Nei perforatori idraulici per roccia di produzione cinese, l'unità di rotazione è solitamente raffreddata con acqua proveniente lateralmente. La scelta del materiale e della geometria della guarnizione influisce notevolmente sull’efficacia della tenuta e sulla sua durata — il che, a sua volta, incide sulle prestazioni complessive del perforatore.

1. Come viene caricata la guarnizione d’acqua e quali sono i suoi requisiti

Il sistema di alimentazione idrica laterale su un'unità di rotazione per perforatrici idrauliche è costituito principalmente da tre parti: una manica d'acqua (1), una guarnizione d'acqua (2) e una coda del gambo (3) (vedi Fig. 1). Durante il funzionamento della perforatrice, la coda del gambo ruota e si muove avanti e indietro lungo l'asse con elevata frequenza, trasferendo l'energia d'impatto. I parametri di funzionamento della guarnizione d'acqua per la perforatrice idraulica per roccia YYC250B sono i seguenti: velocità di rotazione del gambo 220 giri/min, frequenza d'impatto del gambo 60 Hz, pressione dell'acqua di spurgo 1 MPa, velocità di perforazione 110 cm/min. Questi valori indicano che la guarnizione d'acqua è soggetta a un carico combinato di attrito causato da martellamento assiale ad alta frequenza e rotazione. Per tale motivo, il materiale della guarnizione deve possedere le seguenti caratteristiche:

1. Buona stabilità in acqua — non deve gonfiarsi né restringersi eccessivamente in presenza d'acqua, né deve sciogliersi, ammorbidirsi o indurirsi.
2. Buona capacità di recupero elastico — deve riprendere rapidamente la forma originaria e non deformarsi in modo permanente.
3. Buona resistenza all'usura — coefficiente d'attrito basso.
4. Elevata resistenza meccanica — buona resistenza a trazione, durezza e strappo.
5. Nessuna reazione con le parti metalliche — nessun fenomeno di adesione, nessuna corrosione.

Dopo aver confrontato diverse opzioni, abbiamo scelto il poliuretano come materiale per la guarnizione. La sua struttura molecolare contiene gruppi uretanici, che gli conferiscono un’elevata resistenza meccanica — circa 1–4 volte superiore a quella della gomma nitrilica. La sua resistenza all’usura è eccellente, circa 10–15 volte migliore rispetto alla gomma naturale. Dispone inoltre di una buona resistenza agli oli (più di 5 volte superiore rispetto alla gomma nitrilica) e si comporta bene anche riguardo alla resistenza all’ozono e all’invecchiamento.

Va notato che il poliuretano è disponibile in due tipi principali, ciascuno con diverse qualità, e la scelta influisce sull’efficacia della tenuta. Il primo tipo è il poliuretano a base di poliestere (qualità come Dongfeng-1 e JA3). Il secondo tipo è il poliuretano a base di polietere (qualità come JA2 e JA5). Il tipo poliestere presenta ottime proprietà meccaniche, ma una scarsa resistenza all’acqua: quest’ultima reagisce chimicamente con i gruppi polari presenti nella rete elastomerica, provocandone il degrado strutturale. Maggiore è il numero di gruppi polari nella rete, peggiore è la resistenza all’acqua. Il tipo polietere contiene invece un numero inferiore di gruppi polari, pertanto la sua resistenza all’acqua è superiore di oltre cinque volte rispetto a quella del tipo poliestere. Tuttavia, poiché i legami etereici presenti nel tipo polietere immagazzinano meno energia, la sua resistenza meccanica non è paragonabile a quella del tipo poliestere. La soluzione più evidente consiste quindi nel combinare i punti di forza di entrambi i tipi. Mescolando insieme i due poliuretani e aggiungendo un riempitivo resistente all’usura, si ottiene un materiale che coniuga sia ottime prestazioni meccaniche sia un’elevata resistenza all’acqua. A tale scopo, abbiamo collaborato con una fabbrica di prodotti in gomma (produttrice di poliuretano) per realizzare un materiale di poliuretano personalizzato, ottenuto mediante miscelazione. I test hanno dimostrato che le guarnizioni realizzate con questo materiale offrono prestazioni di tenuta significativamente migliori e una maggiore durata operativa.

2. Scelta del tipo di anello di tenuta

Data la condizione di carico sull'anello di tenuta idraulica dell'unità rotante, abbiamo scelto anelli di tenuta di tipo Y. Questo tipo presenta tre vantaggi: (1) effetto di autotenuta — quando viene applicata pressione, le labbra si comprimono maggiormente garantendo una tenuta migliore; (2) bassa resistenza al movimento e funzionamento regolare; (3) buona stabilità, adatto a componenti idraulici soggetti a brusche variazioni di pressione. Gli anelli di tenuta di tipo O tendono a torsionarsi e danneggiarsi in queste condizioni.

3. Funzionamento della tenuta

Le guarnizioni ad anello di tipo Y sigillano principalmente grazie all’azione di autostagnatura delle loro labbra. La fig. 2 mostra la distribuzione della pressione di contatto di un anello di tipo Y montato nella scanalatura della manica d’acqua. In assenza di pressione, si genera soltanto una piccola pressione di contatto dovuta alla deformazione della punta della linguetta (fig. 2b). Una volta applicata una pressione interna, la legge di Pascal stabilisce che, in un sistema chiuso, ogni punto a contatto con il fluido subisce una forza normale pari alla pressione interna. Ciò provoca una compressione assiale della parte inferiore dell’anello di tenuta e una compressione circonferenziale delle linguette. L’area di contatto tra la linguetta e il gambo aumenta, così come la pressione di contatto (fig. 2c). Quando la pressione interna aumenta ulteriormente, la distribuzione e l’entità della pressione cambiano ancora di più (fig. 2d), premendo le linguette ancora più saldamente contro l’albero: questo fenomeno è denominato «effetto di autostagnatura». È proprio per questo motivo che l’anello di tipo Y risulta particolarmente adatto a questa applicazione di tenuta idrica.

4. Come la forma della linguetta influisce sulla tenuta e sulla durata di servizio

La distribuzione della pressione di contatto è strettamente correlata alla forma delle labbra. La chiave per una buona tenuta in un anello a labbro è la distribuzione della pressione lungo la banda di contatto di tenuta e la pressione massima alla punta del labbro. La fig. 3a confronta l’effetto di tenuta degli anelli di tipo Y con e senza smusso sul labbro anteriore. L’anello con smusso presenta un chiaro picco di pressione sulla banda di contatto di tenuta, soddisfacendo così al meglio i requisiti prestazionali degli anelli di tenuta a labbro. Scegliendo l’angolo ottimale θ del labbro anteriore, è possibile ridurre notevolmente le perdite: per θ > 30°, le perdite sono pari alla metà di quelle riscontrabili per θ = 0°. La fig. 3b confronta l’effetto di tenuta con e senza smusso sul labbro posteriore (tallone). A differenza del labbro anteriore, uno smusso sul tallone genera, sotto pressione di esercizio, un secondo picco di pressione che impedisce il deflusso all’indietro dell’acqua, aumentando le perdite. In assenza di smusso sul tallone, non si verifica alcun secondo picco di pressione e la tenuta funziona meglio.

5. Come i parametri di progettazione influenzano la tenuta e la durata operativa

Un anello di tenuta ben progettato consente al materiale di esprimere appieno le proprie potenzialità. Per l'anello a Y, uno dei fattori più importanti per le prestazioni e la durata è il rapporto tra la dimensione l e la dimensione h (vedi Fig. 4). Nell’uso pratico, quando il rapporto l/h = 1, l’anello riesce a mantenere basse le perdite per un periodo più lungo. Pertanto, per ottenere la migliore tenuta possibile, il valore di l/h deve essere mantenuto pari a 1.

Inoltre, dopo un certo periodo di funzionamento della tenuta, l’apertura del labbro si usura. Se il labbro non è in grado di compensare tale usura, inizieranno le perdite. Lo spessore b della parete del labbro deve essere scelto in base alle proprietà meccaniche del materiale e al diametro dello stelo. L’obiettivo è garantire che il labbro possieda una rigidità sufficiente, pur conservando la flessibilità necessaria per compensare l’usura.

6. Installazione dell’anello di tenuta a labbro

Se l’anello di tenuta non viene maneggiato con cura durante l’installazione, può subire graffi o deformazioni, compromettendone la qualità e rendendolo eventualmente inutilizzabile. È necessario osservare i seguenti punti:

• La parte in cui viene montato l'anello di tenuta (la manica per l'acqua) deve presentare una smussatura di 15°–30° sulla faccia terminale, per evitare che l'anello venga graffiato durante l'inserimento dall'estremità.
• Anche qualsiasi apertura attraverso la quale l'anello deve passare deve essere dotata di una smussatura di 15°–30°.
• Applicare grasso o olio lubrificante sull'area di montaggio prima dell'installazione per ridurre la forza necessaria per il montaggio.
• Evitare di allungare eccessivamente l'anello durante l'installazione, poiché ciò potrebbe causare una deformazione plastica permanente.

In sintesi, la scelta del materiale di tenuta appropriato, un progetto accurato e una particolare attenzione durante l'installazione sono fondamentali per migliorare le prestazioni di tenuta e la durata utile delle unità di rotazione degli scalpelli idraulici. Nella pratica, l'approccio descritto qui ha prodotto ottimi risultati: le perdite si sono ridotte e la durata utile è aumentata in modo significativo.