲，起到单向阀的作用，只允许内部润滑脂外 泄，不允许外部泥浆内浸。
以上所述，仅为本发明的一种实施例，并非可以用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1、油用牙轮钻头浮动复合密封装置，其特征在于由浮动复合密封环、可装配的牙轮与牙掌，及位于牙掌外侧的定位钢球构成，所述的浮动复合密封环设置在牙轮钻头牙轮孔的阶台与牙掌轴底的平面之间，所述的定位钢球设置在牙轮和牙掌的“R”槽之间。
2、 根据权利要求1所述的油用牙轮钻头浮动复合密封装置，其特征在于-所述的浮动复合密封环由用聚四氟乙烯制成的主浮动密封环与用橡胶制成的辅 助浮动密封环组成。
3、 根据权利要求1所述的油用牙轮钻头浮动复合密封装置，其特征在于 所述的浮动复合密封环的两工作面分别与所述的牙轮孔的阶台、牙掌轴底的平面 紧密贴合，形成两对摩擦副。
全文摘要
本发明属于动密封领域，特别涉及一种油用牙轮钻头浮动复合密封装置，由浮动复合密封环、可装配的牙轮与牙掌，及位于牙掌外侧的定位钢球构成，所述的浮动复合密封环设置在牙轮钻头牙轮孔的阶台与牙掌轴底的平面之间，所述的定位钢球设置在牙轮和牙掌的“R”槽之间。有益效果为使用该装置取代传统的橡胶密封，可降低摩擦系数，有效延长工作时间，进而提高牙轮钻头的使用寿命；取代结构复杂的机械密封，加工制造简单，产品一致性好，质量稳定。
文档编号E21B10/22GK101629475SQ20091007004
公开日2010年1月20日 申请日期2009年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者刘子洲 申请人:天津立林钻头有限公司