Glyd-ring og trinforsegling i hydrauliske cylindre til stenboringsudstyr: Hvordan de fungerer og hvordan man vælger en erstatning

Bagved hver rodfresningsanlægs fremføringsystem, bom og andre hydrauliske aktuatorer ligger et par tætningsdesigns, der ved første øjekast ser næsten identiske ud, men som udfører deres opgaver på forskellige steder af forskellige årsager: Glyd Ring og Step Seal. Begge kombinerer en slidstærk PTFE-ring med en gummibånd O-ring under den, og sammen udgør de nogle af de mest anvendte kolbe- og stangtætninger i moderne hydraulikcylindre. I denne artikel forklares, hvordan disse kompakte tætninger faktisk fungerer, hvor et rodfresningsanlæg bruger dem, hvordan man genkender en fejl, og hvad man skal kontrollere, inden man bestiller en erstatning.

Hvad er Glyd Rings og Step Seals?

En Glyd Ring og en Step Seal er begge eksempler på det, som tætningsindustrien kalder en kompakt tætning eller en O-ring-aktiveret PTFE-tætning: en stiv, lavtfriktions PTFE-slidring, der understøttes af en gummiring (O-ring), som forspænder den mod den tilstødende overflade. Det er PTFE-ringen, der rent faktisk kontakter cylinderboven eller stemmelstangen og udfører tætningen; O-ringen nedenunder leverer den elastiske trykkraft, som PTFE ikke selv kan levere, da PTFE ikke fjeder tilbage som gummi, når det er komprimeret.

Navnene "Glyd Ring" og "Step Seal" stammer fra fabrikantmærker, men bruges nu bredt i hele branchen – på samme måde som "O-ring" er blevet et generisk udtryk. I kinesksprogede reservedelskataloger grupperes begge ofte under fællesbetegnelsen glyd ring (Glyd ring), mens step Seal (Step Seal) specifikt anvendes til varianten til stangtætning.

Hvad er forskellen mellem en Glyd Ring og en Step Seal?

De to designe er bygget til modsatrettede opgaver på samme cylinder. En Glyd Ring har en symmetrisk, rektangulær profil, hvilket gør, at den tætter lige så effektivt uanset, hvilken side trykket kommer fra – præcis hvad en pistonslutsæt har brug for, da hydraulisk tryk skifter mellem de to sider af stempelen, mens cylinderen ud- og indtrækkes. En Step Seal har en asymmetrisk, trinvis profil, der er designet til at tætte i én retning kun, og som passer til en stålsøjle sigill 's faktiske opgave: at holde trykluftet olie inde i cylinderen, mens stangen bevæger sig ind og ud.

En simpel måde at huske forskellen på: En Glyd Ring monteres på stemplet (bore-tætning, tovejs-tætning), og en Step Seal monteres på stangen (stang-tætning, envejs-tætning). Begge bruger den samme underliggende konstruktion med PTFE plus O-ring, hvilket er grunden til, at de ofte diskuteres sammen, selvom de udfører forskellige funktioner på samme cylinder.

Foto 1: Sammenligning af Glyd Ring og Step Seal profiler

Hvordan får O-ring-energisatoren en PTFE-tætning til faktisk at tætte?

PTFE værdesættes for tætning på grund af sin meget lave friktion og fremragende kemiske og slidbestandighed, men alene har den næsten ingen elastisk hukommelse: når den engang er komprimeret, forbliver den komprimeret i stedet for at springe tilbage for at opretholde kontakttrykket. En gummiring (O-ring) placeret bag PTFE-ringen løser dette ved at fungere som fjederen: den presser konstant PTFE-ringen udad (for en Glyd Ring i dens boreskår) eller indad (for en stangtætningsanordning) og holder slidringen i fast kontakt med den bevægelige overflade, selv mens PTFE gradvist slids ned over tid.

Denne arbejdsfordeling er, hvad der giver kompakte tætninger deres karakteristiske adfærd: den lave friktion og lave stick-slip-glidende overflade af PTFE kombineret med O-ringens evne til løbende at justere tætningens kontaktkraft, når spillerum ændres og slidringen gradvist slids. Tab af O-ringens funktion – som følge af dens egen nedbrydning – får tætningen til at svigte, selvom PTFE-ringen selv måske stadig ser intakt ud.

Den grundlæggende test, som enhver sådan tætning skal bestå ved ethvert arbejdstryk, er, at kontakttrykket mellem PTFE-ringen og den bevægelige overflade skal forblive højere end trykket fra væsken, som tætningen skal holde tilbage. Finite-element-undersøgelser af Glyd Ring-tætninger bekræfter dette direkte: det maksimale kontakttryk stiger sammen med væskepresset og forbliver højere end dette inden for det testede område – hvilket er betingelsen for, at tætningen ikke lækker. De samme undersøgelser viser også, hvor følsom tætningens ydeevne er over for dens præcise profil – i én systematisk undersøgelse blev den bedste tætningsydeevne ved højt tryk kun fundet inden for ret smalle geometriske intervaller, på størrelsesorden nogle tiendedele millimeter i leppens radius og nogle få grader i tætningens sidevinkel – hvilket er en væsentlig årsag til, at Glyd Ring- og Step Seal-profiler ikke er noget, der kan tilnærmes ud fra en del, der blot ligner.

Det er også værd at bemærke, at en reciprokerende tætning ikke udgør en perfekt nul-lækkage-barriere, selv når den fungerer præcis som beregnet – hvilket er afgørende, når man vurderer, om en lille mængde lækkage ved stangen faktisk udgør et problem. Smøringsteori baseret på Reynolds’ ligning, som anvendes til at modellere den tynde væskefilm mellem tætningslæben og den bevægelige overflade, viser, at en reciprokerende tætning fører en væskefilm med sig udad under én slagbevægelse og en film tilbage indad under returbevægelsen; nettolækkagen pr. cyklus er proportional med forskellen mellem disse to filmtykkelser, hvilket igen afhænger af trykgradienten på væskesiden i forhold til luftsiden ved hver ende af slaget. En tætningsprofil, der er designet til at forstærke trykgradienten på væskesiden og mindske den på luftsiden, vil returnere mere væske, end den slipper ud, og nærme sig nettonul-lækkage over en fuld cyklus; en dårligt tilpasset profil har den modsatte virkning. Dette udgør en del af den teoretiske baggrund for, hvorfor små profilændringer i tiendedele millimeter – som diskuteret ovenfor – kan have en overmådelig effekt på den målte lækkage.

Hvor bruger stenboreanlæg Glyd-ringe og trin-tætninger?

På et stenboreanlæg findes Glyd-ringe og trin-tætninger typisk i de hydrauliske aktuatorcylindre, der bevæger udstyret rundt om boret selv – ikke inden i støddelen i selve stenboreenheden: fremføringscylindre, der fremskubber og trækker boret langs dets føringsskinne; bom- og svingcylindre, der placerer boret over borehullet; samt lignende aktuatorcylindre andre steder på bærende enhed. Disse cylindre udsættes for den samme dobbeltvirkende, skiftevis trykbelastede drift, som Glyd-ringe og trin-tætninger er designet til.

Fordi fremføringscylindre især cykliserer konstant under en boringsskift og opererer i et støvfyldt, smudsrigt miljø, er deres kolvestopper og stangtætninger blandt de mest hyppigt udskiftede sliddele på anlægsiden af en stenboreoperation – i modsætning til sliddele på stødsiden, såsom akkumulatordiaphragmet eller kop-tætningen, som behandles andre steder.

Hvad sker der, når en Glyd-ring eller trinsegling svigter?

Når PTFE-slidringen er slidt igennem eller O-ringens energizer mister sin elasticitet, kan seglingen ikke længere opretholde tilstrækkeligt kontakttryk mod cylinderboven eller stangen for at holde hydrauliktrykket tilbage. Det praktiske resultat er intern utæthed forbi kolben (hvilket vises som, at cylinderen mister sin fastholdende kraft eller driver under belastning) eller ekstern utæthed forbi stangseglingen (synlig olieudtrængning ved stangen, især efter, at cylinderen har stået inaktiv og under tryk i en tid).

Da PTFE-ringen og O-ringen kan svigte uafhængigt af hinanden – en hærdet, revnet O-ring kan ødelægge en ellers funktionsdygtig PTFE-ring, og en slidt PTFE-ring kan udsætte en ellers sund O-ring for direkte slid – erstattes en seglingskit typisk begge komponenter samlet i stedet for at behandle dem som separate reservedele.

Foto 2: Slidt PTFE-segling og O-ring-energizer

Hvordan kan du afgøre, om din cylinders segling har svigtet?

En fejlbehæftet Glyd Ring eller Step Seal viser sig typisk som én eller flere af følgende:

• Cylinderen mister holdkraft eller kryber under belastning, når den burde forblive stille.
• Synlig olieudtræden fra stangtætningen, især tydelig efter, at maskinen har stået stille under tryk.
• Langsommer eller mindre konsekvent cylinderbevægelse, især ved starten af en slaglængde.
• Forurening eller farveændring i hydraulikolien som følge af en slidt tørringsring, der ikke længere udelukker støv og snavs.
• En cylinder, der føles svampet eller mister præcision i positioneringen, i overensstemmelse med intern omgåelse forbi pistontætningen.

Tabellen nedenfor forbinder disse symptomer med sandsynlige årsager samt en fornuftig første kontrol.

Hvad forårsager for tidlig slitage af disse tætninger?

Flere forhold forkorter levetiden for Glyd Rings og Step Seals betydeligt ud over deres designmæssige potentiale:

• Forurenet hydraulikolie, der indeholder slidende partikler, hvilket accelererer slitage på PTFE-ringens glidende overflade.
• En ridset, pitted eller korroderet cylinderboring eller stangoverflade, som PTFE-ringen ikke kan kompensere fuldt ud for – uanset hvor godt den er monteret.
• Et O-ring-energimateriale, der ikke er kompatibelt med den anvendte hydraulikvæske, hvilket får det til at svulme, hærde op eller miste elasticitet hurtigere end forventet.
• Forkert montering, især montering af en Step Seal i forkert retning, hvilket fra begyndelsen neutraliserer dens enrettede tætningsfunktion.
• Vedvarende høj temperatur uden for O-ring-energimaterialets angivne temperaturområde, da PTFE-ringen selv tåler varme godt, men den underliggende gummiergiser normalt er den svageste kobling.

Hvorfor er monteringsretningen så afgørende for en trin-tætning?

En Glyd Ring's symmetriske profil betyder, at det i praksis er umuligt at montere den forkert; den tætter på samme måde uanset orientering. En trin-tætnings trinformede, asymmetriske profil er det modsatte: Den er specifikt designet til at tætte i én retning, og hvis den monteres forkert, vender den lavtryks-side af tætningen nu mod olie under tryk – den olie, den skal holde tilbage.

En trin-tætning, der er monteret i forkert retning, kan måske virke kortvarigt, da O-ring-energizeren stadig leverer en vis tætningskraft, men den vil typisk svigte langt før dens angivne levetid og kan svigte på en måde, der ligner almindelig slitage – hvilket er grunden til, at monteringsretningen bør dobbelttjekkes mod producentens monteringsanvisninger hver gang en stangtætning udskiftes, og ikke blot antages ud fra sporets form.

Step-seals har også en dokumenteret, trykafhængig lækkageegenskab, som er værd at kende, inden man diagnosticerer en sådan som »fejlet«. Klassisk tætningsforskning om Step-seals adfærd beskriver fire zoner, når systemtrykket stiger: en under-tætningszone ved meget lavt tryk (ca. 0 til 0,6 MPa), hvor lækkagen er ubetydelig; en ustabilitetszone (ca. 0,6 til 1,5 MPa), hvor glide-ringens kan svæve kortvarigt, og gnidningen falder til et lokalt minimum, hvilket midlertidigt øger den interne lækkage, selvom der faktisk intet er fejlet; en normal tætningszone (ca. 3 til 32 MPa, afhængigt af konstruktionen), der dækker de fleste reelle driftstryk, hvor tætningsydelsen er god og stabil; samt en tætningsfejl-zone over tætningens nominelle tryk, hvor tætningen permanent bryder sammen. Da den ustabile zone ligger langt under det normale arbejdstryk for de fleste cylindre, forårsager den sjældent problemer i praksis, men konstruktioner, der nødvendigvis må gennemløbe denne zone – f.eks. under langsom trykopbygning – gør det nogle gange med vilje hurtigt, eller kombinerer en Step-seal med en anden, forskellig tætnings-type, således at deres ustabile trykområder ikke overlapper. Dette er en af årsagerne til, at fler-komponent-tætningskits – frem for en enkelt ring – normalt specificeres for en stangtætningsposition.

Foto 3: Installationens retning for trinforsegling .

Hvordan vælger du den rigtige erstatningsglydring eller trinforsegling?

Når fejlen er bekræftet, afgør tre faktorer, hvilken erstatning der er den rigtige:

• Præcis målmatch til cylinderens boor- eller stangdiameter og rilleprofil, da glydringe og trinforseglinger er dimensioneret og profileret specifikt til hver cylinderkonstruktion.
• En PTFE-blanding og en O-ring-energizer af materiale, der er velegnet til applikationens belastning, hastighed og hydraulikvæske – beskrevet mere detaljeret i en tilhørende artikel om de materialer, der anvendes i disse forseglinger.
• Køb af et parvis matchet sæt (PTFE-ring plus energizer) frem for at blande komponenter fra forskellige leverandører, da de to dele er designet til at fungere sammen med en bestemt pasform og forspænding.

Foto 4: Layout af erstatningsforseglingssæt før installation

Hvor kan du købe pålidelige erstatningsforseglinger?

Da Glyd Ring- og Step Seal-dimensionerne er specifikke for hver cylinders bores- eller stangstørrelse samt for grovdesignet, handler sourcing om at finde en leverandør, der kan levere præcis de rigtige dimensioner og anbefale en passende kombination af PTFE og O-ring til anvendelsen i stedet for en generisk størrelse.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, en kinesisk tætningsproducent, der blev grundlagt i 2013, fremstiller PU-, gummioch PTFE-tætningskomponenter, herunder kolvestætninger og stangtætninger af Glyd Ring- og Step Seal-typen til hydrauliske cylindre i udstyr til stenboring, bygge- og gravearbejde, og oplyser, at virksomheden yder gratis teknisk support for at bekræfte de korrekte dimensioner og materialekombination for en given cylinder, inden en ordre afgives.

Hvis du er usikker på, hvilken tætning din cylinder kræver, er den mest pålidelige måde at få en tætning, der passer og yder som forventet, at give leverandøren målene for cylinderens boor- og stangdiameter samt sporets dimensioner samt dine typiske driftsbetingelser (tryk, hastighed, type hydraulikvæske og temperatur), så leverandøren kan sammenligne med kendte cylindertyper.

Foto 5: Tætningskit pakket til afsendelse

1. Dai L. "Optimering og eksperimentel undersøgelse af tætningsydelsen for hydrauliske reciprokerende Glyd-ringe." Kandidatspeciale, Jiangnan University, 2025.
2. Yao S. "Analyse af trin-tætnings tætningskarakteristika." Hydraulik, pneumatiske systemer og tætninger, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. "Beregningsmetode for levetiden af Glyd-ringe, der anvendes i hydrauliske cylinderkolber." Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. "Firvejs forskning på hydrauliske reciprokerende tætninger: Oversigt over tribologiske studier og relaterede emner siden 1930'erne." Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.