[發明專利]牙輪鉆頭及其牙輪軸承密封系統的安裝方法

在審

• 申請號: 201410410257.4
• 申請日: 2014-08-20
• 公開（公告）號: CN104165028A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 陳斌;羅緒良
• 申請（專利權）人: 天津立林鉆頭有限公司
• 主分類號: E21B10/25
• 分類號: E21B10/25
• 代理公司: 天津市三利專利商標代理有限公司 12107
• 代理人: 李文洋

技術領域

本發明涉及鉆井工具技術領域，尤其涉及一種牙輪鉆頭。

背景技術

牙輪鉆頭是在地殼中破碎巖石的一種工具，廣泛應用與石油、天然氣鉆井以及其他礦產資源鉆探和開發等領域。

對三牙輪鉆頭失效的分析表明，軸承的損壞是牙輪鉆頭失效的主要形式，而軸承提前失效的絕大多數是因為軸承密封系統失效，致使軸承潤滑油脂流失異入侵入軸承導致，因此我們經常會看到牙輪鉆頭牙齒磨損并不嚴重，軸承卻已失效而曠動的現象。

眾所周知，現今的密封系統都利用氫化丁腈橡膠(HNBR)的彈性為密封工作面提供能量，氫化丁腈橡膠(HNBR)在耐化學性、壓縮永永久變形彈性，以及撕裂強度方面具有優異的性能，然而在120℃之上的連續井眼循環溫度下的鉆井場合中，用于為密封系統供能的氫化丁腈橡膠(HNBR)材料元件就會加快老化而失效(必競氫化丁腈橡膠(HNBR)硫化成形溫度才170℃)，密封系統橡膠元件一旦失效整過密封系統在井下惡劣工況下將會立即崩潰，導致軸承失效鉆頭報度，如果不能及時發現就會釀成井下事故。

密封面的接觸比壓是金屬端面密封和橡膠密封的關鍵參數。如果比壓太小就封不住，比壓過大則工作面磨損快，壽命短。新裝好的密封系統工作面都有一定的接觸比壓，它至少必須大于密封壓差，否則必漏無疑，而且隨著密封系統的工作進程，密封系統的氫化丁腈橡膠(HNBR)原件會老化和磨損。因此新裝鉆頭接觸比壓會大一些，大多少才能保證封住不漏，這要看密封面的寬度，兩邊的材料性質、表面形狀和粗糙度，牙輪鉆頭工況介質的質地(水、油、泥漿、油脂還是空氣)、壓力、溫度等等條件，軸承密封系統內側的介質是高粘度軸承潤滑脂，外側則是含巖屑的泥漿。環境壓力范圍數十MPa，溫度范圍數十至一百多攝氏度，在上述這些條件下，不同型號的鉆頭要面對不同的工況，如何精確的為不同型號的牙輪鉆頭密封系統提供密封面恒定持久的接觸比壓，則是密封系統的關鍵所在。是從事本行業工程設計人員必須要做的課題。

????圖1是某型12?1/4英寸三牙輪鉆頭軸承裝配時，密封系統工作面的接觸比壓與密封系統的位移變化，此曲線統計圖是收集100只鉆頭在金屬密封分裝機上測試的結果。從以上統計表上可以發現，同樣的密封系統(密封系統各元件尺寸都是按設計要求制造，并經檢測合格)位移1.45-2mm，密封面接觸比壓從50KG-90KG，變化范圍很大。說明現今密封系統并不能精確控制密封系統的接觸比壓。

發明內容

本發明的目的在于克服上述技術的不足，而提供一種牙輪鉆頭，提高密封系統的密封性能。

本發明為實現上述目的，采用以下技術方案：?

一種牙輪鉆頭，包括牙輪、牙掌軸以及用于將所述牙輪和牙掌軸固定的定位鋼球，所述牙輪的根部設有牙輪軸承孔，所述牙輪軸承孔中設有軸承密封系統，其特征在于：所述軸承密封系統由牙輪金屬密封環、牙掌金屬密封環、牙輪金屬橡膠密封圈、牙輪金屬環供能用波形彈簧構成，所述牙輪金屬密封環和牙掌金屬密封環相接觸組成端面密封結構，所述牙輪金屬密封環中部帶有凹槽，所述牙輪金屬環供能用波形彈簧置于所述凹槽中，牙輪金屬環供能用波形彈簧上部與所述牙輪軸承孔的內壁觸接，所述牙輪金屬橡膠密封圈位于所述牙輪金屬密封環一側，用于密封牙輪金屬密封環與牙輪軸承孔之間的間隙。

優選地，所述牙掌金屬密封環的截面呈方形。

優選地，所述牙掌金屬密封環的截面呈梯形，所述牙掌金屬密封環與所述牙掌軸之間設有牙掌金屬環橡膠供能圈。工作端面精衍至鏡面，并且可有涂層或沒有涂層，內側為斜面表面噴砂用于安裝橡膠供能圈防止橡膠圈轉動。

優選地，所述牙輪金屬密封環和牙掌金屬密封環由高強度合金不銹工具鋼精制而成，工作端面精衍成鏡面，平面度小于0.005mm，粗糙度小于0.2。

優選地，所述牙輪金屬環供能用波形彈簧由高強度合金不繡鋼扁線材一圈圈連續卷饒、堆疊而成。

一種牙輪軸承密封系統的安裝方法，其特征在于：包括以下步驟：首先清洗牙輪軸承孔、牙掌軸和所有密封系統原件并用潔凈氣體吹干，分別存放在專用的潔凈容器或工作臺上；

第二步將牙輪金屬密封環、牙輪金屬橡膠密封圈和牙輪金屬環供能用波形彈簧裝配在牙輪軸承的牙輪軸承孔內；

第三步將牙掌軸固定在金屬密封分裝機上，使牙掌軸的中心線與金屬密封分裝機軸線相合，接著安裝牙掌金屬密封環、牙掌金屬環橡膠供能圈，安裝完成后，在牙掌金屬密封環工作端面上滳三滳潔凈的機械油，滳油位置均勻；

第四步把已裝配完成后的牙輪軸承整體順牙掌軸線套裝在牙掌軸上；