במכונות קדיחת סלעים הידראוליות המיוצרות בסין, יחידת הסיבוב מוזנת בדרך כלל במים מהצד. בחירת חומר החותם ועיצובו משפיעים משמעותית על יעילות החותם ועל משך חייו — מה שמשפיע במערכת על ביצועי המנוף כולם.

1. כיצד נטען חותם המים ומה דרוש לו

מערכת המים הצלעית ביחידת סיבוב של מקדחה הידראולית לסלע מורכבת בעיקר משלושה חלקים: שרוול מים (1), אטם מים (2) וזנבו של השדרה (3) (ראה תרשים 1). בעת פעולת המקדחה, זנבו של השדרה מסתובב ומזדקר הלוך ושוב לאורך הציר בתדירות גבוהה, ובכך מעביר את אנרגיית ההכאה. הפרמטרים העבדתיים של אטם המים במקדחת הידראולית לסלע YYC250B הם: מהירות הסיבוב של השדרה – 220 סיבובים לדקה, תדירות ההכאה של השדרה – 60 הרץ, לחץ מי הנקה – 1 מפ"א, ומהירות קידוח החורים – 110 ס"מ לדקה. ערכים אלו מראים כי אטם המים נתון למשימת חיכוך משולבת הנגרמת על ידי מכה צירית בתדירות גבוהה וסיבוב. בשל כך, חומר האטם חייב להכיל את התכונות הבאות:

1. יציבות טובה במים — לא להזדחל או להתכווץ במידה רבה במים, ולא להתמוסס, לרתק או לקשח.
2. שיקום אלסטי טוב — יש לחזור למצבו המקורי באופן יעיל ולא ללקות בעיוות קבוע.
3. עמידות טובה לשחיקה — מקדם חיכוך נמוך.
4. חוזק מכני גבוה — עמידות מתח טובה, קשיחות ועמידות לקריעות.
5. אין תגובה עם חלקים מתכתיים — אין הדבקה, אין קורוזיה.

לאחר השוואת האפשרויות, בחרנו פוליאוריתן כחומר החסימה. המבנה המולקולרי שלו כולל קבוצות אוריתן, מה שנותן לו חוזק מכני גבוה — בערך 1–4 פעמים יותר מגומי ניטריל. עמידותו לשחיקה מצוינת, כ-10–15 פעמים טובה יותר מגומי טבעי. כמו כן, יש לו עמידות טובה לשמנים (יותר מ-5 פעמים טובה יותר מגומי ניטריל) והיא מבצעת היטב גם מבחינת עמידות לאוזון ולזדקנות.

יש לציין שפוליאוריתן מגיע בשני סוגי עיקריים עם דרגות שונות, והבחירה משפיעה על יעילות החסימה. הסוג הראשון הוא פוליאוריתן מבוסס פוליאסטר (דרגות כגון Dongfeng-1 ו-JA3). הסוג השני הוא פוליאוריתן מבוסס פוליאתר (דרגות כגון JA2 ו-JA5). לפוליאוריתן מסוג הפוליאסטר יש תכונות מכניות טובות, אך התנגדותו למים נמוכה — המים מגיבים כימית עם הקבוצות הקוטביות ברשת האלסטומר, מה שמביא להתפרקות המבנה. ככל שמספר הקבוצות הקוטביות ברשת גדול יותר, כך ההתנגדות למים נמוכה יותר. לפוליאוריתן מסוג הפוליאתר יש פחות קבוצות קוטביות, ולכן התנגדותו למים טובה פי חמשה מאשר לפוליאוריתן מסוג הפוליאסטר. עם זאת, מאחר שהקשרים האתרים בפוליאוריתן מסוג הפוליאתר מאגרים פחות אנרגיה, חוזקו המכניקלי אינו טוב כמו זה של פוליאוריתן מסוג הפוליאסטר. הפתרון הברור הוא לשלב את היתרונות של שני הסוגים. על ידי ערבוב שני הסוגים יחדיו והוספת ממלא עמיד לבלאי, ניתן להשיג חומר בעל ביצועים מכניים טובים וגם התנגדות טובה למים. לשם כך שיתפנו פעולה עם מפעל מוצרים מ каучוק (יצרן פוליאוריתן) כדי לייצר חומר פוליאוריתן מעורבב מותאם אישית. מבחנים הראו שמחסומים המיוצרים מחומר זה מציגים ביצועי חסימה ותקופת חיים משופרים באופן משמעותי.

2. בחירת סוג טבעת החסימה

בהתחשב בתנאי העומס על חוסם המים של יחידת הסיבוב, בחרנו טבעות חסימה מסוג Y. לסוג זה יש שלושה יתרונות: (1) אפקט חסימה עצמית — כאשר מופעל לחץ, השפתיים נלחצות חזק יותר ומחסימות טוב יותר; (2) התנגדות נמוכה לתנועה ותפעול חלק; (3) יציבות טובה, מתאימה לרכיבי הידראוליקה שעובדים תחת תנאים של שינוי מהיר בלחץ. טבעות מסוג O נוטות להתפתל ולפגוע בתנאים אלו.

3. עקרון פעולת החסימה

טבעות החתימה מסוג Y מחתימות בעיקר באמצעות פעולת החתימה העצמית של השפתיים שלהן. איור 2 מציג את התפלגות לחץ ההשקה של טבעת מסוג Y המותקנת בחריץ של שרוול המים. ללא לחץ, נוצר רק לחץ השקה קטן כתוצאה מהעיוות של קצה השפה (איור 2ב). ברגע שמופעל לחץ פנימי, חוק פסקל קובע שבמערכת סגורה כל נקודה הנוגעת בנוזל חווה כוח נורמלי השווה ללחץ הפנימי. תופעה זו גורמת ללחיצה אקסיאלית על התחתית של טבעת החתימה וללחיצה צירופית על השפתיים. שטח ההשקה של השפה עם הגבעול גדל, וכן גם לחץ ההשקה (איור 2ג). כאשר הלחץ הפנימי עולה עוד יותר, מתבצע שינוי נוסף בהתפלגות ובעוצמת הלחץ (איור 2ד), מה שגורם ללחיצה חזקה יותר של השפתיים על הציר — זהו "אפקט החתימה העצמית". מסיבה זו טבעת הסוג Y מתאימה במיוחד ליישום זה של חתימה במים.

4. כיצד צורת השפה משפיעה על החתימה ואורך החיים

התפלגות לחץ ההשקה קשורה באופן הדוק לצורת השפתיים. המפתח לאיטום טוב באטם מסוג שפה הוא התפלגות הלחצים לאורך אזור ההשקה האיטומי והלחץ המרבי בקצה השפה. איור 3א משווה את יעילות האיטום של טבעות מסוג Y עם ומבלי פס חיתוך (צ'מפר) על שפת הקדמה. הטבעת עם הפס החתוך מציגה צדדית ברורה של לחץ מרבי לאורך אזור ההשקה האיטומי, מה שמתאים ביותר לדרישות הביצועים של אטמים מסוג שפה. על ידי בחירת זווית שפת הקדמה הנכונה (θ), ניתן להפחית במידה ניכרת את הדליפות — כאשר θ > 30°, הדליפה היא רק מחצית מהדליפה ב-θ = 0°. איור 3ב משווה את יעילות האיטום עם ומבלי פס חיתוך על שפת האחור (עקב). בניגוד לשפת הקדמה, פס חיתוך על העקב יוצר צדדית שנייה של לחץ תחת לחץ העבודה, אשר מונעת את זרימת המים לאחור אך מגבירה את הדליפה. ללא פס חיתוך על העקב, אין צדדית שנייה של לחץ, והאיטום פועל טוב יותר.

5. כיצד פרמטרי העיצוב משפיעים על האיטום ואורך החיים

טבעת איטום מעוצבת היטב מאפשרת לחומר לפעול ביכולתו המרבית. עבור טבעת מסוג Y, אחד הגורמים החשובים ביותר לביצוע ולתקופת חיים היא היחס בין הממד l לממד h (ראה תרשים 4). מהשימוש המעשי עולה כי כאשר היחס l/h = 1, הטבעת יכולה לשמור על דליפת נמוכה לאורך תקופה ארוכה יותר. לפיכך, לשם איטום אופטימלי יש לשמור על הערך l/h כ-1.

בנוסף, לאחר שהאיטום פעל למשך זמן מה, פתח השפה יבלה. אם השפה אינה יכולה לפצות על הבלאי הזה, תתחיל דליפה. עובי דופן השפה b יש לבחור בהתאם לתכונות המכאניות של החומר ולקוטר הגבעול. המטרה היא להבטיח שהשפה תכיל קשיחות מספקת, אך עדיין תהיה גמישה מספיק כדי לפצות על הבלאי.

6. התקנת טבעת איטום השפה

אם לא מתייחסים לטבעת האיטום בזהירות במהלך ההתקנה, עלולה להיווצר חסימה או עיוות, מה שמשפיע על האיכות וייתכן שיגרום לכך שלא תוכל לשמש. יש להקפיד על הנקודות הבאות:

• החלק שבו מותקן טבעת החסימה (שרוול המים) חייב להיות בעל פאצה של 15°–30° בפאה הקיצונית, כדי למנוע את הגרירה של הטבעת בעת הכניסה שלה מהקצה.
• לכל פתח חור שעליו על הטבעת לעבור חייבת להיות גם כן פאצה של 15°–30°.
• יש לשים שמן או שמן עבודה באזור ההרכבה לפני ההתקנה כדי להפחית את כוח ההרכבה.
• יש להימנע מהנחת הטבעת יתר על המידה במהלך ההתקנה, מאחר שזה עלול לגרום לעיוות פלסטי קבוע.

לסיכום, בחירת חומר החסימה המתאים, שימוש בעיצוב תקין ותשומת לב רבה במהלך ההתקנה הם המפתח לשיפור ביצועי החסימה ואורך החיים של יחידות הסיבוב במקדחות סלע הידראוליות. בפועל, הגישה המתוארת כאן העלתה תוצאות טובות — דליפות ירדו באופן משמעותי ואורך החיים עלה באופן ניכר.