Støtpistonspakning for bergboremaskin: Hvordan den fungerer under trykkpulser og hvordan du velger en erstatning

Pistonen i støtseksjonen er den delen av en hydraulisk steinbor som utfører arbeidet: Den drives frem og tilbake med høy frekvens og treffer skaftadapteren ved hver syklus. Sikringen som omgir den har et krevende arbeid. Den må skille oljekamre som opererer ved svært ulike trykk, gli mot en piston som beveger seg med høy hastighet og tåle trykkpulser som genereres av selve perkusjonssyklusen. Denne artikkelen forklarer hvor støtpistonsikringen pistonsegl situer, hvordan det fungerer, hvorfor det svikter og hva du bør sjekke før du bestiller en erstatning. Der tall er oppgitt, kommer de fra publiserte ingeniørvitenskapelige studier av hydrauliske bergborere; kildene er oppført til slutt.

Hva er en støtpistonspakning i en hydraulisk bergborer?

En støtpistonspakning er en dynamisk pakning som monteres i veilekroppen eller sylinderrøret rundt percussjons- (slag-)pistonen. Den forhindrer at hydraulikkolje lekker langs pistonen fra én arbeidskammer til neste, slik at trykk kan bygges opp på riktig side av pistonen og pistonen drives som beregnet.

Kataloger og verksteder bruker flere navn på denne delen, og bruken er ikke alltid konsekvent: percussjonspistonspakning, slagpistonspakning, pistonguidepakning og, på hydrauliske bruddere, hovedpakning. Ettersom noen av disse navnene også brukes for andre pakninger på maskinen, må du alltid bekrefte plasseringen av pakningen – og ikke bare navnet – mot reservedelsdiagrammet for din borermodele.

Hvor sitter støtpestempelringen, og hva skiller den?

I publiserte design for hydrauliske slagapparater sitter ringen i et ringformet rom i veilekroppen som omgir støtpesten. Den lukker den smale radielle gapen mellom veilekroppen og støtpesten og hindrer dermed olje i å strømme mellom en ringformet kanal på den ene siden av rommet og en ringformet kanal på den andre siden. Den nøyaktige oppstillingen varierer mellom produsenter og mellom modeller, og noen borhodler bruker mer enn én støtpestempelring langs støtpesten, så delschematiske tegninger for din egen maskin er referansen.

Fra ringens synsvinkel har arbeidsmiljøet tre egenskaper: en støtpestempeloverflate som beveger seg raskt i aksial retning, en tynn og kontinuerlig foranderlig oljefilm og en trykkforskjell over ringen som endrer seg ved hver slag.

En ingeniørbeskrivelse av en steinborepistons tettningsoppsett [1] viser logikken bak det. Pistonen bæres av glideleier ved begge endene og henger fritt i midten av sylindern, slik at den ikke gnir mot sylinderväggen under bevegelse. For at dette skal fungere, må den største sprekken ved glideleieren forbli mindre enn den minste sprekken ved sylindern:

xh,maks < xg,min → ESh − eih < EIg − esg (1)

Her er x et radialt spill, h refererer til glideleiet og g til sylinderen, mens ES og EI er øvre og nedre avvik for boresylinderen, og es og ei er øvre og nedre avvik for pistondiameteren på den aktuelle posisjonen. Samme kilde anbefaler en H5/f5-passform mellom leiet og pistonen, en H7/e7-passform mellom pistonen og sylinderen, tre til fire grunne ringformede riller for å redusere glidepresset, en sylinderrundhet bedre enn 0,003 mm og et oljeimpregnert pulvermetallurgisk leiemateriale. I denne oppsettet fungerer de stramme passformene som et spilltetning, og to trinn-tetninger er montert i serie bak dette som den siste tetningen på lekkasjesiden, med rillene plassert 5 til 20 mm fra hverandre, slik at ingen olje lekker ut til omgivelsene. Dette er verdier fra én publisert beskrivelse fra 2003, og individuelle borverktøy kan variere.

Hvordan fungerer støtpistontetningen når pistonen slår?

Tettetningen fungerer ikke ved å være stiv. Den fungerer ved å opprettholde en kontrollert kontakt med stempelets overflate som er tilstrekkelig tett til å hindre oljestrøm, men løs nok til å la stempelet gli med en akseptabel friksjon. Et tynt oljefilm forblir mellom tettetningens leppe og stempelet, noe som smører og kjøler kontakten.

Denne balansen er skjør i en perkusjonsenhet. Hvis kontakten er for løs, lekker olje gjennom tettetningen, og perkusjonsyklusen mister effektivitet. Hvis kontakten er for tett, øker friksjonen og varmen ved leppen – det vil si den delen av tettetningen som er mest utsatt for slitasje. Derfor velges tettetningskonstruksjon, leppeform og materiale sammen for hvert boremaskinmodell, i stedet for å behandles som utvekselbare detaljer.

Balansen kan skrives ned. Olje passerer den tynne ringformede sprekten langs en stempel på to måter: trykkdrevet strømning, forårsaket av trykkforskjellen over sprekten, og skjærdrevet strømning, som trekkes med av den bevegelige stempleoverflaten. For et bergborestempel kan lekkasjestrømmen q og den resulterende effortapet P skrives som [2]:

q = π d [ Δp δ³ / (12 μ L) ± δ vp / 2 ] (2)

P = π d (Δp)² δ³ / (12 μ L) + π d μ L vp² / δ (3)

I disse uttrykkene er d pistons diameter ved sprekken, δ den radielle sprekken, L tettingsflatens lengde, μ oljens dynamiske viskositet, Δp trykkforskjellen og vp pistons hastighet. Fortegnet i strømningslikningen avhenger av om pistonen beveger seg med eller mot trykkdrevet strømning. Det første leddet i effortapet er lekkasje og øker med kuben av sprekken. Det andre leddet er viskøs friksjon og avtar når sprekken øker. Summen deres har derfor et minimum, og en sprek som er enten for liten eller for stor fører til energitap. I studien bak disse likningene oppstod det laveste totale tapet for en bor som fikk tilførsel på 14–18 MPa ved en diametrisk sprek på ca. 0,05–0,06 mm. Modellen ble verifisert mot en lekkasjetest ved 10 MPa, der hele støtsystemet lekket 1,5 L/min da pistonen befant seg ved starten av tilbakestøten og 0,8 L/min ved starten av støten, og simuleringen var i overensstemmelse innenfor 17 % [2]. Denne sprekken gjelder pistonen og veilederen, ikke tetningen, men den avgjør hvor mye tetningsarbeid som gjenstår for tetningen bak den.

Tetningen selv legger til friksjon på stempelet. I samme kraftbalanse er tetningsmotstanden [2]:

Ff = π b f ( d1 p1 + d2 p2 ) (4)

der b er tetningens bredde, f er friksjonskoeffisienten mellom tetning og stempel, d₁ og d₂ er tettede diametre, og p₁ og p₂ er trykkene i fram- og bakrommene. Ettersom trykk inngår i ligningen, spiller en høy-friksjonstetning bort mest energi akkurat når borverktøyet arbeider hardest.

Oljefilmen følger selv Reynolds’ ligning for hydrodynamisk smøring. En studie av gummikraftede stempeletetninger i hydrauliske sylindre [3] utleder filmtykkelsen som etterlates på den bevegelige overflaten og den resulterende lekkasjen per slag:

ho = √[ 2 μ u / ( 9 G ) ] (5)

Q = ( √2 / 3 ) π D L [ √( μ uo / Go ) − √( μ ui / Gi ) ] (6)

Her er u glidhastigheten, G er den største kontaktrykkgradienten dP/dx på oljesiden av tetningen, D er stempelet diameter, L er slaglengden, og indeksene o og i betyr henholdsvis utad- og innadgående slag. En brattere kontaktrykkgradient gir en tynnere film og mindre lekkasje, mens en jevnere gradient etterlater mer olje bak seg, noe som er én grunn til at en slitt tetning med en flattet kontaktpåvirkningsprofil lekker mer. Denne studien analyserte tetninger i hydrauliske sylindre og ikke i bergborpistoner, så den bør best leses som en forklaring av mekanismen og ikke som en kilde til tall for en bor.

Hvorfor er trykktopper så skadelige for en støtpistontetning?

I en perkusjonsenhet beveger oljen seg ikke jevnt. Den akselereres og stoppes mange ganger per sekund når stempelet reverserer, så trykket ved tetningen er ikke en konstant verdi, men et pulserende. I publisert patentlitteratur om tetningsanordninger for hydrauliske perkusjonsapparater beskrives sterke trykktopper, forårsaket av væskens rask svingebevegelse, som kan ødelegge tetningssiden og føre til lekkasje.

Simuleringer og tester av arbeidsbor gir et inntrykk av hvor store topptrykkene kan bli. I en modell av en to-kammer-styrt bergbor som ble forsynt med 15 MPa, nådde frontkammeret et topptrykk på 25,2 MPa etter støtet, og bakre kammer nådde et topptrykk på 25,3 MPa da styrespolen passerte sin dødsone og plutselig koblet kammeret til trykkforsyningen – ca. 1,7 ganger forsyningstrykket – etterfulgt av avtakende svingninger [2]. I en prototype-test med en forsyningstrykk på 18 MPa steg trykket i det primære bufferkammeret fra ca. 8 MPa til et driftstrykk på 18–20 MPa, med korte topptrykk som nådde ca. 40 MPa ved hver slag [4].

Gassen i bufferen og akkumulatoren oppfører seg som en fjær. Når den komprimeres raskt, er prosessen nesten adiabatisk, og dens stivhet avhenger av ladningen:

p Vn = konstant, k = n A2 p / V (7)

der p er gass-trykket, V er gass-volumet, A er effektiv areal av gass-pistonen eller diafram , k gassfjærens stivhet, og n den politropiske eksponenten, som settes til 1,4 for den adiabatiske tilstanden [4]. En stivere gassfjær demper mindre og lar høyere toppverdier gjennom. I dette prototypen førte en fresingsfeil i posisjonen til bufferens returåpning til at den forhåndsåpne strømningsarealet til returstramningen ble redusert, noe som økte starttrykket og gassfjærens stivhet, og presset bufferkolven mot et oppførsel som karakteriseres av en hard fjær, kort slaglengde og høy demping, slik at kammertrykket overskred målverdien. Forfatterne anbefaler å holde åpningens posisjon innenfor ±0,2 mm og dens vinkel innenfor ±1°. For en tetning er det praktiske poenget at de toppverdiene den utsettes for avhenger av deler som ikke har noe med selve tetningen å gjøre.

Felt rapporter peker i samme retning. I et tilfelle med vedlikehold av en bergborhamrer fra et tunnelprosjekt ble langsom boring og uvanlig vibrasjon i slagslangen sporet tilbake til en feilaktig inngangsakkumulatormembran, som forfatterne forklarer ved at hamreren ikke kunne absorbere trykkspissene som oppsto under drift; hamreren returnerte til normal drift etter at akkumulatoren ble håndtert og dens nitrogenfylling justert [5].

Frekvens er like viktig som amplitude. Slagfrekvenser på ca. 40 til 50 slag per sekund er rapportert for én hamrer [2] og ca. 95 for en annen [6], og ved 95 slag per sekund utsettes en tetning for ca. 340 000 trykksykluser i løpet av én time boring.

Topper er skadelige av to separate årsaker. For det første belaster de leppen plutselig, noe som er en helt annen type belastning enn jevn trykkbelastning. En transient simulering av en gummiring under rask trykkendring mellom 5 og 25 MPa viste mikroglidning ved kontaktflaten, en sekundær trykktopp på lavtrykkssiden under den raske stigningen samt spenning som fortsatte å endre seg etter at trykket hadde stabilisert seg, fordi gummier viskoelastisk; alle disse effektene økte med trykkamplituden og endringshastigheten [7]. For det andre hever en topp trykkforskjellen over tettningsklaringen kortvarig, og det er nettopp denne betingelsen som gjør at myke materialer tenderer til å bli presset inn i klaringen. Akkumulatoren i perkusjonskretsen finnes delvis for å redusere disse pulsasjonene før de når resten av kretsen, så en tetning som svikter gjentatte ganger i et bor med svak akkumulatorladning kan indikere et problem som ikke ligger i selve tetningen.

Hvorfor kombinerer mange støtspisspakninger en hard ring med en elastisk forspenningsring?

En vanlig konstruksjon i publiserte design for slående apparater er en to-dels pakning. Den indre ringen, altså den delen som berører støtspissen, er laget av et hardt, lavt-friksjons plastmateriale basert på Teflon med en tettingsleppe. Rundt denne sitter en elastomerring som presser den indre ringen mot støtspissen og tettes mot huset. Hvert materiale utfører den oppgaven det er best egnet til: plastringen tåler glidende kontakt og varme bedre, mens elastomeren leverer den elastiske forspenningen som plasten ikke har på egen hånd.

Stegpakningen beskrevet i bergboreliteratur [1] følger dette mønsteret. Dens tettingsring er laget av et materiale med lav elastisitet og lav friksjon, som for eksempel PTFE med tilsetninger, og den O-ring på utsiden berør aldri den bevegelige stempelet. O-ringen leverer den elastiske kraften som presser ringen mot stempelet og kompenserer for materialet som ringen mister ved slitasje. Ringen er retningsspesifikk, så den monteres med den trinnformede siden mot trykket. I testgrafer i den nevnte artikkelen lekket stegringen langt mindre enn andre formstøpte tettingsformer, der lekkasjen økte bare svakt med trykket – på omtrent 0,005 til 0,01 mg per syklus opp til 30 MPa. Dens friksjonskoeffisient lå mellom ca. 0,02 og 0,04 og var nesten flat ved økende hastighet; startfriksjonen var lavere enn driftsfriksjonen, slik at krypingen fra ‘stick-slip’ – typisk for gummiettingsliper ved lav hastighet – unngicks. Sammenlignet med en gummilippeetning ved samme trykk og hastighet var dens friksjonskraft mye lavere og økte mye mindre med trykket [1].

For enhver selvenergert tetning av denne typen er tetningsforholdet at kontaktrykket langs tetningsbanen må overstige trykket til oljen som skal tettes:

pc(x) ≥ pm (8)

Endelige-element-undersøkelser av gummienergerte stemelpakninger [3] viser hvordan konstruksjonsparametre påvirker denne balansen. Ved et gitt mediumtrykk øker en større kantavfasing på sporet kontaktrykket og oppstartsfrikasjonen, samtidig som lekkasjen reduseres. En bredere spore, en dypere spore eller en større tetningsklaring reduserer kontaktrykket og oppstartsfrikasjonen, men øker lekkasjen. Et høyere mediumtrykk tykker filmen, øker kontaktrykket og reduserer lekkasjen. Lav friksjon og lav lekkasje står i motsetning til hverandre, og konstruksjonen er en kompromiss mellom dem. Høyt ekvivalent (von Mises) spenningsnivå i gummi er også viktig, fordi det akselererer spenningsrelaksasjon og kan utløse revner.

Samme patentskrift beskriver hvorfor enkeltdelsdesign har begrensninger. En éndelers U-formet tetning som gnir mot stempelet kan varme opp den indre leppen så mye at den ødelegges, og i roterende-slagborer, der stempelet kan rotere uten å bevege seg aksialt, kan leppen få for lite smøring og slitasje raskt. Noen design inkluderer en beskyttende profil på den indre ringen som former passagesporet ved siden av stempelet, med intensjonen å senke oljefarten og dempe trykkspissene før de når leppen. Ikke alle borere bruker et slikt design, og hvilken konstruksjon som er montert på maskinen din, er et modellspesifikt spørsmål.

Hva skjer når en slagstempeltetning svikter?

Når leppen slites, blir hard eller knuser, kan olje gå forbi tetningen. Borverktøyet kan fortsette å kjøre, men slagssyklusen blir mindre effektiv fordi trykket går tapt over den slitte tetningen, og den ekstra interne lekkasjen omdannes til varme i oljen. Den effekten som går tapt på grunn av lekkasje er ganske enkelt lekkasjestrømmen multiplisert med trykkfallet [2]:

Pq = q · Δp (9)

Som illustrasjon lekket testborverktøyet beskrevet ovenfor 1,5 L/min gjennom hele slagssystemet sitt ved 10 MPa. 1,5 L/min tilsvarer 2,5 × 10⁻⁵ m³/s, så effekttapet som varme er ca. 2,5 × 10⁻⁵ × 10 × 10⁶ ≈ 250 W. Dette tallet gjelder hele systemet, ikke bare pistontetningen alene, men det viser hvor raskt lekkasje blir varme i en liten, hardt arbeidende maskin.

Avhengig av konstruksjonen kan en feilet stempelring også tillate olje å bevege seg inn i et kammer der den ikke skal være, noe som utgjør en annen type problem og kan påvirke andre ringpakninger. I en vedlikeholdsrapport ble det observert at en bor som hadde mistet slagvirkningen sin inneholdt melkeaktig hydraulisk olje, og årsaken ble sporet tilbake til en feilet slagstempelring [5].

Fragmenter av en ødelagt ring kan komme inn i oljen og reise gjennom kretsen. Dette er grunnen til at en ringfeil behandles både som en forurensningshendelse og som en lekkasje: oljen og filteret bør sjekkes, ikke bare ringen utskiftes.

Hvordan kan du avgjøre om slagstempelringen har feilet?

Ingen enkelt symptombeskrivelse bekrefter en ringfeil. De nedenstående tegnene er observasjoner som peker mot ringen og må bekreftes ved inspeksjon samt ved de kontrollene som er beskrevet i servicehåndboken din.

Flere av disse observasjonene har årsaker utenfor tetningen, og derfor starter neste sjekkkolonne med kretsen i stedet for med delen.

Hva forårsaker tidlig slitasje på støtstempelets tetning?

Følgende forhold er kjent for å forkorte levetiden til en dynamisk tetning i en støtenhet. Noen kan virke sammen:

• Trykkspisser som overstiger det trykket tetningen er konstruert for, ofte forårsaket av en svak eller feilaktig ladet akkumulator.
• Dårlig smøring eller kjøling ved leppen, spesielt i roterende-støtenheter der stempelet roterer uten å bevege seg lineært.
• Olje som er forurenset eller overopphetet, noe som akselererer slitasje og gjør elastomerer hardere.
• En stempeloverflate som er skrapet, pisset eller har mistet sin overflatebehandling, noe som forårsaker slitasje på leppen når stempelet beveger seg.
• For stor spalt mellom stempel og veilekropp på grunn av slitasje i boring eller bussing, som tillater et mykt materiale å bli presset inn i spalten.
• Skade under montering, for eksempel en skåret eller rullet leppe mens tetningen ble satt over skarpe kanter.

Spalt og trykk er sammenkoblet. Kilde [1] for trinn-tetninger angir en maksimal diameter-spalt – altså den spalten tetningen kan presses inn i – som blir mindre jo høyere trykket er. For stangdiametre på 30 til 36 mm er spalten 0,6 til 0,3 mm opp til 20 MPa og 0,3 til 0,2 mm mellom 20 og 40 MPa; for 38 til 50 mm er den 0,8 til 0,4 mm og 0,4 til 0,2 mm. Slitasje på veilekroppen eller stempelet kan føre til at tetningens spalt går utenfor dette området uten at tetningen selv endres. Disse verdiene er gitt som et eksempel på hvordan grensen oppfører seg, og grensen for ditt eget borverktøy er produsentens.

Erfaringer med vedlikehold peker i samme retning. En feilanalyse av bergborer [8] tilskriver tettningsfeil hovedsakelig dårlig tettningskvalitet, skade under montering og utilfredsstillende bearbeiding av tettningsgroper, og anbefaler at tetninger og bussinger monteres med spesielle verktøy slik at de ikke skades under innmontering.

Hva bør du sjekke før du bytter tetningen, og hvordan velger du den riktige?

Å bytte tetningen uten å finne årsaken fører vanligvis til gjentatt feil. Før du bestiller, gjennomfør disse sjekkene i rekkefølge:

1. Bekreft boringsmodellen og serienummeret, og identifiser tetningsposisjonen på reservedelsdiagrammet.
2. Sjekk forhårladningen i akkumulatoren og oljekvaliteten, siden begge faktorene påvirker belastningen på tetningen.
3. Undersøk stempelets overflate og veiledningskroppens boring for ridser, slitasje eller skadede kanter.
4. Mål spillet mellom stempel og veiledning, og sammenlign det med produsentens grenseverdi for ditt arbeidstrykk.
5. Mål eller registrer dimensjonene og profilen til den gamle tetningen, og behold den feilaktige tetningen for sammenligning.
6. Stopp og rådfør deg med produsentens serviceprosedyre for demontering av slagdelen; dette er modellspesifikt, og kretsen må dekomprimeres først.

Når du velger ut en erstatning, avgjør tre punkter resultatet:

• Identitet: erstatningstetningen må matche OEM-delenummeret eller de verifiserte dimensjonene og profilen. En tetning som er «nesten lik» er ikke det samme som en tetning som passer.
• Konstruksjon: hvis den opprinnelige tetningen er en to-dels tetning, må erstatningstetningen ha samme konstruksjon, ikke en enkeltmateriell ring i samme størrelse.
• Materiale: den harde ringen og elastomeren må være egnet for oljen og temperaturen i borhodet. Dette behandles i den tilhørende artikkelen om materialer for slagpistontetninger.

Hvor kan du kjøpe en pålitelig erstatningstetning for slagpiston?

Siden støtpistonsikringer er spesifikke for hvert borrhodmodell, starter tilpasningen vanligvis fra OEM-delenummeret, en tegning eller den slitte delen selv, ikke fra en generell beskrivelse.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, en kinesisk produsent av tettningsløsninger som ble etablert i 2013, produserer PU-, gummi- og PTFE-tettningskomponenter, inkludert støtpistonsikringer, stangsigler og tettningssett, og har et produktutvalg for hydrauliske bergborhoder. Selskapet opplyser at det tilbyr gratis teknisk støtte. Hvis du er usikker på hvilken tettning ditt borhode trenger, kan du sende modellnummeret til bergborhodet, OEM-delenummeret hvis du har det, målene eller en tegning, bilder av den slitte tettningen og dine driftsforhold, og be leverandøren vurdere tettningskonstruksjonen og materialet før en bestilling legges inn.

1. Li Chuan, Yan Tianjun, Li Tiehui. Støtpistontetting og trinn-tetting for hydrauliske bergborhoder. Rock Drilling Machinery & Pneumatic Tools, 2003, (3): 8–12. (På kinesisk)
2. Wang Jiansen, Yan Hongliang, Zhang Xin, Wang Yanjun, Liu Bin, Wei Liejiang. Optimal clearance design between impact piston and cylinder of a dual-chamber-controlled hydraulic rock drill. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2025, 49(4): 79–91. (På kinesisk)
3. Han Xiaoxia. Influence of hydraulic cylinder piston seal structure on start-up pressure and internal leakage. Masteroppgave, Lanzhou University of Technology, 2016. (På kinesisk)
4. Wang Jiansen, Yang Guangsheng, Liu Shaojun, Feng Huai, Wen Yongqiang. Analysis of the overpressure phenomenon in the primary buffer chamber of a dual-chamber-controlled hydraulic rock drill. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2026, 50(7): 57–67. (På kinesisk)
5. Hu Jiangtao. Design and fault handling of hydraulic rock drills. Mechanical and Electrical Information, 2021, (8): 58–60. (På kinesisk)
6. Yang Mingming. Experimental study on the impact performance of a hydraulic rock drill. Equipment Management and Maintenance, 2025, (10). (På kinesisk)
7. Yuan Xiaoming, Zheng Ze, Chen Haimin, Li Yongqi, Wang Weiwei, He Shixing. Simulasjonsstudie av en O-formet statisk tettningsring under pulstrykk. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2026, online først. (På kinesisk)
8. Liu Jiankui, Fu Yuehua, Zhou Shijie. Analyse og mottiltak for vanlige feil i hydrauliske bergboremaskiner. Rock Drilling Machinery & Pneumatic Tools, 2020, (4): 59–61. (På kinesisk)