เทคโนโลยีการปิดผนึกและทางเลือกวัสดุในระบบไฮดรอลิก

การปิดผนึกเป็นสิ่งสำคัญที่สุดในการรักษาประสิทธิภาพของระบบไฮดรอลิกให้ทำงานได้อย่างเหมาะสม ทั้งการรั่วไหลของน้ำมันจากกระบอกสูบหรือลูกสูบ และการที่สิ่งสกปรกเข้าไปภายในระบบ จะทำให้อายุการใช้งานของระบบทั้งหมดสั้นลงและลดประสิทธิภาพโดยรวม

เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำมันรั่วซึมออกนอกและสิ่งสกปรกเข้าสู่ภายใน วงการอุตสาหกรรมจึงพัฒนาซีล เทคนิค และวิธีการต่าง ๆ ขึ้นมาหลายแบบ แต่ละแบบมีจุดแข็งเฉพาะตัว สำหรับงานที่มีความท้าทายสูงบางประเภท ซีลเพียงชิ้นเดียวอาจไม่เพียงพอ ดังนั้นวิศวกรจึงเลือกใช้ระบบปิดผนึกแบบครบวงจรแทน

การเลือกและใช้งานระบบปิดผนึก

ระบบปิดผนึกมักประกอบด้วยซีลพิเศษหลายชนิดที่ทำงานร่วมกันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพโดยรวมที่ยอดเยี่ยม ระบบปิดผนึกสำหรับกระบอกสูบแรงดันสูงมักประกอบด้วยสี่ส่วน ได้แก่ ซีลกวาด (wiper), ซีลก้านลูกสูบ (rod seal หรือ main seal), ซีลรองรับแรงกระแทก (buffer seal หรือ secondary seal) และแหวนนำทาง (guide ring) ส่วนระบบปิดผนึกสำหรับลูกสูบมักประกอบด้วยซีลหลัก (main seal) เพียงชิ้นเดียวพร้อมแหวนนำทาง (guide ring)

วัสดุสี่ชนิดที่ใช้ในการผลิตซีลไฮดรอลิกในปัจจุบันมากที่สุด ได้แก่ โพลีอูรีเทน (PU), ยางไนไตรล์ (NBR), ยางฟลูออโร-รับเบอร์ (FKM) และโพลีเตตระฟลูโอโรเอทิลีน (PTFE)

วิธีการเลือกวัสดุที่เหมาะสม

การเลือกวัสดุขึ้นอยู่กับสภาวะการทำงานที่ใช้งานจริง

สารเคมีแต่ละชนิดมีปฏิกิริยาที่แตกต่างกันกับวัสดุแต่ละชนิด และบางชนิดสามารถทนต่อแรงดันหรืออุณหภูมิที่สูงกว่าได้ วัสดุยังต้องมีความสามารถในการต้านทานการบีบให้เปลี่ยนรูปร่างอีกด้วย ดังนั้น การเลือกวัสดุที่เหมาะสมจึงขึ้นอยู่กับงานเฉพาะที่ต้องการเสมอ

ต่อไปนี้คือวัสดุสำหรับทำซีลที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุด และคุณสมบัติเด่นของแต่ละชนิด

1. โพลีอูรีเทน (PU)

โพลีอูรีเทนเป็นพลาสติกชนิดแข็งแรงที่มีหมู่ยูรีเทนจำนวนมากในโครงสร้างทางเคมี เป็นวัสดุประเภทเทอร์โมพลาสติกเอลาสโตเมอร์ ซึ่งมีลักษณะบางส่วนคล้ายพลาสติกแข็งและบางส่วนคล้ายยาง จึงเป็นวัสดุที่เติมช่องว่างระหว่างสองกลุ่มนี้ไว้

คุณสมบัติของโพลีอูรีเทนเกิดจากส่วนประกอบหลักสามชนิด ได้แก่ โพลิออล (polyol), ไดไอโซไซยาเนต (diisocyanate) และตัวขยายสายโซ่ (chain extender) ชนิดและปริมาณของแต่ละส่วนประกอบ รวมถึงวิธีการที่พวกมันทำปฏิกิริยากัน จะกำหนดสมรรถนะสุดท้ายของวัสดุ โพลีอูรีเทนมักให้คุณสมบัติดังต่อไปนี้:

· ความแข็งแรงเชิงกลสูง

· ความต้านแรงดึงสูง

· ความต้านทานการสึกหรอได้ดีมาก

· ความยืดหยุ่นยอดเยี่ยม

· ความแข็งแกร่งที่สามารถปรับแต่งได้ในช่วงกว้าง

· ช่วงความแข็งที่กว้าง แต่ยังคงมีความยืดหยุ่นอยู่

· ต้านทานโอโซนและกระบวนการเสื่อมสภาพได้ดี

· ต้านทานการสึกหรอและการฉีกขาดได้เยี่ยมยอด

· ต้านทานน้ำมันและน้ำมันเบนซินได้ดี

ช่วงอุณหภูมิ: -30 ถึง 80 องศาเซลเซียส ชนิดประสิทธิภาพสูงพิเศษสามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูงสุดถึง 110 องศาเซลเซียสเป็นเวลานานในน้ำมันแร่

2. ยางไนไตรล์ (NBR)

ยาง NBR ผลิตจากบิวตาไดอีนและอะคริโลไนไตรล์ ปริมาณของอะคริโลไนไตรล์ (ACN) มีผลต่อคุณสมบัติของยางอย่างมาก:

· ความยืดหยุ่น

· ความทนทานต่ออุณหภูมิต่ำ

· ความง่ายในการที่ก๊าซจะผ่านเข้าไป

· การยุบตัวภายใต้แรงอัด

· ความต้านทานต่อการบวมในน้ำมันแร่ จาระบี และเชื้อเพลิง

NBR ที่มีปริมาณอะคริโลไนไตรล์ (ACN) ต่ำ มีความยืดหยุ่นสูงมากที่อุณหภูมิต่ำ (ต่ำลงได้ถึงประมาณ -45°C) แต่มีความต้านทานต่อน้ำมันและเชื้อเพลิงระดับปานกลางเท่านั้น ในขณะที่ NBR ที่มีปริมาณ ACN สูงมีความต้านทานต่อน้ำมันและเชื้อเพลิงดีที่สุด แต่อาจรักษาความยืดหยุ่นได้เพียงจนถึง -3°C เท่านั้น

เมื่อปริมาณ ACN เพิ่มขึ้น ความยืดหยุ่นจะลดลง และการยุบตัวภายใต้แรงอัดจะแย่ลง

NBR มีคุณสมบัติดีในด้าน:

· ความต้านทานต่อการบวมในไฮโดรคาร์บอนอะลิฟาติก จาระบี น้ำมันไฮดรอลิกทนไฟชนิด HFA/HFB/HFC น้ำมันจากพืชและสัตว์ เชื้อเพลิงเบา และดีเซล

· การทนต่อน้ำร้อนได้สูงสุดถึง 100°C (เช่น ใช้ในระบบประปา) กรดและด่างอ่อน

· ความต้านทานระดับปานกลางต่อเชื้อเพลิงที่มีสารอะโรมาติกสูง

NBR จะบวมมากเมื่อสัมผัสกับไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก ไฮโดรคาร์บอนที่ผ่านกระบวนการคลอรีเนชัน น้ำมันทนไฟชนิด HFD เอสเทอร์ ตัวทำละลายขั้วสูง และของเหลวเบรกแบบไกลคอล

ช่วงอุณหภูมิ: -40 ถึง 100 องศาเซลเซียส (ในระยะสั้นสามารถทนได้สูงสุดถึง 130 องศาเซลเซียส) สารผสมพิเศษสามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิต่ำสุดถึง -55 องศาเซลเซียส แต่หากใช้งานเกินขีดจำกัดที่กำหนด วัสดุจะแข็งตัว

3. ยางฟลูออโร (FKM)

FKM ผลิตจากการรวมไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (VF) กับปริมาณที่แตกต่างกันของ

เฮกซาฟลูโอโรโพรพิลีน (HFP), เททราฟลูโอโรเอทิลีน (TFE) และส่วนผสมอื่นๆ องค์ประกอบของสารผสมและปริมาณฟลูออรีน (65% ถึง 71%) จะเป็นตัวกำหนดความสามารถในการต้านทานสารเคมีและอุณหภูมิต่ำของวัสดุ ซึ่งสามารถทำให้แข็งตัวได้ด้วยไดอะมีน ไบส์ฟีนอล หรือเปอร์ออกไซด์อินทรีย์

FKM มีคุณสมบัติเด่นดังนี้:

· ทนความร้อนสูงได้ดีเยี่ยม

· ทนต่อน้ำมัน น้ำมันเบนซิน น้ำมันไฮดรอลิก และตัวทำละลายไฮโดรคาร์บอนได้ยอดเยี่ยม

· ทนไฟได้ดี

· การซึมผ่านของก๊าซต่ำมาก

· บวมมากเมื่อสัมผัสกับตัวทำละลายโพลาไรซ์ คีโตน น้ำมันไฮดรอลิกชนิดทนไฟแบบ Skydrol และน้ำมันเบรก

ช่วงอุณหภูมิ: ประมาณ -20 ถึง 200 องศาเซลเซียส (ในระยะสั้นสามารถทนได้สูงสุดถึง 230 องศาเซลเซียส) ชนิดพิเศษสามารถใช้งานได้ตั้งแต่ -50 ถึง 200 องศาเซลเซียส

4. โพลีเตตราฟลูออโรเอทิลีน (PTFE)

PTFE ผลิตจากเททราฟลูออโรเอทิลีน วัสดุชนิดนี้ไม่มีความยืดหยุ่นและมีคุณสมบัติพิเศษดังนี้:

· พื้นผิวมีความเรียบและเสถียรมาก

· ไม่มีพิษจนถึงอุณหภูมิ 200 องศาเซลเซียส · มีแรงเสียดทานต่ำมากเมื่อสัมผัสกับพื้นผิวอื่นเกือบทุกชนิด — แรงเสียดทานแบบสถิตและแบบจลน์ใกล้เคียงกันมาก

· เป็นฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม (เกือบไม่ได้รับผลกระทบจากความถี่ อุณหภูมิ หรือสภาพอากาศ)

· มีความต้านทานต่อสารเคมีดีกว่าพลาสติกหรือยางชนิดใดๆ

· ถูกทำลายได้เฉพาะโดยโลหะแอลคาไลในสถานะของเหลว และสารประกอบฟลูออรีนบางชนิดที่อุณหภูมิสูง

ช่วงอุณหภูมิ: -200 ถึง 260 องศาเซลเซียส แม้ที่อุณหภูมิต่ำมาก วัสดุนี้ยังคงมีความยืดหยุ่นบางส่วน จึงถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันที่ต้องเผชิญกับความเย็นจัดเป็นพิเศษ

เนื่องจาก PTFE มีความยืดหยุ่นต่ำมากและอาจเกิดการไหลแบบครีป (creep) ได้ตามระยะเวลา การซีลไฮดรอลิกส่วนใหญ่จึงรวม PTFE เข้ากับส่วนประกอบที่เป็นสปริงหรือยาง เพื่อรักษาความแน่นของขอบซีล

การออกแบบซีลทั่วไปในกระบอกสูบไฮดรอลิก

ต่อไปนี้คือประเภทของซีลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในกระบอกสูบไฮดรอลิก

1. ซีลลูกสูบ

· ซีลระหว่างลูกสูบกับท่อกล้องสูบ — มีความสำคัญยิ่งต่อการทำงานที่ถูกต้องของกระบอกสูบ

· แบบที่ใช้กันมากที่สุดคือซีลแบบริม (lip seal) แต่ยังอาจใช้ O-ring หรือ T-seal ได้เช่นกัน

· ต้องให้การปิดผนึกที่แน่นหนา ขณะเดียวกันก็รักษาระดับแรงเสียดทานให้ต่ำ

· ทำจากวัสดุต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับลักษณะงาน

· ต้องอาศัยแรงดันระบบเพื่อดันริมของซีลให้แน่นสนิท

2. ซีลกันฝุ่น (Wipers / Dust Seals)

· มีประสิทธิภาพในการขูดสิ่งสกปรกออกอย่างแข็งแรง เพื่อป้องกันไม่ให้โคลน น้ำ ฝุ่น และสิ่งสกปรกอื่น ๆ เข้าสู่ภายใน

·เช็ดฟิล์มน้ำมันกลับเข้าสู่ระบบเมื่อก้านเคลื่อนตัวกลับ

·ปกป้องซีลหลักและทำให้ใช้งานได้นานขึ้น

·มักผลิตจากพอลิยูรีเทนที่ทนต่อการสึกหรอสูง

·มักใช้เป็นซีลจาระบีบนหมุดข้อต่อเชื่อมด้วย

3. ซีลก้าน

·ป้องกันไม่ให้น้ำมันรั่วออกจากระบบ

·ต้องทำงานได้ดีทั้งที่ความดันต่ำและสูง

·ต้องมีความต้านทานการบีบออก (extrusion) และความต้านทานการสึกหรอที่ยอดเยี่ยม

·ควรนำฟิล์มน้ำมันกลับเข้าสู่ระบบ

·มักสามารถรองรับความดันได้สูงสุดถึง 31.5 เมกะพาสคาล

4. ซีลกันกระแทก

· รับมือกับแรงดันสูงแบบฉับพลัน

· ป้องกันซีลก้านลูกสูบจากแรงดันพุ่งสูงผิดปกติ

· สามารถปล่อยแรงดันที่ถูกกักอยู่ระหว่างซีลออกได้ ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของซีลก้านลูกสูบ และทำให้สามารถใช้ระยะห่างระหว่างชิ้นส่วนที่กว้างขึ้นได้โดยไม่เกิดการบีบอัดหรือเสียรูป นอกจากนี้ยังมีความต้านทานการสึกหรอสูงมาก

5. แหวนนำทาง (แถบกันสึก)

· ป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนโลหะภายในกระบอกสูบสัมผัสกันโดยตรง

· รักษาตำแหน่งศูนย์กลางของก้านลูกสูบและลูกสูบให้คงที่

· ช่วยยืดอายุการใช้งานของซีล

6. โอ-ริง

· ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับซีลแบบคงที่ (ไม่เคลื่อนที่)

·ปิดผนึกโดยการบีบอัดแบบรัศมีหรือแบบแกน

·ทำงานได้ทั้งสองทิศทาง

·สามารถใช้เป็นตัวให้แรงหรือเป็นซีลหลัก

·ปิดผนึกแบบอัตโนมัติ — ไม่จำเป็นต้องใช้แรงดันหรือความเร็วเพิ่มเติม

เทคโนโลยีการปิดผนึกคือหัวใจของความน่าเชื่อถือ ความทนทานยาวนาน และประสิทธิภาพของระบบไฮดรอลิก จากการเลือกวัสดุเดี่ยวที่เหมาะสม ไปจนถึงการออกแบบระบบที่ประกอบด้วยหลายชิ้นอย่างครบถ้วน ทุกการตัดสินใจจะต้องสอดคล้องกับแรงดัน อุณหภูมิ และสภาวะการทำงานที่เฉพาะเจาะจงอย่างแม่นยำ