中国製の油圧式ロックスリルでは、回転ユニットへの給水は通常、側面から行われます。シール材の選択およびシール構造の設計は、シールの機能性および耐久性に大きな影響を及ぼします。これは、結果としてドリル全体の性能にも影響を与えます。

1. 水シールの負荷方法とその要件

油圧式ロックスリルの回転ユニットに採用されるサイドフィード給水システムは、主に3つの部品から構成される：ウォータースリーブ（1）、ウォーターシール（2）、およびシャンクテール（3）（図1参照）。ドリルが作動中には、シャンクテールが高速で軸方向に往復運動するとともに回転し、衝撃エネルギーを伝達する。YYC250B油圧式ロックスリルのウォーターシールの作動パラメータは以下の通りである：シャンク回転速度220 r/min、シャンク衝撃周波数60 Hz、洗浄水圧力1 MPa、穴あけ速度110 cm/min。これらの数値から、このウォーターシールは、高周波軸方向打撃と回転による複合摩擦荷重にさらされていることがわかる。このため、シール材には以下の特性が求められる：

1. 優れた耐水性 — 水中で著しく膨潤または収縮せず、溶解・軟化・硬化することもない。
2. 優れた弾性復元性 — 良好な復元力を有し、永久変形しにくい。
3. 優れた耐摩耗性 — 摩擦係数が低い。
4. 高い機械的強度 — 引張強さ、硬度、耐ちぎれ性に優れる。
5. 金属部品との反応なし — 接着せず、腐食もしない。

選択肢を比較検討した結果、シール材としてポリウレタンを採用しました。その分子構造にはウレタン基が含まれており、高い機械的強度（ニトリルゴムの約1～4倍）を有します。耐摩耗性も非常に優れており、天然ゴムの約10～15倍です。また、耐油性（ニトリルゴムの5倍以上）にも優れ、オゾンおよび耐老化性においても良好な性能を発揮します。

ポリウレタンには、グレードの異なる2つの主要なタイプがあり、その選択がシールの性能に大きく影響することに注意が必要です。第1のタイプはポリエステル系ポリウレタン（例：東風-1、JA3など）であり、第2のタイプはポリエーテル系ポリウレタン（例：JA2、JA5など）です。ポリエステル系は優れた機械的特性を有しますが、耐水性は劣ります。これは、水がエラストマー網目構造内の極性基と化学反応を起こし、構造を分解するためです。網目構造内の極性基が多いほど、耐水性は低下します。一方、ポリエーテル系は極性基が少ないため、その耐水性はポリエステル系よりも5倍以上優れています。ただし、ポリエーテル系のエーテル結合はエネルギーをあまり保持しないため、機械的強度はポリエステル系ほど高くありません。この課題に対する明確な解決策は、両者の長所を組み合わせることです。両者をブレンドし、さらに耐摩耗性フィラーを添加することで、優れた機械的性能と優れた耐水性を併せ持つ材料を得ることができます。この目的のため、当社はゴム製品工場（ポリウレタンメーカー）と共同で、カスタマイズされたブレンド型ポリウレタン材料を開発しました。試験結果によると、この材料で製造したシールは、密封性能および耐用年数において著しく優れた性能を示しました。

2. シールリングの種類の選定

回転ユニットのウォーターシールに作用する荷重条件を考慮し、Y型シールリングを採用しました。このタイプには以下の3つの利点があります：（1）自己密封効果 — 圧力が加わると、リップ部がより強く押し付けられ、密封性が向上する；（2）低走行抵抗で、スムーズな動作を実現；（3）優れた安定性があり、圧力が急激に変化する油圧部品への適用に適しています。一方、O型リングはこのような条件下でねじれや損傷を起こしやすくなります。

3. シールの作動原理

Yリングのシールは、主にそのリップ部の自己密封作用によって実現されます。図2には、水ジャケット溝に装着されたYリングの接触圧力分布が示されています。内圧が加わっていない状態では、リップ先端の変形によって僅かな接触圧力のみが生じます（図2b）。内圧が加わると、パスカルの法則により、密閉系内の流体と接触するすべての点には、内圧に等しい法線方向の力が作用します。これにより、シールリングの底部が軸方向に圧縮され、リップ部が周方向に圧縮されます。その結果、シャンクとのリップ接触面積が増大し、接触圧力も増加します（図2c）。さらに内圧が上昇すると、圧力分布の形状および大きさはさらに変化し（図2d）、リップ部がシャフトに対してより強く押し付けられるようになります——これが「自己密封効果」です。この効果こそが、Yリングを本水シール用途に最適な選択とする理由です。

4. リップ形状がシール性能および寿命に与える影響

接触圧力分布は、リップの形状と密接に関係しています。リップ型リングにおける優れたシール性能を実現する鍵は、シール接触帯における圧力分布およびリップ先端におけるピーク圧力にあります。図3aでは、フロントリップに面取り加工を施したY型リングと、面取り加工を施さないY型リングのシール効果を比較しています。面取り加工を施したリングでは、シール接触帯において明確な圧力ピークが生じており、これはリップ型シールの性能要件を最もよく満たしています。適切なフロントリップ角度θを選択することにより、漏れ量を大幅に低減できます。θ > 30°の場合、漏れ量はθ = 0°の場合の半分になります。図3bでは、バックリップ（ヒール）に面取り加工を施した場合と施さない場合のシール効果を比較しています。フロントリップとは異なり、ヒールに面取り加工を施すと作動圧力下で第2の圧力ピークが発生し、これが水の逆流を阻止するとともに漏れ量を増加させます。ヒールに面取り加工を施さない場合は第2の圧力ピークが発生せず、シール性能が向上します。

5. 設計パラメータがシール性能および寿命に与える影響

設計が優れたシールリングを使用することで、材料の性能を最大限に発揮させることができます。Y型リングにおいて、性能および寿命を左右する最も重要な要素の一つは、寸法lと寸法hとの関係です（図4参照）。実際の使用経験から、l／h＝1の比率で使用すると、長期間にわたり漏れを低減した状態を維持できます。したがって、最適なシール性能を得るためには、l／hの値を1に保つことが推奨されます。

また、シールリングを一定期間使用した後には、リップ部の開口が摩耗により小さくなります。この摩耗をリップ部が補償できなくなると、漏れが発生します。リップ部の壁厚bは、材料の機械的特性およびシャンクの直径に基づいて選定する必要があります。その目的は、リップ部に十分な剛性を確保しつつ、同時に摩耗に対する追従性（柔軟性）も確保することです。

6. リップシールリングの取付け

シールリングを取付け時に丁寧に取り扱わないと、傷が付いたり変形したりして品質が損なわれ、場合によっては使用不能になることがあります。以下の点を必ず遵守してください：

• シールリングが装着される部分（ウォータースリーブ）の端面には、リングを端から押し込んだ際に傷がつかないように、15°～30°の面取りを施す必要があります。
• リングが通過する必要のあるすべての穴開口部についても、15°～30°の面取りを施す必要があります。
• 組み立て前に、装着部にグリースまたは作業油を塗布して、組み立て時の力を低減させます。
• 組み立て時にリングを過度に伸ばさないよう注意してください。過度な伸長は、永久的な塑性変形を引き起こす可能性があります。

まとめると、適切なシール材の選定、合理的な設計、そして細心の注意を払った組み立てが、油圧式ロッカードリル回転ユニットにおけるシール性能および寿命向上の鍵となります。実際、本稿で述べたアプローチを採用した結果、良好な効果が得られています——漏れが減少し、寿命が大幅に延長されました。