Sigiliu în formă de cupă pentru perforatoare de stâncă: modul de funcționare al etanșării cu apă de spălare și modul de alegere a unei piese de înlocuire

Fiecare perforator hidraulic pentru stâncă care spală gaura cu apă depinde de un mic inel din elastomer pentru a menține această apă în locul potrivit. segmen de etanșare inelul este plasat la punctul în care un adaptor de tijă rotativ și percuționist traversează capul frontal al perforatorului și are o singură funcție: să mențină apa de spălare în propria sa cameră, nu în mecanismul lubrificat al perforatorului, nici să nu permită intrarea înapoi a deșeurilor rezultate în urma forării. Acest articol explică unde este plasat inelul etanșant în formă de pahar, cum reușește să etanșeze un component care se rotește și este supus simultan unor lovituri de mii de ori pe minut, ce aspect are cedarea sa și ce trebuie verificat înainte de comandarea unei piese de schimb.

Ce este un inel etanșant în formă de pahar într-un perforator hidraulic pentru stâncă?

Un etanșeu tip pahar, denumit și etanșeu de spălare, este elementul de etanșare montat în capul frontal al perforatorului sau «cutia de apă» — carcasă care înconjoară adapto­rul de coadă, unde fluidul de spălare este introdus în șirul de foraj. În majoritatea operațiunilor de foraj în rocă se utilizează apă, aer sau un amestec de apă și aer pentru a îndepărta fragmentele de rocă de la burghiu și pentru a-l răci; acest fluid de spălare trebuie injectat în orificiul interior al adaptorului de coadă dintr-o conductă fixă, chiar dacă adaptorul în sine este simultan în rotație și în bătaie. Etanșeul tip pahar asigură etanșarea acestei conexiuni.

În funcție de producător și de modelul perforatorului, acest component poate fi listat și ca etanșeu de spălare, etanșeu pentru capul frontal sau etanșeu pentru cutia de apă. Toate aceste denumiri se referă la aceeași funcție: etanșarea unei camere presurizate de spălare față de un adaptor de coadă care nu încetează să se miște în timpul funcționării perforatorului.

Unde este amplasat etanșeul tip pahar și ce anume etanșează el de fapt?

Adaptorul tijei are o gaură radială (sau două, la unele modele) care conectează suprafața sa exterioară cu orificiul său intern de spălare. Această gaură este situată în interiorul unei camere inelare formate de cutia de apă a capului frontal, astfel încât fluidul de spălare alimentat în cutie poate pătrunde în orificiu prin această gaură, indiferent de poziția de rotație în care se află adaptorul în acel moment. Etanșarea acestei camere necesită, de obicei, cel puțin două seturi de etanșări: un set etanșează cutia de apă față de structura staționară a capului frontal, iar celălalt etanșează cutia de apă față de adaptorul tijei, acesta din urmă având rolul mai dificil, deoarece trebuie să asigure etanșarea pe o suprafață care se rotește și se deplasează axial în același timp.

În practică, aceasta înseamnă că aranjamentul de etanșări în formă de cupă pentru un perforator nu este, de regulă, un singur inel. Este, de obicei, o mică stivă de elemente de etanșare și de susținere — etanșări, bucși de uzură și, uneori, un element separat de protecție împotriva prafului sau de curățare — integrate într-o cutie de apă care poate fi deschisă pentru întreținere fără a fi necesară demontarea întregului cap frontal.

Fotografia 1 :Față Secțiune transversală a cutiei de apă din față

Cum funcționează etanșarea cu dop în timp ce adaptatorul pentru coadă se rotește și bate?

Aceasta este partea lucrării care face ca etanșarea cu dop să difere de o etanșare statică obișnuită. În timpul funcționării perforatorului, adaptatorul pentru coadă se rotește continuu (pentru a poziționa scula în vederea următorului șoc) și efectuează, de asemenea, o mică deplasare axială în timp ce absoarbe și transmite fiecare șoc provenit de la piston. Etanșarea cu dop trebuie să mențină contactul continuu cu această suprafață în mișcare, în ambele sensuri ale mișcării, în același timp împiedicând scurgerea fluidului de răcire, care poate fi supus unei presiuni mult mai mari decât presiunea atmosferică.

Această combinație — rotație, vibrație axială și presiune, toate simultan — reprezintă o solicitare mai severă decât cea întâlnită de majoritatea etanșărilor dinamice. Este, de asemenea, motivul pentru care suprafața de etanșare a adaptatorului pentru coadă este la fel de importantă ca și etanșarea însăși: orice pitting, coroziune sau zgârieturi pe această suprafață oferă buzei etanșării o suprafață neregulată pe care să alunece, iar uzura tinde să se accelereze de la acest punct înainte.

De ce spălarea externă pune o sarcină suplimentară asupra garniturii de tip cupă?

Adaptatorii de tijă sunt spălați într-unul dintre cele două moduri. Spălarea internă trimite un tub de apă prin centrul burghiului și îl etanchează împotriva adaptatorului cu o singură Anelul O la vârf, o garnitură comparativ simplă și de joasă solicitare. Spălarea externă (în capul frontal) introduce fluidul de spălare în cutia de apă din jurul exteriorului adaptatorului, fiind în general considerată proiectarea superioară, deoarece poate livra un volum mai mare de fluid de spălare, cu un risc redus de scurgere sau de deteriorare cauzată de lovitură de aripi — dar tocmai această capacitate este motivul pentru care garniturile sale suportă o presiune și un debit continuu mai mari.

Majoritatea perforatoarelor hidraulice moderne pentru rocă folosesc spălarea externă, în capul frontal, din acest motiv. Compromisul constă în faptul că garnitura de tip cupă din această configurație frontală efectuează în mod continuu o etanșare dinamică sub presiune, spre deosebire de sarcina comparativ ușoară a unei garnituri statice de la vârf, ceea ce explică de ce garniturile de spălare sunt tratate ca piese uzate în mod obișnuit, nu ca elemente de tip „montează și uită”.

Curgerea care intră în acea cameră se comportă ca o curgere printr-o orificiu restrictiv, o relație bine stabilită în proiectarea circuitelor de spălare pentru etanșări dinamice în general:

Q = 0.0019159 · C · d2 · (Δp / ρ)1/2 (1)

unde Q este debitul de spălare, C este un coeficient de debit, d este diametrul efectiv al traseului de curgere, Δp este căderea de presiune pe acesta, iar ρ este densitatea fluidului de spălare. Concluzia practică este că debitul de spălare este controlat de diferența de presiune pe cutia de apă, nu doar de presiune: orientările publicate privind spălarea etanșărilor dinamice în echipamentele industriale rotative recomandă menținerea presiunii pe partea de spălare doar ușor superioară presiunii din camera etanșată, cu aproximativ 0,05–0,2 MPa mai mare, și menținerea vitezei fluidului prin orice restricție suficient de scăzută pentru a evita eroziunea prin impact, în general sub 3–5 m/s atunci când fluidul conține particule solide. Apa de spălare pentru perforatoarele de rocă este rar perfect curată, astfel încât atât o diferență de presiune excesiv de ridicată, cât și un traseu de curgere insuficient de larg pot accelera uzura exact în punctul pe care etanșarea cu manșon încearcă să-l protejeze.

Ce se întâmplă când etanșarea cu manșon a unui perforator de rocă cedează?

Odată ce un etanșeu cu formă de pahar își pierde buza de etanșare sau începe să piardă lichidul de spălare prin suprafața de contact uzată, lichidul de spălare poate migra din caseta de apă către mecanismul de rotație și percuție al perforatorului, unde se amestecă cu uleiul de ungere sau îl înlocuiește. Contaminarea cu apă a uleiului hidraulic sau de ungere accelerează coroziunea componentelor interne, degradează proprietățile de ungere ale uleiului și poate duce la o uzură accelerată, care depășește cu mult capul frontal.

Defecțiunea poate avea și sens invers: un etanșeu care și-a pierdut aderența pe adaptorul de tijă poate permite scurgerea lichidului de foraj în exterior, în jurul adaptorului, în loc să-l dirijeze în jos, spre gaura de foraj; acest lucru se manifestă sub formă de scurgeri vizibile la partea frontală a mașinii și o scădere a debitului de lichid de spălare care ajunge efectiv la burghiul de foraj — reducând eficiența evacuării deșeurilor din gaură.

Foto2: Etanșeu cu formă de pahar uzat și adaptor de tijă

Cum puteți identifica o defecțiune a etanșeului cu formă de pahar al perforatorului dumneavoastră?

Un etanșeu cu formă de pahar defectuos se manifestă, de obicei, prin una sau mai multe dintre următoarele semne:

• Scurgere vizibilă de apă sau fluid de spălare din zona capului frontal în timpul funcționării.
• Aspect mătăsos sau decolorat al uleiului hidraulic sau lubrifiant al burghiului, indicând contaminarea cu apă.
• Reducerea debitului sau presiunii fluidului de spălare care ajunge la burghiu, chiar dacă pompa și conducta de spălare sunt în stare normală.
• Coroziune sau pitting accelerat vizibil pe adaptorul tijei, în zona unde acesta traversează capul frontal.
• Uzură crescută sau urme de zgâriere pe bucșele cutiei de apă la următoarea dezmembrare.

Tabelul de mai jos corelează aceste simptome cu cauzele probabile și cu prima verificare logică.

Deoarece contaminarea cu apă și uzura mecanică pot produce simptome suprapuse, deschiderea capului frontal și inspecția etanșării, a locașului acesteia și a suprafeței de etanșare a adapto­rului oferă un răspuns mai fiabil decât evaluarea pe baza unui singur simptom.

Foto3: Uzură a suprafeței de etanșare a adapto­rului pentru tijă

Ce cauzează uzura prematură a etanșării tip pahar?

Mai mulți factori scurtază în mod independent durata de funcționare a unei etanșări tip pahar și, adesea, se amplifică reciproc:

• Particule abrazive fine din apa de spălare sau din deșeurile returnate, care acționează ca un compus de lepuire asupra buzei etanșării și a suprafeței adapto­rului.
• Apa de spălare corozivă sau mineralizată (inclusiv salină), frecvent întâlnită în multe mine și pe situri costiere, care provoacă pitting și asperizarea progresivă a suprafeței de etanșare a adapto­rului.
• Funcționarea forajului fără apă sau cu presiune insuficientă de spălare, ceea ce poate determina încălzirea excesivă a etanșării în contact cu adapto­rul, în loc să alunece pe un film subțire de fluid.
• Jocul radial în adaptoarele pentru tijă datorită uzurării bucșilor de susținere, ceea ce forțează etanșarea să lucreze împotriva unei suprafețe care oscilează, nu una care se rotește uniform.
• O neconformitate între materialul etanșării și compoziția apei sau temperatura din locație, discutată în detaliu într-o comparație dedicată a materialelor.

Starea suprafeței adaptoarelor pentru tijă merită o atenție deosebită aici, deoarece ingineria uzurii generale leagă pierderea de material direct de duritatea suprafeței printr-o relație de forma generală:

W = K / Hn (2)

unde W este volumul de uzură, H este duritatea suprafeței componentei mai rezistente la uzură, K este o constantă legată de împerecherea materialelor și de condițiile de contact, iar n este un indice de uzură, de obicei cuprins între 1 și 2. Cercetările privind tratamentul termic al materialului cozii burghiului pentru forajul în rocă confirmă aspectul practic al acestei relații: parametrii de călire care măresc duritatea suprafeței îmbunătățesc în mod semnificativ rezistența la uzură, în timp ce parametrii de revenire insuficienți sau excesivi lasă tensiuni reziduale sau o structură granulară grosolană, ceea ce o compromite. Relevanța pentru un etanșeu tip pahar este directă — pitting-ul cauzat de coroziune pe suprafața de etanșare a adapto­rului reprezintă, din punct de vedere funcțional, o pierdere locală a stratului durificat; astfel, un adaptor corodat poate accelera uzura etanșeului, chiar dacă acesta este în stare bună și montat corect.

Cum influențează uzura adapto­rului cozii și a bucșei durata de viață a etanșeului tip pahar?

Segmenul de etanșare cu formă de pahar nu funcționează izolat față de restul ansamblului capului frontal. Adaptorul tijei este, în mod normal, susținut de bucși de uzură care îl mențin în aliniament corect în interiorul cutiei de apă; pe măsură ce aceste bucși se uzează, adaptorul obține o mișcare radială suplimentară în timpul rotației și al baterii. Această mișcare radială suplimentară este transmisă direct segmențului de etanșare cu formă de pahar, care trebuie acum să se flexeze și să se reașeze pe o suprafață ce urmărește o traiectorie oscilantă, nu una curată și concentrică.

Aceasta este o cauză frecventă pentru care un segmenț de etanșare cu formă de pahar „nou” cedează din nou rapid după înlocuire: dacă bucșile și suprafața de etanșare a adaptorului nu sunt inspectate și, acolo unde este necesar, înlocuite sau recondiționate în același timp, noul segmenț este supus imediat aceleiași încărcări anormale care a dus la uzurarea celui vechi.

Cum alegeți segmențul de etanșare cu formă de pahar potrivit pentru înlocuire?

După confirmarea cedării și deschiderea capului frontal pentru inspecție, trei elemente determină segmențul de etanșare cu formă de pahar potrivit pentru înlocuire:

• Potrivire exactă din punct de vedere dimensional și al profilului cu piesa OEM. Geometria etanșării cutiei de apă, concepția buzei și dimensiunile canalelor sunt specifice modelului de perforator și nu sunt, în general, interschimbabile între mărci.
• Un material potrivit pentru apa de spălare și temperatura din zonă. Etanșările tip cupă sunt, cel mai frecvent, specificate în poliuretan sau FKM, în funcție de uzură, compoziția apei și temperatură — o distincție detaliată într-un articol însoțitor despre materialele pentru etanșări tip cupă.
• Confirmarea faptului că suprafața de etanșare a adapto­rului pentru coadă și bucșele cutiei de apă se află în limitele toleranțelor, deoarece o etanșare corect aleasă, montată pe un adaptor uzat sau zgâriat, nu va atinge durata de viață prevăzută.

Foto4 ：Comparare materiale etanșări tip cupă pentru înlocuire

Unde puteți achiziționa o etanșare tip cupă fiabilă pentru înlocuire?

Deoarece dimensiunile și profilele buzelor etanșărilor tip cupă sunt specifice fiecărui model de perforator, achiziționarea se reduce la găsirea unui furnizor capabil să ofere numărul exact de piesă al mașinii dumneavoastră, nu o descriere generică de tip „etanșare tip cupă”.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, un producător chinez de etanșări înființat în 2013, produce componente de etanșare din PU, cauciuc și PTFE pentru perforatoare hidraulice și spărgătoare hidraulice, cu referințe încrucișate la mărci importante precum Atlas Copco/ Epiroc , Furukawa, Montabert, Sandvik și Tamrock, printre altele, și afirmă că oferă suport tehnic gratuit pentru a confirma numărul corect de piesă, dimensiunile și calitatea materialului pentru un anumit model de perforator, înainte de plasarea comenzii.

Dacă nu sunteți sigur ce etanșare tip pahar are nevoie mașina dumneavoastră, furnizarea modelului perforatorului, a numărului de piesă al capului frontal sau al carcasei pentru apă și a unei note privind calitatea apei de spălare de pe amplasamentul dumneavoastră (apă dulce, salină sau abrazivă) unui furnizor capabil să facă referințe încrucișate cu specificațiile OEM este cel mai sigur mod de a obține o etanșare care se potrivește cu adevărat și rezistă în timp.

Foto5: Kit etanșare tip pahar pentru perforator ambalat

1. Zhou B., Zhao Y., Zhang H., Liu F., Zhu W. „Analiza efectului spălării asupra performanței etanșărilor mecanice.” Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2023, 52(05): 269–272.
2. Han Z. „Analiza efectului diferitelor parametri de tratament termic asupra durității și rezistenței la uzură a cozilor burghielor pentru foraj în rocă.” Zhejiang Pulanka Drilling Tools Co., Ltd., lucrare tehnică, 2026.
3. Zhang H., Liu X., Wang J., Sun M. „Cercetare privind proiectarea structurală și simularea mișcării unei noi unelte compozite de foraj rotativ-percusionist.” Journal of Mechanical Strength, 2017, 39(2): 392–396.