Dalam gerudi batu hidraulik buatan China, unit putaran biasanya dibekalkan air dari sisi. Pilihan bahan dan rekabentuk segel mempunyai kesan besar terhadap keberkesanan dan jangka hayat segel tersebut — yang seterusnya mempengaruhi prestasi keseluruhan gerudi.

1. Cara Segel Air Dimuatkan dan Keperluannya

Sistem saluran air sisi pada unit putaran gerudi batu hidraulik terutamanya terdiri daripada tiga bahagian: selongsong air (1), segel air (2), dan ekor batang (3) (rujuk Rajah 1). Apabila gerudi beroperasi, ekor batang berputar serta bergerak maju-mundur sepanjang paksi pada frekuensi tinggi, memindahkan tenaga hentaman. Parameter operasi segel air gerudi batu hidraulik YYC250B ialah: kelajuan putaran batang 220 psm, frekuensi hentaman batang 60 Hz, tekanan air pembilasan 1 MPa, dan kelajuan pengeboran lubang 110 cm/min. Nilai-nilai ini menunjukkan bahawa segel air mengalami beban geseran gabungan akibat ketukan paksi frekuensi tinggi dan putaran. Oleh sebab itu, bahan segel tersebut mesti memiliki sifat-sifat berikut:

1. Kestabilan air yang baik — bahan ini tidak boleh mengembang atau mengecut secara ketara dalam air, dan tidak boleh larut, lembut, atau keras.
2. Pemulihan elastik yang baik — bahan ini mesti kembali ke bentuk asalnya dengan baik dan tidak mengalami ubah bentuk kekal.
3. Rintangan haus yang baik — pekali geseran yang rendah.
4. Kekuatan mekanikal yang tinggi — ketegangan tarikan yang baik, kekerasan, dan rintangan terhadap koyak.
5. Tiada tindak balas dengan komponen logam — tiada pelekat, tiada kakisan.

Selepas membandingkan pelbagai pilihan, kami memilih poliuretana sebagai bahan pengedap. Struktur molekulnya mengandungi kumpulan uretana, yang memberikannya kekuatan mekanikal yang tinggi — kira-kira 1 hingga 4 kali ganda daripada getah nitril. Rintangan hausnya sangat baik, kira-kira 10 hingga 15 kali lebih baik daripada getah asli. Ia juga mempunyai rintangan minyak yang baik (lebih daripada 5 kali lebih baik daripada getah nitril) dan prestasinya cemerlang dari segi rintangan ozon dan penuaan.

Perlu diperhatikan bahawa poliuretana terdapat dalam dua jenis utama dengan gred yang berbeza, dan pilihan tersebut mempengaruhi keberkesanan segel. Jenis pertama ialah poliuretana berbasis poliester (gred seperti Dongfeng-1 dan JA3). Jenis kedua ialah poliuretana berbasis polieter (gred seperti JA2 dan JA5). Poliuretana jenis poliester mempunyai sifat mekanikal yang baik, tetapi rintangan terhadap airnya lemah — air bertindak balas secara kimia dengan kumpulan berkutub dalam rangkaian elastomer, menyebabkan struktur terdegradasi. Semakin banyak kumpulan berkutub dalam rangkaian, semakin buruk rintangan terhadap airnya. Poliuretana jenis polieter mempunyai lebih sedikit kumpulan berkutub, jadi rintangan terhadap airnya lebih daripada lima kali ganda lebih baik berbanding jenis poliester. Namun, disebabkan ikatan eter dalam jenis polieter menyimpan tenaga yang lebih rendah, kekuatan mekanikalnya tidak sebaik jenis poliester. Penyelesaian yang jelas ialah menggabungkan kelebihan kedua-dua jenis tersebut. Dengan mencampurkan kedua-duanya dan menambahkan pengisi tahan haus, kita dapat memperoleh bahan yang mempunyai prestasi mekanikal yang baik serta rintangan terhadap air yang baik. Untuk tujuan ini, kami bekerja sama dengan sebuah kilang produk getah (pengilang poliuretana) bagi menghasilkan bahan poliuretana campuran khas. Ujian menunjukkan bahawa segel yang dibuat daripada bahan ini mempunyai prestasi pengedap dan jangka hayat perkhidmatan yang jauh lebih baik.

2. Memilih Jenis Cincin Penutup

Berdasarkan keadaan beban yang dikenakan pada penutup air unit putaran, kami memilih cincin penutup jenis Y. Jenis ini mempunyai tiga kelebihan: (1) kesan penutupan sendiri — apabila tekanan dikenakan, bibir cincin menekan lebih ketat dan memberikan pengedap yang lebih baik; (2) rintangan operasi yang rendah serta operasi yang lancar; (3) kestabilan yang baik, sesuai untuk komponen hidraulik yang mengalami perubahan tekanan dengan cepat. Cincin jenis O cenderung berpusing dan rosak di bawah keadaan ini.

3. Cara Kerja Penutup

Cincin segel jenis-Y terutamanya bersegel melalui tindakan penutupan sendiri (self-sealing) pada bibirnya. Rajah 2 menunjukkan taburan tekanan sentuh bagi cincin jenis-Y yang dipasang dalam alur selongsong air. Apabila tiada tekanan, hanya tekanan sentuh kecil yang dihasilkan oleh ubah bentuk hujung bibir (Rajah 2b). Setelah tekanan dalaman dikenakan, Hukum Pascal menyatakan bahawa dalam suatu sistem tertutup, setiap titik yang bersentuhan dengan bendalir menerima daya normal yang sama dengan tekanan dalaman. Ini menyebabkan bahagian bawah cincin segel dimampatkan secara aksial dan bibir-bibirnya dimampatkan secara bulat (circumferentially). Luas kawasan sentuh bibir dengan batang meningkat, dan tekanan sentuh juga meningkat (Rajah 2c). Apabila tekanan dalaman meningkat lagi, taburan dan magnitud tekanan berubah lebih ketara (Rajah 2d), menyebabkan bibir-bibir tersebut menekan lebih ketat pada aci — inilah yang dikenali sebagai "kesan penutupan sendiri". Justeru, cincin jenis-Y merupakan pilihan yang sesuai untuk aplikasi segel air ini.

4. Bagaimana Bentuk Bibir Mempengaruhi Kegunaan Segel dan Jangka Hayat

Taburan tekanan sentuh berkait rapat dengan bentuk bibir. Kunci kepada pengedap yang baik pada cincin jenis bibir ialah taburan tekanan merentasi jalur sentuh pengedap dan tekanan puncak di hujung bibir. Rajah 3a membandingkan kesan pengedapan cincin jenis-Y dengan dan tanpa chamfer pada bibir hadapan. Cincin dengan chamfer menunjukkan puncak tekanan yang jelas pada jalur sentuh pengedap, yang paling memenuhi keperluan prestasi pengedap jenis bibir. Dengan memilih sudut bibir hadapan θ yang sesuai, kebocoran boleh dikurangkan secara ketara — apabila θ > 30°, kebocoran hanya separuh daripada kebocoran pada θ = 0°. Rajah 3b membandingkan kesan pengedapan dengan dan tanpa chamfer pada bibir belakang (tumit). Berbeza daripada bibir hadapan, chamfer pada tumit menghasilkan puncak tekanan kedua di bawah tekanan kerja, yang menghalang air daripada mengalir balik tetapi meningkatkan kebocoran. Tanpa chamfer pada tumit, tiada puncak tekanan kedua terbentuk, dan pengedap berfungsi lebih baik.

5. Bagaimana Parameter Reka Bentuk Mempengaruhi Pengedapan dan Jangka Hayat Perkhidmatan

Cincin pengedap yang direka dengan baik membolehkan bahan tersebut berfungsi pada potensi penuhnya. Bagi cincin jenis-Y, salah satu faktor paling penting untuk prestasi dan jangka hayat ialah hubungan antara dimensi l dan dimensi h (rujuk Rajah 4). Dari segi penggunaan praktikal, apabila nisbah l/h = 1, cincin tersebut mampu mengekalkan kebocoran pada tahap rendah dalam tempoh yang lebih panjang. Oleh itu, untuk pengedapan terbaik, nilai l/h harus dikekalkan pada 1.

Selain itu, selepas cincin pengedap beroperasi seketika, bukaan bibir akan haus. Jika bibir tidak dapat mengimbangi haus ini, kebocoran akan bermula. Ketebalan dinding bibir b harus dipilih berdasarkan sifat mekanikal bahan dan diameter batang. Matlamatnya ialah memastikan bibir mempunyai kekukuhan yang mencukupi sambil masih membenarkan ia lentur dan mengimbangi haus.

6. Pemasangan Cincin Pengedap Bibir

Jika cincin pengedap tidak dikendalikan dengan berhati-hati semasa pemasangan, ia boleh tergores atau berubah bentuk, yang menjejaskan kualiti dan mungkin menjadikannya tidak boleh digunakan. Titik-titik berikut mesti diperhatikan:

• Bahagian di mana cincin pengedap dipasang (selongsong air) harus mempunyai chamfer 15° hingga 30° pada permukaan hujungnya, untuk mengelakkan cincin tergores semasa dipasang dari hujung.
• Sebarang bukaan lubang yang mesti dilalui oleh cincin juga harus mempunyai chamfer 15° hingga 30°.
• Gunakan gris atau minyak kerja pada kawasan pemasangan sebelum pemasangan untuk mengurangkan daya pemasangan.
• Elakkan peregangan berlebihan terhadap cincin semasa pemasangan, kerana ini boleh menyebabkan ubah bentuk plastik kekal.

Secara ringkasnya, pemilihan bahan pengedap yang sesuai, rekabentuk yang baik, dan penjagaan sewaktu pemasangan merupakan faktor utama dalam meningkatkan prestasi pengedapan dan jangka hayat unit putaran gerudi batu hidraulik. Dalam amalan, pendekatan yang diterangkan di sini telah memberikan hasil yang baik — kebocoran berkurangan dan jangka hayat meningkat secara ketara.