1. Dlaczego środowiska zawierające kurz, błoto i cząstki ścierne są szczególnie nieprzyjazne dla pierścieni uszczelniających typu O

The O-kręg opiera się zasadniczo na sprężystej deformacji przez ściskanie, aby wytworzyć ciśnienie kontaktowe zapewniające uszczelnienie. Nadaje się do uszczelnień statycznych, wolno poruszających się tłoczysk lub niektórych uszczelnień pomocniczych, ale nie jest specjalnie zaprojektowaną konstrukcją „blokującą kurz, skrawającą i odprowadzającą zanieczyszczenia”. W szczególności w maszynach inżynieryjnych, sprzęcie górniczym oraz maszynach rolniczych zewnętrzne zanieczyszczenia nie stanowią czynnika przypadkowego, lecz trwałą cechę warunków eksploatacyjnych.

Cylindry hydrauliczne, wały osiowe, silniki, pompy, zawory, obudowy przekładni, krawędzie kół oraz inne elementy mechanizmów stosowanych w rolnictwie często napotykają jednocześnie:

Kurz, błoto, piasek, żużel o różnej granulacji, błotnistą wodę, odłamki metalu, wodę do mycia, płukanie pod wysokim ciśnieniem, wibracje i uderzenia, obciążenie mimośrodowe, niską prędkość oraz powolne przesuwanie przy niedostatecznym smarowaniu.

Przy jednoczesnym występowaniu tych czynników co O-ringi powierzchnia styku nie jest prostym „medium uszczelniającym”, lecz wysoce zanieczyszczonym, wysoce ściernym oraz poddanym dużym obciążeniom mechanicznym systemem zużycia. W wyjaśnieniu Freudenberga dotyczącego gładzika pyłu w cylindrze hydraulicznym podkreśla się również, że jego funkcją jest zapobieganie przedostawaniu się zewnętrznych zanieczyszczeń do wnętrza cylindra podczas wciągania się tłoczka, a także izolowanie pyłu, wody i innych wpływów środowiskowych poza krawędzią uszczelniającą pracującą pod ciśnieniem oraz obszarem kontaktu.

2. Główne mechanizmy uszkodzeń

1. Zużycie ścierne cząsteczkami: zużycie pierścienia O-ring w sposób przypominający działanie papieru ściernego po przedostaniu się cząstek do powierzchni styku

Gdy cząstki pyłu, piasku, proszku rudowego i błota przedostają się pomiędzy pierścień O-ring oraz wałek, otwór, korpus cylindra lub rowek, występuje typowe zużycie ścierne trzech ciał:

Pierwszym ciałem jest metalowa powierzchnia współpracująca, drugim ciałem jest gumowy pierścień O-ring, a trzecim ciałem są twarde cząstki uwięzione pomiędzy nimi.

Te cząstki wykonują mikrocięcie, pchanie i skrobanie na powierzchni gumy podczas ruchu względnego. W rezultacie powierzchnia uszczelki typu O-ring staje się zużyta, wypłaszczona, włochata, przekrojona, a przekrój poprzeczny stopniowo przyjmuje kształt elipsy; odporność sprężysta maleje, a ostatecznie ciśnienie kontaktowe uszczelnienia staje się niewystarczające, co prowadzi do wycieku. Parker analiza awarii uszczelek typu O-ring w trybie dynamicznym przypisuje zużycie bezpośrednio tarcie i stwierdza, że powierzchnia może przejawiać się jednostronnym wypłaszczeniem uszczelki typu O-ring.

W maszynach górniczych i budowlanych piasek kwarcowy, proszek rudowy, proszek węglowy oraz cząstki mułu są zazwyczaj twardsze i najczęściej nie mają zaokrąglonych krawędzi. Nie skrobą materiału uszczelniającego „delikatnie”, jak zanieczyszczenia ciekłe, lecz aktywnie go tną. Materiały dotyczące zanieczyszczeń hydraulicznych firmy Noria wskazują również, że drobne cząstki działają jak papier ścierny na komponentach i mogą powodować ciągłe nasilenie zużycia; wszystkie elementy – skrobaki pyłu, powierzchnie tłoczysk oraz obszary kontaktu uszczelek – ulegają wpływowi.

2. Glina tworzy „pastę ścierną”, która jest bardziej niebezpieczna niż sucha pył

Glina, błotnista woda i piaskowata glina to nie tylko proste zanieczyszczenia o charakterze ciekłym. Zazwyczaj mają trzy szkodliwe cechy:

Po pierwsze, zawierają twarde cząstki, które przy dostaniu się na powierzchnię styku uszczelniającego powodują szlifowanie.

Po drugie, niszczą warstwę smarującą – wilgoć rozcieńcza lub usuwa warstwę oleju lub smaru, co powoduje przejście strefy kontaktu w kierunku tarcia granicznego lub nawet tarcia suchego.

Po trzecie, wysychają i tworzą skorupę – błotnista woda pozostająca w rowkach, na powierzchni tłoczyska lub na zewnątrz pierścienia ochronnego wysycha, tworząc twardą skorupę, która bezpośrednio uszkadza powierzchnię gumową i metalową przy kolejnym ruchu.

Dlatego też wiele cylindrów hydraulicznych stosowanych w górnictwie, na placach piasku, w koparkach, maszynach rolniczych, kombajnach i kultywatorach nie ulega jednorazowej awarii uszczelki, lecz najpierw pojawia się delikatna mikroprzeciekowość, zewnętrzne zanieczyszczenie, zadrapania na powierzchni tłoczyska oraz wywrócenie krawędzi pierścienia ochronnego, a następnie szybko następuje awaria głównej uszczelki i pierścienia O.

3. Po zniszczeniu warstwy smarującej uszczelka typu O-ring przechodzi w stan tarcia suchego

Uszczelki typu O-ring w uszczelnieniach dynamicznych muszą polegać na niezwykle cienkiej warstwie oleju lub smaru w celu zmniejszenia tarcia; skażone cząstki przywierają do tłuszczu, usuwają warstwę oleju, a płukanie błotną wodą również usuwa warstwę smarującą; czyszczenie pod wysokim ciśnieniem może także nasilić bezpośredni kontakt.

Po przedostaniu się wody i cząstek do obszaru styku uszczelniającego smarowanie nie nadąża za zapotrzebowaniem, co powoduje bezpośredni kontakt uszczelki typu O-ring z powierzchnią metalową; temperatura tarcia rośnie, powierzchnia gumy zaczyna się wydzielać, twardnieć i pękać.

Firma Parker wymieniła „brak smarowania lub niewłaściwe smarowanie” jako jedną z ważnych przyczyn skręcania i uszkodzeń spiralnych uszczelki typu O-ring oraz zaleca zapewnienie odpowiedniego smarowania, poprawę jakości powierzchni, zastosowanie odpowiedniej twardości oraz ostrożnego doboru mieszanki gumowej.

Wymaga uwagi: bezpośrednie narażenie na zewnętrzne oleje i smary w środowiskach pylnych nie jest zawsze korzystne. Jeśli zewnętrzne oleje i smary są bezpośrednio narażone, łatwo przyczepiają się do cząstek kurzu i piasku, tworząc tzw. „pasty abrazyjne”. Poprawna praktyka polega nie na po prostu stosowaniu większej ilości smaru, lecz na utrzymywaniu smarowania wyłącznie w chronionej strefie kontaktu uszczelniającej oraz jednoczesnym blokowaniu dostępu cząstek za pomocą pierścienia przeciwpyłowego, nakładki przeciwpyłowej, struktury labiryntowej i pierścienia wspornego.

4. Cząstki zanieczyszczeń wbijają się w gumę, powodując, że samo pierścień O staje się „abrazywny”

Materiał gumowy jest stosunkowo miękki w porównaniu do metalu, a drobne, twarde cząstki mogą zostać wciskane w powierzchnię pierścienia O, powodując ubytki typu wbijanie. W takiej sytuacji pierścień O przestaje być jedynie obiektem ścierania i zaczyna odwrotnie zadrapywać powierzchnię tłoczyska, wałka, otworu lub rowka.

Typowymi skutkami są:

• Powstają drobne rysy promieniowe na powierzchni tłoczyska lub wałka.
• Na krawędziach rowka można zaobserwować jasne plamy, wgniecenia lub rysy.
• Powierzchnia pierścienia O-ring wykazuje błyszczące plamy, wgniecenia lub rysy.
• Nowo zamontowany pierścień O-ring ponownie ulega przeciekaniu w krótkim czasie.

Ten typ uszkodzenia łatwo błędnie interpretować jako «materiał nieodporny na olej» lub «niska jakość pierścienia O-ring», ale rzeczywistą przyczyną główną jest to, że cząstki zanieczyszczeń nie zostały zatrzymane, a strefa kontaktu uszczelniającego stała się już strefą ścierania.

5. Uszkodzenie powierzchni metalowych powierzchni stykających się po cięciu trwale otwiera ścieżkę przecieku

Uszczelnianie za pomocą pierścienia O-ring zależy od jakości powierzchni metalowej powierzchni stykającej się. Cząstki i cząstki ściernicze nie tylko tną gumę, ale również zadrapują drążek tłokowy, wałek zaworu, wał, ścianę otworu i miejsce rowka; gdy tylko powierzchnia metalowa wykazuje zadrapania, wgniecenia, odpryskiwanie powłoki galwanicznej lub rany, nawet jeśli pierścień O-ring pozostaje nienaruszony, może być niemożliwe wypełnienie tych ciągłych kanałów przecieku.

Dane Norii wskazują, że drobne rysy i rowki na powierzchni tłoczyska znacząco skracają żywotność pierścienia ochronnego przed kurzem oraz zapewniają zanieczyszczeniom ścieżkę dostępu do wnętrza układu; nadmierna gładkość może również uniemożliwić utrzymanie warstwy smarowej.

Jest to szczególnie istotne dla klientów maszyn inżynieryjnych: zastąpienie wyłącznie uszczelki typu O-ring bez naprawy powierzchni tłoczyska lub rowka zwykle pozwala jedynie na krótkotrwałe zapobieganie wyciekowi.

6. Po uszkodzeniu pierścienia ochronnego przed kurzem uszczelka typu O-ring jest zmuszona do pełnienia funkcji „blokowania kurzu”

Wiele problemów występujących w praktyce wynika z błędów w konfiguracji układu uszczelniającego. Uszczelka typu O-ring nie ma za zadanie blokować medium pod ciśnieniem i nie powinna pełnić roli pierwszego elementu chroniącego przed kurzem. Pierwszą linią obrony powinny być pierścienie ochronne przed kurzem, pokrywy przeciwkurzowe, pierścienie typu V-ring, struktury labiryntowe zapobiegające przedostawaniu się kurzu lub osłony ochronne.

Jeśli nie ma pierścienia przeciwpyłowego lub jego warga jest zużyta, odwrócona na krawędzi, zestarzała się lub została dobrana zbyt miękka, cząstki pyłu i błota bezpośrednio docierają do głównego uszczelnienia i położenia pierścienia O. Freudenberg wyraźnie określa rolę pierścieni przeciwpyłowych jako zapobiegania przedostawaniu się pyłu do obszaru uszczelnianego oraz podkreśla, że w cylindrach pneumatycznych i hydraulicznych pył musi być utrzymywany w dużej odległości od części znajdujących się wewnątrz korpusu cylindra.

W cylindrach hydraulicznych o wysokim stopniu zanieczyszczenia pojedynczy pierścień przeciwpyłowy zwykle nie wystarcza. Zastosowania o wysokim stopniu zanieczyszczenia wymagają zwykle konstrukcji o silniejszej zdolności blokowania pyłu, takich jak pierścienie przeciwpyłowe z poliuretanu, pierścienie przeciwpyłowe z metalowym szkieletem, dwuwarstwowe pierścienie przeciwpyłowe lub ciężkie pierścienie przeciwpyłowe do warunków błotnych. Noria wskazuje również, że kombinacje jedno- lub dwupierścieniowe są odpowiednie dla zastosowań o wysokim stopniu zanieczyszczenia i mogą poprawić trwałość systemu uszczelniającego.

7. Zanieczyszczenie cząstkami powoduje skręcanie się pierścienia O oraz awarię spiralną

W ruchu posuwisto-zwrotnym, jeśli uszczelka typu O-ring doświadcza niestabilnego tarcia lokalnego, łatwo ulega częściowemu poślizgowi i częściowemu toczeniu się, co ostatecznie prowadzi do skręcenia. Po skręceniu na powierzchni uszczelki typu O-ring pojawiają się ślady w kształcie spirali, ukośne przecięcia lub lokalne pęknięcia. Parker wymienia jako przyczyny skręcania/defektów spiralnych: ekscentryczność, chropowatą powierzchnię, niewłaściwe smarowanie, zbyt miękki materiał, zbyt niską prędkość suwu oraz toczenie się podczas montażu.

Pył i błoto nasilają ten rodzaj uszkodzenia, ponieważ cząstki powodują niestabilność lokalnych współczynników tarcia:

W niektórych obszarach występuje warstwa oleju, więc tarcie jest niższe; w innych znajdują się grube ziarna piasku, zwiększające tarcie; w jeszcze innych obszarach sucha, zakrzepła błota tworzy opór typu stick-slip.

Lokalny poślizg uszczelki typu O-ring powoduje jej przeciąganie, co ostatecznie prowadzi do toczenia się i skręcania. Dlatego, gdy na miejscu obserwuje się na uszczelce typu O-ring ukośne ślady spiralne pod kątem ok. 45°, lokalne toczenie się lub przecięcia, nie należy automatycznie zakładać, że przyczyną jest błąd montażu – należy również sprawdzić, czy do układu dostała się zanieczyszczenia oraz ocenić stan smarowania.

8. Wpływ uderzeń ciśnieniowych, zwiększenie luzu i zużycie powodują wypychanie i przegryzanie uszczelki

Maszyny inżynieryjne i sprzęt górniczy podlegają częstym uderzeniom ciśnieniowym, wibracjom, obciążeniu skośnemu oraz odkształceniom sprężystym konstrukcji. Cząstki zanieczyszczeń powodują zużycie ścierniowe, które powiększa luz uszczelniający, a tym samym jeszcze bardziej zwiększa luz umożliwiający wypychanie pierścienia O. Przy wysokim ciśnieniu pierścień O jest wciskany w ten luz, a jego krawędź ulega ścinaniu, co prowadzi do „przegryzania”, „wyciągania nitki” lub utraty fragmentów gumy.

Firma Parker wyjaśnia, że wypychanie pierścienia O występuje najczęściej w uszczelniach dynamicznych, statycznych uszczelniach poddawanych pulsującemu ciśnieniu, przy nadmiernym luźie oraz przy odkształceniach części związanych z oddychaniem elementów; główne środki zapobiegawcze obejmują zmniejszenie luzu, stosowanie pierścieni wspierających, zwiększenie twardości materiału, sprawdzanie zgodności materiału z medium roboczym oraz kontrolę mimośrodu.

W warunkach występowania błota i cząstek ściernych awaria wyciskania często zachodzi równocześnie z zużyciem ściernym: najpierw zużycie cząstkowe powoduje zwiększenie luzu, następnie uszczelka typu O-ring pod wpływem wysokiego ciśnienia jest wyciskana do tego luzu, a w końcu przecinana o ostry krawędź; ziarnka piasku oraz powtarzające się ruchy rozrywają gumę.

9. Nadmierna chropowatość powierzchni nasila zużycie

Zbyt chropowata powierzchnia współpracująca działa na uszczelkę typu O-ring jak ostrze noża; z kolei zbyt gładka powierzchnia może nie utrzymywać warstwy smarującej, co prowadzi do tarcia suchego. Analiza zużycia firmy Parker wskazuje również, że uszczelki statyczne pod wpływem wysokiego, pulsującego ciśnienia mogą przemieszczać się w rowku, co powoduje zużycie; przy niskiej jakości powierzchni zużycie to jest jeszcze bardziej intensywne, a obniżenie chropowatości powierzchni poprawia odporność na zużycie suche.

Dla tłoczysk cylindrów hydraulicznych, wałków zaworów, końcówek wałów oraz podobnych dynamicznych uszczeleń szczególnie istotne jest to: w środowiskach błotnych i pyłowych szybkie pogorszenie się chropowatości powierzchni prowadzi do złośliwego cyklu szybkiego powstawania przewodów przeciekowych; ponadto wyciekające oleje przywierają do dodatkowego pyłu, powodując wtórną kontaminację.

3. Destrukcyjne cechy różnych typów zanieczyszczeń

4. Typowe scenariusze awarii w maszynach inżynieryjnych, górniczych i rolniczych

1. Uszczelka tłoczyska cylindra hydraulicznego

Jest to najbardziej typowy scenariusz awarii spowodowanej pyłem i błotem. Tłoczysko cylindra hydraulicznego wystawione na błoto i piasek podczas jego wciskania wprowadza zanieczyszczenia do wnętrza cylindra. Jeśli pierścień ochronny nie usuwa skutecznie zanieczyszczeń, cząstki przedostają się do strefy uszczelnienia, powodując uszkodzenie głównej uszczelki oraz pomocniczej uszczelki typu O-ring, co prowadzi do zużycia dwukierunkowego i zanieczyszczenia oleju.

Firma Trelleborg wymienia w swoim rozwiązaniu uszczelnieniowym dla sprzętu górniczego kontrolę zanieczyszczeń takich jak błoto, woda, popiół i pył oraz utrzymanie smarowania jako kluczowe cele całego systemu uszczelniającego.

2. Oś obrotowa, punkt obrotu, podpora obrotowa

Te elementy są często narażone na działanie piasku, błota oraz obciążenia uderzeniowe. Jeśli jako bezpośrednią uszczelkę zapobiegającą dostępu pyłu lub uszczelkę smarową stosuje się pierścień typu O-ring, to cząstki zewnętrzne przyczepiające się do smaru tworzą pastę szlifującą, której ruch powoduje ciągłe zużywanie pierścienia O-ring oraz powierzchni metalowej partnera.

Ten typ usytuowania, pojedyncze zwykłe uszczelki O-ring z kauczuku NBR zwykle ma ograniczoną żywotność i należy rozważyć zastosowanie uszczelki typu V-ring, uszczelki olejowej z ramką, uszczelki połączonej, struktury labiryntowej lub regularnie uzupełnianej struktury zapobiegającej dostępowi pyłu za pomocą smaru.

3. Maszyny rolnicze – środowisko błota, wody i włókien roślinnych

Zanieczyszczenia występujące w maszynach rolniczych nie ograniczają się do piasku – obejmują również łupiny, słomę, nawozy oraz wodę i błoto. Włókna roślinne łatwo owijają się wokół końcówek wałów lub powierzchni tłoczni, wprowadzając błoto i piasek oraz dodatkowo nasilając zanieczyszczenie. Resztki nawozów i środków ochrony roślin mogą również przyspieszać starzenie chemiczne, jednak najczęściej najpierw występuje zużycie ścierne spowodowane cząstkami zanieczyszczeń.

4. Urządzenia górnicze – taśmy transportowe, urządzenia do kruszenia, wiercenia i załadunku

Twardość pyłu górniczego jest wysoka, cząstki są kruche i twarde, a intensywność uderzenia obciążenia silna; uszczelki zewnętrzne są narażone na szybki zużycie, cięcie, ściskanie i ścieranie. Standardowe pierścienie O w takich warunkach nadają się raczej jako uszczelki statyczne lub pomocnicze elementy kompensacyjne, ale nie nadają się jako bezpośrednie uszczelki dynamiczne przeciwko proszkowi rud i błocie.

5. Jak ocenić objawy awarii

Usunięty pierścień O można sprawdzić pod kątem następujących cech:

Firma Parker wymienia także montaż przy braku smarowania, zanieczyszczenia, ostre krawędzie, anomalie wymiarów rowka i otworu oraz inne czynniki powodujące błędy montażowe; zaleca czystość podczas montażu oraz stosowanie smaru montażowego do kontroli.

6. Jak wyjaśnić ocenę inżynierską klientom

W ten sposób można to wyjaśnić klientom maszyn inżynieryjnych, górnictwa oraz maszyn rolniczych:

Wiele awarii uszczelek typu O-ring nie wynika z degradacji materiału gumowego, lecz z przedostawania się cząstek zanieczyszczeń do strefy styku uszczelniającego, co powoduje zużycie ścierne. Pył, błoto i ziarnka piasku niszczą warstwę smarową, zadrapują powierzchnię metalową oraz wbijają się w gumę, powodując przemianę uszczelki typu O-ring z elastycznego elementu uszczelniającego w ciągle ścierany element zużywający się. Zwykle wymiana samej uszczelki typu O-ring nie rozwiązuje pierwotnej przyczyny awarii; równocześnie należy sprawdzić pierścień przeciwpyłowy, konstrukcję ochronną, stan powierzchni tłoczyska, luz w rowku oraz skuteczność smarowania i kontroli zanieczyszczeń.

Wyrażając to prościej:

W środowiskach pylistych, błotnistych oraz zawierających cząstki ścierne żywotność uszczelki zależy głównie od tego, czy „cząstki można skutecznie zablokować”, a nie tylko od tego, czy „materiał uszczelki typu O-ring jest dobry”.

7. Zalecana kombinacja rozwiązań

W przypadku urządzeń narażonych na zanieczyszczenia zaleca się postępowanie w poniższej kolejności priorytetowej:

Po pierwsze – zapobieganie dostawaniu się pyłu: Dodać lub ulepszyć pierścienie przeciwpyłowe, pierścienie ochronne, kapturki przeciwpyłowe, struktury labiryntowe oraz osłony teleskopowe.

Po drugie – odporność na zużycie ścierne: Zastosuj materiały o wyższej odporności na zużycie, takie jak HNBR, PU/TPU lub odpowiednie kompozytowe struktury uszczelniające.

Trzecie: odporność na wypychanie: Zainstaluj pierścienie wsporcze przy wysokim ciśnieniu i dużym luzie lub przejdź na uszczelki typu T lub kombinowane.

Czwarte: kontrola powierzchni: Napraw powierzchnię tłoczyska, wału, rowka, warstwy powłoki galwanicznej oraz fazetę.

Piąte: kontrola smarowania: Stosuj zgodne środki smarujące, utrzymuj ochronną warstwę olejową i unikaj wchłaniania pyłu przez zewnętrzny olej lub smar.

Na koniec: kontrola konserwacji: Przeprowadz czystą montażową, regularnie sprawdzaj pierścienie przeciwpyłowe i unikaj bezpośredniego uderzenia pod wysokim ciśnieniem w wargę uszczelniającą.

W środowiskach pylistych, błotnistych oraz zawierających cząstki ścierniskowe główną przyczyną awarii uszczelek typu O-ring jest:

Cząstki zanieczyszczeń przedostają się do systemu uszczelniającego, niszczą warstwę smarującą, zmieniają współczynnik tarcia, zużywają gumę, zadrapują metal, powodują powiększenie luzów oraz skręcanie, wypieranie i wyciek.

Rozwiązanie tego typu problemów nie polega więc wyłącznie na pytaniu „jaką gumię wybrać”, lecz wymaga jednoczesnego rozpatrzenia następujących kwestii:

• Skąd pochodzą cząstki?
• Czy zastosowano pierścień ochronny przed kurzem?
• Czy pierścień ochronny przed kurzem jest odpowiedni do pracy w warunkach mułu?
• Czy można utrzymać warstwę smarującą?
• Czy powierzchnia tłoczyska i rowek są już uszkodzone?
• Czy uderzenia ciśnienia i luzy są nadmierne, co wymaga zastosowania pierścieni podporowych?
• Czy pierścień O-ring jest zmuszany do pełnienia funkcji ochrony przed kurzem?

Dla klientów z branży maszyn inżynieryjnych, sprzętu górniczego oraz rolniczego skutecznym rozwiązaniem jest zwykle kompleksowe połączenie: materiału pierścienia O-ring + konstrukcji pierścienia ochronnego przed kurzem + projektu ochrony przed kurzem + kontroli smarowania + jakości powierzchni + pierścieni podporowych zapobiegających wypieraniu, a nie jedynie zamiana pierścienia O-ring na twardszy lub droższy.