Pada bor batu hidrolik buatan Tiongkok, unit rotasi biasanya dialiri air dari samping. Pemilihan bahan dan desain segel memiliki pengaruh besar terhadap kinerja segel serta masa pakainya—yang pada gilirannya memengaruhi kinerja keseluruhan bor.

1. Cara Pemuatan Segel Air dan Kebutuhan yang Diperlukannya

Sistem air samping pada unit rotasi bor batu hidrolik terutama terdiri dari tiga bagian: selubung air (1), segel air (2), dan ekor batang bor (3) (lihat Gambar 1). Saat bor beroperasi, ekor batang bor berputar sekaligus bergerak maju-mundur sepanjang sumbu dengan frekuensi tinggi, sehingga mentransfer energi benturan. Parameter kerja segel air bor batu hidrolik YYC250B adalah: kecepatan putaran batang bor 220 r/menit, frekuensi benturan batang bor 60 Hz, tekanan air pencuci 1 MPa, dan kecepatan pengeboran lubang 110 cm/menit. Angka-angka ini menunjukkan bahwa segel air mengalami beban gesek gabungan akibat pemukulan aksial berfrekuensi tinggi dan rotasi. Oleh karena itu, bahan segel harus memiliki sifat-sifat berikut:

1. Stabilitas air yang baik — bahan tidak boleh mengembang atau menyusut secara signifikan dalam air, serta tidak boleh larut, melunak, atau mengeras.
2. Pemulihan elastis yang baik — bahan harus mampu kembali ke bentuk semula dengan baik dan tidak mengalami deformasi permanen.
3. Ketahanan aus yang baik — koefisien gesekan rendah.
4. Kekuatan mekanis tinggi — ketahanan tarik, kekerasan, dan ketahanan sobek yang baik.
5. Tidak bereaksi dengan komponen logam — tidak lengket, tidak korosif.

Setelah membandingkan berbagai pilihan, kami memilih poliuretan sebagai bahan segel. Struktur molekulnya mengandung gugus uretan, sehingga memberikan kekuatan mekanis tinggi — sekitar 1 hingga 4 kali lipat dibandingkan karet nitril. Ketahanan ausnya sangat baik, sekitar 10 hingga 15 kali lebih unggul dibandingkan karet alam. Poliuretan juga memiliki ketahanan minyak yang baik (lebih dari 5 kali lebih unggul dibandingkan karet nitril) serta performa yang baik dalam hal ketahanan ozon dan penuaan.

Perlu diperhatikan bahwa poliuretan tersedia dalam dua jenis utama dengan tingkatan kualitas berbeda, dan pilihan jenis tersebut memengaruhi seberapa baik kinerja segel. Jenis pertama adalah poliuretan berbasis poliester (tingkatan seperti Dongfeng-1 dan JA3). Jenis kedua adalah poliuretan berbasis polieter (tingkatan seperti JA2 dan JA5). Poliuretan tipe poliester memiliki sifat mekanis yang baik, namun ketahanannya terhadap air buruk—air bereaksi secara kimia dengan gugus polar dalam jaringan elastomer, sehingga merusak strukturnya. Semakin banyak gugus polar dalam jaringan, semakin buruk pula ketahanannya terhadap air. Poliuretan tipe polieter memiliki jumlah gugus polar yang lebih sedikit, sehingga ketahanannya terhadap air lebih dari lima kali lebih baik dibandingkan tipe poliester. Namun, karena ikatan eter pada tipe polieter menyimpan energi yang lebih rendah, kekuatan mekanisnya tidak sebaik tipe poliester. Solusi yang jelas adalah menggabungkan keunggulan kedua jenis tersebut. Dengan mencampurkan keduanya serta menambahkan pengisi tahan aus, kita dapat memperoleh bahan yang memiliki kinerja mekanis maupun ketahanan terhadap air yang baik. Untuk mewujudkan hal ini, kami bekerja sama dengan sebuah pabrik produk karet (produsen poliuretan) guna mengembangkan bahan poliuretan campuran khusus. Hasil pengujian menunjukkan bahwa segel yang dibuat dari bahan ini memiliki kinerja penyegelan dan masa pakai yang jauh lebih baik.

2. Memilih Jenis Ring Segel

Mengingat kondisi beban yang dikenakan pada segel air unit rotasi, kami memilih ring segel tipe-Y. Jenis ini memiliki tiga keunggulan: (1) efek penyegelan mandiri — ketika tekanan diberikan, bibir segel menekan lebih kuat dan memberikan penyegelan yang lebih baik; (2) hambatan operasional rendah serta pengoperasian yang halus; (3) stabilitas yang baik, sehingga cocok untuk komponen hidrolik dengan perubahan tekanan yang cepat. Ring tipe-O cenderung terpuntir dan rusak dalam kondisi seperti ini.

3. Cara Kerja Segel

Segel cincin tipe-Y terutama bekerja melalui aksi penyegelan mandiri dari bibirnya. Gambar 2 menunjukkan distribusi tekanan kontak cincin tipe-Y yang dipasang pada alur selubung air. Tanpa tekanan, hanya terbentuk tekanan kontak kecil akibat deformasi ujung bibir (Gambar 2b). Begitu tekanan internal diberikan, hukum Pascal menyatakan bahwa dalam sistem tertutup, setiap titik yang bersentuhan dengan fluida menerima gaya normal yang besarnya sama dengan tekanan internal. Hal ini menyebabkan bagian bawah cincin segel termampatkan secara aksial dan bibir-bibirnya termampatkan secara sirkumferensial. Luas area kontak bibir dengan batang meningkat, dan tekanan kontak pun meningkat (Gambar 2c). Ketika tekanan internal meningkat lebih lanjut, distribusi dan besaran tekanan berubah bahkan lebih signifikan (Gambar 2d), sehingga menekan bibir-bibir tersebut semakin kuat ke arah poros—fenomena ini disebut "efek penyegelan mandiri." Inilah alasan mengapa cincin tipe-Y sangat cocok untuk aplikasi segel air ini.

4. Bagaimana Bentuk Bibir Mempengaruhi Kemampuan Menyegel dan Masa Pakai

Distribusi tekanan kontak sangat terkait dengan bentuk bibir. Kunci keberhasilan penyegelan pada cincin tipe bibir adalah distribusi tekanan di sepanjang pita kontak penyegel dan tekanan puncak di ujung bibir. Gambar 3a membandingkan efek penyegelan cincin tipe-Y dengan dan tanpa chamfer pada bibir depan. Cincin dengan chamfer menunjukkan puncak tekanan yang jelas di pita kontak penyegel, sehingga paling memenuhi persyaratan kinerja penyegelan tipe bibir. Dengan memilih sudut bibir depan θ yang tepat, kebocoran dapat dikurangi secara signifikan — pada θ > 30°, kebocoran hanya separuhnya dibandingkan pada θ = 0°. Gambar 3b membandingkan efek penyegelan dengan dan tanpa chamfer pada bibir belakang (heel). Berbeda dengan bibir depan, chamfer pada heel menghasilkan puncak tekanan kedua di bawah tekanan kerja, yang menghalangi aliran balik air namun justru meningkatkan kebocoran. Tanpa chamfer pada heel, tidak terjadi puncak tekanan kedua, sehingga penyegelan berfungsi lebih baik.

5. Bagaimana Parameter Desain Mempengaruhi Penyegelan dan Masa Pakai

Cincin segel yang dirancang dengan baik memungkinkan material berfungsi secara optimal. Untuk cincin tipe-Y, salah satu faktor terpenting yang memengaruhi kinerja dan masa pakai adalah hubungan antara dimensi l dan dimensi h (lihat Gambar 4). Berdasarkan pengalaman praktis, ketika rasio l/h = 1, cincin mampu mempertahankan kebocoran pada tingkat rendah dalam jangka waktu yang lebih lama. Oleh karena itu, untuk mencapai penyegelan terbaik, nilai l/h harus dipertahankan pada angka 1.

Selain itu, setelah cincin segel beroperasi selama beberapa waktu, bukaan bibir (lip) akan mengalami keausan. Jika bibir tidak mampu mengkompensasi keausan ini, kebocoran akan mulai terjadi. Ketebalan dinding bibir (b) harus dipilih berdasarkan sifat mekanis material dan diameter batang (shank). Tujuannya adalah memastikan bibir memiliki kekakuan yang cukup sekaligus tetap mampu lentur dan mengkompensasi keausan.

6. Pemasangan Cincin Segel Bibir

Jika cincin segel tidak ditangani dengan hati-hati selama pemasangan, cincin tersebut dapat tergores atau mengalami deformasi, yang berdampak pada kualitas dan bahkan dapat membuatnya tidak dapat digunakan. Poin-poin berikut harus diperhatikan:

• Bagian tempat cincin segel dipasang (selubung air) harus memiliki chamfer 15° hingga 30° pada permukaan ujungnya, untuk mencegah cincin tergores saat didorong masuk dari ujung.
• Setiap bukaan lubang yang harus dilalui cincin juga harus memiliki chamfer 15° hingga 30°.
• Oleskan gemuk atau minyak pelumas ke area pemasangan sebelum instalasi guna mengurangi gaya perakitan.
• Hindari peregangan berlebih pada cincin selama pemasangan, karena hal ini dapat menyebabkan deformasi plastis permanen.

Secara ringkas, memilih bahan segel yang tepat, menerapkan desain yang andal, serta berhati-hati selama proses pemasangan merupakan kunci peningkatan kinerja penyegelan dan masa pakai unit rotasi bor batu hidrolik. Dalam praktiknya, pendekatan yang diuraikan di sini telah memberikan hasil yang baik—kebocoran menurun dan masa pakai meningkat secara signifikan.