專利名稱：單o形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封高速軸承的牙輪鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及石油地質(zhì)鉆井用單0形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封高速軸承的
牙輪鉆頭，特別是單橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封高速全浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承和高速滾動(dòng)浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承，優(yōu)化設(shè)計(jì)布齒和新齒型提高破巖效率和鉆頭保徑，提高鉆頭工作穩(wěn)定性，采用加長噴管水力噴系統(tǒng)強(qiáng)化清洗井底巖屑，能在高轉(zhuǎn)速高鉆壓條件下提高鉆頭工作指標(biāo)和降低鉆井成本。
背景技術(shù)：
本實(shí)用新型目的是改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)推出新一代單0形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封
高速軸承的牙輪鉆頭，查閱有關(guān)專利文獻(xiàn)資料，提供現(xiàn)有技術(shù)的背景和現(xiàn)狀。 l，關(guān)于單O形橡膠圈金屬環(huán)組合密封問題。采用O形橡膠圈金屬環(huán)組合密封牙輪鉆頭軸承是最先進(jìn)的現(xiàn)有技術(shù)，美國休斯工具公司在這個(gè)領(lǐng)域里居領(lǐng)先地位，美國休斯司公專利US4923020和US4753304及休斯公司的牙輪鉆頭產(chǎn)品目錄都詳細(xì)介紹了雙0形橡膠圈金屬環(huán)組合和單0形橡膠圈金屬組環(huán)合密封牙輪鉆頭軸承的現(xiàn)有技術(shù)軸0形圈推動(dòng)軸金屬環(huán)使其的端面與方向相反的輪0形圈推動(dòng)輪金屬環(huán)的端面貼緊實(shí)現(xiàn)兩個(gè)金屬環(huán)間旋轉(zhuǎn)端面密封，稱為雙0形橡膠圈金屬環(huán)組合密封；單0形橡膠圈金屬環(huán)組合密封是一個(gè)軸0形圈被軸金屬環(huán)的內(nèi)側(cè)20。斜面壓縮在軸頸根部凹槽的20。斜面之間，產(chǎn)生的軸向反力推動(dòng)軸金屬環(huán)使其下端面貼緊牙輪內(nèi)孔鑲套的外端面實(shí)現(xiàn)兩個(gè)金屬件端面間的旋轉(zhuǎn)端面密封，為防止泥漿侵入在軸頸根部凹槽平面與軸金屬環(huán)上端面間增設(shè)輔助橡膠墊圈，被壓縮的墊圈又與O形圈內(nèi)端面實(shí)現(xiàn)密封。查閱中國專利CN200620027466. 1是天津立林鉆頭有限公司的實(shí)用新型專利，該專利是對休斯專利技術(shù)的一項(xiàng)改進(jìn)，用鑲環(huán)代替鑲套，其它結(jié)構(gòu)相似，以上是單0形圈金屬環(huán)組合密封的現(xiàn)有技術(shù)。該組合密封的牙輪鉆頭適用轉(zhuǎn)速范圍是80-350r/min?，F(xiàn)有技術(shù)主要缺點(diǎn)是密封的可靠性差，被壓縮的0形圈只有軸向密封能力，隨著兩個(gè)直接接觸的密封面不斷磨損和軸向壓縮量的逐漸減小，降低了密封的可靠性。[0004] 2，關(guān)于高速軸承問題。休斯公司單橡膠圈金屬環(huán)組合密封的是用鋼球鎖緊牙輪的普通滑動(dòng)軸承，它是由大軸滑動(dòng)軸承，大軸端面的止推滑動(dòng)軸承，小軸滑動(dòng)軸承和它端面的止推滑動(dòng)軸承等四個(gè)滑動(dòng)軸承和一個(gè)鋼球滾動(dòng)軸承組成，每個(gè)滑動(dòng)軸承都是由一對直接接觸的摩擦副組成，鉆頭工作時(shí)牙輪繞牙掌軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)，在高轉(zhuǎn)速和鉆壓下每一對摩擦副工作面都要產(chǎn)生較大的摩擦熱，其中牙輪工作面容易被拉傷，為了提高每一對摩擦副工作面都要產(chǎn)生較大的摩擦熱，其中牙輪工作面容易被拉傷，為了提高軸承壽命休斯公司采用很多措施，在軸頸各工作面焊高碳鈷鉻鎢耐磨合金，在牙輪內(nèi)孔工作面焊條狀的銀錳合金減磨材料和刷鍍銀，提高它們的抗咬合能力。但是這種摩擦副直接接觸的滑動(dòng)軸承不適應(yīng)在更高轉(zhuǎn)速下工作，人們普遍認(rèn)為應(yīng)把這對摩擦副用銅合金套或墊圈隔開，使每個(gè)軸承的摩擦副變成兩組，軸與浮動(dòng)套內(nèi)徑接觸的主摩擦副之間摩擦力增大時(shí)浮動(dòng)套外徑與牙輪孔接觸的副摩擦副開始工作，如果產(chǎn)生的摩擦力大于主摩擦副之間的摩擦力時(shí)主摩擦副又開始工作，這樣兩組摩擦副不間斷的反復(fù)交替工作，使摩擦副互相拉傷的可能性降低50%，也就是適應(yīng)高轉(zhuǎn)數(shù)和鉆壓能力提高一倍，滿足強(qiáng)化鉆井的需要。美國瑞德工具公司生產(chǎn)的牙輪鉆頭都是浮動(dòng)套軸承鉆頭，有幾十年歷史，特點(diǎn)是鎖緊牙輪是固定在內(nèi)孔上三瓣螺紋擋圈的滑動(dòng)軸承，其它軸承都是浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承，密封是用矩形橡膠圈，內(nèi)徑是帶網(wǎng)紋的圓弧形，軸承內(nèi)鉆頭脂能潤滑軸頸密封面但泥漿不會(huì)進(jìn)入軸承，這種密封圈密封的浮動(dòng)滑動(dòng)軸承也適合在高轉(zhuǎn)速高鉆壓條件下工作，這種鉆頭稱為螺紋擋圈鎖緊牙輪的橡膠密封浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承牙輪鉆頭，其它一些公司生產(chǎn)的同類鉆頭都是用鋼球鎖緊牙輪的。還有一種高速軸承，它的大軸是滾柱滾動(dòng)軸承，滾柱裝在牙輪槽中，鎖緊牙輪的是鋼球滾動(dòng)軸承，大軸端面和小軸端面都是浮動(dòng)墊圈止推滑動(dòng)軸承，小軸是浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承，該鉆頭稱為橡膠密封滾動(dòng)浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承牙輪鉆頭，美國休斯公司用雙0形橡膠圈金屬環(huán)組合密封滾動(dòng)軸承牙輪鉆頭。以上兩種高速軸承牙輪鉆頭適用于轉(zhuǎn)速80-350r/min的高轉(zhuǎn)速低鉆壓井底動(dòng)力鉆具使用。中國專利CN96243892. 8提出鎖緊牙輪用鋼絲擋圈是浮動(dòng)滑動(dòng)軸承，能可靠鎖緊牙輪。[0005] 3，關(guān)于優(yōu)化布齒和新齒型問題。從使用過的牙輪鉆頭(鈍鉆頭)的分析中至少看出三個(gè)問題一是各牙輪頂部齒磨損嚴(yán)重，一牙輪頂齒斷齒和掉齒率高，齒周圍殼體磨損嚴(yán)，二牙輪頂齒也損壞嚴(yán)重，因此鉆頭中心的巖石破碎需加強(qiáng)；二是牙輪外排齒(保徑齒)損壞嚴(yán)重，要加強(qiáng)井壁巖石破碎；三是改進(jìn)齒型設(shè)計(jì)提高切削齒的耐磨性。優(yōu)化布齒和設(shè)計(jì)新齒型，加強(qiáng)井底巖石破碎，提高鉆頭工作指標(biāo)，降低鉆井成本。新齒型方面中國專利CN96243892. 8提出雙面勺形齒和鑲套圓柱聚晶齒。 4，關(guān)于鉆頭工作穩(wěn)定性及井底泥漿上返問題。在高速鉆井過程中提高穩(wěn)定性很重要，有利于提高鉆頭壽命，美國休斯公司提出要做到六點(diǎn)扶正，一是三個(gè)牙輪規(guī)徑面(背錐面)切井壁扶正，二是三個(gè)水孔體保徑齒面扶正，但是把水孔體兩側(cè)的泥漿上返空間去掉一個(gè)，不利于改善井底流場，不利于提高攜帶巖屑泥漿的上返速度。 5，關(guān)于優(yōu)化噴射系統(tǒng)和新型中長噴嘴問題?，F(xiàn)在牙輪鉆頭多采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，它的出口位置至井底較遠(yuǎn)，噴嘴出口位置距井底越近越有利于提高鉆頭機(jī)械鉆速指標(biāo)，降低鉆井成本。需要把水孔體適當(dāng)加長和使用新型中長噴嘴，降低噴嘴出口位置，能大幅度提高鉆頭機(jī)械鉆速。中國專利CN96221141. 9提出新型系列中長噴嘴。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型目的是對牙輪鉆頭現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，特別是針對美國休斯公司新推出的單O形橡膠圈金屬環(huán)組合密封系列鉆頭存在的缺點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn)，具體方案和內(nèi)容如下 1，新結(jié)構(gòu)單0形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封高速軸承，該組合置于牙輪密封槽內(nèi)，由O形橡膠圈，輪金屬環(huán)，浮動(dòng)環(huán)和軸根鑲環(huán)等零件組成。內(nèi)容是被徑向和軸向壓縮的O形橡膠圈產(chǎn)生軸向反力推動(dòng)輪金屬環(huán)使其端面貼緊浮動(dòng)環(huán)下端面，浮動(dòng)環(huán)上端面貼緊軸根鑲環(huán)端面實(shí)現(xiàn)三個(gè)金屬環(huán)間兩組密封面的旋轉(zhuǎn)端面密封，特點(diǎn)是0形橡膠圈既有徑向密封功能也有產(chǎn)生軸向力的軸向密封功能，提高了密封的可靠性，采用增加一個(gè)浮動(dòng)環(huán)使單0形橡膠圈浮動(dòng)金屬組合密封適應(yīng)高轉(zhuǎn)速能力比現(xiàn)有技術(shù)高一倍。 2，新結(jié)構(gòu)高速軸承是用鋼絲擋圈鎖緊牙輪的全浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承全浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承由大軸雙層浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承，鋼絲擋圈浮動(dòng)滑動(dòng)軸承，止推墊圈浮動(dòng)滑動(dòng)軸承及小軸套的浮動(dòng)滑動(dòng)軸承等軸承組成；滾動(dòng)浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承由大軸滾柱滾動(dòng)軸承，鋼絲擋圈浮動(dòng)滑動(dòng)軸承，止推墊圈浮動(dòng)滑動(dòng)軸承及小軸套浮動(dòng)滑動(dòng)軸承等軸承組成。以上兩種高速軸承比現(xiàn)有技術(shù)能適應(yīng)更高的轉(zhuǎn)速和鉆壓。 3，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)布齒和新齒型，一是加強(qiáng)鉆頭中心部位巖石破碎，在二牙輪和三牙輪頂部增設(shè)中心齒，縮小頂齒與主齒的直徑差；二是加強(qiáng)井壁附近巖石破碎，提高外排齒的切削和保徑能力，在兩顆邊齒之間布一顆周向排列的切徑齒，它的保徑面切削井壁巖石保徑，齒頂參與井底破巖；三是設(shè)計(jì)新齒型，背錐聚晶齒保徑，提高雙面勺形切削齒頂外端面的耐磨性和破巖效率，用切徑齒加強(qiáng)井底巖石破碎和保徑。 4，提高鉆頭工作穩(wěn)定性和改善井底流場，采用鉆頭的三個(gè)牙輪規(guī)徑面，三個(gè)水孔體保徑齒面和三個(gè)掌背齒保徑面的九點(diǎn)扶正提高了鉆頭穩(wěn)定性；采用三組水孔體兩側(cè)的泥槳上返通道和三個(gè)牙掌泥槳孔的九個(gè)泥槳上返通道，改善了井底流場。 5，采用加長噴管水力噴射系統(tǒng)使噴嘴出口位置降低至井底距離一半多，噴砂中長
噴嘴能吸進(jìn)帶巖屑泥漿再噴向井底，加強(qiáng)井底清洗，能大副度提高鉆頭機(jī)械鉆速。 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn) l，采用單O形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封，置于牙輪密封槽內(nèi)被徑向和軸向壓縮
的0形橡膠圈產(chǎn)生推力，推動(dòng)輪金屬環(huán)使其端面貼緊浮動(dòng)環(huán)端面貼緊軸根鑲環(huán)端面實(shí)現(xiàn)三
個(gè)金屬環(huán)間兩組浮動(dòng)端面的旋轉(zhuǎn)端面組合密封，適應(yīng)轉(zhuǎn)速能力比現(xiàn)有技術(shù)高一倍，0形橡膠
圈有徑向和軸向兩種密封功能，在軸向壓縮量較小時(shí)仍能可靠密封軸承。 2，采用鋼絲擋圈鎖緊牙輪的兩種高速軸承大軸是雙層浮動(dòng)套的全浮動(dòng)套滑動(dòng)軸
承和大軸是滾柱的滾動(dòng)浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承，這兩種高速軸承比現(xiàn)有技術(shù)能適應(yīng)更高的轉(zhuǎn)速和
鉆壓，能大副度提高鉆頭工作指標(biāo)。 3，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)布齒和新齒型加強(qiáng)了鉆頭中心和井壁處巖石破碎效率，新齒型提高了雙面勺形切削齒和切徑齒及保徑背錐聚晶齒的壽命，有利于提高鉆頭工作指標(biāo)。[0018] 4，采用九點(diǎn)扶正和九個(gè)泥漿上返通道，提高了鉆頭工作穩(wěn)定性和加強(qiáng)井底清洗改善井底流場，有利于提高鉆頭壽命。 5，采用加長噴管水力噴射系統(tǒng)，噴砂中長噴嘴能強(qiáng)化對井底的清洗，使噴嘴出口至井底距離降低一半多，可大幅度提高鉆頭機(jī)械鉆速。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)。


圖1是本實(shí)用新型單0形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封高速軸承的牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實(shí)用新型單0形橡膠圈浮動(dòng)屬環(huán)組合密封結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3(a)是本實(shí)用新型高速全浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)示意圖；(b)是本實(shí)用新型高速
滾動(dòng)浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本實(shí)用新型優(yōu)化設(shè)計(jì)布齒和新齒型結(jié)構(gòu)示意圖；[0025] 圖5是本實(shí)用新型鉆頭穩(wěn)定系統(tǒng)和泥漿上返通道結(jié)構(gòu)示意圖；[0026] 圖6是本實(shí)用新型加長噴管水力噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 本實(shí)用新型附圖編號(hào)1-牙掌，2-第一牙輪，3-第二牙輪，4-第三牙輪，5-0形橡膠圈，6_輪金屬環(huán)，7-浮動(dòng)環(huán)，S-軸根鑲環(huán)，9-鋼絲擋圈，10-大軸套，11-輪內(nèi)套，lla-滾柱，12-止推墊圈，13-小軸套，14-壓蓋，15-壓蓋擋圈，16-儲(chǔ)油囊，17-儲(chǔ)油杯，18-止推齒，19-注油絲堵，20-掌背齒，21-背錐聚晶齒，22-切徑齒，23-邊齒，24-主齒，25-頂齒，26-小頂齒，27-加長噴管，28-噴砂中長噴嘴，29-噴嘴密封圈，30-噴嘴擋圈，31-水孔體保徑齒，32-長油孔，33-軸油孔，34-軸頸油槽，35-牙掌泥漿孔，36-水孔，37-軸頸，38-軸根直徑，39-牙輪密封槽，40-槽內(nèi)徑，41-槽斜面，42-槽斜角a =25° ，43-槽圓弧面，44-槽底平面，45-環(huán)外徑面，46-環(huán)斜面，47-環(huán)斜角a =25° ， 48-輪環(huán)端面，49-浮環(huán)下端面，50-浮環(huán)上端面，51-軸環(huán)端面，52-輪環(huán)潤滑斜面，53-浮環(huán)潤滑斜面，54-浮環(huán)油槽，55-墊圈油槽，56-牙輪擋圈槽，57-擋圈懸掛面，58-軸頸擋面，59-鉆頭中心，60-井底擊碎曲面，61-牙輪規(guī)徑面，62-圓柱聚晶，63-硬合金套，64-保徑面，65-切徑齒頂，66-齒面角P =90° ，67-勺形面，68-小勺形面，69-齒頂外端，70-齒頂角y = 10° ， 71-井眼直徑，72-掌背保徑面；73-水孔體保徑面，74-主上返通道，75-副上返通道，76-流道，77-水孔保護(hù)段，78-取擋圈槽，79-取噴嘴槽，80-吸入孔。
具體實(shí)施方式結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容，具體結(jié)構(gòu)和實(shí)施做進(jìn)一步描述并舉例說明。[0029] 以下說明是以直徑215. 9mm的硬質(zhì)合金齒牙輪鉆頭為例。
圖1是本實(shí)用新型單0形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封高速軸承的牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖，該鉆頭由六個(gè)系統(tǒng)組成一是單O形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封系統(tǒng)置于牙輪密封槽39內(nèi)，由0形橡膠圈5，輪金屬環(huán)6，浮動(dòng)環(huán)7和軸根鑲環(huán)8等零件組成，可成倍提高適應(yīng)高轉(zhuǎn)速能力；二是高速軸承系統(tǒng)全浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承由鋼絲擋圈9，大軸套10，輪內(nèi)套11，止推墊圈12和小軸套13等零件組成和滾動(dòng)浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承由鋼絲擋圈9，滾柱lla，止推墊圈12及小軸套13等零件組成，止推齒18起止推作用，鉆頭工作時(shí)牙輪繞軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)，是一種高頻率的軸向串動(dòng)，止推齒可控制牙輪端面磨損軸根平面，能防止牙輪泥包，可適應(yīng)更高的轉(zhuǎn)速和鉆壓；三是壓力平衡系統(tǒng)，由壓蓋14，壓蓋擋圈15，儲(chǔ)油囊16，儲(chǔ)油杯17和注油絲堵19等零件及長油孔32，軸油孔33，軸頸油槽34以及軸承間隙，油槽，鉆頭脂等部分組成，鉆頭工作時(shí)牙輪繞軸頸高速旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生高頻率軸向串動(dòng)使軸承內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，由鉆頭脂傳給儲(chǔ)油囊使它上端面產(chǎn)生軸向波動(dòng)平衡軸承內(nèi)外壓力差，能使高速軸承正常工作；四是用優(yōu)化設(shè)計(jì)布齒和用新齒型，提高破巖能力和鉆頭保徑；五是鉆頭穩(wěn)定和泥漿上返通道系統(tǒng)，采用九點(diǎn)扶正和九個(gè)泥漿上返通道，在井眼直徑71內(nèi)，由三個(gè)牙掌的牙輪規(guī)徑面63，三個(gè)掌背保徑面72和三個(gè)水孔體保徑面73等組成九點(diǎn)扶正，泥漿上返通道由三個(gè)牙掌泥漿孔35，三個(gè)水孔體兩側(cè)面主上返通道72和副上返通道75組成，提高鉆頭壽命；六是加長噴管水力噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)組焊于水孔36外端，由加長噴管27，噴砂中長噴嘴28，噴嘴密封圈29和噴嘴擋圈30等零件組成，能降低噴嘴出口位置至井底距離一半多，可以大副度提高鉆頭機(jī)械鉆速。 圖2是本實(shí)用新型單0形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封結(jié)構(gòu)示意圖，為提高現(xiàn)有技術(shù)適應(yīng)更高轉(zhuǎn)速能力，把兩個(gè)直接接觸的密封端面用浮動(dòng)環(huán)隔開，這就是單0形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封該組合置于牙輪密封槽39內(nèi)，由0形橡膠圈5，輪金屬環(huán)6，浮動(dòng)環(huán)7和軸根鑲環(huán)8等零件組成，輪0形圈被壓縮在牙輪密封槽39與輪金屬環(huán)外形之間，牙輪密封槽由槽內(nèi)徑面40，槽斜面41，槽斜角42a =25° ，槽圓弧面43和槽底平面44組成，輪金屬環(huán)的外形由環(huán)外徑面45，環(huán)斜面46和環(huán)斜角47a =25°組成，0形橡膠圈與輪金屬環(huán)裝進(jìn)密封槽39時(shí)，截面直徑為小5mm的0形橡膠圈首先受徑向壓縮，截面直徑為小5mm的0形橡膠圈首先受徑向壓縮，截面壓縮率為普通0形圈密封鉆頭的下限，0形橡膠圈已有可靠密封軸承能力，與浮動(dòng)環(huán)同時(shí)裝進(jìn)密封空間并直接接觸軸根鑲環(huán)端面，O形橡膠圈在兩個(gè)25°斜面壓縮下產(chǎn)生軸向推力，軸向壓縮量為3mm，軸向推力不低于100公斤，達(dá)到密封高速軸承的要求。該組合密封的工作原理鉆頭工作時(shí)牙輪繞軸頸高速旋轉(zhuǎn)，是帶有高頻率軸向串動(dòng)的高速旋轉(zhuǎn)，牙輪帶著被徑向和軸向壓縮的O形橡膠圈，推動(dòng)輪金屬環(huán)使輪環(huán)端面48貼緊浮環(huán)下端面49及浮環(huán)上端面50貼緊軸環(huán)端面51實(shí)現(xiàn)三個(gè)金屬環(huán)兩組端面的旋轉(zhuǎn)密封，各金屬環(huán)的密封端面都是非常平滑看不見刃痕鏡面，摩擦系數(shù)很小，浮環(huán)上端面與軸環(huán)端面之間產(chǎn)生主摩擦力，輪環(huán)端面與浮環(huán)下端面之間為副摩擦力，當(dāng)主摩擦力大于副摩擦力時(shí)，輪環(huán)端面與浮動(dòng)環(huán)下端面開始相對運(yùn)動(dòng)，副摩擦力大于主摩擦力時(shí)，浮動(dòng)環(huán)上端面與軸環(huán)端面相對運(yùn)動(dòng)，該組合的三個(gè)金屬環(huán)端面間交替相對運(yùn)動(dòng)，它的兩組端面摩擦副成為拉不傷咬不死的密封摩擦副，為改善密封端面的潤滑，輪金屬環(huán)端面有輪環(huán)潤滑斜面52，浮動(dòng)環(huán)上端面有浮環(huán)潤滑斜面53，浮動(dòng)環(huán)內(nèi)徑有浮環(huán)油糟54，鉆頭脂沿潤滑斜面進(jìn)入端面摩擦副，使密封端面得到良好的潤滑，該組合密封提高了適應(yīng)高轉(zhuǎn)速能力，適應(yīng)的高轉(zhuǎn)速是150-600r/min。 本實(shí)用新型把浮動(dòng)環(huán)技術(shù)應(yīng)用于O形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封技術(shù)方面，可以提高單0形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封適應(yīng)高轉(zhuǎn)速能力。該組合零件的材料是0形橡膠圈為氫化丁腈橡膠，輪金屬環(huán)和浮動(dòng)環(huán)及軸根鑲環(huán)均為9Crl8Mo，密封端面刷鍍銀，提高摩擦端面的抗咬合能力。 圖3(a)是本實(shí)用新型高速全浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)示意圖，高速全浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承由鋼絲擋圈9，大軸套IO，輪內(nèi)套ll，止推墊圈12和小軸套13等零件組成，由于采用單0形橡膠浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封，為大軸提供較大空間實(shí)現(xiàn)雙浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承，使大軸的工作面積提高了 2.4倍，牙輪鉆頭軸承壽命主要取決于大軸的軸承壽命，采用雙層浮動(dòng)套可大副度提高鉆頭軸承壽命，這種高速軸承由鎖緊牙輪的鋼絲擋圈浮動(dòng)滑動(dòng)軸承，大軸雙層套浮動(dòng)滑動(dòng)軸承，止推墊圈的浮動(dòng)滑動(dòng)軸承和小軸浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承等四組滑軸承組成。改善軸承潤滑條件，各種浮動(dòng)套都開有一個(gè)軸向油槽，槽寬2mm，為提高抗咬合能力，各工作表面都刷鍍銀。鎖緊牙輪是鋼絲擋圈9，它的外徑撐在牙輪擋圈槽56上，內(nèi)側(cè)有擋圈懸掛面57和軸頸擋面58，擋圈軸向懸掛距離為0. 4mm，這就是牙輪的軸向串動(dòng)量。牙輪擋圈槽是矩形槽而鋼絲擋圈外形矩形也是的，鎖緊牙輪是可靠的，因?yàn)闆]有向心力推動(dòng)擋圈外徑，軸承零件材料大軸套為內(nèi)徑焊銅條的合金鋼，輪內(nèi)套和止推墊圈及小軸套均為銅合金制成，鋼絲擋圈為55CrSi材料制成，各工作表面都刷鍍銀，提高抗咬合能力。 圖3(b)是本實(shí)用新型高速軸承的滾動(dòng)浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)示意圖，該軸承由滾柱lla的滾動(dòng)軸承，鋼絲擋圈9的浮動(dòng)滑動(dòng)軸承，止推墊圈12的浮動(dòng)滑動(dòng)軸承和小軸套13的浮動(dòng)滑動(dòng)軸承組成，滾柱置于牙輪內(nèi)孔滾柱槽內(nèi)，增加了滾動(dòng)軸承工作面積，同時(shí)也增大了軸徑直徑，軸頸沒磨槽降低了接觸疲勞損壞的可能性，有利于提高軸承壽命，止推墊圈有墊圈油槽55，潤滑止推軸承，小軸套有軸向油槽。與現(xiàn)有技術(shù)不同之處是鎖緊牙輪的不是鋼球而是鋼絲擋圈，是浮動(dòng)滑動(dòng)軸承，這種牙輪鎖緊軸承是可靠的，牙輪擋圈占用軸向尺寸比同尺寸牙輪用的鋼球小得多，增加了大軸工作面積，有利于提高軸承壽命。[0035] 圖4是本實(shí)用新型優(yōu)化設(shè)計(jì)布齒和新齒型結(jié)構(gòu)示意圖，優(yōu)化布齒指的是一是加強(qiáng)井底中心巖石破碎，增加二和三牙輪頂部中心齒小頂齒26和頂齒25 ;二是加強(qiáng)井壁巖石破碎和保徑，在兩顆邊齒23間增加一顆周向布置的切徑齒22，它同時(shí)破碎井底和井壁巖石及保徑；三是縮小頂齒25與主齒24的直徑差，提高切削齒齒頂外端的耐磨性，要有高效率的井底擊碎布齒，把齒頂控制在擊碎曲面60上，最佳曲面半徑為Rc值，即85mm，鉆頭中心線59，井底擊碎曲面上布齒由背錐聚晶齒21，切徑齒22，邊齒23，主齒24，頂齒25和小頂齒26等組成。井底分區(qū)A為頂齒擊碎區(qū)，B為主齒擊碎區(qū)，C為邊齒，切徑齒和背錐聚晶齒擊碎區(qū)。新齒型一是背錐聚晶齒21，由圓柱聚晶62和硬合金套63組成，提高背錐齒保徑能力；二是切徑齒22，由保徑面64，切徑齒頂65，勺形面67和齒面角6613 =90°組成，切徑齒在切削井底同時(shí)加強(qiáng)了保徑；三是各種切削齒均為雙面勺形齒，由勺形面67，小勺形面68，齒頂外端69和齒頂角70Y =10°組成，提高硬質(zhì)合金齒破碎井底巖石的效率和壽命，加強(qiáng)保徑提高鉆頭的工作指標(biāo)。 圖5是本實(shí)用新型鉆頭穩(wěn)定系統(tǒng)和泥漿上返通道結(jié)構(gòu)示意圖，穩(wěn)定系統(tǒng)在井眼直徑71內(nèi)由三個(gè)牙輪規(guī)徑面61，三個(gè)掌背保徑面72和三個(gè)水孔體保徑面73組成九點(diǎn)扶正，牙輪鉆頭在井底工作時(shí)是高速旋轉(zhuǎn)，采用九點(diǎn)扶正能更好提高鉆頭穩(wěn)定性和提高鉆頭壽命；泥漿上返系統(tǒng)由三個(gè)牙掌泥漿孔35，三個(gè)水孔體兩側(cè)的主上返通道74和副上返通道75組成的九個(gè)上返通道，休斯公司新系列鉆頭只有三個(gè)泥漿上返通道，不利于攜帶井底巖屑的泥漿迅速上返，新增牙掌泥漿孔改變了井底流場，使三個(gè)牙輪上方攜帶巖屑的泥漿能迅速上返，防止鉆頭泥包。有利于提高鉆頭機(jī)械鉆速。 圖6是本實(shí)用新型加長噴管水力噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)組焊于水孔36外端，由加長噴管27，噴砂中長噴嘴28，噴嘴密封圈29和噴嘴擋圈30等零件組成，噴砂中長噴嘴由流道76，水孔保護(hù)段77，取擋圈槽78，取噴嘴槽79，槽深h = lmm，吸入孔80等部分組成，鉆頭工作時(shí)從噴嘴出口直徑d噴出高速泥漿射流后在大出口直徑d+2空間產(chǎn)生低壓區(qū)，能從吸入孔吸入攜帶巖屑的泥漿并噴向井底清洗井底，這種噴砂式中長噴嘴，能更有效清洗井底，提高了高速泥漿射流對井底的沖擊力和清洗面積，加長噴管水力噴射系統(tǒng)能使噴嘴出口位置至井底距離降低一半多，可大幅度提高牙輪鉆頭機(jī)械鉆速指標(biāo)，降低鉆井成本。
權(quán)利要求單O形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封高速軸承的牙輪鉆頭，由牙掌(1)，牙輪(2，3，4)，O形橡膠圈(5)，輪金屬環(huán)(6)，浮動(dòng)環(huán)(7)，軸根鑲環(huán)(8)，鋼絲擋圈(9)，大軸套(10)，輪內(nèi)套(11)，滾柱(11a)，止推墊圈(12)，小軸套(13)，背錐聚晶齒(21)，切徑齒(22)邊齒(23)，頂齒(24)，主齒(25)，小頂齒(26)，加長噴管(27)和噴砂中長噴嘴(28)等主要零件組成，其特征是單O形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封高速全浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承和密封高速滾動(dòng)浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承的牙輪鉆頭，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)布齒和新齒型加強(qiáng)鉆頭中心和井壁巖石破碎及保徑，壓力平衡系統(tǒng)由儲(chǔ)油囊軸向波動(dòng)平衡軸承內(nèi)外壓力差，加強(qiáng)鉆頭穩(wěn)定性和改善井底流場，加長噴管水力噴射系統(tǒng)強(qiáng)化清洗井底巖屑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征是把浮動(dòng)環(huán)技術(shù)用于單0形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封，提高適應(yīng)高轉(zhuǎn)速能力，該組合是單0形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封，置于牙輪密封槽(39)內(nèi)，由0形橡膠圈(5)，輪金屬環(huán)(6)，浮動(dòng)環(huán)(7)和軸根鑲環(huán)(8)等零件組成，零件的材料為O形橡膠圈是氫化丁腈橡膠，輪金屬環(huán)和浮動(dòng)環(huán)及軸根鑲環(huán)為9Crl8Mo，各密封端面均刷鍍銀，組合密封空間由槽內(nèi)徑(40)，槽斜面(41)，槽斜角(42) a = 25° ，槽圓弧面(43)和槽底平面(44)，輪金屬環(huán)的環(huán)外徑面(45)，環(huán)斜面(46)和環(huán)斜角(47) a=25°等部分組成，被輪金屬環(huán)壓縮的O形橡膠圈實(shí)現(xiàn)徑向密封和產(chǎn)生軸向推力，推動(dòng)輪金屬環(huán)使其端面貼緊浮動(dòng)環(huán)下端面，浮動(dòng)環(huán)上端面貼緊軸根鑲環(huán)的軸環(huán)端面實(shí)現(xiàn)三個(gè)金屬環(huán)間兩組密封端面的旋轉(zhuǎn)端面密封，其中輪環(huán)端面(48)貼緊浮環(huán)下端面(49)，浮環(huán)上端面(50)貼緊軸環(huán)端面(51)，這些端面是非常平滑看不見刃痕的鏡面，鉆頭脂沿潤滑斜面進(jìn)入密封面潤滑，斜面由輪環(huán)潤滑斜面(52)，浮環(huán)潤滑斜面(53)及浮環(huán)油槽(54)組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征是高速軸承由鋼絲擋圈鎖緊牙輪的全浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承組成全浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承由鋼絲擋圈(9)，大軸套(10)，輪內(nèi)套(ll)，止推墊圈(12)和小軸套(13)等零件組成；滾動(dòng)浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承由鋼絲擋圈(9)，滾柱(lla)，止推墊圈(12)和小軸套(13)等零件組成，牙輪鎖緊軸承由鋼絲擋圈(9)矩形截面外徑支撐的矩形牙輪擋圈槽(56)，擋圈懸掛面(57)和軸頸擋面(58)組成，各軸承零件材料鋼絲擋圈為55CrSi，大軸套為內(nèi)徑焊銅合金條的合金鋼，輪內(nèi)套和止推墊圈及小軸套均為銅合金，各浮動(dòng)套都有一個(gè)軸向油槽，止推墊圈有墊圈油槽(55)，各零件摩擦工作面都刷鍍銀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征是采用優(yōu)化設(shè)計(jì)布齒和新齒型加強(qiáng)鉆頭中心和井壁巖石破碎及保徑，新增二牙輪中心齒，小頂齒(26)和三牙輪中心頂齒(25)，把齒頂布置在半徑為R85mm的井底擊碎曲面(60)上破碎井底巖石，這些齒由小頂齒(26)，頂齒(25)，主齒(24)，邊齒(23)，切徑齒(22)和背錐聚晶齒(21)組成，新齒型背錐聚晶齒由圓柱聚晶(62)和硬合金套(63)組成，切徑齒由切徑面(64)，切徑齒頂(65)，齒面角(66) P=90°和勺形齒(67)組成，各種切削齒均為雙面勺形齒由勺形面(67)，小勺形面(68)齒頂外端(69)和齒頂角(70) y =10°組成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述牙輪鉆頭，其特征是高速軸承采用壓力平衡系統(tǒng)由儲(chǔ)油囊軸向波動(dòng)平衡軸承內(nèi)外壓力差，在牙掌上部的壓力平衡系統(tǒng)由壓蓋(14)，壓蓋擋圈(15)，儲(chǔ)油囊(16)，儲(chǔ)油杯(17)和注油絲堵(19)等零件和長油孔(33)，軸油孔(34)，軸頸油槽(35)，軸承間隙及鉆頭脂等部分組成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征是加強(qiáng)鉆頭穩(wěn)定性和改善井底流場采用九點(diǎn)穩(wěn)定扶正系統(tǒng)和九個(gè)泥漿上返通道，穩(wěn)定扶正系統(tǒng)由三個(gè)牙輪規(guī)徑面(61)，三個(gè)掌背保徑面(72)和三個(gè)水孔體保徑面(73)組成；泥漿上返通道由三個(gè)牙掌泥漿孔(35)，三個(gè)主上返通道(74)和三個(gè)副上返通道(75)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其特征是采用加長噴管水力噴射系統(tǒng)強(qiáng)化清洗井底巖屑，組焊在水孔(36)外端，該系統(tǒng)由加長噴管(27)，噴砂中長噴嘴(28)，噴嘴密封圈(29)和噴嘴擋圈(30)等零件組成，噴砂中長噴嘴由流道(76)，水孔保護(hù)段(77)，取擋圈槽(78)，取噴嘴槽(79)，吸入孔(80)，出口直徑(d)和出口大徑(d+2)等部分組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了石油地質(zhì)鉆井用單O形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封高速軸承的牙輪鉆頭，由牙掌(1)，牙輪(2，3，4)，O形橡膠圈(5)，輪金屬環(huán)(6)，浮動(dòng)環(huán)(7)，軸根鑲環(huán)(8)，鋼絲擋圈(9)，大軸套(10)，輪內(nèi)套(11)，滾柱(11a)，止推墊圈(12)，小軸套(13)，背錐聚晶齒(21)，切徑齒(22)，邊齒(23)，頂齒(24)，主齒(25)，小頂齒(26)，加長噴管(27)和噴砂中長噴嘴(28)等主要零件組成，特點(diǎn)是采用單O形橡膠圈浮動(dòng)金屬環(huán)組合密封高速軸承，高速軸承是鋼絲擋圈鎖緊牙輪的全浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承，優(yōu)化布齒和新齒型，加長噴管水力噴射系統(tǒng)，加強(qiáng)鉆頭穩(wěn)定性和改善井底流場，提高鉆頭工作指標(biāo)。
文檔編號(hào)E21B10/25GK201535136SQ20092015535
公開日2010年7月28日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者孫泰林 申請人:孫泰林