Nas perfuratrizes hidráulicas de rocha fabricadas na China, a unidade de rotação é normalmente alimentada com água pela lateral. A escolha do material e do projeto da vedação tem grande influência no desempenho e na durabilidade da vedação — o que, por sua vez, afeta o desempenho geral da perfuradora.

1. Como a Vedação contra Água é Carregada e Quais São as Suas Necessidades

O sistema de alimentação de água lateral em uma unidade de rotação de perfurador hidráulico para rochas é composto principalmente por três partes: uma camisa de água (1), uma vedação de água (2) e uma cauda de haste (3) (ver Fig. 1). Quando a perfuradora está em operação, a cauda de haste gira e se move alternadamente ao longo do eixo com alta frequência, transmitindo energia de impacto. Os parâmetros de funcionamento da vedação de água do perfurador hidráulico para rochas YYC250B são: velocidade de rotação da haste de 220 r/min, frequência de impacto da haste de 60 Hz, pressão da água de lavagem de 1 MPa e velocidade de perfuração de furos de 110 cm/min. Esses valores indicam que a vedação de água está sujeita a uma carga combinada de atrito causada pelo golpe axial de alta frequência e pela rotação. Por essa razão, o material da vedação deve possuir as seguintes propriedades:

1. Boa estabilidade em água — não deve inchar ou encolher significativamente em contato com a água, nem dissolver-se, amolecer ou endurecer.
2. Boa recuperação elástica — deve retornar rapidamente à forma original e não sofrer deformação permanente.
3. Boa resistência ao desgaste — coeficiente de atrito baixo.
4. Alta resistência mecânica — boa resistência à tração, dureza e resistência ao rasgo.
5. Nenhuma reação com peças metálicas — sem aderência, sem corrosão.

Após comparar as opções, escolhemos o poliuretano como material de vedação. Sua estrutura molecular contém grupos uretano, conferindo-lhe alta resistência mecânica — cerca de 1 a 4 vezes maior que a da borracha nitrílica. Sua resistência ao desgaste é excelente, aproximadamente 10 a 15 vezes superior à da borracha natural. Além disso, possui boa resistência ao óleo (mais de 5 vezes superior à da borracha nitrílica) e apresenta bom desempenho quanto à resistência ao ozônio e ao envelhecimento.

Deve-se observar que o poliuretano está disponível em dois tipos principais, com diferentes graus, e a escolha afeta o desempenho da vedação. O primeiro tipo é o poliuretano à base de poliéster (graus como Dongfeng-1 e JA3). O segundo tipo é o poliuretano à base de poliéter (graus como JA2 e JA5). O tipo poliéster apresenta boas propriedades mecânicas, mas sua resistência à água é fraca — a água reage quimicamente com os grupos polares na rede elastomérica, degradando sua estrutura. Quanto maior o número de grupos polares na rede, pior a resistência à água. O tipo poliéter possui menos grupos polares; portanto, sua resistência à água é mais de cinco vezes superior à do tipo poliéster. Contudo, como as ligações éter no tipo poliéter armazenam menos energia, sua resistência mecânica não é tão boa quanto a do tipo poliéster. A solução evidente é combinar os pontos fortes de ambos os tipos. Ao misturá-los e adicionar um enchimento resistente ao desgaste, obtém-se um material com bom desempenho mecânico e boa resistência à água. Para tanto, colaboramos com uma fábrica de produtos de borracha (um fabricante de poliuretano) para desenvolver um material de poliuretano misto personalizado. Testes demonstraram que as vedações fabricadas com esse material apresentam desempenho de vedação e vida útil significativamente superiores.

2. Escolha do Tipo de Anel de Vedação

Dadas as condições de carga sobre a vedação de água da unidade de rotação, escolhemos anéis de vedação do tipo Y. Este tipo apresenta três vantagens: (1) efeito de autovedação — quando é aplicada pressão, as bordas se comprimem com mais intensidade, proporcionando uma vedação mais eficaz; (2) baixa resistência ao movimento e operação suave; (3) boa estabilidade, adequado para componentes hidráulicos submetidos a variações rápidas de pressão. Os anéis do tipo O tendem a torcer e danificar-se nessas condições.

3. Funcionamento da Vedação

As juntas em forma de Y selam principalmente por meio da ação de auto-selagem de suas bordas. A Fig. 2 mostra a distribuição da pressão de contato de uma junta em forma de Y montada na ranhura da camisa de água. Sem pressão, apenas uma pequena pressão de contato é gerada pela deformação da ponta da borda (Fig. 2b). Assim que uma pressão interna é aplicada, a lei de Pascal estabelece que, em um sistema fechado, cada ponto em contato com o fluido recebe uma força normal igual à pressão interna. Isso faz com que a base da junta seja comprimida axialmente e as bordas sejam comprimidas circunferencialmente. A área de contato da borda com o fuste aumenta, bem como a pressão de contato (Fig. 2c). Quando a pressão interna aumenta ainda mais, a distribuição e a magnitude da pressão mudam ainda mais (Fig. 2d), pressionando as bordas ainda com mais firmeza contra o eixo — trata-se do "efeito de auto-selagem". É por isso que a junta em forma de Y é uma boa opção para esta aplicação de vedação com água.

4. Como a forma da borda afeta a vedação e a vida útil

A distribuição da pressão de contato está intimamente relacionada à forma dos lábios. A chave para uma boa vedação em um anel do tipo lábio é a distribuição de pressão ao longo da faixa de contato de vedação e a pressão máxima na ponta do lábio. A Fig. 3a compara o efeito de vedação de anéis em Y com e sem chanfro no lábio frontal. O anel com chanfro apresenta um pico de pressão bem definido na faixa de contato de vedação, o que atende melhor aos requisitos de desempenho de vedação do tipo lábio. Ao escolher o ângulo adequado do lábio frontal θ, pode-se reduzir significativamente a vazão — para θ > 30°, a vazão é apenas metade da observada para θ = 0°. A Fig. 3b compara o efeito de vedação com e sem chanfro no lábio traseiro (calcanhar). Diferentemente do lábio frontal, um chanfro no calcanhar gera, sob pressão de trabalho, um segundo pico de pressão, que impede o refluxo de água, mas aumenta a vazão. Sem o chanfro no calcanhar, não há segundo pico de pressão e a vedação funciona melhor.

5. Como os Parâmetros de Projeto Afetam a Vedação e a Vida Útil

Um anel de vedação bem projetado permite que o material atinja todo o seu potencial. Para o anel em Y, um dos fatores mais importantes para o desempenho e a vida útil é a relação entre a dimensão l e a dimensão h (ver Fig. 4). Na prática, quando a razão l/h = 1, o anel consegue manter as fugas baixas por um período mais longo. Portanto, para uma vedação ideal, o valor de l/h deve ser mantido em 1.

Além disso, após certo tempo de operação da vedação, a abertura da borda se desgastará. Se a borda não puder compensar esse desgaste, as fugas começarão. A espessura da parede da borda b deve ser escolhida com base nas propriedades mecânicas do material e no diâmetro do eixo. O objetivo é garantir que a borda tenha rigidez suficiente, ao mesmo tempo que ainda possa flexionar e compensar o desgaste.

6. Instalação do Anel de Vedação com Borda

Se o anel de vedação não for manuseado com cuidado durante a instalação, poderá ser arranhado ou deformado, o que afeta sua qualidade e pode torná-lo inutilizável. Os seguintes pontos devem ser observados:

• A parte onde o anel de vedação é montado (a manga de água) deve ter uma chanfradura de 15° a 30° na face final, para evitar que o anel seja arranhado ao ser empurrado pela extremidade.
• Qualquer abertura por onde o anel deva passar também deve apresentar uma chanfradura de 15° a 30°.
• Aplique graxa ou óleo lubrificante na área de montagem antes da instalação, para reduzir a força necessária para a montagem.
• Evite esticar excessivamente o anel durante a instalação, pois isso pode causar deformação plástica permanente.

Em resumo, a escolha do material adequado para o selo, o uso de um projeto bem concebido e os cuidados tomados durante a instalação são fundamentais para melhorar o desempenho de vedação e a vida útil das unidades de rotação de perfuratrizes hidráulicas. Na prática, a abordagem descrita aqui produziu bons resultados — as fugas diminuíram e a vida útil aumentou significativamente.