Ở các máy khoan đá thủy lực do Trung Quốc sản xuất, bộ phận quay thường được cấp nước từ phía bên. Việc lựa chọn vật liệu và thiết kế gioăng có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả làm việc cũng như tuổi thọ của gioăng — điều này, ngược lại, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của máy khoan.

1. Cách tải gioăng nước và những yêu cầu đối với nó

Hệ thống cấp nước bên hông trên bộ phận xoay của máy khoan đá thủy lực chủ yếu gồm ba bộ phận: ống lót nước (1), phớt làm kín nước (2) và đuôi trục khoan (3) (xem Hình 1). Khi máy khoan hoạt động, đuôi trục khoan vừa quay vừa di chuyển qua lại dọc theo trục với tần số cao, đồng thời truyền năng lượng va đập. Các thông số làm việc của phớt làm kín nước cho máy khoan đá thủy lực YYC250B là: tốc độ quay của đuôi trục 220 vòng/phút, tần số va đập của đuôi trục 60 Hz, áp suất nước xả 1 MPa, tốc độ khoan lỗ 110 cm/phút. Những con số này cho thấy phớt làm kín nước chịu tải ma sát tổng hợp do lực đập dọc trục tần số cao kết hợp với chuyển động quay.

1. Độ ổn định trong nước tốt — vật liệu không bị trương nở hoặc co lại nhiều khi tiếp xúc với nước, cũng không hòa tan, mềm ra hay cứng lại.
2. Khả năng phục hồi đàn hồi tốt — vật liệu phải có khả năng bật trở lại tốt và không biến dạng vĩnh viễn.
3. Khả năng chống mài mòn tốt — hệ số ma sát thấp.
4. Độ bền cơ học cao — độ bền kéo tốt, độ cứng cao và khả năng chống rách tốt.
5. Không phản ứng với các bộ phận kim loại — không dính, không gây ăn mòn.

Sau khi so sánh các lựa chọn, chúng tôi đã chọn polyurethane làm vật liệu gioăng. Cấu trúc phân tử của nó chứa các nhóm urethane, mang lại độ bền cơ học cao — khoảng 1 đến 4 lần so với cao su nitrile. Khả năng chống mài mòn của nó rất xuất sắc, tốt hơn khoảng 10 đến 15 lần so với cao su tự nhiên. Ngoài ra, nó còn có khả năng chống dầu tốt (tốt hơn hơn 5 lần so với cao su nitrile) và thể hiện hiệu suất tốt về khả năng chống ozon và lão hóa.

Cần lưu ý rằng polyurethane có hai loại chính với các cấp độ khác nhau, và việc lựa chọn loại ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả làm kín của gioăng. Loại thứ nhất là polyurethane gốc polyester (các cấp độ như Dongfeng-1 và JA3). Loại thứ hai là polyurethane gốc polyether (các cấp độ như JA2 và JA5). Loại gốc polyester có tính chất cơ học tốt, nhưng khả năng chống nước kém — nước phản ứng hóa học với các nhóm phân cực trong mạng elastomer, làm phá vỡ cấu trúc. Số lượng nhóm phân cực trong mạng càng nhiều thì khả năng chống nước càng kém. Loại gốc polyether có ít nhóm phân cực hơn, do đó khả năng chống nước của nó tốt hơn loại gốc polyester hơn 5 lần. Tuy nhiên, do các liên kết ete trong loại gốc polyether tích trữ ít năng lượng hơn nên độ bền cơ học của nó không bằng loại gốc polyester. Giải pháp rõ ràng là kết hợp ưu điểm của cả hai loại. Bằng cách trộn lẫn hai loại này với nhau và bổ sung thêm chất độn chống mài mòn, chúng ta có thể tạo ra một vật liệu vừa có hiệu suất cơ học tốt vừa có khả năng chống nước tốt. Để thực hiện điều này, chúng tôi đã hợp tác với một nhà máy sản xuất sản phẩm cao su (một nhà sản xuất polyurethane) nhằm phát triển một loại polyurethane pha trộn đặc chủng. Kết quả thử nghiệm cho thấy các gioăng được chế tạo từ vật liệu này có hiệu suất làm kín và tuổi thọ sử dụng vượt trội đáng kể.

2. Lựa chọn loại vòng đệm làm kín

Do các điều kiện tải tác động lên phớt làm kín nước của bộ phận quay, chúng tôi đã lựa chọn vòng đệm làm kín kiểu Y. Loại này có ba ưu điểm: (1) hiệu ứng tự làm kín — khi áp suất được tác dụng, các mép phớt ép chặt hơn và làm kín tốt hơn; (2) lực cản vận hành thấp và hoạt động trơn tru; (3) độ ổn định cao, phù hợp với các chi tiết thủy lực chịu áp suất thay đổi nhanh. Các vòng đệm kiểu O dễ bị xoắn và hư hỏng trong các điều kiện này.

3. Nguyên lý hoạt động của phớt làm kín

Các gioăng hình chữ Y chủ yếu kín nhờ tác dụng tự làm kín của các mép gioăng. Hình 2 thể hiện phân bố áp suất tiếp xúc của một gioăng hình chữ Y được lắp vào rãnh áo nước. Khi không có áp suất, chỉ xuất hiện một áp suất tiếp xúc nhỏ do biến dạng ở đầu mép gioăng (Hình 2b). Ngay khi áp suất bên trong được tác dụng, định luật Pascal nêu rằng trong một hệ kín, mọi điểm tiếp xúc với chất lỏng đều chịu một lực pháp tuyến bằng đúng áp suất bên trong. Điều này khiến phần đáy của gioăng bị nén theo phương trục và các mép gioăng bị nén theo phương chu vi. Diện tích tiếp xúc giữa mép gioăng và thân trục tăng lên, đồng thời áp suất tiếp xúc cũng tăng theo (Hình 2c). Khi áp suất bên trong tiếp tục tăng, phân bố và độ lớn áp suất thay đổi mạnh hơn nữa (Hình 2d), ép chặt các mép gioăng hơn nữa vào trục — đây chính là "hiệu ứng tự làm kín". Chính vì vậy, gioăng hình chữ Y rất phù hợp cho ứng dụng gioăng nước này.

4. Cách hình dạng mép ảnh hưởng đến khả năng làm kín và tuổi thọ phục vụ

Phân bố áp suất tiếp xúc có liên hệ mật thiết với hình dạng của các mép (lip). Yếu tố then chốt đảm bảo khả năng làm kín tốt ở vòng đệm kiểu mép là phân bố áp suất dọc theo vùng tiếp xúc làm kín và áp suất cực đại tại đầu mép. Hình 3a so sánh hiệu quả làm kín của các vòng chữ Y có và không có vát mép ở mép trước. Vòng có vát mép tạo ra một đỉnh áp suất rõ rệt tại vùng tiếp xúc làm kín, từ đó đáp ứng tốt nhất yêu cầu về hiệu năng làm kín của loại đệm kiểu mép. Bằng cách lựa chọn góc mép trước θ phù hợp, lượng rò rỉ có thể được giảm đáng kể — khi θ > 30°, lượng rò rỉ chỉ bằng một nửa so với khi θ = 0°. Hình 3b so sánh hiệu quả làm kín khi có và không có vát mép ở mép sau (gót). Khác với mép trước, việc vát mép ở gót tạo ra một đỉnh áp suất thứ hai dưới áp lực làm việc, cản trở nước chảy ngược lại và làm tăng lượng rò rỉ. Khi không vát mép ở gót, không xuất hiện đỉnh áp suất thứ hai và khả năng làm kín tốt hơn.

5. Các thông số thiết kế ảnh hưởng như thế nào đến khả năng làm kín và tuổi thọ phục vụ

Một vòng đệm được thiết kế tốt giúp vật liệu phát huy tối đa hiệu năng của nó. Đối với vòng đệm kiểu Y, một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu năng và tuổi thọ sử dụng là mối quan hệ giữa kích thước l và kích thước h (xem Hình 4). Theo thực tiễn sử dụng, khi tỷ số l/h = 1, vòng đệm có thể duy trì mức rò rỉ thấp trong thời gian dài hơn. Do đó, để đạt hiệu quả làm kín tối ưu, giá trị l/h nên được giữ ở mức 1.

Ngoài ra, sau một thời gian vận hành, phần môi (lip) của đệm sẽ bị mài mòn. Nếu phần môi không thể bù đắp cho sự mài mòn này, hiện tượng rò rỉ sẽ bắt đầu xảy ra. Độ dày thành môi b cần được lựa chọn dựa trên các đặc tính cơ học của vật liệu và đường kính thân trục (shank). Mục tiêu là đảm bảo phần môi vừa đủ cứng vững để duy trì hiệu quả làm kín, đồng thời vẫn đủ linh hoạt để biến dạng và bù đắp cho sự mài mòn.

6. Lắp đặt vòng đệm có môi (lip seal ring)

Nếu vòng đệm không được xử lý cẩn thận trong quá trình lắp đặt, nó có thể bị trầy xước hoặc biến dạng, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng và thậm chí khiến nó không còn sử dụng được. Các điểm sau đây phải được tuân thủ:

• Phần lắp vòng đệm kín (ống áo nước) cần có độ vát từ 15° đến 30° tại mặt đầu để tránh làm xước vòng khi đẩy vào từ phía đầu.
• Bất kỳ lỗ mở nào mà vòng đệm phải đi qua cũng cần được vát từ 15° đến 30°.
• Bôi mỡ hoặc dầu bôi trơn lên vùng lắp đặt trước khi lắp ráp nhằm giảm lực lắp ráp.
• Tránh kéo giãn quá mức vòng đệm trong quá trình lắp đặt vì điều này có thể gây biến dạng dẻo vĩnh viễn.

Tóm lại, việc lựa chọn vật liệu đệm kín phù hợp, thiết kế đúng kỹ thuật và thực hiện cẩn thận trong quá trình lắp đặt là những yếu tố then chốt nhằm nâng cao hiệu suất làm kín và tuổi thọ phục vụ của các cụm quay khoan đá thủy lực. Trong thực tế, phương pháp được mô tả ở đây đã mang lại kết quả tốt — lượng rò rỉ giảm đáng kể và tuổi thọ phục vụ tăng lên rõ rệt.