Glyd-Ring und Stufenring in hydraulischen Zylindern für Gesteinsbohrgeräte: Funktionsweise und Auswahl eines Ersatzes

Hinter jedem Vorschubsystem, jedem Ausleger sowie anderen hydraulischen Stellgliedern eines Felsbohrgeräts befinden sich zwei Dichtungsdesigns, die auf den ersten Blick nahezu identisch erscheinen, jedoch an unterschiedlichen Stellen und aus unterschiedlichen Gründen ihre Funktion erfüllen: der Glyd-Ring und die Stufen-Dichtung. Beide kombinieren einen verschleißfesten PTFE-Ring mit einem Gummi O-Ring darunter und gemeinsam zählen sie zu den am weitesten verbreiteten Kolben- und Stangendichtungen in modernen Hydraulikzylindern. Dieser Artikel erläutert, wie diese kompakten Dichtungen tatsächlich funktionieren, an welchen Stellen eine Bohrgerätanlage sie einsetzt, woran man einen Ausfall erkennt und was vor der Bestellung eines Ersatzes zu prüfen ist.

Was sind Glyd-Ringe und Stufen-Dichtungen?

Ein Glyd-Ring und eine Stufen-Dichtung sind beide Beispiele für das, was die Dichtungsindustrie als kompakte Dichtung oder O-Ring-energierte PTFE-Dichtung bezeichnet: ein steifer, reibungsarmer PTFE-Verschleißring, der von einem elastischen O-Ring gestützt wird, der ihn vorspannt und gegen die Gegenfläche drückt. Der PTFE-Ring ist es, der tatsächlich mit der Zylinderbohrung oder der Kolbenstange in Kontakt tritt und die Dichtwirkung übernimmt; der darunterliegende O-Ring liefert die elastische Vorspannkraft, die PTFE allein nicht aufbringen kann, da PTFE sich nach einer Kompression – im Gegensatz zu Gummi – nicht selbstständig zurückformt.

Der Name „Glyd Ring“ und „Step Seal“ stammt ursprünglich von Herstellermarken ab, wird aber heute branchenweit verwendet – ähnlich wie der Begriff „O-Ring“ selbst zu einem allgemeinen Begriff geworden ist. In chinesischsprachigen Ersatzteilkatalogen werden beide häufig unter dem Sammelbegriff ge Lai Quan (Glyd Ring) zusammengefasst, wobei si Te Feng (Step Seal) speziell für die Stangendichtungsvariante verwendet wird.

Was ist der Unterschied zwischen einem Glyd Ring und einem Step Seal?

Die beiden Konstruktionen sind für entgegengesetzte Aufgaben am selben Zylinder ausgelegt. Ein Glyd Ring weist ein symmetrisches, rechteckiges Profil auf, das eine gleichwertige Dichtwirkung unabhängig davon ermöglicht, von welcher Seite der Druck kommt – genau das, was ein dichtring für Kolben stangendichtung stange-Dichtung abgestimmt ist: das druckbeaufschlagte Öl im Zylinder zu halten, während die Stange ein- und ausfährt.

Eine einfache Merkhilfe für den Unterschied: Ein Glyd Ring wird am Kolben angebracht (Bohrungsdichtung, beidseitige Dichtung), während eine Step Seal am Kolbenstange angebracht wird (Stangendichtung, einseitige Dichtung). Beide verwenden denselben zugrundeliegenden Aufbau aus PTFE plus O-Ring, weshalb sie trotz ihrer unterschiedlichen Position im selben Zylinder so häufig gemeinsam besprochen werden.

Foto 1: Profilvergleich zwischen Glyd Ring und Step Seal

Wie bewirkt der O-Ring-Energizer, dass eine PTFE-Dichtung tatsächlich dichtet?

PTFE wird aufgrund seiner sehr geringen Reibung sowie seiner hervorragenden chemischen und Verschleißbeständigkeit für Dichtungen geschätzt; allein stehend besitzt es jedoch praktisch kein elastisches Gedächtnis: Nach einer Kompression bleibt es komprimiert, anstatt sich wieder auszudehnen, um den Kontakt-Druck aufrechtzuerhalten. Ein hinter dem PTFE-Ring sitzender Gummiring (O-Ring) löst dieses Problem, indem er als Feder fungiert: Er drückt den PTFE-Ring kontinuierlich nach außen (bei einem Glyd-Ring in seiner Bohrungs-Nut) oder nach innen (bei einer Stangendichtung), wodurch der Verschleißring auch bei fortschreitendem Abrieb des PTFE stets fest mit der bewegten Fläche in Kontakt bleibt.

Diese Arbeitsteilung verleiht kompakten Dichtungen ihr charakteristisches Verhalten: die reibungsarme, ruckelfreie Gleitfläche des PTFE kombiniert mit der Fähigkeit des O-Rings, die Kontaktkraft der Dichtung kontinuierlich anzupassen – sowohl bei sich ändernden Spielen als auch beim allmählichen Abrieb des Verschleißrings. Der Ausfall der Funktion des O-Rings – etwa durch dessen eigene Alterung – führt zum Versagen der Dichtung, selbst wenn der PTFE-Ring optisch noch intakt erscheint.

Der grundlegende Test, den jede solche Dichtung bei jedem Betriebsdruck bestehen muss, besteht darin, dass der Kontakt-Druck zwischen dem PTFE-Ring und der bewegten Oberfläche stets über dem Druck der zurückgehaltenen Flüssigkeit liegen muss. Finite-Elemente-Studien zu Glyd-Ring-Dichtungen bestätigen dies direkt: Der maximale Kontakt-Druck steigt gemeinsam mit dem Fluid-Druck und bleibt innerhalb des getesteten Bereichs stets darüber – dies ist die Voraussetzung, um ein Austreten der Dichtung zu verhindern. Dieselben Studien zeigen zudem, wie empfindlich die Leistung der Dichtung gegenüber ihrer exakten Profilform ist: In einer systematischen Untersuchung erwies sich die beste Dichtleistung unter hohem Druck nur innerhalb ziemlich enger geometrischer Toleranzen – etwa im Bereich von wenigen Zehntel Millimeter beim Lippenradius und wenigen Grad beim Seitenwinkel der Dichtung. Genau aus diesem Grund sind Glyd-Ring- und Step-Seal-Profile keinesfalls durch Nachbildung anhand eines optisch ähnlichen Teils zu ersetzen.

Es ist außerdem wichtig zu verstehen, dass eine Hubdichtung selbst dann, wenn sie exakt wie konzipiert funktioniert, keine vollständig leckagefreie Barriere darstellt – ein Aspekt, der bei der Beurteilung entscheidend ist, ob eine geringe Durchtrittsmenge an einer Stange tatsächlich ein Problem darstellt. Die auf der Reynolds-Gleichung beruhende Schmierungstheorie, die zur Modellierung des dünnen Fluidfilms zwischen Dichtlippe und bewegter Oberfläche eingesetzt wird, zeigt, dass eine Hubdichtung bei einem Hub einen Fluidfilm nach außen transportiert und bei dem Rückhub einen solchen wieder nach innen führt; die Netto-Leckage pro Zyklus ist proportional zur Differenz zwischen diesen beiden Filmdicken, die wiederum von dem Druckgradienten auf der Fluidseite im Vergleich zur Luftseite an jedem Ende des Hubes abhängt. Ein Dichtprofil, das den Druckgradienten auf der Fluidseite steiler und auf der Luftseite flacher gestaltet, führt mehr Fluid zurück, als es nach außen lässt, und nähert sich so einer Netto-Leckage von nahezu null über einen vollen Zyklus an; ein schlecht abgestimmtes Profil bewirkt das Gegenteil. Dies bildet einen Teil der theoretischen Grundlage dafür, warum bereits geringfügige Profiländerungen im Bereich von Zehntelmillimetern – wie oben erläutert – einen überproportionalen Einfluss auf die gemessene Leckage haben können.

Wo werden Glyd-Ringe und Stufen-Dichtungen an Bohrgeräten eingesetzt?

Bei einem Bohrgerät befinden sich Glyd-Ringe und Stufen-Dichtungen am häufigsten in den hydraulischen Aktuatorzylindern, die die Ausrüstung um den Bohrer herum bewegen – nicht jedoch im Schlagmechanismus der eigentlichen Bohreinheit: Hierzu zählen beispielsweise Vorschubzylinder, die den Bohrer entlang seiner Führungsschiene vor- und zurückbewegen; Ausleger- und Schwenkzylinder, die den Bohrer über das Bohrloch positionieren; sowie ähnliche Aktuatorzylinder an anderen Stellen des Trägerfahrzeugs. Diese Zylinder unterliegen derselben doppeltwirkenden, wechselnden Druckbelastung, für die Glyd-Ringe und Stufen-Dichtungen speziell konzipiert wurden.

Da insbesondere Vorschubzylinder während einer Bohrschicht ständig zyklisch betätigt werden und in einer staubigen, schmutzbelasteten Umgebung arbeiten, gehören ihre Kolben- und Stangendichtungen zu den am häufigsten ausgetauschten Verschleißteilen auf der Anlagen-Seite eines Bohrbetriebs – im Unterschied zu den Verschleißteilen auf der Schlagseite wie etwa der Akkumulatormembran oder der Cup-Dichtung, die an anderer Stelle behandelt werden.

Was geschieht, wenn ein Glyd-Ring oder eine Stufenabdichtung versagt?

Wenn der PTFE-Verschleißring durchgeschliffen ist oder der O-Ring-Energizer seine Elastizität verliert, kann die Dichtung nicht mehr ausreichend Kontakt-Druck gegen die Bohrung oder Stange aufrechterhalten, um den hydraulischen Druck abzudichten. Die praktische Folge ist innere Leckage am Kolben (erkennbar daran, dass der Zylinder an Haltekraft verliert oder unter Last nachgibt) oder äußere Leckage an der Stangendichtung (sichtbares Ölauslaufen an der Stange, insbesondere nach längerer Standzeit bei Druckbelastung).

Da der PTFE-Ring und der O-Ring unabhängig voneinander versagen können – ein verhärteter, rissiger O-Ring kann einen ansonsten funktionsfähigen PTFE-Ring unbrauchbar machen, und ein durchgeschliffener PTFE-Ring kann einen ansonsten intakten O-Ring direktem Verschleiß aussetzen – wird bei einem Dichtungssatz-Austausch in der Regel beide Komponenten gemeinsam ersetzt, statt sie als separate Ersatzteile zu behandeln.

Foto 2: Abgenutzter PTFE-Ring und O-Ring-Energizer

Wie erkennen Sie, ob die Dichtung Ihres Zylinders versagt hat?

Ein defekter Glyd-Ring oder eine defekte Stufen-Dichtung zeigt sich in der Regel durch eines oder mehrere der folgenden Symptome:

• Der Zylinder verliert Haltekraft oder driftet unter Last, obwohl er stehen bleiben sollte.
• Sichtbare Ölaustritte an der Kolbenstangendichtung, insbesondere deutlich nachdem die Maschine unter Druck stehend stillgestanden hat.
• Langsamere oder ungleichmäßigere Zylinderbewegung, besonders zu Beginn eines Hubes.
• Verunreinigung oder Verfärbung des Hydrauliköls infolge einer defekten Abstreifdichtung, die Staub und Schmutzpartikel nicht mehr wirksam ausschließt.
• Ein Zylinder, der sich schwammig anfühlt oder an Positioniergenauigkeit verliert – ein Hinweis auf internen Durchfluss an der Kolbendichtung vorbei.

Die folgende Tabelle verknüpft diese Symptome mit wahrscheinlichen Ursachen sowie einer sinnvollen ersten Überprüfung.

Was verursacht vorzeitigen Verschleiß dieser Dichtungen?

Mehrere Bedingungen verkürzen die Lebensdauer von Glyd-Ringen und Stufenringen deutlich unter ihr konstruktives Potenzial:

• Verunreinigtes Hydrauliköl mit abrasiven Partikeln, das den Verschleiß der Gleitfläche des PTFE-Rings beschleunigt.
• Ein angeritztes, pockennarbiges oder korrodiertes Zylinderlaufbuchsen- oder Kolbenstangenumfeld, das der PTFE-Ring – egal wie gut er sitzt – nicht vollständig ausgleichen kann.
• Ein O-Ring-Energizer-Material, das mit dem verwendeten Hydraulikfluid inkompatibel ist und daher schneller als erwartet aufquillt, verhärtet oder an Elastizität verliert.
• Falsche Montage, insbesondere die Einbauorientierung eines Stufenrings in falscher Richtung, wodurch dessen einseitiges Dichtkonzept von Anfang an außer Kraft gesetzt wird.
• Dauerhafte Hochtemperatur über dem zulässigen Bereich des O-Ring-Energizers, da der PTFE-Ring selbst zwar hitzebeständig ist, der darunterliegende Gummienergizer jedoch meist die schwächere Komponente darstellt.

Warum ist die Einbaurichtung für eine Stufen-Dichtung so entscheidend?

Das symmetrische Profil eines Glyd-Rings macht es praktisch unmöglich, ihn falsch herum einzubauen; unabhängig von der Orientierung wirkt er stets gleich dichtend. Das gestufte, asymmetrische Profil einer Stufen-Dichtung verhält sich genau umgekehrt: Sie ist speziell dafür konzipiert, nur in einer Richtung dicht zu wirken; bei falscher Montage richtet sich die Niederdruckseite der Dichtung nun zur Druckölseite hin, die sie eigentlich zurückhalten soll.

Eine Stufen-Dichtung, die in falscher Orientierung eingebaut wurde, kann kurzfristig scheinbar funktionsfähig erscheinen, da der O-Ring-Energizer weiterhin eine gewisse Dichtkraft bereitstellt; sie versagt jedoch meist deutlich vor Ablauf ihrer zulässigen Einsatzdauer und kann dabei auf eine Weise versagen, die optisch nicht von normalem Verschleiß zu unterscheiden ist – weshalb die Einbaurichtung bei jedem Austausch einer Kolbenstangendichtung stets zweifach gegen die Montageanleitung des Herstellers geprüft werden sollte und niemals allein anhand der Nutform angenommen werden darf.

Stufenringe weisen zudem eine dokumentierte, druckabhängige Leckverhalten-Kennlinie auf, die man kennen sollte, bevor man einen solchen Ring als „ausgefallen“ diagnostiziert. Klassische Dichtungsforschung zum Verhalten von Stufenringen beschreibt vier Zonen, die sich bei steigendem Systemdruck ergeben: eine Unterschwellen-Zone bei sehr niedrigem Druck (ca. 0 bis 0,6 MPa), in der die Leckage vernachlässigbar ist; eine Instabilitätszone (ca. 0,6 bis 1,5 MPa), in der der Gleitring kurzzeitig schweben kann und die Reibung auf ein lokales Minimum fällt, wodurch die innere Leckage vorübergehend ansteigt – obwohl tatsächlich keine Störung vorliegt; eine normale Dichtungszone (ca. 3 bis 32 MPa, je nach Auslegung), die den Großteil realer Betriebsdrücke abdeckt und bei der die Dichtleistung gut und stabil ist; sowie eine Dichtungsversagenszone oberhalb des zulässigen Drucks des Rings, bei der die Dichtwirkung endgültig zusammenbricht. Da die Instabilitätszone bei den meisten Zylindern deutlich unter dem normalen Arbeitsdruck liegt, verursacht sie in der Praxis selten Probleme. Bei Konstruktionen, die diese Zone zwangsläufig durchlaufen müssen – beispielsweise während eines langsamen Druckaufbaus – erfolgt der Durchlauf manchmal gezielt schnell, oder es wird ein Stufenring mit einer zweiten, anderen Dichtungsart kombiniert, sodass deren Instabilitätsdruckbereiche sich nicht überlappen. Dies ist einer der Gründe, warum Mehrkomponenten-Dichtungssätze – statt eines einzelnen Rings – die übliche Spezifikation für eine Kolbenstangen-Dichtungsposition sind.

Foto 3: Einbaulage der Step Seal .

Wie wählen Sie die richtige Ersatz-Glyd Ring- oder Step Seal-Dichtung aus?

Nach Bestätigung des Ausfalls bestimmen drei Faktoren die richtige Ersatzdichtung:

• Exakte dimensionsgerechte Passung an den Zylinderbohrungs- oder Stangendurchmesser sowie an das Nutprofil, da Glyd Rings und Step Seals spezifisch für jedes Zylinderdesign dimensioniert und profiliert sind.
• Eine PTFE-Verbindung und ein O-Ring-Energisierer-Material, das für Last, Geschwindigkeit und Hydraulikflüssigkeit der Anwendung geeignet ist – dies wird in einem ergänzenden Artikel zu den bei diesen Dichtungen verwendeten Materialien ausführlicher behandelt.
• Beschaffung eines abgestimmten Paares (PTFE-Ring plus Energisierer) statt Mischen von Komponenten verschiedener Lieferanten, da beide Teile für eine bestimmte Passung und Vorspannung aufeinander abgestimmt sind.

Foto 4: Anordnung des Ersatzdichtungssatzes vor der Montage

Wo können Sie zuverlässige Ersatzdichtungen beziehen?

Da die Abmessungen von Glyd Ring und Step Seal spezifisch für den Bohrungsdurchmesser oder Stangendurchmesser sowie das Nutdesign jedes einzelnen Zylinders sind, hängt die Beschaffung davon ab, einen Lieferanten zu finden, der die exakten Abmessungen liefern kann und eine geeignete Kombination aus PTFE und O-Ring für die jeweilige Anwendung empfiehlt – und nicht lediglich ein allgemein dimensioniertes Teil.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, ein chinesischer Dichtungshersteller, gegründet im Jahr 2013, fertigt Polyurethan- (PU), Gummi- und PTFE-Dichtungskomponenten, darunter Kolbendichtungen und Stangendichtungen vom Typ Glyd Ring und Step Seal für Hydraulikzylinder in Geräten für Gesteinsbohrungen, Bauanwendungen und Bagger; das Unternehmen gibt an, vor Auftragserteilung kostenfreie technische Unterstützung anzubieten, um die korrekten Abmessungen und Materialkombinationen für einen gegebenen Zylinder zu bestätigen.

Falls Sie unsicher sind, welche Dichtung Ihr Zylinder benötigt, ist die zuverlässigste Methode, um eine passende und leistungsfähige Dichtung zu erhalten, die Angabe des Zylinderbohrungsdurchmessers und des Kolbenstangendurchmessers sowie der Nutabmessungen und Ihrer typischen Betriebsbedingungen (Druck, Geschwindigkeit, Hydraulikflüssigkeitstyp und Temperatur) an einen Lieferanten, der diese Daten mit bekannten Zylinderkonstruktionen abgleichen kann.

Foto 5: Dichtungs-Kit verpackt für den Versand

1. Dai L. „Optimierung und experimentelle Untersuchung der Dichtleistung hydraulischer Hubglyd-Ringe.“ Masterarbeit, Jiangnan University, 2025.
2. Yao S. „Analyse der Dichtungseigenschaften von Stufendichtungen.“ Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. „Berechnungsmethode für die Lebensdauer von Glyd-Ringen in Hydraulikzylinderkolben.“ Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. „Achtzig Jahre Forschung zu hydraulischen Hubdichtungen: Übersicht tribologischer Studien und verwandter Themen seit den 1930er Jahren.“ Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.