Glyd Ring en Step Seal in Hydraulische cilinders voor rotatiedraaiboren: Hoe Ze Werken en Hoe U Een Vervanging Kiest

Achter het voedselsysteem, de arm en andere hydraulische actuatoren van elke rotatieboorinstallatie bevinden zich twee afdichtingsontwerpen die op het eerste gezicht bijna identiek lijken, maar op verschillende plaatsen en om verschillende redenen hun werk doen: de Glyd Ring en de Step Seal. Beide combineren een slijtvaste PTFE-ring met een rubberen onderlaag O-ring eronder, en samen vormen ze enkele van de meest gebruikte zuiger- en stangafdichtingen in moderne hydraulische cilinders. In dit artikel wordt uitgelegd hoe deze compacte afdichtingen werken, waar een rotatieboorinstallatie ze gebruikt, hoe u kunt herkennen dat er een is gefaald en wat u moet controleren voordat u een vervanging bestelt.

Wat zijn Glyd Rings en Step Seals?

Een Glyd Ring en een Step Seal zijn beide voorbeelden van wat de afdichtingsindustrie een compacte afdichting of een door een O-ring geactiveerde PTFE-afdichting noemt: een stijve, wrijvingsarme PTFE-slijtring die wordt ondersteund door een rubberen O-ring die deze vooraf belast tegen het tegenoverliggende oppervlak. De PTFE-ring is degene die daadwerkelijk in contact komt met de cilinderbuis of de zuigerstang en de afdichting verzorgt; de onderliggende O-ring levert de elastische knelkracht die PTFE op zichzelf niet kan leveren, aangezien PTFE, in tegenstelling tot rubber, niet terugspringt nadat het is samengeperst.

De namen „Glyd Ring” en „Step Seal” ontstonden als merknamen van fabrikanten, maar worden nu industriebreed gebruikt, op dezelfde manier als „O-ring” zelf een algemene term is geworden. In Chinese onderdelencatalogi worden beide vaak gegroepeerd onder de verzamelterm geleiquan (Glyd ring), waarbij sitelifeng (Step Seal) specifiek wordt gebruikt voor de variant die dient als staafafdichting.

Wat is het verschil tussen een Glyd Ring en een Step Seal?

De twee ontwerpen zijn gebouwd voor tegengestelde functies op dezelfde cilinder. Een Glyd Ring heeft een symmetrisch, rechthoekig profiel, waardoor hij even goed afdicht ongeacht van welke kant de druk komt — precies wat een pistonsluiting nodig heeft, aangezien de hydraulische druk wisselt tussen de twee zijden van de zuiger terwijl de cilinder uit- en intrekt. Een Step Seal heeft een asymmetrisch, trapvormig profiel dat is ontworpen om uitsluitend in één richting af te dichten, afgestemd op de stang zegel daadwerkelijke functie van het behouden van onder druk staande olie binnen de cilinder terwijl de stang naar binnen en naar buiten beweegt.

Een eenvoudige manier om het verschil te onthouden: een Glyd Ring wordt op de zuiger geplaatst (boringafdichting, tweerichtingsafdichting), en een Step Seal wordt op de stang geplaatst (stangafdichting, éénrichtingsafdichting). Beiden gebruiken dezelfde onderliggende constructie van PTFE plus O-ring, wat verklaart waarom ze vaak samen worden besproken, ondanks hun verschillende positie in dezelfde cilinder.

Foto 1: Vergelijking van de profielen van Glyd Ring en Step Seal

Hoe zorgt de O-ring als energizer ervoor dat een PTFE-afdichting daadwerkelijk afdicht?

PTFE wordt gewaardeerd voor afdichting vanwege zijn zeer lage wrijving en uitstekende chemische en slijtvastheid, maar op zichzelf heeft het vrijwel geen elastisch geheugen: zodra het is samengeperst, blijft het samengeperst in plaats van terug te veeren om de contactdruk te behouden. Een rubberen O-ring die achter de PTFE-ring is geplaatst, lost dit probleem op door als veer te fungeren: deze duwt continu de PTFE-ring naar buiten (voor een Glyd Ring in de groef in de boring) of naar binnen (voor een zuigerstangafdichting), waardoor de slijtagering steeds stevig in contact blijft met het bewegende oppervlak, zelfs terwijl de PTFE geleidelijk slijt.

Deze arbeidsverdeling is wat compacte afdichtingen hun kenmerkende gedrag geeft: het glijoppervlak van PTFE met lage wrijving en weinig stick-slip, gecombineerd met het vermogen van de O-ring om de contactkracht van de afdichting voortdurend aan te passen naarmate de speling verandert en de slijtagering geleidelijk slijt. Het verlies van de functie van de O-ring — door eigen verslechtering — leidt tot afdichtingsfalen, zelfs als de PTFE-ring zelf nog intact lijkt.

De basisproef die een dergelijke afdichting bij elke bedrijfsdruk moet doorstaan, is dat de contactdruk tussen de PTFE-ring en het bewegende oppervlak boven de druk van de vloeistof die wordt tegengehouden moet blijven. Eindige-elementenstudies van Glyd Ring-afdichtingen bevestigen dit direct: de maximale contactdruk stijgt samen met de vloeistofdruk en blijft in het geteste bereik boven die druk — wat de voorwaarde is die lekkage voorkomt. Dezelfde studies tonen ook aan hoe gevoelig de prestaties van de afdichting zijn voor het exacte profiel: in één systematische studie bleek de beste afdichtprestatie onder hoge druk alleen te worden bereikt binnen vrij smalle geometrische vensters — op de orde van enkele tienden van een millimeter voor de lipstraal en enkele graden voor de zijkantshoek van de afdichting — wat gedeeltelijk verklaart waarom Glyd Ring- en Step Seal-profielen niet mogen worden benaderd aan de hand van een visueel vergelijkbaar onderdeel.

Het is ook de moeite waard om te begrijpen dat een heen-en-weerwerkende afdichting zelfs bij perfecte werking volgens ontwerp geen volkomen lekvrije barrière is, wat van belang is bij het beoordelen of een kleine hoeveelheid vocht aan de stang daadwerkelijk een probleem vormt. De smeringstheorie op basis van de Reynolds-vergelijking, die wordt gebruikt om de dunne vloeistoffilm tussen de afdichtlip en het bewegende oppervlak te modelleren, laat zien dat een heen-en-weerwerkende afdichting tijdens één slag een vloeistoffilm meevoert naar buiten en tijdens de terugslag een film terugvoert naar binnen; de netto-lekkage per cyclus is evenredig met het verschil tussen deze twee filmdiktes, wat op zijn beurt afhangt van de drukgradiënt aan de vloeistofzijde versus de luchtzijde aan elk uiteinde van de slag. Een afdichtprofiel dat is ontworpen om de drukgradiënt aan de vloeistofzijde te versterken en aan de luchtzijde af te vlakken, voert meer vloeistof terug dan het naar buiten laat, waardoor de netto-lekkage over een volledige cyclus bijna nul nadert; een slecht afgestemd profiel heeft het tegenovergestelde effect. Dit vormt een deel van de theoretische basis waarom kleine profielwijzigingen, gemeten in tienden van een millimeter (zoals hierboven besproken), een onevenredig grote invloed kunnen hebben op de gemeten lekkage.

Waar gebruiken rotsborensystemen Glyd Rings en Step Seals?

Op een rotsborensysteem vindt men Glyd Ring- en Step Seal-type afdichtingen het meest in de hydraulische actuatorcilinders die de uitrusting rondom de boor bewegen, in plaats van in het percussiemechanisme van de rotboreneenheid: voercilinders die de boor langs zijn geleiderail naar voren en achteruit bewegen, arm- en draaicilinders die de boor boven het gat positioneren, en soortgelijke actuatorcilinders elders op de drager. Deze cilinders worden belast met dezelfde dubbelwerkende, wisselende-druktoepassing waarvoor Glyd Rings en Step Seals specifiek zijn ontworpen.

Omdat voercilinders met name tijdens een borenshift voortdurend cyclisch werken en in een stoffige, vuilrijk milieu opereren, behoren hun zuiger- en stangafdichtingen tot de meest frequente vervangbare slijtageonderdelen aan de ‘rigzijde’ van een rotborenbewerking — in tegenstelling tot de slijtageonderdelen aan de ‘percussiezijde’, zoals het accumulator-membraan of de cup seal, die elders worden besproken.

Wat gebeurt er wanneer een Glyd-ring of stapelafdichting faalt?

Wanneer de PTFE-slijtagering volledig is versleten of de O-ring-energizer zijn elasticiteit verliest, kan de afdichting niet langer voldoende contactdruk uitoefenen tegen de boring of de stang om de hydraulische druk tegen te houden. Het praktische gevolg is interne lekkage langs de zuiger (wat zich manifesteert als verlies van houdkracht van de cilinder of als wegdrijven onder belasting) of externe lekkage langs de stangafdichting (zichtbare olielekkage aan de stang, vooral nadat de cilinder enige tijd stil heeft gestaan en onder druk stond).

Omdat de PTFE-ring en de O-ring onafhankelijk van elkaar kunnen falen — een verhardde, gebarsten O-ring kan een anderszins nog bruikbare PTFE-ring onbruikbaar maken, en een volledig versleten PTFE-ring kan een anderszins gezonde O-ring blootstellen aan directe slijtage — wordt bij vervanging van een afdichtingskit over het algemeen beide componenten tegelijk vervangen, in plaats van ze als afzonderlijke reserveonderdelen te behandelen.

Foto 2: Versleten PTFE-afdichting en O-ring-energizer

Hoe herkent u dat de afdichting van uw cilinder is gefaald?

Een defecte Glyd Ring of stapelverbinding manifesteert zich meestal als een of meer van de volgende verschijnselen:

• De cilinder verliest zijn houdkracht of krioelt onder belasting terwijl hij stil zou moeten blijven staan.
• Zichtbare olielekkage bij de stangverbinding, met name duidelijk nadat de machine onder druk heeft gestaan zonder in gebruik te zijn.
• Langzamere of minder consistente beweging van de cilinder, vooral aan het begin van een slag.
• Verontreiniging of verkleuring van de hydraulische olie door een beschermring die stof en vuil niet langer uitsluit.
• Een cilinder die 'sponzig' aanvoelt of precisie verliest bij positionering, wat overeenkomt met interne bypass via de versleten zuigerdichting van de Glyd Ring.

De onderstaande tabel koppelt deze symptomen aan mogelijke oorzaken en een logische eerste controle.

Wat veroorzaakt vroegtijdige slijtage bij deze dichtingen?

Verschillende omstandigheden verkorten de levensduur van Glyd Rings en Step Seals aanzienlijk onder hun ontwerppotentieel:

• Verontreinigde hydraulische olie met schurende deeltjes, wat de slijtage van het glijdende oppervlak van de PTFE-ring versnelt.
• Een gekratte, gepitte of gecorrodeerde cilinderbuis of stangoppervlakte, waarbij de PTFE-ring ondanks optimale aanligging niet volledig kan compenseren.
• Een O-ring-energizermateriaal dat niet compatibel is met de gebruikte hydraulische vloeistof, waardoor het opzwelt, verhardt of sneller dan verwacht zijn elasticiteit verliest.
• Onjuiste montage, met name het verkeerd oriënteren van een Step Seal, waardoor zijn eendirectionele afdichtingsontwerp vanaf het begin wordt geneutraliseerd.
• Langdurige hoge temperatuur buiten het toegestane bereik van de O-ring-energizer, aangezien de PTFE-ring zelf goed bestand is tegen hitte, maar de rubberen energizer eronder meestal de zwakste schakel is.

Waarom is de installatierichting zo belangrijk voor een stapelring?

Het symmetrische profiel van een Glyd-ring betekent dat het in wezen onmogelijk is om deze verkeerd te monteren; hij dicht op dezelfde manier, ongeacht de oriëntatie. Het gestapelde, asymmetrische profiel van een stapelring is juist het tegenovergestelde: deze is specifiek ontworpen om in één richting te dichten, en bij verkeerde montage staat de lage-drukzijde van de ring nu naar de onder druk staande olie die hij eigenlijk moet tegenhouden.

Een stapelring die verkeerd is gemonteerd, kan kortstondig nog lijken te functioneren, aangezien de O-ring-energizer nog steeds enige afdichtkracht levert, maar hij zal doorgaans lang vóór het gespecificeerde serviceleven uitvallen en kan op een manier uitvallen die identiek lijkt aan gewone slijtage — daarom is het raadzaam om de installatierichting altijd dubbel te controleren aan de hand van de montage-instructies van de fabrikant bij elke vervanging van een stangafdichting, en niet alleen te veronderstellen op basis van de vorm van de groef.

Stepafdichtingen hebben ook een gedocumenteerde, drukafhankelijke lekkagekarakteristiek waarvan men op de hoogte moet zijn voordat men een dergelijke afdichting als ‘defect’ gaat diagnosticeren. Klassiek onderzoek naar het gedrag van Stepafdichtingen beschrijft vier zones naarmate de systeemdruk stijgt: een sub-afdichtingszone bij zeer lage druk (ongeveer 0 tot 0,6 MPa), waarbij de lekkage verwaarloosbaar is; een instabiliteitszone (ongeveer 0,6 tot 1,5 MPa), waarin de glijdende ring tijdelijk kan zweven en de wrijving daalt tot een lokaal minimum, waardoor de interne lekkage tijdelijk toeneemt, ondanks dat er in feite niets defect is; een normale afdichtingszone (ongeveer 3 tot 32 MPa, afhankelijk van het ontwerp), die de meeste werkelijke bedrijfsdrukken bestrijkt en waarbij de afdichtingsprestaties goed en stabiel zijn; en een afdichtingsfalenzone boven de nominale druk van de afdichting, waarbij de afdichting definitief faalt. Aangezien de instabiliteitszone bij de meeste cilinders ver onder de normale bedrijfsdruk ligt, veroorzaakt deze in de praktijk zelden problemen. Toch kunnen ontwerpen die noodzakelijkerwijs door deze zone moeten — bijvoorbeeld tijdens een trage drukopbouw — dit soms expres snel doen, of een Stepafdichting combineren met een tweede, andere afdichtingstype, zodat hun instabiele drukbereiken niet overlappen. Dit is één reden waarom multi-component afdichtingssets, in plaats van één enkele ring, de standaardspecificatie vormen voor een zuigerstangaafdichting.

Foto 3: Montagerichting van de stapelafdichting .

Hoe kiest u de juiste vervangende Glyd-ring of stapelafdichting?

Nadat het defect is bevestigd, bepalen drie factoren de juiste vervanging:

• Een exacte afmetingsovereenkomst met de boring of stangdiameter van de cilinder en het groefprofiel, aangezien Glyd-ringen en stapelafdichtingen specifiek zijn ontworpen voor elk cilinderontwerp.
• Een PTFE-samenstelling en een O-ring-energiser-materiaal die geschikt zijn voor de belasting, snelheid en hydraulische vloeistof van de toepassing; dit wordt uitgebreider behandeld in een gerelateerd artikel over de materialen die in deze afdichtingen worden gebruikt.
• Het verkrijgen van een afgestemde set (PTFE-ring plus energiser) in plaats van onderdelen van verschillende leveranciers te combineren, omdat beide onderdelen specifiek op elkaar zijn afgestemd voor een bepaalde pasvorm en voorbelasting.

Foto 4: Opstelling van de vervangende afdichtingskit vóór installatie

Waar kunt u betrouwbare vervangende afdichtingen verkrijgen?

Aangezien de afmetingen van Glyd Ring en Step Seal specifiek zijn voor elke cilinderboring of -stangdiameter en groefontwerp, komt het leveren neer op het vinden van een leverancier die de exacte afmetingen kan leveren en een geschikte combinatie van PTFE en O-ring kan aanbevelen voor de toepassing, in plaats van een algemeen beschikbaar onderdeel.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, een Chinese fabrikant van afdichtingsmaterialen opgericht in 2013, produceert PU-, rubber- en PTFE-afdichtingscomponenten, waaronder zuiger- en stangaansluitingsafdichtingen van het type Glyd Ring en Step Seal die worden gebruikt in hydraulische cilinders voor rotatiedrilling, bouwmachines en graafmachines, en verklaart dat het gratis technische ondersteuning biedt om de juiste afmetingen en materiaalcombinatie voor een bepaalde cilinder te bevestigen voordat een bestelling wordt geplaatst.

Als u niet zeker weet welke afdichting uw cilinder nodig heeft, is het meest betrouwbare manier om een afdichting te verkrijgen die past en presteert zoals verwacht, om de boring- en stangdiameters van de cilinder, de groefafmetingen en uw gebruikelijke bedrijfsomstandigheden (druk, snelheid, type hydraulische vloeistof en temperatuur) aan een leverancier te verstrekken die deze kan vergelijken met bekende cilinderontwerpen.

Foto 5: Afdichtingskit verpakt voor verzending

1. Dai L. "Optimalisatie en experimenteel onderzoek naar de afdichtprestaties van hydraulische heen-en-weergaande Glyd-ring." Masterproef, Jiangnan University, 2025.
2. Yao S. "Analyse van de afdichtkarakteristieken van stapelafdichtingen." Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. "Berekeningsmethode voor de levensduur van Glyd-ringen in zuigers van hydraulische cilinders." Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. „Tachtig jaar onderzoek naar hydraulische heen-en-weer-dichtingen: Overzicht van tribologisch onderzoek en gerelateerde onderwerpen sinds de jaren 1930.“ Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.