Z jakého materiálu je těsnění nárazového pístu kamenolomního vrtáku vyrobeno? Vysvětlení PTFE, HNBR, FKM a PU

Náraz uzavírací prvek pístu funguje v jedné z nejnáročnějších poloh v hydraulickém obvodu. Olej kolem něj je horký, tlak se pulsujícím způsobem mění a píst, proti kterému těsní, se pohybuje rychle po krátké dráze mnohokrát za sekundu. Žádný jediný materiál není schopen tyto požadavky splnit uspokojivě, a proto jsou většinou rázové pístové těsnění sestavena z více než jednoho materiálu. Tento článek vysvětluje, z jakých materiálů se taková těsnění skládají, jaký přínos má každý z nich a jak se kompromisy mezi jednotlivými vlastnostmi projevují v chování těsnění během provozu. Číselné údaje uvedené níže pocházejí z publikovaných technických studií, jejichž seznam je uveden na konci; většina z nich byla získána měřením na zkušebních vzorcích nebo v jiných aplikacích, a proto ukazují spíše tendence než hodnocení konkrétního těsnění.

Z čeho se skládá rázové pístové těsnění kamenolomového vrtáku?

Publikované návrhy těsnicích prvků pro hydraulická kladiva obvykle popisují dvoudílnou konstrukci [1]. Vnitřní kroužek, který se dotýká pístu, je vyroben z tvrdého plastu na bázi teflonu, tedy materiálu typu PTFE. Okolo něj je umístěn elastomerní prvek, který těsní proti pouzdru a tlačí vnitřní kroužek směrem k pístu. Elastomer může být složen z akrylonitril-butadienu (NBR), hydrogenovaného akrylonitril-butadienu (HNBR) nebo fluoroelastomeru (FKM), v závislosti na používaném oleji a teplotě. Některé modely vrtaček místo toho používají jednomateriálové těsnění s ústním okrajem, nejčastěji z polyuretanu (PU). Konstrukce použitá ve vaší vrtačce závisí na konkrétním modelu a výrobci.

Každá součást má jinou funkci, proto se tyto dvě součásti vybírají odděleně. Plastový kroužek se volí pro klouzání a odolnost proti opotřebení. Elastomer se volí pro pružnost, odolnost vůči oleji a teplu a náklady. Průzkum pryžových těsnicích prvků ukazuje stejné rozdělení: NBR je odolný vůči oleji, má střední pružnost a nízké náklady a je vhodný pro běžné teploty oleje, zatímco FKM snáší vysoké i nízké teploty a chemické útoky, ale je tvrdší, méně pružný a dražší [2].

Proč je výběr materiálu v kladivové jednotce tak důležitý?

Na těsnění působí současně tři podmínky. První je teplota: olej v provozu vrtáku je výrazně teplejší než okolní prostředí a kontakt navíc generuje třecí teplo. Druhá je zatížení: tlak na těsnění je pulzující, nikoli stálý. U jednoho prototypu dodaného pro tlak 18 MPa byly naměřeny v primární tlumicí komoře krátkodobé špičky řádu 40 MPa nad pracovní úrovní 18 až 20 MPa [3], takže materiál musí odolávat špičkám výrazně převyšujícím jmenovitý tlak. Třetí je rychlost posuvu: píst se pohybuje po povrchu těsnění po celou dobu provozu vrtáku.

Teplo vznikající při klouzavém kontaktu lze odhadnout z koeficientu tření μ, kontaktního tlaku pc a rychlosti posuvu v. Množství tepla vyvolaného na jednotku plochy kontaktu je:

q = μ · pc · v (1)

Z tohoto výrazu vyplývají tři páky. Snížení tření (lepší materiál kroužku) snižuje q úměrně. Snížení kontaktního tlaku (jemnější předpínání elastomeru) ho také snižuje, avšak pouze až na tlak nutný k utěsnění. A q roste s rychlostí pístu, kterou konstruktér nemůže volit. Proto se na kluzné pozici používá nízkotřecí materiál a proto elastomer za ním nesmí kroužek tlačit silněji, než je nezbytné.

Materiál, který není pro tuto kombinaci vhodný, se projevuje znatelnými způsoby: ztvrdlý a praskající okraj způsobený teplem, plastový kroužek, který se rychle opotřebuje, elastomer, který se v oleji roztahuje, nebo měkký okraj, který se při špičkovém tlaku vtlačí do mezerového prostoru.

Proč je kroužek v kontaktu s pístem vyroben z PTFE?

PTFE má velmi nízký koeficient tření, snáší vyšší teploty než většina pryžových směsí a odolává chemickému útoku hydraulických olejů. Přehled tribologie PTFE z roku 2026 tyto vlastnosti připisuje jeho molekulární struktuře [4]. Velmi silná vazba C–F zajišťuje chemickou stabilitu. Atomy fluoru obalují uhlíkovou kostru ve spirále, čímž vzniká velmi nízká povrchová energie a slabé síly mezi sousedními řetězci. V důsledku toho se řetězce snadno posunují po sobě za smykového zatížení, což je původ nízkého tření. Přehled také uvádí stabilní rozsah fyzikálních vlastností pro PTFE od −250 do 260 °C, což je rozsah mnohem širší než u jakékoli pryžové směsi.

Stejná recenze popisuje, jak se PTFE opotřebuje. Tření je řízeno posunem řetězců a tenkou přenesenou vrstvou PTFE, která se vytvoří na protilehlé povrchové ploše. Opotřebení je převážně adhezní, přičemž úloha únavy je menší, a rychlost opotřebení určuje vznik i rozpad přenesené vrstvy. Vyplývají z toho dvě praktické důsledky. Hladší protilehlý povrch napomáhá vytvoření vrstvy a snižuje opotřebení, zatímco drsnější povrch má opačný účinek. Recenze dále uvádí, že v teplotním rozmezí od −100 do 100 °C může creep způsobit zvýšení rychlosti opotřebení i tehdy, když součinitel tření klesá; nízká hodnota součinitele tření tedy sama o sobě nezaručuje dlouhou životnost kroužku z PTFE.

PTFE má v této roli také svá omezení. Téměř nemá elastickou paměť, takže se nemůže samostatně přitlačovat k pístu během opotřebení kontaktu. Dále se pomalu deformuje pod trvalým zatížením – chování známé jako creep. Oba tyto nedostatky jsou zohledněny v konstrukci: pružný prvek zajišťuje předpínání a do PTFE jsou přidané plniva, která snižují creep i opotřebení.

Co přísady přinášejí do PTFE?

Nevyplněné PTFE se opotřebuje příliš rychle pro dynamické těsnění vysoké zátěže, proto se sloučenina obvykle míchá s přísadou. Běžnými přísadami jsou bronz, uhlík, grafit a skleněné vlákno, někdy i v kombinaci. Obecně řečeno zlepšují přísady odolnost proti opotřebení a odolnost proti tečení. Opotřebení se obvykle vyjadřuje jako specifická rychlost opotřebení, tedy objem ztracený na jednotku zatížení a dráhy klouzání:

k = ΔV / ( F · s ) (2)

Zde ΔV je ztracený objem v mm³, F je normálové zatížení v N a s je dráha klouzání v m, takže k má jednotku mm³/(N·m). Publikované zkoušky ukazují, o kolik může přísada změnit hodnotu k:

• V reciprokující zkoušce (50 N, 5 Hz, 30 minut, jehla ze slitiny 316 stainless steel) mělo čisté PTFE rychlost opotřebení 1,05 × 10⁻⁴ mm³/(N·m). S 5 % uhlíkovými nanovlákny klesla na 2,7 × 10⁻⁵ a s 5 % uhlíkovými nanovlákny plus 10 % grafenem na 4,7 × 10⁻⁶, což je přibližně o 96 % nižší než u čistého PTFE [5].
• Přehled kompozitů na bázi PTFE uvádí, že přídavek grafitu v objemovém podílu 25 % snížil koeficient tření na 0,19 a objemové opotřebení o dvě řády velikosti; směs krátkých uhlíkových vláken dvou různých délek snížila měrnou rychlost opotřebení o více než 90 % [4].
• Týž přehled uvádí kompozit polyimidu/PTFE s obsahem 20 % polyimidu, jehož koeficient tření klesl na 0,18, objemové opotřebení na 4/1000 čistého PTFE a deformace creepu o 62,6 % [4].
• Molekulárně-dynamická studie zjistila, že přídavek 5 % uhlíkových nanotrubiček a následně 10 % polyimidu do PTFE snížil simulovaný koeficient tření o 6,7 % a rychlost opotřebení o 11,6 % ve srovnání s kompozitem obsahujícím pouze nanotrubičky [6]. Jedná se o simulační výsledek, nikoli o laboratorní zkoušku.

Tato čísla popisují zkušební vzorky proti ocelovému kolíku, nikoli dokončený těsnicí kroužek na pístu, a byla získána s plnivy (nanovlákna, grafen, nanotrubičky), která nejsou nutně stejná jako ta používaná v komerčních těsnicích směsích. Ukazují, že typ plniva i jeho množství mohou změnit opotřebení o řád nebo více. Výběr plniva také ovlivňuje vedlejší vlastnosti: bronz obvykle zajišťuje vysokou odolnost proti opotřebení a zatížení, ale snižuje chemickou odolnost; uhlík udržuje chemickou odolnost blíže neplněnému PTFE; grafit snižuje tření; skleněné vlákno zvyšuje tvrdost, ale může být pro protilehlý povrch více abrazivní.

Přesný typ plniva a jeho podíl stanovuje výrobce pro každé těsnění zvlášť a obvykle nejsou zvenku viditelné. Jsou jedním z důvodů, proč se dvě PTFE těsnění stejné velikosti a profilu mohou lišit ve svém výkonu.

Z čeho je vyroben elastomerní prvek a proč to má význam?

Elastomer za PTFE kroužkem má dvě úlohy: poskytuje pružné předpínání, které udržuje kroužek v kontaktu s pístem, a staticky uzavírá proti pouzdru. Protože PTFE kroužek snáší vyšší teploty než gumový materiál, je elastomer často součástí, která určuje teplotní limit těsnění.

• NBR je univerzální volbou pro minerální hydraulický olej, přičemž horní mez trvalého použití se obvykle uvádí přibližně 100–120 °C, v závislosti na složení materiálu.
• HNBR zachovává odolnost NBR vůči oleji a navíc nabízí lepší odolnost vůči teplu a stárnutí, přičemž horní mez se obvykle uvádí přibližně 150 °C. Často se používá tam, kde olej dosahuje vysokých teplot.
• FKM má nejvyšší teplotní odolnost ze všech tří materiálů, přičemž horní mez se obvykle uvádí až přibližně 200 °C, a také širší chemickou odolnost, avšak za vyšší cenu a s nižší pružností při nízkých teplotách.

Jedná se o obecné údaje. Mezní teplota pro konkrétní těsnění závisí na složení směsi a na místní teplotě na okraji těsnění, která může být vyšší než teplota objemového oleje.

Důvod, proč HNBR vydrží v horkém oleji déle než NBR, je chemické povahy. NBR obsahuje nenasycené uhlík–uhlík dvojné vazby v řetězcích, které jsou náchylné k oxidaci a útoku ozónu, čímž se zhoršuje jeho stabilita a chování při stárnutí. Hydrogenací řetězce se většina těchto dvojných vazeb přemění na vazby nasycené, čímž vznikne HNBR s vysoce nasyceným kostrou, která zachovává odolnost vůči oleji a opotřebení NBR a navíc přidává odolnost vůči teplu, chemikáliím a oxidaci [7]. Přehled z roku 2026 uvádí, že moderní hydrogenační katalyzátory dosahují stupně hydrogenace nad 90 % a v některých případech i nad 99 % [7]. Naplněné směsi HNBR v tomto přehledu byly testovány na stárnutí po dobu 7 dnů při 125 °C a po dobu 20 dnů při 160 °C, což dává představu o teplotním rozsahu, ve kterém je HNBR hodnocen, i když výsledky testů závisí na použitém plnivu.

Stárnutí se zrychluje s teplotou přibližně exponenciálně. Vztah Arrheniova rovnice, který je široce používán k popisu tepelně vyvolené degradace, tento jev vyjadřuje:

r = A · exp ( − Ea / R T ) (3)

Zde r je rychlost degradace, A je konstanta, Ea je aktivační energie, R je plynová konstanta a T je absolutní teplota. Praktický význam tohoto vztahu spočívá v tom, že mírné zvýšení teploty na okraji těsnění zkracuje životnost elastomeru mnohem více, než by navrhovala úměrná změna; proto je lokální teplota v místě těsnění důležitější než teplota nádrže.

Důležitá je také tuhost elastomeru, protože určuje předpínací sílu na PTFE kroužku. Pro gumové směsi s tvrdostí v rozmezí 65 až 85 IRHD vztah mezi modulem pružnosti E (v MPa) a tvrdostí Hr odvodil regresní výpočet z analýzy metodou konečných prvků [8]:

lg E = 0.0198 Hr − 0.5432 (4)

Každých 10 bodů IRHD násobí modul hodnotou 10^0,198, což je přibližně 1,58. Sloučenina o 10 bodů tvrdší je tedy přibližně o 58 % tužší, takže malá změna tvrdosti ovlivní předpínání více, než by člověk mohl očekávat. To je jeden z důvodů, proč by měl náhradní elastomer odpovídat původnímu složení a neměl být pouze „přibližně stejně tvrdý“.

Kde se polyuretan ve srovnání umísťuje?

Polyuretan je znám svou odolností proti opotřebení a trhání, která je obecně lepší než u běžné pryže, a také dobrým pevnostním chováním za zatížení. Používá se u některých těsnění pístů a tyčí v hydraulickém zařízení, včetně některých nárazových aplikací. Jeho hlavní omezení spočívá v nižší teplotě nepřetržitého provozu ve srovnání s HNBR nebo FKM, a proto je lépe vhodný pro vrtné stroje, kde teplota oleje zůstává střední a kde je dominantním problémem kontaminace nebo opotřebení.

PU by nemělo být vybráno pouze proto, že vypadá na technickém listu silnější. U těsnění s úderovým účinkem je první otázkou, zda teplota oleje na okraji zůstává v rámci mezních hodnot pro daný PU materiál. Studie, na které se tento článek opírá, se PU nezabývají, a proto zde nejsou uvedeny žádné číselné limity; správným zdrojem jsou technické listy konkrétního materiálu.

Jak se tyto materiály vzájemně porovnávají?

Následující tabulka shrnuje typickou funkci a hlavní omezení každého výše diskutovaného materiálu. Skutečný výkon závisí na konkrétním složení materiálu a výrobci.

Jak ovlivňují typ oleje a teplota výběr materiálu?

Hydraulický olej v kamenolomovém vrtáku je obvykle minerálního původu, a materiály NBR, HNBR, FKM, PU a PTFE jsou s ním v běžném provozu kompatibilní. Pokud vrták používá ohnivzdornou nebo syntetickou kapalinu, musí být kompatibilita každého materiálu zkontrolována zvlášť, protože těsnění vynikající v minerálním oleji se může v jiné kapalině zvětšit nebo degradovat.

Kompatibilita se zkouší ponořením. Vzorek těsnění se váží ve vzduchu i ve vodě před a po namočení do oleje (typický test používá teplotu 100 °C po dobu 72 hodin) a vypočítá se změna objemu podle metody uvedené v čínském standardu GB/T 1690:

δV = [ ( m3 − m4 ) − ( m1 − m2 ) ] / ( m1 − m2 ) × 100 % (5)

V tomto výrazu jsou m₁ a m₂ hmotnosti vzorku ve vzduchu a ve vodě před ponořením a m₃ a m₄ jsou stejné hmotnosti po ponoření. Kladná hodnota ΔV znamená, že gumový materiál nabobtnal, záporná hodnota ΔV znamená, že se smrštil, což obvykle znamená, že část plastifikátoru z gumy byla vyplavena. Oba jevy mohou způsobit únik.

Publikovaný test ukazuje, proč je to důležité [9]. Těsnicí kroužky z fluoroelastomeru byly po dobu 72 hodin ponořeny při teplotě 100 °C do tří hydraulických kapalin používaných v podvozku obrněného vozidla a do jejich směsí. U všech výsledků došlo ke smrštění v rozmezí od −4,9 % do −19,1 %; nejhorší hodnoty překročily limit 4 % stanovený příslušnou čínskou normou, a proto autoři doporučili pro dané použití nitrilovou gumu. Tyto kapaliny nejsou oleje pro krušné vrtní stroje, takže uvedená čísla neprokazují, že materiál FKM není vhodný pro vrtní zařízení. Ukazují však, že materiál, který je obecně hodnocen jako chemicky odolný, může být pro konkrétní kapalinu stále nevhodný.

Totéž platí pro míchání olejů. Přehled testů kompatibility olejů [10] uvádí, že při smíchání dvou hydraulických olejů mohou aditiva vzájemně reagovat a vytvářet usazeniny, které ucpávají filtry a jemné kanálky ventilů; popisuje také testy, při nichž jsou oleje míchány v poměrech 1:9, 5:5 a 9:1 a uchovávány po dobu 168 hodin při teplotě 65 °C. Pokud je olej v vrtním zařízení doplňován olejem jiné značky, ovlivněny jsou jak těsnění, tak celý obvod.

Teplota má dva účinky. V horkém podnebí nebo při dlouhodobém provozu nejprve dosáhne svého limitu elastomer, což nutí konstrukci směřovat k materiálům HNBR nebo FKM. V chladných podmínkách může být tuhý materiál pomalý na reakci těsnění na pohyb pístu, dokud se olej nezahřeje; právě v tomto ohledu mají obecně NBR a HNBR výhodu před FKM a některými stupni PU.

Jak interaguje povrch pístu s materiálem těsnění?

Těsnění a píst se opotřebují jako pár. Tvrdé plnivo, například bronz nebo skleněné vlákno, zvyšuje vlastní odolnost těsnění proti opotřebení, ale zároveň klade vyšší nároky na protilehlý povrch: píst musí být dostatečně tvrdý a hladký, aby ho plnivo nepoleštilo ani nepoškrábalo. Poškrábaný píst rychle opotřebí jakékoli těsnění, bez ohledu na jeho materiál.

Literatura o PTFE to potvrzuje. Jak již bylo uvedeno výše, hladší protilehlý povrch usnadňuje vytvoření přenosného filmu a snižuje opotřebení, zatímco hrubší povrch ho zvyšuje [4]. V jedné studii protilehlých povrchů se čistý PTFE nejvíce opotřeboval proti tvrdému povlaku WC-10Co-4Cr, zatímco polymerní/PTFE kompozity se opotřebovaly méně než čistý PTFE proti chromování a nižší drsnost chromového povlaku vedla k nižšímu opotřebení [4]. Samotný koeficient tření se s protilehlým povrchem měnil jen málo, avšak mechanismus opotřebení se změnil.

Proto by mělo být těsnění, které selhalo předčasně, vyšetřeno společně s pístem. Pokud je povrch pístu poškozen, samotná výměna za jiný materiál těsnění pravděpodobně problém nevyřeší.

Jak lze identifikovat materiál stávajícího těsnění?

Barva a dotek nejsou spolehlivými způsoby identifikace těsnicího materiálu, protože barva není standardizovaná a plniva mění vzhled PTFE. Spolehlivé zdroje jsou katalog dílů výrobce vrtáků, který obvykle uvádí specifikovaný materiál u čísla dílu, a písemné potvrzení materiálové třídy od dodavatele.

Pokud původní specifikace není k dispozici, dodavatel obeznámený s daným modelem vrtáku obvykle dokáže konstrukci identifikovat na základě čísla dílu nebo na základě vzorku selhání těsnění. Požádejte o uvedení materiálu každé jednotlivé součásti – tvrdého kroužku i elastomeru – odděleně, protože tyto dva materiály jsou voleny nezávisle.

1. Li Chuan, Yan Tianjun, Li Tiehui. Těsnění nárazových pístů a krokové těsnění hydraulických kamenolamů. Rock Drilling Machinery & Pneumatic Tools, 2003, (3): 8–12. (V čínštině)
2. Qin Shuai, Cheng Pin, Wang Shidu. Konstrukční optimalizační návrh pryžových komponent v těsnicích zařízeních strojního vybavení. China Tire Resources Comprehensive Utilization, 2026, (8). (V čínštině)
3. Wang Jiansen, Yang Guangsheng, Liu Shaojun, Feng Huai, Wen Yongqiang. Analýza jevu přetlaku v primární tlumicí komoře hydraulického kamenolomního vrtače se dvěma řídicími komorami. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2026, 50(7): 57–67. (V čínštině)
4. Cao Xiaoyu, Zhang Xu, Dang En, Luan Su, Hao Jianxu, Guo Chenhui, Yu Xiaojing, Zhao Kang. Pokroky výzkumu protismykových vlastností polytetrafluoroethylenových materiálů. Polymer Materials Science & Engineering, 2026, online před tiskem. DOI: 10.16865/j.cnki.1000-7555.2026.0127. (V čínštině)
5. An Lihui, Miao Xuemei, Liu Hao, Yang Song, Su Yujie, Wei Shijie. Synergistická modifikace PTFE grafenem a uhlíkovými nanovláknami: tribologické vlastnosti a mechanismus dynamické tepelné/elektrické vodivosti. Tribology, 2026, online first. (In Chinese)
6. Wang Shuai, Ge Zhenghao, Wang Chaobao, Zhang Xiaoliang, Wang Haoyu. Analýza tření a opotřebení PI a PTFE vyplněných CNT metodou molekulární dynamiky. Plastics Science and Technology, 2025, (10): 30–33. (In Chinese)
7. Zhang Xia, Gao Zhixing, Wu Shujuan, Xu Huiren, Shang Quanmin, Wang Fushan. Přehled výzkumu přípravy, zpevňujících plniv a aplikací hydrogenovaného nitrilbutadienového kaučuku. Petrochemical Technology, 2026, 55(4): 611–623. (V čínštině)
8. Lu Yunjiang, Huang Le, Dai Changhao. Analýza odolnosti proti extruzi O-kroužek založená na Marc. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2020, (3): 84–89. (V čínštině)
9. Feng Dongliang, Zhao Ning, Chang Feng, Cai Wenbin, Wang Yongli, Yang Xin. Experimentální studie kompatibility fluoropryžového těsnicího kroužku a hydraulických olejů. Lubrication Engineering, 2018, 43(5): 111–114. (V čínštině)
10. Zhang Wentian, Hu Chunling, Wang Jianhua, Shang Peihua, Ma Guoliang. Analýza metod zkoušek kompatibility hydraulických olejů a turbínových olejů. Lubricating Oil, 2023, 38(4): 55–59. (V čínštině)