I hydrauliska bergborrverktyg tillverkade i Kina förses vanligtvis rotationsenheten med vatten från sidan. Valet av tätmaterial och konstruktion har stor inverkan på hur väl tätningen fungerar och hur länge den håller – vilket i sin tur påverkar verktygets totala prestanda.

1. Hur vattentätningen belastas och vad den kräver

Vattensystemet med sidofeed på en hydraulisk bergborrningens rotationsenhet består främst av tre delar: ett vattenskal (1), en vattenpackning (2) och en skafthuvudända (3) (se Fig. 1). När borrningen är i drift roterar skafthuvudändan samtidigt som den rör sig fram och tillbaka längs axeln med hög frekvens och överför slagenergi. De arbetsparametrar för vattenpackningen i den hydrauliska bergborren YYC250B är: skafthuvudets rotationshastighet 220 r/min, skafthuvudets slagfrekvens 60 Hz, spolvattnets tryck 1 MPa, borrhastighet 110 cm/min. Dessa siffror visar att vattenpackningen utsätts för en kombinerad friktionsbelastning orsakad av högfrekvent axial slagskakning och rotation. På grund av detta måste packningsmaterialet ha följande egenskaper:

1. God vattenvilja – det får inte svälla eller krympa märkbart i vatten och får inte lösa upp sig, mjukna eller härda.
2. God elastisk återhämtning – det ska återfå sin form väl och inte deformeras permanent.
3. God nötbeständighet – låg friktionskoefficient.
4. Hög mekanisk hållfasthet — god draghållfasthet, hårdhet och slitstyrka.
5. Ingen reaktion med metallkomponenter — ingen klibbighet, ingen korrosion.

Efter att ha jämfört olika alternativ valde vi polyuretan som tätningens material. Dess molekylära struktur innehåller uretangrupper, vilket ger det hög mekanisk hållfasthet — cirka 1–4 gånger högre än nitrilkautschuk. Slitstyrkan är utmärkt, cirka 10–15 gånger bättre än naturlig gummi. Det har även god oljetåliga (mer än 5 gånger bättre än nitrilkautschuk) och presterar väl vad gäller ozon- och åldringståliga.

Det bör noteras att polyuretan finns i två huvudtyper med olika kvalitetsgrader, och valet påverkar hur väl tätningsfunktionen fungerar. Den första typen är polyesterbaserad polyuretan (kvalitetsgrader såsom Dongfeng-1 och JA3). Den andra typen är polyeterbaserad polyuretan (kvalitetsgrader såsom JA2 och JA5). Polyester-typen har goda mekaniska egenskaper, men dess vattenbeständighet är dålig – vatten reagerar kemiskt med de polära grupperna i elastomernätverket, vilket leder till att strukturen bryts ned. Ju fler polära grupper som finns i nätverket, desto sämre är vattenbeständigheten. Polyeter-typen har färre polära grupper, varför dess vattenbeständighet är mer än fem gånger bättre än polyester-typens. Emellertid lagrar eternbindningarna i polyeter-typen mindre energi, vilket innebär att dess mekaniska hållfasthet inte är lika bra som polyester-typens. Den uppenbara lösningen är att kombinera styrkorna hos båda typerna. Genom att blanda de två typerna och tillsätta en slitstark fyllnadsmassa får vi ett material som både har god mekanisk prestanda och god vattenbeständighet. För att åstadkomma detta samarbetade vi med en gummiproduktfabrik (en polyuretan-tillverkare) för att framställa ett anpassat blandat polyuretanmaterial. Tester visade att tätningsringar tillverkade av detta material har betydligt bättre tätningsprestanda och längre livslängd.

2. Välja typ av tätring

Med tanke på belastningsförhållandena på vattentätningen i rotationsenheten valde vi Y-typens tätringar. Denna typ har tre fördelar: (1) självtätande effekt – när tryck appliceras trycker läpparna hårdare och tätnar bättre; (2) låg rörelsemotstånd och smidig drift; (3) god stabilitet, lämplig för hydrauliska komponenter med snabbt varierande tryck. O-ringar tenderar att vrängas och skadas under dessa förhållanden.

3. Hur tätningsfunktionen fungerar

Y-typens ringtätningar sker främst genom självtätningseffekten hos dess läppar. Figur 2 visar kontaktrycksfördelningen för en Y-typens ring monterad i vattenskålgroovan. Vid inget tryck skapas endast ett litet kontaktryck genom deformationen av läppspetsen (figur 2b). När inre tryck appliceras gäller Pascals lag, enligt vilken varje punkt i kontakt med vätskan i ett slutet system utsätts för en normal kraft som är lika med det inre trycket. Detta leder till att botten på tätningringen komprimeras axiellt och läpparna komprimeras cirkumferentiellt. Kontaktytan mellan läppen och skaftet ökar, och kontaktrycket ökar också (figur 2c). När det inre trycket stiger ytterligare ändras tryckfördelningen och storleken ännu mer (figur 2d), vilket pressar läpparna ännu hårdare mot axeln – detta är den så kallade "självtätningseffekten." Det är därför Y-typens ring är väl lämpad för denna vattentätningstillämpning.

4. Hur läppformen påverkar tätning och livslängd

Fördelningen av kontakttrycket är nära kopplad till läpparnas form. Nyckeln till en bra tätning i en läppformad ring är tryckfördelningen över den tätningsmässiga kontaktbandet och topptrycket vid läppens spets. Figur 3a jämför tätningseffekten hos Y-formade ringar med och utan avfasning på framläppen. Ringen med avfasning har en tydlig trycktopp vid det tätningsmässiga kontaktbandet, vilket bäst uppfyller kraven för prestanda hos läppformade tätningsringar. Genom att välja rätt framläppsvinkel θ kan läckningen minskas kraftigt – vid θ > 30° är läckningen endast hälften av vad den är vid θ = 0°. Figur 3b jämför tätningseffekten med och utan avfasning på bakhuvudet (häl). Till skillnad från framläppen skapar en avfasning på häl ett andra trycktopp under arbetstryck, vilket hindrar vatten från att återflöda men ökar läckningen. Utan avfasning på häl finns ingen andra trycktopp, och tätningen fungerar bättre.

5. Hur konstruktionsparametrar påverkar tätning och servicelevnad

En välkonstruerad tätningsskiva gör att materialet kan prestera på sitt bästa. För Y-typens ring är förhållandet mellan måtten l och h (se Fig. 4) en av de viktigaste faktorerna för prestanda och livslängd. I praktisk användning kan ringen hålla läckningen låg under en längre period när förhållandet l/h = 1. För bästa tätning bör därför värdet på l/h hållas vid 1.

Efter att tätningen har varit i drift en stund kommer läppöppningen att slitas. Om läppen inte kan kompensera för denna slitage kommer läckning att uppstå. Läppens väggtjocklek b bör väljas utifrån materialets mekaniska egenskaper och skaftets diameter. Målet är att säkerställa att läppen har tillräcklig styvhet samtidigt som den fortfarande kan böjas och kompensera för slitage.

6. Montering av läpptätningsskiva

Om tätningsskivan inte hanteras försiktigt vid montering kan den skadas eller deformeras, vilket påverkar kvaliteten och kan göra den oanvändbar. Följande punkter måste iakttagas:

• Delens yta där tätningsringen monteras (vattenskyddet) bör ha en 15°–30°-avfasning på ändytan för att förhindra att ringen skaver vid inmatning från änden.
• Alla hålöppningar som ringen måste passera genom bör också ha en 15°–30°-avfasning.
• Smörj monteringsområdet med fett eller driftsolja innan installation för att minska monteringskraften.
• Undvik att överdriva ringens sträckning under installation, eftersom detta kan orsaka permanent plastisk deformation.

Sammanfattningsvis är valet av rätt tätningsmaterial, användning av en solid konstruktion samt noggrannhet vid installation nyckelfaktorer för att förbättra tätningsprestanda och livslängd i hydrauliska bergborrningsrotationsenheter. I praktiken har den här beskrivna metoden gett goda resultat – läckage har minskat och livslängden har ökat kraftigt.