U hydraulických kameňolomných vŕtačiek vyrobených v Číne sa otáčací úsek zvyčajne napája vodou zo strany. Voľba materiálu tesniaceho kruhového tesnenia a jeho konštrukcia majú veľký vplyv na účinnosť a životnosť tesnenia – čo zasa ovplyvňuje celkový výkon vŕtačky.

1. Ako sa zaťažuje vodné tesnenie a aké má požiadavky

Bočný prívod vody do hydraulického kameňového vŕtacieho zariadenia v jednotke rotácie sa skladá hlavne zo troch častí: vodového plášťa (1), vodotužného tesnenia (2) a zadnej časti vŕtacej tyče (3) (pozri obr. 1). Počas prevádzky vŕtacieho zariadenia sa zadná časť vŕtacej tyče otáča a súčasne sa pohybuje pozdĺž osi s vysokou frekvenciou, čím prenáša nárazovú energiu. Prevádzkové parametre vodotužného tesnenia pre hydraulické kameňové vŕtacie zariadenie YYC250B sú nasledovné: rýchlosť otáčania zadnej časti vŕtacej tyče 220 ot./min, frekvencia nárazov zadnej časti vŕtacej tyče 60 Hz, tlak vody na oplachovanie 1 MPa, rýchlosť vŕtania otvorov 110 cm/min. Tieto údaje ukazujú, že vodotužné tesnenie je zaťažené kombinovanou trením spôsobenou vysokofrekvenčným pozdĺžnym nárazom a rotáciou. Z tohto dôvodu musí mať materiál tesnenia nasledovné vlastnosti:

1. Dobrá stabilita vo vode – nesmie sa vo vode výrazne roztáčať ani zmenšovať a nesmie sa rozpúšťať, mäknúť ani tvrdnúť.
2. Dobrá elasticita a schopnosť obnoviť sa – musí sa dobre vrátiť do pôvodného tvaru a nesmie sa trvalo deformovať.
3. Dobrá odolnosť proti opotrebovaniu – malý koeficient trenia.
4. Vysoká mechanická pevnosť — dobrá pevnosť v ťahu, tvrdosť a odolnosť voči trhaniu.
5. Žiadna reakcia s kovovými súčiastkami — nedochádza k lepeniu ani korozií.

Po porovnaní možností sme si vybrali polyuretán ako materiál tesnenia. Jeho molekulárna štruktúra obsahuje skupiny uretánov, čo mu poskytuje vysokú mechanickú pevnosť — približne 1 až 4-násobok pevnosti akrylonitril-butadiénového kaučuku (NBR). Jeho odolnosť proti opotrebovaniu je vynikajúca, približne 10 až 15-násobne lepšia ako u prírodného kaučuku. Okrem toho má dobrú odolnosť voči olejom (viac ako 5-násobne lepšiu ako akrylonitril-butadiénový kaučuk) a dobre sa správa aj z hľadiska odolnosti voči ozónu a starnutiu.

Je potrebné poznamenať, že polyuretán sa vyskytuje v dvoch hlavných typoch s rôznymi triedami a voľba typu ovplyvňuje účinnosť tesnenia. Prvý typ je polyuretán na báze polyesteru (triedy ako Dongfeng-1 a JA3). Druhý typ je polyuretán na báze polyetéru (triedy ako JA2 a JA5). Polyesterový typ má dobré mechanické vlastnosti, avšak jeho odolnosť voči vode je nízka – voda reaguje chemicky s polárnymi skupinami v elastomérnej sieti a rozkladá jej štruktúru. Čím viac polárnych skupín sa v sieti nachádza, tým horšia je odolnosť voči vode. Polyetérový typ obsahuje menej polárnych skupín, preto je jeho odolnosť voči vode viac ako päťkrát vyššia než u polyesterového typu. Avšak keďže éterové väzby v polyetérovom type ukladajú menej energie, jeho mechanická pevnosť nie je taká vysoká ako u polyesterového typu. Zrejmým riešením je spojiť silné stránky oboch typov. Zmiešaním oboch typov a pridaním opotrebovaniu odolnej plnivej látky získame materiál, ktorý má zároveň dobré mechanické vlastnosti aj vysokú odolnosť voči vode. Na tento účel sme spolupracovali s výrobcom gumových výrobkov (výrobcom polyuretánov), ktorý nám vyrobil špeciálne zmiešaný polyuretánový materiál. Testy ukázali, že tesniace prvky z tohto materiálu majú výrazne lepšie tesniace vlastnosti a dlhšiu životnosť.

2. Výber typu tesniaceho krúžku

Vzhľadom na zaťažovacie podmienky pôsobiace na vodné tesnenie rotačnej jednotky sme zvolili tesniace krúžky typu Y. Tento typ má tri výhody: (1) samotesniaci účinok – pri pôsobení tlaku sa ústia tesniaceho krúžku pritlačia silnejšie a zlepší sa tesnenie; (2) nízky odpor pri chode a hladký chod; (3) dobrá stabilita, vhodné pre hydraulické súčiastky vystavené rýchlo sa meniacemu tlaku. Tesniace krúžky typu O majú tendenciu sa pri týchto podmienkach skrútiť a poškodiť.

3. Ako tesnenie funguje

Y-tvarové tesniace krúžky tesnia predovšetkým prostredníctvom samotesniaceho účinku ich okrajov. Obr. 2 znázorňuje rozloženie kontaktného tlaku Y-tvarového krúžku umiestneného v drážke vodného plášťa. Pri absencii tlaku sa vytvorí iba malý kontaktný tlak deformáciou špičky okraja (obr. 2b). Po aplikácii vnútorného tlaku platí podľa Pascalovho zákona, že v uzavretom systéme každý bod v kontakte s kvapalinou pociťuje normálovú silu rovnajúcu sa vnútornému tlaku. To spôsobuje axiálne stlačenie dna tesniaceho krúžku a circumferenciálne stlačenie okrajov. Kontaktná plocha okraja so stonkou sa zväčší a kontaktný tlak tiež stúpne (obr. 2c). Keď sa vnútorný tlak ďalej zvýši, zmení sa ešte viac aj rozloženie a veľkosť tlaku (obr. 2d), čím sa okraje ešte viac pritlačia k hriadeľu – ide o tzv. „samotesniaci účinok“. Práve preto je Y-tvarový krúžok vhodný pre túto aplikáciu vodného tesnenia.

4. Ako tvar okraja ovplyvňuje tesnenie a životnosť

Rozloženie kontaktnej tlakovej sily je úzko spojené s tvarom úst. Kľúčovým faktorom pre dobré tesnenie v prstencoch typu ústa je rozloženie tlaku cez pásku kontaktu tesnenia a maximálny tlak na špičke ústa. Obr. 3a porovnáva účinok tesnenia prstencov typu Y s a bez zafíľovania predného ústa. Prstenec so zafíľovaním predného ústa vykazuje jasný tlakový vrchol v oblasti kontaktu tesnenia, čo najlepšie spĺňa požiadavky na výkon tesniacich prstencov typu ústa. Výber vhodného uhla predného ústa θ umožňuje výrazne znížiť netesnosť – pri θ > 30° je netesnosť len polovičná v porovnaní s prípadom θ = 0°. Obr. 3b porovnáva účinok tesnenia s a bez zafíľovania zadného ústa (päty). Na rozdiel od predného ústa zafíľovanie päty vytvorí pod prevádzkovým tlakom druhý tlakový vrchol, ktorý bráni spätnému prenikaniu vody a zvyšuje netesnosť. Bez zafíľovania päty sa druhý tlakový vrchol nevyskytuje a tesnenie funguje lepšie.

5. Ako návrhové parametre ovplyvňujú tesnenie a životnosť

Dobrá konštrukcia tesniaceho krúžku umožňuje materiálu plne využiť svoj potenciál. Jedným z najdôležitejších faktorov pre výkon a životnosť Y-krúžku je pomer medzi rozmerom l a rozmerom h (pozri obr. 4). Z praktického hľadiska, keď je pomer l/h = 1, krúžok udržiava nízku únikovosť po dlhšiu dobu. Pre optimálne tesnenie sa teda hodnota pomeru l/h mala udržiavať na hodnote 1.

Okrem toho sa po určitej dobe prevádzky otvor na ústach tesniaceho krúžku opotrebuje. Ak ústa nedokážu kompenzovať tento opotrobenie, začne dochádzať k úniku. Hrúbka steny úst b sa mala voliť na základe mechanických vlastností materiálu a priemeru hriadeľa. Cieľom je zabezpečiť, aby ústa mali dostatočnú tuhosť, ale zároveň zostali pružné a schopné kompenzovať opotrebovanie.

6. Inštalácia tesniaceho krúžku s ústami

Ak sa počas inštalácie s tesniacim krúžkom nezachádza opatrne, môže sa poškodiť škrabnutím alebo deformáciou, čo ovplyvní jeho kvalitu a môže ho urobiť nepoužiteľným. Je potrebné dodržať nasledujúce body:

• Časť, do ktorej sa montuje tesniaca krúžková tesniaca vložka (vodná manžeta), by mala mať na koncovom povrchu fazetovanie 15° až 30°, aby sa zabránilo poškrabaniu krúžka pri zasúvaní z konca.
• Aj každé otvorené otvor, cez ktorý musí prejsť krúžok, by mal mať fazetovanie 15° až 30°.
• Pred inštaláciou naneste na montážnu plochu mazivo alebo prevádzkový olej, aby sa znížila montážna sila.
• Počas inštalácie sa vyhýbajte nadmernému natiahnutiu krúžka, pretože to môže spôsobiť trvalú plastickú deformáciu.

Zhrnutie: Výber vhodného materiálu tesniacej vložky, použitie kvalitného návrhu a opatrnosť pri inštalácii sú kľúčové faktory pre zlepšenie tesniacej výkonnosti a životnosti rotačných jednotiek hydraulických kameňolomných vŕtačiek. V praxi sa popísaný postup ukázal ako úspešný – úniky sa znížili a životnosť sa výrazne predĺžila.