در مته‌های سنگ‌شکن هیدرولیکی ساخت چین، واحد چرخش معمولاً از طریق طرفی با آب تغذیه می‌شود. انتخاب جنس و طراحی واشر تأثیر بسزایی بر عملکرد و عمر واشر دارد — که این امر به نوبهٔ خود بر عملکرد کلی مته تأثیر می‌گذارد.

۱. نحوهٔ بارگذاری واشر آب و نیازهای آن

سیستم آب‌دهی جانبی در واحد چرخش مته سنگ‌شکن هیدرولیکی عمدتاً از سه قسمت تشکیل شده است: کُفهٔ آب (۱)، آب‌بند (۲) و دمِ شفت (۳) (شکل ۱ را ببینید). هنگام کار مته، دمِ شفت هم می‌چرخد و هم با فرکانس بالا در راستای محور به جلو و عقب حرکت می‌کند و انرژی ضربه را منتقل می‌نماید. پارامترهای کاری آب‌بند مته سنگ‌شکن هیدرولیکی YYC250B عبارتند از: سرعت چرخش دمِ شفت ۲۲۰ دور بر دقیقه، فرکانس ضربهٔ دمِ شفت ۶۰ هرتز، فشار آب شستشو ۱ مگاپاسکال و سرعت حفاری ۱۱۰ سانتی‌متر بر دقیقه. این اعداد نشان‌دهنده این است که آب‌بند تحت بار اصطکاک ترکیبی ناشی از ضربه‌های محوری با فرکانس بالا و چرخش قرار دارد. به همین دلیل، مادهٔ سازندهٔ آب‌بند باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:

1. پایداری خوب در آب — یعنی نباید در آب متورم یا منقبض شود و نباید حل‌شدنی، نرم‌شدنی یا سخت‌شدنی باشد.
2. بازیابی کشسانی خوب — یعنی باید به‌خوبی به حالت اولیه بازگردد و دچار تغییر شکل دائمی نشود.
3. مقاومت خوب در برابر سایش — یعنی ضریب اصطکاک پایینی داشته باشد.
4. استحکام مکانیکی بالا — مقاومت کششی، سختی و پارگی مناسب.
5. واکنشی با قطعات فلزی ندارد — چسبندگی و خوردگی رخ نمی‌دهد.

پس از مقایسهٔ گزینه‌ها، پلی‌اورتان را به‌عنوان مادهٔ آب‌بند انتخاب کردیم. ساختار مولکولی آن حاوی گروه‌های اورتان است که به آن استحکام مکانیکی بالایی می‌بخشد — حدود ۱ تا ۴ برابر لاستیک نیتریل. مقاومت سایشی آن عالی است و حدود ۱۰ تا ۱۵ برابر لاستیک طبیعی بهتر عمل می‌کند. همچنین مقاومت روغنی خوبی دارد (بیش از ۵ برابر لاستیک نیتریل) و در مقاومت در برابر اوزون و پیری نیز عملکرد مناسبی از خود نشان می‌دهد.

لازم به ذکر است که پلی‌اورتان در دو نوع اصلی با درجات مختلف موجود است و انتخاب نوع آن بر عملکرد مناسب آب‌بندی تأثیر می‌گذارد. نوع اول، پلی‌اورتان مبتنی بر پلی‌استر (با درجاتی مانند دونگ‌فنگ-۱ و جی‌اِی-۳) است. نوع دوم، پلی‌اورتان مبتنی بر پلی‌اتر (با درجاتی مانند جی‌اِی-۲ و جی‌اِی-۵) است. پلی‌اورتان نوع پلی‌استر دارای خواص مکانیکی خوبی است، اما مقاومت آن در برابر آب ضعیف است — زیرا آب به‌صورت شیمیایی با گروه‌های قطبی موجود در شبکه الاستومر واکنش نشان داده و ساختار را تخریب می‌کند. هرچه تعداد گروه‌های قطبی در شبکه بیشتر باشد، مقاومت در برابر آب ضعیف‌تر خواهد بود. پلی‌اورتان نوع پلی‌اتر گروه‌های قطبی کمتری دارد؛ بنابراین مقاومت آن در برابر آب بیش از پنج برابر بهتر از نوع پلی‌استر است. با این حال، ازآنجاکه پیوندهای اتر در پلی‌اورتان نوع پلی‌اتر انرژی کمتری ذخیره می‌کنند، استحکام مکانیکی آن به‌اندازه نوع پلی‌استر نیست. راه‌حل واضح این است که نقاط قوت هر دو نوع را ترکیب کنیم. با اختلاط این دو نوع و افزودن پرکننده‌ای مقاوم در برابر سایش، می‌توانیم ماده‌ای تولید کنیم که هم عملکرد مکانیکی خوبی داشته و هم مقاومت عالی در برابر آب را فراهم آورد. برای این منظور، با یک کارخانه محصولات لاستیکی (تولیدکننده پلی‌اورتان) همکاری کردیم تا یک ماده پلی‌اورتان ترکیبی سفارشی تولید شود. آزمایش‌ها نشان داد که آب‌بندی‌های ساخته‌شده از این ماده، عملکرد آب‌بندی و عمر خدماتی قابل‌توجهی دارند.

۲. انتخاب نوع حلقه آب‌بند

با توجه به شرایط بارگذاری واردشده بر آب‌بند چرخشی واحد، ما از حلقه‌های آب‌بند نوع Y استفاده کردیم. این نوع سه مزیت اصلی دارد: (۱) اثر خودآب‌بندی — هنگام اعمال فشار، لبه‌ها محکم‌تر فشرده شده و آب‌بندی بهتری ایجاد می‌کنند؛ (۲) مقاومت کم در حین حرکت و عملکرد نرم؛ (۳) پایداری خوب، مناسب برای قطعات هیدرولیکی که تحت فشارهای متغیر سریع قرار می‌گیرند. حلقه‌های نوع O در این شرایط تمایل به پیچیدگی و آسیب دیدن دارند.

۳. نحوه عملکرد آب‌بند

دریچه‌های حلقه‌ای نوع Y عمدتاً از طریق عملکرد خودمحکم‌کنندگی لبه‌هایشان آب‌بندی می‌شوند. شکل ۲ توزیع فشار تماسی یک حلقه نوع Y که در شیار جعبه آب نصب شده است را نشان می‌دهد. در شرایط بدون فشار، تنها فشار تماسی کوچکی به دلیل تغییر شکل نوک لبه ایجاد می‌شود (شکل ۲ب). هنگامی که فشار داخلی اعمال می‌شود، قانون پاسکال بیان می‌کند که در یک سیستم بسته، هر نقطه‌ای که با سیال در تماس باشد، نیروی عمودی برابر با فشار داخلی را دریافت می‌کند. این امر منجر به فشرده‌شدن محوری بخش پایینی حلقه آب‌بند و فشرده‌شدن محیطی لبه‌ها می‌شود. سطح تماس لبه با ساقه افزایش یافته و فشار تماس نیز افزایش می‌یابد (شکل ۲ج). هنگامی که فشار داخلی بیشتر افزایش یابد، توزیع و بزرگی فشار حتی بیشتر تغییر می‌کند (شکل ۲د) و لبه‌ها را محکم‌تر به سمت شفت فشار می‌دهد — این پدیده «اثر خودمحکم‌کنندگی» نامیده می‌شود. همین امر دلیل اصلی مناسب‌بودن حلقه نوع Y برای این کاربرد آب‌بندی است.

۴. تأثیر شکل لبه بر عملکرد آب‌بندی و عمر خدماتی

توزیع فشار تماس به‌طور نزدیکی با شکل لبه‌های حلقه مرتبط است. کلید عملکرد مناسب در حلقه‌های آب‌بندی‌کننده از نوع لبه‌دار، توزیع فشار در نوار تماس آب‌بندی و فشار اوج در نوک لبه است. شکل ۳الف اثر آب‌بندی حلقه‌های Yشکل را با و بدون شیار زدن (چامفر) روی لبه جلو مقایسه می‌کند. حلقه‌ای که دارای چامفر است، فشار اوج مشخصی در نوار تماس آب‌بندی ایجاد می‌کند که بهترین تطابق را با الزامات عملکرد آب‌بندی از نوع لبه‌دار دارد. با انتخاب زاویه مناسب لبه جلو (θ)، نشت می‌تواند به‌طور قابل توجهی کاهش یابد — در θ > ۳۰°، میزان نشت تنها نصف مقدار آن در θ = ۰° است. شکل ۳ب اثر آب‌بندی را با و بدون چامفر روی لبه عقب (پاشنه) مقایسه می‌کند. برخلاف لبه جلو، چامفر روی پاشنه باعث ایجاد فشار اوج دومی تحت فشار کاری می‌شود که جریان آب را به‌سمت عقب مسدود کرده و نشت را افزایش می‌دهد. در صورت عدم وجود چامفر روی پاشنه، فشار اوج دوم ایجاد نمی‌شود و آب‌بندی عملکرد بهتری دارد.

۵. تأثیر پارامترهای طراحی بر آب‌بندی و عمر خدماتی

یک حلقه آب‌بندی به‌خوبی طراحی‌شده، اجازه می‌دهد تا ماده به‌طور کامل‌ترین عملکرد خود را از خود نشان دهد. برای حلقه نوع Y، یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر عملکرد و عمر خدماتی، رابطه بین ابعاد l و h است (شکل ۴ را ببینید). از تجربیات عملی مشخص شده است که هنگامی که نسبت l/h = ۱ باشد، حلقه می‌تواند مدت زمان طولانی‌تری را بدون ایجاد نشتی قابل‌توجه پشت سر بگذارد. بنابراین، برای بهترین عملکرد آب‌بندی، مقدار l/h باید دقیقاً برابر با ۱ نگه داشته شود.

همچنین، پس از مدتی کارکرد آب‌بندی، بازشوی لبه (لیپ) دچار سایش می‌شود. اگر لبه نتواند این سایش را جبران کند، نشتی آغاز خواهد شد. ضخامت دیواره لبه (b) باید بر اساس خواص مکانیکی ماده و قطر ساقه انتخاب شود. هدف این است که اطمینان حاصل شود لبه سختی کافی برای مقاومت در برابر تغییر شکل دارد، در عین حال انعطاف‌پذیری لازم برای جبران سایش را نیز داراست.

۶. نصب حلقه آب‌بندی لبه‌دار

اگر در هنگام نصب حلقه آب‌بندی با دقت کافی رفتار نشود، ممکن است این حلقه خراشیده یا دچار تغییر شکل شود که این امر بر کیفیت آن تأثیر منفی گذاشته و حتی ممکن است آن را غیرقابل‌استفاده سازد. نکات زیر باید رعایت شوند:

• قسمتی که حلقه آب‌بند روی آن نصب می‌شود (کُفِ آب) باید دارای شیار شیب‌دار ۱۵ تا ۳۰ درجه در سطح انتهایی باشد تا از خراشیدن حلقه هنگام ورود از سوی انتهایی جلوگیری شود.
• هر سوراخی که حلقه باید از آن عبور کند نیز باید دارای شیار شیب‌دار ۱۵ تا ۳۰ درجه باشد.
• پیش از نصب، روغن کار یا روغن کاربردی را روی ناحیه نصب اعمال کنید تا نیروی مورد نیاز برای مونتاژ کاهش یابد.
• در حین نصب از کشیدن بیش از حد حلقه خودداری کنید، زیرا این امر می‌تواند باعث تغییر شکل پلاستیکی دائمی آن شود.

در مجموع، انتخاب ماده مناسب برای آب‌بند، استفاده از طراحی دقیق و دقت در فرآیند نصب، کلیدهای بهبود عملکرد آب‌بندی و افزایش عمر خدماتی واحد‌های چرخشی مته سنگ‌شکن هیدرولیکی هستند. در عمل، رویکرد توصیف‌شده در اینجا نتایج خوبی ایجاد کرده است — نشت کاهش یافته و عمر خدماتی به‌طور قابل‌توجهی افزایش یافته است.