Уплотнительные кольца Glyd Ring и ступенчатые уплотнения в гидроцилиндрах горных буровых установок: принцип работы и выбор замены

За каждой системой подачи, стрелой и другими гидравлическими исполнительными механизмами буровой установки для горных пород скрываются две конструкции уплотнений, которые на первый взгляд выглядят почти одинаково, но выполняют свои функции в разных местах и по разным причинам: уплотнение Glyd Ring и уплотнение Step Seal. Оба сочетают износостойкое кольцо из ПТФЭ с резиновым элементом О-кольцо под ним, и вместе они представляют собой одни из наиболее распространённых поршневых и штоковых уплотнений в современных гидравлических цилиндрах. В этой статье объясняется, как эти компактные уплотнения фактически работают, где именно применяются на буровой установке для горных пород, как определить их отказ и что следует проверить перед заказом замены.

Что такое уплотнения Glyd Ring и Step Seal?

Кольцо Glyd Ring и уплотнение Step Seal — это оба примера того, что в отрасли уплотнений называют компактным уплотнением или уплотнением из ПТФЭ с энергизацией кольцом O-типа: жёсткое низкофрикционное износостойкое кольцо из ПТФЭ, поддерживаемое резиновым кольцом O-типа, которое создаёт предварительное усилие прижатия к сопрягаемой поверхности. Именно кольцо из ПТФЭ контактирует с внутренней поверхностью цилиндра или штоком поршня и обеспечивает герметизацию; расположенный под ним O-образный уплотнитель создаёт эластичное сжатие, которого сам по себе ПТФЭ обеспечить не может, поскольку, в отличие от резины, ПТФЭ не восстанавливает свою форму после сжатия.

Названия «Glyd Ring» и «Step Seal» изначально были товарными знаками производителей, однако сегодня они используются повсеместно в отрасли — так же, как и термин «O-ring», ставший нарицательным. ge lai quan (Glyd ring), при этом si te feng (Step Seal) применяется конкретно для варианта уплотнения штока.

В чём разница между Glyd Ring и Step Seal?

Эти два уплотнения предназначены для противоположных задач в одном и том же цилиндре. Уплотнение Glyd Ring имеет симметричный прямоугольный профиль, что обеспечивает одинаково эффективное уплотнение независимо от того, с какой стороны приложено давление — именно это требуется уплотнение поршня гидроцилиндру валовое уплотнение поскольку гидравлическое давление попеременно действует на обе стороны поршня при выдвижении и втягивании цилиндра. Уплотнение Step Seal имеет асимметричный ступенчатый профиль, рассчитанный на герметизацию только в одном направлении, что соответствует реальной задаче

Уплотнения штока: удерживать масло под давлением внутри цилиндра при перемещении штока вперёд и назад. Простой способ запомнить различие: уплотнение Glyd Ring устанавливается на поршне (уплотнение полости цилиндра, двунаправленное), а уплотнение Step Seal — на штоке (уплотнение штока, одностороннее). Оба типа используют одинаковую базовую конструкцию из ПТФЭ и уплотнительного кольца (O-образного кольца), поэтому их часто рассматривают совместно, несмотря на то, что они занимают разные позиции в одном и том же цилиндре.

Изображение 1: Сравнение профилей уплотнений Glyd Ring и Step Seal

Как уплотнительное кольцо (O-образное кольцо) обеспечивает герметичность уплотнения из ПТФЭ?

ПТФЭ ценится в уплотнениях благодаря очень низкому коэффициенту трения и превосходной химической и износостойкости, однако сам по себе он практически не обладает эластической памятью: после сжатия он остаётся сжатым, а не восстанавливает исходную форму для поддержания контактного давления. Резиновое уплотнительное кольцо (O-образное кольцо), расположенное за кольцом из ПТФЭ, решает эту проблему, выполняя функцию пружины: оно постоянно толкает кольцо из ПТФЭ наружу (в случае уплотнения Glyd Ring в гнезде корпуса) или внутрь (в случае уплотнения штока), обеспечивая плотный контакт износостойкого кольца с движущейся поверхностью даже по мере того, как ПТФЭ постепенно изнашивается.

Такое разделение функций определяет характерное поведение компактных уплотнений: скользящая поверхность из ПТФЭ с низким трением и низким эффектом залипания-скольжения в сочетании со способностью O-образного кольца постоянно корректировать силу контакта уплотнения при изменении зазоров и постепенном износе износостойкого кольца. Потеря функции O-образного кольца — например, вследствие его собственной деградации — приводит к отказу уплотнения, даже если кольцо из ПТФЭ внешне остаётся неповреждённым.

Основное испытание, которое должен пройти любой такой уплотнитель при любом рабочем давлении, заключается в том, что контактное давление между кольцом из ПТФЭ и подвижной поверхностью должно оставаться выше давления жидкости, которую он удерживает. Исследования уплотнителей Glyd Ring методом конечных элементов подтверждают это напрямую: пиковое контактное давление возрастает одновременно с давлением жидкости и остаётся выше него во всём исследованном диапазоне — именно это условие предотвращает утечку уплотнителя. Те же исследования также показывают, насколько чувствительна работа уплотнителя к его точному профилю: в одном систематическом исследовании оптимальная герметичность при высоком давлении достигалась лишь в довольно узких геометрических пределах — порядка нескольких десятых миллиметра по радиусу кромки и нескольких градусов по боковому углу уплотнителя. Именно поэтому профили Glyd Ring и Step Seal нельзя приближать по внешнему виду с помощью аналогичных деталей.

Также следует понимать, что возвратно-поступательное уплотнение не является идеальным барьером, полностью исключающим утечки, даже при работе в строгом соответствии с проектными требованиями — это важно учитывать при оценке того, представляет ли незначительное просачивание жидкости вдоль штока реальную проблему. Теория смазки, основанная на уравнении Рейнольдса и используемая для моделирования тонкой жидкостной пленки между кромкой уплотнения и движущейся поверхностью, показывает, что при каждом ходе возвратно-поступательного уплотнения часть жидкости выносится наружу, а при обратном ходе — возвращается внутрь; суммарная утечка за цикл пропорциональна разнице между толщинами этих двух пленок, которая, в свою очередь, зависит от градиента давления со стороны жидкости и со стороны воздуха в каждой из крайних точек хода. Профиль уплотнения, спроектированный так, чтобы увеличить градиент давления со стороны жидкости и уменьшить его со стороны воздуха, обеспечит возврат большего объема жидкости, чем ее выход наружу, приближая суммарную утечку за полный цикл к нулю; некорректно подобранный профиль даст противоположный результат. Именно это положение теории объясняет, почему незначительные изменения профиля, измеряемые десятыми долями миллиметра и упомянутые выше, могут оказывать чрезмерно сильное влияние на измеряемую утечку.

Где на установках для бурения горных пород используются уплотнения типа Glyd Ring и Step Seal?

На установке для бурения горных пород уплотнения типа Glyd Ring и Step Seal чаще всего применяются в гидравлических исполнительных цилиндрах, перемещающих оборудование вокруг самого бура, а не внутри ударного механизма блока бура: в подающих цилиндрах, продвигающих и отводящих бур вдоль направляющей рейки; в цилиндрах стрелы и поворота, позиционирующих бур над скважиной; а также в аналогичных исполнительных цилиндрах в других местах несущей платформы. Эти цилиндры работают в режиме двустороннего действия с переменным давлением — именно для такого режима уплотнения Glyd Ring и Step Seal и были разработаны.

Поскольку подающие цилиндры, в частности, постоянно циклируют в течение смены бурения и функционируют в пыльной среде с обилием загрязнений, их поршневые и штоковые уплотнения относятся к числу наиболее часто заменяемых изнашиваемых компонентов на стороне установки при бурении горных пород — в отличие от изнашиваемых деталей ударной стороны, таких как диафрагма аккумулятора или чашечное уплотнение, о которых говорится в других разделах.

Что происходит при выходе из строя кольца Glyd или уплотнения типа Step?

Когда изнашивается фторопластовое уплотнительное кольцо или теряет эластичность уплотнительное кольцо-энергизатор типа O-ring, уплотнение больше не способно поддерживать достаточное контактное давление на поверхности гильзы или штока для удержания гидравлического давления. Практическим результатом становится внутренняя утечка через поршень (проявляется в потере цилиндром удерживающего усилия или его смещении под нагрузкой) либо внешняя утечка через уплотнение штока (видимое просачивание масла в области штока, особенно после простоя цилиндра под давлением).

Поскольку фторопластовое кольцо и кольцо-энергизатор типа O-ring могут выйти из строя независимо друг от друга — затвердевшее или потрескавшееся кольцо O-ring может вывести из строя в остальном исправное фторопластовое кольцо, а изношенное фторопластовое кольцо может подвергнуть прямому износу в остальном здоровое кольцо O-ring — замена комплекта уплотнений, как правило, предусматривает одновременную замену обоих компонентов, а не их отдельное обслуживание как запасных частей.

Фото 2: Изношенное фторопластовое уплотнение и уплотнительное кольцо-энергизатор типа O-ring

Как определить, что уплотнение вашего цилиндра вышло из строя?

Неисправность кольца Glyd Ring или уплотнения типа Step Seal обычно проявляется одним или несколькими из следующих признаков:

• Цилиндр теряет удерживающее усилие или ползёт под нагрузкой, хотя должен оставаться неподвижным.
• Видимая утечка масла в области уплотнения штока, особенно заметная после простоя оборудования под давлением.
• Замедленное или менее стабильное перемещение цилиндра, особенно в начале хода.
• Загрязнение или изменение цвета гидравлического масла вследствие выхода из строя очистительного уплотнения (wiper seal), которое больше не препятствует проникновению пыли и посторонних частиц.
• Цилиндр ощущается «мягким» или теряет точность позиционирования — признак внутреннего перетекания масла через уплотнение поршня.

В таблице ниже эти симптомы сопоставлены с наиболее вероятными причинами и логичной первой проверкой.

Что вызывает преждевременный износ этих уплотнений?

Несколько условий значительно сокращают срок службы уплотнений Glyd Rings и ступенчатых уплотнений по сравнению с их расчётным потенциалом:

• Загрязнённое гидравлическое масло с абразивными частицами, которое ускоряет износ скользящей поверхности кольца из ПТФЭ.
• Цилиндрический корпус или шток с царапинами, ямками или коррозией — ПТФЭ-кольцо не может полностью компенсировать такие дефекты, независимо от качества его посадки.
• Материал уплотнительного кольца-энергизатора, несовместимый с используемой гидравлической жидкостью, что приводит к его набуханию, затвердеванию или потере эластичности быстрее ожидаемого срока.
• Неправильная установка, особенно монтаж ступенчатого уплотнения в неверной ориентации, что с самого начала делает бессмысленной его одностороннюю уплотнительную конструкцию.
• Длительное воздействие высокой температуры за пределами номинального диапазона для уплотнительного кольца-энергизатора: само кольцо из ПТФЭ хорошо переносит нагрев, однако резиновый энергизатор под ним обычно является наиболее слабым звеном.

Почему направление установки уступчатого уплотнения имеет такое большое значение?

Симметричный профиль кольца Glyd Ring означает, что его практически невозможно установить в обратном направлении: оно обеспечивает герметичность одинаково независимо от ориентации. Уступчатое асимметричное исполнение уступчатого уплотнения — это прямо противоположная ситуация: оно специально разработано для герметизации в одном направлении, и при обратной установке сторона уплотнения, рассчитанная на низкое давление, оказывается обращённой к маслу под давлением, которое оно должно удерживать.

Уступчатое уплотнение, установленное в неправильном направлении, может кратковременно казаться работоспособным, поскольку энергизатор в виде O-образного кольца по-прежнему создаёт некоторое усилие уплотнения; однако оно, как правило, выходит из строя задолго до окончания расчётного срока службы и может разрушиться так, что повреждение будет выглядеть идентично обычному износу — именно поэтому при замене уплотнения штока необходимо дважды свериться с инструкциями производителя по монтажу, а не полагаться лишь на форму паза.

Уплотнения типа Step Seal также обладают задокументированной, зависящей от давления характеристикой утечки, о которой следует знать перед тем, как считать такое уплотнение «неисправным». Классические исследования поведения уплотнений Step Seal описывают четыре зоны по мере роста системного давления: зону ниже порога уплотнения при очень низком давлении (примерно от 0 до 0,6 МПа), где утечка пренебрежимо мала; зону нестабильности (примерно от 0,6 до 1,5 МПа), в которой направляющее кольцо может на мгновение «всплыть», а трение падает до локального минимума, что временно увеличивает внутреннюю утечку, хотя фактических отказов ещё нет; зону нормального уплотнения (примерно от 3 до 32 МПа — в зависимости от конструкции), охватывающую большинство реальных рабочих давлений, где эффективность и стабильность уплотнения высоки; и зону отказа уплотнения при давлении выше номинального для данного уплотнения, когда уплотнение окончательно теряет работоспособность. Поскольку зона нестабильности расположена значительно ниже обычного рабочего давления в большинстве цилиндров, на практике она редко вызывает проблемы. Однако в конструкциях, которым необходимо проходить через эту зону — например, при медленном нарастании давления — иногда намеренно осуществляют быстрый переход через неё или комбинируют уплотнение Step Seal с другим типом уплотнения так, чтобы их зоны нестабильности не перекрывались. Именно поэтому комплекты уплотнений из нескольких компонентов, а не одиночное кольцо, являются стандартным решением для уплотнения штока.

Фото 3: Ориентация установки уплотнения типа Step Seal .

Как выбрать подходящее заменяющее уплотнение Glyd Ring или Step Seal?

После подтверждения отказа правильный выбор замены определяется тремя факторами:

• Точное соответствие размеров диаметру цилиндрического отверстия или штока и профилю канавки, поскольку уплотнения Glyd Ring и Step Seal имеют строго определённые размеры и профиль, специально разработанные для каждой конструкции цилиндра.
• Компаунд на основе ПТФЭ и материал энергизатора в виде кольца O-типа, соответствующие нагрузке, скорости и гидравлической жидкости в конкретном применении; подробнее эти материалы описаны в сопутствующей статье об используемых в таких уплотнениях материалах.
• Приобретение комплекта из согласованных компонентов (кольцо из ПТФЭ плюс энергизатор), а не смешивание деталей от разных поставщиков, поскольку оба элемента спроектированы для совместной работы при строго определённой посадке и предварительной нагрузке.

Фото 4: Раскладка комплекта заменяемых уплотнений перед установкой

Где можно приобрести надёжные заменяющие уплотнения?

Поскольку размеры уплотнительных колец Glyd Ring и Step Seal специфичны для каждого цилиндра и зависят от диаметра его гильзы или штока, а также от конструкции канавки, поиск поставщика сводится к нахождению компании, способной обеспечить точное соответствие заданным размерам и порекомендовать подходящую комбинацию из ПТФЭ и уплотнительного кольца типа O-ring для конкретного применения, а не к приобретению детали стандартных размеров.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd — китайский производитель уплотнений, основанный в 2013 году; выпускает уплотнительные элементы из полиуретана (PU), резины и ПТФЭ, включая поршневые и штоковые уплотнения типов Glyd Ring и Step Seal, применяемые в гидравлических цилиндрах горно-бурового, строительного и экскаваторного оборудования; компания заявляет, что предоставляет бесплатную техническую поддержку для подтверждения правильных размеров и сочетания материалов для конкретного цилиндра до размещения заказа.

Если вы не уверены, какое уплотнение требуется вашему цилиндру, наиболее надёжный способ подобрать уплотнение, соответствующее требованиям и обеспечивающее ожидаемую производительность, — это предоставить поставщику диаметры гильзы и штока цилиндра, размеры канавок, а также типичные условия эксплуатации (давление, скорость, тип гидравлической жидкости и температура), чтобы он мог сопоставить их с известными конструкциями цилиндров.

Фото 5: Комплект уплотнений, упакованный для отправки

1. Dai L. «Оптимизация и экспериментальное исследование герметизирующих характеристик гидравлического возвратно-поступательного уплотнения Glyd Ring». Дипломная работа магистранта, Университет Цзяннань, 2025.
2. Yao S. «Анализ герметизирующих характеристик ступенчатого уплотнения». Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, № 5: 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. «Метод расчёта срока службы уплотнений Glyd Ring, применяемых в поршнях гидравлических цилиндров». Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, т. 36, № 4: 362–367.
4. Никас Г. К. «Восемьдесят лет исследований гидравлических возвратно-поступательных уплотнений: обзор трибологических исследований и смежных тем с 1930-х годов». Труды Института инженеров-механиков, часть J: Журнал инженерной трибологии, 2010 г., том 224, № 1: с. 1–23.