Glyd-ring og trinnforsegling i hydrauliske sylindre for bergboringsutstyr: Hvordan de virker og hvordan du velger en erstatning

Bak hver bergboremaskins forsyningssystem, bom og andre hydrauliske aktuatorer ligger et par tettningsdesigner som ved første øyekast ser nesten identiske ut, men som utfører sine oppgaver på ulike steder av ulike årsaker: Glyd-ring og trinn-tetting. Begge kombinerer en slitesterk PTFE-ring med en gummi O-ring under den, og sammen utgjør de noen av de mest brukte stempeletetningene og stangtetningene i moderne hydrauliske sylindre. Denne artikkelen forklarer hvordan disse kompakte tetningene faktisk fungerer, hvor en bergboremaskin bruker dem, hvordan man gjenkjenner når én har sviktet, og hva man bør sjekke før man bestiller en erstatning.

Hva er Glyd-ringer og trinn-tetninger?

En Glyd Ring og en Step Seal er begge eksempler på det som tettningsindustrien kaller en kompakt tetning eller en O-ring-aktivert PTFE-tetning: en stiv, lavt-friksjons PTFE-slitasjeringsring støttet av en gummiring (O-ring) som forspenner den mot den tilsvarende overflaten. PTFE-ringen er den som faktisk kontakter sylinderväggen eller stempelestangen og utfører tetningen; O-ringen under leverer den elastiske trykkraften som PTFE ikke kan levere på egen hånd, siden PTFE ikke fjærer tilbake som gummivare etter kompresjon.

Navnene «Glyd Ring» og «Step Seal» opprinnelig var produsentmerker, men brukes nå industriverktid, på samme måte som «O-ring» har blitt et generisk uttrykk. I kineskspråklige reservedelskataloger grupperes begge ofte under fellesbetegnelsen ge Lai Quan (Glyd ring), mens si Te Feng (Step Seal) brukes spesifikt for varianten som fungerer som en stangtetning.

Hva er forskjellen mellom en Glyd Ring og en Step Seal?

De to designene er utviklet for motsatte oppgaver på samme sylinder. En Glyd Ring har en symmetrisk, rektangulær profil, som gjør at den tetner like godt uansett hvilken side trykket kommer fra – akkurat det en pistonsegl trenger, siden hydraulisk trykk veksler mellom de to sidene av stempelen mens sylinderen strekkes ut og trekkes inn. En Step Seal har en asymmetrisk, trinnformet profil som er utformet for å tetne i én retning bare, tilpasset en stangsegl 's faktiske oppgave: å holde trykkolje inne i sylinderen mens stangen beveger seg inn og ut.

En enkel måte å huske forskjellen på: en Glyd Ring monteres på stempelet (boretetting, toveis-tetting), mens en Step Seal monteres på stangen (stangtetting, enveis-tetting). Begge bruker den samme underliggende konstruksjonen med PTFE pluss O-ring, noe som forklarer hvorfor de ofte diskuteres sammen, selv om de utfører ulike funksjoner på ulike steder i samme sylinder.

Bilde 1: Sammenligning av profilene til Glyd Ring og Step Seal

Hvordan gjør O-ring-energisatoren en PTFE-tetting virkelig tetnende?

PTFE verdsettes for tetting på grunn av sin svært lave friksjon og utmerkede kjemiske og slitasjemotstand, men alene har den i praksis ingen elastisk minne: når den en gang er komprimert, forblir den komprimert i stedet for å spenne tilbake for å opprettholde kontaktrykk. En gummiring (O-ring) plassert bak PTFE-ringen løser dette ved å virke som fjæren: den trykker kontinuerlig PTFE-ringen utover (for en Glyd Ring i en hullfure) eller innover (for en stangtetning), slik at slitasjeringskontakten med den bevegelige overflaten opprettholdes selv når PTFE-ringen gradvis slites ned over tid.

Denne arbeidsfordelingen gir kompakte tetninger deres karakteristiske oppførsel: den lave friksjonen og lavt «stick-slip»-glidingsoverflaten av PTFE kombinert med O-ringens evne til å justere tetningens kontaktkraft kontinuerlig når spillerom endres og slitasjeringskontakten gradvis slites ned. Tap av O-ringens funksjon — som følge av egen nedbrytning — fører til at tetningen svikter, selv om PTFE-ringen selv fortsatt kan se hel ut.

Den grunnleggende testen som enhver slik tetning må bestå, ved hvilket som helst driftstrykk, er at kontakttrykket mellom PTFE-ringen og den bevegelige overflaten må forbli høyere enn trykket fra væsken den skal hindre. Finit-element-studier av Glyd Ring-tetninger bekrefter dette direkte: maksimalt kontakttrykk øker sammen med væsketrykket og forblir høyere enn det gjennom hele det testede området, noe som er betingelsen for at tetningen ikke skal lekke. De samme studiene viser også hvor følsom tetningens ytelse er for dens nøyaktige profil – i én systematisk studie ble den beste tetningsytelsen under høyt trykk bare funnet innen ganske smale geometriske toleranser, på størrelsesorden noen tideler av en millimeter i leppens radius og noen få grader i tetningens sidevinkel – noe som utgjør en stor del av grunnen til at Glyd Ring- og Step Seal-profiler ikke er noe man kan anslå ut fra en delvis liknende del.

Det er også verdt å forstå at en gjenløpende tetning ikke er en perfekt null-lekkasjetetning, selv når den fungerer nøyaktig som den er utformet for, noe som er viktig når man vurderer om en liten mengde lekkasje ved en stang faktisk utgjør et problem. Smøringsteori basert på Reynolds’ ligning, som brukes til å modellere den tynne væskefilmen mellom tetningsleppen og den bevegelige overflaten, viser at en gjenløpende tetning fører med seg en væskefilm utover under én stroke og en film tilbake under returstrøken; nettolekkasjen per syklus er proporsjonal med forskjellen mellom disse to filmtykkelsene, som igjen avhenger av trykkgradienten på væskesiden sammenlignet med luftsiden ved hver ende av stroken. En tetningsprofil som er utformet for å gjøre trykkgradienten brattere på væskesiden og jevnere på luftsiden vil føre mer væske tilbake enn den slipper ut, og nærme seg netto-null lekkasje over en hel syklus; en dårlig tilpasset profil har motsatt virkning. Dette er en del av den teoretiske grunnlaget for hvorfor små profilendringer målt i tideler av en millimeter, som diskuteres ovenfor, kan ha en overforholdsmessig stor innvirkning på målt lekkasje.

Hvor brukes Glyd-ringer og trinnpakninger på bergboringsanlegg?

På et bergboringsanlegg finnes pakninger av typen Glyd-ring og trinnpakning vanligvis i hydrauliske aktuator-sylindre som beveger utstyret rundt boret, ikke inne i selve perkusjonsmekanismen i bergboreenheten: forsyningssylindere som fremfører og trekker tilbake boret langs veilederen, bom- og svingesylindere som plasserer boret over borehullet, samt lignende aktuator-sylindere andre steder på bærebilen. Disse sylindrene utsettes for samme dobbeltvirkende, vekslande trykkbelastning som Glyd-ringer og trinnpakninger er utformet for.

Fordi forsyningssylindere spesielt gjennomgår konstant syklus under en borevakt og opererer i et støvete, skitnede miljø, er deres stemelpakninger og stangpakninger blant de mest utskiftede slitasjedelene på anleggsiden av en bergboringsoperasjon – i motsetning til slitasjedeler på perkusjonssiden, som f.eks. akkumulator-diaphragmen eller koppakningen som omtales andre steder.

Hva skjer når en Glyd-ring eller trinnring svikter?

Når PTFE-slitasjeringsringen er slitt gjennom, eller O-ringens energizer mister sin elastisitet, kan tetningen ikke lenger opprettholde tilstrekkelig kontakttrykk mot sylinderrøret eller stangen for å stanse hydraulisk trykk. Det praktiske resultatet er intern lekkasje forbi stempelet (som viser seg som at sylinderen mister sin fastholdende kraft eller driver under belastning) eller ekstern lekkasje forbi stangtetningen (synlig oljelekkasje ved stangen, spesielt etter at sylinderen har stått i ro og vært under trykk i en stund).

Fordi PTFE-ringen og O-ringene kan svikte uavhengig av hverandre – en herdet, sprekket O-ring kan ødelegge en ellers brukbar PTFE-ring, og en slitt PTFE-ring kan utsette en ellers sunn O-ring for direkte slitasje – erstattes tetningssett vanligvis som én enhet, der begge komponentene byttes samtidig, i stedet for å behandles som separate reservedeler.

Bilde 2: Slitt PTFE-tetning og O-ring-energizer

Hvordan kan du vite om tetningen i sylinderen din har sviktet?

En sviktende Glyd Ring eller trinnpakning viser vanligvis én eller flere av følgende symptomer:

• Sylinderen mister holdkraft eller kryper under belastning når den burde holde still.
• Synlig oljelekkasje ved stangpakningen, spesielt tydelig etter at maskinen har stått i ro under trykk.
• Langsommer eller mindre konsekvent sylinderrørelse, spesielt ved starten av en slaglengde.
• Forurensning eller fargeendring i hydraulikkoljen forårsaket av en tørket eller slitt tørkepakning som ikke lenger holder støv og smuss ute.
• En sylinder som føles «sponget» eller mister presisjon i posisjonering, i tråd med intern omgåelse rundt stemelpakningen.

Tabellen nedenfor knytter disse symptomene til sannsynlige årsaker og en fornuftig første sjekk.

Hva forårsaker tidlig slitasje på disse tetningene?

Flere forhold forkorter levetiden til Glyd-ringer og trinn-tetninger betraktelig under deres konstruksjonsmessige potensial:

• Forurenet hydraulikkvæske som inneholder abrasive partikler, noe som akselererer slitasjen på PTFE-ringens glidflate.
• En skåret, pitted eller korrodert sylindersylinder eller stangflate, som PTFE-ring ikke kan fullt ut kompensere for – uansett hvor godt den er montert.
• Et O-ring-energiserermateriale som er inkompatibelt med den brukte hydraulikkvæsken, noe som fører til at det sveller opp, blir hardt eller mister elastisiteten raskere enn forventet.
• Feil montering, spesielt montering av en trinn-tetting i feil retning, hvilket fra begynnelsen av undergraver dens envei-tetningsdesign.
• Varighet av høy temperatur utenfor O-ring-energiserens angitte temperaturområde, siden PTFE-ring i seg selv tåler varme godt, men gummiergiseren under den vanligvis er den svakere lenken.

Hvorfor er monteringsretning så viktig for en trinnpakning?

En Glyd-ring har en symmetrisk profil, noe som betyr at det i praksis er umulig å montere den feil vei; den tetner på samme måte uavhengig av retning. En trinnpakning har derimot en trinnformet, asymmetrisk profil: den er spesifikt utformet for å tetne i én retning, og hvis den monteres feil vei, vil lavtrykkssiden på tetningen nå peke mot oljen under trykk som den egentlig skal holde tilbake.

En trinnpakning som er montert i feil retning kan virke som om den fungerer kortvarig, siden O-ring-energisatoren fortsatt gir en viss tetningskraft, men den vil vanligvis svikte langt før sin angitte levetid og kan svikte på en måte som ser identisk ut med vanlig slitasje – derfor bør monteringsretning alltid dobbeltsjekkes mot produsentens monteringsanvisninger hver gang en stangtetning byttes, ikke bare antas ut fra formen på sporet.

Stegtetninger har også en dokumentert, trykkavhengig lekkasjekarakteristikk som det er nyttig å kjenne til før man feilsøker en slik tetning og konkluderer med at den er «feilet». Klassisk tetningsforskning på stegtetningers oppførsel beskriver fire soner når systemtrykket øker: en under-tetningssone ved svært lavt trykk (ca. 0 til 0,6 MPa), der lekkasjen er neglisjerbar; en ustabilitetssone (ca. 0,6 til 1,5 MPa), der glideringen kan flyte momentant og friksjonen synker til et lokalt minimum, noe som midlertidig øker intern lekkasje selv om ingenting faktisk er feilet; en normal tetningssone (ca. 3 til 32 MPa, avhengig av utformingen), som dekker de fleste reelle driftstrykkene, der tetningsevnen er god og stabil; og en tetningsfeilsone over tetningens nominelle trykk, der tetningen brytes ned permanent. Siden den ustabile sonen ligger langt under vanlig driftstrykk for de fleste sylindre, forårsaker den sjelden problemer i praksis. Men konstruksjoner som må gjennomgå denne sonen – for eksempel under treig trykkoppbygging – passerer den noen ganger hensiktsmessig raskt, eller kombinerer en stegtetning med en annen, forskjellig tetningstype slik at deres ustabile trykkområder ikke overlapper. Dette er én av grunnene til at flerkomponenttetningssett, i stedet for én enkelt ring, vanligvis er standardspesifikasjonen for en stangtetning.

Foto 3: Monteringsretning for stegtetning .

Hvordan velger du riktig erstatningstetning av typen Glyd Ring eller stegtetning?

Når feilen er bekreftet, avgjør tre faktorer hvilken erstatningstetning som er riktig:

• Nøyaktig måltilpasning til sylinderns boring eller stangdiameter og sporfremstilling, siden Glyd Rings og stegtetninger er dimensjonert og profilert spesifikt for hver sylinderdesign.
• En PTFE-blanding og en O-ring-energisator av materiale som passer for applikasjonens belastning, hastighet og hydraulikkvæske, noe som beskrives mer detaljert i en tilhørende artikkel om materialene som brukes i disse tetningene.
• Å kjøpe et par (PTFE-ring pluss energisator) fra samme leverandør i stedet for å blande komponenter fra ulike leverandører, siden de to delene er designet for å fungere sammen med en spesifikk passform og forspenning.

Foto 4: Oppsett av erstatningstetningssett før montering

Hvor kan du kjøpe pålitelige erstatningstetninger?

Siden dimensjonene til Glyd Ring og Step Seal er spesifikke for hver sylinders bores- eller stangstørrelse og sporutforming, avhenger innkjøp av å finne en leverandør som kan levere nøyaktige dimensjoner og anbefale en passende kombinasjon av PTFE og O-ring for anvendelsen, i stedet for en generisk dimensjonert del.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, en kinesisk produsent av tetninger som ble etablert i 2013, produserer PU-, gummi- og PTFE-tetningskomponenter, inkludert stempeletetninger og stangtetninger av typen Glyd Ring og Step Seal som brukes i hydrauliske sylindere i utstyr for bergboring, bygg og ekskavatorer, og oppgir at de tilbyr gratis teknisk støtte for å bekrefte riktige dimensjoner og materialkombinasjoner for en gitt sylinder før en ordre plasseres.

Hvis du er usikker på hvilken tetning sylindern din trenger, er det mest pålitelige måten å få en tetning som passer og yter som forventet å gi leverandøren sylinderns bohring- og stangdiameter, sporets dimensjoner og dine vanlige driftsforhold (trykk, hastighet, hydraulikkvæskestype og temperatur), slik at leverandøren kan sammenligne med kjente sylinderdesigner.

Foto 5: Tetningssett pakket til forsendelse

1. Dai L. «Optimering og eksperimentell undersøkelse av tetningsegenskapene til hydrauliske glydringer med reciprok bevegelse.» Masteroppgave, Jiangnan University, 2025.
2. Yao S. «Analyse av tetningsegenskapene til trinn-tetninger.» Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. «Beregningsmetode for levetiden til glydringer brukt i hydrauliske sylinderpistoner.» Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. «Åtti år med forskning på hydrauliske sylindertettinger: Oversikt over tribologiske studier og relaterte emner siden 1930-tallet.» Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.