I hydrauliske bergborere laget i Kina tilføres vanntilførselen til rotasjonsenheten vanligvis fra siden. Valget av tetningsmateriale og -design har stor innvirkning på tetningens funksjonsevne og levetid — noe som igjen påvirker borens totale ytelse.

1. Hvordan vann-tetningen belastes og hva den krever

Sidefôringssystemet for vann på en hydraulisk bergborerotationsenhet består hovedsakelig av tre deler: et vannslipp (1), en vannpakning (2) og en skaftspiss (3) (se Fig. 1). Når boreren er i drift, roterer skaftspissen samtidig som den beveger seg frem og tilbake langs aksen med høy frekvens og overfører støttenrgi. De tekniske parametrene for vannpakningen i den hydrauliske bergboreren YYC250B er: rotasjonshastighet for skaftet 220 r/min, støtfrekvens for skaftet 60 Hz, spylevannstrykk 1 MPa og borehastighet 110 cm/min. Disse verdiene viser at vannpakningen utsettes for en kombinert friksjonsbelastning forårsaket av høyfrekvent aksialpåvirkning og rotasjon. På grunn av dette må pakningsmaterialet ha følgende egenskaper:

1. God vannstabilitet – det skal ikke svelle opp eller krympe mye i vann, og det skal ikke løses opp, bli mykere eller hardere.
2. God elastisk gjenoppretting – det skal spenne tilbake godt og ikke deformeres permanent.
3. God slitasjestålighet – lav friksjonskoeffisient.
4. Høy mekanisk styrke — god strekkstyrke, hardhet og revbestandighet.
5. Ingen reaksjon med metallkomponenter — ingen klebing, ingen korrosjon.

Etter å ha sammenlignet alternativene, valgte vi polyuretan som tettningsmateriale. Dets molekylære struktur inneholder uretangrupper, noe som gir det en høy mekanisk styrke — ca. 1 til 4 ganger så stor som for nitrilgummi. Slitasjebestandigheten er utmerket, ca. 10 til 15 ganger bedre enn for naturlig gummi. Det har også god oljebestandighet (mer enn 5 ganger bedre enn nitrilgummi) og presterar godt når det gjelder ozon- og aldringsbestandighet.

Det bør bemerkes at polyuretan forekommer i to hovedtyper med ulike kvaliteter, og valget påvirker hvor godt tetningen fungerer. Den første typen er polyesterbasert polyuretan (kvaliteter som Dongfeng-1 og JA3). Den andre typen er polyetherbasert polyuretan (kvaliteter som JA2 og JA5). Polyester-typen har gode mekaniske egenskaper, men dens motstand mot vann er dårlig – vann reagerer kjemisk med de polare gruppene i elastomernettverket, noe som fører til nedbrytning av strukturen. Jo flere polare grupper det er i nettverket, jo dårligere er vannmotstanden. Polyether-typen har færre polare grupper, så dens vannmotstand er mer enn fem ganger bedre enn polyester-typens. Imidlertid lagrer etersidene i polyether-typen mindre energi, så dens mekaniske styrke er ikke like god som polyester-typens. Den åpenbare løsningen er å kombinere styrkene fra begge typer. Ved å blande de to typene og legge til et slitesterkt fyllstoff oppnår vi et materiale med både god mekanisk ytelse og god vannmotstand. For å oppnå dette samarbeidet vi med en gummivarefabrikk (en polyuretanprodusent) for å utvikle et spesialblendet polyuretanmateriale. Tester viste at tetninger laget av dette materialet har betydelig bedre tetningsegenskaper og lengre levetid.

2. Valg av tettringstype

Gitt belastningsforholdene på vannetetningen til rotasjonsenheten, valgte vi Y-formete tettringer. Denne typen har tre fordeler: (1) selvstengende virkning — når trykk påføres, presser leppene seg tettere sammen og gir bedre tetting; (2) lav driftsmotstand og smidig drift; (3) god stabilitet, egnet for hydrauliske deler med raskt varierende trykk. O-formete ringers tenderer til å bli vridd og skadet under disse forholdene.

3. Hvordan tetningen fungerer

Y-typens ringtettninger tetter hovedsakelig gjennom selvtettingseffekten fra leppene. Figur 2 viser kontaktrykkfordelingen for en Y-type-ring montert i vannmantelgroven. Ved manglende trykk oppstår kun et lite kontaktrykk som følge av deformasjonen av leppespissen (figur 2b). Når indre trykk påføres, sier Pascal’s lov at hvert punkt i kontakt med væsken i et lukket system mottar en normalkraft som tilsvarer det indre trykket. Dette fører til at bunnen av tettningsringen komprimeres aksialt og leppene komprimeres sirkulært. Kontaktsarealet mellom leppen og skaftet øker, og kontaktrykket øker også (figur 2c). Når det indre trykket stiger ytterligere, endres både trykkfordelingen og -størrelsen enda mer (figur 2d), noe som presser leppene enda tettere mot akselen – dette er «selvtettingseffekten». Det er derfor Y-typens ring er godt egnet for denne vannetetningsanvendelsen.

4. Hvordan leppeformen påvirker tetting og levetid

Fordelingen av kontakttrykket er nært knyttet til formen på leppene. Nøkkelen til god tetting i en leppeformet ring er trykkfordelingen over tettingskontaktbanen og topptrykket ved leppespissen. Figur 3a sammenligner tettingseffekten til Y-formede ringer med og uten avskråning på fremre leppe. Ringen med avskråning har et tydelig trykktopp på tettingskontaktbanen, noe som best oppfyller kravene til ytelsen til leppeformede tetninger. Ved å velge riktig vinkel θ for fremre leppe kan lekkasjen reduseres betydelig – ved θ > 30° er lekkasjen bare halvparten av hva den er ved θ = 0°. Figur 3b sammenligner tettingseffekten med og uten avskråning på bakre leppe (hæl). I motsetning til fremre leppe skaper en avskråning på hælen et annet trykktopp under driftstrykk, noe som hindrer vann i å strømme tilbake og øker lekkasjen. Uten avskråning på hælen oppstår det ikke noe annet trykktopp, og tetningen fungerer bedre.

5. Hvordan konstruksjonsparametre påvirker tetting og levetid

En godt designet tetningsring lar materialet yte på sitt beste. For Y-typen ring er forholdet mellom mål l og mål h (se Fig. 4) en av de viktigste faktorene for ytelse og levetid. I praksis holder ringen lekkasjen lav over en lengre periode når forholdet l/h = 1. Derfor bør verdien av l/h holdes på 1 for best tetning.

Etter at tetningen har vært i drift i en stund, vil leppens åpning slites ned. Hvis leppen ikke kan kompensere for denne slitasjen, vil lekkasje begynne. Leppens veggtykkelse b skal velges ut fra materialets mekaniske egenskaper og skaftets diameter. Målet er å sikre at leppen har tilstrekkelig stivhet samtidig som den fortsatt kan bøyes og kompensere for slitasje.

6. Montering av leppetetningsring

Hvis tetningsringen ikke håndteres forsiktig under montering, kan den skrives eller deformeres, noe som påvirker kvaliteten og kan gjøre den ubrukelig. Følgende punkter må observeres:

• Delen der tettningsringen monteres (vannskallet) bør ha en 15° til 30° avfasning på endeflaten for å unngå at ringen skraper når den skyves inn fra enden.
• Alle hullåpninger som ringen må passere gjennom, bør også ha en 15° til 30° avfasning.
• Smør monteringsområdet med fett eller driftsolje før installasjon for å redusere monteringskraften.
• Unngå overstrekk av ringen under installasjon, da dette kan føre til permanent plastisk deformasjon.

Oppsummert er valg av riktig tettningsmateriale, bruk av en solid konstruksjon og forsiktighet under installasjon nøkkelen til å forbedre tettningsytelsen og levetiden til roterende enheter i hydrauliske bergborere. I praksis har den her beskrevne fremgangsmåten gitt gode resultater — lekkasje har gått ned og levetiden har økt betydelig.