Στα υδραυλικά τρυπανικά βράχων που κατασκευάζονται στην Κίνα, η μονάδα περιστροφής τροφοδοτείται συνήθως με νερό από την πλευρά. Η επιλογή του υλικού και του σχεδιασμού της σφράγισης επηρεάζει σημαντικά την αποτελεσματικότητα και τη διάρκεια ζωής της σφράγισης — γεγονός που επηρεάζει με τη σειρά του τη συνολική απόδοση του τρυπανικού.

1. Πώς φορτώνεται η σφράγιση νερού και τι απαιτείται

Το πλευρικό σύστημα τροφοδοσίας νερού σε μια υδραυλική μονάδα διάτρησης βράχων με περιστροφή αποτελείται κυρίως από τρία μέρη: ένα μανίκιο νερού (1), ένα στεγανωτικό δακτύλιο νερού (2) και μια ουρά άξονα (3) (βλ. Σχήμα 1). Κατά τη λειτουργία της διατρύτρας, η ουρά άξονα περιστρέφεται ταυτόχρονα και εκτελεί επαναλαμβανόμενη επιμήκη κίνηση κατά μήκος του άξονα με υψηλή συχνότητα, μεταφέροντας ενέργεια κρούσης. Οι λειτουργικές παράμετροι του στεγανωτικού δακτυλίου νερού της υδραυλικής διατρύτρας βράχων YYC250B είναι οι εξής: ταχύτητα περιστροφής ουράς άξονα 220 στρ/λεπτό, συχνότητα κρούσης ουράς άξονα 60 Hz, πίεση πλύσιμος νερού 1 MPa, ταχύτητα διάτρησης οπών 110 cm/λεπτό. Αυτοί οι αριθμοί δείχνουν ότι το στεγανωτικό δακτύλιο υπόκειται σε συνδυασμένο φορτίο τριβής που προκαλείται από την υψηλής συχνότητας επιμήκη κρούση και την περιστροφή. Για τον λόγο αυτό, το υλικό του στεγανωτικού δακτυλίου πρέπει να διαθέτει τις ακόλουθες ιδιότητες:

1. Καλή σταθερότητα στο νερό — δεν πρέπει να διογκώνεται ή να συρρικνώνεται σημαντικά στο νερό, ούτε να διαλύεται, να μαλακώνει ή να σκληραίνει.
2. Καλή ελαστική ανάκαμψη — πρέπει να επανέρχεται αποτελεσματικά και να μην παραμένει μόνιμα παραμορφωμένο.
3. Καλή αντοχή στη φθορά — χαμηλός συντελεστής τριβής.
4. Υψηλή μηχανική αντοχή — καλή εφελκυστική αντοχή, σκληρότητα και αντίσταση στην διάρρηξη.
5. Δεν προκαλεί αντίδραση με μεταλλικά εξαρτήματα — δεν κολλάει, δεν προκαλεί διάβρωση.

Μετά τη σύγκριση των διαθέσιμων επιλογών, επιλέξαμε το πολυουρεθάνιο ως υλικό σφράγισης. Η μοριακή του δομή περιέχει ομάδες ουρεθάνιου, προσδίδοντάς του υψηλή μηχανική αντοχή — περίπου 1 έως 4 φορές υψηλότερη από αυτήν του νιτριλοκαουτσούκ. Η αντοχή του στη φθορά είναι εξαιρετική, περίπου 10 έως 15 φορές καλύτερη από αυτήν του φυσικού καουτσούκ. Διαθέτει επίσης καλή αντίσταση στα λάδια (περισσότερο από 5 φορές καλύτερη από αυτήν του νιτριλοκαουτσούκ) και παρουσιάζει καλή απόδοση όσον αφορά την αντίσταση στο όζον και στη γήρανση.

Πρέπει να σημειωθεί ότι το πολυουρεθάνιο υπάρχει σε δύο κύριους τύπους με διαφορετικές βαθμίδες, και η επιλογή επηρεάζει την αποτελεσματικότητα της σφράγισης. Ο πρώτος τύπος είναι το πολυουρεθάνιο με βάση το πολυεστέρα (βαθμίδες όπως Dongfeng-1 και JA3). Ο δεύτερος τύπος είναι το πολυουρεθάνιο με βάση το πολυαιθέρα (βαθμίδες όπως JA2 και JA5). Ο τύπος με βάση τον πολυεστέρα παρουσιάζει καλές μηχανικές ιδιότητες, αλλά η αντοχή του στο νερό είναι μειωμένη — το νερό αντιδρά χημικά με τις πολικές ομάδες στο δίκτυο ελαστομερούς, καταστρέφοντας τη δομή. Όσο περισσότερες πολικές ομάδες υπάρχουν στο δίκτυο, τόσο χειρότερη είναι η αντοχή στο νερό. Ο τύπος με βάση τον πολυαιθέρα περιέχει λιγότερες πολικές ομάδες, γεγονός που καθιστά την αντοχή του στο νερό πάνω από 5 φορές καλύτερη από αυτήν του τύπου με βάση τον πολυεστέρα. Ωστόσο, επειδή οι αιθερικοί δεσμοί στον πολυαιθερικό τύπο αποθηκεύουν λιγότερη ενέργεια, η μηχανική του αντοχή δεν είναι τόσο καλή όσο αυτή του πολυεστερικού τύπου. Η προφανής λύση είναι να συνδυαστούν οι δυνατότητες και των δύο τύπων. Με την ανάμειξη των δύο τύπων και την προσθήκη ενός γεμίσματος ανθεκτικού στη φθορά, μπορούμε να παράγουμε ένα υλικό που συνδυάζει τόσο καλή μηχανική απόδοση όσο και καλή αντοχή στο νερό. Για τον σκοπό αυτό, συνεργαστήκαμε με ένα εργοστάσιο ελαστομερών προϊόντων (κατασκευαστή πολυουρεθανίου) για την παραγωγή ενός εξειδικευμένου, αναμεμειγμένου υλικού πολυουρεθανίου. Δοκιμές έδειξαν ότι οι σφραγίδες που κατασκευάστηκαν από αυτό το υλικό παρουσιάζουν σημαντικά καλύτερη απόδοση σφράγισης και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.

2. Επιλογή του τύπου δακτυλίου σφράγισης

Λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες φόρτισης που επικρατούν στη σφράγιση νερού της περιστρεφόμενης μονάδας, επιλέξαμε δακτυλίους σφράγισης τύπου Y. Αυτός ο τύπος παρουσιάζει τρεις πλεονεκτήματα: (1) αυτοσφράγιση — όταν εφαρμόζεται πίεση, οι γλώσσες σφικτώνουν περισσότερο και επιτυγχάνεται καλύτερη σφράγιση· (2) χαμηλή αντίσταση λειτουργίας και ομαλή λειτουργία· (3) καλή σταθερότητα, κατάλληλη για υδραυλικά εξαρτήματα με γρήγορες μεταβολές πίεσης. Οι δακτύλιοι τύπου O τείνουν να στρεβλώνονται και να καταστρέφονται υπό αυτές τις συνθήκες.

3. Πώς λειτουργεί η σφράγιση

Οι δακτύλιοι σφράγισης τύπου Y σφραγίζουν κυρίως μέσω της αυτό-σφράγισης που προκαλείται από τα χείλη τους. Το Σχήμα 2 απεικονίζει την κατανομή της επαφής πίεσης ενός δακτυλίου σφράγισης τύπου Y που έχει τοποθετηθεί στην αυλάκωση της μανικέτας νερού. Σε κατάσταση απουσίας πίεσης, δημιουργείται μόνο μια μικρή πίεση επαφής λόγω της παραμόρφωσης της άκρης του χείλους (Σχήμα 2β). Μόλις εφαρμοστεί εσωτερική πίεση, ο νόμος του Pascal δηλώνει ότι, σε ένα κλειστό σύστημα, κάθε σημείο που βρίσκεται σε επαφή με το υγρό δέχεται μια κάθετη δύναμη ίση με την εσωτερική πίεση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αξονική συμπίεση της βάσης του δακτυλίου σφράγισης και την περιφερειακή συμπίεση των χειλών. Η επιφάνεια επαφής των χειλών με τον κορμό αυξάνεται, ενώ αυξάνεται επίσης και η πίεση επαφής (Σχήμα 2γ). Όταν η εσωτερική πίεση αυξηθεί περαιτέρω, η κατανομή και το μέγεθος της πίεσης αλλάζουν ακόμη περισσότερο (Σχήμα 2δ), προκαλώντας την ακόμη σφιχτότερη προσκόλληση των χειλών στον άξονα — αυτό είναι το «φαινόμενο αυτό-σφράγισης». Γι’ αυτόν τον λόγο ο δακτύλιος σφράγισης τύπου Y είναι κατάλληλος για τη συγκεκριμένη εφαρμογή σφράγισης με νερό.

4. Πώς η μορφή του χείλους επηρεάζει τη σφράγιση και τη διάρκεια ζωής

Η κατανομή της επαφικής πίεσης σχετίζεται στενά με το σχήμα των χειλών. Το κλειδί για μια καλή στεγανοποίηση σε δακτύλιο τύπου χείλους είναι η κατανομή της πίεσης κατά μήκος της ζώνης επαφής στεγανοποίησης και η πικ πίεση στην κορυφή του χείλους. Το Σχ. 3α συγκρίνει την αποτελεσματικότητα στεγανοποίησης δακτυλίων τύπου Y με και χωρίς βέργα στο εμπρόσθιο χείλος. Ο δακτύλιος με βέργα παρουσιάζει σαφή πικ πίεση στη ζώνη επαφής στεγανοποίησης, γεγονός που ικανοποιεί καλύτερα τις απαιτήσεις για την απόδοση στεγανοποίησης τύπου χείλους. Με την επιλογή της κατάλληλης γωνίας θ του εμπρόσθιου χείλους, η διαρροή μπορεί να μειωθεί σημαντικά — όταν θ > 30°, η διαρροή είναι μόνο το μισό της διαρροής που παρατηρείται όταν θ = 0°. Το Σχ. 3β συγκρίνει την αποτελεσματικότητα στεγανοποίησης με και χωρίς βέργα στο οπίσθιο χείλος (πτέρνα). Σε αντίθεση με το εμπρόσθιο χείλος, η βέργα στην πτέρνα δημιουργεί ένα δεύτερο πικ πίεσης υπό εργασιακή πίεση, το οποίο εμποδίζει την αντίστροφη ροή του νερού, αλλά αυξάνει τη διαρροή. Χωρίς βέργα στην πτέρνα, δεν παρατηρείται δεύτερο πικ πίεσης και η στεγανοποίηση λειτουργεί καλύτερα.

5. Πώς οι παράμετροι σχεδιασμού επηρεάζουν τη στεγανοποίηση και τη διάρκεια ζωής

Ένας καλά σχεδιασμένος δακτύλιος σφράγισης επιτρέπει στο υλικό να εκμεταλλευτεί πλήρως τις δυνατότητές του. Για τον δακτύλιο τύπου Y, ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση και τη διάρκεια ζωής είναι η σχέση μεταξύ της διάστασης l και της διάστασης h (βλ. Σχήμα 4). Από πρακτική άποψη, όταν ο λόγος l/h = 1, ο δακτύλιος μπορεί να διατηρήσει χαμηλές απώλειες επί μακρόν. Για βέλτιστη σφράγιση, ο λόγος l/h πρέπει να διατηρείται στην τιμή 1.

Επιπλέον, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα λειτουργίας της σφράγισης, η άκρη της γλώσσας φθείρεται. Εάν η γλώσσα δεν μπορεί να αντισταθμίσει αυτήν τη φθορά, αρχίζουν οι απώλειες. Το πάχος του τοιχώματος της γλώσσας b πρέπει να επιλέγεται με βάση τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού και τη διάμετρο του στελέχους. Ο στόχος είναι να διασφαλιστεί ότι η γλώσσα έχει επαρκή σκληρότητα, ενώ παράλληλα διατηρεί την ευελαστικότητά της για να αντισταθμίζει τη φθορά.

6. Τοποθέτηση του δακτυλίου σφράγισης με γλώσσα

Εάν ο δακτύλιος σφράγισης δεν χειριστεί με προσοχή κατά την τοποθέτηση, μπορεί να χαραχτεί ή να παραμορφωθεί, γεγονός που επηρεάζει την ποιότητα και ενδέχεται να τον καθιστά μη χρησιμοποιήσιμο. Πρέπει να τηρούνται τα ακόλουθα σημεία:

• Το τμήμα όπου τοποθετείται ο σφραγιστικός δακτύλιος (η μανίκα νερού) πρέπει να διαθέτει κεκλιμένη επιφάνεια γωνίας 15° έως 30° στην άκρη, προκειμένου να αποφευχθεί η γρατζουνιά του δακτυλίου κατά την εισαγωγή του από το άκρο.
• Οποιαδήποτε ανοιγματική οπή που πρέπει να διαπεράσει ο δακτύλιος πρέπει επίσης να διαθέτει κεκλιμένη επιφάνεια γωνίας 15° έως 30°.
• Εφαρμόστε λίπανση ή λειτουργικό λάδι στην περιοχή τοποθέτησης πριν από την εγκατάσταση, προκειμένου να μειωθεί η απαιτούμενη δύναμη συναρμολόγησης.
• Αποφύγετε την υπερβολική επιμήκυνση του δακτυλίου κατά την εγκατάσταση, καθώς αυτό μπορεί να προκαλέσει μόνιμη πλαστική παραμόρφωση.

Συνοψίζοντας, η επιλογή του κατάλληλου υλικού σφράγισης, η χρήση μιας αξιόπιστης σχεδιαστικής λύσης και η προσοχή κατά την εγκατάσταση αποτελούν τα κλειδιά για τη βελτίωση της απόδοσης σφράγισης και της διάρκειας ζωής των μονάδων περιστροφής υδραυλικών διατρητικών μηχανημάτων βράχων. Στην πράξη, η προσέγγιση που περιγράφεται εδώ έχει αποδώσει καλά αποτελέσματα — οι διαρροές έχουν μειωθεί και η διάρκεια ζωής έχει αυξηθεί σημαντικά.