Hva er Glyd-ringer og trinnforseglinger laget av? Forklaring av PTFE-forbindelser

En Glyd-ring eller trinn-tetting er egentlig to materialer som virker sammen: en stiv PTFE-slitasjeringsring og en gummiring O-ring under den. Det meste av samtalen om disse tettingene fokuserer på formen deres, men det spesifikke PTFE-komposittet og O-ring-materialet som velges for en gitt anvendelse har like stor innvirkning på hvor lenge tettingen faktisk varer. Denne artikkelen ser på hva disse komposittene består av, hvorfor fyllstoffer legges til ren PTFE, og hvordan man bør tenke om valg av materiale for en gitt sylinder.

Hva er en Glyd-ring eller trinn-tetting laget av?

Slitasjeringsringen i begge designene er laget av PTFE (polytetrafluoretylen), nesten alltid modifisert med et fyllstoffmaterial istedenfor brukt i ren, ufylt form. O-ring-energisatoren under den er en separat, konvensjonell elastomer – vanligvis NBR, HNBR eller FKM – som velges uavhengig av PTFE-komposittet basert på hydraulikkvæsken og temperaturen som tettingen vil utsettes for i drift.

Hvorfor brukes PTFE for slitasjeringsringen i stedet for gummiring?

PTFE tilbyr en uvanlig kombinasjon av egenskaper som gjør det svært egnet som glidebærende ring: en svært lav friksjonskoeffisient, minimal stick-slip-opførsel (den rykkende, uregelmessige bevegelsen som kan oppstå når en tetnings statiske og dynamiske friksjon er for ulike), bred kjemisk motstandsdyktighet og et stort bruksområde for temperatur. Ingen av de vanlige gummiene matcher PTFEs kombinasjon av lav friksjon og slitasjemotstand ved kontinuerlig glidende kontakt – nettopp den type belastning en stempel eller stangsegl erfaringer.

Kompromisset er at ren PTFE har relativt dårlig motstand mot abrasiv slitasje og kan deformeres (krype) under vedvarende belastning, hvilket er grunnen til at fylte PTFE-forbindelser, i stedet for ren PTFE, nesten alltid brukes i Glyd-ringer og trinn-tetninger.

Bilde 1: Fylt PTFE-kompositt – fyllstoffpartikler i PTFE-matrise

Hva betyr «fylt PTFE», og hvorfor er det viktig?

Fylt PTFE er ren PTFE-harv med et sekundært materiale blandet i — vanligvis bronse, karbon, grafitt eller glassfiber, noen ganger i kombinasjon — for å forbedre egenskaper der ufylt PTFE ikke holder mål. Fyllstoff forbedrer vanligvis slitasjemotstand, motstand mot krypning under belastning og termisk ledningsevne, samtidig som de fleste av PTFEs lave friksjons- og kjemiske motstands egenskaper bevares. Det spesifikke fyllstoffet og vekstprosenten velges for å tilpasse seg forventet belastning, hastighet og driftsmiljø for tetningen, noe som betyr at uttrykket «PTFE-tetning» alene ikke fullstendig beskriver hva en gitt Glyd Ring eller Step Seal består av.

Hva er bronsefylt PTFE godt for?

Bronse legges vanligvis til i en relativt høy konsentrasjon, typisk i området 40–60 vektprosent, og gir fylt PTFE best mulig slitasjemotstand og bæreevne blant de vanlige fyllstoffalternativene, samt god termisk ledningsevne som hjelper med å lede bort varme fra glidekontakten. Kompromissene er redusert kjemisk motstand sammenlignet med ufylt PTFE og redusert egnet for applikasjoner der elektrisk ledningsevne utgjør et problem, siden bronsefylling gjør materialet elektrisk ledende.

Bronsefylt PTFE er et vanlig valg for Glyd-ringer og trinnpakninger som opererer under høyere belastninger eller trykk, der slitasjemotstand og dimensjonell stabilitet under belastning er viktigere enn materialets margin for kjemisk motstand.

Bilde 2: Prøve av bronsefylt PTFE-pakning sammenlignet med ufylt PTFE

Hva er karbon- eller grafittfylt PTFE egnet for?

Karbonfyllstoff, vanligvis tilsatt i mengder på ca. 10–35 vektprosent, forbedrer slitasjemotstand og motstand mot deformasjon under belastning, uten å påvirke PTFEs kjemiske motstand i særlig grad – i motsetning til bronsefyllstoff. Grafitt legges ofte til sammen med karbon, eller alene i lavere prosentandel, hovedsakelig for å redusere friksjonskoeffisienten ytterligere og forbedre selvsmørende egenskaper, selv om grafitt alene ikke forbedrer slitasjemotstand like mye som karbon gjør.

Karbon og karbon-grafittblandinger er et vanlig valg der kjemisk motstand må forbli nær den til ufylt PTFE, eller der elektrisk ledningsevne fra bronsefyllstoff ville være uønsket, samtidig som man fortsatt trenger betydelig bedre slitasjemotstand enn det rene PTFE gir.

Bilde 3: Sammenligning av tetninger av PTFE fylt med karbon-grafitt versus bronse

Hvordan sammenligner disse PTFE-sammensetningene seg direkte?

Tabellen nedenfor oppsummerer den generelle posisjoneringen blant vanlige fylte PTFE-alternativer. Nøyaktig ytelse avhenger av fyllstoffprosenten og den spesifikke sammensetningen som en gitt produsent bruker.

Foto 4: Sammenligning side ved side av fylte PTFE-tettningsmaterialer

Hva er o-ring-energisatoren laget av, og hvorfor er også dette valget viktig?

O-ringen under PTFE-ringen er en konvensjonell elastomer, og materialet dens følger den samme logikken som brukes for alle andre hydrauliske O-ringer: NBR for generell mineraloljebruk ved moderate temperaturer, HNBR der applikasjonen kjører varmere eller krever bedre langtidens aldringsmotstand, og FKM der kjemisk motstand eller høy kontinuerlig temperatur er prioritet. Siden O-ringens eneste oppgave er å levere konstant fjærkraft til PTFE-ringen, styres valget av materiale av de samme oljekompatibilitets- og temperaturspørsmålene som dekkes i mer generelle sammenligninger av tettingsmaterialer, snarere enn av noe spesifikt knyttet til Glyd Ring- eller Step Seal-konstruksjonen selv.

Det er verdt å behandle dette som et virkelig separat valg fra valget av PTFE-sammensetning: en segldelerkit med en utmerket bronsefylt PTFE-ring, men en O-ring-energisator som er dårlig tilpasset den hydrauliske væsken i bruk, vil likevel svikte tidlig – bare fra energisatorsiden og ikke fra slitasjeringsiden.

Hvordan påvirker temperatur ytelsen til en PTFE-tetting?

PTFE har i seg selv et uvanlig bredt bruksområde når det gjelder temperatur og tåler varme langt bedre enn de fleste gummiblandinger, så PTFE-slitasjeringen er sjelden den temperaturbegrensede komponenten i en Glyd-ring eller trinn-tetting. I nesten alle tilfeller når O-ring-energisatoren under den sin temperaturgrense først, noe som betyr at tettingens effektive høytemperaturklassifisering vanligvis bestäms av valget av O-ring-materiale (NBR, HNBR eller FKM) snarare enn av PTFE-blandingen.

Dette er en nyttig snarvei ved feilsøking av varmerelaterte tettingsfeil: hvis en Glyd-ring eller trinn-tetting svikter i en høytemperaturapplikasjon, er O-ring-energisatoren vanligvis det første stedet å se etter, selv om PTFE-ringen er den mest synlige delen av monteringen.

Hvordan påvirker valg av fyllstoff friksjon og slitasjeliv?

Valg av fyllstoff er til slutt en balanse mellom friksjon, slitasjemotstand og kjemisk motstand, og forbedring av én egenskap skjer vanligvis på bekostning av en annen. Bronse gir best slitasjemotstand og lastkapasitet, men reduserer kjemisk motstand mest. Grafitt senker friksjonen mest effektivt, men bidrar minst til slitasjemotstand på egen hånd. Karbon ligger mellom de to: det forbedrer slitasjemotstand betydelig, samtidig som det holder kjemisk motstand nær den ufylte PTFE-en. Kombinasjonsfyllstoffer, som karbon blandet med grafitt, er vanlige nettopp fordi de lar en sammensetning dra nytte av noen av fordelene til hver type, i stedet for å gå helt inn for én kompromissløsning.

I praksis foretrekkes bronse eller karbon-grafittblandinger for høyere hastighet og høyere belastning på grunn av deres slitasjemotstand, mens applikasjoner der kjemisk eksponering er den største bekymringen – uvanlige hydraulikkvæsker eller væsker som reagerer med bronse – ofte foretrekker karbon- eller grafittfylling i stedet.

Forskning rettet spesifikt mot å forutsi Glyd Ring-serviceliv har kombinert en empirisk PTFE-slitasjeformel med en mekanisk modell av tetningen og en lekkasjemodell, noe som gir en slitasjerate uttrykt i den generelle formen:

δω′ = k · Fa · Vb · tc = 6,2×10⁻¹⁷ · F⁰,⁴ · V¹,⁰⁹ · t⁻⁰,⁰² (1)

der Δω′ er den volumetriske slitasjeraten, F er kontaktkraften mellom slitasjeringen og dens motflate, V er glihastigheten og t er driftstiden, med eksponentene tilpasset fra slitasjetester av PTFE-kompositt. To ting skiller seg ut i denne spesifikke tilpasningen: slitasjeraten skalerer med glihastigheten til omtrent første potens (en nesten lineær sammenheng og den sterkeste enkeltpåvirkningen i formelen), mens dens avhengighet av kontaktkraften er relativt svak, og den er nesten uavhengig av tid når drift har satt inn. Den praktiske konsekvensen er at sylindrehastigheten har en overforholdsmessig stor effekt på levetiden til slitasjeringer sammenlignet med belastning, mer enn hva man kunne anta utelukkende ut fra statisk kontaktrykk.

Kombinert med en modell for lekkasje gjennom resterende spalt rundt slitasjeringen — som oppfører seg som strømning gjennom en smal, sirkulær spalt, drevet delvis av trykkforskjellen over den og delvis av dragbevegelsen til den bevegelige overflaten — lar denne typen slitasjeformel konstruktører regne baklengs fra en tillatt lekkasjerate til et maksimalt tillatt slitasjevolum, og derfra til en estimert levetid. I ett publisert eksempel som bruker denne metoden ble en Glyd Ring installert med en spesifikk O-ring-forstrekking og drift ved 28 MPa og 0.1 m/s svingehastighet estimert til ca. 2 millioner sekunder levetid (i størrelsesorden noen få år ved vanlig drift), og samme metode viste at levetiden økte når O-ring-forstrekkingen ble justert — en konkret illustrasjon av hvorfor tilstanden til og installasjonen av O-ring-energisatoren, ikke bare PTFE-blandingen, inngår direkte i beregningen av levetiden.

Hvordan kan du identifisere riktig PTFE-sammensetning for ditt bruksområde?

Fordi riktig fyllstoff avhenger av belastning, hastighet, temperatur og hydraulikkvæskens kjemi i kombinasjon, snarare enn av én enkelt faktor, er den mest pålitelige fremgangsmåten å beskrive sylinderns faktiske driftsforhold for en tetningsleverandør i stedet for å anta at en generisk «PTFE-tetting» vil fungere likt uavhengig av fyllstoff. Hvis delnummeret eller produsentens spesifikasjon for en eksisterende tetning er tilgjengelig, vil dette vanligvis indikere fyllstofftypen; hvis det ikke er tilgjengelig, kan en leverandør som kjenner sylinderns bruksområde vanligvis anbefale en passende sammensetning basert på den beskrevne driftsbelastningen.

Som med enhver kombinasjon av slitasjerings- og energiseringsdel må både PTFE-fyllstoffet og O-ringens elastomer bekreftes sammen – i stedet for å fokusere på én og anta at den andre er en standardstandard – for å få et mer fullstendig bilde av om en gitt reservedelstetting faktisk er tilpasset bruksområdet.

Foto 5: Tekniker som verifiserer PTFE-sammensetning

1. 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.
2. Dai L. «Optimering og eksperimentell undersøkelse av tetningsegenskapene til hydrauliske glydringer med reciprok bevegelse.» Masteroppgave, Jiangnan University, 2025.
3. 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.