I hydrauliske stenborere fremstillet i Kina tilføres rotationsenheden normalt vand fra siden. Valget af tætningsmateriale og -design har stor indflydelse på, hvor effektiv tætningen er og hvor længe den holder – hvilket igen påvirker boremaskinens samlede ydeevne.

1. Hvordan vandtætningen belastes og hvad den kræver

Sidefødesystemet til vand på en hydraulisk stenborerotationssystem består hovedsageligt af tre dele: et vandmænke (1), en vandtætning (2) og en skaftende (3) (se fig. 1). Når boreren er i drift, roterer skaftenden samtidig med, at den bevæger sig frem og tilbage langs aksen med høj frekvens og overfører støddenergi. De tekniske data for vandtætningen på den hydrauliske stenborer YYC250B er: skaftrotationshastighed 220 o/min, skaftstødfrekvens 60 Hz, spülvandstryk 1 MPa, borehastighed 110 cm/min. Disse tal viser, at vandtætningen udsættes for en kombineret friktionsbelastning forårsaget af højfrekvent aksial hamring og rotation. Af denne grund skal tætningsmaterialet have følgende egenskaber:

1. God vandstabilitet – det må ikke svulme eller krympe betydeligt i vand og må ikke opløses, blødgøres eller hærdes.
2. God elastisk genopretning – det skal genoprette sig godt og ikke deformeres permanent.
3. God slidstyrke – lav friktionskoefficient.
4. Høj mekanisk styrke — god trækstyrke, hårdhed og revbestandighed.
5. Ingen reaktion med metaldele — ingen klebning, ingen korrosion.

Efter at have sammenlignet mulighederne valgte vi polyurethan som tætningsmateriale. Dets molekylære struktur indeholder urethangrupper, hvilket giver det en høj mekanisk styrke — ca. 1 til 4 gange så stor som den for nitrilkautkuk. Dets slidbestandighed er fremragende, ca. 10 til 15 gange bedre end den for naturlig gummi. Det har også god oliebestandighed (mere end 5 gange bedre end nitrilkautkuk) og yder godt ved ozon- og aldringsbestandighed.

Det bør bemærkes, at polyurethan forekommer i to hovedtyper med forskellige kvaliteter, og valget påvirker, hvor effektivt tætningen virker. Den første type er polyesterbaseret polyurethan (kvaliteter som Dongfeng-1 og JA3). Den anden type er polyetherbaseret polyurethan (kvaliteter som JA2 og JA5). Polyester-typen har gode mekaniske egenskaber, men dens modstand mod vand er dårlig – vand reagerer kemisk med de polære grupper i elastomernetværket og nedbryder strukturen. Jo flere polære grupper der er i netværket, jo dårligere er vandmodstanden. Polyether-typen har færre polære grupper, så dens vandmodstand er mere end fem gange bedre end polyester-typens. Dog lagrer æterbindingerne i polyether-typen mindre energi, hvorfor dens mekaniske styrke ikke er lige så god som polyester-typens. Den oplagte løsning er at kombinere styrkerne fra begge typer. Ved at blande de to typer og tilføje et slidstærkt fyldstof opnår vi et materiale med både god mekanisk ydeevne og god vandmodstand. For at realisere dette samarbejdede vi med en fabrik for gummiartikler (en polyurethanproducent) om fremstilling af et specialudviklet blandet polyurethanmateriale. Tests viste, at tætninger fremstillet af dette materiale har betydeligt bedre tætningsydelse og levetid.

2. Valg af tætningsringstype

Givet belastningsforholdene på vandtætningen for rotationsenheden valgte vi Y-formede tætningsringe. Denne type har tre fordele: (1) selvstænderig tætningsvirkning – når der påføres tryk, presser læberne tættere sammen og sikrer en bedre tætning; (2) lav køremodstand og glat drift; (3) god stabilitet, velegnet til hydrauliske komponenter med hurtigt skiftende tryk. O-formede ringe har tendens til at blive vrænget og beskadiget under disse forhold.

3. Sådan fungerer tætningen

Y-typens ringtætninger tætter primært gennem selvtætningsvirkningen fra deres læber. Fig. 2 viser kontakttrykfordelingen for en Y-type-ring monteret i vandhyldegroven. Ved ingen trykpåvirkning opstår der kun et lille kontakttryk som følge af deformationen af læbespidsen (fig. 2b). Når der påføres indre tryk, siger Pascal’s lov, at hvert punkt i kontakt med væsken i et lukket system modtager en normalkraft, der er lig med det indre tryk. Dette får bunden af tætningsringen til at blive trykket sammen axialt og læberne til at blive trykket sammen cirkulært. Kontaktafladen mellem læben og skaftet øges, og kontakttrykket stiger også (fig. 2c). Når det indre tryk stiger yderligere, ændres trykfordelingen og -størrelsen endnu mere (fig. 2d), hvilket presser læberne endnu tættere mod akslen – dette er den såkaldte «selvtætningsvirkning». Det er derfor, Y-typens ring er velegnet til denne vandtætningsanvendelse.

4. Hvordan læbeformen påvirker tætningsevnen og levetiden

Trykfordelingen ved kontaktfladen er tæt forbundet med læbernes form. Nøglen til en god tætning med en læbeformet ring er trykfordelingen over den tætnende kontaktbane samt spidstrykket ved læbespidsen. Figur 3a sammenligner tætningsvirkningen af Y-formede ringe med og uden afskæring på forlæben. Ringen med afskæring har en tydelig trykpik på den tætnende kontaktbane, hvilket bedst opfylder kravene til ydeevnen for læbeformede tætninger. Ved at vælge den rigtige forlæbevinkel θ kan utætheden betydeligt reduceres – ved θ > 30° er utætheden kun halvdelen af hvad den er ved θ = 0°. Figur 3b sammenligner tætningsvirkningen med og uden afskæring på baglæben (hælen). I modsætning til forlæben skaber en afskæring på hælen under arbejdstryk en anden trykpik, som blokerer for vandets tilbagestrømning og øger utætheden. Uden afskæring på hælen opstår der ingen anden trykpik, og tætningen fungerer bedre.

5. Hvordan konstruktionsparametre påvirker tætning og levetid

En veludformet tætningsring giver materialet mulighed for at yde på sit bedste. For Y-typens ring er forholdet mellem dimensionen l og dimensionen h (se fig. 4) en af de vigtigste faktorer for ydelse og levetid. I praksis kan ringen ved forholdet l/h = 1 holde utætheden lav i længere tid. Derfor bør værdien af l/h holdes på 1 for optimal tætning.

Efter at tætningsringen har været i brug i en tid, vil læben gradvist slittes. Hvis læben ikke kan kompensere for denne slid, vil utætheder opstå. Vægtykkelsen b på læben skal vælges ud fra materialets mekaniske egenskaber og skaftets diameter. Målet er at sikre, at læben har tilstrækkelig stivhed, samtidig med at den stadig kan bøjes og kompensere for slid.

6. Montering af læbetætningsring

Hvis tætningsringen ikke håndteres omhyggeligt under montering, kan den ridses eller deformeres, hvilket påvirker kvaliteten og muligvis gør den ubrugelig. Følgende punkter skal overholdes:

• Den del, hvor tætningsringen monteres (vandmøllen), skal have en 15° til 30° afskæring på endefladen for at forhindre, at ringen ridser, når den skubbes ind fra enden.
• Alle huller, som ringen skal passere igennem, skal også have en 15° til 30° afskæring.
• Anvend fedt eller arbejdsole på monteringsområdet før installation for at reducere monteringskraften.
• Undgå at overstrække ringen under installation, da dette kan medføre permanent plastisk deformation.

Sammenfattende er valg af den rigtige tætningsmateriale, anvendelse af en solid konstruktion samt omhyggelig behandling under installation nøglen til at forbedre tætningsydelsen og levetiden for rotationsenheder i hydrauliske stenborde. I praksis har den her beskrevne fremgangsmåde givet gode resultater – lækkage er faldet, og levetiden er stærkt øget.