W chińskich wiertnicach hydraulicznych do skał jednostka obrotowa jest zazwyczaj zasilana wodą od strony bocznej. Wybór materiału uszczelnienia oraz jego konstrukcji ma duży wpływ na skuteczność działania uszczelnienia i jego trwałość — co z kolei wpływa na ogólną wydajność wiertnicy.

1. Sposób obciążania uszczelnienia wodnego oraz jego wymagania

Boczny system zasilania wodą w jednostce obrotowej hydraulicznego wiertła skalnego składa się głównie z trzech części: rękawa wodnego (1), uszczelki wodnej (2) oraz tylnego końca trzpienia (3) (patrz rys. 1). Podczas pracy wiertła tylny koniec trzpienia wykonuje jednocześnie ruch obrotowy i posuwisto-zwrotny wzdłuż osi z wysoką częstotliwością, przekazując energię uderzeniową. Parametry robocze uszczelki wodnej hydraulicznego wiertła skalnego YYC250B to: prędkość obrotowa trzpienia 220 obr/min, częstotliwość uderzeń trzpienia 60 Hz, ciśnienie wody płuczącej 1 MPa, prędkość wiercenia otworów 110 cm/min. Wartości te pokazują, że uszczelka wodna poddana jest jednoczesnemu obciążeniu tarcia spowodowanemu wysokoczęstotliwościowym uderzeniem osiowym oraz obrotem. Z tego powodu materiał uszczelki musi posiadać następujące właściwości:

1. Dobra stabilność w wodzie — nie powinien znacznie puchnąć ani kurczyć się w wodzie oraz nie powinien rozpuszczać się, mięknieć ani twardnieć.
2. Dobra sprężystość odzyskująca — powinien dobrze odzyskiwać pierwotny kształt i nie ulegać trwałej deformacji.
3. Dobra odporność na zużycie — niski współczynnik tarcia.
4. Wysoka wytrzymałość mechaniczna — dobra wytrzymałość na rozciąganie, twardość i odporność na rozdarcia.
5. Brak reakcji z elementami metalowymi — brak przywierania, brak korozji.

Po porównaniu dostępnych opcji wybraliśmy poliuretan jako materiał uszczelniający. Jego struktura cząsteczkowa zawiera grupy uretanowe, nadające mu wysoką wytrzymałość mechaniczną — około 1–4 razy większą niż kauczuk akrylonitrylowo-butadienowy (NBR). Jego odporność na zużycie jest doskonała, przewyższając odporność kauczuku naturalnego o ok. 10–15 razy. Charakteryzuje się również dobrą odpornością na oleje (ponad 5 razy lepszą niż kauczuk akrylonitrylowo-butadienowy) oraz dobrze sprawdza się pod względem odporności na ozon i starzenie.

Warto zauważyć, że poliuretan występuje w dwóch głównych odmianach o różnych gatunkach, a wybór odmiany wpływa na skuteczność uszczelnienia. Pierwszą odmianą jest poliuretan oparty na poliestrze (gatunki takie jak Dongfeng-1 i JA3). Drugą odmianą jest poliuretan oparty na polieterze (gatunki takie jak JA2 i JA5). Poliuretan typu poliestrowego charakteryzuje się dobrą wytrzymałością mechaniczną, jednak jego odporność na działanie wody jest słaba — woda reaguje chemicznie z grupami polarnymi w sieci elastomerowej, powodując degradację struktury. Im więcej grup polarnych znajduje się w sieci, tym gorsza jest odporność na działanie wody. Poliuretan typu polieterowego zawiera mniej grup polarnych, dlatego jego odporność na działanie wody jest ponad pięciokrotnie lepsza niż poliuretanu typu poliestrowego. Jednak ponieważ wiązania etoksylowe w poliuretanie typu polieterowego magazynują mniej energii, jego wytrzymałość mechaniczna nie jest tak dobra jak w przypadku poliuretanu typu poliestrowego. Oczywistym rozwiązaniem jest połączenie zalet obu typów. Poprzez mieszanie obu odmian oraz dodanie napełniacza zapewniającego odporność na zużycie uzyskujemy materiał charakteryzujący się zarówno dobrą wytrzymałością mechaniczną, jak i dobrą odpornością na działanie wody. W tym celu współpracowaliśmy z fabryką wyrobów gumowych (producentem poliuretanu), aby stworzyć niestandardowy, mieszany materiał poliuretanowy. Badania wykazały, że uszczelki wykonane z tego materiału cechują się znacznie lepszą skutecznością uszczelniania oraz dłuższym okresem użytkowania.

2. Wybór typu pierścienia uszczelniającego

Biorąc pod uwagę warunki obciążenia uszczelki wodnej zespołu obrotowego, wybraliśmy pierścienie uszczelniające typu Y. Typ ten ma trzy zalety: (1) efekt samouszczelniania — przy działaniu ciśnienia wargi silniej dociskają się do powierzchni i zapewniają lepsze uszczelnienie; (2) niskie opory ruchu i płynna praca; (3) dobra stabilność, co czyni je odpowiednimi dla elementów hydraulicznych poddawanych szybko zmieniającemu się ciśnieniu. Pierścienie typu O mają tendencję do skręcania się i uszkadzania się w tych warunkach.

3. Zasada działania uszczelki

Uszczelnienia pierścieniowe typu Y działają głównie dzięki samouszczelniającej czynności ich warg. Rys. 2 przedstawia rozkład ciśnienia kontaktowego pierścienia typu Y zamontowanego w rowku rękawa wodnego. Przy braku ciśnienia tylko niewielkie ciśnienie kontaktowe powstaje na skutek odkształcenia wierzchołka wargi (rys. 2b). Gdy zastosowane zostanie ciśnienie wewnętrzne, prawo Pascala stwierdza, że w zamkniętym układzie każdy punkt stykający się z cieczą otrzymuje siłę normalną równą ciśnieniu wewnętrznemu. Powoduje to osiowe ściskanie dna pierścienia uszczelniającego oraz obwodowe ściskanie warg. Powierzchnia kontaktu wargi ze szczytem zwiększa się, a także rośnie ciśnienie kontaktowe (rys. 2c). Gdy ciśnienie wewnętrzne dalej rośnie, rozkład i wartość ciśnienia ulegają jeszcze większej zmianie (rys. 2d), co powoduje jeszcze silniejsze przyciśnięcie warg do wału — jest to tzw. „efekt samouszczelniania”. Dlatego właśnie pierścień typu Y stanowi dobry wybór do tej aplikacji uszczelnienia wodnego.

4. Wpływ kształtu wargi na właściwości uszczelniające oraz trwałość eksploatacyjną

Rozkład ciśnienia kontaktowego jest ściśle związany z kształtem warg. Kluczem do dobrego uszczelnienia w pierścieniu typu wargowego jest rozkład ciśnienia wzdłuż pasma kontaktowego uszczelniającego oraz wartość szczytowa ciśnienia na końcu wargi. Rys. 3a porównuje skuteczność uszczelniania pierścieni typu Y z wargą czołową pochyloną i bez pochylenia. Pierścień z pochyloną wargą czołową wykazuje wyraźny szczyt ciśnienia w pasmie kontaktowym uszczelniającym, co najlepiej spełnia wymagania dotyczące wydajności uszczelniaczy typu wargowego. Poprzez dobranie odpowiedniego kąta θ wargi czołowej można znacznie zmniejszyć wyciek — przy θ > 30° wyciek wynosi zaledwie połowę wartości przy θ = 0°. Rys. 3b porównuje skuteczność uszczelniania przy obecności i braku pochylenia wargi tylnej (pięty). W przeciwieństwie do wargi czołowej pochylenie pięty powoduje przy ciśnieniu roboczym powstanie drugiego szczytu ciśnienia, który blokuje przepływ wody wstecz i zwiększa wyciek. Bez pochylenia pięty nie występuje drugi szczyt ciśnienia, a uszczelnienie działa lepiej.

5. Wpływ parametrów konstrukcyjnych na skuteczność uszczelniania i czas eksploatacji

Dobrze zaprojektowane pierścienie uszczelniające pozwalają materiałowi na wykorzystanie jego pełnego potencjału. Jednym z najważniejszych czynników wpływających na wydajność i czas eksploatacji pierścienia typu Y jest stosunek wymiaru l do wymiaru h (patrz rys. 4). W praktyce, gdy stosunek l/h = 1, pierścień utrzymuje niską wyciekowość przez dłuższy okres. Dlatego też w celu uzyskania najlepszej uszczelki warto utrzymać wartość l/h na poziomie 1.

Ponadto po pewnym czasie pracy uszczelki otwarcie krawędzi uszczelniającej ulega zużyciu. Jeśli krawędź nie jest w stanie skompensować tego zużycia, zaczyna występować wyciek. Grubość ścianki krawędzi uszczelniającej b powinna być dobierana z uwzględnieniem właściwości mechanicznych materiału oraz średnicy trzpienia. Celem jest zapewnienie wystarczającej sztywności krawędzi przy jednoczesnej możliwości jej gięcia i kompensacji zużycia.

6. Montaż pierścienia uszczelniającego z krawędzią

Jeśli podczas montażu pierścień uszczelniający nie będzie obsługiwany z należytą starannością, może zostać poparty lub odkształcony, co wpływa na jego jakość i może uczynić go nieprzydatnym do użytku. Należy przestrzegać następujących zasad:

• Część, w której montowana jest pierścieniowa uszczelka (tzw. rękaw wodny), powinna mieć 15°–30° fazę na powierzchni czołowej, aby zapobiec zadrapaniu pierścienia podczas jego wciskania od strony czoła.
• Każde otwarte otwory, przez które musi przejść pierścień, powinny również być wykonane z fazą o kącie 15°–30°.
• Przed montażem należy nałożyć smar lub olej roboczy na obszar montażu, aby zmniejszyć siłę wymaganą do zabudowy.
• Unikaj nadmiernego rozciągania pierścienia podczas montażu, ponieważ może to spowodować trwałą deformację plastyczną.

Podsumowując, wybór odpowiedniego materiału uszczelniającego, zastosowanie poprawnej konstrukcji oraz staranne postępowanie podczas montażu są kluczowe dla poprawy wydajności uszczelniania i czasu pracy jednostek obrotowych w hydraulicznych wiertnicach górniczych. W praktyce opisane podejście przyniosło dobre rezultaty — zużycie uszczelki znacznie się zmniejszyło, a czas pracy znacznie się wydłużył.