Tesniace krúžky Glyd Ring a Step Seal v hydraulických valcoch pre vŕtacie stroje na horninu: princíp fungovania a výber náhradného dielu

Za každým hydraulickým vŕtacím zariadením, jeho príslušným zariadením na posúvanie, ramenom a inými hydraulickými aktuátormi sa nachádzajú dva typy tesnení, ktoré na prvý pohľad vyzerajú takmer identicky, ale plnia svoje úlohy na rôznych miestach a z rôznych dôvodov: tesnenie Glyd Ring a tesnenie Step Seal. Obe kombinujú odolný PTFE kruh s gumou O-ring pod ním a spoločne patria medzi najpoužívanejšie piestové a tyčové tesnenia v moderných hydraulických valcoch. Tento článok vysvetľuje, ako tieto kompaktné tesnenia skutočne fungujú, kde sa používajú v hydraulických vŕtacích zariadeniach, ako rozpoznať ich poruchu a čo skontrolovať pred objednávkou náhradného dielu.

Čo sú tesnenia Glyd Ring a Step Seal?

Glyd Ring a Step Seal sú obidva príklady toho, čo priemysel tesnení nazýva kompaktné tesnenie alebo O-krúžkom aktivované PTFE tesnenie: tuhý, nízkotrecí PTFE opotrebovateľný krúžok podopretý gumovým O-krúžkom, ktorý ho predpína proti protiležiacej ploche. PTFE krúžok je ten, ktorý sa v skutočnosti dotýka valcového vývrtu alebo piestneho tyče a zabezpečuje tesnenie; O-krúžok pod ním poskytuje pružné stlačenie, ktoré PTFE samo o sebe nedokáže zabezpečiť, pretože PTFE sa po stlačení nevracia do pôvodného tvaru tak, ako to robí guma.

Názvy „Glyd Ring“ a „Step Seal“ vznikli ako ochranné známky výrobcov, no dnes sa používajú v celom priemysle rovnako ako samotný výraz „O-ring“, ktorý sa stal všeobecným označením. glyd ring (Glyd ring), pričom step Seal (Step Seal) sa používa špecificky pre variant tesnenia tyče.

Aký je rozdiel medzi Glyd Ring a Step Seal?

Tieto dva typy tesnení sú navrhnuté na opačné úlohy v rovnakom valci. Glyd Ring má symetrický obdĺžnikový profil, ktorý umožňuje rovnako účinné tesnenie bez ohľadu na to, z ktorej strany pôsobí tlak – presne to, čo potrebuje pečiatka pístu pretože hydraulický tlak striedavo pôsobí na obe strany piesta počas vysúvania a zasúvania valca. Step Seal má asymetrický, stupňovitý profil, ktorý je navrhnutý na tesnenie len v jednom smere, a je prispôsobený skutočnej úlohe pečiatka valca – udržiavať tlakový olej vo vnútri valca počas pohybu tyče dovnútra a von.

Jednoduchý spôsob, ako si rozdiel zapamätať: Glyd Ring sa montuje na piest (tesnenie vplyvu, obojsmerné tesnenie) a Step Seal sa montuje na tyč (tesnenie tyče, jednosmerné tesnenie). Oba typy využívajú rovnakú základnú konštrukciu z PTFE a O-krúžku, preto sa často diskutujú spoločne, hoci plnia rôzne funkcie v rovnakom valci.

Obrázok 1: Porovnanie profilov Glyd Ring a Step Seal

Ako O-krúžkový energizátor umožňuje PTFE tesneniu skutočne tesniť?

PTFE sa cení pre tesnenie vďaka veľmi nízkej treniu a vynikajúcej odolnosti voči chemikáliám a opotrebovaniu, avšak samotný materiál prakticky nemá žiadnu elastickú pamäť: po stlačení zostáva stlačený a nevracia sa do pôvodného tvaru, aby udržal kontaktový tlak. Gumové O-krúžky umiestnené za PTFE krúžkom tento problém riešia tak, že pôsobia ako pružina: neustále tlačia PTFE krúžok von (pre Glyd Ring v drážke v telese) alebo dnu (pre usporiadanie tesniaceho krúžku na hriade), čím udržiavajú opotrebovateľný krúžok v pevnom kontakte s pohybujúcim sa povrchom, aj keď sa PTFE postupne opotrebuje.

Toto rozdelenie úloh určuje charakteristické správanie kompaktných tesnení: nízke trenie a nízka tendencia k lepeniu pri posúvaní PTFE povrchu v kombinácii s možnosťou O-krúžku neustále upravovať kontaktnú silu tesnenia pri zmenách medzier a postupnom opotrebovaní opotrebovateľného krúžku. Stratou funkcie O-krúžku – napríklad v dôsledku jeho vlastného degradovania – dochádza k zlyhaniu tesnenia, aj keď môže PTFE krúžok stále vyzerat nepoškodený.

Základným testom, ktorý musí takéto tesnenie pri akejkoľvek prevádzkovej tlakovej úrovni absolvovať, je požiadavka, aby tlak kontaktu medzi PTFE krúžkom a pohybujúcim sa povrchom zostal vyšší ako tlak kvapaliny, ktorú má zadržiavať. Štúdie metódou konečných prvkov tesnení Glyd Ring to priamo potvrdzujú: maximálny kontaktový tlak stúpa spolu s tlakom kvapaliny a v celom testovanom rozsahu zostáva nad týmto tlakom – práve táto podmienka zabraňuje úniku. Tieto štúdie tiež ukazujú, aký citlivý je výkon tesnenia na jeho presný profil – v jednej systematickej štúdii sa najlepší výkon tesnenia pri vysokom tlaku dosiahol len v pomerne úzkom geometrickom rozsahu, a to v poradí desatín milimetra v polomere okraja a niekoľkých stupňov v bočnom uhle tesnenia – preto profily Glyd Ring a Step Seal nie je možné nahradiť približným kusom s podobným vzhľadom.

Stojí tiež za poznania, že vratné tesnenie nie je dokonalou bariérou bez úniku, ani keď funguje presne tak, ako bolo navrhnuté – čo je dôležité pri posudzovaní, či malé množstvo kvapkania na tyči je skutočne problém. Teória mazania založená na Reynoldsovej rovnici, ktorá sa používa na modelovanie tenkého kvapalinového filmu medzi okrajom tesnenia a pohybujúcim sa povrchom, ukazuje, že vratné tesnenie prenáša kvapalinový film von po jednom zdvihu a po návratovom zdvihu ho späť vnútorne; celkový únik za jeden cyklus je úmerný rozdielu medzi týmito dvoma hrúbkami filmu, čo zase závisí od gradientu tlaku na strane kvapaliny oproti strane vzduchu na každom konci zdvihu. Profil tesnenia navrhnutý tak, aby zosilnil gradient tlaku na strane kvapaliny a vyrovnal ho na strane vzduchu, vráti viac kvapaliny, než nechá uniknúť, a tak sa približuje k celkovému nulovému úniku po celom cykle; naopak, zle prispôsobený profil dosahuje opačný efekt. Toto je súčasť teoretického základu, prečo malé zmeny profilu merané v desatinách milimetra, o ktorých sa hovorilo vyššie, môžu mať nadmerný vplyv na nameraný únik.

Kde sa na zariadeniach na vŕtanie hornín používajú tesniace krúžky Glyd a stupňové tesnenia?

Na zariadeniach na vŕtanie hornín sa tesniace krúžky Glyd a stupňové tesnenia najčastejšie nachádzajú v hydraulických pohonných valcoch, ktoré premiestňujú vybavenie okolo samotného vŕtacieho nástroja, nie vo vnútri úderového mechanizmu jednotky na vŕtanie hornín: výživné valce, ktoré posúvajú a vytahujú vŕtačku pozdĺž jej vodidla, valce ramena a otáčania, ktoré umiestňujú vŕtačku nad vŕtaný otvor, a podobné pohonné valce na iných miestach nosnej konštrukcie. Tieto valce sú zaťažené rovnakým dvojsmerným striedavým tlakovým režimom, pre ktorý boli tesniace krúžky Glyd a stupňové tesnenia navrhnuté.

Pretože výživné valce sa počas vŕtacej smeny cyklicky pohybujú neustále a pracujú v prachovom prostredí s veľkým množstvom nečistôt, ich tesnenia piestov a tyčí patria medzi častejšie vymieňané opotrebovateľné súčiastky na strane zariadenia pri vŕtaní hornín, čo je odlišné od opotrebovateľných súčiastok na strane úderového mechanizmu, ako napríklad membrána akumulátora alebo pohárové tesnenie, o ktorých sa hovorí inde.

Čo sa deje, keď zlyhá glydový krúžok alebo stupňové tesnenie?

Keď sa PTFE opotrobovací krúžok úplne opotrebuje alebo keď O-krúžok ako zdroj energie stratí svoju pružnosť, tesnenie už nedokáže udržať dostatočný kontaktový tlak na valcovú dutinu alebo pohyblivý vodič, aby odolalo hydraulickému tlaku. V praxi to má za následok vnútorné netesnosti cez piest (čo sa prejavuje stratou držiacej sily valca alebo jeho posuvom pod zaťažením) alebo vonkajšie netesnosti cez tesnenie vodiča (viditeľné kvapkajúce olejové stopy na vodiči, najmä po tom, čo bol valec nejaký čas nečinný a zároveň pod tlakom).

Pretože PTFE krúžok aj O-krúžok môžu zlyhať nezávisle – ztvrdnutý a prasknutý O-krúžok môže zničiť inak funkčný PTFE krúžok, a naopak, úplne opotrebovaný PTFE krúžok môže vystaviť inak zdravý O-krúžok priamemu opotrebovaniu – výmena kompletu tesnení zvyčajne zahŕňa obidva komponenty naraz, namiesto toho, aby sa považovali za samostatné náhradné diely.

Obrázok 2: Opotrebované PTFE tesnenie a O-krúžok ako zdroj energie

Ako zistíte, či sa u vášho valca porušilo tesnenie?

Zlyhanie Glyd Ringu alebo Step Seal sa zvyčajne prejavuje jedným alebo viacerými z nasledujúcich príznakov:

• Valcový piest stratí udržiavaciu silu alebo sa posúva pod zaťažením, keď by mal zostať na mieste.
• Viditeľná úniková olejová stopa v oblasti tesnenia závodu, najmä po tom, čo stroj stál nečinný pod tlakom.
• Pomalšie alebo menej konzistentné pohyby valca, najmä na začiatku zdvihu.
• Znečistenie alebo zmena farby hydraulického oleja spôsobená poškodeným čistiacim tesnením, ktoré už nedokáže efektívne oddeľovať prach a nečistoty.
• Valcový piest sa cíti „gumovito“ alebo stráca presnosť polohovania, čo sú znaky vnútorného pretekania cez tesnenie piesta.

Nasledujúca tabuľka spája tieto príznaky s pravdepodobnými príčinami a logickou prvou kontrolou.

Čo spôsobuje predčasné opotrebenie týchto tesnení?

Niekoľko podmienok skracuje životnosť tesnení Glyd Rings a Step Seals výrazne pod ich navrhovaný potenciál:

• Znečistený hydraulický olej obsahujúci abrazívne častice, ktoré zrýchľujú opotrebovanie klzného povrchu PTFE kruhového tesnenia.
• Poškodený (napríklad poškrabaný, vyštiepený alebo korodovaný) povrch valcového priestoru alebo pohyblivého hriadeľa, ktorý PTFE kruhové tesnenie nedokáže úplne kompenzovať bez ohľadu na to, ako dobre je umiestnené.
• Materiál napínacieho O-krúžku, ktorý nie je kompatibilný s používanou hydraulickou kvapalinou, čo spôsobuje jeho opuchnutie, ztvrdnutie alebo rýchlejšiu stratу pružnosti, než sa očakáva.
• Nesprávna inštalácia, najmä inštalácia Step Seal v nesprávnom smere, čím sa od začiatku poruší jej jednosmerný tesniaci dizajn.
• Trvalé vysoké teploty nad rozsahom, pre ktorý je napínací O-krúžok určený, keďže samotné PTFE kruhové tesnenie vydrží teplo dobre, ale gumový napínací O-krúžok pod ním je zvyčajne slabším článkom.

Prečo je smer inštalácie tesniaceho kruhového krúžku typu Step Seal tak dôležitý?

Symetrický profil tesniaceho kruhového krúžku typu Glyd Ring znamená, že sa prakticky nedá nainštalovať v opačnom smere; tesní rovnako bez ohľadu na orientáciu. Naopak, stupňovitý, asymetrický profil tesniaceho kruhového krúžku typu Step Seal je špeciálne navrhnutý na tesnenie v jednom smere a jeho inštalácia v opačnom smere spôsobí, že strana tesniaceho kruhového krúžku určená pre nízky tlak bude teraz obrátená k tlakovému oleju, ktorý má zabrániť jeho úniku.

Tesniaci kruhový krúžok typu Step Seal nainštalovaný v nesprávnom smere sa môže na krátku dobu zdať funkčný, pretože O-krúžok ako zdroj energie stále poskytuje určitú tesniacu silu; avšak zvyčajne zlyhá výrazne skôr, než dosiahne svoju deklarovanú životnosť, a môže zlyhať spôsobom, ktorý vyzerá identicky ako bežné opotrebovanie – práve preto je potrebné pri každej výmene tesniaceho kruhového krúžku na hriadeľ dvojnásobne overiť smer inštalácie podľa montážnych pokynov výrobcu a nie sa spoliehať len na tvar drážky.

Krokové tesniace kruhy majú tiež zdokumentovanú, tlakovo závislú charakteristiku úniku, ktorú stojí za to poznať predtým, než sa začne diagnostikovať kruh ako „poruchový“. Klasický výskum správania krokových tesniacich kruhov opisuje štyri zóny pri stúpajúcom systémovom tlaku: podtesniacu zónu pri veľmi nízkom tlaku (približne 0 až 0,6 MPa), kde je únik zanedbateľný; zónu nestability (približne 0,6 až 1,5 MPa), kde sa posuvný kruh môže dočasne „vznášať“ a trenie klesne na lokálne minimum, čo dočasne zvyšuje vnútorný únik, hoci sa v skutočnosti nič nepoškodilo; normálnu tesniacu zónu (približne 3 až 32 MPa, podľa konštrukcie), ktorá pokrýva väčšinu reálnych prevádzkových tlakov a v ktorej je tesniaca výkonnosť dobrá a stabilná; a zónu poruchy tesnenia nad menovitým tlakom tesniaceho kruhu, kde sa tesnenie trvalo rozpadne. Keďže zóna nestability leží väčšinou výrazne pod bežným prevádzkovým tlakom valcov, v praxi zvyčajne nevyvoláva problémy. Avšak konštrukcie, ktoré musia touto zónou prejsť – napríklad počas pomalého nárastu tlaku – niekedy prechádzajú ňou úmyselne rýchlo alebo spájajú krokový tesniaci kruh s druhým, odlišným typom tesnenia tak, aby sa ich zóny nestability neprekryvali. To je jednou z príčin, prečo sa pre polohu tesniaceho kruhu na vodiacej tyči zvyčajne špecifikujú viackomponentové tesniace súpravy namiesto jediného kruhu.

Obrázok 3: Orientácia inštalácie Step Seal .

Ako vybrať správny náhradný tesniaci kruh Glyd Ring alebo tesnenie Step Seal?

Po potvrdení poruchy rozhodujú o správnej náhrade tri faktory:

• Presná zhoda rozmerov s priemerom valcového vývrtu alebo zásuvného hriadeľa a profilom drážky, pretože tesniace kruhy Glyd Rings a tesnenia Step Seal sú špecificky dimenzované a profilované pre každý konkrétny dizajn valca.
• Zloženie PTFE a materiál energizátora O-kruhu vhodný pre zaťaženie, rýchlosť a hydraulickú kvapalinu v danom použití – podrobnejšie sa tieto materiály používané v takýchto tesneniach opisujú v doplnkovom článku.
• Získanie kompatibilného páru (kruh z PTFE plus energizátor) namiesto kombinovania komponentov od rôznych dodávateľov, pretože obe časti sú navrhnuté tak, aby spolu fungovali pri presne definovanom prítlaku a predpätí.

Obrázok 4: Usporiadanie náhradného tesniaceho súpravy pred inštaláciou

Kde môžete získať spoľahlivé náhradné tesnenia?

Pretože rozmery Glyd Ring a Step Seal sú špecifické pre každý valec – teda pre priemer valcového priestoru alebo základného hriadeľa a pre návrh drážky – ich získavanie závisí od nájdu dodávateľa, ktorý dokáže presne zodpovedať požadované rozmery a odporučiť vhodnú kombináciu PTFE a O-krúžku pre dané použitie, namiesto všeobecne dimenzovanej súčiastky.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, čínsky výrobca tesniacich systémov založený v roku 2013, vyrába tesniace komponenty z PU, gumy a PTFE, vrátane piestových a hriadeľových tesnení typu Glyd Ring a Step Seal používaných v hydraulických valcoch v zariadeniach na horné vŕtanie, stavebníctvo a v ťažobných strojoch. Spoločnosť uvádza, že poskytuje bezplatnú technickú podporu na overenie správnych rozmerov a vhodnej kombinácie materiálov pre konkrétny valec pred umiestnením objednávky.

Ak nie ste si istí, aké tesnenie váš valec potrebuje, najspoľahlivejší spôsob, ako získať tesnenie, ktoré sedí a funguje podľa očakávaní, je poskytnúť dodávateľovi priemer valcového vývrtu a tyče, rozmery drážky a typické prevádzkové podmienky (tlak, rýchlosť, typ hydraulického oleja a teplota), aby mohol vykonať prekrížené porovnanie s známymi návrhmi valcov.

Obrázok 5: Sada tesnení zabalená na prepravu

1. Dai L. „Optimalizácia a experimentálne skúmanie výkonu tesnenia hydraulického posuvného tesnenia Glyd Ring.“ Diplomová práca, Jiangnan University, 2025.
2. Yao S. „Analýza tesniacich vlastností krokového tesnenia.“ Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. „Výpočtová metóda pre životnosť tesnení Glyd Ring používaných v piestoch hydraulických valcov.“ Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. „Osemdesiat rokov výskumu hydraulických pohyblivých tesnení: Prehľad tribologických štúdií a súvisiacich tém od tridsiatych rokov 20. storočia.“ Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.