Bij hydraulische rotatieboorhamers die in China zijn vervaardigd, wordt de rotatie-eenheid meestal vanaf de zijkant van water voorzien. De keuze van het afdichtmateriaal en het ontwerp heeft een grote invloed op de werking en levensduur van de afdichting — wat op zijn beurt het algehele prestatieniveau van de boorhamer beïnvloedt.

1. Hoe de waterafdichting wordt belast en wat deze nodig heeft

Het zijwaartse waterinvoersysteem van een hydraulische rotatie-eenheid voor rotsboren bestaat voornamelijk uit drie onderdelen: een waterschede (1), een watersluiting (2) en een schachtuiteinde (3) (zie fig. 1). Tijdens het boren draait het schachtuiteinde en beweegt het tegelijkertijd met hoge frequentie heen en weer langs de as, waardoor slagenergie wordt overgedragen. De werkomstandigheden van de watersluiting van de hydraulische rotsboor YYC250B zijn als volgt: rotatiesnelheid van de schacht 220 t/min, slagfrequentie van de schacht 60 Hz, spoelwaterdruk 1 MPa, boorsnelheid 110 cm/min. Deze waarden tonen aan dat de watersluiting wordt belast door een gecombineerde wrijvingsbelasting veroorzaakt door axiale slagen met hoge frequentie en rotatie. Daarom moet het sluitmateriaal de volgende eigenschappen bezitten:

1. Goede waterstabiliteit — het mag in water niet veel uitzetten of krimpen en mag niet oplossen, verzachten of verharden.
2. Goede elastische herstelkracht — het moet goed terugveren en mag geen blijvende vervorming vertonen.
3. Goede slijtvastheid — een lage wrijvingscoëfficiënt.
4. Hoge mechanische sterkte — goede treksterkte, hardheid en scheurweerstand.
5. Geen reactie met metalen onderdelen — geen aankleven, geen corrosie.

Na vergelijking van de opties kozen we polyurethaan als afdichtingsmateriaal. De moleculaire structuur bevat urethaangroepen, waardoor het een hoge mechanische sterkte heeft — ongeveer 1 tot 4 keer hoger dan die van nitrilrubber. De slijtvastheid is uitstekend, ongeveer 10 tot 15 keer beter dan die van natuurlijk rubber. Het heeft ook een goede oliebestendigheid (meer dan 5 keer beter dan nitrilrubber) en presteert goed wat betreft ozon- en ouderingsbestendigheid.

Er dient op te worden gewezen dat polyurethaan in twee hoofdtypen voorkomt, elk met verschillende kwaliteitsgraden, en de keuze beïnvloedt de afdichtprestaties. Het eerste type is op polyester gebaseerd polyurethaan (kwaliteitsgraden zoals Dongfeng-1 en JA3). Het tweede type is op polyether gebaseerd polyurethaan (kwaliteitsgraden zoals JA2 en JA5). Polyestergebaseerd polyurethaan heeft goede mechanische eigenschappen, maar zijn waterbestendigheid is slecht — water reageert chemisch met de polaire groepen in het elastomeernetwerk, waardoor de structuur wordt afgebroken. Hoe meer polaire groepen er in het netwerk aanwezig zijn, des te slechter is de waterbestendigheid. Polyethergebaseerd polyurethaan bevat minder polaire groepen, waardoor zijn waterbestendigheid meer dan vijf keer beter is dan die van polyestergebaseerd polyurethaan. Omdat de etherbindingen in polyethergebaseerd polyurethaan echter minder energie opslaan, is de mechanische sterkte niet zo goed als bij polyestergebaseerd polyurethaan. De voor de hand liggende oplossing is om de sterke punten van beide typen te combineren. Door de twee typen te mengen en een slijtvaste vulstof toe te voegen, verkrijgen we een materiaal met zowel goede mechanische prestaties als uitstekende waterbestendigheid. Daartoe werkten wij samen met een fabriek voor rubberproducten (een producent van polyurethaan) om een op maat gemaakt, gemengd polyurethaanmateriaal te ontwikkelen. Tests toonden aan dat afdichtingen van dit materiaal aanzienlijk betere afdichtprestaties en een langere levensduur vertonen.

2. Het kiezen van het type afdichtingsring

Gezien de belastingsomstandigheden op de waterafdichting van de roterende eenheid kozen we Y-vormige afdichtingsringen. Dit type biedt drie voordelen: (1) zelfafdichtend effect — bij toepassing van druk drukken de lippen sterker tegen elkaar en verbeteren de afdichting; (2) lage loopweerstand en soepele werking; (3) goede stabiliteit, geschikt voor hydraulische onderdelen met snel wisselende druk. O-vormige ringen raken onder deze omstandigheden vaak verdraaid en beschadigd.

3. Hoe de afdichting werkt

De Y-vormige ringen dichten voornamelijk af via het zelfdichtende effect van hun lippen. Figuur 2 toont de contactdrukverdeling van een Y-vormige ring die is gemonteerd in de watermantelgroef. Bij afwezigheid van druk wordt slechts een kleine contactdruk opgewekt door de vervorming van de lippenpunt (figuur 2b). Zodra er een interne druk wordt toegepast, stelt de wet van Pascal dat elk punt in een gesloten systeem dat in contact staat met de vloeistof een normale kracht ondergaat die gelijk is aan de interne druk. Hierdoor wordt de bodem van de afdichtingsring axiaal samengeperst en de lippen circumferentieel samengeperst. Het contactoppervlak van de lippen met de as neemt toe en de contactdruk stijgt eveneens (figuur 2c). Wanneer de interne druk verder stijgt, verandert de drukverdeling en -omvang nog meer (figuur 2d), waardoor de lippen nog steviger tegen de as worden gedrukt — dit is het 'zelfdichtende effect'. Daarom is de Y-vormige ring zeer geschikt voor deze toepassing als waterafdichting.

4. Hoe de vorm van de lip de afdichting en levensduur beïnvloedt

De contactdrukverdeling is nauw verbonden met de vorm van de lippen. De sleutel tot een goede afdichting bij een lipvormige ring is de drukverdeling over de afdichtende contactband en de piekdruk aan de punt van de lip. Figuur 3a vergelijkt het afdichtingseffect van Y-vormige ringen met en zonder afschuining aan de voorlip. De ring met een afschuining heeft een duidelijke piekdruk op de afdichtende contactband, wat het beste voldoet aan de eisen voor prestaties van lipvormige afdichtingen. Door de juiste hoek θ van de voorlip te kiezen, kan de lekkage sterk worden verminderd — bij θ > 30° bedraagt de lekkage slechts de helft van die bij θ = 0°. Figuur 3b vergelijkt het afdichtingseffect met en zonder afschuining aan de achterlip (hiel). In tegenstelling tot de voorlip veroorzaakt een afschuining aan de hiel onder werkdruk een tweede piekdruk, waardoor water wordt tegengehouden in zijn terugstroming en de lekkage toeneemt. Zonder afschuining aan de hiel ontstaat er geen tweede piekdruk en werkt de afdichting beter.

5. Hoe ontwerpparameters de afdichting en levensduur beïnvloeden

Een goed ontworpen afdichtingsring laat het materiaal optimaal presteren. Voor de Y-vormige ring is een van de belangrijkste factoren voor prestaties en levensduur de verhouding tussen afmeting l en afmeting h (zie fig. 4). In de praktijk blijft de lekkage laag over een langere periode wanneer de verhouding l/h = 1 bedraagt. Voor optimale afdichting dient de waarde van l/h daarom op 1 te worden gehouden.

Bovendien zal, nadat de afdichting een tijdje in gebruik is geweest, de lipopening slijten. Als de lip deze slijtage niet kan compenseren, treedt lekkage op. De wanddikte b van de lip moet worden gekozen op basis van de mechanische eigenschappen van het materiaal en de diameter van de schacht. Het doel is om ervoor te zorgen dat de lip voldoende stijfheid heeft, maar tegelijkertijd nog wel flexibel genoeg is om slijtage te compenseren.

6. Installatie van de lipafdichtingsring

Als de afdichtingsring tijdens de installatie niet voorzichtig wordt gehandhaafd, kan deze beschadigd raken door krassen of vervorming, wat de kwaliteit aantast en de ring mogelijk onbruikbaar maakt. De volgende punten dienen in acht te worden genomen:

• Het gedeelte waar de afdichtingsring wordt gemonteerd (de waterschede) moet aan het uiteinde een afschuining van 15° tot 30° hebben om te voorkomen dat de ring wordt beschadigd bij het inschuiven vanaf het uiteinde.
• Elke opening waar de ring doorheen moet passeren, moet eveneens een afschuining van 15° tot 30° hebben.
• Breng vet of werkolie aan op het montagegebied vóór installatie om de montagekracht te verminderen.
• Vermijd overrekken van de ring tijdens de installatie, omdat dit permanente plastische vervorming kan veroorzaken.

Samenvattend zijn het kiezen van het juiste afdichtingsmateriaal, het toepassen van een goede constructie en zorgvuldigheid tijdens de installatie de sleutels tot verbeterde afdichtingsprestaties en levensduur van hydraulische rotatie-eenheden voor rotsboren. In de praktijk heeft de hier beschreven aanpak goede resultaten opgeleverd — lekkage is afgenomen en de levensduur is aanzienlijk toegenomen.