牙轮钻头轴承密封结构起到阻止钻井液进入轴承腔、防止润滑脂泄露的作用,但随着深井、超深井以及难钻地层的不断开发,因密封失效而导致钻头失效的比例增加,因此需要提升牙轮钻头轴承密封结构的密封性能来满足高转速、高钻压的钻井需求。单金属密封结构作为常用的轴承密封结构之一,具有轴向尺寸较小、密封结构较简单、静密封面较少的特点,且适用于高温、高压和振动较强的工况。因此,本文主要针对现有单金属密封结构存在对中性差、动密封面接触应力分布不均匀的缺点,设计出新型密封结构来提升单金属密封结构密封性能,并且对影响单金属密封结构的参数进行研究。主要研究工作如下:(1)根据牙轮钻头轴承密封结构的实际工作情况,分析O型密封结构、双金属密封结构、单金属密封结构、弹簧补偿功能结构、磁力密封结构的结构特点,并且分析了这五种密封结构的失效形式;在确定单金属密封结构为本文分析结构后,分析了单金属密封结构的密封机理,给出单金属密封结构的失效判定准则,然后分析单金属密封结构安装过程中轴向位移与接触应力的力学关系。(2)利用有限元分析法,对单金属密封结构的Mises应力和接触应力进行研究,为了使结果与后文比较,建立了包含网格、材料、接触设置和边界条件的有限元分析规范以及评价方法。(3)研究了单金属密封结构不同轴向安装位移、不同工况、不同摩擦系数、动密封面接触长度、静环斜面倾角、静环高度、楔入角的变化对动密封面接触应力的影响规律。(4)选择静环斜面倾角、静环高度和动密封面的接触长度为优化对象,利用正交实验法来优化单金属密封结构的结构参数,并且开展了密封结构的敏感性研究,最终得到了单金属密封结构的最优结构参数组合。(5)针对现有单金属密封结构存在对中性差、接触应力小且接触应力分布呈外侧高、内侧低的缺点,在前文的优化结果基础上,设计出新型密封结构。分析对比了不同弧形长度和球头-锥面角度对动密封面接触应力的影响,并且得到最佳的弧形长度和球头-锥面角度的组合。(6)对新型密封结构的密封比压和泄漏量进行了验证,发现新型密封结构的密封比压符合使用要求,并且泄漏量小于出原始密封结构。最后研究了 O型橡胶圈和橡胶支撑环硬度的变化对新型密封结构动密封面接触应力的影响。通过本文的研究,证明了新型牙轮钻头轴承密封结构具有良好的密封性能。