U čínských hydraulických vrtních kladiv je rotační jednotka obvykle chlazena vodou přiváděnou ze strany. Volba materiálu těsnění a jeho konstrukce má významný vliv na účinnost a životnost těsnění — což následně ovlivňuje celkový výkon vrtního kladiva.

1. Způsob zatížení těsnění vody a jeho požadavky

Boční systém přívodu vody na rotační jednotce hydraulického kamenolomního vrtáku se skládá převážně ze tří částí: vodního pouzdra (1), vodotěsného těsnění (2) a zadní části vrtáku (3) (viz obr. 1). Při provozu vrtáku se zadní část vrtáku otáčí a současně se pohybuje ve vysokofrekvenčním axiálním pohybu tam a zpět, čímž přenáší nárazovou energii. Provozní parametry vodotěsného těsnění hydraulického kamenolomního vrtáku YYC250B jsou následující: rychlost otáčení zadní části vrtáku 220 ot./min, frekvence nárazů zadní části vrtáku 60 Hz, tlak průmyslové vody 1 MPa, rychlost vrtání díry 110 cm/min. Tyto údaje ukazují, že vodotěsné těsnění je zatíženo kombinovanou třecí zátěží způsobenou vysokofrekvenčním axiálním bušením a otáčením. Z tohoto důvodu musí mít materiál těsnění následující vlastnosti:

1. Dobrá stabilita ve vodě – nesmí se ve vodě výrazně rozpínat ani smršťovat a nesmí se ve vodě rozpouštět, měknout ani tvrdnout.
2. Dobrá elastická obnovitelnost – musí se dobře vrátit do původního tvaru a nesmí trvale deformovat.
3. Dobrá odolnost proti opotřebení – nízký koeficient tření.
4. Vysoká mechanická pevnost — dobrá pevnost v tahu, tvrdost a odolnost proti trhání.
5. Žádná reakce s kovovými díly — žádné lepení, žádná koroze.

Po porovnání možností jsme zvolili polyuretan jako materiál těsnění. Jeho molekulární struktura obsahuje skupiny urethanu, čímž získává vysokou mechanickou pevnost — přibližně 1 až 4krát vyšší než nitrilový kaučuk. Jeho odolnost proti opotřebení je vynikající, asi 10 až 15krát lepší než u přírodního kaučuku. Má také dobrou odolnost proti olejům (více než 5krát lepší než nitrilový kaučuk) a dobře se chová z hlediska odolnosti proti ozonu a stárnutí.

Je třeba poznamenat, že polyuretan je dostupný ve dvou hlavních typech s různými třídami, přičemž výběr ovlivňuje účinnost těsnění. Prvním typem je polyuretan na bázi polyesteru (třídy jako Dongfeng-1 a JA3). Druhým typem je polyuretan na bázi polyetheru (třídy jako JA2 a JA5). Polyesterový typ má dobré mechanické vlastnosti, avšak jeho odolnost vůči vodě je špatná – voda s polárními skupinami v elastomerní síti reaguje chemicky, čímž strukturu rozkládá. Čím více polárních skupin síť obsahuje, tím horší je odolnost vůči vodě. Polyetherový typ obsahuje méně polárních skupin, a proto je jeho odolnost vůči vodě více než pětkrát lepší než u typu polyesterového. Avšak protože etherové vazby v polyetherovém typu ukládají méně energie, není jeho mechanická pevnost taková jako u typu polyesterového. Zřejmým řešením je spojit silné stránky obou typů. Smícháním obou typů a přidaním vysoce odolného plniva získáme materiál, který má jak dobrou mechanickou výkonnost, tak i dobrou odolnost vůči vodě. K tomuto účelu jsme spolupracovali s továrnou na gumové výrobky (výrobcem polyuretanu) na výrobě speciálního smíšeného polyuretanového materiálu. Zkoušky ukázaly, že těsnění vyrobená z tohoto materiálu mají výrazně lepší těsnicí výkon a delší životnost.

2. Výběr typu těsnicího kroužku

Vzhledem k zatěžovacím podmínkám působícím na vodní těsnění rotační jednotky jsme zvolili těsnicí kroužky typu Y. Tento typ nabízí tři výhody: (1) samotěsnicí účinek – při aplikaci tlaku se ústí kroužku silněji přitisknou a zlepší těsnění; (2) nízký odpor během chodu a hladký provoz; (3) dobrá stabilita, vhodné pro hydraulické součásti s rychle se měnícím tlakem. Kroužky typu O mají za těchto podmínek tendenci se zkroucovat a poškozovat.

3. Princip činnosti těsnění

Y-tvarová těsnění uzavírají především prostřednictvím samotného samočinného těsnění svých ústí. Obr. 2 znázorňuje rozložení kontaktního tlaku Y-tvarového těsnění nasazeného do drážky vodního pláště. V případě žádného tlaku vzniká pouze malý kontaktní tlak deformací špičky ústí (obr. 2b). Jakmile je aplikován vnitřní tlak, Pascalův zákon stanovuje, že v uzavřeném systému působí na každý bod v kontaktu s kapalinou normálová síla rovnající se vnitřnímu tlaku. To má za následek axiální stlačení spodní části těsnícího kroužku a obvodové stlačení ústí. Kontaktní plocha ústí se hřídelí se zvětší a rovněž se zvýší kontaktní tlak (obr. 2c). Pokud dále stoupne vnitřní tlak, změní se rozložení i velikost tlaku ještě více (obr. 2d), čímž se ústí ještě pevněji přitisknou ke hřídeli – toto je tzv. „efekt samočinného těsnění“. Právě proto je Y-tvarové těsnění vhodné pro tuto aplikaci vodního těsnění.

4. Vliv tvaru ústí na těsnění a životnost

Rozložení kontaktního tlaku je úzce spojeno s tvarem ústí. Klíčem k dobrému utěsnění u kroužku typu ústí je rozložení tlaku v oblasti těsnicího kontaktu a špičkový tlak na špičce ústí. Obr. 3a porovnává účinek těsnění Y-kroužků s a bez zaoblení (fase) na předním ústí. Kroužek se zaoblením vykazuje výrazný tlakový vrchol v oblasti těsnicího kontaktu, což nejlépe splňuje požadavky na výkon těsnění typu ústí. Výběrem vhodného úhlu předního ústí θ lze únik výrazně snížit – při θ > 30° je únik pouze poloviční oproti hodnotě při θ = 0°. Obr. 3b porovnává účinek těsnění s a bez zaoblení (fase) na zadním ústí (patě). Na rozdíl od předního ústí zaoblení na patě vytvoří za provozního tlaku druhý tlakový vrchol, který brání zpětnému průtoku vody a zvyšuje únik. Bez zaoblení paty se druhý tlakový vrchol nevytváří a těsnění funguje lépe.

5. Jak návrhové parametry ovlivňují těsnění a životnost

Dobře navržený těsnicí kroužek umožňuje materiálu plně využít svůj potenciál. U Y-tvarého kroužku je jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňujících výkon a životnost poměr rozměru l k rozměru h (viz obr. 4). Z praxe vyplývá, že při poměru l/h = 1 kroužek udržuje nízkou únikovost po delší dobu. Pro optimální těsnění by tedy měl být poměr l/h udržován na hodnotě 1.

Dále se po určité době provozu těsnicího kroužku opotřebí ústí jeho ústní části. Pokud ústní část není schopna kompenzovat toto opotřebení, začne docházet k úniku. Tloušťka stěny ústní části b se má volit na základě mechanických vlastností materiálu a průměru hřídele. Cílem je zajistit, aby ústní část měla dostatečnou tuhost, ale zároveň zůstala pružná a schopná kompenzovat opotřebení.

6. Montáž těsnicího kroužku s ústní částí

Pokud není těsnicí kroužek při montáži zacházen s ním opatrně, může být poškrában nebo deformován, což ovlivní jeho kvalitu a může jej činit nepoužitelným. Je třeba dodržet následující body:

• Část, do které se těsnicí kroužek nasazuje (vodní plášť), by měla mít na koncové ploše 15° až 30° výřez, aby nedošlo k poškození kroužku při jeho zasunutí z konce.
• Každý otvor, kterým kroužek musí projít, by měl rovněž mít 15° až 30° výřez.
• Před montáží naneste na montážní plochu mazivo nebo pracovní olej, abyste snížili montážní sílu.
• Při montáži se vyhýbejte přílišnému protažení kroužku, protože to může způsobit trvalou plastickou deformaci.

Shrnutím lze říci, že výběr vhodného těsnicího materiálu, použití kvalitního návrhu a opatrnost při montáži jsou klíčové pro zlepšení těsnicího výkonu a životnosti rotačních jednotek hydraulických kamenolomových vrtaček. V praxi se popsaný postup osvědčil – úniky se snížily a životnost výrazně vzrostla.