ロックスドリル用油圧シリンダーにおけるグライドリングおよびステップシール：その働きと交換用部品の選び方

岩盤掘削用ドリルリグのフィードシステム、ブーム、その他の油圧作動機器のすべての背後には、一見するとほとんど同一に見えるが、異なる場所で異なる目的のために機能する2種類のシール構造——グライドリングとステップシール——が配置されています。どちらも耐摩耗性に優れたPTFE製リングとその下に配置されたゴム製部品から構成されており、現代の油圧シリンダーにおいて最も広く使用されているピストンシールおよびロッドシールの一つです。本稿では、こうした小型シールが実際にはどのように作動するか、岩盤掘削用ドリルリグのどの部位で使用されるか、また故障をどのように判断するか、さらに交換用部品を注文する前に確認すべき点について解説します。 オーリング 岩盤掘削用ドリルリグのフィードシステム、ブーム、その他の油圧作動機器のすべての背後には、一見するとほとんど同一に見えるが、異なる場所で異なる目的のために機能する2種類のシール構造——グライドリングとステップシール——が配置されています。どちらも耐摩耗性に優れたPTFE製リングとその下に配置されたゴム製部品から構成されており、現代の油圧シリンダーにおいて最も広く使用されているピストンシールおよびロッドシールの一つです。本稿では、こうした小型シールが実際にはどのように作動するか、岩盤掘削用ドリルリグのどの部位で使用されるか、また故障をどのように判断するか、さらに交換用部品を注文する前に確認すべき点について解説します。

グライドリングとステップシールとは？

グライドリングおよびステップシールは、どちらもシーリング業界で「コンパクトシール」または「Oリング励起PTFEシール」と呼ばれるものに該当します。これは、ゴム製Oリングによって予圧がかけられた剛性があり低摩擦のPTFE製ウェアリングで構成されるシールです。実際のシール機能を果たすのは、シリンダボアまたはピストンロッドと接触するPTFEリングであり、その下に配置されたOリングが、単体では復元力（弾性）を持たないPTFEに必要な弾性的な押付力を供給します（PTFEは圧縮後にゴムのように自然に復元しません）。

『グライドリング』および『ステップシール』という名称は、もともとメーカーの商標でしたが、現在では業界全体で広く使われるようになっており、「Oリング」が一般名詞化したのと同じ経緯をたどっています。中国語の部品カタログでは、両者をまとめて一般的に「 格莱圈 （グライドリング）」と表記することが多く、そのうちロッドシール用のタイプに限って「 斯特封 （ステップシール）」という呼称が用いられます。

グライドリングとステップシールの違いは何ですか？

この2つのシールは、同一シリンダー内で正反対の役割を果たすよう設計されています。グライドリング（Glyd Ring）は左右対称の矩形断面を持ち、圧力がどちらの側から作用しても同程度の密封性能を発揮します。これは、シリンダーが伸長・収縮する際にピストンの両側で油圧が交互に作用するという ピストンシール の要件にぴったり適合しています。一方、ステップシール（Step Seal）は非対称の段状断面を持ち、単一方向のみの密封を目的として設計されており、ロッドの往復運動時にシリンダー内部の加圧油を確実に保持するという ロッドシール の実際の機能と一致しています。

この違いを簡単に覚える方法は：グライドリングはピストン（ボアシール、両方向密封）に装着し、ステップシールはロッド（ロッドシール、片方向密封）に装着することです。両者とも、PTFE＋Oリングという同じ基本構造を採用しているため、同一シリンダー内の異なる位置でそれぞれ異なる役割を担いながらも、しばしば併せて議論されます。

写真1：グライドリングとステップシールの断面形状比較

Oリングによるエナジーザー（弾性付与）機構は、PTFE製シールに実際に密封機能をもたらす仕組みとは？

PTFEは、極めて低い摩擦係数と優れた耐薬品性・耐摩耗性から、シール材として高く評価されています。しかし、単体では実質的に弾性記憶がなく、一度圧縮されると復元せずにその状態を維持するため、接触圧力を維持できません。この課題を解決するために、PTFEリングの後方（ボア溝内ではGlyd Ringの場合）または内側（ロッドシール構造では）にゴム製Oリングを配置します。このOリングがバネの役割を果たし、PTFEリングを常に外向き（または内向き）に押し出し、PTFEの摩耗が進行しても、摩耗リングが可動面と確実に接触した状態を保ち続けます。

このような役割分担こそが、コンパクトシール特有の動作特性を生み出します。すなわち、PTFEによる低摩擦・低スティックスリップの滑り面と、Oリングによる接触力の継続的調整機能が組み合わさることで、隙間の変化や摩耗リングの徐々なる摩耗に対応できるのです。Oリング自体の劣化によりその機能が失われると、PTFEリングの外観上はまだ健全に見えても、シール全体は機能不全に陥ります。

そのようなシールが、あらゆる作動圧力において最低限満たさなければならない基本的な試験条件は、PTFEリングと可動面との接触圧が、シールが遮断しようとする流体の圧力を常に上回り続けることです。グライドリングシールに関する有限要素解析（FEM）による検討結果は、この条件を直接的に裏付けています。すなわち、接触圧のピーク値は流体圧とともに増加し、試験範囲全体にわたり流体圧を上回り続けます。この状態こそが、シールの漏れを防ぐための必須条件です。また、同様の解析結果からは、シールの性能がその形状（プロファイル）のわずかな違いに極めて敏感であることも明らかになっています。ある体系的な研究では、高圧下での最良のシール性能が得られたのは、リップ部の半径でわずか数十分の1ミリメートル、側面角度でも数度という非常に狭い幾何学的範囲に限定されていました。こうした厳密な形状精度が求められるため、グライドリングやステップシールのプロファイルは、見た目が似ているからといって、他の部品で代用したり近似したりしてはならないのです。

また、往復式シールは、設計通りに正しく機能している場合でも、完全なゼロ漏れのバリアではないという点を理解しておくことも重要です。これは、ロッド部からわずかに滲み出る（weep）現象が実際に問題であるかどうかを判断する際に特に重要です。シールリップと移動面の間に形成される極薄の流体膜をモデル化するために用いられる、レイノルズ方程式に基づく潤滑理論によれば、往復式シールは、一方向のストロークで流体膜を外側へ運び出し、復帰ストロークで再び内側へ戻すという挙動を示します。1サイクルあたりの実効的な漏れ量は、この2つの膜厚の差に比例し、その差はさらに、ストロークの各端における流体側と空気側の圧力勾配によって決まります。つまり、流体側では圧力勾配を急峻に、空気側では勾配を緩やかに設計されたシール形状であれば、放出される流体量よりも戻される流体量が多くなり、1サイクル全体での実効漏れ量はほぼゼロに近づきます。一方、不適切な形状では逆の現象が生じます。前述した、数十分の1ミリメートル単位で測定される微小な形状変更が、実測漏れ量に予想以上に大きな影響を与える理由の一つが、このような理論的根拠にあります。

ロッカードリルリグでグライドリングおよびステップシールが使用される部位は？

ロッカードリルリグでは、グライドリングおよびステップシールタイプのシールは、主にドリル本体周辺の機器を駆動する油圧アクチュエータシリンダ（ピストン・ロッド）に採用されています。これは、ロッカードリルユニット内部の打撃機構とは異なります。具体的には、ドリルをガイドレール上で送り出し・退避させるフィードシリンダ、ドリルを穴の上に正確に位置づけるためのブームおよびスイングシリンダ、その他キャリア上の同様のアクチュエータシリンダなどです。これらのシリンダは、グライドリングおよびステップシールが設計された、両作用・交互加圧の負荷条件にさらされます。

特にフィードシリンダは、掘削作業中常に往復動作を繰り返し、粉塵や破片の多い過酷な環境下で稼働するため、そのピストンシールおよびロッドシールは、ロッカードリル作業におけるリグ側で最も頻繁に交換される摩耗部品の一つです。これは、別途解説しているアキュムレータダイアフラムやカップシールといった打撃機構側の摩耗部品とは明確に区別されます。

グライドリングまたはステップシールが故障するとどうなるか？

PTFE製の摩耗リングが摩耗し尽くしたり、Oリングのエナジャイザーが弾力を失ったりすると、シールはシリンダーボアまたはロッド表面に対して必要な接触圧力を維持できなくなり、油圧を保持できなくなります。その結果として実際に生じるのは、ピストン部からの内部漏れ（シリンダーの保持力低下や負荷下での徐々な沈降として現れる）またはロッドシール部からの外部漏れ（特にシリンダーが長時間停止・加圧された後にロッドから油がにじみ出る状態）です。

PTFEリングとOリングはそれぞれ独立して故障することがあり、たとえば硬化・亀裂したOリングによって、本来十分に機能していたPTFEリングが使えなくなる場合があります。また逆に、摩耗し尽くしたPTFEリングによって、本来健全なOリングが直接摩耗にさらされる場合もあります。このため、シールキットの交換では、通常、これら両方の部品を別々の消耗部品として扱うのではなく、セットで交換します。

写真2：摩耗したPTFEシールおよびOリングエナジャイザー

シリンダーのシールが故障したかどうかをどう判断すればよいですか？

グライドリングまたはステップシールの劣化は、通常、以下のいずれかの症状として現れます。

• シリンダーが保持力を失ったり、荷重下で静止すべきときに徐々に動いてしまう（クリープ）ことがあります。
• ロッドシール部から可視的な油漏れが発生し、特に機械が加圧状態で長時間停止した後に顕著に観察されます。
• シリンダーの動きが遅くなったり、ストローク開始時に一貫性が低下したりします。
• ワイパーリングが粉塵や異物の侵入を防げなくなっており、作動油に汚染や変色が見られます。
• シリンダーの操作感がスポンジのように柔らかく感じられたり、位置決め精度が低下したりする場合があります。これはピストンシールからの内部バイパスと一致します。

以下の表では、これらの症状と推定される原因、およびまず最初に行うべき点検項目を対応付けました。

これらのシールが早期摩耗する原因は？

グライドリングおよびステップシールの寿命を設計上の潜在性能より大幅に短縮させる要因はいくつかあります。

• 研磨性粒子を含む汚染された油圧オイルが、PTFEリングの滑動面の摩耗を加速させること。
• シリンダボアやロッド表面に刻線・ピッティング・腐食が生じている場合。PTFEリングは、どれほど適切に装着されていても、こうした欠陥を完全に補償することはできません。
• 使用中の油圧作動油と互換性のない材質のオーリングエネルギザーや、これによりエネルギザーオーリングが膨潤・硬化・弾性の低下を予期より早く起こすこと。
• 不適切な取付、特にステップシールを誤った向きで取り付けた場合。これにより、シール本来の片方向密封構造が初めから機能しなくなります。
• エネルギザーオーリングの許容温度範囲を超える高温が継続すること。PTFEリング自体は耐熱性に優れていますが、その下にあるゴム製エネルギザーオーリングの方が通常、耐熱性の弱い部分となります。

ステップシールの取り付け方向がこれほど重要である理由

グライドリングは左右対称な形状のため、逆向きに取り付けることは実質的に不可能であり、どちら向きでも同様に密封します。一方、ステップシールは段差のある非対称形状をしており、これは明確に単一方向での密封を目的として設計されています。逆向きに取り付けると、本来油圧を遮断すべき高圧側に対し、シールの低圧側が向いてしまうことになります。

誤った方向に取り付けられたステップシールは、Oリングによるエナジライザが依然としてある程度の密封力を発揮するため、一時的には機能しているように見える場合があります。しかし、通常は定格寿命に達する前に早期に劣化・破損し、その破損状態は通常の摩耗と見分けがつかないことがあります。このため、ロッドシールを交換する際には、溝の形状から安易に判断せず、必ずメーカーの取付説明書に基づいて取り付け方向を再確認する必要があります。

ステップシールには、故障と誤認される前に把握しておくべき、圧力に応じて変化する漏れ特性が文書化されています。ステップシールの挙動に関する従来の密封研究では、システム圧力の上昇に伴い、以下の4つの領域が定義されています。まず、極めて低圧（概ね0～0.6 MPa）の「サブシール領域」では、漏れは無視できるほど小さいです。次に、「不安定領域」（概ね0.6～1.5 MPa）では、スライドリングが一時的に浮き上がり、摩擦が局所的に最小値まで低下するため、実際には何ら故障していないにもかかわらず、内部漏れが一時的に増加します。さらに、「通常密封領域」（設計により異なりますが、概ね3～32 MPa）では、実際の運用圧力の大部分がカバーされ、密封性能が良好かつ安定しています。最後に、「密封破綻領域」では、シールの公称耐圧を超える高圧下で、密封機能が完全に失われます。ほとんどのシリンダーにおいて、この不安定領域は通常の作動圧力よりも十分に低く位置しているため、実用上問題となることは稀ですが、例えば緩やかな圧力上昇時にこの領域を通過せざるを得ない設計では、意図的に素早く通過させたり、ステップシールと別の種類のシールを併用して、それぞれの不安定圧力範囲が重ならないように工夫することがあります。このような理由から、ロッドシール部では、単一のリングではなく、複数の部品から構成されるシールキットが標準仕様となっています。

写真3：ステップシールの取り付け方向 .

グライドリングまたはステップシールの適切な交換品を選ぶには？

故障が確認された後、適切な交換品を決定する要因は以下の3つです。

• グライドリングおよびステップシールは、各シリンダーの設計に応じて内径（ボア）またはロッド径、および溝形状に合わせてサイズと断面形状が厳密に設定されているため、シリンダーのボア径・ロッド径および溝形状と寸法が完全に一致すること。
• 負荷・速度・使用油種に適したPTFE複合材およびOリングエナジャイザー材。これらのシールに用いられる材料については、関連記事で詳しく解説しています。
• PTFEリングとエナジャイザーを別々のメーカーから混在させず、あらかじめペアで設計・調整された交換用シールキット（PTFEリング＋エナジャイザー）を調達すること。これは、両部品が特定の嵌合状態および予圧条件下で協調動作するよう設計されているためです。

写真4：交換用シールキットの取付前の配置状態

信頼性の高い交換用シールはどこで調達できますか？

グライドリングおよびステップシールの寸法は、各シリンダーのボア径またはロッド径、および溝形状に応じて特定されるため、部品調達においては、汎用サイズの製品ではなく、正確な寸法に合致し、その用途に適したPTFEおよびOリングの組み合わせを提案できるサプライヤーを見つけることが重要です。

中国のシールメーカーである南京ホヴー機械科技有限公司（設立2013年）は、ポリウレタン（PU）、ゴム、PTFE製のシール部品（ピストンシールおよびロッドシール）を製造しており、掘削機械、建設機械、掘削用バックホーなどの油圧シリンダーで使用されるグライドリングおよびステップシールも取り扱っています。同社では、ご注文前に、対象となるシリンダーに最適な寸法および材料の組み合わせを確認するための無料技術サポートを提供しています。

シリンダーに必要なシールの種類が不明な場合は、シリンダーの内径およびロッド径、溝寸法、および通常の使用条件（作動圧力、速度、使用する油圧作動油の種類、温度）を、既知のシリンダー設計と照合可能なサプライヤーに提供するのが、適合性と性能が期待通りのシールを確実に入手する最も信頼性の高い方法です。

写真5：出荷用にパッケージされたシールキット

1. Dai L.「油圧往復式グライドリングの密封性能の最適化と実験的検討」修士論文、江南大学、2025年。
2. 姚S.「ステップシールの密封特性解析」『油圧・空気圧・シール』2003年、第5号、33–35頁。
3. Jin Z.、Liang G.、Long R.、Li W.「油圧シリンダピストン用グライドリングの寿命算出方法」『沈陽化工大学学報』、2022年、36巻4号、pp. 362–367。
4. Nikas G. K.「油圧往復式シールに関する80年にわたる研究：1930年代以降の摩擦学的研究および関連トピックの総説」『インスティテューション・オブ・メカニカル・エンジニアーズ・プロシーディングス、パートJ：エンジニアリング摩擦学ジャーナル』、2010年、224巻1号、pp. 1–23。