Dynamický O-kroužek těsnění vyvažují uzavírací sílu, tření, mazací film, únik a životnost. U statických těsnění je hlavním kritériem, zda se po stlačení dlouhodobě udržuje kontaktní napětí; u dynamických těsnění navíc vzniká relativní pohyb, a proto zde hrají roli i síla nutná k překonání počátečního odporu (breakout force), provozní tření, jev stick-slip/creep, tvorba tepla, opotřebení a porušení mazacího filmu.

Kroužek O musí být dostatečně stlačen, aby zajistil těsnost, avšak čím větší je stlačení, tím vyšší je tření a opotřebení.

The Parker Průvodce kroužky O zařazuje hlavní faktory ovlivňující tření dynamického těsnění do tří kategorií: faktory související s těsnicími částmi (geometrický tvar, výrobní tolerance, předstlačení, tvrdost materiálu, koeficient suchého/mokrého tření, náděj a chování při nízkých teplotách); faktory prostředí (tvorba mazacího filmu, viskozita a její závislost na teplotě); a provozní faktory (pracovní tlak, rychlost tření, drsnost povrchu protilehlého kovového dílu, výrobní tolerance, radiální zatížení pístu/hřídele a podmínky vedení do těsnění).

1. Odkud pochází třecí síla?

Dynamické tření O-kroužku lze zjednodušit jako: Ff ≈ μ × N, kde N ≈ N(předpínací tlak z komprese) + N(tlak média) + N(nesouosost\/zavádění). Jinými slovy tření není určeno pouze materiálem – je společně určeno koeficientem tření μ a kontaktní silou N.

1.1 Tření z předpínacího tlaku z komprese

Po instalaci O-kroužku do drážky je stlačen radiálně nebo axiálně, čímž vzniká počáteční tlaková síla kontaktu pro utěsnění. Tato síla je výhodná pro statické utěsnění, avšak u dynamického utěsnění se stává zdrojem tření. Čím větší je míra stlačení, tím větší je kontaktní plocha a tím vyšší je tlak na utěsňovací linii – obvykle tak roste jak tření při startu, tak i při běhu. Parkerova tabulka parametrů pro nízké tření jasně uvádí jako směrnice ke snížení tření například „snížit stlačení O-kroužku, snížit průřez, snížit tvrdost, snížit tlak, použít mazání, snížit drsnost běžné povrchové plochy“. Existuje však technický kompromis: příliš malé stlačení hrozí únikem; příliš velké stlačení způsobuje vyšší odtrhovou sílu, teplo a opotřebení.

1.2 Tření způsobené tlakem média

U hydraulických válců, pneumatických válců a pohonných jednotek není O-kroužek jednoduše namontován pod tlakovou deformací – tlak v systému dále tlačí O-kroužek směrem k těsnicí ploše, čímž zvyšuje tlakový kontakt. Pro O-pečlivky , se tření obvykle zvyšuje s rostoucím tlakem; příručka firmy Parker také uvádí, že tření O-kroužku roste s provozním tlakem. Proto je běžným problémem u hydraulických válců pracujících za vysokého tlaku následující: čím vyšší je tlak, tím spolehlivější je těsnění, avšak současně se zvyšují i tření, teplo a opotřebení.

1.3 Tření způsobené viskoelastickými vlastnostmi materiálu

Guma není tuhý materiál, ale viskoelastický materiál. Při klouzavém kontaktu dochází k povrchové adhezi, lokální elastické deformaci, hysterézní ztrátě a zpoždění mikrosmykového/stlačovacího odpružení. To znamená, že tření O-kroužku vzniká nejen povrchovým „škrábáním“, ale také ztrátou energie uvnitř gumového tělesa během cyklu deformace–obnovení. Tvrdost, systém plniv, povrchová úprava, polarita materiálu a kompatibilita s prostředím všechny ovlivňují chování při tření.

2. Odtrhová síla: Proč je počáteční rozběh tak náročný?

Síla překonání klidového tření, nazývaná také klidové tření nebo statické tření, je problém, který zákazníci dynamických těsnění nejvíce pozorují. Projevuje se typicky následovně: špičky tlaku v hydraulickém válci v okamžiku spuštění; pneumatický válec se při prvním pohybu zřetelně „lepí“; polohování aktuátoru začíná nerovnoměrně; první pohyb po době vypnutí je zvláště těžký; servosystémy vykazují při polohování jiskření (jitter) nebo překmit.

2.1 Klidové tření je vyšší než tření v chodu

Po určité době stání O-kroužku je mazací vrstva mezi stykovými povrchy postupně vytlačována předkompresí, čímž se povrchy pryže a kovu přibližují stavu tření nebo mezního tření. Čím delší je doba stání, tím tenčí je olejová vrstva, tím výraznější je adheze a tím vyšší je síla potřebná k překonání počátečního odporu (breakout force). Podle příručky firmy Parker je statické počáteční tření elastomeru obvykle výrazně vyšší než tření dynamické; čím delší je doba stání, tím snadněji je olej vytlačován ze stykové plochy těsnění a počáteční tření se může blížit úrovni mezního tření – dokonce až několikanásobku tření při provozu.

2.2 Hlavní příčiny vysoké síly potřebné k překonání počátečního odporu (breakout force)

3. Tření v provozu: Nižší není vždy lepší

Tření v provozu je odpor, který kroužek O vyvíjí během nepřetržitého reciprokého pohybu. Přímo ovlivňuje účinnost válce, rychlost odezvy aktuátoru, stabilitu při nízkých rychlostech, tvorbu tepla, životnost těsnění, spotřebu energie a přesnost řízení. Obtížnost tření v provozu spočívá v tom, že nižší tření často znamená vyšší riziko úniku; pevnější utěsnění zvyšuje tření i opotřebení. Průvodce firmy Parker také jasně uvádí, že snížení kontaktní síly zvyšuje riziko úniku, a proto se často musí tření a schopnost utěsnit vzájemně vyvažovat.

3.1 Mezní tření, smíšené tření a tekutinové mazání

V příručce firmy Parker se k popisu tření v těsnění používá Stribeckova křivka: při statickém startu je tření obvykle v oblasti mezního tření a únik výrazně stoupá při přechodu do smíšeného tření; čisté tekutinové mazání zajišťuje relativně stabilní tření v těsnění a nepřetržité mazání významně snižuje riziko úniku. V typickém popisu uvedeném v příručce je koeficient mezního tření přibližně 0,3 a v oblasti smíšeného tření může klesnout na přibližně 0,06–0,08, avšak konkrétní hodnota závisí na poměru mazání a provozních podmínkách.

3.2 Vliv rychlosti na tření

Při nízké rychlosti vratného pohybu je obtížné vytvořit mazací film a tření zůstává v mezní nebo smíšené oblasti, což zvyšuje pravděpodobnost odporu při startu, „plutí“ (creep) a opotřebení. S rostoucí rychlostí se mazací film snáze vytváří a součinitel tření může klesnout; podle příručky firmy Parker je obecně vyšší rychlost pístu příznivá pro snížení tření, protože vyšší rychlost usnadňuje vytvoření účinného mazacího filmu – absolutní velikost třecí síly však stále závisí na konstrukci těsnění, materiálu, tlaku a míře odstraňování olejového filmu. Rychlost však není čím vyšší, tím lepší. Při vysoké rychlosti může i přes pokles součinitele tření vzrůst výkon způsobený třením: Pteplo = Ff × v. Typickými problémy při nízkorychlostním vratném pohybu jsou tedy obavy z „plutí“ (creep), zatímco při vysoké rychlosti jsou hlavními obavami tvorba tepla a opotřebení.

4. Problémy s „lepivým klouzáním“ (stick-slip) a „plutím“ (creep)

Jev stick-slip, obvykle označovaný také jako lepení-a-klouzání, creep, trhání nebo nestabilita při nízkých rychlostech, není pouze „velké tření“ – jedná se o dynamický jev, při němž se třecí síla nestabilně mění v závislosti na rychlosti a je superponována s pružností systému.

Typické projevy: pneumatický válec se při běhu nízkou rychlostí roztřásá; hydraulický válec se při nízké rychlosti vyvíjí nespojitě; pohonný člen při nastavování polohy nejprve uváznou a poté náhle skočí; mikroregulace polohy servoválce je nestabilní; za podmínek nízké rychlosti a vysoké zátěže vzniká periodické trhání; při změně směru se občas vyskytnou zřetelné rázy.

4.1 Tři podmínky vzniku jevu stick-slip

Podle příručky firmy Parker existují tři nutné podmínky pro vznik jevu stick-slip: statické tření trvale převyšuje dynamické tření; provozní rychlost je nižší než rychlost odpovídající minimu koeficientu tření; výkon je přenášen prostřednictvím pružného tělesa, což je typické např. u hydraulických válců s stlačitelným sloupcem oleje.

Z inženýrského hlediska: nejprve dojde k zaseknutí, při němž se postupně hromadí tlak v systému nebo pružná deformace; jakmile je překonáno statické tření, třecí síla náhle klesne a pohybující se část se rychle trhne vpřed; následně rychlost klesne a část znovu vstoupí do stavu zaseknutí. Tento jev se označuje jako cyklus „zaseknutí–trhnutí–zaseknutí–trhnutí“.

4.2 Proč je creep pravděpodobnější při nízké rychlosti

Při nízké rychlosti je mazací film nedostatečně silný a těsnicí plocha se nachází častěji v oblasti mezního tření. V tomto případě se statické a dynamické tření výrazně liší. Tento jev je zvláště patrný u pneumatických systémů. Podle příručky firmy Parker jsou podmínky mazání pneumatických těsnění méně příznivé než u hydraulických těsnění; pokud se používá mazání tukem, mazací film nelze neustále doplňovat jako u přívodu oleje a postupně se odstraňuje při vratném pohybu. U pneumatických válců pracujících při nízké rychlosti se riziko jevu „přilepení–klouzání“ ještě zvyšuje, snižuje-li se rychlost škrcením přívodu stlačeného vzduchu; ostré okraje těsnění a nevhodná drsnost kovové povrchové úpravy dále tento problém zhoršují.

4.3 Podstata creepu není „příliš pomalá“, ale „nestabilní třecí křivka"

Nízká rychlost sama o sobě není problémem. Problém spočívá v nedostatečném vytváření mazacího filmu při nízké rychlosti, vysokém statickém tření, které je mnohem větší než tření dynamické, nepříznivém průběhu křivky tření v závislosti na rychlosti a pružnosti systému. Pokud tedy zákazník řekne: „Pneumatický válec se při nízké rychlosti pohybuje postranním poskakováním (creep),“ nestačí odpovědět pouze: „Přidejte více maziva.“ Je také nutné zkontrolovat: je stlačení O-kroužku nadměrné; je materiál příliš tvrdý nebo má lesklý povrch; je povrch vnitřního pláště válce příliš drsný nebo naopak příliš lesklý; nedošlo-li již dlouhou dobu k mazání olejem; není-li pístní tyč vychýlená z osy; závisí-li dodávka vzduchu při dosažení nízké rychlosti na extrémním škrcení; je-li průměr vnitřního pláště válce velký, zatímco zátěž je malá a nerovnoměrná; zda není nutné přejít na X-kroužek, Y-kroužek, U-kroužek nebo kombinované těsnění s nízkým třením.

5. Mazací film: klíčový bod rovnováhy pro dynamická těsnění

Dynamická těsnění nejsou ani zcela suchým třením, ani nezávisí na velmi silné olejové vrstvě. Ideálním stavem je obvykle tenká, stabilní a dobře přilnavá mazací vrstva.

Podle příručky firmy Parker je optimálním stavem relativně tenká mazací vrstva s dostatečnou přilnavostí; pokud je mazací vrstva odstraněna, může být těsnění stále velmi těsné, avšak opotřebení se zrychlí; pokud je mazací vrstva příliš silná, může způsobit nežádoucí únik.

5.1 Příliš tenká mazací vrstva

Pokud je mazací vrstva příliš tenká: síla nutná k překonání klidového tření roste; zvyšuje se riziko jevu stick-slip (přerušovaného klouzání); intenzita opotřebení povrchu pryže se zvyšuje; zvyšuje se lokální teplota; kontaktová plocha O-kroužku na těsnicí hraně zjasní a praskne; válec může vyvolat pískot nebo chvění. Mezi běžné příčiny patří nedostatek maziva, nízká viskozita média, vysoká teplota, nevhodná drsnost povrchu, nadměrná předkomprese a dlouhá doba nečinnosti.

5.2 Příliš silná mazací vrstva

Pokud je mazací film příliš silný: tření může klesnout, ale množství oleje na povrchu tyče roste; olejový film se během vratného pohybu odnáší; zvyšuje se vnější únik oleje nebo olejová mlha; pneumatický systém může znečistit prostředí; hydraulický válec může vykazovat únik oleje kolem tyče. Proto tvrzení „vždy čím více mazání, tím lépe“ neplatí – dynamická těsnění potřebují řiditelný olejový film, nikoli neomezené množství oleje.

6. Teplota: Zesilovač problémů s třením

Vznik třecího tepla lze pochopit pomocí jednoduchého vztahu: Ptepla = Ff × v. Při nízké rychlosti může být teplo vyvinuté za jednotku času nízké, avšak mezní tření a jev „přilepení-a-klouzání“ jsou výrazné; při vysoké rychlosti se koeficient tření může snížit, avšak klouzavá rychlost je vysoká a rychlost vzniku tepla může stále být značná. Vznik tepla spouští řetězovou reakci: viskozita média klesá (podle příručky firmy Parker může za vysoké teploty a nízké viskozity mazací film dále tenčit a tření se může dále zvýšit, protože přerušení mazání je pravděpodobnější), gumové materiály se měknou nebo ztvrdnou (různé materiály – NBR, FKM, EPDM, HNBR – mají různé mechanismy stárnutí v závislosti na prostředí a teplotě), zvýšení kompresní deformace (schopnost těsnění se vrátit do původního tvaru klesá, což může později vést k úniku), opotřebení se zvyšuje (únavové poškození povrchu, odštěpování částic, vrypy, praskliny se stávají zřetelnější), mazací tuk stárne (zejména v pneumatických nebo málo mazaných systémech) a řízení systému se zhoršuje (tření se mění s teplotou, což způsobuje posun odezvy u servopohonů a přesných aktuátorů). Pro zákazníky není vznik tepla izolovanou poruchou – je to společný výsledek nerovnováhy mezi třením, mazáním, materiálem, rychlostí a tlakem.

7. Opotřebení: Životní omezení dynamických těsnění O-kroužků

O-kroužky používané v reciprokujících dynamických těsněních se obvykle opotřebují dříve než statická těsnění. Podle příručky společnosti Parker způsobuje opotřebení tření; přesné předpovědi opotřebení jsou obtížné, avšak opotřebení přímo určuje životnost těsnění O-kroužků a frekvenci údržby. Těsnicí části v mnoha provozních podmínkách ve skutečnosti dlouhodobě nezávisí na kapalinovém mazání, nýbrž pracují v oblasti smíšeného tření, takže odolnost proti opotřebení závisí především na materiálu, mazivosti prostředí a drsnosti povrchu protilehlého součásti.

7.1 Běžné formy opotřebení/poruchy

Pro zákazníky hydraulických a pneumatických válců je nejdůležitějším rozlišením: Je to nedostatek těsnicího materiálu, nebo způsobil opotřebení stav povrchu systému, mazání nebo vedení? Mnoho problémů po prodeji není způsobeno tím, že by materiál O-kroužku byl „špatný“ – spíše je provozní podmínka dynamického těsnění již mimo rozsah použitelnosti obecného O-kroužku.

8. Drsnost povrchu: Příliš drsný i příliš hladký povrch mohou být problémem

Dynamický těsnicí styčný povrch nelze posoudit pouze pomocí parametru Ra. Důležitý je také tvar vrcholů a údolí povrchu, nosná plocha a způsob obrábění. Podle příručky firmy Parker vyžadují dynamické těsnicí styčné povrchy obecně jemnější povrchovou úpravu než statické těsnicí povrchy; doporučená referenční drsnost styčného povrchu je Rt ≤ 2,5 μm a Ra 0,25–0,5 μm, přičemž je nutné zohlednit také nosnou plochu a tvar vrcholů; povrchy vzniklé broušením, tažením a podobnými za studena prováděnými technologiemi nesmí obsahovat ostré vrcholy a údolí mohou sloužit jako potenciální rezervoáry maziva, čímž se zlepšuje chování dynamického těsnění.

8.1 Příliš drsný povrch

Příliš drsný povrch způsobuje: poškození gumy řezáním; nestabilitu olejového filmu; zvýšení podílu smíšeného tření; zvýšení abrazivního opotřebení; zkrácení životnosti těsnění.

8.2 Příliš hladký povrch

Příliš hladký povrch také není vždy vhodný – zejména za pneumatických podmínek a při nízkém mazání. Přílišné broušení může vést ke špatné schopnosti udržet mazací film, k lepšímu přilnavosti gumy na kovový povrch a ke zvýšení počátečního tření a jevu „klouzání-sklouznutí“.

Dynamické těsnicí povrchy by proto měly splňovat tyto požadavky: žádné vrcholky, dostatečná nosná plocha a schopnost udržet mikroskopické množství mazacího filmu – nikoli slepé dosažení zrcadlového lesku.

9. Rozdíly mezi hydraulickými válci, pneumatickými válci a pohony

9.1 Hydraulické válce

Hydraulické válce obvykle používají olej jako pracovní prostředek, čímž poskytují lepší podmínky pro mazání než pneumatické systémy, avšak pracují za vysokého tlaku a tedy i za velkého tlaku kontaktu těsnění.

Typické problémy: tření se zvyšuje za vysokého tlaku; odpor proti uvolnění je po vypnutí vysoký; servová válcová jednotka pro nízkou rychlost se pomalu pohybuje; únik oleje nebo prosakování na konci hřídele; vznik tepla při vysokorychlostním reciprokém pohybu; poškození způsobené kontaminačními částicemi; nadměrná mezera způsobuje vyškubávání (extruzi) těsnění. Požadavky, které musí splňovat hydraulický O-kroužek, nejsou pouze „odolnost vůči oleji“ – zahrnují také tření, deformaci pod tlakem (compression set), odolnost proti extruzi, odolnost proti opotřebení, pružnost při nízkých teplotách a kompatibilitu s přísadami do hydraulického oleje.

9.2 Pneumatické válce

Největším problémem pneumatických válců je nedostatečné mazání – mnoho moderních pneumatických systémů usiluje o provoz bez oleje nebo s minimálním množstvím oleje, takže O-kroužek dlouhou dobu pracuje v oblasti mezního či smíšeného tření.

Typické problémy: plazivý pohyb při nízké rychlosti; statické tření při startu; suché tření těsnicí plochy; postupné odškrabávání maziva; lepení po delší době stání; nestabilita mikro-pohybu válce. Podle příručky firmy Parker jsou podmínky mazání pneumatických těsnění náročnější než u hydraulických těsnění; mazání tuhým mazivem se neprovádí kontinuálně a mazací vrstva se postupně odškrabává podél okraje těsnění během pohybu.

9.3 Akční členy a servosystémy

U akčních členů je zvláště důležitá přesnost řízení. Obecné těsnění může splňovat požadavek „bez úniku“, ale nemusí nutně splňovat požadavky na „nízké tření, nízkou hysterezi a nízký plazivý pohyb“.

Typické požadavky: nízká síla pro překonání statického tření; stabilní síla tření; malý rozdíl mezi třecími silami při zpětném pohybu; malý posun třecí síly při změně teploty; řiditelný mikro-posuv; žádný jev lepení a klouzání. Tento typ zákazníka obvykle nemůže použít jako hlavní dynamické těsnění obecný O-kroužek – může být vyžadován těsnící prvek s nízkým třením, povlakovaný O-kroužek, X-kroužek, kompozitní těsnění z PTFE nebo specializované pístní/tyčové těsnění.

10. Návrh a výběr protiopatření

10.1 Snížit stlačení, ale neobětovat utěsnění

Stlačení dynamického těsnění O-kroužku by mělo být obecně konzervativnější než u těsnění statických; příliš vysoké stlačení zvyšuje sílu odtržení a opotřebení.

Inženýrské doporučení: nekopírovat slepě poměry stlačení pro statická těsnění; řídit hloubku a šířku drážky; vyhnout se příliš úzké drážce, která nedá O-kroužku prostor pro deformaci; v případech vysokého tlaku zvážit současně použití podporovacího kroužku místo pouhého zvyšování stlačení; v systémech s vysokými požadavky na tření upřednostňovat testování tření nebo ověření na vzorcích.

10.2 Výběr vhodné tvrdosti

Nízká tvrdost může zajistit lepší tření a hladší pružné chování, ale má slabší odolnost proti extruzi; vysoká tvrdost poskytuje vyšší odolnost proti extruzi, ale může zvýšit kontaktní tlak a sílu odtržení.

10.3 Optimalizace materiálu

10.4 Povrchové povlaky a úpravy pro nízké tření

U problémů s výstupní silou, montážním odporem, jevem lepení-klouzání a automatickým zaseknutím při montáži zvažte povrchové potahy O-kroužků nebo povrchové úpravy se sníženým třením. Materiál Seal-Glide od společnosti Trelleborg uvádí, že povrchová úprava může snížit tření při montáži i provozu, snížit tendenci k jevu lepení-klouzání a zlepšit mazivost bez výrazné změny geometrie těsnění; tento materiál je také vhodný pro použití s EPDM, NBR, HNBR, FKM, FFKM, VMQ a jinými elastomery.

Z inženýrského hlediska lze tyto metody seskupit následovně: potah z PTFE; suchý mazací potah; povrchová úprava na bázi silikonu/nebo vosku; grafitační úprava; ionizační nebo nanoškálová povrchová modifikace; složení směsi s nízkým koeficientem tření.

Poznámka: potah není univerzálním řešením. Za podmínek vysokého tlaku a vysokého opotřebení je nutné ověřit trvanlivost potahu, jeho přilnavost, kompatibilitu s prostředím a deformaci při montáži.

10.5 Nepoužívejte O-kroužek, pokud to není nutné

Standardní O-kroužek má jednoduchou konstrukci, nízkou cenu a dobrou univerzálnost, avšak není nejvhodnějším řešením pro každý dynamický těsnicí scénář.

Zvažte alternativní konstrukci v následujících případech: dlouhodobé pomalé deformace (creep); vysoká požadavků na přesnost polohování; nadměrný tlak pro překonání odporu těsnění (breakout pressure); vysoká tepelná zátěž při reciprokém pohybu; časté opotřebení; vyšlapávání (extruze) a požerání (nibbling) za vysokého tlaku; velké kolísání třecí síly; zákazník vyžaduje současně nízkou únikovost a nízké tření.

11. Tabulka diagnostiky poruch

12. Závěrečný závěr

Problém tření u dynamických O-kroužků je v podstatě důsledkem vzájemného působení pěti faktorů: materiál + deformace pod tlakem + povrch + mazací vrstva + provozní podmínky. Nejčastěji opomíjenými faktory jsou mazací vrstva a tření při uvolnění. To, co mnozí zákazníci vnímají jako „zaseknutí, pomalé posunování, vznik tepla, opotřebení“, má často následující skutečné příčiny: nadměrná deformace pod tlakem; návrh drážky zaměřený na statické těsnění; nevhodná drsnost povrchu; nedostatečné mazání při nízkých rychlostech; příliš velký rozdíl mezi statickým a dynamickým třením; nedostatečná tuhost systému; a použití standardního O-kroužku v aplikaci, která ve skutečnosti vyžaduje nízkotřecí dynamické těsnění.