Kiinassa valmistettujen hydraulisten kallionporakoneiden pyörivässä yksikössä vesi syötetään yleensä sivusta. Tiivisteen materiaalin ja rakenteen valinnalla on suuri vaikutus tiivisteen toimintaan ja kestoon, mikä puolestaan vaikuttaa porakoneen kokonaissuorituskykyyn.

1. Kuinka vesitiiviste kuormitetaan ja mitä se vaatii

Sivuun sijoitetun vedenjakojärjestelmän hydraulisessa kallionporakoneen pyörintäyksikössä on pääasiassa kolme osaa: vesikotelo (1), vesitiiviste (2) ja poranpyrstö (3) (katso kuva 1). Kun porakone toimii, poranpyrstö pyörii ja liikkuu samanaikaisesti akselin suuntaisesti eteen- ja taaksepäin korkealla taajuudella, jolloin iskunenergia siirtyy eteenpäin. YYC250B-hydraulisen kallionporakoneen vesitiivisteen käyttöparametrit ovat: poranpyrstön pyörimisnopeus 220 r/min, poranpyrstön iskutaajuus 60 Hz, pesuveden paine 1 MPa ja reiän porausnopeus 110 cm/min. Nämä luvut osoittavat, että vesitiiviste on alttiina yhdistetylle kitkakuormitukselle, joka johtuu korkeataajuuisesta akselisuuntaisesta iskusta ja pyörimisestä. Tämän vuoksi tiivistemateriaalin on täytettävä seuraavat vaatimukset:

1. Hyvä vedenkestävyys – materiaalin ei pitäisi turvota tai kutistua merkittävästi vedessä, eikä sen pitäisi liuketa, pehmetä tai kovettua.
2. Hyvä kimmoisuuden palautuminen – materiaalin on palaututtava hyvin muotoonsa eikä sen pitäisi muodostua pysyviä muodonmuutoksia.
3. Hyvä kulumisvastus – alhainen kitkakerroin.
4. Korkea mekaaninen lujuus — hyvä vetolujuus, kovuus ja repäisymiskestävyys.
5. Ei reagointia metalliosien kanssa — ei tarttumista, ei korroosiota.

Vaihtoehtoja vertailtuaan valitsimme polyuretaanin tiivistemateriaaliksi. Sen molekyylinen rakenne sisältää uretaaniryhmiä, mikä antaa sille korkean mekaanisen lujuuden — noin 1–4 kertaa suuremman kuin nitrilikumilla. Sen kulumiskestävyys on erinomainen, noin 10–15 kertaa parempi kuin luonnonkumilla. Se myös kestää öljyä hyvin (yli viisi kertaa paremmin kuin nitrilikumi) ja suoriutuu hyvin otsoni- ja ikääntymisvastaisuudessa.

On huomattava, että polyuretaani on saatavilla kahdessa pääasiallisessa muodossa eri laatuasteikoilla, ja valinta vaikuttaa tiivisteen toimintakykyyn. Ensimmäinen tyyppi on polyesteeripohjainen polyuretaani (laadut kuten Dongfeng-1 ja JA3). Toinen tyyppi on polyeeteripohjainen polyuretaani (laadut kuten JA2 ja JA5). Polyesteerityyppillä on hyvät mekaaniset ominaisuudet, mutta sen kosteudenkestävyys on heikko – vesi reagoi kemiallisesti elastomeeriverkon napalisilla ryhmillä, mikä hajoittaa rakennetta. Mitä enemmän napalisia ryhmiä verkossa on, sitä huonompi kosteudenkestävyys on. Polyeeterityypissä napalisia ryhmiä on vähemmän, joten sen kosteudenkestävyys on yli viisi kertaa parempi kuin polyesteerityypissä. Kuitenkin, koska polyeeterityypin eetterisidokset varastoivat vähemmän energiaa, sen mekaaninen lujuus ei ole yhtä hyvä kuin polyesteerityypin. Ilmeinen ratkaisu on yhdistää molempien typpien vahvuudet. Sekoittamalla kaksi tyyppiä keskenään ja lisäämällä kulumisenkestävää täyteainetta saadaan aikaan materiaali, jolla on sekä hyvät mekaaniset ominaisuudet että hyvä kosteudenkestävyys. Tätä varten teimme yhteistyötä kumituotteiden tehtaan kanssa (polyuretaanivalmistaja), joka valmisti meille räätälöityä sekoitettua polyuretaanimateriaalia. Testit osoittivat, että tästä materiaalista valmistettujen tiivisteen toimintakyky ja käyttöikä ovat merkittävästi paremmat.

2. Tiivisterenkaan tyypin valinta

Ottaen huomioon pyörivän yksikön vesitiivisteeseen kohdistuvat kuormitusehdot valitsimme Y-muotoiset tiivisterenkaid. Tällä tyypillä on kolme etua: (1) itsetiivistävä vaikutus – kun painetta kohdistetaan, suutimet puristuvat tiukemmin ja tiivistävät paremmin; (2) alhainen käyttövastus ja sileä toiminta; (3) hyvä vakaus, mikä tekee siitä sopivan hydrauliosiin, joihin kohdistuu nopeasti vaihtelevaa painetta. O-muotoiset renkaat pyörivät ja vaurioituvat helposti näissä olosuhteissa.

3. Kuinka tiiviste toimii

Y-muotoiset tiivisteet tiivistävät pääasiassa suun kärjen itsetiivistävän toiminnan avulla. Kuva 2 esittää Y-muotoisen tiivisteen kosketuspainejakaumaa, kun se on asennettu vesisylinterin uraan. Ilman painetta suun kärjen muodonmuutoksesta aiheutuu vain pieni kosketuspaine (kuva 2b). Kun sisäistä painetta kohdistetaan, Pascalin laki määrittelee, että suljetussa järjestelmässä jokainen nesteeseen koskettava piste saa normaalivoiman, jonka suuruus vastaa sisäistä painetta. Tämä aiheuttaa tiivisteen pohjan aksiaalisen puristumisen ja suun kehän suuntaisen puristumisen. Suun kosketuspinta varren kanssa kasvaa, ja myös kosketuspaine kasvaa (kuva 2c). Kun sisäinen paine nousee entisestään, painejakauma ja sen suuruus muuttuvat vielä enemmän (kuva 2d), mikä painaa suuta tiukemmin akselia vasten – tämä on "itsetiivistävä vaikutus". Siksi Y-muotoinen tiiviste soveltuu hyvin tähän veditiivistekäyttöön.

4. Kuinka suun muoto vaikuttaa tiivistykseen ja käyttöikään

Kontaktipaineen jakautuminen liittyy tiukasti suuaukon muotoon. Hyvän tiivisteen saavuttamiseksi suuaukollisessa renkaassa ratkaisevaa on painejakautuma tiivistyskontaktikaistalla ja huippupaine suuaukon kärjessä. Kuva 3a vertailee Y-muotoisten renkaiden tiivistysvaikutusta sekä etusuun suuaukolla että ilman sitä. Renkaassa, jossa on etusuun suuaukko, on selkeä painehuippu tiivistyskontaktikaistalla, mikä täyttää parhaiten suuaukollisen tiivisteen vaatimukset. Oikean etusuun kulman θ valinnalla vuotomäärää voidaan vähentää merkittävästi – kun θ > 30°, vuotomäärä on vain puolet siitä, mikä se on kulmassa θ = 0°. Kuva 3b vertailee tiivistysvaikutusta sekä takasuun suuaukolla että ilman sitä. Toisin kuin etusuun suuaukko, takasuun suuaukko aiheuttaa työpaineella toisen painehuipun, joka estää veden takaisinvirtausta ja lisää vuotomäärää. Ilman takasuun suuaukkoa toista painehuippua ei muodostu, ja tiiviste toimii paremmin.

5. Miten suunnitteluparametrit vaikuttavat tiivistykseen ja käyttöikään

Hyvin suunniteltu tiivisterengas mahdollistaa materiaalin suorituskyvyn täyteen hyödyntämisen. Y-muotoiselle renkaalle yksi tärkeimmistä tekijöistä suorituskyvyn ja käyttöiän kannalta on mittojen l ja h välinen suhde (ks. kuva 4). Käytännön kokemuksen mukaan kun suhde l/h = 1, rengas pystyy pitämään vuodon alhaisena pidempään aikaan. Siksi parhaan tiivistystuloksen saavuttamiseksi suhteen l/h arvon tulisi olla 1.

Lisäksi tiivisteen käytön aikana suun aukeama kuluu. Jos suu ei pysty kompensoimaan tätä kulumista, vuodoista alkaa esiintyä. Suun seinämän paksuus b tulisi valita materiaalin mekaanisten ominaisuuksien ja varren halkaisijan perusteella. Tavoitteena on varmistaa, että suulla on riittävä jäykkyys samalla kun se säilyttää joustavuutensa ja kykynsä kompensoida kulumista.

6. Suutiintiivistysrenkaan asennus

Jos tiivistysrengasta ei käsitellä huolellisesti asennuksen aikana, se voi naarmuuntua tai muovautua, mikä vaikuttaa laatuun ja saattaa tehdä siitä käyttökelvottoman. Seuraavia kohtia on noudatettava:

• Tiivisterenkaan asennuspaikka (vesikotelo) tulee olla päätytahassa 15–30 asteen viistetty, jotta renkasta ei naarmuudu työnnettäessä sitä sisään päätyä kautta.
• Minkä tahansa reiän aukeama, jonka renkaan on kuljettava läpi, tulee myös olla 15–30 asteen viistetty.
• Levitä rasvaa tai käyttööljyä asennusalueelle ennen asennusta vähentääksesi kokoonpanovoimaa.
• Vältä renkaan liiallista venytystä asennuksen aikana, sillä se voi aiheuttaa pysyvän muovimuodonmuutoksen.

Yhteenvetona voidaan todeta, että oikean tiivistemateriaalin valinta, hyvä suunnittelu ja huolellinen asennus ovat avainasemassa hydraulisten kallionporakoneiden pyörintäyksiköiden tiivistystehon ja käyttöiän parantamisessa. Käytännössä tässä kuvattu menetelmä on tuottanut hyviä tuloksia – vuodot ovat vähentyneet ja käyttöikä on kasvanut merkittävästi.