Anel Glyd e Vedação em Degrau em Cilindros Hidráulicos para Perfuração de Rocha: Como Funcionam e Como Escolher uma Substituição

Por trás do sistema de alimentação, do braço e de outros atuadores hidráulicos de cada perfuradora de rochas, encontram-se dois tipos de vedação que parecem quase idênticos à primeira vista, mas desempenham funções distintas em locais diferentes e por motivos diferentes: o anel Glyd e a vedação em degrau (Step Seal). Ambos combinam um anel de PTFE resistente ao desgaste com uma borracha O-ring sob ele, e, juntos, constituem algumas das vedações de pistão e de haste mais amplamente utilizadas nos cilindros hidráulicos modernos. Este artigo explica como essas vedações compactas funcionam na prática, onde são empregadas numa perfuradora de rochas, como identificar uma falha em uma delas e quais pontos verificar antes de encomendar uma substituição.

O que são os anéis Glyd e as vedações em degrau?

Um Glyd Ring e um Step Seal são ambos exemplos do que a indústria de vedação chama de vedação compacta ou vedação em PTFE energizada por O-ring: um anel rígido de desgaste em PTFE de baixo atrito, reforçado por um O-ring de borracha que o pré-carrega contra a superfície acoplada. O anel de PTFE é o elemento que efetivamente entra em contato com o furo do cilindro ou com o haste do pistão e realiza a vedação; o O-ring subjacente fornece a compressão elástica que o PTFE, por si só, não consegue oferecer, pois o PTFE não recupera sua forma como a borracha após ser comprimido.

Os nomes “Glyd Ring” e “Step Seal” originaram-se como marcas registradas de fabricantes, mas agora são usados em toda a indústria, da mesma forma que o termo “O-ring” tornou-se genérico. Em catálogos de peças em chinês, ambos são frequentemente agrupados sob o termo genérico glyd ring (Glyd ring), com step Seal (Step Seal) usado especificamente para a variante de vedação na haste.

Qual é a diferença entre um Glyd Ring e um Step Seal?

Os dois projetos são concebidos para funções opostas no mesmo cilindro. Um anel Glyd possui um perfil simétrico e retangular, o que lhe permite vedar com igual eficácia independentemente do lado de onde provém a pressão — exatamente o que um selagem de pistão precisa, uma vez que a pressão hidráulica alterna entre os dois lados do pistão à medida que o cilindro se estende e retrai. Uma vedação em degrau (Step Seal) possui um perfil assimétrico em forma de degraus, projetado para vedar apenas numa direção, alinhado à função real de um selo de haste : manter o óleo sob pressão no interior do cilindro enquanto a haste se move para dentro e para fora.

Uma forma simples de lembrar essa distinção: o anel Glyd é instalado no pistão (vedação do furo, vedação bidirecional), e a vedação em degrau (Step Seal) é instalada na haste (vedação da haste, vedação unidirecional). Ambas utilizam a mesma estrutura básica de PTFE mais anel O, razão pela qual são frequentemente discutidas em conjunto, apesar de desempenharem funções distintas no mesmo cilindro.

Foto 1: Comparação dos perfis do anel Glyd e da vedação em degrau (Step Seal)

Como é que o anel O atuante transforma uma vedação de PTFE numa vedação efetiva?

O PTFE é valorizado para vedação devido ao seu atrito muito baixo e à excelente resistência química e ao desgaste, mas, por si só, possui praticamente nenhuma memória elástica: uma vez comprimido, permanece comprimido em vez de voltar à forma original para manter a pressão de contato. Uma junta tórica de borracha posicionada atrás do anel de PTFE resolve esse problema atuando como mola: empurra continuamente o anel de PTFE para fora (no caso de um Glyd Ring instalado na ranhura do furo) ou para dentro (no caso de uma configuração de vedação para haste), mantendo o anel de desgaste em contato firme com a superfície móvel, mesmo à medida que o próprio PTFE se desgasta ao longo do tempo.

Essa divisão de funções é o que confere aos vedadores compactos seu comportamento característico: a superfície deslizante de baixo atrito e baixa tendência ao stick-slip do PTFE, combinada com a capacidade da junta tórica de ajustar continuamente a força de contato do vedador à medida que as folgas mudam e o anel de desgaste se desgasta gradualmente. A perda da função da junta tórica — devido à sua própria degradação — faz com que o vedador falhe, mesmo que o anel de PTFE ainda pareça intacto.

O teste básico que qualquer vedação desse tipo deve superar, em qualquer pressão de operação, é que a pressão de contato entre o anel de PTFE e a superfície móvel deve permanecer acima da pressão do fluido que está sendo contido. Estudos por elementos finitos de vedadores Glyd Ring confirmam isso diretamente: a pressão de contato máxima aumenta juntamente com a pressão do fluido e permanece acima dela ao longo da faixa testada, condição essa que impede vazamentos na vedação. Os mesmos estudos também revelam quão sensível é o desempenho da vedação ao seu perfil exato — em um estudo sistemático, o melhor desempenho de vedação sob alta pressão foi observado apenas dentro de janelas geométricas bastante estreitas, da ordem de algumas décimas de milímetro no raio da borda e de alguns graus no ângulo lateral da vedação — o que explica, em grande parte, por que os perfis Glyd Ring e Step Seal não devem ser aproximados a partir de uma peça visualmente semelhante.

Também vale a pena compreender que uma vedação alternada não constitui uma barreira perfeita de vedação zero, mesmo quando opera exatamente conforme projetado — fato relevante ao avaliar se uma pequena quantidade de vazamento em uma haste representa, de fato, um problema. A teoria da lubrificação baseada na equação de Reynolds, utilizada para modelar a fina película fluida entre o lábio da vedação e a superfície móvel, mostra que uma vedação alternada transporta uma película de fluido para fora numa fase do movimento e traz uma película de volta na fase de retorno; a vazão líquida por ciclo é proporcional à diferença entre essas duas espessuras de película, que, por sua vez, depende do gradiente de pressão no lado do fluido versus o lado do ar em cada extremidade do curso. Um perfil de vedação projetado para acentuar o gradiente de pressão no lado do fluido e suavizá-lo no lado do ar devolverá mais fluido do que permite sair, aproximando-se de uma vazão líquida nula ao longo de um ciclo completo; já um perfil mal ajustado produz o efeito oposto. Esse é parte do fundamento teórico pelo qual pequenas alterações no perfil, medidas em décimos de milímetro — discutidas anteriormente — podem ter um efeito desproporcionalmente grande sobre a vazão medida.

Onde as Perfuratrizes de Rocha Utilizam Anéis Glyd e Vedação em Degrau?

Nas perfuratrizes de rocha, as vedações do tipo Anel Glyd e Vedação em Degrau são mais comumente encontradas nos cilindros hidráulicos atuadores que movem o equipamento ao redor da própria broca, e não no interior do mecanismo de percussão da unidade de perfuração de rocha: cilindros de alimentação que avançam e recuam a broca ao longo do seu trilho-guia, cilindros de braço e de giro que posicionam a broca sobre o furo, e cilindros atuadores semelhantes em outras partes do veículo transportador. Esses cilindros suportam a mesma solicitação alternada e de dupla ação para a qual os Anéis Glyd e as Vedação em Degrau foram projetados.

Como os cilindros de alimentação, em particular, realizam ciclos constantes durante um turno de perfuração e operam em um ambiente empoeirado e rico em detritos, suas vedações de pistão e de haste figuram entre os componentes de desgaste mais frequentemente substituídos no lado da perfuradora de rocha, distinto das peças de desgaste do lado da percussão, como o diafragma do acumulador ou a vedação em copo discutidos em outra seção.

O que Acontece Quando um Anel Glyd ou uma Vedação em Degrau Falha?

Quando o anel de desgaste de PTFE se desgasta completamente ou quando o anel O que fornece energia perde sua elasticidade, a vedação já não consegue manter pressão de contato suficiente contra o cilindro ou o êmbolo para conter a pressão hidráulica. O resultado prático é vazamento interno ao redor do pistão (o que se manifesta como perda de força de retenção ou deslocamento do cilindro sob carga) ou vazamento externo ao redor da vedação do êmbolo (óleo visível escorrendo pelo êmbolo, especialmente após o cilindro ter permanecido ocioso e pressurizado por algum tempo).

Como o anel de PTFE e o anel O podem falhar de forma independente — um anel O endurecido e rachado pode comprometer um anel de PTFE ainda em boas condições de uso, e um anel de PTFE totalmente desgastado pode expor um anel O saudável ao desgaste direto — a substituição de um kit de vedação normalmente abrange ambos os componentes em conjunto, em vez de tratá-los como peças de reposição separadas.

Foto 2: Vedação de PTFE desgastada e anel O energizador

Como Identificar se a Vedação do Seu Cilindro Falhou?

Um anel Glyd ou uma junta de etapas com defeito geralmente se manifesta por um ou mais dos seguintes sinais:

• O cilindro perde força de retenção ou desloca-se lentamente sob carga quando deveria permanecer imóvel.
• Vazamento visível de óleo na junta da haste, particularmente evidente após a máquina ter permanecido ociosa sob pressão.
• Movimento do cilindro mais lento ou menos consistente, especialmente no início do curso.
• Contaminação ou alteração de cor no óleo hidráulico, causada por uma junta raspadora que já não impede a entrada de poeira e detritos.
• Um cilindro que apresenta sensação esponjosa ou perda de precisão no posicionamento, compatível com derivação interna através da junta do pistão.

A tabela abaixo relaciona esses sintomas às causas prováveis e a uma verificação inicial razoável.

O que causa o desgaste prematuro dessas vedações?

Várias condições encurtam a vida útil dos anéis Glyd e das vedações tipo Step muito abaixo do seu potencial projetado:

• Óleo hidráulico contaminado contendo partículas abrasivas, o que acelera o desgaste na superfície deslizante do anel de PTFE.
• Um cilindro ou haste com superfície ranhurada, picotada ou corroída, que o anel de PTFE não consegue compensar totalmente, independentemente de quão bem esteja assentado.
• Um material de anel O energizador incompatível com o fluido hidráulico em uso, causando inchaço, endurecimento ou perda de elasticidade mais rápida do que o esperado.
• Instalação incorreta, especialmente instalar uma vedação tipo Step na orientação errada, o que compromete desde o início seu projeto de vedação unidirecional.
• Temperaturas elevadas sustentadas além da faixa nominal do anel O energizador, pois o próprio anel de PTFE tolera bem o calor, mas o elastômero energizador subjacente normalmente é o elo mais fraco.

Por Que a Direção de Instalação é Tão Importante para uma Vedação em Degrau?

O perfil simétrico de um Anel Glyd significa que é praticamente impossível instalá-lo incorretamente; ele vedará da mesma maneira, independentemente da orientação. Já o perfil escalonado e assimétrico de uma Vedação em Degrau é exatamente o oposto: ela foi projetada especificamente para vedar em apenas uma direção, e sua instalação invertida faz com que o lado de baixa pressão da vedação fique voltado para o óleo sob pressão que deveria conter.

Uma Vedação em Degrau instalada na orientação incorreta pode parecer funcionar brevemente, pois o anel O energizador ainda fornece alguma força de vedação; contudo, normalmente falhará muito antes do fim de sua vida útil nominal e pode falhar de modo que o dano se assemelhe exatamente ao desgaste comum — razão pela qual a orientação de instalação deve ser verificada duas vezes, conforme as instruções de montagem do fabricante, sempre que uma vedação de haste for substituída, e não simplesmente presumida com base na forma da ranhura.

As juntas de passo também possuem uma característica documentada de vazamento dependente da pressão, que vale a pena conhecer antes de diagnosticar uma delas como "falhada". Pesquisas clássicas sobre o comportamento das juntas de passo descrevem quatro zonas à medida que a pressão do sistema aumenta: uma zona sub-selante, em pressão muito baixa (aproximadamente 0 a 0,6 MPa), onde o vazamento é desprezível; uma zona de instabilidade (aproximadamente 0,6 a 1,5 MPa), onde o anel deslizante pode flutuar momentaneamente e o atrito cai para um mínimo local, aumentando temporariamente o vazamento interno, embora nada tenha realmente falhado; uma zona de vedação normal (aproximadamente 3 a 32 MPa, conforme o projeto), que abrange a maior parte das pressões operacionais reais, onde o desempenho de vedação é bom e estável; e uma zona de falha de vedação acima da pressão nominal da junta, onde a vedação se deteriora definitivamente. Como a zona instável situa-se bem abaixo da pressão de trabalho normal na maioria dos cilindros, raramente causa problemas na prática; contudo, projetos que precisam atravessá-la — por exemplo, durante a elevação lenta da pressão — às vezes o fazem intencionalmente de forma rápida ou combinam uma junta de passo com uma segunda junta de tipo diferente, de modo que suas faixas de pressão instáveis não se sobreponham. Essa é uma das razões pelas quais kits de vedação multicompontentes, em vez de um único anel, são a especificação habitual para uma posição de vedação de haste.

Foto 3: Orientação da instalação da vedação em degrau .

Como Escolher a Vedação Glyd ou Vedação em Degrau de Substituição Adequada?

Com a falha confirmada, três fatores determinam a vedação de substituição adequada:

• Correspondência dimensional exata ao diâmetro interno do cilindro ou ao diâmetro do êmbolo e ao perfil da ranhura, pois as vedações Glyd e as vedações em degrau são dimensionadas e perfiladas especificamente para cada projeto de cilindro.
• Um composto de PTFE e um material para o anel-elastômero de energização adequados às cargas, velocidades e fluido hidráulico da aplicação, detalhados mais adiante num artigo complementar sobre os materiais utilizados nessas vedações.
• Aquisição de um par combinado (anel de PTFE mais anel-elastômero de energização), em vez de misturar componentes de diferentes fornecedores, pois as duas peças são projetadas para funcionar em conjunto com um ajuste e uma pré-carga específicas.

Foto 4: Disposição do kit de vedação de substituição antes da instalação

Onde Você Pode Adquirir Vedações de Substituição Confiáveis?

Como as dimensões dos anéis Glyd Ring e Step Seal são específicas para cada diâmetro interno ou externo do cilindro e para o projeto da ranhura, a aquisição depende de encontrar um fornecedor capaz de corresponder exatamente às dimensões exigidas e recomendar uma combinação adequada de PTFE e anel O para a aplicação, em vez de uma peça de tamanho genérico.

A Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, fabricante chinesa de vedação fundada em 2013, produz componentes de vedação em PU, borracha e PTFE, incluindo selos de pistão e selos de haste do tipo Glyd Ring e Step Seal utilizados em cilindros hidráulicos em equipamentos para perfuração de rochas, construção civil e escavadeiras, e afirma oferecer suporte técnico gratuito para ajudar a confirmar as dimensões corretas e a combinação de materiais adequada para um determinado cilindro antes do pedido.

Se você não tiver certeza de qual vedação seu cilindro necessita, fornecer ao fornecedor os diâmetros do furo e da haste do cilindro, as dimensões da ranhura e suas condições operacionais típicas (pressão, velocidade, tipo de fluido hidráulico e temperatura) é o método mais confiável para obter uma vedação que se encaixe adequadamente e desempenhe conforme esperado, pois o fornecedor poderá comparar esses dados com projetos conhecidos de cilindros.

Foto 5: Kit de vedação embalado para envio

1. Dai L. “Otimização e investigação experimental do desempenho de vedação de anéis Glyd hidráulicos alternados.” Dissertação de mestrado, Universidade Jiangnan, 2025.
2. Yao S. “Análise das características de vedação de anéis em degrau.” Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. “Método de cálculo da vida útil de anéis Glyd utilizados em pistões de cilindros hidráulicos.” Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. "Oitenta anos de pesquisa sobre vedação hidráulica alternada: revisão dos estudos tribológicos e temas relacionados desde a década de 1930." Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.