Rock Drill Backup Ring: Paano Ito Pinipigilan ang Seal Extrusion at Paano Pumili ng Kapalit

Ang backup ring ay isang maliit, matigas na singsing na nakatayo sa tabi ng isang seal at may iisang tungkulin: ito ang nagpapanatili sa seal upang huwag mapush sa clearance gap kapag tumataas ang presyon. Madaling hindi pansinin ito sa isang kit ng Seal dahil hindi ito nagsisipag-seal ng anuman sa sarili nitong. Ngunit kapag kulang ito, nasira, o naka-install sa maling panig, ang seal na pinoprotektahan nito ang karaniwang bahagi na nabigo. Ipinaliliwanag ng artikulong ito ang tungkulin ng isang backup ring, kung bakit ang extrusion ay isang malaking panganib sa isang rock drill, kung paano kilalanin ang isang problema, at kung ano ang dapat suriin bago mag-order ng kapalit. Ang mga numero na binanggit sa ibaba ay galing sa mga inilathala nang pag-aaral sa engineering, na nakalista sa dulo.

Ano ang Backup Ring sa isang Rock Drill Seal Set?

Ang backup ring, na tinatawag ding anti-extrusion ring, ay isang singsing na gawa sa mas matigas na materyal kaysa sa seal na sinusuportahan nito. Ito ay inilalagay sa parehong groob ng seal, sa panig na nasa labas ng presyon, upang punuan ang puwang sa pagitan ng mga metal na bahagi na kung saan maaring ipush ang seal. Sa mga katalogo, maaari rin itong tawaging back-up ring, backing ring, o support ring. Ang huling pangalan ay minsan ginagamit para sa iba pang bahagi, tulad ng mga guide o wear ring, kaya suriin ang tungkulin ng bahagi at huwag lamang ang pangalan.

Sa isang rock drill, ginagamit ang backup rings kasama ng O-rings at piston o rod seals sa percussion unit at sa mga hydraulic cylinder ng drill at rig. Ang paggamit nito ay nakasalalay sa modelo, kaya ang parts diagram ng iyong makina ang dapat na sanggunian.

Ano ang Seal Extrusion, at Paano Ito Nangyayari?

Bawat dynamic seal ay kailangang gumana sa loob ng maliit na clearance sa pagitan ng dalawang metal na bahagi, halimbawa sa pagitan ng isang piston at ng kanyang bore. Kapag mataas ang presyon ng fluid, ang materyal ng seal ay tinutulak patungo sa low-pressure side. Ang isang malambot na materyal ay tumutulo sa loob ng clearance gap. Ito ang tinatawag na extrusion. Kapag nasa loob na ng gap ang bahagi ng seal, ang gumagalaw na ibabaw ay pumipigil at sumisira dito, at ang pinsala na nabubuo ay karaniwang tinatawag na nibbling: maliit na piraso ang nawawala sa gilid ng seal sa bawat pressure cycle.

Tatlong kadahilanan ang nagpapataas ng posibilidad ng extrusion: mas mataas na presyon, mas malaking clearance, at mas malambot na materyal ng seal. Ang mas mataas na temperatura ay nakakatulong din, dahil ang karamihan sa mga materyal ng seal ay nagiging mas malambot habang nagkakainit. O-ring Ang mga pag-aaral gamit ang finite-element ay nagbigay ng numerong halaga sa unang tatlo. Sa isang pag-aaral ng goma na walang backup ring [1], ang base case na 80 × 3.55 mm na O-ring na may 75 IRHD hardness sa 16 MPa, na may 0.2 mm na gap at 20% na unang compression, ay nai-extrude sa loob ng gap nang 0.166 mm. Ang pagbabago ng bawat kadahilanan nang hiwalay ay nagbigay ng mga sumusunod na resulta:

• Hardness mula 65 hanggang 85 IRHD: ang haba ng extruded ay bumaba mula 0.291 mm patungo sa 0.086 mm.
• Presyon mula 8 hanggang 24 MPa: ito ay tumataas, halos nasa tuwid na linya, mula 0.048 mm patungo sa 0.271 mm.
• Gap mula 0.10 hanggang 0.30 mm: ito ay tumataas mula 0.102 mm patungo sa 0.258 mm.
• Diameter ng cross-section mula 1.8 hanggang 7 mm: ito ay bumaba mula 0.220 mm patungo sa 0.126 mm.
• Unang compression mula 12% hanggang 28%: halos hindi nagbago, sa pagitan ng 0.166 at 0.168 mm.

Sa pagkakasama-sama ng lahat ng mga resulta ng pagsusuri, nakakuha ang mga may-akda ng isang empirikal na ugnayan para sa haba ng extrusion na L [1]:

L = 0.709 − 0.0115 Hr + 0.0159 p + 1.00 t − 0.057 d + 0.0055 d2 (1)

Dito, ang L ay nasa mm, ang Hr ay ang kahigpit ng materyal sa IRHD, ang p ay ang presyon sa MPa, ang t ay ang agwat ng grooves sa mm, at ang d ay ang diameter ng cross-section ng O-ring sa mm. Ang pagkakatugma ng datos ay may correlation coefficient na R² na 0.9786, at ang negatibong halaga ng L ay nangangahulugan na walang nangyayaring extrusion. Kapag binabasa bilang sensitibidad, ang bawat karagdagang MPa ay nagdaragdag ng humigit-kumulang 0.016 mm sa extrusion, ang bawat karagdagang 0.1 mm na agwat ay nagdaragdag ng humigit-kumulang 0.1 mm, at ang bawat karagdagang punto ng kahigpit ay nag-aalis ng humigit-kumulang 0.012 mm. Ang agwat ang pinakamalakas na salik. Ang ugnayang ito ay galing sa mga pagsusuri ng isang O-ring sa saklaw ng 65 hanggang 85 IRHD, 8 hanggang 24 MPa, at 0.1 hanggang 0.3 mm na agwat, kaya ipinapakita nito ang pangkalahatang trend at hindi isang patakaran sa disenyo para sa isang rock drill seal.

Paano Pinipigilan ng Backup Ring ang Extrusion?

Ang gabay para sa mga tagapagkaloob tungkol sa disenyo ng seal ay nakalista ng tatlong paraan upang harapin ang extrusion. Ang una ay ang pagbawas ng clearance, na kadalasan ay nangangahulugan ng mas mahigpit na mga toleransya sa paggawa at mas mataas na gastos. Ang pangalawa ay ang paggamit ng mas matigas na materyal para sa seal, na kadalasan ay limitado sa mga materyal na magagamit at maaaring hindi gaanong epektibo sa pag-seal sa mababang presyon. Ang pangatlo ay ang pagdaragdag ng backup ring, na karaniwang itinuturing na pinakapraktikal na opsyon.

Ang backup ring ay gumagana dahil ito ay mas matigas kaysa sa seal, kaya ito ay tumututol sa pagpindot nito papasok sa butas. Ito ay puno ang espasyo sa pagitan ng seal at ng clearance, na binabawasan ang epektibong butas kung saan maabot ng mas malambot na seal. Ang seal mismo ay nananatiling malambot at nababaluktot sapat upang mag-seal sa mababang presyon, habang ang ring ang sumusunod sa gawain ng pagtutol sa presyon sa gilid.

Ang mga resulta ng pagsasagawa ng simulasyon sa itaas ay nagpapakita kung bakit gumagana ang bawat isa sa tatlong opsyon. Ang termino ng puwang sa relasyon ay may koepisyente na 1.00 mm ng pag-ekstrusyon bawat mm ng puwang, samantalang ang katigasan ay may koepisyente na 0.0115 mm bawat punto lamang, kaya ang pagpapalapit ng puwang ng 0.1 mm ay may parehong epekto kung paano itataas ang katigasan ng goma ng humigit-kumulang walo hanggang siyam na puntos. Ang isang backup ring ay epektibong pinalalapit ang puwang, dahil ang malambot na seal ay kailangang dumaloy sa isang espasyo na pinapaligid ng mas matigas na singsing. Ang katigasan ng goma mismo ay tumataas lamang nang moderado kasama ang pagtaas ng katigasan. Para sa parehong grupo ng mga compound, ang elastic modulus E sa MPa ay sumusunod sa katigasan Hr sa IRHD ayon sa [1]:

lg E = 0.0198 Hr − 0.5432 (2)

Ito ay nagbibigay ng humigit-kumulang 5.5 MPa sa 65 IRHD, 7.0 MPa sa 70, 8.7 MPa sa 75, 11.0 MPa sa 80, at 13.8 MPa sa 85 IRHD. Ang mga engineering plastics na ginagamit para sa backup rings ay mas matigas kaysa sa anumang mga compound ng goma na nabanggit, ng isang malaking kadahilanan—kaya ang isang manipis na singsing ay kayang gawin ang bagay na hindi maisasagawa ng isang mas matigas na goma.

Bakit ang Pressure Pulses ang Nagpapataas ng Peligro ng Extrusion sa isang Rock Drill?

Sa isang percussion unit, hindi pare-pareho ang presyon. Tumataas at bumababa ito sa bawat suntok, at maaaring magkaroon ng matatalas na tuktok kapag ang piston ay nagbabago ng direksyon. Ang bawat tuktok ay pansamantalang nagpupush sa seal patungo sa clearance gap nang may higit na puwersa kaysa sa ipinapakita ng average working pressure. Ang isang seal na ligtas sa average pressure ay maaaring masira dahil sa paulit-ulit na mga tuktok, dahil ang bawat tuktok ay nagdadagdag ng kaunti pang materyal sa gap at ang bawat cycle ay pumipinsala nang kaunti pa rito.

Ang mga pag-aaral sa mga gumagana nang drill ay nagpapakita kung gaano kalaki ang mga tuktok. Sa isang modelo ng drill na binibigyan ng 15 MPa, ang chamber pressure ay umabot sa tuktok na humigit-kumulang 25 MPa—halos 1.7 beses ang supply pressure—kapag hinampas ng piston at kapag ang control spool ay nagbabago ng direksyon [2]. Sa isang prototype na binibigyan ng 18 MPa, ang presyon sa primary buffer chamber ay may maikling tuktok na humigit-kumulang 40 MPa sa itaas ng working level na 18 hanggang 20 MPa [3]. Ang isang ring na pinili para sa average pressure ay masyadong maliit para sa mga tuktok na ito.

Tumutugon ang goma sa mga ganitong pulso na may pagkaantala. Ang isang transiyenteng simulasyon ng isang O-ring sa ilalim ng mabilis na pagbabago ng presyon [4] ay naglalarawan sa goma gamit ang isang hyperelastic strain-energy function at isang viscoelastic relaxation law:

W = C10 (I1 − 3) + (J − 1)2 / D1 (3)

g(t) = 1 − Σ gi ( 1 − e−t/τi ) (4)

Sa unang ekspresyon, ang W ay ang densidad ng enerhiya ng pagkabagu-bago, ang I₁ ay ang unang invariant ng pagkabagu-bago, ang J ay ang ratio ng volume, at ang C₁₀ at D₁ ay mga konstanteng materyal. Sa ikalawa, ang g(t) ay ang modulus ng pagpapalagay bilang bahagi ng orihinal na halaga nito, at ang gi at τi ay ang mga koepisyente ng Prony at mga oras ng pagpapalagay. Ang simulasyon ay natuklasan na, sa mataas na presyon, ang stress ay nakatuon sa kontak sa pader ng silindro sa panig ng mababang presyon, kung saan ang singsing ay inilabas at sinira sa ugat nito. Sa panahon ng mabilis na pagtaas ng presyon, ang interface ay lumipat at isang pangalawang tuktok ng presyon sa kontak ay nabuo sa panig ng mababang presyon, at parehong epekto ay tumataas habang tumataas ang amplitude ng presyon at ang bilis ng pagbabago. Ang stress ay patuloy ding nagbabago kahit matapos nang magbago ang presyon, dahil sa viscoelastic lag [4].

Ang frequency ay nagdaragdag dito. Sa isang rate ng percussion na 95 na suntok bawat segundo [5], ang isang seal at ang backup ring nito ay dumaan sa humigit-kumulang 340,000 na siklo ng presyon sa loob ng isang oras ng pag-drill.

Ito rin ang dahilan kung bakit hindi dapat tingnan nang hiwa-hiwalay ang mga problema sa ekstrusyon mula sa iba pang bahagi ng sirkuito. Ang mahinang singil sa accumulator o ang nakakapagpabagal na return line ay nagdudulot ng mataas na presyon, at ang backup ring ay hindi kayang lubos na kompensahin ang isang sirkuito na gumagawa ng hindi normal na presyon.

Saan inilalagay ang backup ring, at aling panig ang dapat ilagay dito?

Ang pangkalahatang patakaran sa mga opisyal na gabay ay ang backup ring ay inilalagay sa panig ng primary seal kung saan ang presyon ay mababa—ang panig na nasa direksyon ng clearance gap kung saan ipinupush ang seal. Kung ang presyon ay kumikilos sa iisang direksyon lamang, sapat ang isang ring. Kung ang presyon ay kumikilos sa parehong direksyon, tulad ng nangyayari sa double-acting piston, kailangan ng isang ring sa bawat panig. Isang gabay mula sa isang supplier ang nagsasabi na dapat gamitin ang dalawang ring kung hindi tiyak ang direksyon ng presyon.

Ang pagdaragdag ng isang singsing ay nangangailangan ng espasyo. Ang butas ay dapat sapat ang lapad upang panatilihin ang seal at ang singsing o mga singsing, kaya hindi karaniwang maidaragdag ang isang backup ring sa isang butas na idinisenyo nang walang isa. Ang tamang bilang at posisyon ng mga singsing para sa iyong drill ay nakabase sa modelo, at dapat sundin ang seal kit at ang diagram ng mga bahagi.

Ang clearance na kailangan mong takpan ng isang singsing ay limitado ng presyon. Ang isang inilathala na Step seal source [6] para sa rock drill ay nagtatala ng maximum na diametral clearance na tumitigas habang tumataas ang presyon. Para sa mga diameter ng rod na 30 hanggang 36 mm, ito ay 0.6 hanggang 0.3 mm hanggang 20 MPa at 0.3 hanggang 0.2 mm mula 20 hanggang 40 MPa; para naman sa 38 hanggang 50 mm, ito ay 0.8 hanggang 0.4 mm at 0.4 hanggang 0.2 mm. Sa disenyo na iyon, ang stepped PTFE ring ay mismong isang rigid element at ang O-ring sa likod nito ay hindi kailanman umaabot sa gumagalaw na ibabaw. Ito ay mga halimbawa lamang para sa isang uri ng seal, at ang limitasyon para sa iyong drill ay nakasaad sa manufacturer.

Ano-ano ang Pangunahing Uri ng Backup Ring?

Ang mga backup ring ay ginagawa sa ilang anyo, at ang anyo nito ay nakaaapekto sa kadaliang i-install ang mga ito:

• Mga solid (hindi pinutol na) ring: isang tuloy-tuloy na ring na walang puwang, na nagbibigay ng buong suporta ngunit kailangang i-stretch o i-compress upang mailagay, at pinakadali itong i-install sa mas malalaking groove.
• Mga scarf-cut o split ring: pinutol nang pahalang sa paligid ng circumference, kaya maaari itong ilagay nang hindi kinakailangang i-stretch, at karaniwang ginagamit kung ang ring ay dapat i-install sa ibabaw ng isang flange o sa loob ng isang saradong groove.
• Mga spiral ring: isang tuloy-tuloy na strip na nakabaluktot nang helix, na maaaring i-install sa maliit na diameter at sa saradong groove.
• Mga contoured elastomer ring: mga molded rubber ring, karaniwang gawa sa nitrile o fluoroelastomer na may mataas na hardness, na hugis upang tumugma sa O-ring at karaniwang ginagamit kung ang presyon ay mababa.

Paano Mo Malalaman Kung Ang Isang Seal o Backup Ring Ay Nai-extrude Na?

Ang pinsalang dulot ng extrusion ay madalas makikita kapag inalis na ang seal. Ang mga obserbasyon sa ibaba ay sumusuporta sa posibilidad ng extrusion, ngunit kailangang ikumpirma ito sa pamamagitan ng pagsusuri sa iba pang posibleng sanhi.

Ang isang seal na nai-extrude ay madalas na may nawawalang o nasirang backup ring, kaya dapat suriin ang singsing tuwing palalitan ang seal.

Ano ang Nagdudulot ng Maagang Pagkabigo ng Backup Ring?

Ang backup ring ay maaaring ang sanhi o biktima ng pagkabigo. Ang mga kondisyong nabanggit sa ibaba ay kilala sa pagpapakurap ng kanyang buhay-panahon:

• Mga patak ng presyon na mas mataas kaysa sa rating ng materyales at disenyo ng singsing.
• Isang clearance gap na lumaki dahil sa pagsuot ng bore, piston, o isang guide bush, na nangangailangan ng higit pa sa kakayahan ng singsing kaysa sa idinisenyo para dito.
• Isang materyal ng singsing na hindi angkop para sa temperatura ng langis, kaya ito ay nagmamalinis o nagsisigasig sa paglipas ng panahon.
• Pinsala sa pag-install, tulad ng isang singsing na nasugatan, nabihag, o napipit sa linya.
• Ang pagsuot ng singsing sa maling gilid ng seal, o ang pagpapaliban nito kapag muling inaayos ang seal kit.

Ang pag-i-install ay nangangailangan ng partikular na atensyon. Ang isang pagsusuri sa kawalan ng pagganap ng isang rock drill [7] ay nagtatalaga ng mga kabiguan ng seal sa pangunahing kadahilanan ng mababang kalidad ng seal, pinsala habang inilalagay, at hindi kasiya-siyang paggawa ng groove, at inirerekomenda na ang mga seal at bushing ay ilalagay gamit ang mga espesyal na kagamitan. Ang isang pagsusuri sa kabiguan ng isang 65Mn spring-steel sealing retaining ring [8] ay nagpapakita kung paano ang isang hakbang lamang sa pag-aassemble ang maaaring punitin ang isang ring. Ang nasabing ring ay isang metal retainer sa isang piston assembly at hindi isang polymer anti-extrusion ring, ngunit ang aral ay may bisa pa rin. Ang mga circlip pliers na walang stop ay pinipigil ang ring hanggang sa isang outer diameter na 10.0 hanggang 10.5 mm, na lumampas sa kanyang elastic limit, samantalang ang isang hand-tight pinch ay katumbas ng humigit-kumulang 10.31 hanggang 10.35 mm. Ang punit din ay nagsimula sa isang brittle recast layer na iniwan ng wire cutting, at ang isang tempering temperature na malapit sa 360 °C ay nag-iwan sa bakal sa isang matigas ngunit brittle na kondisyon. Ang solusyon ay ang pagbabago sa pagkakasunod-sunod ng proseso, ang pagtaas ng tempering temperature, at ang paggamit ng isang nakalaan na assembly fixture.

Ano ang Dapat Suriin Bago Palitan ang Backup Ring, at Paano Pumili ng Tamang Isa?

Bago mag-order, suriin ang mga sumusunod na puntos ayon sa pagkakasunod-sunod:

1. Tukuyin ang modelo ng drill at ang eksaktong posisyon ng seal at ring sa diagram ng mga bahagi, at tandaan kung ilang rings ang naka-install at sa anong mga gilid.
2. Suriin ang lumang ring at seal para sa mga pattern ng pinsala sa talahanayan sa itaas, at panatilihin ang mga ito para sa paghahambing.
3. Suriin ang groove, ang bore, at ang piston para sa wear na nagdulot ng dagdag na clearance, at ihambing ang sukat ng clearance sa limitasyon ng tagagawa para sa working pressure.
4. Suriin ang pressure side ng circuit, kasama ang accumulator pre-charge, dahil ang mataas na peaks ay nakakapinsala kahit sa isang tamang ring.
5. Sundin ang prosedura ng tagagawa para buksan ang unit; ito ay model-specific at dapat unang depresurize ang circuit.

Sa pagpili ng kapalit, tatlong puntos ang mahalaga:

• Dimensions at profile: dapat umangkop ang ring sa groove at sa gap nang eksakto. Ang isang ring na medyo manipis ay iniwan ang gap na bukas.
• Materyal: Dapat sapat ang kahigpit ng singsing para sa presyon at angkop para sa temperatura ng langis. Ang mga materyal ay kinukumpara sa kasamang artikulo tungkol sa mga materyal ng backup ring.
• Kabuuan ng set: Dapat tugma ang singsing sa seal na sinusuportahan nito, kaya palitan ang seal at ang singsing bilang isang set maliban kung kinumpirma na walang pinsala ang seal.

Saan Makakakuha ng Maaasahang Kapalit na Backup Ring?

Ang mga backup ring ay maliit at tila simple, ngunit ang tamang pagpili nito ay nakasalalay sa groove, sa puwang, sa presyon, at sa materyal. Karaniwang nagsisimula ang pagtutugma mula sa OEM part number, isang drawing, o sa lumang bahagi, hindi mula sa pangkalahatang paglalarawan.

Ang Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, isang Tsino na tagagawa ng mga panakip na itinatag noong 2013, ay gumagawa ng mga bahagi ng panakip na gawa sa PU, rubber, at PTFE, kabilang ang mga piston seal, rod seal, at seal kit, at may hanay ng produkto para sa hydraulic rock drill. Sinasabi ng kumpanya na nag-ooffer ito ng libreng technical support. Kung kailangan mong i-verify ang tamang singsing para sa isang seal set, maaari mong ipadala ang modelo ng rock drill, ang OEM part number, ang sukat ng groove at singsing o isang drawing, mga litrato ng lumang singsing at seal, at ang working pressure at temperature ng langis, at hilingin sa supplier na suriin ang uri at materyales ng singsing bago ilagay ang order.

1. Lu Yunjiang, Huang Le, Dai Changhao. Pagsusuri sa extrusion resistance ng O-ring batay sa Marc. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2020, (3): 84–89. (Sa wikang Tsino)
2. Wang Jiansen, Yan Hongliang, Zhang Xin, Wang Yanjun, Liu Bin, Wei Liejiang. Optimal clearance design between impact piston and cylinder of a dual-chamber-controlled hydraulic rock drill. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2025, 49(4): 79–91. (Sa Tsino)
3. Wang Jiansen, Yang Guangsheng, Liu Shaojun, Feng Huai, Wen Yongqiang. Analysis of the overpressure phenomenon in the primary buffer chamber of a dual-chamber-controlled hydraulic rock drill. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2026, 50(7): 57–67. (Sa Tsino)
4. Yuan Xiaoming, Zheng Ze, Chen Haimin, Li Yongqi, Wang Weiwei, He Shixing. Simulation study on an O-type static sealing ring under pulse pressure. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2026, online first. (Sa Tsino)
5. Yang Mingming. Experimental study on the impact performance of a hydraulic rock drill. Equipment Management and Maintenance, 2025, (10). (Sa Tsino)
6. Li Chuan, Yan Tianjun, Li Tiehui. Epekto ng piston sealing at ang Step seal ng hydraulic rock drills. Rock Drilling Machinery & Pneumatic Tools, 2003, (3): 8–12. (Sa Tsino)
7. Liu Jiankui, Fu Yuehua, Zhou Shijie. Pagsusuri at mga hakbang na panlaban sa karaniwang mga kawalan ng hydraulic rock drills. Rock Drilling Machinery & Pneumatic Tools, 2020, (4): 59–61. (Sa Tsino)
8. Han Honggang, Ma Mingming, Yu Kexuan, Xu Huanrui. Mga sanhi ng pagsira at mga hakbang na pangkontrol sa 65Mn spring steel sealing retaining rings. Heat Treatment Technology and Equipment, 2026, 47(3): 74–77. (Sa Tsino)