Glyd-rengas ja askeltiiviste kallionporakoneen hydraulisissa sylintereissä: miten ne toimivat ja miten vaihtotuote valitaan

Jokaisen kallioruiskutuslaitteen syöttöjärjestelmän, käsivarren ja muiden hydraulisten toimilaitteiden takana sijaitsee kaksi tiivistysmuotoa, jotka näyttävät ensi silmäyksellä lähes identtisiltä, mutta toimivat eri paikoissa eri syistä: Glyd Ring - ja Step Seal -tiivisteet. Molemmat koostuvat kulumisesta kestävästä PTFE-renkaasta ja sen alla olevasta kumista O-renkaat ja ne muodostavat yhdessä nykyaikaisten hydraulisyylinterien laajimmin käytettyjä pistonsihteitä ja tukipuusihdeitä. Tässä artikkelissa selitetään, miten nämä kompaktit tiivisteet tosiasiallisesti toimivat, missä kallioruiskutuslaitteessa niitä käytetään, miten tunnistaa niiden vikaantuminen ja mitä tarkistaa ennen varaosan tilaamista.

Mitä ovat Glyd Ring - ja Step Seal -tiivisteet?

Glyd Ring ja Step Seal ovat molemmat esimerkkejä siitä, mitä tiivistysalan ammattilaiset kutsuvat kompaktiksi tiivistykseksi tai O-renkaalla energisoitavaksi PTFE-tiivistykseksi: jäykkä, alhaisen kitkan omaava PTFE-kulumarenkaan takana on kumista O-rengas, joka aiheuttaa etukiristystä vastapinnaa kohtaan. Itse asiassa PTFE-rengas koskettaa sylinterin sisäpintaa tai pistoniakselia ja suorittaa tiivistystehtävän; alapuolella oleva O-rengas tarjoaa joustavan puristuksen, jota PTFE ei kykene tuottamaan itsekseen, koska PTFE ei palautu kumimaisesti puristettaessa.

Nimet "Glyd Ring" ja "Step Seal" alun perin olivat valmistajien tavaramerkkejä, mutta niitä käytetään nykyisin laajasti koko teollisuudessa samalla tavoin kuin myös "O-rengas" on muodostunut yleisnimeksi. Kiinalaisissa osaluettelossa molemmat ryhmitellään usein yleiskäsitteen glyd ring (Glyd ring) alle, kun taas step Seal (Step Seal) viittaa erityisesti akselitiivistykseen.

Mikä on ero Glyd Ringin ja Step Sealin välillä?

Nämä kaksi suunnittelua on tehty vastakkaisiin tehtäviin samassa sylinterissä. Glyd Ring -tiivisteellä on symmetrinen, suorakulmainen profiili, joka mahdollistaa yhtä hyvän tiivisteen riippumatta siitä, mistä puolelta paine tulee – täsmälleen se, mitä pistemerkki tarvitsee, koska hydraulinen paine vaihtelee sylinterin pistoni kahden puolen välillä, kun sylinteri ulottuu ja supistuu. Step Seal -tiivisteellä on epäsymmetrinen, porrastettu profiili, joka on suunniteltu tiivistämään vain yhteen suuntaan, ja se vastaa nöyräsigeli todellista tehtävää: pitää paineistettu öljy sylinterissä, kun varsi liikkuu sisään ja ulos.

Yksinkertainen tapa muistaa ero: Glyd Ring asennetaan pistoniin (putken sisäpuolen tiiviste, kaksisuuntainen tiivistys), ja Step Seal asennetaan varseen (varren tiiviste, yksisuuntainen tiivistys). Molemmat käyttävät samaa perusrakennetta, jossa yhdistyvät PTFE ja O-renkaan energisoija, mikä selittää, miksi niitä käsitellään usein yhdessä, vaikka ne toimivatkin eri paikoissa samassa sylinterissä.

Kuva1: Glyd Ring - ja Step Seal -profiilien vertailu

Miten O-renkaan energisoija saa PTFE-tiivisteen todella tiivistämään?

PTFE:ta arvostetaan tiivistystarkoituksiin sen erinomaisen alhaisen kitkan ja loistavan kemiallisen sekä kulumisvastustuskyvyn vuoksi, mutta se ei itsessään juurikaan omaa kimmoista muodonmuutoksen palautumiskykyä: kun se on kerran puristettu, se pysyy puristettuna eikä palaa takaisin alkuperäiseen muotoonsa ylläpitääkseen kontaktipainetta. Kumista O-renkaan sijoittaminen PTFE-renkaan taakse ratkaisee tämän ongelman toimimalla jousena: se työntää jatkuvasti PTFE-renkaata ulospäin (Glyd Ring -tiiviste porauksessa) tai sisäänpäin (tangontiivisteen asennuksessa), pitäen kulumisrenkaan tiukasti kosketuksissa liikkuvan pinnan kanssa, vaikka PTFE itse kulumuisikin ajan myötä.

Tämä työnjaottelu antaa kompakteille tiivisteille niiden tunnusomaisen käyttäytymisen: PTFE:n alhainen kitka ja alhainen tarttumis-liukumis-ilmiö liukupinnassa yhdistettynä O-renkaan kykyyn säätää jatkuvasti tiivisteelle kohdistuvaa kontaktivoimaa, kun välykset muuttuvat ja kulumisrengas hitaasti kuluisi. O-renkaan toiminnan menettäminen – esimerkiksi sen omasta rappeutumisesta johtuen – aiheuttaa tiivisteen epäonnistumisen, vaikka PTFE-rengas näyttäisi edelleen olevan ehjä.

Peruskoetilanne, jonka tällaisen tiivisteen on täytettävä millä tahansa käyttöpaineella, on se, että PTFE-renkaan ja liikkuvan pinnan välinen kosketuspaine pysyy suurempana kuin tiivistettävän nesteen paine. Glyd Ring -tiivisteiden äärellisalkioanalyysit vahvistavat tämän suoraan: huippukosketuspaine nousee yhdessä nestepaineen kanssa ja pysyy sen yläpuolella koko testatulla alueella, mikä on ehto, joka estää tiivisteen vuotamisen. Samat analyysit osoittavat myös, kuinka herkkä tiivisteen suorituskyky on tarkalleen määritellylle profiilille – yhdessä systemaattisessa tutkimuksessa paras tiivistysteho korkeassa paineessa saavutettiin vain melko kapealla geometrisella alueella, jossa lipun säde vaihteli muutaman kymmenesosan millimetrin ja tiivisteen sivukulma muutaman asteen sisällä – tämä on merkittävä osa siitä, miksi Glyd Ring - ja Step Seal -profiilit eivät ole sellaisia, joita voidaan arvioida muun samannäköisen osan perusteella.

On myös hyvä ymmärtää, että palauttava tiiviste ei ole täydellinen nollatiputuksen este, vaikka se toimisikin täsmälleen suunnitellulla tavalla; tämä on tärkeää arvioitaessa, aiheuttaako pieni määrä vuotamista kannattimen pinnalla todellista ongelmaa. Reynoldsin yhtälöön perustuva voiteluteoria, jota käytetään mallintamaan tiivisteen reunan ja liikkuvan pinnan välillä olevaa ohutta nestekalvoa, osoittaa, että palauttava tiiviste kuljettaa nestekalvon mukanaan ulospäin yhdellä liikkeellä ja takaisin sisään paluuliikkeellä; nettovuotaminen kullekin kierrokselle on verrannollinen näiden kahden kalvon paksuuseroon, joka puolestaan riippuu painegradientista nestepuolella ja ilmapuolella kunkin liikkeen päissä. Tiivisteprofiili, joka on suunniteltu tehostamaan painegradienttia nestepuolella ja tasoittamaan sitä ilmapuolella, kuljettaa takaisin enemmän nestettä kuin mitä se päästää ulos, mikä johtaa lähes nollaan nettovuotamiseen koko kierroksella; huonosti sovitettu profiili toimii päinvastoin. Tämä on osa teoreettista perustaa sille, miksi edellä mainitut pienet, kymmenesosamillimetrein mitatut profiilimuutokset voivat vaikuttaa mittauksissa havaittuun vuotamiseen epäsuhtaisesti suurella tavalla.

Missä kallionporakoneissa käytetään Glyd-renkaita ja askelsealoja?

Kallionporakoneessa Glyd-renkaat ja askelsealit sijaitsevat yleisimmin hydraulisten toimilaitteiden sylintereissä, jotka liikuttavat laitteistoa poran ympärillä, eikä kallionporaunitin iskumechanismissa: työntösylinterit, jotka eteenpäin ja taaksepäin liikuttavat poraa sen ohjainrailin pitkin, nosto- ja kiertosylinterit, jotka asettavat poran reiän päälle, sekä muut vastaavat toimilaitteiden sylinterit kantajalla. Nämä sylinterit ovat alttiita samalle kaksitoimiselle, vaihtuvapaineiselle kuormitukselle, jolle Glyd-renkaat ja askelsealit on suunniteltu.

Koska työntösylinterit erityisesti toimivat jatkuvasti porausvuoron aikana ja toimivat pölyisessä, roskaisessa ympäristössä, niiden männän- ja tukiputken tiivistykset ovat kallionporakoneen puolen useimmin vaihdettavia kulumiskohteita, toisin kuin iskupuolen kulumisosat, kuten akkumulaattorin kalvo tai kuplaseali, joista on keskusteltu muualla.

Mitä tapahtuu, kun Glyd-renkaan tai askelmuurin tiivistys epäonnistuu?

Kun PTFE-kulumarenkaan kulumista ei enää korjata tai O-renkaan energisoija menettää kimmoisuutensa, tiivistys ei pysty enää ylläpitämään riittävää kosketuspainetta liikkuvaan sylinterin putkeen tai tukipalkkiin, jotta se voisi estää hydraulisen paineen vuotamisen. Käytännön seuraus on sisäinen vuoto pistoniin (joka ilmenee sylinterin pitovoiman heikkenemisenä tai kuorman alla tapahtuvana liukumisena) tai ulkoinen vuoto tukipalkin tiivistyksestä (näkyvä öljyn vuotaminen tukipalkin kohdalta, erityisesti sen jälkeen, kun sylinteri on ollut pitkään lepäilytilassa ja paineistettuna).

Koska PTFE-renkaan ja O-renkaan vikaantuminen voi tapahtua toisistaan riippumatta – kovettunut ja halkeiluun alkanut O-rengas voi tuhota muuten toimivan PTFE-renkaan, ja kulunut PTFE-rengas voi altistaa muuten terveen O-renkaan suoralle kulumiselle – tiivistyspakettien vaihto tapahtuu yleensä molempien komponenttien yhteisellä vaihdolla eikä niitä käsitellä erillisinä varaosina.

Kuva 2: Kulunut PTFE-tiivistys ja O-renkaan energisoija

Miten voit tunnistaa, että sylinterisi tiivistys on epäonnistunut?

Epäonnistuva Glyd Ring -tiiviste tai Step Seal -tiiviste ilmenee yleensä yhtenä tai useammana seuraavista oireista:

• Sylinteri menettää pitävyytensä tai liukuu kuorman alla, vaikka sen pitäisi pysyä paikoillaan.
• Näkyvä öljyn vuoto tukitangon tiivisteen kohdalta, erityisesti huomattavissa sen jälkeen, kun kone on ollut lepovaiheessa painepaineessa.
• Hidas tai epätasainen sylinterin liike, erityisesti iskun alussa.
• Hydrauliöljyn saastuminen tai värjäytyminen puhdistustiivisteen takia, joka ei enää estä pölyä ja likaa.
• Sylinteri tunnettu kimmokkaalta tai menettää tarkkuutta sijainnin määrittämisessä, mikä viittaa sisäiseen ohitukseen kuluneen Glyd Ring -pistonsuojatiivisteen kautta.

Alla oleva taulukko yhdistää nämä oireet todennäköisiin syihin ja järkevään ensitarkastukseen.

Mitä aiheuttaa näiden sinisten ennenaikaisen kulumin?

Useat olosuhteet lyhentävät Glyd Ringien ja Step Sinisten käyttöikää huomattavasti niiden suunnitellun käyttöiän alapuolelle:

• Saastunut hydrauliikkioliö, joka kuljettaa hienonjyväisiä hiukkasia ja nopeuttaa PTFE-renkaan liukupinnan kulumaan.
• Naarmuuntunut, pientä kuoppaa sisältävä tai ruostunut sylinterin runko- tai tankopinta, jota PTFE-rengas ei voi täysin kompensoida riippumatta siitä, kuinka hyvin se on asennettu.
• O-renkaan energisoijamateriaali, joka ei ole yhteensopiva käytössä olevan hydrauliikkioljyn kanssa, mikä saa sen turvottelemaan, kovettumaan tai menettämään kimmoisuuttaan odotettua nopeammin.
• Virheellinen asennus, erityisesti Step Sinisen väärä asennussuunta, mikä tekee sen yksisuuntaisesta tiivistysrakenteesta tehottoman heti alusta asti.
• Pitkäaikainen korkea lämpötila energisoijan O-renkaan määritellyn lämpötila-alueen yläpuolella, koska itse PTFE-rengas kestää lämpöä hyvin, mutta sen alla oleva kumielementti on yleensä heikompi lenkki.

Miksi asennussuunta on niin tärkeä askelsealille?

Glyd Ringin symmetrinen profiili tekee sen käytännössä mahdottomaksi asentaa väärinpäin; se tiukentaa samalla tavalla riippumatta suunnasta. Askelsealin portaittainen, epäsymmetrinen profiili on täsmälleen päinvastainen: se on erityisesti suunniteltu tiukentamaan vain yhteen suuntaan, ja väärinpäin asennettuna tiukentimen alapainealue on nyt kohdistettu paineöljyyn, jonka sen pitäisi estää.

Väärinpäin asennettu askelseali saattaa näyttää toimivan hetken ajan, koska O-renkaan energisoija tarjoaa edelleen jotakin tiukentavaa voimaa, mutta se yleensä pettää huomattavasti ennen kuin saavuttaa nimellisen käyttöikänsä ja voi pettää tavalla, joka näyttää täysin tavalliselta kulumiselta – siksi asennussuuntaa tulisi aina tarkistaa kahdesti valmistajan asennusohjeiden mukaan aina, kun tankovarsi-tiukentimen vaihtaa, eikä sitä saa olettaa pelkän uran muodon perusteella.

Step-sealit ovat myös tunnettuja paineesta riippuvaisesta vuotoluonteestaan, joka on hyvä tuntea ennen kuin yritetään diagnosoida niitä 'epäonnistuneiksi'. Perinteinen step-sealin käyttäytymistä tutkinut tiivistystutkimus kuvaa neljä aluetta, kun järjestelmän paine nousee: alatiivistysalueen erinomaisen alhaisessa paineessa (noin 0–0,6 MPa), jossa vuoto on merkityksetön; epävakausalueen (noin 0,6–1,5 MPa), jossa liukurengas voi hetkellisesti kellua ja kitka laskee paikallisesti minimiinsä, mikä väliaikaisesti lisää sisäistä vuotoa vaikka mitään ei ole itse asiassa epäonnistunut; normaali tiivistysalueen (noin 3–32 MPa suunnittelusta riippuen), joka kattaa suurimman osan todellisia käyttöpaineita ja jossa tiivistysteho on hyvää ja vakavaa; sekä tiivistyksen epäonnistumisalueen tiivistyksen nimellispaineen yläpuolella, jossa tiivistys lopulta pettää. Koska epävakausalue sijaitsee useimmissa sylintereissä selvästi normaalin käyttöpaineen alapuolella, se aiheuttaa harvoin ongelmia käytännössä, mutta sellaiset suunnittelut, jotka joutuvat kulkeutumaan sen läpi – esimerkiksi hitaassa paineen nousussa – tekevät sen joskus tarkoituksellisesti nopeasti tai yhdistävät step-sealin toiseen, eri tyyppiseen tiivisteeseen siten, että niiden epävakaiden painealueiden ei anneta päällekkäistä. Tämä on yksi syy, miksi monikomponenttiset tiivistekokoonpanot, eivätkä yksittäiset renkaat, ovat normaali määrittely sauvatiivisteen asennukseen.

Kuva 3: Askelpesän asennuksen suunta .

Miten valita oikea Glyd-ringin tai askelpesän korvausosana?

Kun vika on vahvistettu, kolme tekijää määrittävät oikean korvausosan:

• Tarkka mitallinen vastaavuus sylinterin sisähalkaisijaan tai tukiputken halkaisijaan ja uraprofiiliin, koska Glyd-ringit ja askelpesät on mitoitettu ja profiloitu erityisesti kullekin sylinterin mallille.
• PTFE-seoksen ja O-renkaan energisoijamateriaalin soveltuvuus sovelluksen kuormaan, nopeuteen ja hydraulineesteeseen; tästä käydään tarkemmin läpi toisessa artikkelissa, joka käsittelee näissä tiivistekomponenteissa käytettyjä materiaaleja.
• Korvausosien hankinta parina (PTFE-rengas ja energisoija) eikä eri toimittajilta peräisin olevien komponenttien sekoittaminen keskenään, koska molemmat osat on suunniteltu toimimaan yhdessä tietyllä istuvuudella ja esijännityksellä.

Kuva 4: Korvausosapaketin asennusta edeltävä asettelu

Missä luotettavia korvausosia voidaan hankkia?

Koska Glyd Ring - ja Step Seal -mitat ovat erityisiä kunkin sylinterin sisähalkaisijalle tai tukipuikolle ja urasuunnittelulle, toimittajan valinta perustuu siihen, löytääkö se toimittaja, joka pystyy tarjoamaan täsmälleen oikeat mitat ja suosittelemaan soveltuvan PTFE- ja O-renkaan yhdistelmän kyseiseen käyttöön eikä yleiskokoista osaa.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, kiinalainen tiivistintuottaja, joka perustettiin vuonna 2013, valmistaa PU-, kumi- ja PTFE-tiivisteitä, mukaan lukien Glyd Ring - ja Step Seal -tyyppisiä pistonsuojia ja tukipuusuoja, joita käytetään hydraulisissa sylintereissä kallion poraamisessa, rakentamisessa ja kaivinkoneissa, ja ilmoittaa tarjoavansa maksuttoman teknisen tuen oikeiden mittojen ja materiaaliyhdistelmän vahvistamiseksi ennen tilauksen tekemistä.

Jos et ole varma siitä, mikä tiivistin sylinteriisi kuuluu, luotettavin tapa saada tiivistin, joka sopii ja toimii odotetusti, on antaa toimittajalle sylinterin sisähalkaisija ja tukiputken halkaisija, urien mitat sekä tyypilliset käyttöolosuhteet (paine, nopeus, hydrauliikkaneste ja lämpötila), jotta hän voi vertailla niitä tunnettuihin sylinterirakenteisiin.

Kuva 5: Tiivistinpakkaus lähetykseen

1. Dai L. "Hydraulisen palauttavan glyd-renkaan tiivistystehon optimointi ja kokeellinen tutkimus." Pro gradu -työ, Jiangnanin yliopisto, 2025.
2. Yao S. "Askeltiivistimen tiivistysominaisuuksien analyysi." Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. "Glyd-renkaiden käyttöiän laskentamenetelmä hydraulisyylinterin pistoniin." Shenyangin kemiatekniikan yliopiston lehti, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. "Kahdeksankymmentä vuotta tutkimusta hydraulisista palauttavista tiivistyksistä: kolmiulotteisten tutkimusten ja niihin liittyvien aiheiden katsaus 1930-luvulta lähtien." Institution of Mechanical Engineers -julkaisut, osa J: Engineering Tribology -lehti, 2010, 224(1): 1–23.