En los perforadores hidráulicos para roca fabricados en China, la unidad de rotación suele alimentarse de agua lateralmente. La elección del material y el diseño de la junta de estanqueidad tiene una gran influencia en su eficacia y en su durabilidad, lo que a su vez afecta al rendimiento general del perforador.

1. Cómo se carga la junta de estanqueidad para agua y qué requisitos debe cumplir

El sistema de alimentación de agua lateral en una unidad de rotación de perforadora hidráulica para roca está compuesto principalmente por tres partes: una camisa de agua (1), un cierre estanco para agua (2) y una cola del vástago (3) (véase la Fig. 1). Cuando la perforadora está en funcionamiento, la cola del vástago gira y se desplaza alternativamente a lo largo del eje a alta frecuencia, transmitiendo energía de impacto. Los parámetros de funcionamiento del cierre estanco para agua de la perforadora hidráulica para roca YYC250B son los siguientes: velocidad de rotación de la cola del vástago 220 r/min, frecuencia de impacto de la cola del vástago 60 Hz, presión del agua de lavado 1 MPa y velocidad de perforación 110 cm/min. Estos valores indican que el cierre estanco para agua soporta una carga combinada de fricción provocada por el golpeteo axial de alta frecuencia y la rotación. Por este motivo, el material del cierre estanco debe poseer las siguientes propiedades:

1. Buena estabilidad en agua: no debe hincharse ni contraerse significativamente en contacto con el agua, ni disolverse, ablandarse ni endurecerse.
2. Buena recuperación elástica: debe recuperar su forma original eficazmente y no deformarse de forma permanente.
3. Buena resistencia al desgaste: bajo coeficiente de fricción.
4. Alta resistencia mecánica: buena resistencia a la tracción, dureza y rasgado.
5. Sin reacción con piezas metálicas: no se adhiere ni provoca corrosión.

Tras comparar distintas opciones, elegimos el poliuretano como material del sello. Su estructura molecular contiene grupos uretano, lo que le confiere una alta resistencia mecánica —aproximadamente de 1 a 4 veces mayor que la del caucho nitrílico—. Su resistencia al desgaste es excelente, aproximadamente de 10 a 15 veces superior a la del caucho natural. Asimismo, presenta una buena resistencia a los aceites (más de 5 veces mayor que la del caucho nitrílico) y un buen comportamiento frente a la resistencia al ozono y al envejecimiento.

Cabe señalar que el poliuretano se presenta en dos tipos principales, con distintos grados, y la elección afecta directamente el rendimiento de la junta. El primer tipo es el poliuretano basado en poliéster (grados como Dongfeng-1 y JA3). El segundo tipo es el poliuretano basado en poliéter (grados como JA2 y JA5). El tipo poliéster presenta buenas propiedades mecánicas, pero su resistencia al agua es deficiente: el agua reacciona químicamente con los grupos polares de la red elastomérica, provocando su descomposición. Cuantos más grupos polares contenga la red, menor será su resistencia al agua. Por su parte, el tipo poliéter contiene menos grupos polares, por lo que su resistencia al agua es más de cinco veces superior a la del tipo poliéster. Sin embargo, debido a que los enlaces éter del tipo poliéter almacenan menos energía, su resistencia mecánica no es tan buena como la del tipo poliéster. La solución evidente consiste en combinar las ventajas de ambos tipos. Al mezclarlos y añadir un cargamento resistente al desgaste, se obtiene un material que ofrece tanto un buen rendimiento mecánico como una excelente resistencia al agua. Para lograrlo, colaboramos con una fábrica de productos de caucho (fabricante de poliuretano) para desarrollar un material de poliuretano mezclado personalizado. Las pruebas demostraron que las juntas fabricadas con este material presentan un rendimiento de sellado y una vida útil significativamente superiores.

2. Selección del tipo de anillo de sellado

Dadas las condiciones de carga sobre el cierre hidráulico de la unidad de rotación, elegimos anillos de sellado de tipo Y. Este tipo presenta tres ventajas: (1) efecto de auto-sellado: cuando se aplica presión, los labios se comprimen con mayor fuerza y sellan mejor; (2) baja resistencia al deslizamiento y funcionamiento suave; (3) buena estabilidad, adecuado para componentes hidráulicos sometidos a cambios rápidos de presión. Los anillos de tipo O tienden a torcerse y dañarse bajo estas condiciones.

3. Funcionamiento del cierre

Las juntas tóricas en forma de Y sellan principalmente mediante la acción de autosellado de sus labios. La figura 2 muestra la distribución de la presión de contacto de una junta en forma de Y montada en la ranura del manguito de agua. Sin presión, solo se genera una pequeña presión de contacto debido a la deformación de la punta del labio (figura 2b). Una vez aplicada la presión interna, la ley de Pascal establece que, en un sistema cerrado, cada punto en contacto con el fluido recibe una fuerza normal igual a la presión interna. Esto provoca que la base de la junta de sellado se comprima axialmente y que los labios se compriman circunferencialmente. El área de contacto del labio con el vástago aumenta, y también lo hace la presión de contacto (figura 2c). Cuando la presión interna aumenta aún más, la distribución y la magnitud de la presión cambian aún más (figura 2d), ejerciendo una mayor presión sobre los labios contra el eje: este es el «efecto de autosellado». Por ello, la junta en forma de Y resulta especialmente adecuada para esta aplicación de sellado de agua.

4. Cómo la forma del labio afecta al sellado y a la vida útil

La distribución de la presión de contacto está estrechamente relacionada con la forma de los labios. La clave para un buen sellado en un anillo de tipo labial es la distribución de la presión a lo largo de la banda de contacto de sellado y la presión máxima en la punta del labio. La figura 3a compara el efecto de sellado de anillos en forma de Y con y sin bisel en el labio frontal. El anillo con bisel presenta un claro pico de presión en la banda de contacto de sellado, lo que satisface óptimamente los requisitos de rendimiento de los sellos de tipo labial. Al elegir el ángulo adecuado del labio frontal θ, se puede reducir considerablemente la fuga: cuando θ > 30°, la fuga es únicamente la mitad de la que se produce cuando θ = 0°. La figura 3b compara el efecto de sellado con y sin bisel en el labio trasero (talón). A diferencia del labio frontal, un bisel en el talón genera, bajo presión de trabajo, un segundo pico de presión que impide el retroceso del agua y aumenta la fuga. Sin bisel en el talón, no aparece dicho segundo pico de presión y el sellado funciona mejor.

5. Cómo los parámetros de diseño afectan al sellado y a la vida útil

Un anillo de sellado bien diseñado permite que el material funcione a su máximo rendimiento. En el caso del anillo en forma de Y, uno de los factores más importantes para el rendimiento y la vida útil es la relación entre la dimensión l y la dimensión h (véase la Fig. 4). En la práctica, cuando la relación l/h = 1, el anillo mantiene bajas las fugas durante un período más prolongado. Por lo tanto, para lograr el mejor sellado, el valor de l/h debe mantenerse en 1.

Asimismo, tras un tiempo de funcionamiento del sello, la abertura del labio se desgastará. Si el labio no puede compensar dicho desgaste, comenzarán las fugas. El espesor de la pared del labio b debe seleccionarse según las propiedades mecánicas del material y el diámetro del vástago. El objetivo es garantizar que el labio tenga suficiente rigidez, pero que al mismo tiempo conserve la flexibilidad necesaria para compensar el desgaste.

6. Instalación del anillo de sello con labio

Si el anillo de sellado no se manipula con cuidado durante la instalación, puede rayarse o deformarse, lo que afecta su calidad y puede hacerlo inservible. Deben observarse los siguientes puntos:

• La parte donde se monta el anillo de estanqueidad (la camisa de agua) debe tener un bisel de 15° a 30° en la cara final, para evitar que el anillo se raye al introducirlo por el extremo.
• Cualquier abertura por la que deba pasar el anillo también debe tener un bisel de 15° a 30°.
• Aplique grasa u aceite de trabajo en la zona de montaje antes de la instalación para reducir la fuerza de ensamblaje.
• Evite estirar excesivamente el anillo durante la instalación, ya que esto puede provocar una deformación plástica permanente.

En resumen, elegir el material adecuado para el cierre estanco, emplear un diseño robusto y actuar con cuidado durante la instalación son factores clave para mejorar el rendimiento de estanqueidad y la vida útil de las unidades de rotación de los martillos hidráulicos para roca. En la práctica, el enfoque descrito aquí ha arrojado buenos resultados: las fugas han disminuido y la vida útil ha aumentado significativamente.