В гидравлических горных перфораторах китайского производства вращательный узел, как правило, охлаждается водой, подаваемой сбоку. Выбор материала уплотнения и его конструкции оказывает значительное влияние на эффективность работы уплотнения и его срок службы — что, в свою очередь, сказывается на общей производительности перфоратора.

1. Как нагружается уплотнение для воды и какие требования к нему предъявляются

Система боковой подачи воды в блоке вращения гидравлического горного перфоратора состоит в основном из трёх частей: водяной втулки (1), уплотнения для воды (2) и хвостовика (3) (см. рис. 1). Во время работы перфоратора хвостовик одновременно вращается и совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси с высокой частотой, передавая ударную энергию. Рабочие параметры уплотнения для воды гидравлического горного перфоратора YYC250B следующие: частота вращения хвостовика — 220 об/мин, частота ударов хвостовика — 60 Гц, давление промывочной воды — 1 МПа, скорость бурения скважины — 110 см/мин. Эти значения показывают, что уплотнение для воды испытывает комбинированную нагрузку трения, вызванную высокочастотными осевыми ударами и вращением. В связи с этим материал уплотнения должен обладать следующими свойствами:

1. Хорошая стабильность в воде — не должен сильно набухать или сжиматься в воде, а также не должен растворяться, размягчаться или затвердевать.
2. Хорошее эластическое восстановление — должен хорошо восстанавливать свою форму и не деформироваться необратимо.
3. Хорошая износостойкость — низкий коэффициент трения.
4. Высокая механическая прочность — хорошая прочность на разрыв, твёрдость и сопротивление раздиру.
5. Отсутствие реакции с металлическими деталями — не прилипает, не вызывает коррозии.

После сравнения вариантов мы выбрали полиуретан в качестве материала уплотнения. Его молекулярная структура содержит группы уретана, что обеспечивает высокую механическую прочность — примерно в 1–4 раза выше, чем у нитрилкаучука. Его износостойкость превосходна: она примерно в 10–15 раз выше, чем у натурального каучука. Кроме того, он обладает хорошей маслостойкостью (более чем в 5 раз выше, чем у нитрилкаучука) и хорошо проявляет себя по стойкости к озону и старению.

Следует отметить, что полиуретан выпускается в двух основных типах с различными марками, и выбор типа влияет на эффективность уплотнения. Первый тип — это полиуретан на основе полиэфира (марки, например, Dongfeng-1 и JA3). Второй тип — это полиуретан на основе полиэфира (марки, например, JA2 и JA5). Полиэфирный тип обладает хорошими механическими свойствами, однако его стойкость к воде невысока: вода вступает в химическую реакцию с полярными группами в эластомерной сетке, разрушая её структуру. Чем больше полярных групп в сетке, тем ниже стойкость к воде. У полиэфирного типа полярных групп меньше, поэтому его стойкость к воде более чем в 5 раз выше, чем у полиэфирного типа. Однако из-за того, что простые эфирные связи в полиэфирном типе обладают меньшей энергоёмкостью, его механическая прочность ниже, чем у полиэфирного типа. Очевидным решением является объединение преимуществ обоих типов. Смешивая их и добавляя износостойкий наполнитель, можно получить материал, сочетающий высокие механические характеристики и хорошую стойкость к воде. Для этого мы сотрудничали с заводом резиновых изделий (производителем полиуретана), чтобы разработать специальный композитный полиуретановый материал. Испытания показали, что уплотнения из этого материала обеспечивают значительно более высокую эффективность герметизации и более длительный срок службы.

2. Выбор типа уплотнительного кольца

Учитывая нагрузочные условия, действующие на водяное уплотнение вращающегося узла, мы выбрали уплотнительные кольца типа Y. Этот тип обладает тремя преимуществами: (1) эффект самогерметизации — при приложении давления уплотнительные губки плотнее прижимаются и обеспечивают лучшее уплотнение; (2) низкое сопротивление движению и плавная работа; (3) высокая стабильность, что делает его подходящим для гидравлических деталей, подверженных быстрым изменениям давления. Кольца типа O склонны к перекручиванию и повреждению в таких условиях.

3. Принцип работы уплотнения

Y-образные кольцевые уплотнения обеспечивают герметичность в основном за счёт самогерметизирующего действия своих губок. На рис. 2 показано распределение контактного давления Y-образного кольца, установленного в паз водяной рубашки. При отсутствии давления лишь небольшое контактное давление создаётся за счёт деформации кончика губки (рис. 2б). После подачи внутреннего давления, согласно закону Паскаля, в замкнутой системе каждая точка, соприкасающаяся с жидкостью, испытывает нормальную силу, равную внутреннему давлению. Это приводит к осевому сжатию основания уплотнительного кольца и к окружному сжатию губок. Площадь контакта губок со штоком увеличивается, а также возрастает и контактное давление (рис. 2в). При дальнейшем повышении внутреннего давления распределение и величина давления изменяются ещё больше (рис. 2г), прижимая губки ещё плотнее к валу — это так называемый «эффект самогерметизации». Именно поэтому Y-образное кольцо хорошо подходит для данной области применения в качестве водяного уплотнения.

4. Влияние формы губки на герметичность и срок службы

Распределение контактного давления тесно связано с формой губок. Ключевым фактором эффективного уплотнения в кольцевых уплотнениях с губками является распределение давления по зоне контакта уплотнения и пиковое давление на вершине губки. На рис. 3а сравнивается эффект уплотнения Y-образных колец с фаской и без неё на передней губке. Кольцо с фаской демонстрирует чёткий пик давления в зоне контакта уплотнения, что наилучшим образом соответствует требованиям к характеристикам уплотнений с губками. Подбор оптимального угла передней губки θ позволяет значительно снизить утечку: при θ > 30° утечка составляет лишь половину от значения при θ = 0°. На рис. 3б сравнивается эффект уплотнения при наличии и отсутствии фаски на задней губке (пятке). В отличие от передней губки, фаска на пятке создаёт второй пик давления под рабочим давлением, который препятствует обратному течению воды и увеличивает утечку. При отсутствии фаски на пятке второй пик давления не возникает, и уплотнение работает лучше.

5. Влияние конструктивных параметров на герметичность и срок службы

Хорошо спроектированное уплотнительное кольцо позволяет материалу проявить свой полный потенциал. Для Y-образного кольца одним из наиболее важных факторов, влияющих на эксплуатационные характеристики и срок службы, является соотношение размера l к размеру h (см. рис. 4). На практике при соотношении l/h = 1 кольцо обеспечивает низкий уровень утечек в течение длительного времени. Таким образом, для достижения наилучшего уплотнения значение l/h следует поддерживать равным 1.

Кроме того, после некоторого времени работы уплотнения отверстие губки изнашивается. Если губка не способна компенсировать этот износ, начинаются утечки. Толщина стенки губки b должна выбираться с учётом механических свойств материала и диаметра штока. Цель состоит в том, чтобы обеспечить губке достаточную жёсткость, одновременно сохраняя её способность к изгибу и компенсации износа.

6. Установка уплотнительного кольца с губкой

Если при установке уплотнительного кольца обращаться с ним небрежно, оно может быть поцарапано или деформировано, что повлияет на качество и сделает его непригодным к использованию. Необходимо соблюдать следующие требования:

• Участок, на который устанавливается уплотнительное кольцо (водяная втулка), должен иметь фаску 15°–30° на торцевой поверхности, чтобы предотвратить повреждение кольца при его запрессовке с торца.
• Любое отверстие, через которое должно пройти кольцо, также должно иметь фаску 15°–30°.
• Перед установкой нанесите смазку или рабочее масло на участок монтажа, чтобы уменьшить усилие сборки.
• Избегайте чрезмерного растяжения кольца при монтаже, поскольку это может вызвать необратимую пластическую деформацию.

В заключение, правильный выбор материала уплотнения, грамотная конструкция и аккуратность при монтаже являются ключевыми факторами повышения эффективности уплотнения и срока службы вращательных узлов гидравлических горных перфораторов. На практике применение описанного здесь подхода дало хорошие результаты: утечки снизились, а срок службы значительно увеличился.