Těsnění číšky kamenolomového vrtáku: Jak funguje těsnění pro promývání a jak vybrat náhradu

Každý hydraulický kamenolomní vrták, který čistí vrtanou díru vodou, závisí na malém prstenci z elastomeru, aby tuto vodu udržel tam, kde patří. těsnění číše tento prstenec je umístěn v místě, kde se rotující a kmitající nástavcový hrot prochází přední hlavou vrtáku, a má jediný úkol: udržet čistící vodu ve své vlastní komoře místo toho, aby pronikla do mazaného mechanismu vrtáku nebo aby se vrátily vrtací nečistoty opačným směrem. Tento článek vysvětluje, kde se těsnicí pohár nachází, jak dokáže utěsnit součást, která se zároveň otáčí a je každou minutu nárazována tisíckrát, jak vypadá porucha a co je třeba zkontrolovat před objednáním náhradního dílu.

Co je těsnicí pohár v hydraulickém kamenolomním vrtáku?

Těsnění ve tvaru šálku, nazývané také těsnění pro promývání, je těsnicí prvek umístěný uvnitř přední hlavy nebo „vodní skříně“ kamenolomního vrtáku – tedy skříně, která obklopuje nástavcový dřík, do jehož vnitřního otvoru se zavádí promývací kapalina do vrtacího řetězce. Při většině kamenolomního vrtání se k odvádění rozdrcené horniny od vrtáku a k jeho chlazení používá voda, vzduch nebo směs vody a vzduchu; tato promývací kapalina musí být do vnitřního otvoru nástavcového dříku vpravována z nepohyblivé přívodní trubky, i když samotný dřík rotuje i kmitá. Právě těsnění ve tvaru šálku zajistí utěsnění tohoto spojení.

V závislosti na výrobci a konkrétním modelu vrtáku se tento komponent může objevit také pod označením těsnění pro promývání, těsnění přední hlavy nebo těsnění vodní skříně. Všechna tato označení popisují stejnou funkci: utěsnění tlakové promývací komory proti nástavcovému dříku, který se během provozu vrtáku nikdy nepohybuje stacionárně.

Kde je těsnění ve tvaru šálku umístěno a co vlastně utěsňuje?

Adaptér nástrčky má radiální otvor (nebo dva u některých konstrukcí), který spojuje jeho vnější povrch s vnitřním průtokovým vrtáním. Tento otvor se nachází uvnitř kruhové komory tvořené vodní komorou přední hlavy, takže chladicí kapalina přiváděná do komory může vstoupit do vrtání prostřednictvím tohoto otvoru bez ohledu na okamžitou rotační polohu adaptéru. Uzavření této komory obvykle vyžaduje alespoň dvě sady těsnění: jedna sada těsní vodní komoru proti nepohyblivé struktuře přední hlavy, druhá sada ji těsní proti samotnému adaptéru nástrčky – toto těsnění má náročnější úkol, protože musí udržet těsnost vůči povrchu, který se současně otáčí i posouvá axiálně.

V praxi to znamená, že uspořádání kroužkového těsnění v kamenolomovém vrtáku zřídka tvoří jeden jediný kroužek. Obvykle se jedná o malý soubor těsnicích a ložiskových prvků – těsnění, opěrné vložky a někdy i samostatný prvek proti prachu nebo stírání – integrovaný do vodní komory, kterou lze pro údržbu otevřít, aniž by bylo nutné demontovat celou přední hlavu.

Fotografie1 :Přední Průřez hlavovou vodní krabicí

Jak funguje těsnění typu cup seal při rotaci a kladení úderů adaptérů nože?

Tato část práce odlišuje těsnění typu cup seal od obyčejného statického těsnění. Během provozu vrtního stroje se adaptér nože neustále otáčí (aby následně nastavil vrták pro další úder) a zároveň vykonává malý axiální posuv, přičemž pohlcuje a přenáší každý úder pístu. Těsnění typu cup seal musí udržovat nepřetržitý kontakt s touto pohybující se plochou v obou směrech pohybu a zároveň zadržovat čistící kapalinu, která může být za tlaku výrazně vyššího než atmosférický tlak.

Tato kombinace – rotace, axiální vibrace a tlak současně – představuje náročnější provozní podmínky, než jaké většina dynamických těsnění zpravidla zaznamenává. Z tohoto důvodu je také stejně důležitá jako samotné těsnění i těsnicí plocha na adaptéru nože: jakékoli vrypy, koroze nebo poškození této plochy poskytují okraji těsnění nerovný povrch, po němž se těsnění pohybuje, a opotřebení se od tohoto bodu obvykle zrychluje.

Proč vnější promývání zvyšuje zátěž těsnění typu cup?

Těsnění nástavců jsou promývána jedním ze dvou způsobů. Vnitřní promývání vedou trubici pro vodu středem vrtáku a uzavírají ji proti nástavci jediným O-kroužek na špičce – poměrně jednoduchým a málo náročným těsněním. Vnější (přední hlavové) promývání naopak přivádí promývací kapalinu do vodní komory kolem vnějšího obvodu nástavce, což se obecně považuje za lepší konstrukci, protože umožňuje dodat větší objem promývací kapaliny s menším rizikem úniku nebo poškození způsobeného rázovou vlnou – právě tato schopnost však znamená, že její těsnění jsou vystavena vyššímu kontinuálnímu tlaku a průtoku.

Většina moderních hydraulických kamenolezeckých vrtaček proto používá právě toto vnější, přední hlavové promývání. Kompenzací je, že těsnění typu cup v této přední hlavové konstrukci plní nepřetržitou, tlakovou a dynamickou těsnicí funkci, nikoli pouze poměrně snadnou statickou funkci těsnění na špičce – právě proto se těsnění pro promývání považují za běžnou opotřebitelnou součást, nikoli za součást, kterou lze jednou nasadit a zapomenout na ni.

Proud proudící se do této komory se chová jako proudění skrz omezení nebo otvor, což je vztah dobře zavedený v návrhu vyplachovacích obvodů pro dynamická těsnění obecně:

Q = 0,0019159 · C · d2 · (Δp / ρ)1/2 (1)

kde Q je průtok při proplachování, C je součinitel průtoku, d je efektivní průměr průtokové dráhy, Δp je tlakový spád napříč touto dráhou a ρ je hustota proplachovací kapaliny. Praktický závěr je, že průtok při proplachování řídí tlakový rozdíl napříč vodní komorou, nikoli tlak samotný: publikované pokyny pro proplachování dynamických těsnění v průmyslových rotačních zařízeních doporučují udržovat tlak na straně proplachování jen mírně vyšší než tlak v uzavřené komoře, konkrétně o 0,05–0,2 MPa vyšší, a rychlost kapaliny v jakémkoli zúžení udržovat dostatečně nízkou, aby nedocházelo k erozi nárazem – obvykle pod 3–5 m/s v případě, že kapalina obsahuje pevné částice. Voda pro proplachování kamenolomových vrtáků je zřídka dokonale čistá, takže jak nadměrně vysoký tlakový rozdíl, tak příliš malý průřez průtokové dráhy mohou zrychlit opotřebení právě v místě, které má chránit cupové těsnění.

Co se stane, když selže cupové těsnění kamenolomového vrtáku?

Jakmile těsnicí kroužek typu cup ztratí svou těsnicí hranu nebo začne protékat přes opotřebovaný stykový povrch, může se čistící kapalina přesunout z vodní komory do rotačního a úderového mechanismu vrtního stroje, kde se smísí s mazacím olejem nebo ho vytlačí. Přítomnost vody ve hydraulickém nebo mazacím oleji urychluje korozní poškození vnitřních součástí, snižuje mazací vlastnosti oleje a může vést k zrychlenému opotřebení, které sahá daleko za samotnou přední hlavu.

Porucha může probíhat i opačným směrem: těsnění, které ztratilo svůj úchop na nástavci vrtáku, může umožnit únik vrtní kapaliny ven kolem nástavce místo jejího průtoku dolů vrtanou dírou; to se projevuje viditelným únikem na přední straně stroje a poklesem průtoku čistící kapaliny, který skutečně dosahuje vrtáku – což snižuje účinnost odstraňování třísek z vrtané díry.

Fotografie 2: Opotřebovaný těsnicí kroužek typu cup a nástavec vrtáku

Jak poznáte, že se u vašeho horního vrtáku porouchal těsnicí kroužek typu cup?

Zpravidla se porucha těsnicího kroužku typu cup projevuje kombinací následujících příznaků:

• Viditelná voda nebo čistící kapalina unikající z přední hlavy během provozu.
• Mléčný nebo zbarvený vzhled hydraulického nebo mazacího oleje v vrtném stroji, což naznačuje kontaminaci vodou.
• Snížený průtok nebo tlak čistící kapaliny dosahující vrtáku, i když čerpadlo a čistící potrubí fungují normálně.
• Rychlejší než obvykle probíhající koroze nebo pitting viditelný na nástavci vrtáku v místě, kde prochází přední hlavou.
• Zvýšené opotřebení nebo poškození ložisek vodní skříně při příštím demontáži.

Následující tabulka tyto příznaky propojuje s pravděpodobnými příčinami a logickou první kontrolou.

Protože kontaminace vodou a mechanické opotřebení mohou způsobit překrývající se příznaky, otevření přední hlavy a prohlídka těsnění, jeho sedla a těsnicí plochy adaptéru společně poskytují spolehlivější odpověď než posouzení na základě jediného příznaku.

Fotografie 3: Opotřebení těsnicí plochy adaptéru hřídele

Co způsobuje předčasné opotřebení těsnění typu cup?

Několik faktorů nezávisle zkracuje životnost těsnění typu cup a často se navzájem zesilují:

• Abrazivní jemné částice ve vodě pro promývání nebo ve vracených třískech, které působí jako lapovací hmota proti okraji těsnění a povrchu adaptéru.
• Korozivní nebo mineralizovaná (včetně slaná) voda pro promývání, běžná na mnoha dolech a pobřežních lokalitách, která postupně vyvolává pórnutí a drsnost těsnicí plochy adaptéru.
• Provoz vrtáku bez vody nebo za nedostatečného tlaku promývací vody, což může způsobit, že těsnění bude pracovat za vysoké teploty proti povrchu adaptéru místo toho, aby se pohybovalo po tenké vrstvě kapaliny.
• Radiální vůle v upínacím pouzdru způsobená opotřebenými podpěrnými kroužky, která nutí těsnění pracovat proti povrchu, který se kýve, místo aby běžel rovnoměrně.
• Nesprávný výběr materiálu těsnění vzhledem ke složení vody nebo teplotě na daném místě, podrobněji popsáno ve specializovaném srovnání materiálů.

Stav povrchu samotného upínacího pouzdra si zde vyžaduje zvláštní pozornost, protože obecné inženýrství opotřebení spojuje ztrátu materiálu přímo s tvrdostí povrchu vztahem obecného tvaru:

W = K / Hn (2)

kde W je objem opotřebení, H je povrchová tvrdost součásti s vyšší odolností proti opotřebení, K je konstanta závislá na párování materiálů a podmínkách kontaktu a n je index opotřebení, obvykle mezi 1 a 2. Výzkum tepelného zpracování materiálu závitu vrtacího nástroje potvrzuje praktickou stránku tohoto vztahu: parametry kalení, které zvyšují povrchovou tvrdost měřitelně, zlepšují odolnost proti opotřebení, zatímco nedostatečné nebo nadměrné popouštění ponechává zbytkové napětí nebo hrubší zrnitou strukturu, čímž tuto odolnost oslabuje. Význam pro těsnicí kroužek typu cup je přímý – korozní jamky na těsnicí ploše adaptéru představují funkčně lokální ztrátu této ztvrdlé vrstvy, takže poškozený adaptér může urychlit opotřebení těsnicího kroužku i tehdy, je-li samotný kroužek v dobrém stavu a správně nainstalován.

Jak ovlivňuje opotřebení adaptéru závitu a pouzdra životnost těsnicího kroužku typu cup?

Těsnění ve tvaru kalíšku nefunguje izolovaně od zbytku přední hlavice. Těsnicí adaptér je obvykle podepřen opěrnými vložkami, které ho udržují v přesné poloze uvnitř vodní komory; s opotřebením těchto vložek se adaptér může více pohybovat ve směru poloměru během rotace a nárazů. Tento nadměrný poloměrový pohyb se přímo přenáší na těsnění ve tvaru kalíšku, které se nyní musí pružně deformovat a znovu přizpůsobit povrchu, jehož trajektorie se neustále kýve, místo aby byla hladká a soustředná.

To je častý důvod, proč „nové“ těsnění ve tvaru kalíšku selže znovu již po krátké době: pokud nejsou při výměně pečlivě zkontrolovány opěrné vložky i těsnicí plocha adaptéru a v případě potřeby neprovedena jejich výměna nebo oprava, nové těsnění je okamžitě vystaveno stejnému nepravidelnému zatížení, které způsobilo opotřebení toho starého.

Jak vybrat správné náhradní těsnění ve tvaru kalíšku?

Po potvrzení poruchy a otevření přední hlavice pro kontrolu rozhodují o správné náhradě tři věci:

• Přesná shoda rozměrů a profilu s originální součástí výrobce. Geometrie těsnění vodního boxu, tvar okraje a rozměry drážky jsou specifické pro daný model kamenolomového vrtáku a obecně nejsou zaměnitelné mezi jednotlivými značkami.
• Materiál vhodný pro vodu používanou k čištění na daném místě a pro teplotní podmínky. Těsnění typu cup se nejčastěji dodávají z polyuretanu nebo FKM v závislosti na míře opotřebení, složení vody a teplotě – tento rozdíl je podrobně popsán v doprovodném článku o materiálech těsnění typu cup.
• Potvrzení, že těsnící plocha převodového čepu a vodního boxu i ložiskové vložky vodního boxu jsou v toleranci, protože správně vybrané těsnění namontované na opotřebovaný nebo poškozený převodový čep nedosáhne očekávané životnosti.

Fotografie4 ：Srovnání materiálů náhradních těsnění typu cup

Kde lze zakoupit spolehlivé náhradní těsnění typu cup?

Protože rozměry a profily okraje těsnění typu cup jsou specifické pro každý model kamenolomového vrtáku, jejich zakoupení závisí na nalezení dodavatele, který dokáže přesně odpovědět na číslo dílu vašeho stroje, nikoli na obecném popisu „těsnění typu cup“.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd., čínský výrobce těsnění založený v roce 2013, vyrábí těsnicí komponenty z PU, pryže a PTFE pro hydraulické kladiva a hydraulické drtiče, které jsou křížově odkazovány na hlavní značky, jako jsou Atlas Copco, Epiroc furukawa, Montabert, Sandvik a Tamrock, mezi jinými, a uvádí, že poskytuje bezplatnou technickou podporu pro potvrzení správného čísla dílu, rozměrů a třídy materiálu pro daný model kladiva ještě před zahájením objednávky.

Pokud si nejste jisti, jaké těsnění typu cup seal vaše zařízení vyžaduje, nejspolehlivějším způsobem, jak získat těsnění, které skutečně sedí a má dlouhou životnost, je poskytnout dodavateli model kladiva, číslo dílu přední hlavy nebo vodního boxu a poznámku k kvalitě vody pro promývání na vaší staveništní lokalitě (sladká, slaná nebo abrazivní), aby mohl dodavatel provést křížové porovnání s technickými specifikacemi výrobce.

Obrázek 5: Balený komplet těsnění typu cup seal pro kladivo

1. Zhou B., Zhao Y., Zhang H., Liu F., Zhu W. „Analýza vlivu promývání na výkon mechanického těsnění.“ Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2023, 52(05): 269–272.
2. Han Z. „Analýza vlivu různých parametrů tepelného zpracování na tvrdost a odolnost proti opotřebení ocasních částí vrtných kladiv.“ Zhejiang Pulanka Drilling Tools Co., Ltd., technická zpráva, 2026.
3. Zhang H., Liu X., Wang J., Sun M. „Výzkum konstrukčního návrhu a simulačního pohybu nového kompozitního rotujícího rázového vrtného nástroje.“ Journal of Mechanical Strength, 2017, 39(2): 392–396.