Pierścień Glyd i uszczelka krokowa w hydraulicznych cylindrach wiertniczych do skał: zasada działania oraz wybór odpowiedniej wymiennej części

Za każdym systemem zasilania, ramą oraz innymi siłownikami hydraulicznymi wiertarki górniczej znajdują się dwa typy uszczelek, które na pierwszy rzut oka wydają się niemal identyczne, ale pełnią swoje funkcje w różnych miejscach i z różnych powodów: pierścień Glyd Ring oraz uszczelka typu Step Seal. Oba składają się z trwałego pierścienia wykonanego z PTFE oraz gumy umieszczonej pod nim, a razem stanowią jedne z najczęściej stosowanych uszczelek tłoczyskowych i wałkowych w nowoczesnych cylindrach hydraulicznych. O-kręg w niniejszym artykule wyjaśniono, jak te zwarte uszczelki faktycznie działają, w których miejscach wiertarki górniczej są stosowane, jak rozpoznać ich uszkodzenie oraz co należy sprawdzić przed zamówieniem zamiennika.

Czym są pierścienie Glyd Ring i uszczelki typu Step Seal?

Pierścień Glyd Ring oraz uszczelka typu Step Seal to przykłady tzw. uszczelek kompaktowych lub uszczelek z PTFE pobudzanych pierścieniem O – sztywnych, niskotarcieowych pierścieni zużycia wykonanych z PTFE, wspartych gumowym pierścieniem O, który wciska je w kierunku powierzchni współpracującej. To właśnie pierścień z PTFE styka się bezpośrednio z powierzchnią cylindra lub wałem tłoka i zapewnia uszczelnienie; leżący pod nim pierścień O dostarcza elastycznej siły docisku, której samodzielnie nie jest w stanie zapewnić PTFE, ponieważ materiał ten – w przeciwieństwie do gumy – nie odzyskuje kształtu po rozładowaniu po deformacji.

Nazwy „Glyd Ring” oraz „Step Seal” pochodzą pierwotnie od znaków handlowych producentów, ale obecnie są powszechnie stosowane w całej branży, podobnie jak samo pojęcie „pierścień O” stało się nazwą ogólną. ge Lai Quan (Glyd Ring), przy czym si Te Feng (Step Seal) używane jest konkretnie dla wersji uszczelki montowanej na wałku.

Jaka jest różnica między pierścieniem Glyd Ring a uszczelką typu Step Seal?

Oba projekty zostały zaprojektowane do wykonywania przeciwnych zadań w tym samym cylindrze. Pierścień Glyd ma symetryczny, prostokątny profil, który umożliwia mu uszczelnianie z jednakową skutecznością niezależnie od strony, z której pochodzi ciśnienie — dokładnie to, czego wymaga pieczęć tłoka ponieważ ciśnienie hydrauliczne naprzemiennie działa na obie strony tłoka podczas wysuwania i wciskania cylindra. Pierścień krokowy (Step Seal) ma asymetryczny, stopniowy profil zaprojektowany do uszczelniania wyłącznie w jednym kierunku, dopasowany do rzeczywistego zadania pieczęć wałkowa czyli utrzymywania oleju pod ciśnieniem wewnątrz cylindra podczas wysuwania i wciskania tulei.

Prosty sposób zapamiętania tej różnicy: pierścień Glyd montuje się na tłoku (uszczelka otworu, uszczelnianie dwukierunkowe), a pierścień krokowy (Step Seal) montuje się na tulei (uszczelka tulei, uszczelnianie jednokierunkowe). Oba wykorzystują tę samą podstawową konstrukcję z PTFE i pierścienia O-ring, dlatego są często omawiane razem mimo że pełnią różne role w tym samym cylindrze.

Zdjęcie 1: Porównanie profili pierścienia Glyd i pierścienia krokowego (Step Seal)

W jaki sposób pierścień O-ring jako element aktywujący sprawia, że uszczelka z PTFE rzeczywiście uszczelnia?

PTFE jest cenione w zastosowaniach uszczelniających ze względu na bardzo niskie tarcie oraz doskonałą odporność chemiczną i na zużycie, jednak samo w sobie praktycznie nie posiada pamięci sprężystej: po skompresowaniu pozostaje skompresowane zamiast powracać do pierwotnego kształtu, aby utrzymać ciśnienie kontaktowe. Gumowa uszczelka typu O-ring umieszczona za pierścieniem PTFE rozwiązuje ten problem, pełniąc rolę sprężyny: stale przesuwa pierścień PTFE na zewnątrz (w przypadku uszczelki Glyd Ring w rowku korpusu) lub do wewnątrz (w układzie uszczelnienia wału), zapewniając stały kontakt pierścienia odpornego na zużycie z powierzchnią ruchomą, nawet gdy sam PTFE stopniowo się zużywa.

Podział funkcji między oba elementy determinuje charakterystyczne zachowanie zwartych uszczelki: niskotarcie oraz niskie tendencje do drgania ślizgowego na powierzchni ślizgowej z PTFE połączone z zdolnością pierścienia O-ring do ciągłej korekty siły kontaktowej uszczelki w miarę zmian luzów i stopniowego zużywania się pierścienia odpornego na zużycie. Utrata funkcji pierścienia O-ring — na skutek jego własnego degradowania się — powoduje awarię uszczelki, nawet jeśli pierścień PTFE nadal wygląda na nietknięty.

Podstawowym testem, jaki każda taka uszczelka musi przejść przy dowolnym ciśnieniu roboczym, jest zapewnienie, że ciśnienie kontaktowe pomiędzy pierścieniem z PTFE a powierzchnią ruchomą pozostaje wyższe niż ciśnienie medium, które ma być zatrzymane. Badania metodą elementów skończonych uszczelek Glyd Ring potwierdzają to bezpośrednio: maksymalne ciśnienie kontaktowe wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia medium i pozostaje wyższe od niego w całym zakresie badanym — to właśnie ten warunek zapobiega wyciekowi. Te same badania pokazują również, jak bardzo czuła na dokładny kształt jest wydajność uszczelki — w jednym z systematycznych badań najlepsza wydajność uszczelniająca przy wysokim ciśnieniu uzyskano jedynie w dość wąskich oknach geometrycznych, rzędu kilku dziesiątych milimetra promienia wargi oraz kilku stopni kąta bocznego uszczelki — dlatego profile uszczelek Glyd Ring i Step Seal nie mogą być przybliżane na podstawie części o podobnym wyglądzie.

Warto również zrozumieć, że uszczelka ruchoma nie stanowi doskonałej bariery zapobiegającej wyciekowi nawet wtedy, gdy działa dokładnie zgodnie z założeniami projektowymi – co ma znaczenie przy ocenie, czy niewielki wyciek na tłoczysku rzeczywiście stanowi problem. Teoria smarowania oparta na równaniu Reynoldsa, stosowana do modelowania cienkiej warstwy cieczy pomiędzy krawędzią uszczelki a poruszającą się powierzchnią, pokazuje, że uszczelka ruchoma przenosi warstwę cieczy na zewnątrz podczas jednego suwu, a następnie przesuwa ją z powrotem do wnętrza podczas suwu zwrotnego; całkowity wyciek w jednym cyklu jest proporcjonalny do różnicy między grubościami tych dwóch warstw cieczy, która z kolei zależy od gradientu ciśnienia po stronie cieczy oraz po stronie powietrza na każdym końcu suwu. Profil uszczelki zaprojektowany tak, aby wzmocnić gradient ciśnienia po stronie cieczy i wypłaszczyć go po stronie powietrza, powoduje, że więcej cieczy wraca do wnętrza niż wycieka na zewnątrz, zbliżając się do całkowitego braku wycieku w pełnym cyklu; natomiast słabo dopasowany profil działa odwrotnie. Jest to część teoretycznego uzasadnienia, dlaczego niewielkie zmiany profilu mierzone w dziesiątych częściach milimetra, omówione powyżej, mogą mieć nadmierny wpływ na zmierzone wartości wycieku.

Gdzie w maszynach do wiercenia skał stosuje się uszczelnienia typu Glyd Ring i Step Seal?

W maszynach do wiercenia skał uszczelnienia typu Glyd Ring i Step Seal znajdują się najczęściej w cylindrach hydraulicznych napędzających ruch urządzeń wokół samego wiertła, a nie w mechanizmie uderzeniowym jednostki wiertniczej: w cylindrach zasilania przesuwających i cofających wiertło wzdłuż szyny prowadzącej, w cylindrach ramy i obrotu pozycjonujących wiertło nad otworem oraz w podobnych cylindrach napędzających znajdujących się w innych miejscach nośnika. Te cylindry pracują w warunkach dwustronnego działania przy naprzemiennym ciśnieniu – dokładnie takich, dla których zaprojektowano uszczelnienia Glyd Ring i Step Seal.

Ponieważ cylindry zasilania, w szczególności, pracują cyklicznie przez cały czas trwania zmiany wiertniczej i funkcjonują w pylnym środowisku obfitującym w odpadki, ich uszczelnienia tłoczyskowe i tłokowe należą do częściej wymienianych elementów zużywających się po stronie maszyny wiertniczej – w odróżnieniu od części zużywających się po stronie mechanizmu uderzeniowego, takich jak membrana akumulatora lub uszczelnienie kubkowe, omawiane w innych miejscach.

Co się dzieje, gdy uszczelka typu Glyd lub uszczelka stopniowa ulega awarii?

Gdy pierścień zużycia z PTFE zużyje się całkowicie lub pierścień uszczelniający typu O-ring straci elastyczność, uszczelka nie jest już w stanie utrzymać wystarczającego ciśnienia kontaktowego na powierzchni cylindra lub tłoczyska, aby zapobiec przeciekaniu ciśnienia hydraulicznego. W praktyce prowadzi to do przecieku wewnętrznego wokół tłoka (co objawia się utratą siły przytrzymującej przez cylinder lub przesuwaniem się pod obciążeniem) lub przecieku zewnętrznego wokół uszczelki tłoczyska (widoczne wykapanie oleju w miejscu wychodzenia tłoczyska, szczególnie po dłuższym okresie postoju i jednoczesnym podciśnieniu w cylindrze).

Ponieważ pierścień z PTFE oraz pierścień uszczelniający typu O-ring mogą ulec awarii niezależnie od siebie — stwardniały lub pęknięty pierścień typu O-ring może spowodować awarię nadal sprawnej uszczelki z PTFE, a zużyty pierścień z PTFE może narażać zdrowy pierścień typu O-ring na bezpośredni wpływ zużycia — wymiana zestawu uszczelek zwykle obejmuje oba te elementy łącznie, a nie traktuje się ich jako oddzielnych części zamiennych.

Zdjęcie 2: Zużyta uszczelka z PTFE i pierścień uszczelniający typu O-ring

Jak rozpoznać, że uszczelka w Twoim cylindrze uległa awarii?

Awaria pierścienia Glyd lub uszczelki stopniowej zwykle objawia się jednym lub kilkoma z poniższych objawów:

• Cylinder traci siłę utrzymującą lub przesuwa się pod obciążeniem, mimo że powinien pozostawać nieruchomy.
• Widoczna wycieka oleju w strefie uszczelki tłoczyska, szczególnie wyraźna po dłuższym postoju maszyny pod ciśnieniem.
• Wolniejszy lub mniej stabilny ruch cylindra, zwłaszcza na początku suwu.
• Zanieczyszczenie lub zmiana barwy oleju hydraulicznego spowodowana uszkodzoną uszczelką wycieraczkową, która nie zapobiega już przedostawaniu się pyłu i zanieczyszczeń.
• Cylinder odczuwany jako „gąbczasty” lub tracący precyzję pozycjonowania, co wskazuje na wewnętrzny przepływ oleju przez zużytą uszczelkę tłoka.

Poniższa tabela kojarzy te objawy z najprawdopodobniejszymi przyczynami oraz sensowną pierwszą czynnością diagnostyczną.

Co powoduje wczesne zużycie tych uszczelnień?

Kilka czynników skraca czas eksploatacji pierścieni Glyd i uszczelnień stopniowych znacznie poniżej ich projektowanego potencjału:

• Zanieczyszczona olejem hydraulicznym zawierającym cząstki ściernicze, co przyspiesza zużycie ślizgowej powierzchni pierścienia PTFE.
• Powierzchnia cylindra lub wałka uszkodzona zadrapaniami, wgnieceniami lub korozją, której pierścień PTFE nie jest w stanie w pełni zrekompensować – niezależnie od tego, jak dobrze został osadzony.
• Materiał pierścienia O-ringowego napinającego niekompatybilny z używanym olejem hydraulicznym, powodujący jego rozdęcie, utwardzenie lub szybszą utratę sprężystości niż przewidziano.
• Nieprawidłowa instalacja, w szczególności montaż uszczelnienia stopniowego w niewłaściwej orientacji, co od samego początku unieważnia jego jednokierunkowy charakter uszczelniania.
• Utrzymanie wysokiej temperatury przez dłuższy czas poza zakresem temperaturowym przewidzianym dla pierścienia O-ringowego napinającego, ponieważ sam pierścień PTFE dobrze znosi ciepło, ale leżący pod nim gumowy element napinający zwykle stanowi słabsze ogniwo.

Dlaczego kierunek montażu uszczelki krokowej ma tak duże znaczenie?

Symetryczny profil pierścienia Glyd Ring oznacza, że jego zamontowanie w złym kierunku jest praktycznie niemożliwe; uszczelnia on tak samo niezależnie od orientacji. Natomiast asymetryczny, stopniowy profil uszczelki krokowej działa odwrotnie: zaprojektowano ją specjalnie do uszczelniania w jednym kierunku, a jej zamontowanie w przeciwnym kierunku powoduje, że strona niskociśnieniowa uszczelki zwraca się ku olejowi pod ciśnieniem, który powinna zatrzymać.

Uszczelka krokowa zamontowana w niewłaściwym kierunku może wydawać się chwilowo sprawować swoją funkcję, ponieważ uszczelniający pierścień O-ring nadal generuje pewną siłę uszczelniającą, jednak zwykle ulega awarii znacznie wcześniej niż po upływie swojego nominalnego okresu eksploatacji i może ulec uszkodzeniu w sposób pozornie identyczny z normalnym zużyciem — dlatego kierunek montażu zawsze warto dwukrotnie zweryfikować zgodnie z instrukcjami producenta dotyczącymi montażu przy każdej wymianie uszczelki wałkowej, a nie zakładać go wyłącznie na podstawie kształtu rowka.

Uszczelnienia typu Step Seal charakteryzują się również udokumentowaną, zależną od ciśnienia cechą przecieku, którą warto znać przed diagnozowaniem takiego uszczelnienia jako „uszkodzonego”. Klasyczne badania naukowe nad zachowaniem uszczelnień typu Step Seal opisują cztery strefy, które pojawiają się w miarę wzrostu ciśnienia w układzie: strefę poduszczelnieniową przy bardzo niskim ciśnieniu (około 0–0,6 MPa), w której przeciek jest pomijalny; strefę niestabilności (około 0,6–1,5 MPa), w której pierścień ślizgowy może chwilowo unosić się, a tarcie spada do lokalnego minimum, co tymczasowo zwiększa przeciek wewnętrzny, mimo że żadna część nie uległa rzeczywistemu uszkodzeniu; strefę normalnego uszczelniania (około 3–32 MPa, w zależności od konstrukcji), obejmującą większość rzeczywistych ciśnień roboczych, w której wydajność i stabilność uszczelniania są dobre; oraz strefę awarii uszczelnienia powyżej ciśnienia nominalnego uszczelnienia, w której uszczelnianie trwale zawodzi. Ponieważ strefa niestabilności występuje znacznie poniżej typowego ciśnienia roboczego w większości cylindrów, w praktyce rzadko powoduje problemy. Jednak w przypadku konstrukcji, które muszą przejść przez tę strefę — na przykład podczas powolnego narastania ciśnienia — czasem celowo przeprowadza się ten przejście szybko lub stosuje się uszczelnienie typu Step Seal w połączeniu z drugim, innym typem uszczelnienia, tak aby ich zakresy niestabilności ciśnienia się nie pokrywały. Jest to jednym z powodów, dla których zestawy wieloskładnikowe (a nie pojedynczy pierścień) są standardowym rozwiązaniem dla pozycji uszczelnienia wałka.

Zdjęcie 3: Orientacja montażu uszczelki typu Step Seal .

Jak wybrać odpowiednią zamienną uszczelkę Glyd Ring lub Step Seal?

Po potwierdzeniu awarii wybór odpowiedniej zamiennik decydują trzy czynniki:

• Dokładne dopasowanie wymiarowe do średnicy otworu cylindra lub wałka oraz profilu rowka, ponieważ uszczelki Glyd Ring i Step Seal są dobierane i projektowane specjalnie dla konkretnego typu cylindra.
• Związek PTFE oraz materiał pierścienia o-ringowego zapewniającego energizację, odpowiedni dla obciążenia, prędkości i medium hydraulicznego w danej aplikacji – szczegółowy opis materiałów stosowanych w tych uszczelkach zawarto w powiązanym artykule.
• Zakup zestawu zgodnego (pierścień PTFE wraz z elementem energizującym), a nie mieszanie komponentów pochodzących od różnych dostawców, ponieważ oba elementy są zaprojektowane do współpracy przy określonym dopasowaniu i wstępnym obciążeniu.

Zdjęcie 4: Układ zestawu zamiennego przed montażem

Gdzie można zdobyć wiarygodne uszczelki zamienne?

Ponieważ wymiary pierścieni Glyd Ring i uszczelek typu Step Seal są specyficzne dla średnicy cylindra lub średnicy tłoczyska oraz projektu rowka, ich zakup sprowadza się do znalezienia dostawcy, który potrafi dopasować dokładne wymiary i zalecić odpowiednią kombinację materiału PTFE oraz uszczelki typu O-ring do danego zastosowania, a nie do zakupu części o ogólnodostępnych, standardowych wymiarach.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, chiński producent uszczelek założony w 2013 roku, wytwarza elementy uszczelniające z poliuretanu (PU), kauczuku oraz PTFE, w tym uszczelki tłoczyskowe i uszczelki tłokowe typu Glyd Ring i Step Seal stosowane w cylinderach hydraulicznych przeznaczonych do sprzętu górniczego, budowlanego oraz koparek; firma deklaruje, że udziela bezpłatnej pomocy technicznej w celu potwierdzenia właściwych wymiarów i kombinacji materiałów dla konkretnego cylindra przed złożeniem zamówienia.

Jeśli nie jesteś pewien, jaki uszczelniacz jest wymagany do Twojego cylindra, najbardziej niezawodnym sposobem na uzyskanie uszczelniacza pasującego i działającego zgodnie z oczekiwaniami jest przekazanie dostawcy średnicy otworu i tłoczyska cylindra, wymiarów rowka oraz typowych warunków eksploatacji (ciśnienie, prędkość, rodzaj cieczy hydraulicznej i temperatura), co pozwoli mu porównać te dane z znanymi projektami cylindrów.

Zdjęcie 5: Zestaw uszczelniaczy zapakowany do wysyłki

1. Dai L. „Optymalizacja i badania eksperymentalne wydajności uszczelniania pierścieni Glyd w układach hydraulicznych.” Praca magisterska, Jiangnan University, 2025.
2. Yao S. „Analiza charakterystyk uszczelniania pierścieni stopniowych.” Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. „Metoda obliczania czasu życia pierścieni Glyd stosowanych w tłoczyskach cylindrów hydraulicznych.” Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. „Osiemdziesiąt lat badań uszczelnień hydraulicznych tłokowych: przegląd badań tribologicznych i tematów pokrewnych od lat trzydziestych XX wieku.” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.