ในเครื่องเจาะหินไฮดรอลิกที่ผลิตในประเทศจีน หน่วยหมุนส่วนใหญ่มักได้รับน้ำป้อนเข้าจากด้านข้าง การเลือกวัสดุและรูปแบบของซีลมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพในการปิดผนึกและความทนทานของซีล — ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องเจาะ

1. วิธีการโหลดซีลกันน้ำและข้อกำหนดที่จำเป็น

ระบบจ่ายน้ำแบบด้านข้างบนหน่วยหมุนของเครื่องเจาะหินไฮดรอลิกประกอบด้วยส่วนหลักสามส่วน ได้แก่ ปลอกน้ำ (1) ซีลน้ำ (2) และส่วนปลายก้านเจาะ (3) (ดูรูปที่ 1) ขณะที่เครื่องเจาะทำงาน ส่วนปลายก้านเจาะจะหมุนและเคลื่อนที่ไป-มาตามแนวแกนด้วยความถี่สูง เพื่อส่งผ่านพลังงานการกระแทก พารามิเตอร์การทำงานของซีลน้ำสำหรับเครื่องเจาะหินไฮดรอลิกแบบ YYC250B คือ ความเร็วในการหมุนของก้านเจาะ 220 รอบ/นาที ความถี่การกระแทกของก้านเจาะ 60 เฮิร์ตซ์ ความดันน้ำล้าง 1 เมกะปาสคาล และความเร็วในการเจาะรู 110 เซนติเมตร/นาที ตัวเลขเหล่านี้แสดงให้เห็นว่า ซีลน้ำอยู่ภายใต้ภาระแรงเสียดทานแบบผสมผสานที่เกิดจากการกระทบแบบแกนเดียวกันด้วยความถี่สูงและการหมุน ด้วยเหตุนี้ วัสดุซีลจึงต้องมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

1. ความเสถียรในน้ำที่ดี — ไม่ควรบวมหรือหดตัวมากเมื่อสัมผัสกับน้ำ และไม่ควรละลาย นิ่มลง หรือแข็งตัว
2. ความสามารถในการคืนรูปแบบยืดหยุ่นที่ดี — ควรคืนรูปได้ดีและไม่เกิดการเปลี่ยนรูปถาวร
3. ความต้านทานการสึกหรอที่ดี — มีสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ
4. ความแข็งแรงเชิงกลสูง — มีความต้านทานแรงดึง ความแข็ง และความต้านทานการฉีกขาดที่ดี
5. ไม่ทำปฏิกิริยากับชิ้นส่วนโลหะ — ไม่ติด ไม่กัดกร่อน

หลังจากเปรียบเทียบตัวเลือกต่าง ๆ เราจึงเลือกใช้พอลิอูรีเทนเป็นวัสดุสำหรับซีล โครงสร้างโมเลกุลของมันประกอบด้วยหมู่ยูรีเทน ซึ่งให้ความแข็งแรงเชิงกลสูง — สูงกว่ายางไนไตรล์ประมาณ 1 ถึง 4 เท่า ความต้านทานการสึกหรอของมันยอดเยี่ยมมาก โดยดีกว่ายางธรรมชาติประมาณ 10 ถึง 15 เท่า นอกจากนี้ยังมีความต้านทานน้ำมันที่ดี (ดีกว่ายางไนไตรล์มากกว่า 5 เท่า) และมีสมรรถนะที่ดีในการต้านทานโอโซนและการเสื่อมสภาพตามอายุ

ควรสังเกตว่าพอลิอูรีเทนมีสองประเภทหลักที่มีเกรดต่างกัน และการเลือกใช้ส่งผลต่อประสิทธิภาพในการปิดผนึกของซีล ประเภทแรกคือ พอลิอูรีเทนที่มีฐานเป็นโพลีเอสเตอร์ (เช่น เกรดตงฟง-1 และ JA3) ส่วนประเภทที่สองคือ พอลิอูรีเทนที่มีฐานเป็นโพลีอีเธอร์ (เช่น เกรด JA2 และ JA5) พอลิอูรีเทนแบบโพลีเอสเตอร์มีคุณสมบัติทางกลที่ดี แต่ทนต่อน้ำได้ไม่ดีนัก — เนื่องจากน้ำทำปฏิกิริยาเคมีกับหมู่ขั้วภายในโครงข่ายของอีลาสโตเมอร์ ส่งผลให้โครงสร้างเสื่อมสภาพ ยิ่งมีหมู่ขั้วในโครงข่ายมากเท่าใด ความสามารถในการทนต่อน้ำก็จะยิ่งแย่ลงเท่านั้น ในขณะที่พอลิอูรีเทนแบบโพลีอีเธอร์มีหมู่ขั้วน้อยกว่า จึงมีความสามารถในการทนต่อน้ำดีกว่าพอลิอูรีเทนแบบโพลีเอสเตอร์มากกว่า 5 เท่า อย่างไรก็ตาม เนื่องจากพันธะอีเธอร์ในพอลิอูรีเทนแบบโพลีอีเธอร์เก็บพลังงานได้น้อยกว่า ความแข็งแรงเชิงกลจึงไม่ดีเท่าพอลิอูรีเทนแบบโพลีเอสเตอร์ ดังนั้น วิธีแก้ไขที่ชัดเจนคือ การรวมจุดแข็งของทั้งสองประเภทเข้าด้วยกัน โดยการผสมพอลิอูรีเทนทั้งสองชนิดเข้าด้วยกันและเติมสารเสริมความทนทานต่อการสึกหรอ ซึ่งจะได้วัสดุที่มีทั้งสมรรถนะเชิงกลที่ดีและทนต่อน้ำได้ดีด้วย เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ เราจึงร่วมมือกับโรงงานผลิตผลิตภัณฑ์ยาง (ผู้ผลิตพอลิอูรีเทน) ในการพัฒนาพอลิอูรีเทนแบบผสมเฉพาะสำหรับการใช้งานนี้ ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า ซีลที่ผลิตจากวัสดุนี้มีประสิทธิภาพในการปิดผนึกและอายุการใช้งานที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

2. การเลือกประเภทของแหวนซีล

จากสภาวะการรับโหลดที่กระทำต่อซีลกันน้ำของหน่วยหมุน เราจึงเลือกใช้แหวนซีลแบบ Y ซึ่งมีข้อดีสามประการ ได้แก่ (1) ผลการซีลด้วยตัวเอง — เมื่อมีแรงดันกระทำ ขอบของแหวนจะแนบแน่นยิ่งขึ้นและปิดผนึกได้ดีขึ้น (2) แรงต้านขณะทำงานต่ำ และการดำเนินงานราบรื่น (3) ความมั่นคงดี เหมาะสำหรับชิ้นส่วนไฮดรอลิกที่มีแรงดันเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว แหวนแบบ O มักเกิดการบิดตัวและเสียหายภายใต้สภาวะดังกล่าว

3. หลักการทำงานของซีล

แหวนปิดผนึกแบบ Y-type ทำหน้าที่ปิดผนึกเป็นหลักผ่านกลไกการปิดผนึกด้วยตัวเองของขอบลิ้น (lips) รูปที่ 2 แสดงการกระจายตัวของแรงกดที่จุดสัมผัสของแหวนปิดผนึกแบบ Y-type ที่ติดตั้งอยู่ในร่องปลอกน้ำ เมื่อไม่มีแรงดันภายนอก แรงกดที่จุดสัมผัสจะเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อยจากความเครียดที่ปลายลิ้น (รูปที่ 2b) แต่เมื่อมีแรงดันภายในกระทำเข้ามา กฎของปาสคาลระบุว่า ในระบบปิด ทุกจุดที่สัมผัสกับของไหลจะได้รับแรงปกติเท่ากับแรงดันภายใน ซึ่งทำให้ส่วนก้นของแหวนปิดผนึกถูกบีบอัดตามแนวแกน และขอบลิ้นถูกบีบอัดตามแนววงรอบ พื้นที่สัมผัสระหว่างลิ้นกับก้านเพลาจะเพิ่มขึ้น และแรงกดที่จุดสัมผัสก็เพิ่มขึ้นด้วย (รูปที่ 2c) เมื่อแรงดันภายในเพิ่มสูงขึ้นอีก รูปแบบและการกระจายตัวของแรงกดจะเปลี่ยนแปลงไปมากยิ่งขึ้น (รูปที่ 2d) ส่งผลให้ขอบลิ้นแนบสนิทกับเพลามากยิ่งขึ้น — ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "ผลการปิดผนึกด้วยตัวเอง" นี่คือเหตุผลที่แหวนปิดผนึกแบบ Y-type เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานปิดผนึกน้ำนี้

4. รูปร่างของขอบลิ้นส่งผลต่อประสิทธิภาพการปิดผนึกและอายุการใช้งานอย่างไร

การกระจายแรงดันสัมผัสเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับรูปร่างของขอบลิป (lip) หัวใจสำคัญของการปิดผนึกที่ดีในแหวนชนิดลิปคือการกระจายแรงดันบนแถบสัมผัสที่ใช้ปิดผนึก และแรงดันสูงสุดที่ปลายลิป รูปที่ 3a เปรียบเทียบประสิทธิภาพการปิดผนึกของแหวนรูปตัว Y ที่มีและไม่มีการตัดขอบเอียง (chamfer) ที่ลิปด้านหน้า แหวนที่มีการตัดขอบเอียงแสดงจุดสูงสุดของแรงดันที่ชัดเจนบนแถบสัมผัสที่ใช้ปิดผนึก ซึ่งสอดคล้องกับข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของแหวนปิดผนึกชนิดลิปได้ดีที่สุด โดยการเลือกมุมลิปด้านหน้า (θ) ที่เหมาะสม จะสามารถลดการรั่วไหลได้อย่างมาก — เมื่อ θ > 30° การรั่วไหลจะลดลงเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของค่าที่ได้เมื่อ θ = 0° รูปที่ 3b เปรียบเทียบประสิทธิภาพการปิดผนึกที่มีและไม่มีการตัดขอบเอียงที่ลิปด้านหลัง (heel) ซึ่งแตกต่างจากลิปด้านหน้า การตัดขอบเอียงที่ส่วน heel จะก่อให้เกิดจุดสูงสุดของแรงดันจุดที่สองภายใต้แรงดันในการทำงาน ทำให้น้ำไม่สามารถไหลย้อนกลับได้แต่กลับเพิ่มการรั่วไหล ในทางตรงข้าม หากไม่มีการตัดขอบเอียงที่ส่วน heel จะไม่เกิดจุดสูงสุดของแรงดันจุดที่สอง และระบบปิดผนึกจะทำงานได้ดีกว่า

5. ปัจจัยการออกแบบมีผลต่อประสิทธิภาพการปิดผนึกและอายุการใช้งานอย่างไร

แหวนปิดผนึกที่ออกแบบมาอย่างดีจะช่วยให้วัสดุสามารถทำงานได้ตามศักยภาพสูงสุด สำหรับแหวนรูปตัว Y หนึ่งในปัจจัยที่สำคัญที่สุดต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานคือความสัมพันธ์ระหว่างมิติ l กับมิติ h (ดูรูปที่ 4) จากการใช้งานจริง เมื่อสัดส่วน l/h = 1 แหวนจะสามารถรักษาระดับการรั่วซึมให้ต่ำได้เป็นระยะเวลานาน ดังนั้น เพื่อการปิดผนึกที่ดีที่สุด ค่า l/h ควรคงไว้ที่ 1

นอกจากนี้ หลังจากที่แหวนปิดผนึกถูกใช้งานมาเป็นระยะเวลาหนึ่ง ปลายของริมฝีปากจะสึกกร่อนลง หากปลายริมฝีปากไม่สามารถชดเชยการสึกกร่อนนี้ได้ การรั่วซึมก็จะเริ่มขึ้น ความหนาของผนังริมฝีปาก b ควรเลือกตามคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุและเส้นผ่านศูนย์กลางของก้าน วัตถุประสงค์คือเพื่อให้มั่นใจว่าริมฝีปากมีความแข็งแรงพอเพียง แต่ยังคงสามารถยืดหยุ่นและชดเชยการสึกกร่อนได้

6. การติดตั้งแหวนปิดผนึกริมฝีปาก

หากแหวนปิดผนึกได้รับการจัดการอย่างไม่ระมัดระวังระหว่างการติดตั้ง อาจเกิดรอยขีดข่วนหรือเปลี่ยนรูปทรง ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพและอาจทำให้แหวนใช้งานไม่ได้ จึงจำเป็นต้องปฏิบัติตามประเด็นต่อไปนี้:

• ส่วนที่ติดตั้งแหวนซีล (ปลอกน้ำ) ควรมีการเว้าขอบที่ปลายหน้าตัดมุม 15° ถึง 30° เพื่อป้องกันไม่ให้แหวนเกิดรอยขีดข่วนขณะดันเข้าไปจากปลาย
• รูเปิดใดๆ ที่แหวนต้องผ่านเข้าไปด้วย ก็ควรเว้าขอบที่ปลายมุม 15° ถึง 30° เช่นกัน
• ควรทาจาระบีหรือน้ำมันหล่อลื่นลงบนบริเวณที่จะติดตั้งก่อนการติดตั้ง เพื่อลดแรงที่ใช้ในการประกอบ
• หลีกเลี่ยงการยืดแหวนมากเกินไประหว่างการติดตั้ง เพราะอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปพลาสติกแบบถาวร

โดยสรุป การเลือกวัสดุซีลที่เหมาะสม การออกแบบที่มีประสิทธิภาพ และความระมัดระวังอย่างรอบคอบในระหว่างการติดตั้ง คือหัวใจสำคัญในการยกระดับประสิทธิภาพการซีลและอายุการใช้งานของหน่วยหมุนสว่านหินไฮดรอลิก ในทางปฏิบัติ วิธีการที่อธิบายไว้ที่นี่ได้ผลลัพธ์ที่ดี — อัตราการรั่วลดลงอย่างเห็นได้ชัด และอายุการใช้งานเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ