Glyd-ring och stegtätning i hydrauliska cylindrar för bergborrning: hur de fungerar och hur man väljer en ersättning

Bakom varje bergborrningsanläggnings matarsystem, bom och andra hydrauliska aktuatorer finns ett par tätningssystem som vid första anblick ser nästan identiska ut, men som utför sina uppgifter på olika platser av olika skäl: Glyd Ring och Step Seal. Båda kombinerar en slitstark PTFE-ring med en gummibas O-ring under den, och tillsammans är de några av de mest använda kolvtätnings- och stångtätningslösningarna i moderna hydraulcylindrar. Den här artikeln förklarar hur dessa kompakta tätningslösningar faktiskt fungerar, var en bergborrningsanläggning använder dem, hur man känner igen när en av dem har slutat fungera och vad man ska kontrollera innan man beställer en ersättning.

Vad är Glyd Rings och Step Seals?

En Glyd Ring och en Step Seal är båda exempel på vad tätningsbranschen kallar en kompakt tätning eller en O-ring-energerad PTFE-tätning: en styv, lågfriction PTFE-slitringsring som stöds av en gummio-ring som förspänner den mot den motstående ytan. PTFE-ringen är den som faktiskt kommer i kontakt med cylinderbocket eller kolvröret och utför själva tätningen; O-ringen nedanför tillhandahåller den elastiska tryckkraft som PTFE inte kan ge på egen hand, eftersom PTFE inte återfår sin form som gummi efter kompression.

Namnen "Glyd Ring" och "Step Seal" ursprungligen var tillverkarmärkesregistrerade, men används nu branschvidare, ungefär på samma sätt som "O-ring" blivit ett generiskt begrepp. I kinesiska reservdelskataloger grupperas båda ofta under överordnade termen ge Lai Quan (Glyd ring), medan si Te Feng (Step Seal) används specifikt för varianten som tätar kolvröret.

Vad är skillnaden mellan en Glyd Ring och en Step Seal?

De två konstruktionerna är utformade för motsatta uppgifter i samma cylinder. En Glyd Ring har en symmetrisk, rektangulär profil, vilket gör att den täter lika bra oavsett från vilken sida trycket kommer – exakt vad en pistonsigill behöver, eftersom hydrauliskt tryck växlar mellan de båda sidorna av kolven när cylindern förlängs och dras in. En Step Seal har en asymmetrisk, trappformad profil som är utformad för att täta i endast en riktning, anpassad till en stavssäck 's faktiska uppgift att hålla tryckoljan innesluten i cylindern medan stången rör sig in och ut.

Ett enkelt sätt att komma ihåg skillnaden: en Glyd Ring monteras på kolven (bortätningsring, tvåvägs-tätning), medan en Step Seal monteras på stången (stångtätningsring, envägs-tätning). Båda använder samma underliggande konstruktion med PTFE plus O-ring, vilket är anledningen till att de ofta diskuteras tillsammans trots att de utför olika funktioner på olika platser i samma cylinder.

Foto 1: Jämförelse av Glyd Ring och Step Seal-profiler

Hur gör O-ring-energiseringen en PTFE-tätning till en verklig tätning?

PTFE uppskattas för tätning på grund av sin mycket låga friktion och utmärkta kemiska och slitagebeständighet, men det har i sig nästan inget elastiskt minne: när det en gång är komprimerat förblir det komprimerat istället för att återfjädra för att bibehålla kontakttrycket. En gummiring (O-ring) placerad bakom PTFE-ringen löser detta genom att fungera som fjädern: den trycker kontinuerligt utåt på PTFE-ringen (för en Glyd Ring i dess spår i bockan) eller inåt (för en stångtätning), vilket håller slitage ringen i fast kontakt med den rörliga ytan även när PTFE:n gradvis slits ner över tid.

Denna arbetsfördelning är vad som ger kompakta tätningsringar deras karakteristiska beteende: den låg-friktions- och låg-stick-slip-glidyta som PTFE erbjuder, kombinerat med O-ringens förmåga att kontinuerligt justera tätningsringens kontaktkraft när spelrummen förändras och slitage ringen gradvis slits ner. Att förlora O-ringens funktion – till exempel genom egen nedbrytning – leder till att tätningsringen misslyckas även om PTFE-ringen fortfarande kan se helt intakt ut.

Den grundläggande provningen som en sådan tätning måste klara vid vilket som helst arbetstryck är att kontakttrycket mellan PTFE-ringens och den rörliga ytan måste förbli högre än trycket hos den vätska som tätningen håller tillbaka. Studier med finita element av Glyd Ring-tätningar bekräftar detta direkt: det maximala kontakttrycket ökar tillsammans med vätsketrycket och förblir högre än detta inom det testade intervallet, vilket är den förutsättning som förhindrar läckage. Samma studier visar också hur känslomässigt tätningens prestanda är för dess exakta profil – i en systematisk studie uppnåddes den bästa tätningsprestandan vid högt tryck endast inom ganska smala geometriska intervall, i storleksordningen några tiondelar av en millimeter i läppens radie och några grader i tätningens sidovinkel – vilket är en stor anledning till att Glyd Ring- och Step Seal-profilerna inte är något som kan approximeras från en del som ser liknande ut.

Det är också värt att förstå att en reciprokerande tätning inte utgör en perfekt läckfri barriär, även när den fungerar exakt som den är avsedd, vilket är viktigt vid bedömning av om en liten mängd läckage vid en stång faktiskt utgör ett problem. Smörjningsteorin, som bygger på Reynolds ekvation och används för att modellera den tunna vätskefilmen mellan tätningens läpp och den rörliga ytan, visar att en reciprokerande tätning transporterar en vätskefilm utåt under en slagcykel och en vätskefilm inåt under returcykeln; nettoläckaget per cykel är proportionellt mot skillnaden mellan dessa två filmtycklekar, vilken i sin tur beror på tryckgradienten på vätskesidan jämfört med luftsidan vid varje ände av slagcykeln. En tätprofil som är utformad för att förstärka tryckgradienten på vätskesidan och minska den på luftsidan återför mer vätska än den släpper ut, vilket leder till nästan noll nettoläckage över en fullständig cykel; en dåligt anpassad profil ger motsatt effekt. Detta utgör en del av den teoretiska grunden för varför små profiländringar, mätta i tiondelar av en millimeter, som diskuterats ovan, kan ha en oproportionerlig inverkan på det uppmätta läckaget.

Var används Glyd-ringar och stegtätningar på bergborrningsanläggningar?

På en bergborrningsanläggning finns tätningar av typen Glyd-ring och stegtätning främst i de hydrauliska aktuatorcylindrarna som rör utrustningen runt borrverktyget, snarare än inuti slagmekanismen i själva bergborren: födcylindrar som för in och drar ut borrhuvudet längs dess guidspår, bom- och svängcylindrar som positionerar borrhuvudet över borrhålet samt liknande aktuatorcylindrar på andra ställen på bäranläggningen. Dessa cylindrar utsätts för samma dubbelverkande, växlande tryckbelastning som Glyd-ringar och stegtätningar är konstruerade för.

Eftersom födcylindrar särskilt cyklar kontinuerligt under en borrskift och arbetar i en dammig, skrädfylld miljö är deras kolvspets- och stångtätningar bland de mest frekvent utbytbara slitagekomponenterna på anläggningsidan av en bergborrningsdrift – till skillnad från slagsidan, där slitagekomponenter som ackumulatorns membran eller kopptätning diskuteras separat.

Vad händer när en Glyd-ring eller en stegtätning går sönder?

När PTFE-slitringsringen slits igenom eller O-ringens energizer förlorar sin elasticitet kan tätningen inte längre upprätthålla tillräckligt högt kontakttryck mot cylinderkroppen eller kolven för att hålla kvar hydraultrycket. Det praktiska resultatet är intern läckage förbi kolven (vilket visar sig som att cylindern förlorar sin hållkraft eller drifter under last) eller extern läckage förbi kolvtätningen (synlig oljeläckage vid kolven, särskilt efter att cylindern varit inaktiv och under tryck i en stund).

Eftersom PTFE-ringen och O-ringens energizer kan gå sönder oberoende av varandra – en förhårdnad, sprucken O-ring kan göra slut på en annars fungerande PTFE-ring, och en sliten PTFE-ring kan utsätta en annars frisk O-ring för direkt slitage – ersätts tätningssatsen vanligtvis som en helhet istället for att behandla komponenterna som separata reservdelar.

Foto 2: Sliten PTFE-tätning och O-ringens energizer

Hur märker du att din cylinders tätning har gått sönder?

Ett felaktigt Glyd Ring eller stegtätning visar sig vanligtvis som en eller flera av följande:

• Cylindern förlorar hållkraft eller kryper under last när den borde stanna på plats.
• Synlig oljeläcka vid stångtätningen, särskilt uppenbar efter att maskinen har stått stilla under tryck.
• Långsammare eller mindre konsekvent cylinderrörelse, särskilt vid början av en slaglängd.
• Föroreningar eller färgförändringar i hydrauloljan från en torktätning som inte längre utesluter damm och smuts.
• En cylinder som känns svampig eller förlorar positionsnoggrannhet, vilket är konsistent med intern bypass förbi pistontätningen.

Tabellen nedan kopplar samman dessa symtom till troliga orsaker samt en rimlig första kontroll.

Vad orsakar för tidigt slitage hos dessa tätningar?

Flertalet förhållanden förkortar livslängden för Glyd Rings och Step Seals långt under deras konstruktionsmässiga potential:

• Förorenad hydraulolja som innehåller slipande partiklar, vilket accelererar slitage på PTFE-ringens glidyta.
• En skårad, pockmarkad eller korroderad cylinderbock eller stångyta, vilken PTFE-ringen inte kan kompensera fullständigt för oavsett hur väl den är monterad.
• Ett O-ring-energiseringsmaterial som är inkompatibelt med den använda hydraulvätskan, vilket orsakar svullnad, fördärvning eller förlust av elasticitet snabbare än förväntat.
• Felaktig montering, särskilt att installera en Step Seal i fel riktning, vilket från början undergräver dess enriktade tätningsegenskaper.
• Pågående hög temperatur som överstiger den angivna temperaturgränsen för O-ring-energiseringsdelen, eftersom PTFE-ringen själv tål värme väl men den underliggande gummiergiseringsdelen vanligtvis är den svagare länken.

Varför är monteringsriktningen så avgörande för en stegtätning?

En Glyd Ring:s symmetriska profil innebär att den i princip inte kan monteras felvänt; den tätnar på samma sätt oavsett orientering. En stegtätning:s trappstegsformade, asymmetriska profil är tvärtom: den är specifikt utformad för att täta i en enda riktning, och om den monteras felvänt kommer den lågtryckssidan av tätningen att vändas mot det tryckolja som den egentligen ska hålla tillbaka.

En stegtätning som monterats i fel riktning kan verka fungera kortvarigt, eftersom O-ringens energisator fortfarande ger viss tätande kraft, men den kommer vanligtvis att misslyckas långt innan sin angivna livslängd och kan svikta på ett sätt som ser identiskt ut med vanlig slitage — därför är det värt att dubbelkolla monteringsriktningen mot tillverkarens monteringsanvisningar varje gång en stångtätning byts ut, inte bara anta riktningen utifrån spårets form.

Stegtätningar har också en dokumenterad, tryckberoende läckkarakteristik som är värdefull att känna till innan man felsöker en sådan som ”felaktig”. Klassisk tätningsforskning om stegtätningars beteende beskriver fyra zoner när systemtrycket stiger: en unders-tätningszon vid mycket lågt tryck (ungefär 0–0,6 MPa), där läckningen är försumbar; en instabilitetszon (ungefär 0,6–1,5 MPa), där glidringen kan flyta momentant och friktionen sjunker till ett lokalt minimum, vilket tillfälligt ökar den interna läckningen trots att inget faktiskt har gått sönder; en normaltätningszon (ungefär 3–32 MPa, beroende på konstruktionen), som täcker de flesta verkliga drifttrycken, där tätningsprestandan är bra och stabil; samt en tätningsbortfallszon ovanför tätningens angivna tryckgräns, där tätningsfunktionen slutgiltigt bryts ner. Eftersom den instabila zonen ligger långt under normalt arbetsstryck för de flesta cylindrar orsakar den sällan problem i praktiken, men konstruktioner som måste passera genom denna zon – till exempel vid långsam tryckuppbyggnad – gör ibland detta avsiktligt snabbt, eller kombinerar en stegtätning med en andra, annorlunda tätningstyp så att deras instabila tryckområden inte överlappar varandra. Detta är en anledning till att flerkomponenttätningssatser, snarare än en ensam ring, är den vanliga specifikationen för en stångtätning.

Foto 3: Installationens riktning för stegtätning .

Hur väljer du rätt ersättningsglydring eller stegtätning?

När felaktigheten är bekräftad avgör tre faktorer vilken ersättning som är rätt:

• Exakt måtthanpassning till cylinderns borrning eller stångdiameter och spårprofil, eftersom glydringar och stegtätningar är dimensionerade och profilerade specifikt för varje cylinderkonstruktion.
• En PTFE-blandning och en O-ring-energisator av material som är lämpligt för applikationens belastning, hastighet och hydraulikvätska – mer detaljerad information om materialen i dessa tätningar finns i en kompanjonsartikel.
• Att köpa ett matchat par (PTFE-ring plus energisator) istället för att blanda komponenter från olika leverantörer, eftersom de två delarna är utformade för att fungera tillsammans med en specifik passform och förspänning.

Foto 4: Layout av ersättningspack för installation

Var kan du köpa pålitliga ersättningspack?

Eftersom Glyd Ring- och Step Seal-måtten är specifika för varje cylinders bock- eller stångstorlek samt spårdesign, handlar inköpet om att hitta en leverantör som kan tillhandahålla exakt rätt mått och rekommendera en lämplig kombination av PTFE och O-ring för aktuellt användningsområde, snarare än en generiskt dimensionerad del.

Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd, ett kinesiskt tätningstillverkande företag grundat 2013, tillverkar PU-, gummioch PTFE-tätningskomponenter, inklusive kolvtätningsringar och stångtätningsringar av typen Glyd Ring och Step Seal för hydraulcylindrar i bergborrnings-, bygg- och grävmaschiner. Företaget uppger att det erbjuder gratis teknisk support för att hjälpa kunderna att fastställa rätt mått och materialkombination för en given cylinder innan en beställning placeras.

Om du är osäker på vilken tätning din cylinder behöver, är det mest tillförlitliga sättet att få en tätning som passar och presterar som förväntat att ange cylinderns bock- och stångdiameter, spårdimensionerna samt dina vanliga driftförhållanden (tryck, hastighet, typ av hydraulikvätska och temperatur) till en leverantör som kan göra en korsreferens mot kända cylinderkonstruktioner.

Foto 5: Tätningssats förpackad för frakt

1. Dai L. "Optimering och experimentell undersökning av tätningsprestanda hos hydrauliska reciprocationsglydringar." Examensarbete, Jiangnan-universitetet, 2025.
2. Yao S. "Analys av stegtätnings tätningskarakteristik." Hydraulics Pneumatics & Seals, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. "Beräkningsmetod för livslängden hos glydringar som används i hydraulcylinderns kolvar." Tidskriften för Shenyang-universitetet för kemisk teknik, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. "Åttio år av forskning om hydrauliska reciprocationstätningsringar: Översikt av tribologiska studier och relaterade ämnen sedan 1930-talet." Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.