Из какого материала изготавливаются уплотнительные кольца Glyd Ring и ступенчатые уплотнения? Пояснение композитов на основе ПТФЭ

Кольцо Glyd или ступенчатое уплотнение на самом деле состоит из двух материалов, работающих совместно: жёсткого износостойкого кольца из ПТФЭ и резинового элемента-энергизатора под ним. О-кольцо большая часть обсуждений, посвящённых таким уплотнениям, сосредоточена на их форме, однако конкретный компаунд ПТФЭ и материал О-образного кольца, выбранные для конкретного применения, оказывают не меньшее влияние на реальный срок службы уплотнения. В этой статье рассматриваются состав этих компаундов, причины добавления наполнителей в чистый ПТФЭ, а также подходы к выбору материала для конкретного гидроцилиндра.

Из какого материала изготавливаются кольцо Glyd или ступенчатое уплотнение?

Износостойкое кольцо в обоих типах уплотнений изготавливается из ПТФЭ (политетрафторэтилена), почти всегда модифицированного наполнителем, а не используемого в чистом, ненаполненном виде. Резиновый элемент-энергизатор в виде О-образного кольца представляет собой отдельный традиционный эластомер — обычно НБР, ГНБР или ФКМ — который выбирается независимо от компаунда ПТФЭ на основе рабочей гидравлической жидкости и температурных условий эксплуатации уплотнения.

Почему для износостойкого кольца используется ПТФЭ вместо резины?

ПТФЭ обладает необычным сочетанием свойств, делающим его идеальным материалом для скользящих износостойких колец: очень низкий коэффициент трения, минимальное проявление эффекта залипания-проскальзывания (рывковое, неравномерное движение, возникающее при слишком большом различии между статическим и динамическим коэффициентами трения у уплотнения), высокая химическая стойкость к широкому спектру агентов и большой рабочий диапазон температур. Ни один из распространённых резиновых компаундов не обеспечивает такого же сочетания низкого трения и износостойкости при непрерывном скольжении — именно такую нагрузку испытывает поршень или валовое уплотнение опыты.

Компромисс заключается в том, что чистый ПТФЭ обладает относительно низкой стойкостью к абразивному износу и может деформироваться (ползучесть) под длительной нагрузкой; поэтому в уплотнениях Glyd Rings и Step Seals почти всегда применяются модифицированные компаунды ПТФЭ, а не первичный (ненаполненный) ПТФЭ.

Фото1: Композит на основе наполненного ПТФЭ: частицы наполнителя в матрице ПТФЭ

Что означает термин «наполненный ПТФЭ» и почему это важно?

Наполненный ПТФЭ — это обычный ПТФЭ-смола с добавлением вторичного компонента, обычно бронзы, углерода, графита или стекловолокна, иногда в комбинации, для улучшения свойств, в которых ненаполненный ПТФЭ уступает. Наполнение, как правило, повышает износостойкость, сопротивление ползучести под нагрузкой и теплопроводность, сохраняя при этом большую часть низкого коэффициента трения и химической стойкости ПТФЭ. Конкретный наполнитель и его массовая доля подбираются в соответствии с ожидаемой нагрузкой, скоростью и условиями эксплуатации уплотнения, поэтому термин «уплотнение из ПТФЭ» сам по себе не даёт полного представления о составе конкретного уплотнения Glyd Ring или Step Seal.

Для чего подходит ПТФЭ с бронзовым наполнителем?

Бронза обычно добавляется в относительно высокой концентрации — обычно в диапазоне 40–60 % по массе — и придаёт наполненному ПТФЭ наилучшую в целом стойкость к износу и способность выдерживать нагрузки среди распространённых наполнителей, а также хорошую теплопроводность, которая способствует отводу тепла от зоны скольжения. Компромисс заключается в снижении химической стойкости по сравнению с ненаполненным ПТФЭ и в меньшей пригодности там, где электропроводность может вызывать проблемы, поскольку бронзовый наполнитель делает компаунд проводящим.

ПТФЭ, наполненный бронзой, часто выбирают для уплотнений Glyd Rings и Step Seals, работающих при повышенных нагрузках или давлениях, когда важнее стойкость к износу и размерная стабильность под нагрузкой, чем запас химической стойкости компаунда.

Фото 2: образец уплотнения из ПТФЭ, наполненного бронзой, по сравнению с ненаполненным ПТФЭ

Для чего подходит ПТФЭ, наполненный углеродом или графитом?

Наполнитель на основе углерода, как правило, добавляемый в количестве примерно 10–35 % по массе, повышает износостойкость и сопротивление деформации под нагрузкой, практически не снижая химическую стойкость ПТФЭ, в отличие от бронзового наполнителя. Графит часто добавляют совместно с углеродом или самостоятельно — в меньшей концентрации — главным образом для дальнейшего снижения коэффициента трения и улучшения самосмазывающих свойств; однако графит в чистом виде повышает износостойкость значительно слабее, чем углерод.

Углеродные и углеродно-графитные композиции часто выбирают там, где требуется сохранить химическую стойкость на уровне, близком к стойкости ненаполненного ПТФЭ, или где электропроводность, обеспечиваемая бронзовым наполнителем, нежелательна, но при этом необходима заметно более высокая износостойкость по сравнению с обычным ПТФЭ.

Фото 3: Сравнение уплотнений из ПТФЭ, наполненного углеродом и графитом, и из ПТФЭ, наполненного бронзой

Как эти композиции ПТФЭ соотносятся между собой при прямом сравнении?

В приведённой ниже таблице обобщено общее позиционирование среди распространённых марок наполненного ПТФЭ. Точные эксплуатационные характеристики зависят от массовой доли наполнителя и конкретного состава компаунда, применяемого тем или иным производителем.

Фото 4: Сравнение компаундов уплотнений из наполненного ПТФЭ «бок о бок»

Из какого материала изготовлена энергизаторная пружина O-образного уплотнительного кольца и почему этот выбор также имеет значение?

Уплотнительное кольцо O-образного сечения под кольцом из ПТФЭ представляет собой обычный эластомер, и его материал выбирается по той же логике, что и для любых других гидравлических уплотнительных колец O-образного сечения: NBR — для общего применения в средах минеральных масел при умеренных температурах, HNBR — там, где рабочая температура выше или требуется повышенная стойкость к старению в течение длительного времени, и FKM — там, где приоритетом являются химическая стойкость или высокая непрерывная рабочая температура. Поскольку единственная функция уплотнительного кольца O-образного сечения — обеспечивать постоянное пружинящее усилие для кольца из ПТФЭ, выбор его материала определяется теми же вопросами совместимости с рабочей жидкостью и температурными требованиями, которые рассматриваются при более общих сравнениях материалов уплотнений, а не какими-либо особенностями конструкции Glyd Ring или Step Seal.

Следует рассматривать этот выбор как действительно отдельное решение по сравнению с выбором компаунда ПТФЭ: комплект для тюленей даже при использовании превосходного кольца из ПТФЭ с наполнителем в виде бронзы отказ может произойти преждевременно, если уплотнительное кольцо O-образного сечения, выполняющее функцию энергизатора, плохо совместимо с используемой гидравлической жидкостью — в этом случае разрушение происходит со стороны энергизатора, а не износоустойчивого кольца.

Как температура влияет на эксплуатационные характеристики уплотнения из ПТФЭ?

Сам по себе ПТФЭ обладает необычно широким рабочим диапазоном температур и хорошо выдерживает нагрев, превышающий возможности большинства резиновых компаундов; поэтому износостойкое кольцо из ПТФЭ редко является компонентом, ограничивающим температурный режим в уплотнении Glyd Ring или Step Seal. В подавляющем большинстве случаев первым достигает своего предельного температурного значения энергизатор в виде O-образного кольца, расположенный под ним. Это означает, что эффективный верхний температурный предел уплотнения, как правило, определяется выбором материала O-образного кольца (NBR, HNBR или FKM), а не составом ПТФЭ.

Это полезный практический приём при диагностике отказов уплотнений, вызванных высокой температурой: если уплотнение Glyd Ring или Step Seal выходит из строя в условиях высокотемпературной эксплуатации, первым объектом проверки, как правило, становится энергизатор в виде O-образного кольца, даже несмотря на то, что кольцо из ПТФЭ является наиболее заметной частью сборки.

Как выбор наполнителя влияет на коэффициент трения и ресурс на износ?

Выбор наполнителя в конечном счете представляет собой компромисс между коэффициентом трения, износостойкостью и химической стойкостью: улучшение одного параметра обычно достигается за счёт некоторого ухудшения другого. Бронза обеспечивает наилучшую износостойкость и грузоподъёмность, но приводит к наибольшему снижению химической стойкости. Графит наиболее эффективно снижает трение, однако сам по себе вносит минимальный вклад в износостойкость. Углерод занимает промежуточное положение: он значительно повышает износостойкость, сохраняя при этом химическую стойкость близкой к стойкости ненаполненного ПТФЭ. Комбинированные наполнители, например углерод в смеси с графитом, применяются часто именно потому, что позволяют достичь части преимуществ каждого компонента, не делая полного выбора в пользу одного из компромиссов.

На практике для применений с высокой скоростью и высокой нагрузкой предпочтительными материалами являются бронзовые или углеродно-графитовые композиции благодаря их износостойкости, тогда как в случаях, когда основную угрозу представляет химическое воздействие — нестандартные гидравлические жидкости или жидкости, реагирующие с бронзой, — предпочтение отдаётся наполнителям на основе углерода или графита.

Исследования, направленные специально на прогнозирование срока службы уплотнения Glyd Ring, объединили эмпирическую формулу износа ПТФЭ с механической моделью уплотнения и моделью утечки, в результате чего была получена формула скорости износа в общем виде:

δω′ = k · Fa · Vb · tc = 6,2×10⁻¹⁷ · F⁰,⁴ · V¹,⁰⁹ · t⁻⁰,⁰² (1)

где Δω′ — объёмная скорость износа, F — сила контакта между кольцом износа и сопряжённой поверхностью, V — скорость скольжения, а t — время работы; показатели степени получены в результате испытаний композитных материалов на основе ПТФЭ. В этой конкретной аппроксимации обращают на себя внимание два обстоятельства: скорость износа пропорциональна скорости скольжения приблизительно в первой степени (почти линейная зависимость, являющаяся самым сильным отдельным фактором в формуле), тогда как её зависимость от силы контакта сравнительно слаба, и после начала работы она практически не зависит от времени. Практическое следствие заключается в том, что скорость цилиндра оказывает чрезмерно сильное влияние на срок службы кольца износа по сравнению с нагрузкой — в большей степени, чем можно было бы предположить, исходя лишь из интуитивного представления о статическом контактном давлении.

В сочетании с моделью утечки через остаточный зазор вокруг износостойкого кольца — который ведёт себя как течение через узкий концентрический зазор, обусловленное частично перепадом давления на нём и частично увлекающим движением подвижной поверхности — такая формула скорости износа позволяет конструкторам рассчитать в обратном порядке: от допустимой скорости утечки — к максимальному допустимому объёму износа, а оттуда — к расчётному сроку службы. В одном опубликованном примере расчёта, выполненном по данному методу, для Glyd Ring, установленного с определённым предварительным сжатием уплотнительного кольца O-образного сечения и работающего при давлении 28 МПа и скорости возвратно-поступательного движения 0,1 м/с, был получен расчётный срок службы порядка 2 миллионов секунд (нескольких лет типовой эксплуатации); тот же метод показал увеличение срока службы при корректировке предварительного сжатия уплотнительного кольца O-образного сечения — наглядная иллюстрация того, почему состояние и правильность установки уплотнительного кольца O-образного сечения как источника энергии, а не только состав ПТФЭ, напрямую влияют на расчёт срока службы.

Как выбрать подходящий компаунд ПТФЭ для вашей задачи?

Поскольку выбор правильного наполнителя зависит от совокупности факторов — нагрузки, скорости, температуры и химического состава гидравлической жидкости — а не от какого-либо одного параметра, наиболее надёжный подход заключается в том, чтобы описать реальные условия эксплуатации цилиндра поставщику уплотнений, а не предполагать, что универсальное «уплотнение из ПТФЭ» будет одинаково эффективно независимо от типа наполнителя. Если известен артикул существующего уплотнения или техническая спецификация производителя, в ней, как правило, указан тип наполнителя; если же такая информация отсутствует, поставщик, знакомый с областью применения цилиндра, обычно может порекомендовать подходящий компаунд на основе описанных условий эксплуатации.

Как и в случае любой комбинации износостойкого кольца и энергизатора, важно подтверждать совместимость как наполнителя ПТФЭ, так и эластомера O-образного кольца — вместо того чтобы сосредоточиться только на одном компоненте и считать второй стандартным по умолчанию. Такой комплексный подход даёт более полное представление о том, действительно ли выбранное заменяющее уплотнение соответствует конкретной задаче.

Фото 5: Техник проверяет компаунд ПТФЭ

1. 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.
2. Dai L. «Оптимизация и экспериментальное исследование герметизирующих характеристик гидравлического возвратно-поступательного уплотнения Glyd Ring». Дипломная работа магистранта, Университет Цзяннань, 2025.
3. 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.