牙轮钻头及其牙轮轴承密封系统的安装方法
【专利摘要】本发明涉及钻井工具【技术领域】，尤其涉及一种牙轮钻头及其牙轮轴承密封系统的安装方法，包括牙轮、牙掌轴以及用于将所述牙轮和牙掌轴固定的定位钢球，所述牙轮的根部设有牙轮轴承孔，所述牙轮轴承孔中设有轴承密封系统，所述轴承密封系统由牙轮金属密封环、牙掌金属密封环、牙轮金属橡胶密封圈、牙轮金属环供能用波形弹簧构成，所述牙轮金属橡胶密封圈位于所述牙轮金属密封环一侧，用于密封牙轮金属密封环与牙轮轴承孔之间的间隙。本发明通过以对顶波簧为主或全部由对顶波簧供能的金属端面密封系统，密封端面可精确控制接触比压，接触比压较大而且持久恒定。
【专利说明】牙轮钻头及其牙轮轴承密封系统的安装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钻井工具【技术领域】，尤其涉及一种牙轮钻头。
【背景技术】
[0002]牙轮钻头是在地壳中破碎岩石的一种工具，广泛应用与石油、天然气钻井以及其他矿产资源钻探和开发等领域。
[0003]对三牙轮钻头失效的分析表明，轴承的损坏是牙轮钻头失效的主要形式，而轴承提前失效的绝大多数是因为轴承密封系统失效，致使轴承润滑油脂流失异入侵入轴承导致，因此我们经常会看到牙轮钻头牙齿磨损并不严重，轴承却已失效而旷动的现象。
[0004]众所周知，现今的密封系统都利用氢化丁腈橡胶(HNBR)的弹性为密封工作面提供能量，氢化丁腈橡胶(HNBR)在耐化学性、压缩永永久变形弹性，以及撕裂强度方面具有优异的性能，然而在120°C之上的连续井眼循环温度下的钻井场合中，用于为密封系统供能的氢化丁腈橡胶(HNBR)材料元件就会加快老化而失效(必竞氢化丁腈橡胶(HNBR)硫化成形温度才170°C )，密封系统橡胶元件一旦失效整过密封系统在井下恶劣工况下将会立即崩溃，导致轴承失效钻头报度，如果不能及时发现就会酿成井下事故。
[0005]密封面的接触比压是金属端面密封和橡胶密封的关键参数。如果比压太小就封不住，比压过大则工作面磨损快，寿命短。新装好的密封系统工作面都有一定的接触比压，它至少必须大于密封压差，否则必漏无疑，而且随着密封系统的工作进程，密封系统的氢化丁腈橡胶(HNBR)原件会老化和磨损。因此新装钻头接触比压会大一些，大多少才能保证封住不漏，这要看密封面的宽度，两边的材料性质、表面形状和粗糙度，牙轮钻头工况介质的质地(水、油、泥浆、油脂还是空气)、压力、温度等等条件，轴承密封系统内侧的介质是高粘度轴承润滑脂，外侧则是含岩屑的泥浆。环境压力范围数十MPa，温度范围数十至一百多摄氏度，在上述这些条件下，不同型号的钻头要面对不同的工况，如何精确的为不同型号的牙轮钻头密封系统提供密封面恒定持久的接触比压，则是密封系统的关键所在。是从事本行业工程设计人员必须要做的课题。
[0006]图1是某型12 1/4英寸三牙轮钻头轴承装配时，密封系统工作面的接触比压与密封系统的位移变化，此曲线统计图是收集100只钻头在金属密封分装机上测试的结果。从以上统计表上可以发现，同样的密封系统(密封系统各元件尺寸都是按设计要求制造，并经检测合格)位移1.45-2mm，密封面接触比压从50KG-90KG，变化范围很大。说明现今密封系统并不能精确控制密封系统的接触比压。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种牙轮钻头，提高密封系统的密封性能。
[0008]本发明为实现上述目的，采用以下技术方案:
一种牙轮钻头，包括牙轮、牙掌轴以及用于将所述牙轮和牙掌轴固定的定位钢球，所述牙轮的根部设有牙轮轴承孔，所述牙轮轴承孔中设有轴承密封系统，其特征在于:所述轴承密封系统由牙轮金属密封环、牙掌金属密封环、牙轮金属橡胶密封圈、牙轮金属环供能用波形弹簧构成，所述牙轮金属密封环和牙掌金属密封环相接触组成端面密封结构，所述牙轮金属密封环中部带有凹槽，所述牙轮金属环供能用波形弹簧置于所述凹槽中，牙轮金属环供能用波形弹簧上部与所述牙轮轴承孔的内壁触接，所述牙轮金属橡胶密封圈位于所述牙轮金属密封环一侧，用于密封牙轮金属密封环与牙轮轴承孔之间的间隙。
[0009]优选地，所述牙掌金属密封环的截面呈方形。
[0010]优选地，所述牙掌金属密封环的截面呈梯形，所述牙掌金属密封环与所述牙掌轴之间设有牙掌金属环橡胶供能圈。工作端面精衍至镜面，并且可有涂层或没有涂层，内侧为斜面表面喷砂用于安装橡胶供能圈防止橡胶圈转动。
[0011 ] 优选地，所述牙轮金属密封环和牙掌金属密封环由高强度合金不锈工具钢精制而成，工作端面精衍成镜面，平面度小于0.005mm，粗糙度小于0.2。
[0012]优选地，所述牙轮金属环供能用波形弹簧由高强度合金不绣钢扁线材一圈圈连续卷饶、堆叠而成。
[0013]一种牙轮轴承密封系统的安装方法，其特征在于:包括以下步骤:首先清洗牙轮轴承孔、牙掌轴和所有密封系统原件并用洁净气体吹干，分别存放在专用的洁净容器或工作台上；
第二步将牙轮金属密封环、牙轮金属橡胶密封圈和牙轮金属环供能用波形弹簧装配在牙轮轴承的牙轮轴承孔内；
第三步将牙掌轴固定在金属密封分装机上，使牙掌轴的中心线与金属密封分装机轴线相合，接着安装牙掌金属密封环、牙掌金属环橡胶供能圈，安装完成后，在牙掌金属密封环工作端面上滴三滴洁净的机械油，滴油位置均匀；
第四步把已装配完成后的牙轮轴承整体顺牙掌轴线套装在牙掌轴上；
第五步用金属密封分装机测线密封系统的负荷(接触比压)和位移曲线是否符合要求，如不符合换密封原件，重新装配，直到符合设计要求；
最后安装锁紧钢球和塞销，并焊接固定塞销。
[0014]本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明通过以对顶波簧为主或全部由对顶波簧供能的金属端面密封系统，密封端面可精确控制接触比压，接触比压较大而且持久恒定，尽管牙轮钻头工作时会产生因轴承轴向间隙造成的牙轮轴向振动、轴线偏移造成的钻头滑动、以及数千米弹性杆柱造成的振动，都能及时进行动能补给，同时因密封系统主供能元件为钢性元件，钢性曲线平滑，位移大，所以密封系统耐高温，寿命长。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为现有的金属端面密封系统100只钻头装配时接触比压曲线统计图；
图2为对顶波形弹簧结构示意图；
图3为图2的侧视图；
图4为100只对顶波形弹簧的钢性曲线统计图；
图5为现有金属端面密封结构图；
图6为图5的局部放大图； 图7为波形弹簧供能全属端面密封第一种结构；
图8为图7的局部放大图；
图9为波形弹簧供能全属端面密封第二种结构；
图10为图9的局部放大图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的【具体实施方式】。如图7和图8所示，一种牙轮钻头，包括牙轮、牙掌2以及用于将所述牙轮和牙掌固定的定位钢球9，所述牙轮的根部设有牙轮轴承孔1，所述牙轮轴承孔中设有轴承密封系统，所述轴承密封系统由牙轮金属密封环3、牙掌金属密封环4、牙轮金属橡胶密封圈6、牙轮金属环供能用波形弹簧7构成，所述牙轮金属密封环和牙掌金属密封环相接触组成端面密封结构，所述牙轮金属密封环中部带有凹槽，所述牙轮金属环供能用波形弹簧置于所述凹槽中，牙轮金属环供能用波形弹簧上部与所述牙轮轴承孔的内壁触接，所述牙轮金属橡胶密封圈位于所述牙轮金属密封环一侧，用于密封牙轮金属密封环与牙轮轴承孔之间的间隙。
[0017]如图2和图3所示，是从国外定制的一种用于8 1/2英寸三牙轮钻头金属端面的轴承密封系统的对顶波形弹簧，抽检100件两端平面度都小于0.1mm，外观尺寸精确，图4是同批次100件对顶波形弹簧在金属密封分装机上测试出的钢性曲线统计图，从图上可以看出位移和负荷变化范围很小，几乎一致。而且钢性曲线平滑，位移范围大，提供能量高。因此用于新型的波形弹簧供能金属端面轴承密封系统，可以精确控制密封系统的接触比压。
[0018]如图9和图10所示，所述牙掌金属密封环的截面呈方形。
[0019]如图7和图8所示，所述牙掌金属密封环的截面呈梯形，所述牙掌金属密封环与所述牙掌轴之间设有牙掌金属环橡胶供能圈5。工作端面精衍至镜面，并且可有涂层或没有涂层，内侧为斜面表面喷砂用于安装橡胶供能圈防止橡胶圈转动。
[0020]所述牙轮金属密封环和牙掌金属密封环由高强度合金不锈工具钢精制而成，工作端面精衍成镜面，平面度小于0.005mm，粗糙度小于0.2。
所述牙轮金属环供能用波形弹簧由高强度合金不绣钢扁线材一圈圈连续卷饶、堆叠而成。为金属密封环提供动能。金属密封环为I件或多件，金属端面工作时贴合在一起绕轴反向旋转取到隔离轴承内外的作用。所述牙掌金属环橡胶供能圈、牙轮金属橡胶密封圈由高饱合氢化丁腈橡胶制。
[0021]本发明还提供了一种牙轮轴承密封系统的安装方法，该方法用于安装上述牙轮钻头，包括以下步骤:首先清洗牙轮轴承孔、牙掌轴和所有密封系统原件并用洁净气体吹干，分别存放在专用的洁净容器或工作台上；
第二步将牙轮金属密封环、牙轮金属橡胶密封圈和牙轮金属环供能用波形弹簧装配在牙轮轴承的牙轮轴承孔内；
第三步将牙掌轴固定在金属密封分装机上，使牙掌轴的中心线与金属密封分装机轴线相合，接着安装牙掌金属密封环、牙掌金属环橡胶供能圈，安装完成后，在牙掌金属密封环工作端面上滴三滴洁净的机械油，滴油位置均匀；
第四步把已装配完成后的牙轮轴承整体顺牙掌轴线套装在牙掌轴上；
第五步用金属密封分装机测线密封系统的负荷(接触比压)和位移曲线是否符合要求，如不符合换密封原件，重新装配，直到符合设计要求；
最后安装锁紧钢球和塞销，并焊接固定塞销8。通过上述安装方法能够将带有牙轮金属环功能用波形弹簧安装到牙轮轴孔中，快速便捷，提高工作效率。
[0022]与现有技术相比，本发明通过以对顶波簧为主或全部由对顶波簧供能的金属端面密封系统，密封端面可精确控制接触比压，接触比压较大而且持久恒定，尽管牙轮钻头工作时会产生因轴承轴向间隙造成的牙轮轴向振动、轴线偏移造成的钻头滑动、以及数千米弹性杆柱造成的振动，都能及时进行动能补给，同时因密封系统主供能元件为钢性元件，钢性曲线平滑，位移大，所以密封系统耐高温，寿命长。
[0023]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种牙轮钻头，包括牙轮、牙掌轴以及用于将所述牙轮和牙掌轴固定的定位钢球，所述牙轮的根部设有牙轮轴承孔，所述牙轮轴承孔中设有轴承密封系统，其特征在于:所述轴承密封系统由牙轮金属密封环、牙掌金属密封环、牙轮金属橡胶密封圈、牙轮金属环供能用波形弹簧构成，所述牙轮金属密封环和牙掌金属密封环相接触组成端面密封结构，所述牙轮金属密封环中部带有凹槽，所述牙轮金属环供能用波形弹簧置于所述凹槽中，牙轮金属环供能用波形弹簧上部与所述牙轮轴承孔的内壁触接，所述牙轮金属橡胶密封圈位于所述牙轮金属密封环一侧，用于密封牙轮金属密封环与牙轮轴承孔之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的牙轮钻头，其特征在于:所述牙掌金属密封环的截面呈方形。
3.根据权利要求1所述的牙轮钻头，其特征在于:所述牙掌金属密封环的截面呈梯形，所述牙掌金属密封环与所述牙掌轴之间设有牙掌金属环橡胶供能圈。
4.根据权利要求1所述的牙轮钻头，其特征在于:所述牙轮金属密封环和牙掌金属密封环由高强度合金不锈工具钢精制而成，工作端面精衍成镜面，平面度小于0.005mm。
5.根据权利要求1所述的牙轮钻头，其特征在于:所述牙轮金属环供能用波形弹簧由高强度合金不绣钢扁线材一圈圈连续卷饶、堆叠而成。
6.一种牙轮轴承密封系统的安装方法，其特征在于:包括以下步骤:首先清洗牙轮轴承孔、牙掌轴和所有密封系统原件并用洁净气体吹干，分别存放在专用的洁净容器或工作台上； 第二步将牙轮金属密封环、牙轮金属橡胶密封圈和牙轮金属环供能用波形弹簧装配在牙轮轴承的牙轮轴承孔内； 第三步将牙掌轴固定在金属密封分装机上，使牙掌轴的中心线与金属密封分装机轴线相合，接着安装牙掌金属密封环、牙掌金属环橡胶供能圈，安装完成后，在牙掌金属密封环工作端面上滴三滴洁净的机械油，滴油位置均匀； 第四步把已装配完成后的牙轮轴承整体顺牙掌轴线套装在牙掌轴上； 第五步用金属密封分装机测线密封系统的负荷(接触比压)和位移曲线是否符合要求，如不符合换密封原件，重新装配，直到符合设计要求； 最后安装锁紧钢球和塞销，并焊接固定塞销。
【文档编号】E21B10/25GK104165028SQ201410410257
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】陈斌, 罗绪良 申请人:天津立林钻头有限公司