Z akého materiálu je vyrobený tesniaci krúžok Rock Drill Cup? Vysvetlenie polyuretánov a FKM

Vŕtačky pre horninu tesniaca poháriková tesniaca vložka majú nezvyčajnú úlohu pre elastomérovú súčiastku: musia zadržiavať výplachovú vodu, pričom sú v kontakte so závitovým adaptérmi, ktorý sa súčasne otáča a kladie údery – často po tisíce hodín pred výmenou. Materiál, z ktorého sú vstrekované, priamo ovplyvňuje, ako dlho vydržia túto kombináciu pohybu, tlaku a vystavenia vode. Tento článok sa zaoberá materiálmi, ktoré sa najčastejšie používajú na výrobu cup-tesniacich krúžkov pre vŕtačky pre horninu, prečo boli pre túto konkrétnu úlohu vybrané a čo to znamená pre ich správanie v prevádzke.

Z akého materiálu je vyrobený cup-tesniaci krúžok pre vŕtačku pre horninu?

Cup-tesniace krúžky pre vŕtačky pre horninu sa najčastejšie vyrábajú z polyuretánov (PU) alebo fluoroelastomérov (FKM), nie z bežného akrylonitril-butadiénového kaučuku (NBR), ktorý sa používa pre mnohé iné hydraulické tesnenia na rovnakom stroji. V závislosti od výrobcu sa tá istá súčiastka môže označovať ako cup-tesniaci krúžok, výplachové tesnenie alebo predné hlavové tesnenie – všetky tieto názvy však označujú tesniaci prvok umiestnený okolo závitového adaptéra vo vodnom priestore.

Prečo je materiál pohárikového tesniaceho krúžku dôležitejší, než sa na prvý pohľad zdá?

Väčšina hydraulických tesniacich krúžkov na hornom vŕtači musí odolať len oleju, teplote a tlaku. Pohárikový tesniaci krúžok však musí odolať všetkému tomu plus samotnej vode – sladkej, minerálnej alebo v mnohých baníckych a lomových prostrediach mierne slanej či kyslej – plus neustálej rotácii povrchu, proti ktorému tesní, plus jemným abrazívnym horninovým časticiam, ktoré sa nevyhnutne dostanú do obtečného okruhu. Materiál, ktorý nie je vhodný pre ktorúkoľvek z týchto podmienok, to rýchlo prejaví: nafukovanie alebo zmäknutie spôsobené absorpciou vody, zrýchlené opotrebovanie kvôli nízkej odolnosti voči opotrebovaniu alebo skrátená životnosť spôsobená chemickým útokom konkrétnej vodnej chémie na mieste.

Obr. 1: Prierez montážou pohárikového tesniaceho krúžku

Čo je polyuretán (PU) a prečo sa bežne používa pre pohárikové tesniace krúžky?

Polyuretán vo všeobecnosti nie je konvenčný vulkanizovaný kaučuk, ale liatny alebo formovaný elastomérny polymér založený na uretánových väzbách; jeho najvýraznejšou vlastnosťou je odolnosť voči opotrebovaniu a trhaniu, ktorá výrazne prevyšuje odolnosť väčšiny kaučukových zmesí. Táto vlastnosť sa veľmi dobre zhoduje s požiadavkami, ktoré kladie na tesniacu pohárikovú tesniacu manžetu: táto manžeta nemusí len zadržiavať vodu, ale musí to robiť aj vtedy, keď je stlačená proti nepretržite sa pohybujúcej a občas špinavej povrchu, pričom jemné častice kameňa, ktoré nevyhnutne dospievajú do oblasti tesnenia, pôsobia ako pomalý abrazívny prostriedok.

PU pohárikové tesniace manžety sa tiež často považujú za cenovo výhodné štandardné riešenie pre čerstvú alebo mierne mineralizovanú vodu na oplachovanie pri bežných okolitých a prevádzkových teplotách. Ich hlavnou obmedzenou vlastnosťou je nižší limit nepretržitej prevádzkovej teploty v porovnaní s FKM a mierne znížená pružnosť za veľmi nízkych teplôt – obe tieto vlastnosti sú však dôležitejšie na niektorých lokalitách ako na iných.

Foto2 ：Formovaný profil ústnej časti polyuretánovej (PU) pohárikovej tesniacej manžety

Čo je FKM a kedy sa uprednostňuje pred polyuretánom?

FKM (fluoroelastomér) ponúka širšiu chemickú odolnosť ako polyuretán, vrátane lepšej odolnosti voči agresívnym alebo chemicky ošetreným vypúšťacím vodám, ako aj vyššej teplote pre nepretržité používanie. Ak je vypúšťacia voda na mieste kyslá, obsahuje chemické prísady alebo ak sa vrták po dlhšiu dobu prevádzkuje za vysokých teplôt, FKM je zvyčajne odolnejšou voľbou.

Nevýhodou je cena a v niektorých zloženiach mierne nižšia odolnosť proti opotrebovaniu v porovnaní s kvalitným polyuretánovým zmesou. Preto sa tieto dva materiály často spoločne vyskytujú ako alternatívy pre rovnakú pozíciu tesniaceho pohárika v mnohých modeloch hornických vŕtakov namiesto toho, aby jeden jednoducho nahradil druhý: správna voľba závisí skôr od chemického zloženia a teploty vody na danom mieste než od univerzálneho poradia týchto dvoch materiálov.

Obrázok 3: Z boku ‑od ‑vizuálne porovnanie vzoriek tesniacich pohárikov z FKM a PU z boku

Prečo nepoužiť bežný NBR, ako sa to robí u iných hydraulických tesnení?

NBR je predvolený materiál pre mnoho hydraulických tesnení práve preto, lebo vykazuje vysokú odolnosť voči minerálnym hydraulickým olejom, avšak táto vlastnosť sa nedá dobre preniesť na dlhodobé pôsobenie vody ani na abrazívne zaťaženie, ktorému je vystavené cup tesnenie. Zliatiny NBR sú pri dlhodobom vstrebávaní vody viac náchylné na opuch a všeobecne ponúkajú nižšiu odolnosť proti opotrebovaniu v porovnaní s PU za špinavých, častícami nasýtených podmienok, aké sú bežné pri čistiacej vode. Z tohto dôvodu sa NBR zriedka uvádza ako materiál pre samotné cup tesnenie, hoci stále zostáva štandardnou voľbou pre tesnenia na olejovej strane vŕtacej súpravy, vrátane akumulátora membránový .

Stojí za zmienku, že NBR nie je dokonca ani najlepšie výkonným gumovým materiálom pri vystavení čistej vode; viacfaktorové testovanie trvanlivosti gumových tesnení pre potrubia na prívod a odvod vody ukázalo, že EPDM a silikónová guma (SR) sa všeobecne lepšie vyrovnávajú s dlhodobým kontaktom s vodou a tepelno-oxidatívnym starnutím ako NBR alebo HNBR. V uvedených testoch zvýšenie teploty na 70 °C spôsobilo, že deformácia pod tlacom (compression set) u HNBR a NBR presiahla 15 % a ich odrazivosť klesla pod 85 %, zatiaľ čo EPDM a silikón prejavili v testovacom médiu podobnom odpadovej vode oveľa menší nárast deformácie. Dôvod, prečo sa EPDM a silikón stále nepoužívajú pre tesnenia pohárikov vrtákov, nie je odolnosť voči vode, ale kompatibilita s olejom: oba materiály sa v minerálnom hydraulickom oleji výrazne opuchnú a pohárikové tesnenie je umiestnené dostatočne blízko k mazanému mechanizmu vrtáka, takže kompatibilita s olejom je skutočnou požiadavkou, nie okrajovým prípadom. Toto je užitočné pripomenutie, že „najlepší“ materiál v izolácii nie je vždy správnym materiálom, ak sa zohľadnia všetky skutočné podmienky vystavenia, ktorým daná súčiastka bude v praxi vystavená.

Ako sa tieto materiály porovnávajú vedľa seba?

Tabuľka nižšie zhrňuje všeobecné kompromisy popísané vyššie. Presný výkon závisí od konkrétneho zloženia zlúčeniny použitého daným výrobcom.

Obrázok 4: Fyzické porovnanie vzoriek náhradných tesniacich pohárikov z PU a FKM

Ako ovplyvňuje chemické zloženie vody (sladká, slaná alebo kyslá) výber materiálu?

Kvalita vody na oplachovanie sa v rôznych lokalitách veľmi líši. Sladká povrchová voda pri bežnej ťažobnej práci v kamenných lomoch predstavuje relatívne mierne prostredie pre PU aj FKM. Slaná voda, ktorá sa vyskytuje v niektorých pobrežných oblastiach alebo suchých regiónoch, kde je podzemná voda mineralizovaná, zrýchľuje koróziu tesniacej plochy držiaka a môže skrátiť životnosť tesniaceho materiálu, ktorý má len obmedzenú odolnosť voči nej. Kyslá alebo chemicky upravená voda, ktorá sa niekedy vyskytuje pri odvodňovaní baní alebo v určitých technologických prostrediach, jasnejšie uprednostňuje širšiu chemickú odolnosť FKM pred štandardným PU.

Keďže voda na umývanie sa v rôznych lokalitách veľmi líši, rovnaký model vrtáka na horninu môže na rôznych staveniskách primerane používať rôzne materiály tesniacich pohárikov a prispôsobenie tesnenia skutočnej kvalite vody na mieste je zvyčajne dôležitejšie ako použitie materiálu, ktorý bol pôvodne dodaný s prístrojom.

Ako ovplyvňuje rotujúco-a-posuvné pohybovanie životnosť tesnenia?

Na rozdiel od statického O-ring , sa tesniaci pohárik neustále pohybuje relatívne voči nástavcu vrtáka: neustále sa otáča a pri každom náraze sa mierne posúva v axiálnom smere. Tento pohyb znamená, že životnosť tesnenia závisí výrazne od udržiavania tenkej lubrikačnej vrstvy vody (alebo zmesi vody a vzduchu) medzi okrajom tesnenia a povrchom nástavca. Ak sa táto vrstva rozpadne – kvôli nedostatočnému tlaku umývacej vody, kontaminácii alebo poškodenému povrchu nástavca – tesnenie pracuje takmer bez maziva priamo proti kovu, čo výrazne zrýchli abráziu aj tvorbu tepla, bez ohľadu na materiál, z ktorého je vytvarované.

Toto je jeden z dôvodov, prečo životnosť tesniaceho kruhového tesnenia nie je výlučne otázkou materiálu: stav protiľahlej plochy a konzistencia tlaku preplachovacej kvapaliny obidva ovplyvňujú, ako dlho dokáže vydržať aj najvhodnejší materiál tesnenia.

Ako ovplyvňuje teplota výkon materiálu kruhového tesnenia?

Expozícia kruhového tesnenia teplote je zvyčajne miernejšia ako u tesnenia na strane oleja, napríklad u membránového akumulátora, pretože preplachovacia voda odvádza teplo z prednej časti hlavy počas toku. Napriek tomu môžu vrtáky prevádzkované s vysokou záťažou v horúcom klíme alebo s zníženým prietokom preplachovacej kvapaliny dosiahnuť vyššie teploty v oblasti tesnenia. Nižší limit nepretržitého používania polyuretánov (PU) ich robí citlivejšími na tento jav v porovnaní s FKM, čo je jednou z príčin, prečo sa FKM často uvádza aj v prípadoch, keď chemické zloženie vody samo o sebe nevyžaduje jeho použitie.

Na opačnom konci spektra môžu veľmi nízke vonkajšie teploty mierne ztvrdnúť obidva materiály, hoci PU všeobecne udržiava použiteľnú pružnosť v širšom praktickom rozsahu ako najnižší koniec hodnoteného rozsahu FKM.

Ako môžete identifikovať správny materiál pre podmienky na vašom mieste?

Keďže voľba materiálu tesniacej manžety závisí od faktorov špecifických pre dané miesto – chemického zloženia vody, obsahu abrazívnych látok, vonkajšej a prevádzkovej teploty a cyklu zaťaženia – najspoľahlivejším postupom je popísať tieto podmienky dodávateľovi náhradnej súčiastky namiesto toho, aby ste predpokladali, že pôvodný materiál je automaticky najvhodnejší. Tesnenie, ktoré sa na konkrétnom mieste opakovane skoršie poškodzuje, sa niekedy lepšie rieši výmenou materiálu než jednoduchým opakovaním rovnakej náhrady.

Ak sú k dispozícii záznamy alebo katalóg dielov, zvyčajne uvádzajú materiál, ktorý bol pôvodne namontovaný; ak nie sú k dispozícii, dodávateľ oboznámený s modelom kameňolomu zvyčajne potvrdí štandardné špecifikácie a poradí, či podmienky vody na mieste oprávňujú k inému výberu.

Obr. 5: Skontrolovanie tesnenia a vody pre výber materiálu

1. Hu X. „Stlačenie, odskok a trvanlivosť gumových tesniacich materiálov pre vodovodné a kanalizačné systémy budov za podmienok viacfaktorového spätneho pôsobenia.“ Fly Ash Comprehensive Utilization, 2026, (04): 155–161.
2. 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.