Из какого материала изготавливается уплотнительное кольцо Cup Seal для горных буровых установок? Пояснение свойств полиуретана и FKM

Ударно-вращательного перфоратора уплотнительная чашка имеет необычную задачу для детали из эластомера: она должна удерживать промывочную воду, одновременно контактируя с переходником хвостовика, который вращается и совершает ударные движения, зачастую в течение тысяч часов до замены. Материал, из которого она изготовлена методом литья под давлением, напрямую влияет на срок её службы при таком сочетании движений, давления и воздействия воды. В этой статье рассматриваются материалы, наиболее часто используемые для уплотнительных колпачков ударно-вращательных перфораторов, причины их выбора именно для этой задачи и то, как это влияет на их поведение в эксплуатации.

Из чего изготавливают уплотнительный колпачок ударно-вращательного перфоратора?

Уплотнительные колпачки ударно-вращательных перфораторов чаще всего изготавливают методом литья под давлением из полиуретана (PU) или фторкаучука (FKM), а не из общего нитрильного каучука (NBR), применяемого для многих других гидравлических уплотнений на том же оборудовании. В зависимости от производителя один и тот же компонент может называться уплотнительным колпачком, промывочным уплотнением или передним головным уплотнением, однако все эти термины относятся к уплотняющему элементу, устанавливаемому вокруг переходника хвостовика внутри водяной камеры.

Почему материал чашечного уплотнения имеет большее значение, чем может показаться на первый взгляд?

Большинство гидравлических уплотнений в горном перфораторе должны выдерживать лишь масло, температуру и давление. Чашечное уплотнение должно выдерживать всё это, а также саму воду — пресную, минерализованную или, во многих шахтных и карьерных условиях, слабосолёную или кислую, — плюс непрерывное вращение поверхности, против которой оно уплотняет, плюс мелкие абразивные частицы породы, неизбежно попадающие в промывочную систему. Материал, плохо подходящий хотя бы для одного из этих условий, быстро проявляет свои недостатки: набухание или размягчение из-за поглощения воды, ускоренный износ из-за низкой стойкости к абразивному воздействию или сокращение срока службы вследствие химического воздействия конкретного состава воды на объекте.

Фото 1: Поперечное сечение сборки чашечного уплотнения

Что такое полиуретан (PU) и почему он часто используется для чашечных уплотнений?

Полиуретан, как правило, не является традиционной вулканизированной резиной, а представляет собой литой или формованный эластомерный полимер, построенный на основе уретановых связей; его выдающимся свойством является высокая стойкость к истиранию и разрыву — значительно превосходящая большинство резиновых композиций. Это свойство идеально соответствует требованиям, предъявляемым к чашечному уплотнению: оно не просто удерживает воду, но делает это при постоянном контакте с подвижной, порой загрязнённой поверхностью, а мелкие частицы горных пород, неизбежно попадающие в зону уплотнения, действуют как абразив в замедленном темпе.

Чашечные уплотнения из полиуретана (PU) также зачастую представляют собой экономически выгодное решение «по умолчанию» при использовании пресной или умеренно минерализованной промывочной воды при обычных температурах окружающей среды и эксплуатации. Их основное ограничение — более низкий предел непрерывной рабочей температуры по сравнению с FKM, а также несколько сниженная гибкость при очень низких температурах; оба этих фактора имеют большее значение на одних объектах и меньшее — на других.

Фото2 ：Формованный губчатый профиль чашечного уплотнения из полиуретана (PU)

Что такое FKM и когда его предпочтительнее использовать вместо полиуретана?

FKM (фторэластомер) обеспечивает более широкую химическую стойкость по сравнению с полиуретаном, включая повышенную устойчивость к агрессивной или химически обработанной промывочной воде, а также более высокий предел непрерывной рабочей температуры. В тех случаях, когда промывочная вода на участке имеет кислую реакцию, содержит химические добавки или бурение сопровождается длительным перегревом инструмента, FKM, как правило, является более устойчивым решением.

Компромисс заключается в более высокой стоимости и, в некоторых составах, несколько меньшей стойкости к абразивному износу по сравнению с качественным полиуретановым составом. Именно поэтому эти два материала часто сосуществуют в качестве альтернативных вариантов для одного и того же положения уплотнительного кольца-чашки во многих моделях горных буровых установок, а не вытесняют друг друга: правильный выбор зависит в первую очередь от химического состава и температуры воды на конкретном участке, а не от универсального ранжирования этих двух материалов.

Фото3: Сбоку ‑от ‑сравнение образцов уплотнительных колец-чашек из FKM и PU в боковой проекции

Почему нельзя просто использовать стандартный NBR, как в других гидравлических уплотнениях?

NBR является стандартным материалом для многих гидравлических уплотнений именно благодаря высокой стойкости к минеральным гидравлическим маслам, однако эта стойкость плохо сохраняется при длительном контакте с водой или при абразивных нагрузках, характерных для чашечных уплотнений. Составы на основе NBR склонны к набуханию при продолжительном поглощении воды и, как правило, обладают меньшей стойкостью к истиранию по сравнению с PU в загрязнённых условиях, типичных для промывочной воды, содержащей твёрдые частицы. По этой причине NBR редко используется для чашечных уплотнений непосредственно, хотя он остаётся стандартным выбором для уплотнений со стороны масла бурового оборудования, включая аккумулятор диафрагма .

Стоит отметить, что NBR даже не является наиболее стойким к воздействию чистой воды каучуком; при многофакторных испытаниях на долговечность резиновых уплотнений для трубопроводов водоснабжения и канализации выявлено, что EPDM и силиконовый каучук (SR) в целом лучше сохраняют свои свойства при длительном контакте с водой и термоокислительном старении по сравнению с NBR и HNBR. В этих испытаниях повышение температуры до 70 °C привело к тому, что остаточная деформация сжатия HNBR и NBR превысила 15 %, а коэффициент восстановления упал ниже 85 %, тогда как EPDM и силикон показали значительно меньшее увеличение деформации в среде, имитирующей сточные воды. Причина, по которой EPDM и силикон всё ещё не применяются в уплотнениях чашек горных буровых установок, заключается не в низкой водостойкости, а в несовместимости с маслом: оба материала сильно набухают в минеральном гидравлическом масле, а чашечное уплотнение располагается достаточно близко к смазываемому механизму бура, поэтому совместимость с маслом — это реальное требование, а не редкий частный случай. Это полезное напоминание о том, что «лучший» материал в изолированных условиях не всегда подходит, если учесть все реальные эксплуатационные воздействия, которым деталь будет подвергаться на практике.

Как эти материалы сравниваются друг с другом?

В приведённой ниже таблице обобщены общие компромиссы, описанные выше. Точные характеристики зависят от конкретного состава соединения, используемого тем или иным производителем.

Фото 4: Сравнение физических образцов уплотнительных колец из ПУ и FKM

Как химический состав воды (пресная, солёная или кислая) влияет на выбор материала?

Качество промывочной воды сильно варьируется в зависимости от места. Пресная поверхностная вода при обычных карьерных работах представляет собой сравнительно мягкую среду как для ПУ, так и для FKM. Солёная вода, часто встречающаяся на некоторых побережных или засушливых участках, где грунтовые воды минерализованы, ускоряет коррозию уплотнительной поверхности переходника штока и может сократить срок службы уплотнительного материала, обладающего лишь ограниченной стойкостью к ней. Кислая или химически обработанная вода, которую иногда можно встретить при водоотливе на шахтах или в определённых технологических средах, однозначно предпочтительнее для FKM благодаря его более широкой химической стойкости по сравнению со стандартным ПУ.

Поскольку качество промывочной воды сильно различается на разных объектах, одна и та же модель горного перфоратора может разумно использовать различные материалы уплотнительных колпачков на разных строительных площадках; подбор уплотнения под фактическое качество имеющейся воды, как правило, важнее, чем использование материала, изначально поставляемого с машиной.

Как вращательно-возвратное движение влияет на срок службы?

В отличие от неподвижного О-кольцо , уплотнительный колпачок постоянно движется относительно переходника хвостовика: он вращается непрерывно и одновременно совершает небольшое осевое перемещение при каждом цикле удара. Такое движение означает, что срок службы уплотнения в значительной степени зависит от поддержания тонкой смазывающей плёнки воды (или водно-воздушной смеси) между кромкой уплотнения и поверхностью переходника. Если эта плёнка разрушается — из-за недостаточного давления промывки, загрязнения или повреждённой (надрезанной) поверхности переходника — уплотнение работает практически всухую против металла, и как абразивный износ, так и нагрев резко усиливаются, независимо от материала, из которого оно изготовлено.

Это одна из причин, по которой срок службы уплотнительного кольца-чашки зависит не только от материала: состояние сопрягаемой поверхности и стабильность давления промывочной жидкости также влияют на то, как долго даже наиболее подходящий по составу материал уплотнения будет сохранять свои эксплуатационные свойства.

Как температура влияет на эксплуатационные характеристики материала уплотнительного кольца-чашки?

Температурное воздействие на уплотнительное кольцо-чашку, как правило, менее интенсивно, чем на уплотнение со стороны масла (например, на диафрагму аккумулятора), поскольку промывочная вода, проходя через переднюю часть головки, отводит тепло. Тем не менее при работе буровых установок с высокой продолжительностью цикла в жарком климате или при снижении расхода промывочной жидкости температура в зоне уплотнения может существенно повышаться. Более низкий предел непрерывного применения полиуретана (PU) делает его более чувствительным к таким условиям по сравнению с фторкаучуком (FKM); именно поэтому длительная работа при повышенных температурах является одной из наиболее распространённых причин выбора FKM, даже если химический состав воды сам по себе не требует его применения.

С другой стороны, при очень низких температурах окружающей среды оба материала могут несколько ожесточиться, однако полиуретан (PU) в целом сохраняет рабочую эластичность в более широком практическом диапазоне по сравнению с нижним пределом температурного диапазона, указанного для FKM.

Как определить подходящий материал для условий конкретного объекта?

Поскольку выбор материала уплотнительного кольца зависит от факторов, характерных для конкретного объекта — химического состава воды, содержания абразивных частиц, температуры окружающей среды и рабочей температуры, а также режима эксплуатации — наиболее надёжный подход заключается в том, чтобы подробно описать эти условия поставщику запасной детали, а не предполагать, что исходный материал автоматически является наилучшим решением. В случае преждевременного выхода из строя уплотнения на конкретном объекте зачастую более эффективным решением становится смена материала, а не простое повторное использование того же самого.

Если имеются технические документы или каталог запасных частей, в них обычно указывается материал, изначально установленный на заводе; если таких документов нет, поставщик, хорошо знакомый с моделью горного перфоратора, как правило, может подтвердить стандартную спецификацию и дать рекомендации относительно того, оправдана ли в конкретных условиях эксплуатации замена на другой материал с учётом качества воды на объекте.

Фото 5: Проверка уплотнений и воды для выбора материала

1. Ху С. «Сжатие, отскок и долговечность резиновых уплотнительных материалов для систем водоснабжения и водоотведения зданий при многофакторном совместном воздействии». Fly Ash Comprehensive Utilization, 2026, (04): 155–161.
2. Чжоу Б., Чжао И., Чжан Х., Лю Ф., Чжу В. «Анализ влияния промывки на эксплуатационные характеристики механического уплотнения». Технология машиностроения и электротехники, 2023, том 52, № 05: 269–272.