La perforatoarele hidraulice pentru roci fabricate în China, unitatea de rotație este, de obicei, alimentată cu apă din lateral. Alegerea materialului și a designului etanșării are un impact semnificativ asupra eficienței și durabilității acesteia — ceea ce, la rândul său, influențează performanța generală a perforatorului.

1. Modul de încărcare a etanșării cu apă și cerințele acesteia

Sistemul de alimentare cu apă lateral pentru unitatea de rotație a unei burghiele hidraulice pentru stâncă este format în principal din trei părți: o manșetă de apă (1), o garnitură de etanșare cu apă (2) și un colet (3) (vezi Fig. 1). În timpul funcționării burghielei, coletul execută atât o mișcare de rotație, cât și o mișcare alternativă de-a lungul axei, la o frecvență ridicată, transmițând energia de lovire. Parametrii de funcționare ai garniturii de etanșare cu apă pentru burghia hidraulică pentru stâncă YYC250B sunt următorii: viteza de rotație a colțului 220 rot/min, frecvența loviturilor colțului 60 Hz, presiunea apei de spălare 1 MPa, viteza de forare 110 cm/min. Aceste valori arată că garnitura de etanșare cu apă este supusă unei sarcini combinate de frecare datorate bătăilor axiale de înaltă frecvență și rotației. Din acest motiv, materialul garniturii trebuie să prezinte următoarele proprietăți:

1. Stabilitate bună în apă — nu trebuie să se umfle sau să se contracte semnificativ în apă și nici să se dizolve, să se îmblânzească sau să se întărească.
2. Recuperare elastică bună — trebuie să revină eficient la forma inițială și să nu se deformeze permanent.
3. Rezistență bună la uzură — coeficient de frecare scăzut.
4. Rezistență mecanică ridicată — rezistență la întindere, duritate și rezistență la rupere bune.
5. Fără reacție cu piesele metalice — nu se lipește, nu corodează.

După compararea opțiunilor, am ales poliuretanul ca material de etanșare. Structura sa moleculară conține grupuri de uretan, conferindu-i o rezistență mecanică ridicată — de aproximativ 1 până la 4 ori mai mare decât cea a cauciucului nitrilic. Rezistența sa la uzură este excelentă, de aproximativ 10 până la 15 ori mai bună decât cea a cauciucului natural. De asemenea, are o rezistență bună la ulei (mai bună de peste 5 ori decât cea a cauciucului nitrilic) și se comportă bine în ceea ce privește rezistența la ozon și la îmbătrânire.

Trebuie menționat faptul că poliuretanul este disponibil în două tipuri principale, fiecare cu grade diferite, iar alegerea acestuia influențează în mod semnificativ eficiența etanșării. Primul tip este poliuretanul pe bază de poliester (grade precum Dongfeng-1 și JA3). Al doilea tip este poliuretanul pe bază de polieter (grade precum JA2 și JA5). Poliuretanul de tip poliester are proprietăți mecanice bune, dar rezistența sa la apă este scăzută — apa reacționează chimic cu grupările polare din rețeaua elastomerului, degradând structura. Cu cât numărul grupărilor polare din rețea este mai mare, cu atât rezistența la apă este mai slabă. Poliuretanul de tip polieter conține mai puține grupări polare, astfel încât rezistența sa la apă este de peste cinci ori mai bună decât cea a poliuretanului de tip poliester. Totuși, deoarece legăturile eter din poliuretanul de tip polieter stochează mai puțină energie, rezistența sa mecanică nu este la fel de bună ca cea a poliuretanului de tip poliester. Soluția evidentă constă în combinarea punctelor forte ale ambelor tipuri. Prin amestecarea celor două tipuri și adăugarea unui umplutură rezistentă la uzură, obținem un material care oferă atât performanțe mecanice bune, cât și o rezistență excelentă la apă. Pentru a realiza acest lucru, am colaborat cu o fabrică de produse din cauciuc (un producător de poliuretan) pentru a elabora un material personalizat de poliuretan amestecat. Testele au arătat că garniturile realizate din acest material prezintă o performanță de etanșare și o durată de viață semnificativ superioară.

2. Alegerea tipului de inel de etanșare

Având în vedere condițiile de încărcare la care este supusă etanșarea cu apă a unității de rotație, am ales inele de etanșare de tip Y. Acest tip prezintă trei avantaje: (1) efect de autoetanșare — atunci când se aplică presiune, buzele se strâng mai puternic și asigură o etanșare mai bună; (2) rezistență redusă la rulare și funcționare lină; (3) stabilitate ridicată, potrivită pentru componente hidraulice supuse unor variații rapide ale presiunii. Inelele de tip O tind să se răsucească și să se deterioreze în aceste condiții.

3. Modul de funcționare al etanșării

Segmenții de etanșare de tip Y sigilează în principal prin acțiunea de autosealizare a buzelor lor. Fig. 2 prezintă distribuția presiunii de contact a unui segmenț de etanșare de tip Y montat în canelura manșonului de răcire cu apă. În absența presiunii, se creează doar o presiune mică de contact datorită deformării vârfului buzei (Fig. 2b). Odată ce se aplică o presiune internă, legea lui Pascal stipulează că, într-un sistem închis, fiecare punct aflat în contact cu fluidul suferă o forță normală egală cu presiunea internă. Aceasta determină comprimarea axială a bazei segmențului de etanșare și comprimarea circumferențială a buzelor. Suprafața de contact a buzelor cu tija crește, iar presiunea de contact se intensifică de asemenea (Fig. 2c). Când presiunea internă crește în continuare, distribuția și mărimea presiunii se modifică și mai mult (Fig. 2d), apăsând buzele și mai strâns împotriva arborelui — acest fenomen este denumit „efectul de autosealizare”. Acesta este motivul pentru care segmențul de etanșare de tip Y este potrivit pentru această aplicație de etanșare cu apă.

4. Cum influențează forma buzei etanșarea și durata de funcționare

Distribuția presiunii de contact este strâns legată de forma buzelor. Cheia unei etanșări eficiente într-un inel de tip buza este distribuția presiunii pe banda de contact de etanșare și presiunea maximă la vârful buzei. Fig. 3a compară efectul de etanșare al inelelor de tip Y cu și fără o teșitură pe buza frontală. Inelul cu teșitură prezintă un vârf clar de presiune pe banda de contact de etanșare, ceea ce îndeplinește cel mai bine cerințele privind performanța etanșărilor de tip buza. Prin alegerea unghiului corespunzător al buzei frontale θ, scurgerea poate fi redusă semnificativ — la θ > 30°, scurgerea este doar jumătate din cea observată la θ = 0°. Fig. 3b compară efectul de etanșare cu și fără teșitură pe buza posterioară (calca). Spre deosebire de buza frontală, o teșitură pe calca generează, sub presiunea de funcționare, un al doilea vârf de presiune, care blochează refluxul apei și crește scurgerea. În absența teșiturii pe calca, nu apare niciun al doilea vârf de presiune, iar etanșarea funcționează mai bine.

5. Cum influențează parametrii de proiectare etanșarea și durata de viață

Un inel de etanșare bine proiectat permite materialului să își exprime întreaga potențialitate. Pentru inelul de tip Y, unul dintre cei mai importanți factori care influențează performanța și durata de viață este raportul dintre dimensiunea l și dimensiunea h (vezi Fig. 4). Din punct de vedere practic, atunci când raportul l/h = 1, inelul poate menține scurgerea la un nivel scăzut pe o perioadă mai lungă. Prin urmare, pentru o etanșare optimă, valoarea raportului l/h trebuie menținută la 1.

De asemenea, după ce inelul de etanșare a funcționat o perioadă de timp, deschiderea buzei se va uza. Dacă buza nu poate compensa această uzură, vor apărea scurgeri. Grosimea peretelui buzei, b, trebuie aleasă în funcție de proprietățile mecanice ale materialului și de diametrul tijei. Scopul este de a asigura buzei o rigiditate suficientă, păstrând totuși capacitatea de a se flexa și de a compensa uzura.

6. Montarea inelului de etanșare cu buză

Dacă inelul de etanșare nu este manipulat cu grijă în timpul montării, acesta poate fi zgâriat sau deformat, ceea ce afectează calitatea și poate face ca inelul să devină impropriu pentru utilizare. Trebuie respectate următoarele puncte:

• Partea în care se montează inelul de etanșare (mâneca de apă) trebuie să aibă o teșitură de 15° până la 30° pe fața de capăt, pentru a preveni zgârierea inelului în momentul împingerii acestuia din capăt.
• Orice orificiu prin care trebuie să treacă inelul trebuie, de asemenea, să aibă o teșitură de 15° până la 30°.
• Aplicați un lubrifiant sau ulei de lucru pe zona de montare înainte de instalare, pentru a reduce forța necesară asamblării.
• Evitați întinderea excesivă a inelului în timpul instalării, deoarece aceasta poate provoca o deformare plastică permanentă.

În concluzie, alegerea materialului potrivit pentru etanșare, utilizarea unei concepții solide și acordarea unei atenții deosebite în timpul instalării reprezintă elementele-cheie pentru îmbunătățirea performanței de etanșare și a duratei de viață a unităților de rotație ale perforatoarelor hidraulice. În practică, abordarea descrisă aici a dat rezultate bune — scurgerile s-au redus, iar durata de viață s-a mărit semnificativ.