Dans les perforatrices hydrauliques pour roche fabriquées en Chine, l’unité de rotation est généralement alimentée en eau par le côté. Le choix du matériau d’étanchéité et de sa conception a une grande influence sur l’efficacité et la durée de vie du joint d’étanchéité — ce qui affecte, à son tour, les performances globales de la perforatrice.

1. Comment le joint d’étanchéité à l’eau est chargé et quelles sont ses exigences

Le système d’alimentation en eau latéral d’une unité de rotation de perforateur hydraulique sur roche se compose principalement de trois éléments : un manchon d’eau (1), un joint d’étanchéité à l’eau (2) et une queue de tige (3) (voir fig. 1). Lorsque le perforateur est en fonctionnement, la queue de tige tourne tout en effectuant des mouvements alternatifs rapides le long de l’axe, transmettant ainsi l’énergie de percussion. Les paramètres de fonctionnement du joint d’étanchéité à l’eau du perforateur hydraulique sur roche YYC250B sont les suivants : vitesse de rotation de la queue de tige : 220 tr/min, fréquence de percussion de la queue de tige : 60 Hz, pression de l’eau de rinçage : 1 MPa, vitesse de forage : 110 cm/min. Ces valeurs montrent que le joint d’étanchéité à l’eau est soumis à une charge combinée de frottement due aux chocs axiaux à haute fréquence et à la rotation. Pour cette raison, le matériau du joint doit posséder les propriétés suivantes :

1. Une bonne stabilité dans l’eau — il ne doit pas gonfler ni rétrécir excessivement dans l’eau, ni se dissoudre, ni s’attendrir ni durcir.
2. Une bonne capacité de récupération élastique — il doit reprendre rapidement sa forme initiale sans subir de déformation permanente.
3. Une bonne résistance à l’usure — coefficient de frottement faible.
4. Haute résistance mécanique — bonne résistance à la traction, dureté et résistance au déchirement.
5. Aucune réaction avec les pièces métalliques — pas d’adhérence, pas de corrosion.

Après avoir comparé différentes options, nous avons choisi le polyuréthane comme matériau d’étanchéité. Sa structure moléculaire contient des groupes uréthane, ce qui lui confère une haute résistance mécanique — environ 1 à 4 fois supérieure à celle du caoutchouc nitrile. Sa résistance à l’usure est excellente, environ 10 à 15 fois supérieure à celle du caoutchouc naturel. Il présente également une bonne résistance aux huiles (plus de 5 fois supérieure à celle du caoutchouc nitrile) et se distingue par une bonne résistance à l’ozone et au vieillissement.

Il convient de noter que le polyuréthane existe en deux principaux types, chacun comportant différentes qualités, et le choix entre ces types influe sur l'efficacité de l'étanchéité. Le premier type est le polyuréthane à base de polyester (qualités telles que Dongfeng-1 et JA3). Le second type est le polyuréthane à base de polyéther (qualités telles que JA2 et JA5). Le type polyester présente de bonnes propriétés mécaniques, mais sa résistance à l’eau est médiocre : l’eau réagit chimiquement avec les groupes polaires présents dans le réseau d’élastomère, entraînant la dégradation de la structure. Plus le réseau contient de groupes polaires, plus la résistance à l’eau est faible. Le type polyéther comporte moins de groupes polaires ; sa résistance à l’eau est donc plus de cinq fois supérieure à celle du type polyester. Toutefois, comme les liaisons éther du type polyéther emmagasinent moins d’énergie, sa résistance mécanique est inférieure à celle du type polyester. La solution évidente consiste à combiner les avantages des deux types. En mélangeant les deux et en y ajoutant une charge résistante à l’usure, on obtient un matériau présentant à la fois de bonnes performances mécaniques et une excellente résistance à l’eau. Pour ce faire, nous avons collaboré avec une usine de produits en caoutchouc (fabricant de polyuréthane) afin de développer un matériau polyuréthane personnalisé, issu d’un mélange des deux types. Les essais ont montré que les joints fabriqués à partir de ce matériau offrent des performances d’étanchéité nettement supérieures ainsi qu’une durée de vie accrue.

2. Choix du type de joint d’étanchéité

Compte tenu des conditions de charge appliquées au joint d’étanchéité à eau de l’unité de rotation, nous avons retenu des joints d’étanchéité de type Y. Ce type présente trois avantages : (1) effet d’auto-étanchéité — sous pression, les lèvres se compriment davantage et assurent une étanchéité renforcée ; (2) faible résistance au fonctionnement et marche fluide ; (3) bonne stabilité, ce qui le rend adapté aux composants hydrauliques soumis à des variations rapides de pression. Les joints toriques (O-ring) ont tendance à se tordre et à s’endommager dans ces conditions.

3. Fonctionnement du joint d’étanchéité

Les joints toriques de type Y assurent principalement l’étanchéité grâce à l’action d’auto-étanchéité de leurs lèvres. La figure 2 montre la répartition de la pression de contact d’un joint de type Y monté dans la gorge de la chemise d’eau. En l’absence de pression, seule une faible pression de contact est générée par la déformation de l’extrémité de la lèvre (figure 2b). Dès qu’une pression interne est appliquée, la loi de Pascal stipule que, dans un système fermé, chaque point en contact avec le fluide subit une force normale égale à la pression interne. Cela provoque une compression axiale de la partie inférieure du joint et une compression circonférentielle des lèvres. La surface de contact entre la lèvre et la tige augmente, tout comme la pression de contact (figure 2c). Lorsque la pression interne augmente davantage, la répartition et l’intensité de la pression changent encore plus (figure 2d), exerçant une pression accrue des lèvres contre l’arbre — c’est ce qu’on appelle l’« effet d’auto-étanchéité ». C’est pourquoi le joint de type Y convient particulièrement bien à cette application d’étanchéité à l’eau.

4. Influence de la forme de la lèvre sur l’étanchéité et la durée de vie

La répartition de la pression de contact est étroitement liée à la forme des lèvres. La clé d’un bon étanchéité d’un joint à lèvre réside dans la répartition de la pression sur la bande de contact étanche et dans la pression maximale au niveau de la pointe de la lèvre. La figure 3a compare l’effet d’étanchéité des joints en forme de Y avec et sans chanfrein sur la lèvre avant. Le joint doté d’un chanfrein présente un pic de pression net sur la bande de contact étanche, ce qui répond au mieux aux exigences de performance des joints à lèvre. En choisissant l’angle approprié θ de la lèvre avant, on peut réduire considérablement les fuites : pour θ > 30°, les fuites ne représentent que la moitié de celles observées pour θ = 0°. La figure 3b compare l’effet d’étanchéité avec et sans chanfrein sur la lèvre arrière (talon). Contrairement à la lèvre avant, un chanfrein sur le talon crée, sous pression de fonctionnement, un deuxième pic de pression qui empêche l’eau de refluer, mais augmente les fuites. En l’absence de chanfrein sur le talon, aucun deuxième pic de pression n’apparaît et l’étanchéité fonctionne mieux.

5. Comment les paramètres de conception influencent-ils l’étanchéité et la durée de vie

Une bague d’étanchéité bien conçue permet au matériau de déployer pleinement ses performances. Pour la bague en Y, l’un des facteurs les plus importants influençant les performances et la durée de vie est le rapport entre la cote l et la cote h (voir fig. 4). En pratique, lorsque le rapport l/h = 1, la bague maintient une fuite faible sur une période prolongée. Ainsi, pour une étanchéité optimale, la valeur de l/h doit être conservée à 1.

En outre, après un certain temps de fonctionnement, l’ouverture de la lèvre s’use. Si celle-ci ne parvient pas à compenser cette usure, des fuites apparaissent. L’épaisseur b de la paroi de la lèvre doit être choisie en fonction des propriétés mécaniques du matériau et du diamètre de la tige. L’objectif est de garantir que la lèvre possède une rigidité suffisante tout en restant assez souple pour compenser l’usure.

6. Montage de la bague d’étanchéité à lèvre

Si la bague d’étanchéité n’est pas manipulée avec précaution lors du montage, elle peut être rayée ou déformée, ce qui affecte sa qualité et peut la rendre inutilisable. Les points suivants doivent être respectés :

• La partie où l'anneau d'étanchéité est monté (la chemise d'eau) doit présenter un chanfrein de 15° à 30° sur la face d'extrémité, afin d'éviter que l'anneau ne soit rayé lorsqu'il est enfoncé par l'extrémité.
• Toute ouverture traversée par l'anneau doit également être chanfreinée à 15° à 30°.
• Appliquez de la graisse ou de l'huile de fonctionnement sur la zone de montage avant l'installation afin de réduire l'effort d'assemblage.
• Évitez de trop étirer l'anneau pendant l'installation, car cela peut provoquer une déformation plastique permanente.

En résumé, le choix du matériau d'étanchéité approprié, une conception fiable et une attention particulière lors de l'installation constituent les facteurs clés permettant d'améliorer les performances d'étanchéité et la durée de vie des unités de rotation de perforatrices hydrauliques. Dans la pratique, l'approche décrite ici a donné de bons résultats : les fuites ont diminué et la durée de vie s'est considérablement accrue.