Glyd gyűrű és lépcsős tömítés szikafúró hidraulikus hengerekben: működésük és a megfelelő cserealkatrész kiválasztása

Minden kőfúró gép tápegységrendszerének, karjának és egyéb hidraulikus működtetőelemének hátterében két tömítési megoldás található, amelyek első ránézésre majdnem azonosnak tűnnek, de különböző helyeken és különböző okokból végzik feladatukat: a Glyd Ring és a Step Seal. Mindkettő egy kopásálló PTFE gyűrűt kombinál egy alatta elhelyezett gumielemmel, és együtt ezek a tömítések a modern hidraulikus hengerek leggyakrabban használt dugattyú- és rúttömítései. O-gyűrű ez a cikk bemutatja, hogyan működnek ezek a kompakt tömítések valójában, hol alkalmazzák őket a kőfúró gépek, hogyan ismerhető fel egy meghibásodott tömítés, valamint mit érdemes ellenőrizni a cserealkatrész megrendelése előtt.

Mi a Glyd Ring és a Step Seal?

A Glyd Ring és egy Step Seal is példák arra, amit a tömítőipar kompakt tömítésnek vagy O-gyűrűvel feszített PTFE-tömítésnek nevez: egy merev, alacsony súrlódású PTFE-hordozógyűrű, amelyet egy gumiból készült O-gyűrű támogat, és amely előfeszíti a gyűrűt a kapcsolódó felület ellen. A PTFE-gyűrű érintkezik a hengerfurattal vagy a dugattyúrúddal, és ez végzi a tömítést; az alatta lévő O-gyűrű biztosítja az rugalmas nyomóerőt, amelyre a PTFE önmagában nem képes, mivel a PTFE – ellentétben a gumi anyaggal – nem ugrik vissza a tömörítés után.

A „Glyd Ring” és a „Step Seal” elnevezések eredetileg gyártói védjegyként jelentek meg, de ma már iparszerte használt kifejezések, hasonlóan ahhoz, ahogy maga az „O-ring” kifejezés is általános elnevezéssé vált. glyd ring (Glyd ring), step Seal (Step Seal) kifejezést használják kizárólag a rúdtömítési változatra.

Mi a különbség egy Glyd Ring és egy Step Seal között?

A két tervezés ugyanazon a hengeren ellentétes feladatokra épül. A Glyd Ring szimmetrikus, téglalap alakú profilja lehetővé teszi, hogy egyformán jól tömítsen, függetlenül attól, hogy a nyomás melyik oldalról éri — pontosan azt igényli egy pisztron zár mivel a hidraulikus nyomás váltakozik a dugattyú két oldala között, amikor a henger kinyúlik és visszahúzódik. A Step Seal aszimmetrikus, lépcsőzetes profilja csak egy irányban tömít, és pontosan illeszkedik egy rúdgyűrű tényleges feladatához: a nyomás alatt álló olajat a henger belsejében tartja, miközben a rúd be- és kihúzódik.

Egy egyszerű mód a különbség megjegyzésére: a Glyd Ring a dugattyúra kerül (furattömítés, kétirányú tömítés), a Step Seal pedig a rúdra (rúdtömítés, egyirányú tömítés). Mindkettő ugyanazt az alapvető PTFE-plusz-gyűrű szerkezetet használja, ezért gyakran tárgyalják őket együtt, annak ellenére, hogy ugyanazon a hengeren különböző pozíciókban szolgálnak.

Kép1: Glyd Ring és Step Seal profilösszehasonlítás

Hogyan teszi valóban tömítővé a gyűrű-energizáló egy PTFE tömítést?

A PTFE anyagot tömítésként értékelik, mert rendkívül alacsony a súrlódása, és kiváló kémiai és kopásállósága van; önmagában azonban gyakorlatilag nincs rugalmas emlékezete: egyszer összenyomva nem ugrik vissza, hanem megmarad összenyomott állapotban, így nem tudja fenntartani a kontakt nyomást. Ezt egy gumiból készült O-gyűrű oldja meg, amelyet a PTFE gyűrű mögött helyeznek el: ez szolgál rugóként, folyamatosan kifelé nyomja a PTFE gyűrűt (Glyd Ring esetén a furat horpadásában) vagy befelé (rúdtömítéses elrendezésnél), így a kopógyűrű mindig szorosan érintkezik a mozgó felülettel, még akkor is, amikor a PTFE anyag idővel kopik.

Ez a feladatmegosztás biztosítja a kompakt tömítések jellegzetes működését: a PTFE alacsony súrlódású, alacsony ragadás-csúszású csúszófelülete kombinálva az O-gyűrű képességével, hogy folyamatosan igazítsa a tömítés kontakt erőt, ahogy a hézagok változnak és a kopógyűrű fokozatosan kopik. Ha az O-gyűrű funkciója megszűnik – például saját degradációja miatt –, a tömítés meghibásodik, még akkor is, ha a PTFE gyűrű maga látszólag sértetlen marad.

A szigetelés alapvető tesztje, amelyet minden ilyen tömítésnek bármely működési nyomáson át kell mennie, az, hogy a PTFE gyűrű és a mozgó felület közötti érintkezési nyomásnak folyamatosan magasabbnak kell maradnia, mint a visszatartott folyadék nyomása. A Glyd Ring tömítések véges elemes vizsgálatai közvetlenül megerősítik ezt: a csúcs érintkezési nyomás együtt nő a folyadéknyomással, és a tesztelt tartományban is folyamatosan magasabb marad annál – ez az a feltétel, amely megakadályozza a tömítés szivárgását. Ugyanezek a vizsgálatok azt is bemutatják, mennyire érzékeny a tömítés teljesítménye pontos profiljára – egy rendszeres tanulmány szerint a legjobb tömítési teljesítmény nagynyomású körülmények között csak viszonylag szűk geometriai határok között érhető el: a perem sugara néhány tized milliméteres, a tömítés oldalszöge pedig néhány fokos eltérést enged meg – ez részben magyarázza, miért nem lehet a Glyd Ring és a Step Seal profilokat egyszerűen hasonló kinézetű alkatrészből közelíteni.

Érdemes megérteni, hogy egy visszatérő tömítés sem tökéletes zéró-szivárgásos akadály, még akkor sem, ha pontosan úgy működik, ahogy tervezték – ez fontos szempont annak eldöntéséhez, hogy egy kis mért szivárgás a rúdon valóban problémát jelent-e. A Reynolds-egyenleten alapuló kenéselmélet, amelyet a tömítésperem és a mozgó felület közötti vékony folyadékréteg modellezésére használnak, azt mutatja, hogy egy visszatérő tömítés egyik irányban folyadékréteget visz ki, a visszatérő ütemben pedig folyadékréteget hoz vissza; a ciklusonkénti nettó szivárgás arányos a két rétegvastagság különbségével, amely viszont attól függ, hogy az ütem mindkét végén mekkora a nyomásgradiens a folyadékoldalon illetve a levegőoldalon. Egy olyan tömítésprofil, amely a folyadékoldali nyomásgradienst meredekebbé teszi, a levegőoldalit pedig laposabbá, több folyadékot hoz vissza, mint amennyit kijuttat, így a teljes ciklusra nézve közelít a zéró nettó szivárgáshoz; egy rosszul illeszkedő profil éppen ellenkező hatást eredményez. Ez része annak az elméleti alapnak, amely magyarázza, miért okozhatnak a fent említett, tizedmilliméteres méretű profilváltozások aránytalanul nagy hatást a mért szivárgásra.

Hol használnak kőfúróberendezéseken Glyd gyűrűket és lépcsős tömítéseket?

Egy kőfúróberendezésen a Glyd gyűrűk és a lépcsős tömítések típusú tömítések leggyakrabban a hidraulikus munkahengerekben találhatók, amelyek a fúró körül mozgatják a berendezést, nem pedig a kőfúró egység ütőmechanizmusán belül: a táplemez-hengerek, amelyek előre- és hátrahúzzák a fúrót a vezető sínpályán, a kar- és forgóhengerek, amelyek a fúrót a fúrási hely fölé állítják, valamint hasonló munkahengerek a hordozó más részein. Ezek a hengerek ugyanazt a kettős hatású, váltakozó nyomású terhelést viselik, amelyre a Glyd gyűrűk és a lépcsős tömítések tervezve lettek.

Mivel a táplemez-hengerek különösen gyakran ciklizálnak egy fúrási műszak során, és poros, szennyezett környezetben működnek, a dugattyú- és rúdtömítéseik a kőfúróberendezésen a leggyakrabban cserélt kopó alkatrészek közé tartoznak – eltérően az ütőoldali kopó alkatrészektől, például az akkumulátor membrántól vagy a csészétömítéstől, amelyekről máshol van szó.

Mi történik, ha egy Glyd-gyűrű vagy lépcsős tömítés meghibásodik?

Amikor a PTFE kopásálló gyűrű elhasználódik, vagy az O-gyűrűs feszítőelem elveszíti rugalmasságát, a tömítés nem képes továbbra sem elegendő érintkezési nyomást fenntartani a hengerfurat vagy a dugattyúrúd felületén, így nem tudja visszatartani a hidraulikus nyomást. A gyakorlati következmény belső szivárgás a dugattyún (amit úgy észlelünk, hogy a henger elveszíti tartóerejét, vagy terhelés alatt elmozdul), illetve külső szivárgás a rúdtömítésnél (látható olajcseppképződés a rúdnál, különösen akkor, ha a henger hosszabb ideig állt és nyomás alatt volt).

Mivel a PTFE gyűrű és az O-gyűrű egymástól függetlenül is meghibásodhat – egy megkeményedett, repedt O-gyűrű tönkretehet egy egyébként még jól használható PTFE gyűrűt, és egy teljesen elhasználódott PTFE gyűrű közvetlen kopásnak teszi ki egyébként egészséges O-gyűrűt – általában a tömítéskészlet cseréje egyszerre kezeli mindkét alkatrészt, nem pedig külön pótalkatrészként kezeli őket.

Kép2: Elhasználódott PTFE tömítés és O-gyűrűs feszítőelem

Hogyan lehet észrevenni, ha a henger tömítése meghibásodott?

Egy meghibásodó Glyd Gyűrű vagy Step tömítés általában az alábbiak egyikének vagy többjének megjelenésével jár:

• A henger elveszíti a tartóerőt, vagy terhelés alatt elmozdul („kúszik”), miközben mozdulatlanul kellene maradnia.
• Látható olajszivárgás a rúdtömítésnél, különösen akkor észlelhető, ha a gép nyomás alatt álló helyzetben állt pihenőállapotban.
• Lassabb vagy kevésbé egyenletes hengermozgás, különösen üzemindításkor, a lökethossz kezdetén.
• Szennyeződés vagy elszíneződés a hidraulikaolajban egy olyan törlőtömítés miatt, amely már nem zárja ki hatékonyan a port és a szennyeződéseket.
• Olyan henger, amely rugalmatlanul („gumiszerűen”) érződik, vagy elveszíti a pozicionálási pontosságát – ez összefüggésben állhat a dugattyútömítés belső átfolyásával.

Az alábbi táblázat összekapcsolja ezeket a tüneteket a valószínű okokkal és egy ésszerű első ellenőrzéssel.

Mi okozza ezeknek a tömítéseknek a korai kopását?

Több feltétel is lerövidíti a Glyd Ring és a Step Seal szolgálati idejét a tervezett élettartamuk alá:

• Szennyezett hidraulikaolaj, amely éles, kopasztó részecskéket tartalmaz, és ezzel gyorsítja a PTFE gyűrű csúszófelületének kopását.
• Sérült, gödrös vagy korróziós hengerfurat vagy hengerbot felület, amelyet a PTFE gyűrű – akármilyen jól is illeszkedik – nem tud teljesen kiegyenlíteni.
• Az O-gyűrű energizáló anyagának inkompatibilitása a használt hidraulikaolajjal, ami duzzadást, megkeményedést vagy rugalmasságvesztést eredményez a vártnál gyorsabban.
• Helytelen felszerelés, különösen a Step Seal rossz irányba történő beépítése, amely már a kezdetektől semlegesíti a tömítés egyirányú záró funkcióját.
• A megengedett hőmérséklet-tartományon túli, hosszabb ideig tartó magas hőmérséklet, mivel maga a PTFE gyűrű jól tűri a hőt, de az alatta elhelyezkedő gumiból készült energizáló általában a gyengébb láncszem.

Miért olyan fontos a felszerelés iránya egy lépcsős tömítésnél?

A Glyd Ring szimmetrikus profilja miatt gyakorlatilag lehetetlen fordítva felszerelni; bármilyen irányban is helyezzük el, ugyanúgy tömíti a csatlakozást. A lépcsős tömítés lépcsőzetes, aszimmetrikus profilja éppen ellenkezőleg működik: kifejezetten egyetlen irányban való tömítésre tervezték, és ha fordítva szereljük fel, akkor a tömítés nyomásmentes oldala kerül szembe azzal az olajjal, amelyet éppen vissza kell tartania.

Egy rossz irányba felszerelt lépcsős tömítés rövid ideig látszólag működhet, mivel az O-gyűrű energizálója továbbra is biztosít némi tömítőerőt, de általában messze elmarad a megadott szolgáltatási élettartamától, és olyan módon is meghibásodhat, amely a szokásos kopásra hasonlít – ezért minden rúdtömítés cseréjekor érdemes kétszer is ellenőrizni a felszerelés irányát a gyártó szerelési utasításai alapján, ne pedig feltételezni azt a horpadás alakjából.

A Step Seal-eknek szintén dokumentált, nyomásfüggő szivárgási jellemzőjük van, amelyet érdemes ismerni a hibakeresés során, mielőtt egy ilyen tömítést „meghibásodottnak” nyilvánítanánk. A klasszikus tömítési kutatások a Step Seal viselkedését négy zónára osztják a rendszer nyomásának növekedése során: egy alacsony nyomású, ún. alatt-tömítési zóna (kb. 0–0,6 MPa), ahol a szivárgás elhanyagolható; egy instabilitási zóna (kb. 0,6–1,5 MPa), ahol a csúszógyűrű pillanatnyilag lebeghet, és a súrlódás helyi minimumra csökken, ami átmenetileg növeli a belső szivárgást – bár valójában semmi sem romlott meg; egy normál tömítési zóna (kb. 3–32 MPa, a tervezéstől függően), amely a legtöbb gyakorlati üzemnyomást lefedi, és ahol a tömítési teljesítmény jó és stabil; valamint egy tömítés-meghibásodási zóna a tömítés névleges nyomásánál magasabb nyomáson, ahol a tömítés véglegesen megszűnik működni. Mivel az instabil zóna a legtöbb henger esetében jól a normál üzemi nyomás alatt helyezkedik el, gyakorlatban ritkán okoz problémát; azonban olyan kialakításoknál, amelyeknek ezen a tartományon keresztül kell haladniuk – például lassú nyomásnövekedés során – néha szándékosan gyorsan haladnak át rajta, vagy egy Step Seal-t egy második, eltérő típusú tömítéssel kombinálnak úgy, hogy instabil nyomástartományaik ne fedjék egymást. Ez egyik oka annak, hogy a rúdtömítési pozícióra általában nem egyetlen gyűrű, hanem többalkotóelemes tömítési készletek a szokásos megoldás.

3. kép: A Step Seal felszerelési iránya .

Hogyan válasszuk ki a megfelelő helyettesítő Glyd Ringot vagy Step Sealt?

A hiba megerősítése után három tényező határozza meg a megfelelő helyettesítő elemet:

• Pontos méretbeli egyezés a henger belső átmérőjével vagy rúdátmérőjével és hornyprofiljával, mivel a Glyd Ringokat és Step Sealeket az egyes hengertervekhez külön méretezik és profilozzák.
• Olyan PTFE-összetétel és O-gyűrű energizáló anyag, amely megfelel az alkalmazás terhelésének, sebességének és hidraulikafolyadékának – részletesebben egy kísérő cikkben olvasható a használt anyagokról ezen tömítések esetében.
• Egy összeillő pár (PTFE-gyűrű és energizáló) beszerzése inkább, mint különböző szállítóktól származó alkatrészek keverése, mivel a két alkatrész egy adott illeszkedésre és előfeszítésre van tervezve, hogy együtt működjön.

4. kép: A helyettesítő tömítőkészlet elhelyezése a felszerelés előtt

Hol szerezhetők be megbízható helyettesítő tömítések?

Mivel a Glyd Ring és a Step Seal méretei specifikusak minden egyes henger belső átmérőjéhez vagy rúdmérethez, valamint a horpadás tervezéséhez, az alkatrészek beszerzése arra szűkül, hogy olyan szállítót találjunk, aki pontosan illeszkedő méreteket kínál, és ajánlhat egy megfelelő PTFE- és O-gyűrű-kombinációt az adott alkalmazáshoz, nem pedig egy általános méretű alkatrészt.

A Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, egy 2013-ban alapított kínai tömítésgyártó vállalat, PU, gumiból és PTFE-ből készült tömítőelemeket gyárt, köztük Glyd Ring és Step Seal típusú dugattyútömítéseket és rúdtömítéseket hidraulikus hengerekhez, amelyeket kőfúró-, építő- és rakodógépekben használnak, és azt állítja, hogy ingyenes műszaki támogatást nyújt az adott hengerhez szükséges pontos méretek és anyagkombináció megerősítéséhez a rendelés leadása előtt.

Ha nem biztos abban, hogy milyen tömítésre van szüksége a hengereinek, akkor a legmegbízhatóbb megoldás a megfelelő és várt teljesítményt nyújtó tömítés megszerzése érdekében a henger belső átmérőjének, a rúd átmérőjének, a horpadás méreteinek és a tipikus üzemeltetési feltételeknek (nyomás, sebesség, hidraulikafolyadék típusa és hőmérséklet) a szállítónak való megadása, aki képes az ismert hengertervekkel való kereszthivatkozásra.

5. kép: A tömítéskészlet szállításra csomagolva

1. Dai L. „Hidraulikus reciprocáló glyd gyűrűs tömítések optimalizálása és kísérleti vizsgálata.” Mesterfokozatot igénylő szakdolgozat, Jiangnan University, 2025.
2. Yao S.: „Lépcsős tömítés tömítési jellemzőinek elemzése.” Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. „A glyd gyűrűk szolgáltatási élettartamának kiszámítási módszere hidraulikus hengerek dugattyúiban.” Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. „Nyolcvan év kutatás a hidraulikus reciprocáló tömítésekről: A súrlódástanhoz kapcsolódó tanulmányok és kapcsolódó témák áttekintése a 1930-as évek óta.” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.