Těsnění Glyd Ring a Step Seal v hydraulických válcích pro vrtné zařízení: princip činnosti a výběr náhradního dílu

Za každým hydraulickým vrtacím zařízením, jeho zásobovacím systémem, ramenem a dalšími hydraulickými akčními členy stojí dvojice těsnění, která se na první pohled zdají téměř identická, avšak plní svou funkci na různých místech a z různých důvodů: těsnění Glyd Ring a těsnění Step Seal. Obě kombinují odolný kroužek z PTFE s gumovým prvkem O-kroužek pod ním a společně patří mezi nejrozšířenější pístová a tyčová těsnění v moderních hydraulických válcích. Tento článek vysvětluje, jak tato kompaktní těsnění skutečně fungují, kde se v hydraulickém vrtacím zařízení používají, jak poznat jejich poruchu a co zkontrolovat před objednáním náhradního dílu.

Co jsou těsnění Glyd Ring a Step Seal?

Glyd Ring a Step Seal jsou obě příklady toho, co průmysl těsnění označuje jako kompaktní těsnění nebo PTFE těsnění napínané O-kroužkem: tuhý, nízkotřecí PTFE opěrný kroužek podporovaný gumovým O-kroužkem, který jej předepíná proti protilehlé ploše. PTFE kroužek je ten, který skutečně kontaktuje válec nebo pístní tyč a zajišťuje těsnění; O-kroužek pod ním poskytuje elastický stlačující účinek, který PTFE samo o sobě nedokáže zajistit, protože PTFE se po stlačení nevrací do původního tvaru jako guma.

Názvy „Glyd Ring“ a „Step Seal“ vznikly jako ochranné známky výrobců, ale dnes se používají průmyslově široce, podobně jako sám termín „O-kroužek“ stal obecným označením. ge lai quan (Glyd ring), přičemž si te feng (Step Seal) se používá specificky pro variantu těsnění pístní tyče.

Jaký je rozdíl mezi Glyd Ring a Step Seal?

Obě konstrukce jsou navrženy pro opačné úkoly na stejném válcíku. Glyd Ring má symetrický obdélníkový profil, který umožňuje těsnit stejně dobře bez ohledu na to, ze které strany působí tlak – přesně to, co potřebuje uzavírací prvek pístu protože hydraulický tlak střídavě působí na obě strany pístu, když se válec vyvíjí a zasouvá. Step Seal má asymetrický stupňovitý profil, který je navržen tak, aby těsnil pouze v jednom směru, a je přizpůsoben skutečnému úkolu válcová pečlivka udržovat tlakový olej uvnitř válce, zatímco tyč se pohybuje dopředu a dozadu.

Jednoduchý způsob, jak si rozdíl zapamatovat: Glyd Ring se montuje na píst (těsnění vnitřního povrchu válce, obousměrné těsnění) a Step Seal se montuje na tyč (těsnění tyče, jednosměrné těsnění). Oba typy využívají stejnou základní konstrukci s PTFE a O-kroužkem, a proto se často diskutují společně, i když plní různé funkce ve stejném válci.

Obrázek 1: Porovnání profilů Glyd Ringu a Step Sealu

Jak O-kroužek jako energetizátor umožňuje PTFE těsnění skutečně těsnit?

PTFE je ceněn pro těsnění díky velmi nízkému tření a vynikající chemické i opotřebení odolnosti, avšak samotný nemá téměř žádnou elastickou paměť: po stlačení zůstává stlačený místo toho, aby se pružně vrátil do původního stavu a udržel tak tlakový kontakt. Gumový O-kroužek umístěný za PTFE kroužkem tento problém řeší tím, že funguje jako pružina: neustále tlačí PTFE kroužek směrem ven (pro Glyd Ring v drážce v hrdle) nebo směrem dovnitř (pro těsnění hřídele), čímž udržuje opotřebitelný kroužek v pevném kontaktu s pohybujícím se povrchem i v případě, že se PTFE postupně opotřebuje.

Toto rozdělení úkolů určuje charakteristické chování kompaktních těsnění: nízkotřecí kluzný povrch z PTFE s nízkým skluzovým odporem spojený s možností O-kroužku neustále upravovat kontaktní sílu těsnění při změnách vůlí a postupném opotřebení opotřebitelného kroužku. Ztráta funkce O-kroužku – například jeho vlastním degradací – způsobí selhání těsnění, i když může PTFE kroužek stále vypadat nepoškozeně.

Základním testem, který musí takové těsnění při jakémkoli provozním tlaku absolvovat, je skutečnost, že tlak kontaktu mezi PTFE kroužkem a pohybující se plochou musí zůstat vyšší než tlak kapaliny, kterou těsnění zadržuje. Studie metodou konečných prvků těsnění Glyd Ring to přímo potvrzují: špičkový tlak kontaktu stoupá spolu s tlakem kapaliny a v celém testovaném rozsahu zůstává nad ním – což je podmínka zabránění úniku těsnění. Stejné studie rovněž ukazují, jak citlivý je výkon těsnění na jeho přesný profil – v jedné systematické studii byl nejlepší těsnicí výkon za vysokého tlaku zjištěn pouze v poměrně úzkých geometrických rozmezích, řádově několika desetin milimetru u poloměru okraje a několika stupňů u bočního úhlu těsnění – a právě to je důvodem, proč profily těsnění Glyd Ring a Step Seal nelze nahradit přibližným tvarem podobné součásti.

Stojí také za pochopení, že pohyblivé těsnění není dokonalou bariérou bez úniku, i když funguje přesně podle návrhu – což je důležité při posuzování, zda malé množství kapání na hřídeli skutečně představuje problém. Teorie mazání založená na Reynoldsově rovnici, která se používá k modelování tenké vrstvy kapaliny mezi okrajem těsnění a pohybujícím se povrchem, ukazuje, že pohyblivé těsnění přenáší vrstvu kapaliny ven při jednom zdvihu a vrstvu zpět při návratovém zdvihu; čistý únik za jeden cyklus je úměrný rozdílu mezi tloušťkami těchto dvou vrstev, který zase závisí na tlakovém gradientu na straně kapaliny versus straně vzduchu na každém konci zdvihu. Profil těsnění navržený tak, aby zvýšil tlakový gradient na straně kapaliny a vyrovnal jej na straně vzduchu, vrátí více kapaliny, než jí propustí, a tak se přibližuje k čistému nulovému úniku během celého cyklu; naopak nevhodně zvolený profil má opačný efekt. To je součást teoretického základu pro pochopení, proč malé změny profilu měřené v desetinách milimetru, o nichž byla řeč výše, mohou mít nadměrný vliv na naměřený únik.

Kde se na vrtních zařízeních pro horninu používají těsnění Glyd Ring a Step Seal?

Na vrtním zařízení pro horninu se těsnění typu Glyd Ring a Step Seal nejčastěji nacházejí v hydraulických pohonných válcích, které pohybují vybavením kolem vrtacího nástroje samotného, nikoli uvnitř rázového mechanismu jednotky pro vrtní práce: napájecí válce, které posunují a zasouvají vrták podél jeho vodícího kolejnice, válcové části ramene a otáčecí válce, které umisťují vrták nad vrtaný otvor, a podobné pohonné válce na jiných místech nosné konstrukce. Tyto válce jsou zatěžovány stejným dvojčinným režimem střídavého tlaku, pro který byly těsnění Glyd Ring a Step Seal navržena.

Protože napájecí válce se během vrtací směny neustále cyklují a pracují v prachovém prostředí s vysokým obsahem nečistot, jejich těsnění pístu a tyče patří mezi častěji vyměňované opotřebovatelné součásti na straně vrtného zařízení, na rozdíl od opotřebovatelných součástí na straně rázového mechanismu, jako je například membrána akumulátoru nebo cup seal, o nichž se pojednává jinde.

Co se děje, když selže těsnění Glyd nebo krokové těsnění?

Když se PTFE opotřebení prstenu úplně prožere nebo když O-kroužek ztratí svou pružnost, těsnění již nedokáže udržet dostatečný kontakt s tlakem proti vnitřní stěně válce nebo pístnicí, aby zadrželo hydraulický tlak. Praktickým důsledkem je vnitřní únik přes píst (projevující se ztrátou udržovací síly válce nebo jeho posunem pod zátěží) nebo vnější únik přes těsnění pístnice (viditelné kapání oleje z pístnice, zejména po delší době nečinnosti válce za tlaku).

Protože PTFE prstenec a O-kroužek mohou selhat nezávisle na sobě – ztvrdlý, prasklý O-kroužek může zničit jinak funkční PTFE prstenec a naopak opotřebovaný PTFE prstenec může vystavit jinak zdravý O-kroužek přímému opotřebení – obvykle se kompletní sadu těsnění vyměňuje jako celek, nikoli jako samostatné náhradní díly.

Obrázek 2: Opotřebený PTFE prstenec a O-kroužek jako zdroj energie

Jak poznáte, že těsnění vašeho válce selhalo?

Selhání Glyd Ringu nebo Step Sealu se obvykle projevuje jedním nebo více z následujících příznaků:

• Válec ztrácí udržovací sílu nebo se posunuje pod zátěží, i když by měl zůstat na místě.
• Viditelné úniky oleje u těsnění tyče, zejména patrné po delším nečinném stavu stroje za tlaku.
• Pomalejší nebo méně konzistentní pohyb válce, zejména na začátku zdvihu.
• Znečištění nebo změna barvy hydraulického oleje způsobená poškozeným čistícím těsněním, které již nedokáže vyloučit prach a nečistoty.
• Válec se cítí „pružně“ nebo ztrácí přesnost polohování, což odpovídá vnitřnímu obtékání kolem těsnění pístu.

Následující tabulka tyto příznaky propojuje s pravděpodobnými příčinami a logickou první kontrolou.

Co způsobuje předčasné opotřebení těchto těsnění?

Několik podmínek zkracuje životnost těsnění Glyd Ring a Step Seal výrazně pod jejich návrhový potenciál:

• Znečištěný hydraulický olej obsahující abrazivní částice, který urychluje opotřebení kluzné plochy PTFE kroužku.
• Poškozený válec (vyškrábaný, pískovitý nebo korozí postižený povrch válce nebo hřídele), který PTFE kroužek nedokáže plně kompenzovat, bez ohledu na to, jak dobře je nasazeno.
• Materiál napínacího O-kroužku, který není kompatibilní s používaným hydraulickým olejem, což způsobuje jeho nafouknutí, ztvrdnutí nebo rychlejší ztrátu pružnosti, než se očekává.
• Nesprávná montáž, zejména nesprávná orientace Step Sealu, která od samého začátku znemožňuje jeho jednosměrný těsnicí účinek.
• Trvalé vysoké teploty nad stanovený rozsah pro napínací O-kroužek, protože samotný PTFE kroužek teplo snáší dobře, ale gumový napínací kroužek pod ním je obvykle slabším článkem.

Proč je pro krokové těsnění tak důležitý směr montáže?

Symetrický profil těsnění Glyd Ring znamená, že jeho nesprávná montáž je v podstatě nemožná; těsní stejně bez ohledu na orientaci. Naopak krokové těsnění má stupňovitý, asymetrický profil: je speciálně navrženo tak, aby těsnilo pouze v jednom směru, a jeho montáž opačným směrem způsobí, že strana těsnění určená pro nízký tlak bude nyní obrácena ke zvyšujícímu se tlaku oleje, který má zadržovat.

Krokové těsnění namontované v nesprávné orientaci může krátce fungovat, protože energizující O-kroužek stále poskytuje určitou těsnicí sílu, avšak obvykle selže daleko před dosažením své deklarované životnosti a může selhat způsobem, který vypadá stejně jako běžné opotřebení – právě proto je nutné při každé výměně tyčového těsnění dvakrát zkontrolovat směr montáže podle montážních pokynů výrobce, nikoli se spoléhat pouze na tvar drážky.

Step Seals mají také zdokumentovanou, tlakem závislou charakteristiku úniku, kterou je vhodné znát před tím, než se začne porucha jednoho takového těsnění diagnostikovat jako „porucha“. Klasický výzkum chování Step Seal popisuje čtyři zóny, které se postupně objevují při nárůstu systémového tlaku: sub-těsnicí zónu při velmi nízkém tlaku (přibližně 0 až 0,6 MPa), kde je únik zanedbatelný; zónu nestability (přibližně 0,6 až 1,5 MPa), kde se posuvný kroužek může dočasně „vznášet“ a tření klesne na lokální minimum, což dočasně zvyšuje vnitřní únik, i když ve skutečnosti nedošlo k žádné poruše; normální těsnicí zónu (přibližně 3 až 32 MPa, podle konkrétního provedení), která pokrývá většinu reálných provozních tlaků a kde je těsnicí výkon dobrý a stabilní; a zónu poruchy těsnění nad jmenovitým tlakem těsnění, kde dochází k trvalému selhání těsnění. Protože zóna nestability leží u většiny válců výrazně pod běžným provozním tlakem, v praxi způsobuje jen zřídka problémy. Avšak konstrukce, které musí touto zónou projít – například při pomalém nárůstu tlaku – někdy procházejí touto zónou záměrně rychle, nebo kombinují Step Seal s druhým, odlišným typem těsnění tak, aby se jejich zóny nestability nepřekrývaly. To je jedním z důvodů, proč jsou pro polohu tyčového těsnění obvykle specifikovány vícekomponentní těsnicí sady, nikoli jediný kroužek.

Fotografie 3: Orientace instalace těsnění typu Step Seal .

Jak vybrat správné náhradní těsnění Glyd Ring nebo Step Seal?

Po potvrzení poruchy rozhodují o správné náhradě tři faktory:

• Přesná shoda rozměrů s průměrem válcového vnitřního prostoru (bore) nebo pístní tyče a profilem drážky, protože těsnění Glyd Ring a Step Seal jsou rozměrově i profilově navržena specificky pro každý konkrétní typ válce.
• Kompozitní materiál na bázi PTFE a materiál o-kroužku jako zdroje předpětí, které jsou vhodné pro zatížení, rychlost a hydraulickou kapalinu dané aplikace – podrobněji je to popsáno v doplňkovém článku o materiálech používaných u těchto těsnění.
• Získání kompatibilního páru (kroužek z PTFE spolu s předpínacím o-kroužkem) namísto kombinování komponent od různých dodavatelů, protože obě části jsou navrženy tak, aby společně fungovaly při konkrétním uložení a předpětí.

Fotografie 4: Uspořádání náhradního těsnicího kitu před instalací

Kde lze zakoupit spolehlivá náhradní těsnění?

Protože rozměry těsnění Glyd Ring a Step Seal jsou specifické pro průměr válcového válce nebo průměr tyče a pro konkrétní návrh drážky, jejich zakoupení závisí na nalezení dodavatele, který dokáže přesně odpovědět požadovaným rozměrům a doporučit vhodnou kombinaci PTFE a O-kroužku pro dané použití, nikoli na zakoupení obecně dimenzované součásti.

Společnost Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, čínský výrobce těsnění založený v roce 2013, vyrábí těsnění z PU, pryže a PTFE, včetně pístových a tyčových těsnění typu Glyd Ring a Step Seal používaných v hydraulických válcích v zařízeních pro horní průzkum, stavebnictví a bagry, a uvádí, že poskytuje bezplatnou technickou podporu, aby pomohla potvrdit správné rozměry a kombinaci materiálů pro daný válec ještě před zahájením objednávky.

Pokud si nejste jisti, jaké těsnění váš válec potřebuje, nejspolehlivějším způsobem, jak získat těsnění, které správně zapadne a bude fungovat podle očekávání, je poskytnout dodavateli údaje o průměru válce a průměru vodítka, rozměrech drážky a typických provozních podmínkách (tlak, rychlost, typ hydraulické kapaliny a teplota), aby mohl provést křížové porovnání s již známými návrhy válců.

Fotografie 5: Sada těsnění zabalená pro přepravu

1. Dai L. „Optimalizace a experimentální zkoumání těsnicích vlastností glydových kroužků pro hydraulické reciprokující pohony.“ Diplomová práce, Jiangnan University, 2025.
2. Yao S. „Analýza těsnicích vlastností stupňovitých těsnění.“ Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. „Výpočetní metoda pro životnost glydových kroužků používaných v pístech hydraulických válců.“ Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. „Osmdesát let výzkumu hydraulických reciprokujících těsnění: Přehled tribologických studií a souvisejících témat od 30. let 20. století.“ Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.