중국산 유압식 암반 드릴에서는 일반적으로 회전 유닛에 측면에서 물을 공급한다. 밀봉재 재료와 설계 방식의 선택은 밀봉 성능 및 수명에 큰 영향을 미치며, 이는 다시 드릴의 전반적인 성능에 영향을 준다.

1. 워터 실의 하중 작용 방식 및 요구 사항

유압식 암석 드릴의 회전 유닛에 적용된 측면 급수 시스템은 주로 세 부분, 즉 물 소매(1), 물 실링(2), 그리고 샹크 테일(3)로 구성된다(그림 1 참조). 드릴이 작동 중일 때, 샹크 테일은 고주파로 축 방향으로 왕복 이동하면서 동시에 회전하여 충격 에너지를 전달한다. YYC250B 유압식 암석 드릴의 물 실링 작동 조건은 다음과 같다: 샹크 회전 속도 220 r/min, 샹크 충격 주파수 60 Hz, 세척수 압력 1 MPa, 천공 속도 110 cm/min. 이러한 수치는 물 실링이 고주파 축 방향 타격과 회전이 복합적으로 작용하는 마찰 하중을 받고 있음을 보여준다. 따라서 실링 재료는 다음 특성을 가져야 한다.

1. 우수한 내수성 — 물에 담글 경우 부풀거나 수축하지 않아야 하며, 용해, 연화 또는 경화되어서도 안 된다.
2. 우수한 탄성 복원력 — 잘 탄성 회복되어 영구 변형이 발생하지 않아야 한다.
3. 우수한 내마모성 — 마찰 계수가 낮아야 한다.
4. 높은 기계적 강도 — 우수한 인장 강도, 경도 및 찢어짐 저항성.
5. 금속 부품과 반응하지 않음 — 접착되지 않으며, 부식도 일어나지 않음.

여러 옵션을 비교한 후, 우리는 폴리우레탄을 실링 재료로 선택했습니다. 그 분자 구조에는 우레탄기(-NHCOO-)가 포함되어 있어 높은 기계적 강도를 가지며, 이는 니트릴 고무보다 약 1~4배 높습니다. 또한 내마모성이 매우 뛰어나 천연 고무보다 약 10~15배 우수합니다. 더불어 우수한 내유성(니트릴 고무보다 5배 이상 우수)을 갖추고 있으며, 오존 및 노화 저항성 측면에서도 우수한 성능을 발휘합니다.

폴리우레탄은 두 가지 주요 유형으로 구분되며, 각 유형은 서로 다른 등급을 가지며, 이 선택이 실링 성능에 직접적인 영향을 미친다는 점에 유의해야 한다. 첫 번째 유형은 폴리에스터 기반 폴리우레탄(예: 동펑-1, JA3 등급)이며, 두 번째 유형은 폴리에터 기반 폴리우레탄(예: JA2, JA5 등급)이다. 폴리에스터 계열은 우수한 기계적 특성을 갖지만 내수성은 낮은 편인데, 이는 물이 엘라스토머 네트워크 내 극성 그룹과 화학 반응을 일으켜 구조를 분해하기 때문이다. 네트워크 내 극성 그룹이 많을수록 내수성은 더 나빠진다. 반면 폴리에터 계열은 극성 그룹이 적어 폴리에스터 계열보다 내수성이 5배 이상 우수하다. 그러나 폴리에터 계열의 에터 결합은 저장 에너지가 상대적으로 작기 때문에 기계적 강도는 폴리에스터 계열만큼 뛰어나지 않다. 따라서 명백한 해결책은 두 유형의 장점을 결합하는 것이다. 두 유형을 혼합하고 내마모성 충전제를 추가함으로써 기계적 성능과 내수성 모두 우수한 소재를 얻을 수 있다. 이를 위해 우리는 고무 제품 공장(폴리우레탄 제조업체)과 협력하여 맞춤형 혼합 폴리우레탄 소재를 개발하였다. 시험 결과, 이 소재로 제작된 실은 밀봉 성능과 수명 모두 현저히 향상된 것으로 나타났다.

2. 실링 링 유형 선택

회전 부위의 워터 실링에 작용하는 하중 조건을 고려하여 Y형 실링 링을 선택하였다. 이 유형은 세 가지 장점을 갖는다: (1) 자가 밀봉 효과 — 압력이 가해질 때 립(lip)이 더욱 단단히 눌려 밀봉 성능이 향상됨; (2) 낮은 운전 저항과 원활한 작동; (3) 우수한 안정성 — 급격히 변화하는 압력을 받는 유압 부품에 적합함. 반면, O형 링은 이러한 조건에서 비틀림 및 손상이 발생하기 쉬움.

3. 실링의 작동 원리

Y형 링 실링은 주로 그 립(lip)의 자가 밀봉 작용을 통해 주로 밀봉됩니다. 그림 2는 물 소매(water sleeve) 홈에 장착된 Y형 링의 접촉 압력 분포를 보여줍니다. 압력이 가해지지 않은 상태에서는 립 선단의 변형에 의해서만 작은 접촉 압력이 발생합니다(그림 2b). 내부 압력이 가해지면, 파스칼의 법칙에 따라 폐쇄 계통 내에서 유체와 접촉하는 모든 점은 내부 압력과 동일한 크기의 정방향 힘을 받게 됩니다. 이로 인해 실링 링의 바닥 부분은 축 방향으로 압축되고, 립은 원주 방향으로 압축됩니다. 립과 샤프트(shank) 사이의 접촉 면적이 증가하고, 접촉 압력도 함께 증가합니다(그림 2c). 내부 압력이 더욱 상승하면 압력 분포 및 크기 모두 더 크게 변화하며(그림 2d), 립이 샤프트에 더욱 단단히 눌려 붙게 되는데, 이를 ‘자가 밀봉 효과(self-sealing effect)’라고 합니다. 따라서 Y형 링은 본 수밀(seal) 응용 분야에 매우 적합합니다.

4. 립 형상이 밀봉 성능 및 사용 수명에 미치는 영향

접촉 압력 분포는 립(lip)의 형상과 밀접한 관련이 있다. 립형 링(lip-type ring)에서 우수한 밀봉 성능을 달성하기 위한 핵심은 밀봉 접촉 대역 전체에 걸친 압력 분포와 립 선단부의 최대 압력(peak pressure)이다. 그림 3a는 전방 립(front lip)에 경사면(chamfer)이 있는 Y형 링과 없는 Y형 링의 밀봉 효과를 비교한 것이다. 경사면이 있는 링은 밀봉 접촉 대역에서 명확한 압력 피크를 나타내며, 이는 립형 밀봉재의 성능 요구사항을 가장 잘 충족한다. 적절한 전방 립 각도 θ를 선택함으로써 누출량을 크게 줄일 수 있다—θ > 30°일 때 누출량은 θ = 0°일 때의 절반 수준에 불과하다. 그림 3b는 후방 립(back lip, heel)에 경사면이 있는 경우와 없는 경우의 밀봉 효과를 비교한 것이다. 전방 립과 달리, 후방 립(heel)에 경사면을 가공하면 작동 압력 하에서 두 번째 압력 피크가 발생하여 물의 역류를 차단하려는 효과는 있으나, 오히려 누출량을 증가시킨다. 반면, 후방 립에 경사면이 없으면 두 번째 압력 피크가 발생하지 않아 밀봉 성능이 향상된다.

5. 설계 파라미터가 밀봉 성능 및 사용 수명에 미치는 영향

잘 설계된 실링 링은 재료의 성능을 최대한 발휘할 수 있도록 해줍니다. Y형 링의 경우, 성능과 수명을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나는 치수 l과 치수 h 사이의 관계입니다(그림 4 참조). 실용적인 사용 경험에 따르면, 비율 l/h = 1일 때 링이 장기간에 걸쳐 누출을 낮게 유지할 수 있습니다. 따라서 최적의 밀봉 성능을 얻기 위해서는 l/h 값을 1로 유지해야 합니다.

또한, 실링 링이 일정 시간 동안 작동한 후에는 립 개구부가 마모됩니다. 립이 이러한 마모를 보상하지 못하면 누출이 발생하게 됩니다. 립 벽 두께 b는 재료의 기계적 특성과 샤프트의 직경을 고려하여 선정해야 하며, 목표는 립이 충분한 강성을 확보하면서도 유연하게 변형되어 마모를 보상할 수 있도록 하는 것입니다.

6. 립 실링 링 설치

실링 링을 설치할 때 주의하지 않으면 긁힘이나 변형이 발생하여 품질에 영향을 미치고, 심지어 사용 불가능해질 수 있습니다. 다음 사항들을 반드시 준수해야 합니다:

• 씰 링이 장착되는 부분(워터 슬리브)의 단면에는 링을 끝단에서 밀어 넣을 때 긁히지 않도록 15°~30°의 경사면(차머)을 가공해야 한다.
• 링이 통과해야 하는 모든 구멍 개구부에도 15°~30°의 경사면(차머)을 가공해야 한다.
• 설치 전에 조립 부위에 윤활 그리스 또는 작동 유량유를 도포하여 조립 시 필요한 힘을 줄여야 한다.
• 설치 중 링을 과도하게 늘리지 않도록 주의해야 하며, 그렇지 않으면 영구적인 소성 변형이 발생할 수 있다.

요약하자면, 적절한 씰 재료를 선택하고, 타당한 설계를 적용하며, 설치 시 주의를 기울이는 것이 유압식 암반 드릴 회전 유닛의 밀봉 성능 및 수명을 향상시키는 핵심 요소이다. 실제 현장 적용 결과, 본 문서에서 설명한 접근 방식은 우수한 성과를 보였으며, 누출이 감소하고 수명이 크게 연장되었다.