Technologia uszczelniania i wybór materiałów w układach hydraulicznych

Uszczelnienie jest kluczowe dla prawidłowego działania układu hydraulicznego. Każda wycieka oleju z cylindra lub tłoka, jak i przedostawanie się do wnętrza brudu, skraca żywotność całego układu i obniża jego sprawność.

Aby zapobiec wyciekowi oleju na zewnątrz oraz przedostawaniu się brudu do wnętrza, przemysł opracował wiele różnych uszczelek, technik i metod. Każda z nich charakteryzuje się własnymi zaletami. W niektórych trudnych zastosowaniach jedna uszczelka może być niewystarczająca, dlatego inżynierowie stosują kompleksowy system uszczelniający.

Wybór i stosowanie systemów uszczelniających

System uszczelniający składa się zwykle z kilku specjalnych uszczelek działających współbieżnie, zapewniających wysoką ogólną wydajność. System uszczelniający cylindra wysokiego ciśnienia składa się zazwyczaj z czterech elementów: gładzika (wiper), uszczelki wałka (głównej uszczelki), uszczelki buforowej (drugorzędowej uszczelki) oraz pierścienia prowadzącego. System uszczelniający tłoka składa się zwykle wyłącznie z głównej uszczelki oraz pierścienia prowadzącego.

Cztery materiały najczęściej stosowane obecnie w uszczelkach hydraulicznych to poliuretan (PU), kauczuk akrylonitrylowo-butadienowy (NBR), kauczuk fluoroelastomeryczny (FKM) oraz politetrafluoroetylen (PTFE).

Jak wybrać odpowiedni materiał

Wybór materiału zależy od warunków pracy. Różne chemikalia reagują

inaczej z każdym materiałem, a niektóre z nich wytrzymują wyższe ciśnienie lub temperaturę. Materiał musi również odpierać deformację spowodowaną ściskaniem. Dlatego odpowiedni wybór zawsze zależy od konkretnego zastosowania.

Poniżej przedstawiono najbardziej powszechne materiały uszczelniające oraz ich zastosowania.

1. Poliuretan (PU)

Poliuretan to wytrzymałym tworzywem sztucznym zawierającym wiele grup uretanowych w swojej strukturze chemicznej. Jest rodzajem termoplastycznego elastomeru. Ma cechy częściowo twardego tworzywa sztucznego, a częściowo gumy, stanowiąc połączenie obu tych kategorii.

Jego właściwości wynikają z trzech głównych składników: poliolu, diizocyjanatu oraz rozszerzacza łańcucha. Rodzaj i ilość każdego z nich, a także sposób ich reakcji, decydują o końcowej wydajności. Poliuretan charakteryzuje się zwykle:

· Wysoką wytrzymałością mechaniczną

· Wysoką wytrzymałością na rozciąganie

· Bardzo dobrą odpornością na zużycie

· Doskonałą elastycznością

·Sztywność możliwa do regulacji w szerokim zakresie

·Szeroki zakres twardości przy jednoczesnym zachowaniu elastyczności

·Dobra odporność na ozon i starzenie się

·Doskonała odporność na zużycie i rozdarcia

·Dobra odporność na oleje i benzynę

Zakres temperatur: od −30 do 80 °C. Specjalne typy o wysokiej wydajności mogą przez dłuższy czas wytrzymać temperaturę do 110 °C w oleju mineralnym.

2. Gumy akrylonitrylowo-butadienowe (NBR)

NBR wytwarzane jest z butadienu i akrylonitrylu. Ilość akrylonitrylu (ACN) znacznie wpływa na jego właściwości:

·Elastyczność

·Wydzianie niskotemperaturowe

·Jak łatwo gaz przenika przez materiał

·Ubytek po ucisku

·Odporność na rozprężanie w oleju mineralnym, smarach i paliwie

NBR o niskiej zawartości akrylonitrylu (niski ACN) charakteryzuje się dużą elastycznością w niskich temperaturach (aż do ok. –45 °C), ale ma jedynie umiarkowaną odporność na oleje i paliwa. NBR o wysokiej zawartości akrylonitrylu (wysoki ACN) zapewnia najlepszą odporność na oleje i paliwa, ale może zachowywać elastyczność jedynie

do –3 °C. Wraz ze wzrostem zawartości ACN elastyczność maleje, a ubytek po ucisku pogarsza się.

NBR charakteryzuje się dobrą odpornością na:

·Rozprężanie w węglowodorach alifatycznych, smarach, ogniootpornych olejach hydraulicznych typu HFA/HFB/HFC, olejach roślinnych i zwierzęcych, lekkich paliwach oraz oleju napędowym

·Pracę w gorącej wodzie o temperaturze do 100 °C (np. w instalacjach sanitarно-wodociągowych), łagodnych kwasach i zasadach

·Umiarkowaną odporność na paliwa o wysokiej zawartości węglowodorów aromatycznych

Znacznie rozpręża się w węglowodorach aromatycznych, węglowodorach chlorkowych, ogniootpornych olejach typu HFD, estrach, rozpuszczalnikach polarnych oraz płynie hamulcowym na bazie glikolu.

Zakres temperatur: od −40 do 100 ℃ (krótkotrwała ekspozycja nawet do 130 ℃). Specjalne mieszanki mogą działać przy temperaturach aż do −55 ℃. Powyżej tego zakresu materiał staje się twardszy.

3. Gumy fluoroolefinowe (FKM)

FKM wytwarza się poprzez połączenie fluorowinylidenu (VF) z różnymi ilościami

heksafluoropropilenu (HFP), tetrafluoroetylenu (TFE) oraz innych składników. Skład mieszanki oraz zawartość fluoru (65–71 %) decydują o odporności materiału na chemikalia i niskie temperatury. Utwardzanie może odbywać się za pomocą diaminków, bisfenoli lub organicznych nadtlenków.

FKM charakteryzuje się:

· Doskonałą odpornością na wysokie temperatury

· Wyróżniającą się odpornością na oleje, benzynę, oleje hydrauliczne oraz rozpuszczalniki węglowodorowe

· Dobrą odpornością na ogień

· Bardzo niską przepuszczalnością dla gazów

· Silnym powiększaniem się w rozpuszczalnikach polarnych, ketonach, olejach hydraulicznych o właściwościach przeciwpożarowych typu Skydrol oraz płynach hamulcowych

Zakres temperatur: około od -20 do 200 ℃ (krótkotrwała ekspozycja nawet do 230 ℃). Specjalne gatunki mogą działać w zakresie od -50 do 200 ℃.

4. Politetrafluoroetylen (PTFE)

PTFE wytwarzany jest z tetrafluoroetylenu. Ten nielastyczny materiał wyróżnia się następującymi cechami:

· Jego powierzchnia jest bardzo gładka i stabilna

· Jest nietoksyczny w temperaturze do 200 ℃ · Wykazuje nadzwyczaj niskie tarcie względem prawie każdej innej powierzchni – tarcie statyczne i dynamiczne są praktycznie takie same

· Doskonała izolacja elektryczna (prawie niezależna od częstotliwości, temperatury ani warunków pogodowych)

· Lepsza odporność chemiczna niż jakikolwiek inny plastik lub kauczuk

· Atakowany jedynie przez ciekłe metale alkaliczne oraz niektóre związki fluoru w wysokiej temperaturze

Zakres temperatur: od -200 ℃ do 260 ℃. Nawet w bardzo niskich temperaturach zachowuje pewną elastyczność, dlatego stosowany jest w wielu zastosowaniach wymagających ekstremalnie niskich temperatur.

ponieważ PTFE nie charakteryzuje się dużą sprężystością i może ulec pełzaniu w czasie, większość uszczelek hydraulicznych składa się z PTFE połączonego ze sprężyną lub elementem gumowym, zapewniającym stałe dociskanie krawędzi uszczelniającej.

Typowe konstrukcje uszczelek w cylindrach hydraulicznych

Poniżej przedstawiono najbardziej powszechne typy uszczelek stosowanych w cylindrach hydraulicznych.

1. Uszczelki tłoczyskowe

· Uszczelnienie między tłoczyskiem a rurą cylindra – bardzo ważne dla prawidłowego działania cylindra

· Najczęstszą konstrukcją jest uszczelka wargowa, ale stosowane są również pierścienie O-ring oraz uszczelki typu T

· Muszą zapewniać szczelność przy jednoczesnym utrzymaniu niskiego tarcia

· Wykonywane z różnych materiałów w zależności od zastosowania

· Wymagają ciśnienia roboczego układu, aby przycisnąć wargę do powierzchni uszczelnianej

2. Ścieraki (uszczelki przeciwpyłowe)

· Silne działanie skrobnące zapobiegające przedostawaniu się błota, wody, pyłu i brudu

·Usuwa warstwę oleju z powrotem do układu podczas wciskania tłoczyska

·Chroni główne uszczelki i wydłuża ich żywotność

·Zazwyczaj wykonane z wysokowspornego poliuretanu

·Często stosowane również jako uszczelki smarowe na sworzniach połączeń

3. Uszczelki tłoczyska

·Zapobiegają wyciekowi oleju z układu

·Muszą skutecznie działać zarówno przy niskim, jak i wysokim ciśnieniu

·Wymagają doskonałej odporności na wyciskanie oraz zużycie

·Powinny wprowadzać warstwę oleju z powrotem do układu

·Zazwyczaj wytrzymują ciśnienia do 31,5 MPa

4. Uszczelki buforowe

·Zapobiegają nagłym uderzeniom wysokiego ciśnienia

·Chronią uszczelkę tłoczyska przed szczytami ciśnienia

·Mogą odprowadzać uwięzione ciśnienie pomiędzy uszczelkami, co wydłuża żywotność uszczelki tłoczyska i umożliwia zastosowanie szerszej szczeliny bez wyciskania. Ponadto charakteryzują się bardzo dużą odpornością na zużycie.

5. Pierścienie prowadzące (pierścienie odpornościowe na zużycie)

·Zapobiegają dotykaniu się ze sobą elementów metalowych wewnątrz cylindra

·Utrzymują tłoczysko i tłok w położeniu centralnym

·Przyczyniają się do wydłużenia żywotności uszczelki

6. Pierścienie O-ring

·Najczęściej stosowane w uszczelnieniach statycznych (nieruchomych)

·Uszczelnianie przez ściskanie w kierunku promieniowym lub osiowym

·Działa w obu kierunkach

·Może być stosowany jako element generujący siłę lub jako główna uszczelka

·Samouszczelniający się – nie wymaga dodatkowego ciśnienia ani prędkości

Technologia uszczelniania stanowi rdzeń niezawodności, długiej trwałości i wydajności układów hydraulicznych. Od doboru odpowiedniego pojedynczego materiału po projektowanie kompleksowego wieloczęściowego systemu – każda decyzja musi być dopasowana do konkretnych warunków pracy, takich jak ciśnienie, temperatura oraz inne czynniki środowiskowe.