Z jakiego materiału wykonana jest uszczelka typu Cup do wiertnic do skał? Wyjaśnienie poliuretanu i FKM

Uszczelka do wiertarki górniczej uszczelka kubkowa ma nietypowe zadanie dla elementu wykonanego z elastomeru: musi zatrzymywać wodę chłodzącą, jednocześnie przesuwając się po adapterze trzpienia, który obraca się i uderza równocześnie, często przez tysiące godzin przed wymianą. Materiał, z którego jest wytwarzana, ma bezpośredni wpływ na czas jej wytrzymałości w warunkach jednoczesnego działania ruchu, ciśnienia i narażenia na wodę. W niniejszym artykule omówiono materiały najczęściej stosowane do produkcji uszczelek typu cup do wiertarek górniczych, powody ich wyboru do tego konkretnego zastosowania oraz konsekwencje ich zachowania w użytkowaniu.

Z jakiego materiału wykonana jest uszczelka typu cup do wiertarki górniczej?

Uszczelki typu cup do wiertarek górniczych są najczęściej wytwarzane z poliuretanu (PU) lub fluoroelastomeru (FKM), a nie z ogólnego kauczuku nitrilowego (NBR), który stosuje się do wielu innych uszczelek hydraulicznych na tej samej maszynie. W zależności od producenta ten sam komponent może być określany jako uszczelka typu cup, uszczelka do przepływu wody lub uszczelka przedniej głowicy – wszystkie te nazwy odnoszą się do elementu uszczelniającego montowanego wokół adaptera trzpienia wewnątrz komory wodnej.

Dlaczego materiał uszczelki kubkowej ma większe znaczenie, niż wydaje się to na pierwszy rzut oka?

Większość uszczelek hydraulicznych w wiertnicy górniczej musi wytrzymać jedynie działanie oleju, temperatury i ciśnienia. Uszczelka kubkowa musi natomiast wytrzymać wszystkie te czynniki oraz samą wodę — słodką, mineralizowaną lub – w wielu kopalniach i kamieniołomach – lekko słoną lub kwasową – a także ciągłą rotację powierzchni, przeciwko której uszczelnia, oraz drobne, ścierne cząstki skały, które niemal zawsze przedostają się do obwodu płucznego. Materiał słabo dopasowany do któregokolwiek z tych warunków szybko ujawnia swoje wady: pęcznieje lub mięknie wskutek pochłaniania wody, zużywa się przyspieszonym tempem z powodu niskiej odporności na ścieranie albo ma skrócony okres eksploatacji z powodu ataku chemicznego ze strony konkretnej chemii wody występującej na danym stanowisku.

Zdjęcie 1: Przekrój uszczelki kubkowej

Czym jest poliuretan (PU) i dlaczego jest on powszechnie stosowany w uszczelkach kubkowych?

Poliuretan zazwyczaj nie jest tradycyjnym kauczukiem wulkanizowanym, lecz odlewanym lub formowanym polimerem elastomerycznym opartym na wiązaniach uretanowych; jego główną cechą wyróżniającą jest wyjątkowa odporność na ścieranie i rozdarcia – znacznie wyższa niż u większości mieszanek kauczukowych. Ta właściwość idealnie odpowiada wymogom uszczelki typu kubka: nie tylko zapobiega ona przeciekaniu wody, ale robi to przy jednoczesnym docisku do powierzchni stale poruszającej się i czasem zawierającej drobne cząstki brudu, a drobne ziarenka skał, które niestety przedostają się do obszaru uszczelki, działają jak materiał ścierny w zwolnionym tempie.

Uszczelki typu kubka z poliuretanu (PU) są również zwykle kosztowo efektywnym rozwiązaniem domyślnym dla wody płuczącej świeżej lub umiarkowanie zmineralizowanej przy zwykłych temperaturach otoczenia i roboczych. Ich główną ograniczenią jest niższy maksymalny zakres temperatury użytkowania ciągłego niż u FKM oraz nieco mniejsza elastyczność w warunkach bardzo niskich temperatur – obie te cechy mają większe znaczenie na niektórych stanowiskach niż na innych.

Zdjęcie2 ：Formowany profil wargowy uszczelki typu kubka z poliuretanu (PU)

Czym jest FKM i kiedy jest on preferowany zamiast poliuretanu?

FKM (fluoroelastomer) zapewnia szerszą odporność chemiczną niż poliuretan, w tym lepszą tolerancję agresywnych lub chemicznie przetwarzanych wód płucznych oraz wyższy próg temperatury użytkowania ciągłego. W przypadku miejsc, gdzie woda płuczna jest kwaśna, zawiera dodatki chemiczne lub wiertło pracuje w wysokiej temperaturze przez dłuższy czas, FKM zazwyczaj stanowi bardziej odporną opcję.

Kompromisem jest cena oraz – w niektórych formulacjach – nieco niższa odporność na ścieranie niż u dobrego kompozytu PU. Dlatego oba materiały często współistnieją jako alternatywy dla tej samej pozycji uszczelnienia kubkowego w wielu modelach wiertnic skalnych, zamiast aby jeden z nich po prostu zastępował drugi: właściwy wybór zależy bardziej od składu chemicznego i temperatury wody na danym miejscu niż od jakiegokolwiek uniwersalnego rankingu pomiędzy nimi.

Zdjęcie 3: Widok boczny ‑przez ‑porównanie boczne próbek uszczelnienia kubkowego z FKM i PU

Dlaczego nie używać standardowego NBR, jak w przypadku innych uszczelek hydraulicznych?

NBR jest materiałem domyślnym dla wielu uszczelek hydraulicznych właśnie ze względu na jego silną odporność na mineralne oleje hydrauliczne, ale ta odporność nie przekłada się dobrze na długotrwałe narażenie na wodę ani na warunki ścierne, którym podlega uszczelka typu cup. Materiały NBR są bardziej podatne na rozprężanie przy długotrwałym pochłanianiu wody i ogólnie zapewniają mniejszą odporność na zużycie ścierne niż PU w zanieczyszczonych, zawierających cząstki warunkach typowych dla wody płuczącej. Dlatego NBR rzadko jest stosowany bezpośrednio w pozycji uszczelki typu cup, mimo że nadal jest standardowym wyborem dla uszczelek po stronie oleju wiertła, w tym akumulatora membrana .

Warto zauważyć, że kauczuk NBR nie jest nawet najlepszym pod względem wydajności kauczukiem w warunkach ekspozycji na czystą wodę; wieloczynnikowe badania trwałości uszczelek gumowych stosowanych w instalacjach wodociągowych i kanalizacyjnych wykazały, że kauczuk EPDM oraz kauczuk silikonowy (SR) lepiej wytrzymują długotrwały kontakt z wodą i starzenie termo-oksydacyjne niż NBR lub HNBR. W tych badaniach podniesienie temperatury do 70 °C spowodowało, że odkształcenie pozostające (compression set) dla HNBR i NBR przekroczyło 15%, a współczynnik odbicia (rebound) spadł poniżej 85%, podczas gdy EPDM i kauczuk silikonowy wykazały znacznie mniejszy wzrost odkształcenia w medium testowym przypominającym ścieki. Powodem, dla którego EPDM i kauczuk silikonowy nadal nie są stosowane w uszczelkach kubków wiertniczych, nie jest odporność na wodę, lecz kompatybilność z olejem: oba silnie nabrzmiewają w mineralnym oleju hydraulicznym, a uszczelka kubkowa znajduje się wystarczająco blisko smarowanego mechanizmu wiertła, przez co kompatybilność z olejem stanowi rzeczywistą wymagane cechę, a nie jedynie marginalny przypadek. Jest to przydatne przypomnienie, że materiał uznawany za „najlepszy” w izolacji nie zawsze okazuje się odpowiedni, gdy uwzględni się wszystkie rzeczywiste warunki ekspozycji, którym dana część będzie podlegać.

Jak te materiały porównać obok siebie?

Poniższa tabela podsumowuje ogólne kompromisy opisane powyżej. Dokładne właściwości zależą od konkretnej formuły zastosowanej przez danego producenta.

Zdjęcie 4: Porównanie próbek fizycznych uszczelek typu cup wykonanych z PU i FKM

W jaki sposób skład chemiczny wody (słodka, słona lub kwasowa) wpływa na wybór materiału?

Jakość wody do przemywania znacznie różni się w zależności od miejsca. Słodka woda powierzchniowa w typowym kamieniołomie stanowi stosunkowo łagodne środowisko zarówno dla PU, jak i FKM. Woda słona, występująca często w niektórych obszarach przybrzeżnych lub suchych regionach, gdzie wody gruntowe są zmineralizowane, przyspiesza korozję powierzchni uszczelniającej adaptera trzpienia i może skrócić czas pracy uszczelki wykonanej z materiału o jedynie umiarkowanej odporności chemicznej. Woda kwasowa lub chemicznie przetworzona, spotykana czasem przy odwadnianiu kopalń lub w niektórych środowiskach przemysłowych, wyraźnie sprzyja zastosowaniu FKM ze względu na jego szerszą odporność chemiczną w porównaniu ze standardowym PU.

Ponieważ woda do przemywania różni się znacznie w zależności od miejsca pracy, ten sam model wiertła górniczego może uzasadnionie wykorzystywać różne materiały uszczelek kubkowych na różnych placach budowy; dopasowanie uszczelki do rzeczywistej jakości dostępnej wody jest zazwyczaj ważniejsze niż stosowanie materiału, który pierwotnie znajdował się w maszynie.

W jaki sposób ruch obrotowo-oscylacyjny wpływa na czas trwałości zużycia?

W przeciwieństwie do nieruchomego O-kręg , uszczelka kubkowa znajduje się w ciągłym ruchu względnym względem adaptera trzpienia: obraca się nieustannie i wykonuje niewielkie przesunięcia w kierunku osiowym przy każdym cyklu uderzenia. Taki ruch oznacza, że czas trwałości zużycia uszczelki zależy w dużej mierze od utrzymania cienkiej warstwy smarującej z wody (lub mieszanki wody i powietrza) pomiędzy krawędzią uszczelki a powierzchnią adaptera. Jeśli ta warstwa ulegnie zniszczeniu — z powodu niewystarczającego ciśnienia przemywania, zanieczyszczenia lub uszkodzonej (np. zadrapanej) powierzchni adaptera — uszczelka pracuje praktycznie bez smaru, bezpośrednio na metalu, co powoduje gwałtowny wzrost zarówno zużycia przez ścieranie, jak i nagrzewania się, niezależnie od materiału, z którego została wytłoczona.

Jest to jeden z powodów, dla którego trwałość uszczelki typu cup nie zależy wyłącznie od materiału: stan powierzchni współpracującej oraz stabilność ciśnienia płuczącego wpływają na rzeczywistą żywotność nawet najlepiej dobranego materiału uszczelkowego.

W jaki sposób temperatura wpływa na wydajność materiału uszczelki typu cup?

Ekspozycja uszczelki typu cup na temperaturę jest zazwyczaj łagodniejsza niż w przypadku uszczelki po stronie oleju, np. membrany akumulatora, ponieważ woda płucząca odprowadza ciepło z obszaru przedniej głowicy podczas przepływu. Niemniej jednak wiertła pracujące przy wysokim współczynniku obciążenia w gorących klimatach lub przy zmniejszonym przepływie płuczącym mogą osiągać podwyższone temperatury w miejscu uszczelki. Niższy maksymalny zakres temperatury ciągłego użytkowania poliuretanu (PU) czyni go bardziej wrażliwym na ten efekt niż FKM, co stanowi część wyjaśnienia, dlaczego długotrwała praca w wysokiej temperaturze jest jednym z częstszych powodów wyboru FKM, nawet jeśli sama chemia wody nie wymagałaby tego.

Z drugiej strony w warunkach bardzo niskich temperatur otoczenia oba materiały mogą stać się nieco sztywniejsze, choć poliuretan (PU) zazwyczaj zachowuje przydatną elastyczność w szerszym zakresie praktycznych temperatur niż najniższy koniec zakresu temperatur określonego dla FKM.

Jak wybrać odpowiedni materiał dla warunków panujących na danej lokalizacji?

Ponieważ wybór materiału uszczelki typu cup zależy od czynników specyficznych dla danej lokalizacji — takich jak skład chemiczny wody, zawartość cząstek ściernych, temperatura otoczenia i temperatura pracy oraz cykl eksploatacji — najbardziej niezawodnym podejściem jest przekazanie tych informacji dostawcy części zamiennych, zamiast zakładać, że pierwotny materiał jest automatycznie najlepszym rozwiązaniem. W przypadku uszczelki, która ulega przedwczesnemu uszkodzeniu na konkretnej lokalizacji, zmiana materiału bywa skuteczniejszym rozwiązaniem niż powtarzanie tej samej wymiany.

Jeśli dostępne są dokumenty lub katalog części, zwykle określają one materiał pierwotnie zainstalowany; jeśli nie są dostępne, dostawca znający model wiertnicy górniczej zazwyczaj potrafi potwierdzić standardowe specyfikacje oraz doradzić, czy warunki wody na miejscu uzasadniają wybór innego materiału.

Zdjęcie 5: Kontrola uszczelki i wody w celu doboru materiału

1. Hu X. „Odporność na ściskanie, odbijanie i trwałość gumowych materiałów uszczelniających do instalacji wodociągowych i kanalizacyjnych w budownictwie przy jednoczesnym oddziaływaniu wielu czynników.” Fly Ash Comprehensive Utilization, 2026, (04): 155–161.
2. Zhou B., Zhao Y., Zhang H., Liu F., Zhu W. „Analiza wpływu płukania na wydajność uszczelki mechanicznej.” Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2023, 52(05): 269–272.