No kāda materiāla izgatavota akmeņurbuma atbalsta gredzena? PTFE, neilons un PEEK skaidrojums

Reserves gredziena uzdevums ir vienkāršs — tas ir jābūt cietākam nekā blīvējums, kas atrodas tā blakus, lai šo blīvējumu turētu ārpus atļautās spraugas. Tomēr „cietāks” ir relatīvs jēdziens, un materiāli, ko izmanto reserves gredzeniem, aptver plašu diapazonu pēc izturības, temperatūras izturības un izmaksām. Šajā rakstā izskaidroti visbiežāk izmantotie materiāli, kādas ir to priekšrocības un kā notiek kompromisa veidošanās hidrauliskajā ķēdē ar pulsējošu spiedienu. Turpmāk minētie skaitļi ir ņemti no publicētām inženierzinātniskām pētniecībām, kas norādītas raksta beigās. Daži no tiem ir mērīti uz testa paraugiem vai citās nozarēs, tāpēc tie atspoguļo tendences, nevis konkrēta gredzena reitingus.

No kā izgatavots akmeņurbuma reserves gredzens?

Atpakaļejošās gredzena materiāli izgatavoti no nelielas cieto polimēru grupas. Visbiežāk lietotie ir PTFE (ieskaitot piepildītu PTFE savienojumu), nilons (poliamīds) un PEEK (poliēterēterketons). Ceturtā grupa ir formveidoti elastomēru gredzeni ar augstu cietību — nitrila vai fluoroelastomēru, ko izmanto zemāka spiediena apstākļos. Materiālu parasti izvēlas blīvējuma ražotājs atkarībā no blīvējuma komplekta un paredzētā spiediena, tāpēc jūsu urbjmašīnā esošais gredzens ir daļa no saskaņota dizaina, nevis patvaļīga izvēle.

Ko blīvējuma gredzena materiālam vajadzētu darīt?

Ir četras būtiskas īpašības. Materiālam jābūt pietiekami cietam, lai pretošanos spiedienam nepieļautu tā iepresīšanos spraugā, jo tieši šis ir gredzena galvenais mērķis. Tas jāsaglabā savu formu eļļas darba temperatūrā. Tam jābūt saderīgam ar hidraulisko eļļu, lai tas neuzpūstos vai nemīkstinātos. Un tam jābūt pietiekami mīkstam pret metāla virsmām, lai, piespiežoties pret cilindra dobumu vai pistoni, tas neizveidotu rievas.

Cietība ir īpašība, kas šos saista. Galīgo elementu pētījums par gumijas blīvēm spiediena ietekmē [1] parāda, cik stipri cietība kontrolē izspiešanu: gumijas sakausējumiem, kurus tas pētīja, cietības paaugstināšana no 65 līdz 85 IRHD samazināja izspiestās daļas garumu no 0,291 mm līdz 0,086 mm, un elastības modulis E (MPa) bija saistīts ar cietību Hr (IRHD) šādi:

lg E = 0,0198 Hr − 0,5432 (1)

Atbalsta gredzeni no plastmasas ir daudz ciets nekā jebkura gumija, tāpēc tieši tāpēc plāns gredzens var aizsargāt blīvi, ko nevarētu aizsargāt pat ciets gumijas materiāls. Tas pats pētījums atklāja, ka atstarpe ietekmēja visvairāk no visiem faktoriem: tās montāžā katrs papildu 0,1 mm atstarpes lielums palielināja izspiešanu aptuveni par 0,1 mm [1]. Neviens materiāls nevar pilnībā kompensēt atstarpi, kas ir palielinājusies ekspluatācijas laikā.

Šīs īpašības darbojas pretējās virzienās. Cietāks materiāls labāk pretojas izspiešanai, taču ir mazāk izturīgs pret nevienmērīgām virsmām un uzstādīšanas bojājumiem. Šis kompromiss izskaidro, kāpēc nav viena vienīga vislabākais materiāls un kāpēc ikdienas lietojumā tiek izmantoti vairāki dažādi materiāli.

Kādas ir PTFE atbalsta gredzena īpašības?

PTFE plaši izmanto atbalsta gredzenos — kā cietos, ar slīpu griezumu un spirālveida veidos. To vērtē par ļoti zemu berzi, lielisku ķīmisko izturību un spēju izturēt plašu temperatūru diapazonu. 2026. gada pārskats šo saista ar tā molekulāro struktūru: stiprās C–F saites nodrošina ķīmisko stabilitāti, bet fluorātu atomiem apvilktā helikoidālā ķēde nodrošina vājas spēkas starp ķēdēm un ļoti zemu virsmas enerģiju [2]. Tas pats pārskats norāda stabila fizikālo īpašību diapazonu no −250 līdz 260 °C. Tā kā PTFE ir slidens, PTFE gredzens nepiespiežas pie pista un rada minimālu siltumu.

PTFE ir mīkstāks un vairāk pakļauts lēnai deformācijai zem slodzes nekā nilons vai PEEK, tāpēc to parasti izmanto vietās, kur spiediens ir vidējs vai arī piepildītā kvalitātē, kur piepildījums uzlabo tā pretestību deformācijai. Pārskatā norādīts, ka temperatūrā no −100 līdz 100 °C lēnā deformācija (creep) var izraisīt PTFE ātrāku nodilumu, pat ja tā berze samazinās [2]. Šī ir svarīgākā īpašība atbalsta gredzenam, jo gredzens, kas lēni deformējas iekšā spraugā, pakāpeniski zaudē spēju atbalstīt blīvi.

To risinājums. Publicētajos testos kompozīts no poliimīda un PTFE (20 % poliimīda) rādīja 62,6 % mazāku krišanas deformāciju nekā tīrs PTFE, un tā tilpuma nodilums samazinājās līdz 4/1000 no tīrā PTFE vērtības [2]. Citā atgriezeniskā kustībā veiktajā testā 5 % oglekļa nanoshķiedru un 10 % grafēna pievienošana samazināja PTFE nodiluma ātrumu no 1,05 × 10⁻⁴ līdz 4,7 × 10⁻⁶ mm³/(N·m), kas ir aptuveni par 96 % mazāk [3]. Molekulāro dinamiku pētījums par PTFE ar oglekļa nanocaurulītēm un poliimīdu norāda uz to pašu virzienu [4]. Šie ir paraugu līmeņa rezultāti, taču tie parāda, kāpēc piepildītās PTFE šķirnes uzvedas citādi nekā neatstrādātais PTFE un kāpēc šķirne ir tikpat svarīga kā materiāla nosaukums.

Siltīšanās arī ir problēma. Tas pats nanovoloknu/grafēna pētījums norāda, ka šī kompozīta termiskā vadītspēja ir 0,61 W/(m·K), kas ir par 165 % augstāka nekā tīra PTFE [3]. Tas nozīmē, ka tīra PTFE termiskā vadītspēja ir aptuveni 0,23 W/(m·K), tāpēc neatpildīts PTFE ir vājš siltuma vadītājs un piepildījumi palīdz siltumam izvadīt no kontaktvietas. Gredzenam ar biezumu L, kurā notiek siltuma plūsma q, temperatūras starpība caur gredzenu ir:

δT = q · L / λ (2)

Šeit λ ir termiskā vadītspēja. Zema λ vērtība nozīmē lielāku ΔT pie vienas un tās pašas siltuma plūsmas, kas ir vēl viens iemesls, kāpēc blīves temperatūra var būt daudz augstāka par eļļas temperatūru traukā.

Kādas ir niлона atbalsta gredzenu īpašības?

Nailons ir poliamīds. Tam ir laba mehāniskā izturība, un to bieži izmanto atbalsta gredzenos hidrauliskajās un pneimatiskajās sistēmās. Tas ir ciets un stingrāks nekā PTFE, tāpēc tas labāk pretojas izspiešanai pie noteiktas spraugas. Viena ražotāja norādījumos minēts, ka nailona 6,6 atbalsta gredzenus parasti izmanto līdz aptuveni 186 °F (aptuveni 86 °C) temperatūrai un aptuveni 10 000 psi (aptuveni 69 MPa); šie ir vispārīgi rādītāji kataloga materiālam un nav konkrēta akmeņurbuma urbjmašīnas reitings.

Nailona galvenā vājā puse ir ūdens. 2026. gada pētījumā par divām liektām nailona 6 plāksnēm [5] norādīts, ka nailons var absorbēt līdz aptuveni 10 % savas masas ūdens no mitras gaisa un 2–4 % parastās mitruma apstākļos. Absorbētais ūdens samazina cietību, elastības moduli, plūstamības robežu un stiepšanas izturību, bet palielina izstiepšanos. Minētajā pētījumā virsmas paraugu stiepšanas izturība, kuri absorbē visvairāk mitruma, vidēji bija aptuveni 59–62 MPa, kamēr plāksnes kodola paraugu stiepšanas izturība vidēji bija aptuveni 97–99 MPa. Pēc modificēta liekta nailona vārīšanas ūdenī 45 minūtes stiepšanas izturība samazinājās no 67,4 līdz 58,2 MPa, tas ir par 13,7 %, un žāvēšana 60 °C temperatūrā neatjaunoja sākotnējās īpašības. Ilgstoša žāvēšana pat vēl vairāk pasliktināja materiāla īpašības.

Lai izlasītu šos skaitļus, jāievēro divas brīdinājuma norādes. To mērījumi tika veikti uz lieliem liešanas plākšņu paraugiem, nevis uz formētiem vai apstrādātiem atbalsta gredzeniem, un galvenais secinājums ir tendence, nevis paši skaitliskie rādītāji. Hidrauliskajā ķēdē gredzens atrodas eļļā, tāpēc mitrums galvenokārt ir problēma krātuvēs, transportējot un sistēmās, kurās ūdens ir piesārņojis eļļu. Pētījumā arī konstatēts, ka šķērsspēks bija aptuveni 0,6 reizes mazāks par stiepes izturību (viens materiāls — 65 MPa, otrs materiāls — 62,7 MPa) [5], kas ir noderīgs pamatnoteikums, novērtējot, cik labi gredzens pretojas sagriešanai pie spraugas malas.

Vienkāršs novērtējums parāda šīs slodzes mērogu. Pieņemsim, ka gredzens pārklāj rādiālo spraugu g spiediena p ietekmē ar ass virziena platumu w. Spiediens darbojas uz atklāto virsmu caur spraugu, tāpēc spēks uz vienu loka vienību ir p × g, un vidējais šķērsspriegums pie spraugas malas ir:

τ ≈ p · g / w (3)

Ilustrācijas nolūkā pieņemsim maksimālo spiedienu 40 MPa, rādiālo spraugu 0,15 mm (diametrālo atstarpi 0,3 mm) un pieņemto gredzena platumu 3 mm. Tad τ ir aptuveni 2 MPa, kas ir daudz zemāk par nilona šķērsgriezuma izturību. Tas norāda, ka parastās atbalsta gredzena bojājumu cēloņi reti ir vienkārša šķērsgriezuma lūzuma dēļ. Biežāk tie ir saistīti ar lēnu deformāciju (krītu), vietēju deformāciju pie spraugas malas vai izturības samazināšanos (izmaksu) no atkārtotiem maksimālajiem spiedieniem. Šis ir pirmās kārtas novērtējums, kurā ignorēts krīts, malu koncentrācijas un gredzena ģeometrija, un to nevajadzētu izmantot projektēšanai.

Tāpēc zināms nilona trūkums ir tā jutība pret mitrumu. Tā temperatūras limits arī ir zemāks nekā PEEK, tāpēc tas ir mazāk piemērots risinājums, ja eļļa darbojas augstā temperatūrā.

Kādas ir PEEK atbalsta gredzenu īpašības?

PEEK ir augstas veiktspējas inženierijas plastmasa ar izcilām mehāniskajām stiprības īpašībām un ķīmisko izturību. To izmanto atbalsta gredzenos augstas spiediena un temperatūras ekspluatācijas apstākļos. Tā paša ražotāja norādījumi min tipisku PEEK atbalsta gredzenu lietojumu līdz aptuveni 500 °F (aptuveni 260 °C) un aptuveni 20 000 psi (aptuveni 138 MPa), atkal kā vispārīgu kataloga vērtību.

2026. gada pārskats apraksta PEEK kā augstas temperatūras, puskristālisku termoplastu, kura kristāliskā struktūra ļauj orientēt molekulas un tādējādi nodrošina augstu izturību, kā arī augstu stikla pārejas temperatūru, ķīmisko stabilitāti un labu noturību pret radiāciju [6]. Pārskats norāda arī uz trūkumu, kas ir būtisks blīvēm: tīrs PEEK ir slikti siltumvadīgs materiāls, kura siltumvadītspēja ir tikai 0,2–0,3 W/(m·K) [6]. Gredzens no šī materiāla tur siltumu tuvu kontaktvietai — tieši šo situāciju apraksta vienādojums 2. Pētījumi par piepildītu PEEK veltīti šīs vērtības paaugstināšanai; piemēram, 5 % masas daļa noteiktu oglekļa nanocauruļu paaugstināja siltumvadītspēju no 0,25 līdz 1,50 W/(m·K) [6]. Šis darbs tika veikts elektronikas dzesēšanai, nevis blīvēm, tāpēc to jāuztver kā pierādījumu tam, cik lielu ietekmi piepildītāji var izraisīt PEEK īpašībās, nevis kā blīvēm paredzētu gredzenu īpašību.

Kompromisi ir izmaksas un cietība. PEEK ir ievējami dārgāks nekā PTFE vai nilons, un tāpēc, ka tas ir tik ciets, tas vairāk noslogo metāla virsmas, uz kurām tas balstās: rupja vai bojāta cauruma virsma nodilinās gan blīvi, gan cieto gredzenu. Dažām akmeņu urbšanas sistēmām gredzenam nav nepieciešamas PEEK spējas, tāpēc to parasti izmanto tikai augstākajām spiediena un temperatūras vērtībām.

Kur elastomēra atbalsta gredzeni tiek izvietoti?

Profiliēti elastomēra gredzeni tiek veidoti no augstas cietības nitrila (parasti aptuveni 90 Shore A) vai fluoroelastomēra un ir veidoti tā, lai piestātu pie O-rings . Tie tiek izstiepti pāri virzuļa virsmai un ātri iekrīt rievā, kas padara to uzstādīšanu vieglu. Tā kā tie ir mīkstāki nekā plastmasas gredzeni, tie piemēroti zemāka spiediena pozīcijām un nav aizvietojums PTFE, nilonam vai PEEK tur, kur spiediena maksimumi ir augsti.

Izvēle starp NBR un FKM seko parastajai gumijas kompromisa situācijai. Gumijas blīvējumu komponentu pārskats apraksta NBR kā eļļas izturīgu, vidēji elastīgu un zemas izmaksas materiālu, kas piemērots parastām eļļas temperatūrām, kamēr FKM iztur augstas un zemas temperatūras, kā arī ķīmiskas vielas, bet tas ir ciets, mazāk elastīgs un dārgāks [7]. Katras šķidruma eļļas savietojamība joprojām jāpārbauda atsevišķi. Vienā iegremdēšanas testā (100 °C, 72 stundas) fluoroelastomēra blīvējuma gredzeni saruka par 4,9 % līdz 19,1 % trīs automašīnu hidrauliskajos šķidrumos un to maisījumos, un autori ieteica izmantot nitrilgumiju [8]. Šie šķidrumi nav akmeņurbumu eļļas, tāpēc secinājums attiecas uz metodi, nevis konkrētajiem skaitļiem: materiāla vispārīgais novērtējums neatstāj vietas reālā šķidruma testam.

Kā šie materiāli salīdzināmi viens ar otru?

Zemāk esošajā tabulā apkopots katras materiāla vispārīgais novietojums. Konkrētie ierobežojumi ir atkarīgi no kvalitātes pakāpes un ražotāja norādītajiem rādītājiem.

Kā spiediens un temperatūra ietekmē materiāla izvēli?

Spiediens un temperatūra darbojas kopā. Materiāls, kas pretojas izspiešanai istabas temperatūrā, kļūst mīkstāks, kad eļļa ir karsta, tāpēc gredzens var būt pietiekams aukstā darbnīcas testā, bet tomēr izspiesties urbī, kas jau vienu stundu ir strādājis. Atbilstošā temperatūra ir temperatūra blīvējumā, kas var būt augstāka par kopējo eļļas temperatūru.

Vispārīgi ņemot, mēreni spiediens un temperatūra ļauj izmantot PTFE vai nilonu, bet augstākais spiediens un temperatūra pārvieto izvēli uz PEEK. Maiņspiedienu jāuzskata par vairāk slodzes prasošu nekā vienmērīgu spiedienu ar to pašu vidējo vērtību, jo maksimālās vērtības slodze gredzenu virs tā vidējās slodzes. Mērījumu dati no urbšanas procesa ilustrē šo punktu. Prototipā, kurš darbojās pie 18 MPa, primārā buferkamerā reģistrēti īsu maksimālo spiedienu pikus apmēram 40 MPa lielumā [9], bet 15 MPa modelī kamerā spiediens sasniedza aptuveni 25 MPa, kas ir aptuveni 1,7 reizes lielāks par piegādāto spiedienu [10]. Gredzens, ko izvēlētos tikai pēc piegādes spiediena, būtu pārāk mazs šiem pikiem.

Biežums palielina slodzi. Percusijas ātrumā aptuveni 95 sitieni sekundē [11] katrs gredzens stundas laikā piedzīvo aptuveni 340 000 spiediena ciklus. Šādā gadījumā gredzena kalpošanas ilgumu nosaka nevis statiskā izturība, bet gan nogurums un lēnā deformācija (creep).

Kā gredzena cietība un spraugas lielums ietekmē viens otru?

Cietāka gredzena izmantošana neveido liela sprauga drošību. Gredzens pārklāj spraugu, un jo lielāka ir sprauga, jo mazāka daļa no gredzena atrodas uz metāla balstīta. Kad cauruma vai pistona izmēri mainās un sprauga paplašinās, jauns gredzens, kas sākotnēji bija piemērots, var tikt liegts pārklāt spraugu, kuru tas vispār netika projektēts pārklāt. Izturīgāks materiāls var paplašināt darba diapazonu, taču tas nevar novērst nepieciešamību atjaunot spraugu, kad metāla daļas ir nodilušas.

Efekta lielumu var redzēt gumijas ekstrūzijas pētījumā [1]. Tā pielāgotajā sakarībā ekstrūzijas garums palielinās par aptuveni 1,0 mm katram spraugas milimetram, bet samazinās tikai par 0,0115 mm katram IRHD cietuma punktam, tāpēc spraugas samazināšana par 0,1 mm rada tikpat lielu ietekmi kā gumijas cietuma paaugstināšana par aptuveni deviņiem punktiem. Publicēts akmeņurbuma Step blīvējuma avots sniedz līdzīgu noteikumu konstrukcijai ar stingru PTFE gredzenu: maksimālā diametrālā atstarpe samazinās no 0,6–0,3 mm līdz 20 MPa spiedienam līdz 0,3–0,2 mm starp 20 un 40 MPa spiedieniem stieņa diametriem no 30 līdz 36 mm [12]. Atļautā sprauga sarūk, palielinoties spiedienam, pat ja izmantots stingrs gredzens.

Tāpēc atkārtotas gredzena atteices jānovirza pārbaudei uz caurumu, pistoni un vadītāju, ne tikai uz gredzena materiālu. Pētījums par optimālo spraugu starp trieciena pistoni un tā cilindru hidrauliskajā akmeņurbuma urbī, rāda, ka sprauga ir konstrukcijas mainīgais lielums, kas līdzsvaro noplūdi pret berzi, tāpēc pareizā vērtība ir kompromiss, nevis vienkārši „cik vien iespējams maza“ [10].

Kā noteikt esoša atbalsta gredzena materiālu?

Izskats nav uzticama metode atbalsta gredzena materiāla noteikšanai. Vairāki no šiem polimēriem izskatās līdzīgi, un piepildvielas kā arī krāsvielas maina krāsu. Uzticamie avoti ir urbja ražotāja rezerves daļu katalogs un blīvējuma piegādātāja rakstiskais apstiprinājums par materiālu un kvalitāti.

Turībām, kur ieraksti nav pieejami, piegādātājs, kurš pazīst urbuma modeli, bieži vien var noteikt materiālu pēc daļas numura vai no vecā gredzena parauga. Jautājiet par materiālu, formu (cieta, ar slīpu griezumu vai spirālveida) un spiediena un temperatūras diapazonu, kāds bija norādīts, un salīdziniet šos parametrus ar jūsu urbuma apstākļiem.

1. Lu Yunjiang, Huang Le, Dai Changhao. O-gredzena izspiešanas pretestības analīze, balstoties uz Marc. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2020, (3): 84–89. (Ķīniešu valodā)
2. Cao Xiaoyu, Zhang Xu, Dang En, Luan Su, Hao Jianxu, Guo Chenhui, Yu Xiaojing, Zhao Kang. Pētījumu progress par politetrafluoroetilēna materiālu berzes pretestības īpašībām. Polymer Materials Science & Engineering, 2026, tiešsaistē pirmajā redakcijā. DOI: 10.16865/j.cnki.1000-7555.2026.0127. (Ķīniešu valodā)
3. An Lihui, Miao Xuemei, Liu Hao, Yang Song, Su Yujie, Wei Shijie. Sinerģiskā PTFE modifikācija ar grafēnu un oglekļa nanoshķiedrām: triboloģiskās īpašības un dinamiskās termiskās/elektriskās vadītspējas mehānisms. Tribology, 2026, tiešsaistē pirmajā izdevumā. (Ķīniešu valodā)
4. Wang Shuai, Ge Zhenghao, Wang Chaobao, Zhang Xiaoliang, Wang Haoyu. Molekulārdinamikas analīze par PI un CNTs piepildītu PTFE berzes un nodiluma īpašībām. Plastics Science and Technology, 2025, (10): 30–33. (Ķīniešu valodā)
5. Zhao Zhangxian, Zhang Junhao, Hu Yi. Pētījums par nilona materiālu mehāniskajām īpašībām materiālu izvēlē. Machinery Research & Application, 2026, 39(6): 97–100. (Ķīniešu valodā)
6. Han Zhichao, Chen Chaochan, Zheng Liangping, Xiang Lixue, Tang Bo, Wu Xinfeng. Pārskats par poliēterēterketona siltumvadītspējīgo kompozītu sagatavošanas metodēm. China Plastics Industry, 2026, 54(8): 1–7. (Ķīniešu valodā)
7. Qin Shuai, Cheng Pin, Wang Shidu. Gumijas komponentu strukturālā optimizācijas projektēšana mehānisko iekārtu blīvējumu ierīcēs. China Tire Resources Comprehensive Utilization, 2026, (8). (Ķīniešu valodā)
8. Feng Dongliang, Zhao Ning, Chang Feng, Cai Wenbin, Wang Yongli, Yang Xin. Eksperimentālā pētījuma par fluorogumijas blīvējuma gredzena un hidrauliskās eļļas savietojamību. Lubrication Engineering, 2018, 43(5): 111–114. (Ķīniešu valodā)
9. Wang Jiansen, Yang Guangsheng, Liu Shaojun, Feng Huai, Wen Yongqiang. Pārspiediena parādības analīze divkameru vadības hidrauliskā akmeņurbuma urbī galvenajā amortizācijas kamerā. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2026, 50(7): 57–67. (Ķīniešu valodā)
10. Wang Jiansen, Yan Hongliang, Zhang Xin, Wang Yanjun, Liu Bin, Wei Liejiang. Optimālā spraugas izveide starp trieciena pistoni un cilindru divkameru vadības hidrauliskajā akmeņurbuma urbī. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2025, 49(4): 79–91. (Ķīniešu valodā)
11. Yang Mingming. Eksperimentālā pētījuma par hidrauliskā akmeņurbuma urbja trieciena veiktspēju rezultāti. Equipment Management and Maintenance, 2025, (10). (Ķīniešu valodā)
12. Li Chuan, Yan Tianjun, Li Tiehui. Ietekmes pistona blīvēšana un hidraulisko akmeņurbju solveida blīvējums. Rock Drilling Machinery & Pneumatic Tools, 2003, (3): 8–12. (Ķīniešu valodā)