密封矿用钻头储油腔的双功能压力补偿器的制作方法

1.本发明涉及一种矿用钻头，尤其涉及一种与密封轴承钻头中的润滑脂补偿器一起使用的气流旁路。


背景技术：

2.底面穿透工具包括可旋转的刀型矿用钻头，例如牙轮钻头。牙轮矿用钻头具有钻头主体，该钻头主体具有适于连接到钻柱的上端部，并且通常具有从主体向下延伸的三个钻头腿。从钻头体的下部垂下的是多个支撑臂，通常为三个。轴颈从每个钻头腿向内和向下延伸。传统的钻头支承轴是圆柱形的，并且可旋转地接纳牙轮锥体。轴颈锥体通常安装在每个轴颈上，并且可旋转地支撑每个牙轮锥体在主轴和主轴容纳腔的内部之间的轴承上。当牙轮锥体在轴颈上旋转时，牙轮锥体在其外表面上具有齿或压块，用于破碎地层。一个或多个流体喷嘴通常设置在钻头主体的下侧。喷嘴通常被设置成引导钻孔液从钻柱向下流向被钻钻孔的底部。钻孔液冲走从钻孔底部去除的材料并清洗牙轮锥体，将钻屑和其它碎屑径向向外携带，然后在钻头和钻孔壁之间限定的环空内向上携带。
3.有几种支承系统用来支承牙轮锥体。这些支承系统典型地由径向轴承和推力轴承的组合构成，所述径向轴承和推力轴承可以是密封和润滑的，或者是不密封的，并且对钻孔液是开放的。钻孔液可以是液体如泥浆，也可以是气体如空气。用于轴颈的接触磨损表面可由耐磨金属或非金属如碳化钨组成。在密封的轴承钻头中，密封件设置在切削锥和相应的轴颈之间的间隙上，以防止碎屑污染轴承，并且还阻止润滑脂泄漏到外部。已经使用了各种类型的密封件，包括弹性密封件和金属-金属面密封件。开放式轴承钻头在没有密封件的情况下工作，并且通常使钻孔液通过牙轮轴承以冷却和润滑。开放式轴承通常使钻孔液经过端口通过轴承系统以润滑和冷却轴承磨损表面。在一些情况下，空气可作为钻孔液并被驱动通过轴承以冷却和润滑轴承。
4.当在充满液体的钻孔中操作时，由于钻孔液柱的重量，静压作用在钻头上。当钻头降低到孔中时，润滑脂中的温度由于传热而升高，并且由于旋转时的摩擦热而导致润滑脂膨胀。一种密封的，油脂润滑的轴承钻头，在钻头体中包含润滑剂储油腔，该储油腔向轴颈供应储油腔。每个轴颈具有安装在钻头体中的储油腔中的压力补偿系统。密封轴承钻头通常使用润滑系统，该润滑系统包括润滑脂压力补偿器以限制润滑脂和钻孔中的压力之间的压力差。典型的润滑脂补偿器包括将储油腔和润滑脂与孔眼流体分开的柔性隔膜或弹簧偏置活塞。膜片或弹簧偏压的活塞由于其两端的压力差而移动，以趋于平衡储油腔压力和孔眼流体压力之间的压力差。润滑剂流动通道从补偿器的储存器延伸到轴颈的外部。压力补偿系统具有连通端口，该连通端口与外部上的静压连通，以使外部上的压力与钻头内的通道和间隙中的润滑脂压力相等。当锥体在轴颈上旋转时，粘性润滑脂产生流体动力升力，使得负载部分地由润滑脂流体膜支撑，部分地由表面粗糙度与表面粗糙度接触支撑。
5.密封轴承钻头故障通常由于牙轮轴承密封磨损直到损坏，在切削结构磨损之前轴承发生了失效而。所以希望延长密封轴承钻头的寿命超过密封件的寿命。


技术实现要素：

6.本发明公开了一种具有用于储油腔的双功能压力补偿器的矿用钻头。该矿用钻头优选的为一个密封的牙轮钻头，牙轮钻头具有提供切割的牙轮。润滑脂压力补偿器可以在密封润滑系统模式下运作，也可以在将矿用钻头固定在钻柱上之前选择气流旁路模式运作。所述矿用钻头具有钻头体和向下延伸的牙掌，所述牙掌包括向内和向下延伸的用于安装旋转牙轮的轴颈或轴，并且密封件设置在轴颈和牙掌之间。润滑脂的流道从钻头体的内腔延伸，穿过牙掌和轴颈，并至位于轴颈和牙轮之间的中间空间。润滑脂补偿器从流道延伸到具有孔端的腔中，补偿器活塞位于该孔端内。润滑脂补偿器具有细长管和部件，细长管具有设置在流道内的向内端部，部件用于当润滑脂从细长管内排出时接收活塞。通孔穿过细长管的侧壁，通过腔与端部隔开，与流道流体连通。
7.润滑脂补偿器可以在密封润滑脂系统模式下通过保持器构件运行，所述保持器构件可选择地将活塞锁定在细长管内的固定位置，并且补偿器将不提供压力补偿功能。或者，润滑脂补偿器可以在将矿用钻头固定到钻柱上之前，通过从将活塞固定在细长管内的适当位置移除保持器构件，在轴承失效时以具有流动旁路的补偿模式运行。在移除保持器构件的情况下，活塞可沿细长管的长度自由移动，并为润滑脂流道提供压力补偿功能。在牙轮和轴颈之间的密封件磨损后，润滑剂将从流道内排出，并且活塞将移动到细长管的下端，从而允许钻孔液流过细长管下端中的孔，围绕活塞并流过润滑脂流道。
附图说明
8.为了更全面地理解本发明及其优点，现在结合附图参考下面的描述，其中图1至图6示出了根据本发明制造的用于密封矿用钻头的双功能压力补偿器的各个方面，如下所述：
9.图1是具有用于储油腔的双功能补偿器的密封矿用钻头的透视图，钻头体以四分之一的纵向剖视图；
10.图2是沿图1中2-2剖面线截取的钻头一个牙掌的剖面图，显示具有活塞在初始上部位置的双功能存储器；
11.图3是沿图1中2-2剖面线截取的钻头一个牙掌的剖面图，显示活塞在移动到较低位置后的双功能存储器；
12.图4是储油腔的双功能补偿器的分解图；
13.图5是图2和图3中一种轴颈的剖面图，沿着图3和图4中的中心纵轴28旋转的剖面；以及
14.图6是沿图5中6-6剖面截取的轴颈的端视图。
具体实施方式
15.图1是钻头12的透视图，钻头体14以四分之一的纵向剖视图。钻头体14具有至少一个牙掌 16，有三个牙掌16示出。旋转牙轮20可转动地用轴颈18安装在支腿16上(图3所示)。旋转牙轮20显示了具有插入式切削齿22，优选碳化钨嵌件(“tci”)，但是也可以使用其它类型的切削齿，例如钢齿和磨料表面。切削齿22最好是碳化钨嵌件或钢齿。一种喷嘴孔24设置在钻头体14下端用于接收从钻头体14的内腔30流动的钻孔液通过喷嘴24喷在钻头体14的旋转牙轮 20上。钻头体14具有用于连接到钻柱的一钻头连接端26。
16.钻头体14具有中心纵轴28。内腔30或钻头碗，伸入钻头体14并连接到钻柱的孔上，用于接收通过钻头体14的钻孔液，用于冷却钻头12，清理旋转牙轮20上的切屑和通过钻孔随钻屑向上循环。润滑脂压力补偿器32(图中显示出两个)安装在钻头体14中，每个牙掌16中各有一个。补偿器32从内腔30伸出进入各自的补偿器端口34。在每个牙掌16中，储油腔33由补偿器端口34，润滑脂流道36，润滑脂口38，润滑脂口104以及球端口80的组合体确定，球端口80 不装球阀82，它们流体连通。一种环形空间40由在补偿器端口34的壁之间延伸的间隙限定补偿器32的外部。补偿器端口34，储油腔36，润滑脂口104，润滑脂口38以及球端口80由相互连通的孔钻入到牙掌16的体内。储油腔36由钻孔伸入牙掌26内，优选的平行于轴线28。储油腔 36具有大容量用于容纳储油腔33。储油腔36的外端口用堵头68密封。加注口65和排放口67，它们连接储油腔36到牙掌26的外部和钻头12之间。储油腔33通过加注口65流道36气体进入以及通过所述排放口67排出。加注口65放气口67可以在储油腔充满润滑脂后用焊缝密封。堵头 68可用于密封润滑脂36的端部。
17.图3和4是钻头12的局部剖视图，图3展示钻头12配置用于在密封轴承模式下运行，图4展示钻头12配置成在开放轴承模式下运行。补偿器端口34从内腔30伸出到储油腔36。储油腔36 是从提供补偿器端口34的孔延伸到球端口80的孔。一个润滑脂口38由从球端口80延伸到位于推力轴承86的轴颈18的末端的导向孔限定。补偿器端口34和补偿器32的尺寸是它们之间形成了环形空间40。环形空间40提供了用于流体从补偿器32进入到补偿器端口34流动的流动路径。
18.补偿器32优选具有由管42限定的圆柱形管状体。补偿器的管42具有优选由上端48和相对端部的下端50。上端48设置在内腔30中，并且所述通孔44优选地定义了孔径，所述通孔44环绕所述管42四周向外延伸，与所述上端48相邻。通孔44与内腔30流体连通，并在所述内腔30 和被所述上端48限定的所述管42端部的管内之间流体连通。下端50设置成延伸到补偿器端口34 中，并具有孔46优选地由围绕管42四周向外延伸的通孔限定，由部件52与下端50间隔开。部件52优选具有管状内部轮廓，内部轮廓的尺寸具有用于接纳活塞54的直径和纵向长度，活塞 54设置在孔46的旁边，使得流体从下端42和通孔44流动到孔46不受活塞54的阻碍，如图3所示。
19.活塞54可滑动地设置在管42中并具有活塞密封件56优选为o形环。凹槽116围绕活塞54周向延伸，以及与管42的内表面结合，形成密封压盖用于容纳活塞密封件56。第一保持器构件件58优选地由具有第一开口销，该第一开口销延伸穿过位于活塞54上端的杆114上的保持器端口118和靠近管42上端48的孔，保证活塞54在管42内位置固定，除非持器构件件58在钻头12 进入井中运行之前被移除，如下所述。第二持器构件件60优选地具有第二开口销，该第二开口销穿过位于管42下端48中的相对孔，相对孔与内腔30附近的活塞54的一端相邻。法兰62优选地围绕管42的中间部分周向延伸，位于上端48与下端50之间。通孔44优选设置在上端48和法兰62之间，以及在补偿器端口34和管42的内部之间流体连通。孔46优选地设置在下端50和法兰62之间，以及在补偿器端口34和管42的内部之间流体连通。法兰62优选地焊接在补偿器端口34的开口处，将补偿器管42固定在钻头体14上。可以提供一个凹槽66，将补偿器端口34 的向外开口沉下去，以便容纳法兰62。优选地法兰62在补偿器管42的外围连续地延伸，但是在一些实施例中，可以是从补偿器管42的外表面径向向外突出的突片。当法兰62不连续地围绕补偿器管42的圆周延伸，密封件64可为o形环，用于在管42的
外部之间补偿器端口34进行密封。当法兰62和补偿器端口34的开口之间焊接提供种流体密封时，密封件64可以省略。
20.轴颈18具有主轴或销，在主轴或销上安装有可旋转地旋转牙轮20。轴颈18优选具有主要部分70以及导向部分72。外轴承74设置在主要部分72上，优选的为滚子轴承。内轴承76设置在轴颈18的导向部分72上，优选的为滚子轴承。球轴承78以传统方式将旋转牙轮20锁在轴颈 18上，球塞82焊接在球端口78上，以将球轴承78固定在轴颈18的轴承座圈和旋转牙轮20之间。球塞82具有锥形部分84在球口80内用于流体从储油腔36中流出到润滑脂口38。推力轴承86位于轴颈18的外端。中间空间88位于轴颈18以及旋转牙轮20之间，由轴颈18以及旋转牙轮20之间形成的间隙。外轴承74，内轴承76，球轴承78，推力轴承86位于中间空间88内。密封件90 在轴颈18以及旋转牙轮20之间，密封中间空间88。密封件90为弹性体部，例如o形环，金属
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金属密封件，或其它类型的密封件，例如椭圆形或扁平密封件，优选由弹性体形成。
21.图4是有纵轴92的润滑脂压力补偿器32的分解图。补偿器32包括补偿器管42，带有活塞密封件56的活塞54，保持器构件58以及保持构件60。活塞54以及活塞密封件56可滑动地在补偿管42中。通孔44位于补偿器管42的上端48，以及孔46由部件52与下端50间隔开。法兰62凸出设置在上端48以及通孔44和下端50以及孔46之间。活塞54具有主体部分112用于密封补偿器管 42的内腔的可选择性移动的塞子。密封槽116周向延伸进活塞54的主体部分112用于容纳活塞密封件56，活塞密封件56优选的为环形弹性密封圈。活塞54还具有从主体部分112向上延伸的杆114，并具有保持器端口118用于接纳保持器构件58和保持器构件58从保持器端口118穿过，保持器构件58优选的穿过靠近上端48的补偿器管42的侧壁的一对相对的通孔44。保持器构件 60也优选的通过补偿器管42的侧壁的两个相对的通孔44保持活塞54在补偿器管42内，防止活塞54从补偿器管42内移出并进入钻头体14的内腔30。孔46穿过靠近下端50补偿器管42的部件 52的侧壁。补偿器管42排空润滑油后部件52将接收活塞54，以及孔46允许钻孔液绕过活塞42 并从补偿器管42中和补偿器端口34流出，以及通过润滑脂口38进入储油腔36。密封件64在法兰62之间沉头凹槽66之间的密封形成牙掌16。
22.图5是在图2和3中沿绕纵轴28旋转的轴颈18的剖视图。润滑剂口104从润滑剂口38伸出并通过轴颈平面108的主体部分70到内轴承76相邻的空间88处，用于使流体通过。第二润滑剂口 106从润滑剂口38伸出到第二平面的108。硬化面102设置在槽100中，该槽100延伸到轴颈18 的主体部分70的环形端面。
23.图6是图5中6-6剖面的轴颈18的端视图。硬质面102设置在轴颈18的主体部分70的环形端面，与轴颈18的导向轴承72的基部相邻。两个平面108设置在导向轴承72的相对侧面。润滑脂口104及106的终端设置在平板108处。平面108在外轴承的环形端部中，在轴颈18的导向部分 72的相对侧面上。平板108提供间隙以提供中间空间88用于使润滑脂和以后的井液在旋转牙轮20和轴颈18之间通过。
24.用于钻头12的补偿器32当处于密封润滑脂系统模式时，活塞54由锁定构件58锁定就位，或气流旁路模式时在将钻头12固定到钻柱之前，移除锁定构件58的防止固定活塞54。当在密封润滑脂系统模式或密封轴承模式下操作时，活塞54保持在适当位置，润滑脂重力供给从储油腔36，润滑脂口38和补偿器32进入轴颈18以及选择牙轮20之间的轴承间隙。在这种模式下，补偿器32不提供补偿在储油腔36和润滑脂口38之间的压力差，和以及润滑脂
口38和钻头12外部的压力差，因为活塞54固定在补偿器管42内的适当位置。
25.补偿器32在气流旁路模式下运行时，在补偿器调谐器43内的固定位置将锁定构件58从固定的活塞54上取下。活塞54可根据储油腔36和润滑脂口38之间的压力差自由移动。最初补偿器32在密封轴承模式下工作，活塞54的固定置于管子42内位置紧邻上锁定构件60。当钻头轴承密封磨损并且润滑脂从钻头12内移动时，活塞54可在补偿器管内42自由移动对应于润滑脂端口38和储油腔36之间的压力差。随井深和钻头12温度的变化增加和减小，润滑脂口38内的压力分别增大和减小，变化的压力作用于靠近内腔30的活塞54的端部及补偿器调整在管42内的位置。润滑脂充满补偿器口34，储油腔36，润滑脂口38以及补偿器管42它们共同提供一个储油腔。活塞54和活塞密封件56共同提供位于第一位置的可移动密封组件。活塞54和活塞密封件56优选的一起用润滑剂口38的钻孔液压力补偿润滑油储存储器和钻头12附近钻孔压力之间的压力。钻孔后密封件90磨损失效，润滑剂从补偿管42内排出，并被压出中间空间88和密封件90。内腔30压力会推动活塞54从靠近上端48的第一位置到第二位置，第二位置位于部件 52中，靠近下端50，位于孔46旁边。钻头12然后将在开放轴承模式下运作。这允许钻孔液在旁路流动路径中流动，从内部30延伸通过补偿器32以及孔46，进入补偿器端口34。钻孔液将流过储油腔36和润滑脂口38，然后通过中间空间88以及布置在钻孔处密封件90所在的区域。补偿器32从而具有用于使钻孔液通过的旁路流道，钻孔液经过储油腔36，润滑脂口38以及中间空间88允许密封的轴承钻头12在主牙轮轴承密封失效后在开式轴承模式下运行。
26.钻孔液优选为空气，但也可以使用其它水基或油基钻孔液。应该注意的是，补偿器端口 34，储油腔36，润滑脂口38以及补偿器管42的横截面积的尺寸适于通过足够量的钻孔液以提供钻头12的适当冷却润滑脂。孔的横截面积的尺寸优选为提供环形空间40提供足够的尺寸以通过适量的钻孔液。类似地，上端48与通孔44以及孔46结合其尺寸适于使该钻孔液流通过而没有过大的压力损失。
27.本发明提供了一种矿用钻头的优点，该矿用钻头首先可在密封轴承模式下运作。一旦密封失效，钻头就使用用于冷却钻头的钻孔液以开放轴承模式运作。空气优选用作钻孔液，但是也可以使用水基和油基钻孔液。
28.尽管已经详细描述了优选实施例，但是应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变，替换和变化。