Tesniaca poháriková tesniaca časť pre vŕtacie zariadenia: Ako funguje vyplachovanie a tesnenie a ako vybrať náhradnú súčiastku

Každý hydraulický kameňový vŕtač, ktorý čistí vrtáku vodou, závisí od malého prstenu z elastoméru, aby udržal túto vodu tam, kde patrí. tesniaca poháriková tesniaca vložka tento prstenec sa nachádza v mieste, kde sa rotujúci a kladivový nástavcový hrot prechádza prednou hlavou vŕtača, a má jedinú úlohu: udržať čistiace vody v ich vlastnej komore namiesto toho, aby sa dostali do mazaného mechanizmu vŕtača, alebo aby sa vŕtacie nečistoty nedostali späť opačným smerom. Tento článok vysvetľuje, kde sa nachádza pohárikové tesnenie, ako dokáže tesniť komponent, ktorý sa zároveň otáča a je narazený tisíckrát za minútu, ako vyzerá porucha a čo treba skontrolovať pred objednaním náhradného dielu.

Čo je pohárikové tesnenie v hydraulickom kameňovom vŕtači?

Uzatvárací pohárik, nazývaný tiež uzatvárací prvok pre vymývanie, je tesniaci prvok umiestnený vo vnútri prednej hlavy alebo „vodozásobníka“ kameňového vŕtacieho stroja – teda v kryte, ktorý obklopuje držiak vrtáku, kde sa do vrtákového reťazca privádza kvapalina na vymývanie. Pri väčšine kameňového vŕtania sa na odvádzanie rozdrveného kameňa od vrtáku a na jeho chladenie používa voda, vzduch alebo zmes vody a vzduchu. Táto vymývacia kvapalina sa musí privádzať do vnútorného otvoru držiaka vrtáku z nehybného prívodného potrubia, hoci samotný držiak vykonáva súčasne rotáciu aj úderový pohyb. Práve uzatvárací pohárik zabezpečuje tesnosť tohto spojenia.

V závislosti od výrobcu a konkrétneho modelu vŕtacieho stroja sa tento komponent môže uvádzať aj ako uzatvárací prvok pre vymývanie, uzatvárací prvok prednej hlavy alebo uzatvárací prvok vodozásobníka. Všetky tieto názvy označujú rovnakú funkciu: tesnenie tlakového vymývacieho priestoru voči držiaku vrtáku, ktorý sa počas prevádzky stroja nepretržite pohybuje.

Kde sa uzatvárací pohárik nachádza a čo vlastne tesní?

Adaptér hriadeľa má radiálny otvor (alebo dva otvory v niektorých návrhoch), ktorý spája jeho vonkajší povrch s vnútorným kanálom na prúdenie chladiacej kvapaliny. Tento otvor sa nachádza vo valcovom priestore tvoreným vodnou komorou prednej hlavy, takže chladiaca kvapalina privádzaná do komory môže vstúpiť do kanála cez tento otvor bez ohľadu na aktuálnu rotačnú polohu adaptéra. Tesnenie tohto priestoru zvyčajne vyžaduje aspoň dve sady tesnení: jedna sada tesní vodnú komoru voči nehybnému útvaru prednej hlavy a druhá ju tesní voči samotnému adaptérovi hriadeľa – táto druhá sada má ťažšiu úlohu, pretože musí udržať tesnenie voči povrchu, ktorý sa súčasne otáča aj posúva axiálne.

V praxi to znamená, že usporiadanie tesniacich krúžkov v kameňolomke zriedka pozostáva z jediného krúžku. Zvyčajne ide o malý balík tesniacich a ložiskových prvkov – tesniacich krúžkov, opotrebiteľných vložiek a niekedy samostatného prsta na odstraňovanie prachu alebo čistiaceho prvku – zabudovaný do vodnej komory, ktorú je možné otvoriť na údržbu bez potreby demontáže celej prednej hlavy.

Foto1 :Predná strana Prierez hlavovou vodnou krabičkou

Ako funguje uzatvárací pohár počas rotácie a kladivového úderu adaptéru hriadeľa?

Táto časť práce robí uzatvárací pohár odlišným od obyčajného statického tesnenia. Počas prevádzky vŕtacej zariadenia sa adaptér hriadeľa neustále otáča (aby nastavil vŕtací nástroj na ďalší úder) a zároveň vykonáva malý axiálny posun, keď absorbuje a prenáša každý úder piestu. Uzatvárací pohár musí udržiavať nepretržitý kontakt s touto pohybujúcou sa plochou v oboch smeroch pohybu a zároveň zadržiavať čistiacu kvapalinu, ktorá môže byť za tlaku výrazne vyššieho ako atmosférický tlak.

Táto kombinácia – rotácia, axiálne vibrovania a tlak, všetko naraz – predstavuje náročnejšiu prevádzku, než akú väčšina dynamických tesnení zvyčajne zažíva. Je to tiež dôvod, prečo je povrch tesniacej plochy na adaptéry hriadeľa rovnako dôležitý ako samotné tesnenie: akýkoľvek výrastok, korózia alebo poškrabanie na tomto povrchu poskytuje tesniacej hrane nerovný povrch, na ktorom sa pohybuje, a opotrebovanie sa z tohto bodu zvyčajne zrýchľuje.

Prečo vonkajšie preplachovanie vyžaduje od pohárikovej tesniacej manžety vyšší výkon?

Hriadeľové adaptory sa preplachujú jedným z dvoch spôsobov. Pri vnútornom preplachovaní sa vodná rúrka vedie cez stred vŕtaceho nástroja a tesní sa proti adapteru jedinou O-ring na špičke, čo je relatívne jednoduchá tesniaca manžeta s nízkymi požiadavkami. Pri vonkajšom (prednom hlavovom) preplachovaní sa preplachovacia kvapalina privádza do vodného priestoru okolo vonkajšej strany adaptera, čo sa všeobecne považuje za lepší dizajn, pretože umožňuje dodávať väčší objem preplachovacej kvapaliny s menším rizikom úniku alebo poškodenia spôsobeného vodným kladivom – avšak práve táto schopnosť spôsobuje, že tesniace manžety sú vystavené vyššiemu kontinuálnemu tlaku a toku.

Väčšina moderných hydraulických hornických vŕtačiek pre túto príčinu používa vonkajšie predné hlavové preplachovanie. Kompenzáciou je to, že poháriková tesniaca manžeta v tomto prednom hlavovom dizajne vykonáva celý čas dynamické tesnenie pod tlakom namiesto relatívne ľahkej úlohy statickej tesniacej manžety na špičke, čo je aj dôvod, prečo sa tesniace manžety pre preplachovanie považujú za bežnú opotrebovateľnú súčiastku a nie za súčiastku typu „namontuj a zabudni“.

Prietok vstupujúci do tejto komory sa správa ako prietok cez obmedzovací otvor, čo je vzťah dobre zavedený v návrhu vyplachovacích obvodov pre dynamické tesnenia vo všeobecnosti:

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

kde Q je prietoková rýchlosť umývania, C je prietokový koeficient, d je efektívny priemer prietokovej dráhy, Δp je tlakový rozdiel cez ňho a ρ je hustota umývacej kvapaliny. Praktický záver je taký, že prietok umývacej kvapaliny sa riadi tlakovým rozdielom cez vodnú skrinku, nie samotným tlakom: publikované pokyny pre umývanie dynamických tesnení v priemyselných rotujúcich zariadeniach odporúčajú udržiavať tlak na strane umývania len mierne vyšší ako tlak v tesniacej komore, približne o 0,05–0,2 MPa, a zároveň udržiavať rýchlosť kvapaliny cez akékoľvek obmedzenie dostatočne nízku, aby sa predišlo erózii spôsobenej nárazom – zvyčajne pod 3–5 m/s v prípadoch, keď kvapalina obsahuje tuhé častice. Voda na umývanie horných vŕtacích strojov zriedka býva dokonale čistá, preto môžu nadmerný tlakový rozdiel aj nedostatočne veľký prietokový prierez zrýchliť opotrebovanie práve v mieste, ktoré sa snaží ochrániť pohárové tesnenie.

Čo sa deje, keď zlyhá pohárové tesnenie horného vŕtacieho stroja?

Ak raz tesniaca päsť pohárového tesnenia stratí tesniacu pásku alebo začne netesniť cez opotrebovaný kontaktový povrch, čistiaci kvapalný prostriedok sa môže presunúť z vodného boxu do rotačného a úderového mechanizmu vŕtacej súpravy, kde sa zmieša s mazacím olejom alebo ho vytlačí. Kontaminácia hydraulického alebo mazacieho oleja vodou urýchľuje koróziu vnútorných komponentov, zhoršuje mazacie vlastnosti oleja a môže viesť k zrýchlenému opotrebovaniu, ktoré sa šíri ďaleko za prednú hlavu samotnú.

Porucha sa môže prejaviť aj opačne: tesnenie, ktoré stratilo uchopenie na nástavci vŕtaceho hrotu, môže nechať vŕtací kvapalný prostriedok uniknúť von okolo nástavca namiesto toho, aby prúdil do vŕtanej diery – to sa prejavuje viditeľným únikom na prednej časti stroja a poklesom prietoku čistiacich kvapalín, ktoré skutočne dosahujú vŕtací hrot, čo zníži účinnosť odstraňovania triesok z vrtáku.

Obrázok 2: Opotrebované pohárové tesnenie a nástavec vŕtacieho hrotu

Ako zistíte, či sa pohárové tesnenie vašej skalnej vŕtačky porušilo?

Zlyhávajúce pohárové tesnenie sa zvyčajne prejavuje ako kombinácia nasledujúcich príznakov:

• Viditeľná voda alebo čistiaca kvapalina unikajúca z prednej hlavovej oblasti počas prevádzky.
• Mliečny alebo sfarbený vzhľad hydraulického alebo mazacieho oleja v vrtáku, čo naznačuje kontamináciu vodou.
• Znížený prietok alebo tlak čistej kvapaliny dosahujúci vrták, aj keď sa čerpadlo a čistiaca linka zdajú byť v poriadku.
• Rýchlejšia ako normálna korózia alebo pitting viditeľný na držiaku vrtáku v mieste, kde prechádza cez prednú hlavu.
• Zvýšené opotrebovanie alebo poškrabania ložiskových vložiek v čistiacom boxe pri ďalšej demontáži.

Nasledujúca tabuľka spája tieto príznaky s pravdepodobnými príčinami a logickou prvou kontrolou.

Pretože kontaminácia vodou a mechanické opotrebovanie môžu spôsobiť prekrývajúce sa príznaky, otvorenie prednej hlavy a preskúmanie tesnenia, jeho sedla a tesniacej plochy adaptéra spoločne poskytujú spoľahlivejšiu odpoveď ako posúdenie na základe jediného príznaku.

Obrázok 3: Opotrebovanie tesniacej plochy hriadeľového adaptéra

Čo spôsobuje predčasné opotrebovanie cup tesnenia?

Niekoľko faktorov nezávisle skracuje životnosť cup tesnenia a často sa navzájom zosilňujú:

• Abrazívne jemné častice vo vode na prímyv alebo vo vracajúcich sa rezných zvyškoch, ktoré pôsobia ako lapovací prostriedok proti okraju tesnenia a povrchu adaptéra.
• Korozívna alebo minerálna (vrátane slanej) voda na prímyv, čo je bežné na mnohých baníckych a pobrežných lokalitách, ktorá postupne vyvoláva jamkovanie a drsnosť tesniacej plochy adaptéra.
• Prevádzka vrtáka bez vody alebo s nedostatočným tlakom prímyvu, čo môže spôsobiť prehrievanie tesnenia pri kontakte s adaptérom namiesto jeho pohybu po tenkej vrstve kvapaliny.
• Radiálny hranicový priestor v držiaku hriadeľa spôsobený opotrebovanými podpernými gumovými kruhmi, čo núti tesnenie pracovať proti povrchu, ktorý sa kýva namiesto toho, aby sa otáčal presne.
• Nesprávna voľba materiálu tesnenia vzhľadom na chemické zloženie vody alebo teplotu na danom mieste, čo je podrobnejšie popísané v samostatnej porovnávacej tabuľke materiálov.

Stav povrchu samotného držiaka hriadeľa si tu vyžaduje osobitnú pozornosť, pretože všeobecné inžinierske poznatky o opotrebovaní viažu straty materiálu priamo s tvrdosťou povrchu prostredníctvom vzťahu všeobecného tvaru:

W = K / Hn (2)

kde W je objem opotrebenia, H je povrchová tvrdosť komponentu s vyššou odolnosťou proti opotrebovaniu, K je konštanta závislá od párovania materiálov a podmienok kontaktu a n je index opotrebovania, ktorý sa zvyčajne pohybuje medzi 1 a 2. Výskum tepelnej úpravy materiálu chvostovej časti vrtáka na horninu potvrdzuje praktickú stránku tohto vzťahu: parametre kalenia, ktoré zvýšia povrchovú tvrdosť merateľne, zlepšujú odolnosť proti opotrebovaniu, zatiaľ čo nedostatočné alebo nadmerné dozlievanie ponecháva reziduálny napätie alebo zrnnú štruktúru s hrubšími zrnami, čo ju oslabuje. Význam pre cup seal je priamy – korózne jamky na tesniacej ploche adaptéra predstavujú funkčne lokálnu stratnú túto zhutnenú vrstvu, takže korodovaný adaptér môže zrýchliť opotrebovanie tesnenia, aj keď je samotné tesnenie v dobrnom stave a správne namontované.

Ako ovplyvňuje opotrebovanie adaptéra hriadeľa a vložky životnosť cup seal?

Tesniaca poháriková tesniaca časť nepracuje izolovane od zvyšku prednej hlavovej zostavy. Hriadeľový adaptér je zvyčajne podopretý opotrebiteľnými vložkami, ktoré ho udržiavajú v správnej polohe vo vnútri vodného boxu; keď sa tieto vložky opotrebia, adaptér môže viac kolísať v radiálnom smere počas rotácie a nárazov. Toto dodatočné radiálne pohybovanie sa priamo prenáša na pohárikovú tesniacu časť, ktorá sa teraz musí ohybať a znova prilnúť k povrchu, ktorý sa pohybuje nestabilne namiesto hladkého, sústredného pohybu.

Toto je bežný dôvod, prečo sa „nová“ poháriková tesniaca časť po výmene opäť rýchlo pokazí: ak sa nepreveria opotrebiteľné vložky a tesniaca plocha adaptéra a ak sa tam, kde je to potrebné, nespravia výmena alebo obnovovanie, nová tesniaca časť je okamžite vystavená rovnakému nezvyčajnému zaťaženiu, ktoré spôsobilo opotrebenie starej.

Ako vybrať správnu náhradnú pohárikovú tesniacu časť?

Po potvrdení poruchy a otvorení prednej hlavy na kontrolu rozhodujú o správnej náhradnej časti tri veci:

• Presná zhoda rozmerov a profilu s originálnou súčiastkou výrobcu (OEM). Geometria tesniacej plochy vodného boxu, tvar okraja a rozmery drážky sú špecifické pre daný model kladiva a zvyčajne nie sú medzi jednotlivými značkami vzájomne vymeniteľné.
• Materiál vhodný pre vodu na umývanie a teplotu na mieste použitia. Tesniace poháriky sa najčastejšie vyberajú z polyuretánov alebo FKM v závislosti od opotrebovania, zloženia vody a teploty – tento rozdiel je podrobne vysvetlený v doplnkovom článku o materiáloch pre tesniace poháriky.
• Potvrdenie, že tesniaca plocha držiaka vrtáka a vložky vodného boxu sú v tolerancii, pretože správne vybraný tesniaci pohárik namontovaný na opotrebovaný alebo poškrabaný držiak nedosiahne predpokladanú životnosť.

Photo4 ：Porovnanie materiálov náhradných tesniacich pohárikov

Kde môžete získať spoľahlivý náhradný tesniaci pohárik?

Keďže rozmery tesniacich pohárikov a tvar ich okrajov sú špecifické pre každý model kladiva, ich získanie závisí od nájdenia dodávateľa, ktorý dokáže presne zodpovedať číslo originálnej súčiastky vašej strojovej jednotky, nie len všeobecné označenie „tesniaci pohárik“.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd., čínsky výrobca tesniacich dielov založený v roku 2013, vyrába tesniace komponenty z PU, gumy a PTFE pre hydraulické kameňolomy a hydraulické drviče, ktoré sú križovo referencované na hlavné značky, ako napríklad Atlas Copco, Epiroc furukawa, Montabert, Sandvik a Tamrock, medzi inými, a uvádza, že poskytuje bezplatnú technickú podporu na potvrdenie správneho čísla dielu, rozmerov a triedy materiálu pre daný model kameňolomu pred umiestnením objednávky.

Ak si nie ste istí, aký pohárikový tesnič váš stroj potrebuje, najspoľahlivejší spôsob, ako získať tesnič, ktorý skutočne sedí a vydrží, je poskytnúť dodávateľovi model kameňolomu, číslo dielu prednej hlavy alebo vodného boxu a poznámku o kvalite vody na vašom mieste (sladká, slaná alebo abrazívna), ktorý dokáže križovo porovnať údaje s špecifikáciami výrobcu originálnych dielov (OEM).

Obrázok 5: Balený komplet pohárikových tesničov pre kameňolom

1. Zhou B., Zhao Y., Zhang H., Liu F., Zhu W. „Analýza vplyvu umývania na výkon mechanického tesnenia.“ Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2023, 52(05): 269–272.
2. Han Z. „Analýza vplyvu rôznych parametrov tepelného spracovania na tvrdosť a odolnosť voči opotrebovaniu chvostov vrtákov na horninu.“ Zhejiang Pulanka Drilling Tools Co., Ltd., technická správa, 2026.
3. Zhang H., Liu X., Wang J., Sun M. „Výskum štrukturálneho návrhu a simulačného pohybu nového kompozitného rotujúceho rázového vrtáka.“ Journal of Mechanical Strength, 2017, 39(2): 392–396.