Bei hydraulischen Felsbohrmaschinen aus chinesischer Produktion erfolgt die Wasserversorgung der Dreh-Einheit üblicherweise seitlich. Die Wahl des Dichtungsmaterials und des Dichtungsdesigns wirkt sich stark auf die Wirksamkeit und Lebensdauer der Dichtung aus – was wiederum die Gesamtleistung der Bohrmaschine beeinflusst.

1. Wie die Wasserdichtung belastet wird und welche Anforderungen sie erfüllen muss

Das seitliche Wasserzuführsystem an einer hydraulischen Felsbohrmaschine mit Rotationsfunktion besteht hauptsächlich aus drei Komponenten: einer Wassermanschette (1), einer Wasserdichtung (2) und einem Schaftende (3) (siehe Abb. 1). Während des Betriebs der Bohrmaschine rotiert das Schaftende und bewegt sich gleichzeitig mit hoher Frequenz axial hin und her, wodurch Schlagenergie übertragen wird. Die Betriebsparameter der Wasserdichtung für die hydraulische Felsbohrmaschine YYC250B lauten: Schaftdrehzahl 220 min⁻¹, Schaft-Schlagfrequenz 60 Hz, Spülwasserdruck 1 MPa, Bohrgeschwindigkeit 110 cm/min. Diese Werte zeigen, dass die Wasserdichtung einer kombinierten Reibungsbelastung durch hochfrequente axiale Stöße und Rotation ausgesetzt ist. Aus diesem Grund muss das Dichtungsmaterial folgende Eigenschaften aufweisen:

1. Gute Wasserbeständigkeit – es darf in Wasser weder stark quellen noch schrumpfen und darf sich nicht auflösen, erweichen oder verhärten.
2. Gute elastische Rückstellfähigkeit – es muss sich gut zurückformen und darf keine bleibende Verformung aufweisen.
3. Gute Verschleißfestigkeit – niedriger Reibungskoeffizient.
4. Hohe mechanische Festigkeit — gute Zugfestigkeit, Härte und Reißfestigkeit.
5. Keine Reaktion mit Metallteilen — kein Anhaften, keine Korrosion.

Nach dem Vergleich der Optionen haben wir Polyurethan als Dichtungsmaterial gewählt. Seine molekulare Struktur enthält Urethangruppen, wodurch es eine hohe mechanische Festigkeit aufweist — etwa das 1- bis 4-Fache der Nitrilkautschuk-Festigkeit. Sein Verschleißwiderstand ist ausgezeichnet, etwa 10- bis 15-mal besser als der von Naturkautschuk. Zudem weist es eine gute Ölbeständigkeit auf (mehr als 5-mal besser als Nitrilkautschuk) und überzeugt auch hinsichtlich Ozon- und Alterungsbeständigkeit.

Es ist zu beachten, dass Polyurethan in zwei Haupttypen mit unterschiedlichen Qualitätsstufen erhältlich ist, wobei die Wahl den Dichtungseffekt maßgeblich beeinflusst. Der erste Typ ist polyesterbasiertes Polyurethan (Qualitätsstufen wie Dongfeng-1 und JA3). Der zweite Typ ist polyetherbasiertes Polyurethan (Qualitätsstufen wie JA2 und JA5). Polyesterbasiertes Polyurethan weist gute mechanische Eigenschaften auf, jedoch ist seine Wasserbeständigkeit gering – Wasser reagiert chemisch mit den polaren Gruppen im Elastomernetzwerk und zerstört dadurch die Struktur. Je mehr polare Gruppen im Netzwerk vorhanden sind, desto schlechter ist die Wasserbeständigkeit. Polyetherbasiertes Polyurethan enthält weniger polare Gruppen; daher ist seine Wasserbeständigkeit mehr als fünfmal besser als die des polyesterbasierten Typs. Allerdings speichern die Etherbindungen im polyetherbasierten Typ weniger Energie, weshalb seine mechanische Festigkeit nicht so gut ist wie die des polyesterbasierten Typs. Die naheliegende Lösung besteht darin, die Stärken beider Typen zu kombinieren. Durch eine Mischung beider Typen sowie Zugabe eines verschleißfesten Füllstoffs lässt sich ein Werkstoff erzielen, der sowohl eine gute mechanische Leistung als auch eine hohe Wasserbeständigkeit aufweist. Zu diesem Zweck arbeiteten wir mit einer Gummiwarenfabrik (einem Polyurethan-Hersteller) zusammen, um ein maßgeschneidertes gemischtes Polyurethan-Material herzustellen. Tests zeigten, dass Dichtungen aus diesem Material eine deutlich verbesserte Dichtwirkung und eine längere Lebensdauer aufweisen.

2. Auswahl der Dichtungsringart

Aufgrund der Belastungsbedingungen an der Wasserdichtung der Rotations-Einheit wählten wir Y-förmige Dichtungsringe. Diese Art bietet drei Vorteile: (1) Selbstabdichtungseffekt – bei Anliegen von Druck pressen sich die Lippen fester zusammen und verbessern die Abdichtung; (2) geringer Laufwiderstand und reibungsloser Betrieb; (3) hohe Stabilität, geeignet für hydraulische Komponenten mit schnell wechselndem Druck. O-Ringe neigen unter diesen Bedingungen dazu, sich zu verdrillen und zu beschädigen.

3. Funktionsweise der Dichtung

Die Y-Ring-Dichtungen wirken hauptsächlich durch die Selbstabdichtung ihrer Lippen. Abb. 2 zeigt die Kontakt-Druckverteilung eines Y-Rings, der in der Wassermantel-Nut eingebaut ist. Bei fehlendem Druck entsteht lediglich ein geringer Kontakt-Druck durch die Verformung der Lipenspitze (Abb. 2b). Sobald ein Innendruck aufgebracht wird, besagt das Pascal’sche Gesetz, dass in einem geschlossenen System jeder Punkt, der mit der Flüssigkeit in Kontakt steht, eine normale Kraft erfährt, die dem Innendruck entspricht. Dadurch wird der Boden des Dichtungsringes axial zusammengedrückt und die Lippen werden umlaufend komprimiert. Die Kontaktfläche der Lippe mit dem Schaft vergrößert sich, und der Kontakt-Druck steigt ebenfalls an (Abb. 2c). Wenn der Innendruck weiter ansteigt, ändern sich Verteilung und Betrag des Drucks noch stärker (Abb. 2d), wodurch die Lippen noch fester gegen die Welle gedrückt werden – dies ist der sogenannte „Selbstabdichtungseffekt“. Daher eignet sich der Y-Ring besonders gut für diese Anwendung als Wasserdichtung.

4. Einfluss der Lippenform auf Dichtwirkung und Lebensdauer

Die Kontakt-Druckverteilung hängt eng mit der Form der Lippen zusammen. Der Schlüssel für eine gute Dichtwirkung bei einer lippenförmigen Dichtung ist die Druckverteilung über das Dicht-Kontaktband sowie der Spitzen-Druck an der Lipenspitze. Abb. 3a vergleicht die Dichtwirkung von Y-Ringen mit und ohne Fase an der vorderen Lippe. Der Ring mit Fase weist ein deutliches Druckmaximum im Dicht-Kontaktband auf, was die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit lippenförmiger Dichtungen am besten erfüllt. Durch Wahl des geeigneten vorderen Lippenwinkels θ lässt sich die Undichtigkeit stark reduzieren – bei θ > 30° beträgt die Undichtigkeit nur noch die Hälfte dessen, was sie bei θ = 0° ist. Abb. 3b vergleicht die Dichtwirkung mit und ohne Fase an der hinteren Lippe (Ferse). Im Gegensatz zur vorderen Lippe erzeugt eine Fase an der Ferse unter Betriebsdruck ein zweites Druckmaximum, das das Zurückströmen von Wasser behindert und die Undichtigkeit erhöht. Ohne Fase an der Ferse tritt kein zweites Druckmaximum auf, und die Dichtung arbeitet besser.

5. Wie Konstruktionsparameter die Dichtwirkung und Lebensdauer beeinflussen

Ein gut konstruierter Dichtungsring ermöglicht es dem Material, seine volle Leistungsfähigkeit zu entfalten. Bei dem Y-Ring stellt das Verhältnis zwischen der Abmessung l und der Abmessung h (siehe Abb. 4) einen der wichtigsten Faktoren für Leistung und Lebensdauer dar. In der Praxis bleibt bei einem Verhältnis l/h = 1 die Undichtigkeit über einen längeren Zeitraum gering. Für eine optimale Dichtwirkung sollte daher der Wert l/h bei 1 gehalten werden.

Außerdem verschleißt nach einer gewissen Betriebszeit die Lippenöffnung der Dichtung. Wenn die Lippe diesen Verschleiß nicht kompensieren kann, tritt Undichtigkeit auf. Die Wandstärke b der Lippe ist anhand der mechanischen Eigenschaften des Materials und des Schaftdurchmessers auszuwählen. Ziel ist es, sicherzustellen, dass die Lippe ausreichend steif ist, gleichzeitig aber flexibel genug bleibt, um den Verschleiß auszugleichen.

6. Montage des Lippen-Dichtungsringes

Wenn der Dichtungsring bei der Montage nicht sorgfältig behandelt wird, kann er beschädigt oder verformt werden, was die Qualität beeinträchtigt und möglicherweise zur Unbrauchbarkeit führt. Folgende Punkte sind unbedingt zu beachten:

• Der Bereich, in den der Dichtungsring eingepasst wird (die Wassermanschette), sollte an der Stirnseite eine 15° bis 30° Fase aufweisen, um zu verhindern, dass der Ring beim Einschieben von der Seite beschädigt wird.
• Jede Öffnung, durch die der Ring hindurchgeführt werden muss, sollte ebenfalls eine 15° bis 30° Fase aufweisen.
• Tragen Sie vor der Montage Schmierfett oder Betriebsöl auf die Montagefläche auf, um die erforderliche Montagekraft zu verringern.
• Vermeiden Sie beim Einbau ein übermäßiges Dehnen des Rings, da dies zu einer bleibenden plastischen Verformung führen kann.

Zusammenfassend sind die Auswahl des richtigen Dichtungsmaterials, eine sorgfältige Konstruktion sowie besondere Sorgfalt während der Montage entscheidend, um die Dichtleistung und Lebensdauer hydraulischer Bohrhammer-Drehaggregate zu verbessern. In der Praxis hat der hier beschriebene Ansatz gute Ergebnisse gebracht – Leckagen haben sich verringert und die Lebensdauer ist deutlich gestiegen.