Dynamiczny O-kręg uszczełki zapewniają równowagę siły uszczelniającej, tarcia, warstwy smarującej, wycieku oraz czasu trwałości. Uszczełki statyczne skupiają się głównie na tym, czy naprężenie kontaktowe jest utrzymywane przez długi czas po ucisku; uszczełki dynamiczne muszą ponadto radzić sobie z ruchem względnym, dlatego istotne stają się siła przełamania, tarcie podczas pracy, zjawisko przyczepno-poślizgowe/tarcie kroczące, generowanie ciepła, zużycie oraz rozkład warstwy smarującej.

Uszczelka pierścieniowa (O-ring) musi być wystarczająco uciskana, aby zapewnić uszczelnienie, ale im większy ucisk, tym większe tarcie i zużycie.

The Parker Podręcznik dotyczący uszczelek pierścieniowych (O-Ring Handbook) klasyfikuje główne czynniki wpływające na tarcie w uszczelkach dynamicznych w trzy kategorie: czynniki związane z elementem uszczelniającym (kształt geometryczny, tolerancje wykonawcze, wstępny ucisk, twardość materiału, współczynnik tarcia w warunkach suchych/mokrych, pęcznienie oraz zachowanie w niskich temperaturach); czynniki związane ze środowiskiem (tworzenie się warstwy smarującej, lepkość i jej zależność od temperatury); oraz czynniki związane z warunkami eksploatacji (ciśnienie robocze, prędkość tarcia, chropowatość powierzchni metalowej partnera, tolerancje obróbkowe, obciążenie promieniowe tłoka/wałka oraz warunki wprowadzania.

1. Skąd pochodzi siła tarcia?

Tarcie dynamiczne pierścienia uszczelniającego typu O można uprościć do postaci: Ff ≈ μ × N, gdzie N ≈ N(obciążenie wstępnego ściskania) + N(ciśnienie medium) + N(niewspółosiowość/wprowadzenie). Innymi słowy, tarcie nie jest określone wyłącznie przez materiał — zależy ono łącznie od współczynnika tarcia μ oraz siły kontaktowej N.

1.1 Tarcie wynikające ze wstępnego ściskania

Po zamontowaniu pierścienia O-ring w rowku ulega on ściskaniu promieniowemu lub osiowemu, co powoduje powstanie początkowego ciśnienia kontaktowego zapewniającego uszczelnienie. To ciśnienie jest korzystne w przypadku uszczelnienia statycznego, ale staje się źródłem tarcia w przypadku uszczelnienia dynamicznego. Im większe jest ściskanie, tym większa jest powierzchnia kontaktu oraz wyższe ciśnienie liniowe uszczelnienia — zazwyczaj zarówno tarcie przy starcie, jak i tarcie podczas pracy rosną. W tabeli parametrów niskotarcia firmy Parker wyraźnie wymienione są następujące kierunki zmniejszania tarcia: „zmniejszenie ściskania pierścienia O-ring, zmniejszenie przekroju poprzecznego, zmniejszenie twardości, zmniejszenie ciśnienia, stosowanie smarowania, zmniejszenie chropowatości powierzchni roboczej”. Istnieje jednak inżynierski kompromis: zbyt małe ściskanie wiąże się z ryzykiem wycieku, natomiast zbyt duże ściskanie powoduje wyższą siłę przełamania, wydzielanie ciepła oraz zużycie.

1.2 Tarcie wynikające z ciśnienia medium

W cylindrach hydraulicznych, pneumatycznych oraz w siłownikach uszczelka pierścieniowa (O-ring) nie jest montowana jedynie pod naciskiem — ciśnienie systemu dodatkowo przesuwa uszczelkę w kierunku powierzchni uszczelniającej, zwiększając ciśnienie kontaktowe. Dla O-ringi , tarcie zwykle rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia; podręcznik firmy Parker zaznacza również, że tarcie uszczelki pierścieniowej rośnie wraz z ciśnieniem roboczym. W związku z tym typowym problemem występującym w wysokociśnieniowych cylindrach hydraulicznych jest: im wyższe ciśnienie, tym bardziej niezawodna uszczelka, ale jednocześnie tarcie, ciepło i zużycie stają się bardziej wyraźne.

1.3 Tarcie wynikające z wiskoelastyczności materiału

Guma nie jest materiałem sztywnym, lecz materiałem wiskosprężystym. Podczas kontaktu ślizgowego ulega przyczepianiu powierzchniowemu, lokalnym odkształceniom sprężystym, stratom histerezy oraz opóźnieniom mikrościnania/kompresji i odbijania się. Oznacza to, że tarcie pierścienia uszczelniającego (O-ring) wynika nie tylko z „zdrapywania” powierzchni — pochodzi także ze strat energii wewnątrz masy gumy podczas cyklu odkształcenia i odzyskiwania kształtu. Twardość, układ napełniaczy, obróbka powierzchni, polarność materiału oraz zgodność z ośrodkiem wpływają na zachowanie się tarcia.

2. Siła przełamania: Dlaczego początkowe uruchomienie jest tak trudne?

Siła przełamania, nazywana również tarciem przełamania lub tarciem statycznym, jest problemem, który użytkownicy uszczelnień dynamicznych zauważają najłatwiej; zwykle objawia się ona w następujący sposób: nagłe skoki ciśnienia w cylindrze hydraulicznym w chwili uruchomienia; cylinder pneumatyczny wydaje się wyraźnie „zablokowany” przy pierwszym ruchu; pozycjonowanie siłownika rozpoczyna się nieregularnie; pierwszy ruch po okresie postoju jest szczególnie ciężki; systemy serwonapędowe wykazują drgania lub przekroczenie zadanej pozycji podczas pozycjonowania. W podręczniku firmy Parker rozróżnia się „tarcie statyczne, które należy pokonać przy rozpoczęciu ruchu” od „tarcia dynamicznego występującego w trakcie ruchu” i zaznacza, że tarcie statyczne ma szczególne znaczenie w zastosowaniach z ruchem posuwisto-zwrotnym lub w układach z zastosowaniem cylindrów.

2.1 Tarcie przełamania jest większe niż tarcie ruchu ustalonego

Po upływie określonego czasu, w którym pierścień uszczelniający typu O pozostaje nieruchomy, warstwa smarująca pomiędzy powierzchniami styku stopniowo ulega wyciśnięciu pod wpływem wcisku wstępnego, a powierzchnie gumy i metalu zbliżają się do stanu tarcia lub tarcia granicznego. Im dłuższy czas postoju, tym cieńsza warstwa oleju i tym wyraźniejsze zjawisko przyczepności, co skutkuje wyższą siłą przełamania. W podręczniku firmy Parker podkreśla się, że statyczne tarcie przełamania materiału elastomerycznego jest zazwyczaj znacznie większe niż tarcie dynamiczne; im dłuższy czas postoju, tym łatwiej olej ulega wyciśnięciu z powierzchni styku uszczelniającego, a tarcie przełamania może osiągnąć poziom tarcia granicznego — nawet kilkukrotnie przekraczając wartość tarcia podczas pracy.

2.2 Główne przyczyny wysokiej siły przełamania

3. Tarcie podczas pracy: nie zawsze im niższe, tym lepsze

Tarcie podczas pracy to opór generowany przez pierścień uszczelniający (O-ring) podczas ciągłego ruchu posuwisto-zwrotnego. Bezpośrednio wpływa na sprawność cylindra, szybkość reakcji siłownika, stabilność pracy przy niskich prędkościach, generowanie ciepła, trwałość uszczelki, zużycie energii oraz dokładność sterowania. Trudność związana z tarciem podczas pracy: niższe tarcie często wiąże się ze zwiększonym ryzykiem wycieku; ścisłe uszczelnienie zwiększa tarcie i zużycie. W podręczniku firmy Parker wyraźnie zaznaczono, że zmniejszenie siły kontaktowej zwiększa ryzyko wycieku, dlatego niskie tarcie i wysoka skuteczność uszczelnienia często wymagają kompromisu.

3.1 Tarcie graniczne, tarcie mieszane i smarowanie cieczowe

W podręczniku Parkera krzywa Stribecka służy do opisu tarcia w uszczelkach: od chwilowego uruchomienia statycznego układ zwykle znajduje się w stanie tarcia granicznego, a wyciek znacznie wzrasta przy przejściu do tarcia mieszanego; czyste smarowanie cieczowe zapewnia stosunkowo stabilne tarcie w uszczelce, a ciągłe smarowanie znacząco zmniejsza ryzyko wycieku. W typowym opisie zawartym w podręczniku współczynnik tarcia granicznego wynosi około 0,3, natomiast w przypadku tarcia mieszanego może spaść do około 0,06–0,08 – konkretna wartość zależy jednak od stosunku smarowania oraz warunków eksploatacji.

3.2 Wpływ prędkości na tarcie

Przy niskiej prędkości ruchu posuwisto-zwrotnego trudno utworzyć warstwę smarującą, a tarcie pozostaje w strefie granicznej lub mieszanej, co zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia oporu rozruchu, pełzania oraz zużycia. Wraz ze wzrostem prędkości warstwa smarująca powstaje łatwiej, a współczynnik tarcia może się obniżyć; w podręczniku firmy Parker zaznaczono, że zwiększenie prędkości tłoka jest zazwyczaj korzystne dla redukcji tarcia, ponieważ wyższa prędkość sprzyja łatwiejszemu utworzeniu skutecznej warstwy smarującej — jednak wartość bezwzględna siły tarcia zależy nadal od konstrukcji uszczelki, jej materiału, ciśnienia oraz stopnia „skrapiania” warstwy olejowej. Jednak prędkość nie powinna być jak najwyższa możliwa. Przy wysokiej prędkości, nawet jeśli współczynnik tarcia maleje, moc tarcia może nadal rosnąć: Pciepła = Ft × v. Typowymi problemami występującymi przy niskoprędkościowym ruchu posuwisto-zwrotnym są obawy związane z pełzaniem, natomiast przy wysokiej prędkości głównym zagrożeniem jest generowanie ciepła i zużycie.

4. Zjawiska stick-slip i pełzania

Zjawisko stick-slip (przyczepność-poślizg), nazywane również w języku chińskim sticking-slipping, creep (pełzanie), jitter (drżenie) lub niestabilnością przy niskich prędkościach, nie jest po prostu „dużą siłą tarcia” — jest to zjawisko dynamiczne, polegające na niestabilnej zmienności siły tarcia wraz ze zmianą prędkości, nałożone na sprężystość układu.

Typowe objawy: cylinder pneumatyczny drży podczas pracy z niską prędkością; cylinder hydrauliczny przesuwa się niestabilnie przy niskiej prędkości; aktuator pozycjonuje się najpierw z zablokowaniem, a następnie nagle skokowo; mikropozycjonowanie cylinder serwonapędowego jest niestabilne; przy niskich prędkościach i dużym obciążeniu występuje okresowe drżenie; przy zmianie kierunku ruchu występują okazjonalne, wyraźne uderzenia.

4.1 Trzy warunki wystąpienia zjawiska stick-slip

W podręczniku firmy Parker wymieniono trzy warunki konieczne do wystąpienia zjawiska stick-slip: siła tarcia statycznego stale przekracza siłę tarcia kinetycznego; prędkość ruchu jest niższa niż prędkość odpowiadająca minimum współczynnika tarcia; moc jest przekazywana przez ciało sprężyste, co często ma miejsce w cylindrach hydraulicznych z ściśliwą kolumną oleju.

W kategoriach inżynierskich: najpierw utknął, ciśnienie systemu lub elastyczne deformacje ciągle gromadzą się; po przezwyciężeniu tarcia statycznego, tarcie nagle spada i ruchoma część szybko strzela do przodu; następnie prędkość spada, i ponownie wchodzi w stan To jest cykl "zacięty-prędkość-zacięty-prędkość".

4.2 Dlaczego w niskich prędkościach jest bardziej prawdopodobne, że będzie się pełzać

Przy niskiej prędkości warstwa smarująca jest zbyt cienka, a powierzchnia uszczelniająca znajduje się częściej w strefie tarcia granicznego. W tym momencie tarcie statyczne i dynamiczne różnią się znacznie. Zjawisko to szczególnie wyraźne jest w układach pneumatycznych. W podręczniku firmy Parker zaznaczono, że warunki smarowania uszczelek pneumatycznych są mniej korzystne niż w przypadku uszczelek hydraulicznych; jeśli stosuje się smarowanie tłuszczem, warstwa smarująca nie może być ciągle uzupełniana tak jak przy zasilaniu olejem i stopniowo usuwana jest w trakcie ruchu posuwisto-zwrotnego. W przypadku cylindrów pneumatycznych pracujących z niską prędkością ryzyko zjawiska stick-slip wzrasta jeszcze bardziej, gdy prędkość obniżana jest przez dławienie przepływu powietrza; ostre krawędzie uszczelki oraz nieodpowiednia chropowatość powierzchni metalowej również nasilają ten problem.

4.3 Naturą pełzania nie jest „zbyt wolny ruch”, lecz „niestabilna krzywa tarcia"

Niska prędkość sama w sobie nie jest problemem. Problemem jest niewystarczające tworzenie się warstwy smarującej przy niskiej prędkości, tarcie statyczne znacznie większe niż tarcie dynamiczne, niekorzystny nachylenie krzywej tarcia w funkcji prędkości oraz sprężystość układu. Dlatego gdy klient stwierdza: „cylinder pneumatyczny porusza się drgawkowo przy niskiej prędkości”, odpowiedzią nie może być po prostu „dodać więcej smaru”. Konieczne jest również sprawdzenie: czy ściskanie uszczelki typu O-ring jest nadmierne; czy materiał uszczelki charakteryzuje się zbyt dużą twardością lub nadmiernie lśniącą powierzchnią; czy powierzchnia wnętrza cylindra jest zbyt chropowata lub zbyt lśniąca; czy przez długi czas cylinder nie był smarowany olejem; czy tłoczysko jest przesunięte względem osi cylindra; czy do uzyskania niskiej prędkości stosowana jest skrajna redukcja przepływu powietrza; czy średnica wnętrza cylindra jest duża, a obciążenie małe i nieregularne; czy konieczna jest zamiana uszczelki na typ X-ring, Y-ring, U-cup lub na kombinację uszczelek o niskim współczynniku tarcia.

5. Warstwa smarująca: kluczowy punkt równowagi dla uszczelek dynamicznych

Uszczelki dynamiczne nie działają w warunkach całkowitego tarcia suchego ani nie zależą od bardzo grubej warstwy oleju. Idealnym stanem jest zwykle cienka, stabilna i dobrze przyczepna warstwa smarująca.

Podręcznik firmy Parker wskazuje, że optymalnym stanem jest stosunkowo cienka warstwa smarująca o wystarczającej przyczepności; jeśli warstwa smarująca zostanie usunięta, uszczelnienie może nadal być bardzo szczelne, ale zużycie rośnie szybciej; jeśli warstwa smarująca będzie zbyt gruba, może to spowodować niepożądane wycieki.

5.1 Zbyt cienka warstwa smarująca

Gdy warstwa smarująca jest zbyt cienka: wzrasta siła przełamania; zwiększa się ryzyko zjawiska stick-slip; nasila się zużycie powierzchni gumowej; wzrasta lokalny wzrost temperatury; obszar kontaktu pierścienia O-ring z wargą uszczelniającą staje się jaśniejszy i pęknięty; cylinder może wydawać pisk lub drgać. Typowymi przyczynami są niedobór środka smarującego, niski współczynnik lepkości medium, wysoka temperatura, nieodpowiednia chropowatość powierzchni, nadmierna kompresja wstępna oraz długotrwała przerwa w eksploatacji.

5.2 Zbyt gruba warstwa smarująca

Gdy warstwa smarująca jest zbyt gruba: tarcie może się zmniejszyć, ale ilość oleju na powierzchni tłoczyska rośnie; warstwa olejowa jest usuwana podczas ruchu posuwisto-zwrotnego; zwiększa się wyciek zewnętrzny lub mgiełka olejowa; system pneumatyczny może zanieczyścić środowisko; cylinder hydrauliczny może ulec wyciekom przez tłoczysko. Zatem stwierdzenie „im więcej smarowania, tym lepiej” nie jest prawdziwe — uszczelki dynamiczne wymagają kontrolowanej warstwy oleju, a nie nieograniczonego dopływu oleju.

6. Ciepło: Wzmocnienie problemów z tarciem

Powstawanie ciepła przez tarcie można zrozumieć za pomocą prostego związku: Pciepło = Ff × v. Przy niskiej prędkości ilość ciepła wydzielanego w jednostce czasu może nie być duża, jednak tarcie graniczne oraz zjawisko przywierania i poślizgu są wyraźne; przy wysokiej prędkości współczynnik tarcia może spadać, ale prędkość poślizgu jest duża, a szybkość generowania ciepła nadal może być znaczna. Powstawanie ciepła wywołuje łańcuchową reakcję: lepkość medium maleje (podręcznik firmy Parker zauważa również, że w warunkach wysokiej temperatury i niskiej lepkości warstwa smarująca może ulec dalszemu przetонieniu, a tarcie może jeszcze bardziej wzrosnąć wskutek łatwiejszego zakłócenia smarowania), guma mięknie lub twardnieje (różne materiały — NBR, FKM, EPDM, HNBR — podlegają różnym mechanizmom starzenia się w zależności od rodzaju medium i temperatury), rośnie odkształcenie trwałe (zdolność uszczelki do odzyskania pierwotnej postaci maleje, co może prowadzić do wycieków w późniejszym czasie), nasila się zużycie (zmęczenie powierzchni, odpadanie cząstek, zadrapania, pęknięcia stają się bardziej widoczne), starszeje smar tłuszczowy (szczególnie w systemach pneumatycznych lub o niskim smarowaniu) oraz pogarsza się sterowanie systemem (tarcie zmienia się wraz z temperaturą, powodując dryf odpowiedzi w serwonapędach i precyzyjnych siłownikach). Dla klientów powstawanie ciepła nie jest izolowanym błędem — jest to efekt łączny niezrównoważenia między tarciem, smarowaniem, materiałem, prędkością i ciśnieniem.

7. Zużycie: Krytyczny czynnik ograniczający żywotność dynamicznych uszczelek pierścieniowych (O-ringów)

O-ringsy stosowane w dynamicznych uszczelkach ruchomych (np. tłokowych) zużywają się zwykle szybciej niż uszczelki statyczne. W podręczniku firmy Parker zaznaczono, że przyczyną zużycia jest tarcie; trudno jednak dokładnie przewidzieć jego intensywność, choć bezpośrednio wpływa ono na żywotność uszczelki O-ring oraz częstotliwość konieczności konserwacji. Elementy uszczelniające w wielu warunkach eksploatacyjnych nie opierają się w rzeczywistości na długotrwałej smarowności płynowej, lecz działają w strefie tarcia mieszanego, dlatego odporność na zużycie zależy w dużej mierze od materiału uszczelki, smarowności medium oraz chropowatości powierzchni współpracującej.

7.1 Typowe formy zużycia/uszkodzenia

Dla klientów stosujących cylindry hydrauliczne i pneumatyczne najważniejszym pytaniem różnicującym jest: czy przyczyną uszkodzenia jest niedoskonałość materiału uszczelniającego, czy też warunki powierzchniowe, smarowania lub prowadzenia w układzie spowodowały zużycie? Wiele problemów występujących po sprzedaży nie wynika z faktu, że materiał pierścienia O-ring jest „złej jakości” — lecz z tego, że warunki pracy dynamicznego uszczelnienia przekroczyły zakres stosowalności standardowego pierścienia O-ring.

8. Chropowatość powierzchni: zarówno zbyt duża, jak i zbyt mała chropowatość mogą stanowić problem

Powierzchnię stykową uszczelki dynamicznej nie można oceniać wyłącznie na podstawie parametru Ra. Istotne są także kształt wierzchołków i dolin powierzchni, obszar nośny oraz metoda obróbki. W podręczniku firmy Parker zaznaczono, że powierzchnie stykowe uszczelki dynamicznej wymagają zazwyczaj wyższej klasy chropowatości niż powierzchnie uszczelki statycznej; zaleca się następujące wartości odniesienia chropowatości powierzchni stykowej: Rt ≤ 2,5 μm, Ra = 0,25–0,5 μm, przy jednoczesnym uwzględnieniu obszaru nośnego oraz kształtu wierzchołków; powierzchnie uzyskane metodami szlifowania, wyciągania oraz innymi zimnymi procesami obróbkowymi nie powinny zawierać ostrych wierzchołków, a doliny mogą pełnić funkcję potencjalnych zbiorników smaru, co sprzyja poprawie właściwości uszczelniania dynamicznego.

8.1 Powierzchnia zbyt chropowata

Zbyt chropowata powierzchnia powoduje: przecinanie gumy; niestabilność warstwy olejowej; wzrost udziału tarcia mieszanego; zwiększenie zużycia ścierne; skrócenie czasu życia uszczelki.

8.2 Powierzchnia zbyt gładka

Powierzchnia zbyt gładka również nie zawsze jest dobra — zwłaszcza w warunkach pneumatycznych i niskiej smarowania. Nadmierne polerowanie może prowadzić do słabej zdolności utrzymywania cienkiej warstwy smaru, łatwiejszego przyczepiania się gumy do powierzchni metalowej oraz wzrostu tarcia przebicia i zjawiska „przyczepiania się i ślizgania się”.

Dlatego powierzchnie dynamicznych uszczelek powinny charakteryzować się: brakiem wierzchołków, wystarczającą powierzchnią nośną oraz zdolnością utrzymywania mikroilości warstwy smarującej — a nie bezmyślne osiąganie efektu lustrzanego.

9. Różnice między cylindrami hydraulicznymi, cylindrami pneumatycznymi i siłownikami

9.1 Cylindry hydrauliczne

Cylindry hydrauliczne zwykle wykorzystują olej jako medium robocze, zapewniając lepsze warunki smarowania niż układy pneumatyczne, jednak ciśnienie jest wysokie, a ciśnienie kontaktowe uszczelnienia duże.

Typowe problemy: tarcie wzrasta przy wysokim ciśnieniu; opór przebicia jest duży po wyłączeniu zasilania; cylinder serwonapędowy porusza się niepłynnie w zakresie niskich prędkości; wyciek oleju lub jego przesiąkanie na końcu tłoczyska; generowanie ciepła podczas szybkich ruchów posuwisto-zwrotnych; uszkodzenia spowodowane cząstkami zanieczyszczeń; nadmierna luzowność powoduje wypychanie i żerowanie materiału uszczelniającego. Wymagania, jakie musi spełniać uszczelka typu O do zastosowań hydraulicznych, nie ograniczają się jedynie do odporności na olej — obejmują także tarcie, odkształcenie permanentne pod wpływem ściskania, odporność na wypychanie, odporność na zużycie, zdolność do odbijania się w niskich temperaturach oraz zgodność z dodatkami stosowanymi w olejach hydraulicznych.

9.2 Cylindry pneumatyczne

Największym problemem dla cylindrów pneumatycznych jest niedostateczna smarowanie — wiele nowoczesnych systemów pneumatycznych dąży do działania bezolejowego lub z minimalnym użyciem oleju, przez co uszczelka typu O przez długi czas pracuje w stanie tarcia granicznego lub mieszanego.

Typowe problemy: pełzanie przy niskich prędkościach; tarcie statyczne przy starcie; tarcie suche powierzchni uszczelniającej; stopniowe usuwanie smaru; przywieranie po długim postoju; niestabilność mikroruchu cylindra. W podręczniku firmy Parker zaznaczono, że warunki smarowania uszczelek pneumatycznych są bardziej wymagające niż uszczelek hydraulicznych; smarowanie tłuszczem nie zapewnia ciągłego uzupełniania smaru, a warstwa smarująca jest stopniowo usuwana wzdłuż krawędzi uszczelki podczas ruchu.

9.3 Siłowniki i układy serwonapędowe

W przypadku siłowników szczególną uwagę zwraca się na dokładność sterowania. Ogólnego uszczelnienia wystarczy do spełnienia wymogu „brak przecieków”, ale niekoniecznie zapewnia ono „niskie tarcie, niską histerezę, niskie pełzanie”.

Typowe wymagania: niskie siły przełamania tarcia; stabilna siła tarcia; mała różnica sił tarcia przy ruchu posuwisto-zwrotnym; niewielkie dryfowanie siły tarcia wraz ze zmianą temperatury; kontrolowalne mikroprzesunięcia; brak zjawiska przyczepiania-szosowania. Takie wymagania zwykle nie mogą być spełnione wyłącznie za pomocą standardowego pierścienia O jako głównego uszczelnienia dynamicznego — konieczne może być zastosowanie materiału o niskim współczynniku tarcia, pierścienia O z powłoką, pierścienia X, uszczelnienia kompozytowego z PTFE lub dedykowanego uszczelnienia tłoczyska/wałka.

10. Projektowanie i dobór środków zapobiegawczych

10.1 Zmniejszenie stopnia ucisku, ale bez pogorszenia uszczelnienia

Stopień ucisku uszczelki dynamicznej typu O-ring powinien zazwyczaj być bardziej umiarkowany niż w przypadku uszczelek statycznych; nadmierny ucisk zwiększa siłę przełamania oraz zużycie.

Zalecenia inżynieryjne: nie kopiować bezkrytycznie stosunków ucisku dla uszczelek statycznych; kontrolować głębokość i szerokość rowka; unikać zbyt wąskiego rowka, który nie zapewnia O-ringowi wystarczającej przestrzeni na odkształcenie; w warunkach wysokiego ciśnienia rozważyć jednoczesne zastosowanie pierścienia podporowego zamiast wyłącznie zwiększania stopnia ucisku; w systemach o wysokich wymaganiach dotyczących tarcia należy priorytetowo przeprowadzić testy tarcia lub weryfikację próbek.

10.2 Dobór odpowiedniej twardości

Niska twardość może zapewnić lepsze właściwości tarcia i gładkie dopasowanie, ale słabszą odporność na wypychanie; wysoka twardość zapewnia silniejszą odporność na wypychanie, ale może zwiększać ciśnienie kontaktowe oraz siłę przełamania.

10.3 Optymalizacja materiału

10.4 Powłoki powierzchniowe i środki zmniejszające tarcie

W przypadku problemów związanych z siłą rozrywania, oporem montażu, zjawiskiem ślizgania-przyczepiania się oraz automatycznym zaklinowaniem podczas montażu należy rozważyć powłokę powierzchniową uszczelki typu O-ring lub obróbkę powierzchniową zapewniającą niskie tarcie. Materiał Seal-Glide firmy Trelleborg wskazuje, że obróbka powierzchniowa może obniżać tarcie podczas montażu i eksploatacji, zmniejszać tendencję do zjawiska ślizgania-przyczepiania się oraz poprawiać smarowanie bez istotnego wpływu na geometrię uszczelki; materiał ten jest również stosowany w połączeniu z takimi elastomerami jak EPDM, NBR, HNBR, FKM, FFKM, VMQ oraz innymi.

Pod względem inżynierskim metody te można pogrupować następująco: powłoka z PTFE; powłoka z suchego środka smarującego; obróbka powierzchniowa na bazie silikonu/wosku; grafityzacja; jonizacja lub nanomodifikacja powierzchni; zastosowanie kompozytów o niskim współczynniku tarcia.

Uwaga: powłoka nie stanowi uniwersalnego rozwiązania. W warunkach wysokiego ciśnienia i intensywnego zużycia trwałość powłoki, przyczepność, zgodność ze środowiskiem roboczym oraz odkształcenia występujące podczas montażu wymagają weryfikacji.

10.5 Nie nalegać na zastosowanie uszczelki typu O-ring, jeśli nie jest to konieczne

Standardowe pierścienie uszczelniające typu O mają prostą konstrukcję, niski koszt i dobrą uniwersalność, ale nie są optymalnym rozwiązaniem we wszystkich zastosowaniach dynamicznych.

Rozważ alternatywną konstrukcję w przypadku wystąpienia następujących sytuacji: długotrwała pełzanie przy niskich prędkościach; wysokie wymagania co do dokładności pozycjonowania; nadmierna siła przebicia; intensywne wydzielanie ciepła podczas ruchu posuwisto-zwrotnego; częste zużycie; wyciskanie i gryzienie materiału uszczelniającego przy wysokim ciśnieniu; duże wahania siły tarcia; klient wymaga jednoczesnie niskiej wycieku i niskiego tarcia.

11. Tabela diagnostyki usterki

12. Podsumowanie główne

Problem tarcia w dynamicznych uszczelniaczach typu O-ring jest zasadniczo wynikiem sprzężenia pięciu czynników: materiału + ucisku + powierzchni + warstwy smarującej + warunków eksploatacji. Czynniki najczęściej pomijane to warstwa smarująca oraz tarcie startowe. To, co wielu klientów określa jako „zacinanie się, poślizg, wydzielanie ciepła, zużycie”, ma często następujące rzeczywiste przyczyny: nadmierny ucisk; projekt rowka oparty na założeniach dotyczących uszczelnień statycznych; nieodpowiednia chropowatość powierzchni; niewystarczające smarowanie przy niskich prędkościach; zbyt duża różnica między tarciem statycznym a tarciem kinetycznym; niewystarczająca sztywność układu; stosowanie standardowego uszczelniacza typu O-ring w zastosowaniu, które w rzeczywistości wymaga uszczelniacza dynamicznego o niskim tarciu.