具有壓力平衡金屬面密封的牙輪鉆頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土鉆鉆頭，并且更具體地涉及具有可旋轉(zhuǎn)刀具(也被稱為錐體)的鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]帶有滾動(dòng)體刀具的土鉆鉆頭具有軸承，所述軸承采用滾子作為載荷承載元件，或使用軸頸作為載荷承載元件。在過去五十多年里，在這種牙輪鉆頭軸承內(nèi)使用密封裝置已顯著地提高了軸承壽命。
[0003]早期用于牙輪鉆頭的密封件是通過包覆有彈性體的金屬碟形彈簧(Bellevillespring)設(shè)計(jì)的，所述彈性體通常為丁腈橡膠(NBR)。該金屬?gòu)椈蔀槊芊獗砻嫣峁┘?lì)力(energizing force)，并且橡膠涂層抵靠頭部和錐體的金屬表面進(jìn)行密封，并且在相對(duì)粗糙的表面上提供密封件，因?yàn)樵诿芊獗砻嫔系奈⒂^粗糙結(jié)構(gòu)中填充的橡膠涂層具有順從性能。這種類型的碟形密封件主要被應(yīng)用在具有滾子軸承的牙輪鉆頭中。由于彈性體的磨損，在相當(dāng)短的幾小時(shí)操作時(shí)間后密封件將失效，導(dǎo)致容納在軸承腔內(nèi)的潤(rùn)滑劑流失。沒有了潤(rùn)滑劑的益處，鉆頭將繼續(xù)利用滾子軸承運(yùn)行一段時(shí)間。
[0004]當(dāng)O形環(huán)類型的密封件被引入時(shí)，牙輪鉆頭密封件出現(xiàn)了重大的進(jìn)步。這些密封件由丁腈橡膠組成并且具有圓形橫截面。該密封件被裝配到由頭部與錐體軸承之間的柱形表面形成的徑向壓蓋內(nèi)，并且就所測(cè)量的密封件的橫截面而言，所形成的環(huán)形的尺寸比原始尺寸小。然后O形環(huán)密封件在柱形表面之間被徑向擠壓。
[0005]為了使滑動(dòng)摩擦力和所導(dǎo)致的發(fā)熱及磨損量最小化，通常為旋轉(zhuǎn)式O形環(huán)提供最小的徑向壓縮量。然而，往復(fù)式(碟形)密封件必須具有大得多的徑向壓縮，以便在軸向滑移期間(通常大約兩倍壓縮)從密封區(qū)域排除污染物。牙輪鉆頭密封件必須既在相對(duì)的頭部/錐體軸向運(yùn)動(dòng)期間排除污染物，又在旋轉(zhuǎn)期間使磨損量最小化。
[0006]現(xiàn)在參考圖1，其圖示說明土鉆鉆頭的現(xiàn)有技術(shù)配置。圖2示出該現(xiàn)有技術(shù)配置的特寫示圖，其關(guān)注與安裝在鉆頭頭部8的軸6上的旋轉(zhuǎn)錐體4有關(guān)的密封系統(tǒng)2的區(qū)域。O形環(huán)密封件10被嵌入密封壓蓋12內(nèi)并且被擠壓在錐體密封表面14與頭部密封表面16之間。
[0007]現(xiàn)在參考圖3，其圖示說明土鉆鉆頭的現(xiàn)有技術(shù)配置。圖4示出該現(xiàn)有技術(shù)配置的特寫示圖，其關(guān)注與安裝在鉆頭頭部28的軸26上的旋轉(zhuǎn)錐體24有關(guān)的密封系統(tǒng)22的區(qū)域。第一環(huán)30被加壓裝配(press-fit)到在錐體24中形成的壓蓋32內(nèi)。第一環(huán)30存在第一金屬密封面34。第二環(huán)36也被放置在壓蓋32中。第二環(huán)36存在第二金屬密封面38。激勵(lì)(energizing)結(jié)構(gòu)40也被放置在壓蓋32中并且被配置為抵靠第二環(huán)36的背部表面42施加軸向力和徑向力的組合，以推動(dòng)第二金屬密封面38與第一金屬密封面34接觸。圖4中所示的結(jié)構(gòu)示出眾所周知的單一激勵(lì)器類型的金屬面密封系統(tǒng)。
[0008]在金屬面密封結(jié)構(gòu)的所有配置中，必須通過激勵(lì)結(jié)構(gòu)40為密封系統(tǒng)22提供充足的力，以保持(第二金屬密封面38與第一金屬密封面34之間)充分的密封接觸，并且進(jìn)一步克服在內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域之間的任意壓力差。這些區(qū)域之間的壓力差隨著錐體在運(yùn)轉(zhuǎn)期間在軸承上扭曲而波動(dòng)。該現(xiàn)象在本領(lǐng)域中被稱為“錐體栗送(cone pumping)”。錐體栗送在金屬面軸承密封件處拋投內(nèi)部壓力湧動(dòng)，這可能隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生密封件的嚴(yán)重故障。另外，鉆頭在使用過程中深度的改變可能引起內(nèi)部壓力與外部壓力之間的壓力波動(dòng)。相反，由激勵(lì)結(jié)構(gòu)40在密封件上施加太大的力可能引起錐體難以組裝到軸承，并且可能導(dǎo)致第一環(huán)30和第二環(huán)36的加速磨損。重要的是金屬密封面34和38是平坦的，因此經(jīng)常提供表面的研磨(在光帶范圍內(nèi))。
[0009]圖4中所示的單一激勵(lì)器類型的金屬面密封系統(tǒng)的重大挑戰(zhàn)是:第一環(huán)30在錐體壓蓋32中的加壓裝配可以使第一環(huán)變形并且在第一金屬密封面34中產(chǎn)生“波紋”。具有第二金屬密封面38的第二環(huán)36必須通過由激勵(lì)結(jié)構(gòu)40施加的力克服該表面波紋，以保持期望的密封接觸(否則密封件將泄漏。
[0010]圖4中所示的單一激勵(lì)器類型的金屬面密封系統(tǒng)的另一挑戰(zhàn)是:彈性體激勵(lì)結(jié)構(gòu)40發(fā)生偏移，從而不僅在優(yōu)選的軸向方向而且還在徑向方向上對(duì)第二環(huán)36施加力。因此，密封力被施加到徑向方向上的浪費(fèi)的力分量耗散。該徑向施加的力分量進(jìn)一步引進(jìn)扭矩到第二環(huán)36上，該扭矩減小(即縮窄)由金屬密封面34和38形成密封表面接觸之處的有效密封表面的徑向?qū)挾?。這發(fā)生是因?yàn)橛杉訅貉b配所造成的密封環(huán)的畸變，這引起了關(guān)于密封環(huán)的表面的不平坦表面狀況。
[0011]圖4中所示的單一激勵(lì)器類型的金屬面密封系統(tǒng)的再一個(gè)挑戰(zhàn)是:由于油脂壓力的增加，金屬密封面34和38變?yōu)闊o負(fù)荷。例如，牙輪鉆頭軸承可能在內(nèi)部壓力大于環(huán)境壓力的情況下操作。因此，可能產(chǎn)生油脂泄漏。
[0012]盡管存在前述挑戰(zhàn)，金屬面密封系統(tǒng)經(jīng)常被用于滾子錐體鉆頭，此類鉆頭在較高轉(zhuǎn)速(RPM)的鉆進(jìn)應(yīng)用中運(yùn)行，因?yàn)榻饘倜芊饷?4和38抗磨損并因此表現(xiàn)出比圖1和圖2中所示的標(biāo)準(zhǔn)O形環(huán)式密封系統(tǒng)更長(zhǎng)的運(yùn)行壽命。
[0013]前述挑戰(zhàn)仍然是一個(gè)問題，并且因此在本領(lǐng)域中存在對(duì)用于牙輪鉆頭的改進(jìn)金屬面密封系統(tǒng)的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，一種用于包括軸區(qū)和旋轉(zhuǎn)錐體的鉆頭的密封系統(tǒng)包括:第一環(huán)形壓蓋，其被限定在旋轉(zhuǎn)錐體內(nèi)；第一環(huán)，其被安裝在第一環(huán)形壓蓋中并具有第一金屬密封面；第二環(huán)，其被安裝在軸區(qū)的基部；第三環(huán)，其被定位在第一環(huán)與第二環(huán)之間，所述第三環(huán)包括與第一金屬密封面接觸的第二金屬密封面并且進(jìn)一步包括與第二金屬密封面軸向相對(duì)的偏壓表面；以及激勵(lì)結(jié)構(gòu)，其靠近第二環(huán)安裝并被配置為在徑向位置附近抵靠第三環(huán)的偏壓表面施加軸向力，所述徑向位置基本在徑向上對(duì)應(yīng)于第二金屬密封面的徑向中心。
[0015]在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于包括軸區(qū)和旋轉(zhuǎn)錐體的鉆頭的密封系統(tǒng)包括:第一環(huán)形壓蓋，其被限定在旋轉(zhuǎn)錐體內(nèi)；第一環(huán)，其被安裝到第一環(huán)形壓蓋內(nèi)并具有第一金屬密封面；第二環(huán)，其被安裝到軸區(qū)；第三環(huán)，其包括與第一金屬密封面接觸的第二金屬密封面，并進(jìn)一步包括與第二金屬密封面軸向相對(duì)的偏壓表面；第二環(huán)壓蓋，其形成在第二環(huán)和第三環(huán)之間；0形環(huán)密封構(gòu)件，其在第二環(huán)形壓蓋內(nèi)被徑向壓縮，并且其中第二壓蓋的尺寸被設(shè)計(jì)為允許O形環(huán)密封構(gòu)件響應(yīng)于壓力變化在第二壓蓋內(nèi)的軸向移動(dòng)；以及激勵(lì)結(jié)構(gòu)，其被配置為抵靠第三環(huán)的偏壓表面施加軸向力。
【附圖說明】
[0016]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在遵循一些非限制性示例的說明書中結(jié)合附圖變得清楚，其中:
[0017]圖1示出具有常規(guī)O形環(huán)式密封系統(tǒng)的土鉆鉆頭的現(xiàn)有技術(shù)配置；
[0018]圖2示出圖1的現(xiàn)有技術(shù)配置的特寫示圖，其關(guān)注密封件的區(qū)域；
[0019]圖3示出具有常規(guī)單一激勵(lì)器金屬面密封系統(tǒng)的土鉆鉆頭的現(xiàn)有技術(shù)配置；
[0020]圖4示出圖3的現(xiàn)有技術(shù)配置的特寫示圖，其關(guān)注密封件的區(qū)域；
[0021]圖5A、圖5B和圖5C示出金屬面密封系統(tǒng)的實(shí)施例；
[0022]圖示出金屬面密封系統(tǒng)的實(shí)施例；
[0023]圖5E和圖5F示出金屬面密封系統(tǒng)的實(shí)施例；以及
[0024]圖6示出金屬面密封系統(tǒng)的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0025]之前已經(jīng)描述了圖1-4。
[0026]現(xiàn)在參考圖5A，其示出金屬面密封系統(tǒng)100的實(shí)施例的橫截面圖。密封系統(tǒng)100與安裝在軸區(qū)104上的旋轉(zhuǎn)錐體102有關(guān)。該密封系統(tǒng)100適用于任何密封應(yīng)用，包括本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其中錐體被支撐用于使用軸頸軸承或滾子軸承旋轉(zhuǎn)的實(shí)施方式。
[0027]密封系統(tǒng)100被提供在壓蓋結(jié)構(gòu)106內(nèi)，該壓蓋結(jié)構(gòu)在錐體102內(nèi)靠近軸區(qū)104的基部形成。在錐體中形成的壓蓋結(jié)構(gòu)106是由徑向表面110和柱形表面112限定的環(huán)形結(jié)構(gòu)，其中徑向表面110遠(yuǎn)離錐體旋轉(zhuǎn)軸垂直地向外延伸進(jìn)入錐體102的主體內(nèi)，而柱形表面112在平行于錐體旋轉(zhuǎn)軸的方向從徑向表面朝著錐體的底表面(基部)114垂直地向后延伸。軸區(qū)104由柱形軸表面116和徑向表面11