Kínában gyártott hidraulikus kőfúrók esetében a forgó egységet általában oldalról táplálják vízzel. A tömítőanyag választása és a tömítés tervezése nagy hatással van a tömítés működési hatékonyságára és élettartamára – ami viszont befolyásolja a fúró teljesítményét.

1. A víztömítés terhelése és szükséges feltételei

A hidraulikus kőfúró forgó egységének oldalról történő vízellátási rendszere főként három részből áll: egy vízcsövön (1), egy vízzárón (2) és egy szárca végén (3) (lásd 1. ábra). Amikor a fúró működik, a szárca vég egyidejűleg forog és nagy frekvenciával előre-hátra mozog az tengely mentén, így továbbítja az ütőenergiát. A YYC250B típusú hidraulikus kőfúró vízzárójának üzemi paraméterei a következők: szárca forgási sebessége 220 1/perc, szárca ütésfrekvenciája 60 Hz, öblítővíz nyomása 1 MPa, fúrási sebesség 110 cm/perc. Ezek a számok azt mutatják, hogy a vízzáró egy olyan kombinált súrlódási terhelés alatt áll, amelyet a nagyfrekvenciás tengelyirányú ütögetés és a forgás együttesen okoz. Ennek következtében a tömítőanyagnak a következő tulajdonságokkal kell rendelkeznie:

1. Jó vízállóság – nem szabad jelentősen duzzadnia vagy összehúzódnia vízben, és nem szabad feloldódnia, megpuhulnia vagy megkeményednie.
2. Jó rugalmas visszaállás – jól kell visszapattannia, és nem szabad maradandóan deformálódnia.
3. Jó kopásállóság – alacsony súrlódási együttható.
4. Magas mechanikai szilárdság — jó húzószilárdság, keménység és szakadásgátlás.
5. Nincs reakciója a fémalkatrészekkel — nem ragad, nem okoz korróziót.

Az alternatívák összehasonlítása után poliuretánt választottunk tömítőanyagként. Molekuláris szerkezetében uretán-csoportok találhatók, amelyek magas mechanikai szilárdságot biztosítanak — kb. 1–4-szer nagyobb, mint a nitril-gumié. Kiemelkedő a kopásállósága, kb. 10–15-ször jobb, mint a természetes gumié. Jó olajállósággal is rendelkezik (több mint 5-ször jobb, mint a nitril-gumié), valamint jól teljesít az ózon- és öregedésállóság terén.

Megjegyzendő, hogy a poliuretán két fő típusban létezik különböző minőségi osztályokban, és a választott típus befolyásolja a tömítés hatékonyságát. Az első típus a poliészter-alapú poliuretán (pl. Dongfeng-1 és JA3 minőségi osztályok). A második típus a poliéter-alapú poliuretán (pl. JA2 és JA5 minőségi osztályok). A poliészter típus jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, de vízállósága gyenge – a víz kémiai reakcióba lép az elasztomer hálózat poláris csoportjaival, ami a szerkezet lebomlásához vezet. Minél több poláris csoport található a hálózatban, annál rosszabb a vízállóság. A poliéter típusban kevesebb poláris csoport van, ezért vízállósága több mint ötször jobb, mint a poliészter típusé. Ugyanakkor a poliéter típusban található éter kötések kevesebb energiát tárolnak, ezért mechanikai szilárdsága nem olyan jó, mint a poliészter típusé. A nyilvánvaló megoldás mindkét típus erősségeinek kombinálása. Ha a két típust összekeverjük, és kopásálló töltőanyagot adunk hozzá, olyan anyagot kapunk, amely egyaránt rendelkezik jó mechanikai teljesítménnyel és jó vízállósággal. Ennek eléréséhez egy gumitermékek gyárával (poliuretán gyártóval) együttműködve fejlesztettünk ki egy egyedi, kevert poliuretán anyagot. A tesztek azt mutatták, hogy ebből az anyagból készült tömítések jelentősen jobb tömítőteljesítményt és hosszabb élettartamot mutatnak.

2. A tömítőgyűrű típusának kiválasztása

A forgó egység víztömítésére ható terhelési körülmények figyelembevételével Y-típusú tömítőgyűrűket választottunk. Ennek a típusnak három előnye van: (1) öntömítő hatás – nyomás hatására a peremek szorosabban simulnak, és jobban tömítenek; (2) alacsony futási ellenállás és sima működés; (3) jó stabilitás, alkalmas hidraulikus alkatrészekhez, amelyeknél a nyomás gyorsan változik. Az O-típusú gyűrűk ezen körülmények között hajlamosak elcsavarodni és megsérülni.

3. A tömítés működése

A Y-alakú gyűrűk főként a szájuk sajátzáró hatásán keresztül zárnak. A 2. ábra a vízköpeny horpadásba illesztett Y-alakú gyűrű érintési nyomáseloszlását mutatja. Nyomás hiányában csak kis érintési nyomás keletkezik a szájcsúcs deformációjából (2b. ábra). Amint belső nyomás éri a rendszert, Pascal törvénye szerint egy zárt rendszerben minden, a folyadékkal érintkező pont normál irányú erőt kap, amely nagysága megegyezik a belső nyomással. Ez az erő okozza a tömítőgyűrű aljának axiális összenyomódását és a szájak körirányú összenyomódását. A száj érintési felülete a szárral nő, és az érintési nyomás is növekszik (2c. ábra). Amikor a belső nyomás tovább emelkedik, a nyomáseloszlás és nagysága még jobban megváltozik (2d. ábra), és a szájak még erősebben nyomódnak a tengelyhez – ezt nevezzük „sajátzáró hatásnak”. Ezért alkalmas a Y-alakú gyűrű ebben a víztömítési alkalmazásban.

4. A száj alakjának hatása a tömítésre és a szolgáltatási élettartamra

A kontakt nyomáseloszlás szorosan összefügg a peremek alakjával. A perem típusú gyűrűk jó tömítésének kulcsa a tömítő érintkezési sávra eső nyomáseloszlás és a perem csúcsán fellépő csúcsponti nyomás. A 3a. ábra összehasonlítja a Y-alakú gyűrűk tömítő hatását a homlokperem élletlenítése (lejtőzése) nélkül és azzal. A lejtőzött gyűrűnél egyértelmű nyomáscsúcs figyelhető meg a tömítő érintkezési sávon, ami leginkább megfelel a perem típusú tömítések teljesítménykövetelményeinek. A megfelelő homlokperem-szög (θ) kiválasztásával a szivárgás jelentősen csökkenthető – θ > 30° esetén a szivárgás csak fele akkora, mint θ = 0° esetén. A 3b. ábra a hátsó perem (sark) lejtőzésének (élletlenítésének) jelenléte és hiánya közötti tömítő hatást hasonlítja össze. A homlokperemmel ellentétben a sark lejtőzése munkanyomás alatt egy második nyomáscsúcsot hoz létre, amely megakadályozza a víz visszafolyását, de növeli a szivárgást. Lejtőzetlen sarok esetén nincs második nyomáscsúcs, így a tömítés jobban működik.

5. Hogyan befolyásolják a tervezési paraméterek a tömítést és a szolgáltatási élettartamot

Egy jól megtervezett tömítőgyűrű lehetővé teszi, hogy az anyag teljes teljesítményét kibontsa. A Y-alakú gyűrű esetében a teljesítmény és az élettartam szempontjából egyik legfontosabb tényező a l és az h méret közötti arány (lásd 4. ábra). Gyakorlati tapasztalatok szerint, ha az l/h = 1 arányt tartjuk be, a gyűrű hosszabb ideig alacsony szivárgást biztosít. Ezért a legjobb tömítés érdekében az l/h aránynak 1-nek kell lennie.

Továbbá, miután a tömítőgyűrű egy ideig működött, a perem nyílása kopásnak indul. Ha a perem nem képes ezt a kopást ellensúlyozni, szivárgás kezdődik. A perem falvastagságát (b) az anyag mechanikai tulajdonságai és a szár átmérője alapján kell megválasztani. A cél az, hogy a perem elegendő merevséggel rendelkezzen, ugyanakkor rugalmas maradjon és kompenzálhassa a kopást.

6. A peremes tömítőgyűrű felszerelése

Ha a tömítőgyűrűt a felszerelés során nem kezelik óvatosan, karcolódhat vagy deformálódhat, ami csökkenti a minőségét, sőt akár használhatatlanná is teheti. A következő pontokat be kell tartani:

• A tömítőgyűrű beépítésének helye (a vírmantel) végfelületén 15°–30°-os lekerekítést kell kialakítani, hogy megakadályozzuk a gyűrű felületének sérülését a bevezetés során.
• Minden olyan nyílás, amelyen a gyűrűnek át kell haladnia, szintén 15°–30°-os lekerekítéssel rendelkezzen.
• A felszerelési területre zsírt vagy munkaolajat kell felvinni a szerelési erő csökkentése érdekében.
• Kerülni kell a gyűrű túlzott megnyújtását a felszerelés során, mivel ez maradandó alakváltozást okozhat.

Összefoglalva: a megfelelő tömítőanyag kiválasztása, egy jól megtervezett konstrukció és a felszerelés során tanúsított körültekintés kulcsfontosságú a hidraulikus kőfúró forgó egységek tömítési teljesítményének és élettartamának javításához. A gyakorlatban az itt leírt eljárás jó eredményeket hozott – a szivárgás jelentősen csökkent, az élettartam pedig lényegesen nőtt.