Z jakého materiálu je vyráběno těsnění Rock Drill Cup? Vysvětlení polyuretanu a FKM

Těsnění kovového vrtáku těsnění číše má neobvyklý úkol pro elastomerovou součást: musí zadržovat vodu pro promývání, zatímco se tře o nástavcový dřík, který se současně otáčí a kuje – často po tisíce hodin před výměnou. Materiál, ze kterého je těsnění vytvarováno, přímo ovlivňuje, jak dlouho vydrží kombinaci pohybu, tlaku a expozice vodě. Tento článek se zaměřuje na materiály, které se nejčastěji používají pro těsnění kovových vrtáků ve tvaru šálku, proč byly pro tento konkrétní úkol vybrány a co to znamená pro jejich chování za provozu.

Z čeho je těsnění kovového vrtáku ve tvaru šálku vyrobeno?

Těsnění kovových vrtáků ve tvaru šálku se nejčastěji vyrábí z polyuretanu (PU) nebo fluorokaučuku (FKM), nikoli z běžného akrylonitrilbutadienu (NBR), který se používá pro mnoho jiných hydraulických těsnění na stejném stroji. V závislosti na výrobci se stejná součást může označovat jako těsnění ve tvaru šálku, těsnění pro promývání nebo těsnění přední hlavy, avšak všechna tato označení odkazují na těsnicí prvek umístěný kolem nástavcového dříku uvnitř vodní komory.

Proč je materiál těsnění typu cup důležitější, než se na první pohled zdá?

Většina hydraulických těsnění na kamenolomovém vrtáku musí odolávat pouze oleji, teplotě a tlaku. Těsnění typu cup musí odolávat všem těmto faktorům a navíc samotné vodě – čisté, minerální nebo v mnoha dolech a lomech mírně slané či kyselé – plus neustálé rotaci povrchu, proti kterému těsní, a jemným abrazivním částicím horniny, které se nevyhnutelně dostávají do oběhového systému pro promývání.

Obrázek 1: Průřez sestavou těsnění typu cup

Co je polyuretan (PU) a proč se často používá u těsnění typu cup?

Polyuretan obvykle není konvenční vulkanizovaná pryž, ale litý nebo formovaný elastomerní polymer založený na urethanových vazbách; jeho výraznou vlastností je odolnost proti opotřebení a trhání, která výrazně převyšuje odolnost většiny pryžových směsí. Tato vlastnost velmi dobře odpovídá požadavkům těsnicího kroužku typu cup: není určen pouze k udržení vody, ale musí to dělat i tehdy, když je stlačen proti nepřetržitě se pohybujícímu povrchu, který občas obsahuje drsné částice, a jemné kameny, které se nevyhnutelně dostanou do těsnicí oblasti, působí jako pomalý abrazivní prostředek.

Těsnicí kroužky typu cup z polyuretanu (PU) jsou také často cenově výhodným standardním řešením pro čerstvou nebo mírně mineralizovanou vodu pro praní při běžných okolních a provozních teplotách. Jejich hlavní omezení spočívá v nižší maximální teplotě pro nepřetržitý provoz ve srovnání s FKM a v mírně snížené pružnosti za velmi nízkých teplot, což má větší význam na některých lokalitách než na jiných.

Fotografie 2 ：Formovaný profil okraje těsnicího kroužku typu cup z polyuretanu (PU)

Co je FKM a kdy je upřednostňován před polyuretanem?

FKM (fluoroelastomer) nabízí širší chemickou odolnost než polyuretan, včetně lepší tolerance agresivní nebo chemicky ošetřené prané vody a vyššího limitu teploty pro nepřetržitý provoz. Pokud je praná voda na daném místě kyselá, obsahuje chemické přísady nebo pokud se vrták během dlouhodobého provozu zahřívá, je FKM obecně odolnější volbou.

Nevýhodou je vyšší cena a u některých formulací mírně nižší odolnost proti opotřebení ve srovnání s kvalitním polyuretanovým materiálem. Proto se tyto dva materiály často vedle sebe používají jako alternativy pro stejnou polohu těsnicího kroužku na mnoha typech hornických vrtáků, místo aby jeden prostě nahradil druhý: správná volba závisí spíše na chemickém složení a teplotě vody na konkrétním místě než na univerzálním srovnání obou materiálů.

Obr. 3: Z boku ‑od ‑vizuální porovnání vzorků těsnicích kroužků z FKM a PU z boku

Proč nepoužít standardní NBR jako u ostatních hydraulických těsnění?

NBR je výchozí materiál pro mnoho hydraulických těsnění právě kvůli své výrazné odolnosti vůči minerálním hydraulickým olejům, avšak tato výhoda se nedá dobře přenést na dlouhodobý kontakt s vodou ani na abrazivní zatížení, jemuž je pohárkové těsnění vystaveno. Sloučeniny NBR mají tendenci při dlouhodobém působení vody nabobtnávat a obecně nabízejí nižší odolnost proti opotřebení než PU za špinavých, částicemi nasycených podmínek, které jsou běžné při čistící vodě. Proto se NBR téměř nikdy neuvádí pro samotnou pozici pohárkového těsnění, i když zůstává standardní volbou pro těsnění na olejové straně vrtacího stroje, včetně akumulátoru membrána .

Stojí za zmínku, že NBR není dokonce ani nejodolnější pryž v čisté vodě; vícefaktorové zkoušky trvanlivosti pryžových těsnění pro potrubí pro zásobování vodou a odvodnění ukázaly, že EPDM a silikonová pryž (SR) obecně lépe odolávají dlouhodobému kontaktu s vodou i tepelně-oxidativnímu stárnutí než NBR nebo HNBR. V těchto zkouškách zvýšení teploty na 70 °C způsobilo u HNBR a NBR překročení tlakové deformace 15 % a pokles odrazivosti pod 85 %, zatímco EPDM a silikon vykázaly v testovacím prostředí podobném odpadní vodě mnohem menší nárůst deformace. Důvod, proč se EPDM a silikon stále nepoužívají pro těsnění kovových pohárků vrtáků, není odolnost vůči vodě, ale kompatibilita s olejem: oba materiály se v minerálním hydraulickém oleji výrazně roztahují a těsnění pohárku je umístěno dostatečně blízko ke smazanému mechanismu vrtáku, takže kompatibilita s olejem je skutečnou požadavkem, nikoli okrajovým případem. To připomíná, že „nejlepší“ materiál samostatně vzatý není vždy správnou volbou, jakmile vezmeme v úvahu všechny skutečné podmínky, kterým bude daná součást v praxi vystavena.

Jak se tyto materiály vzájemně porovnávají?

Následující tabulka shrnuje obecné kompromisy popsané výše. Přesný výkon závisí na konkrétním složení sloučeniny použité daným výrobcem.

Fotografie 4: Fyzické porovnání vzorků těsnicích kroužků z PU a FKM

Jak ovlivňuje složení vody (sladká, slaná nebo kyselá) výběr materiálu?

Kvalita vody pro promývání se na různých lokalitách velmi liší. Sladká povrchová voda při běžné lomové práci je relativně mírným prostředím jak pro PU, tak pro FKM. Slaná voda, která se často vyskytuje na některých pobřežních nebo suchých lokalitách, kde je podzemní voda mineralizovaná, urychluje korozní poškození těsnicí plochy nástavce a může zkrátit životnost těsnicího materiálu, který má jen mezní odolnost vůči ní. Kyselá nebo chemicky upravená voda, která se někdy vyskytuje při odvodňování dolů nebo v určitých průmyslových prostředích, zřetelněji upřednostňuje širší chemickou odolnost FKM před běžným PU.

Protože voda pro promývání se na různých lokalitách velmi liší, může stejný model kamenolomního vrtáku rozumně využívat různé materiály těsnicích kroužků na různých staveništích a přizpůsobení těsnění skutečné kvalitě vody na místě je obecně důležitější než použití materiálu, který byl původně dodán s vrtákem.

Jak ovlivňuje rotující a reciproký pohyb životnost těsnění?

Na rozdíl od statického O-kroužek , je těsnicí kroužek v nepřetržitém relativním pohybu vůči nástavci vrtáku: neustále se otáčí a při každém nárazovém cyklu se mírně posouvá ve směru osy. Tento pohyb znamená, že životnost těsnění závisí výrazně na udržení tenké mazací vrstvy vody (nebo směsi vody a vzduchu) mezi okrajem těsnění a povrchem nástavce. Pokud se tato vrstva rozpadne – kvůli nedostatečnému tlaku promývací vody, kontaminaci nebo poškozenému povrchu nástavce – těsnění běží v podstatě suché proti kovu a jak abraze, tak tvorba tepla se prudce zrychlí, bez ohledu na materiál, ze kterého je těsnění vytvořeno.

To je jeden z důvodů, proč životnost těsnění typu cup seal není pouze otázkou materiálu: stav protilehlé povrchové plochy i stabilita tlaku promývací kapaliny ovlivňují, jak dlouho dokáže i nejlépe vybraný materiál těsnění skutečně vydržet.

Jak teplota ovlivňuje výkon materiálu těsnění typu cup seal?

Expozice těsnění typu cup seal teplotě je obecně mírnější než u těsnění na straně oleje, jako je například membrána akumulátoru, protože promývací voda odvádí teplo z přední části hlavy během průtoku. I tak mohou vrtací stroje provozované při vysokém cyklu zatížení v horkém klimatu nebo se sníženým průtokem promývací vody vykazovat vyšší teploty v oblasti těsnění. Nižší horní mez pro nepřetržitý provoz u PU činí tento materiál citlivějším na tuto situaci než FKM, což je jedním z důvodů, proč je trvalý provoz za vysokých teplot častým důvodem pro výběr FKM i v případech, kdy by chemické složení vody samo o sobě tento výběr nevyžadovalo.

Na druhém konci spektra mohou velmi nízké okolní teploty způsobit určité ztuhnutí obou materiálů, avšak PU obecně udržuje použitelnou pružnost v širším praktickém rozsahu než nejnižší teploty v rámci stanoveného rozsahu FKM.

Jak lze identifikovat správný materiál pro podmínky na vašem místě?

Výběr materiálu těsnícího kroužku závisí na faktorech specifických pro dané místo – složení vody, obsah abrazivních částic, okolní a provozní teplota a režim zatížení. Nejspolehlivějším postupem je proto popsat tyto podmínky dodavateli náhradní součásti místo toho, abyste předpokládali, že původní materiál je automaticky nejvhodnější. Těsnění, které se na konkrétním místě opakovaně porouchává dříve, než by mělo, se někdy lépe řeší změnou materiálu než opakováním stejné náhrady.

Pokud jsou k dispozici záznamy nebo katalog dílů, obvykle uvádějí materiál, který byl původně použit; pokud nejsou k dispozici, dodavatel obeznámený s modelem kamenolomového vrtáku obecně potvrdí standardní specifikaci a poradí, zda podmínky vody na místě opravňují k výběru jiného materiálu.

Obr. 5: Kontrola těsnění a vody pro výběr materiálu

1. Hu X. „Komprese, odraz a trvanlivost pryžových těsnicích materiálů pro vodovodní a kanalizační systémy budov za podmínek vícefaktorového působení.“ Fly Ash Comprehensive Utilization, 2026, (04): 155–161.
2. 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.