Vòng Glyd và phớt bước trong xi-lanh thủy lực khoan đá: Nguyên lý hoạt động và cách chọn phớt thay thế

Đằng sau hệ thống cấp liệu, cần gật gù và các bộ truyền động thủy lực khác của mỗi máy khoan đá đều có một cặp thiết kế gioăng trông gần như giống hệt nhau khi nhìn thoáng qua nhưng lại thực hiện nhiệm vụ ở những vị trí và vì những lý do khác nhau: gioăng Glyd và gioăng bậc. Cả hai loại đều kết hợp một vòng PTFE chịu mài mòn cao với một lớp cao su Vòng chữ O ở phía dưới, và cùng nhau chúng là những gioăng piston và gioăng trục được sử dụng rộng rãi nhất trong các xi-lanh thủy lực hiện đại. Bài viết này giải thích cách thức hoạt động thực tế của những gioăng nhỏ gọn này, vị trí lắp đặt chúng trên máy khoan đá, cách nhận biết khi một trong số chúng bị hỏng, cũng như những điểm cần kiểm tra trước khi đặt hàng thay thế.

Gioăng Glyd và gioăng bậc là gì?

Một vòng đệm Glyd và một phớt bước đều là những ví dụ về loại phớt được ngành sản xuất phớt gọi là phớt nhỏ gọn hoặc phớt PTFE được làm kín bằng vòng O: một vòng mòn PTFE cứng, ma sát thấp, được hỗ trợ bởi một vòng O cao su tạo lực ép ban đầu lên bề mặt tiếp xúc. Vòng PTFE chính là thành phần thực sự tiếp xúc với lòng xilanh hoặc trục piston và thực hiện chức năng làm kín; còn vòng O bên dưới cung cấp lực đàn hồi ép cần thiết mà bản thân PTFE không thể tự tạo ra, do PTFE không có khả năng phục hồi như cao su sau khi bị nén.

Tên gọi “Glyd Ring” và “Step Seal” ban đầu là nhãn hiệu do nhà sản xuất đăng ký, nhưng hiện nay đã được sử dụng rộng rãi trong toàn ngành, tương tự như cách thuật ngữ “O-ring” đã trở thành từ chung. Trong các danh mục phụ tùng tiếng Trung, cả hai loại này thường được gom chung dưới thuật ngữ chung ge Lai Quan (Glyd ring), trong khi si Te Feng (Step Seal) được dùng riêng cho biến thể phớt làm kín trục.

Sự khác biệt giữa Glyd Ring và Step Seal là gì?

Hai thiết kế này được chế tạo cho hai nhiệm vụ đối lập trên cùng một xy-lanh. Vòng đệm Glyd Ring có hình dạng đối xứng, tiết diện chữ nhật, cho phép nó làm kín hiệu quả như nhau bất kể áp suất tác động từ phía nào — đúng như yêu cầu của gioăng kín piston xy-lanh thủy lực con dấu Trục xy-lanh thủy lực

Một cách đơn giản để ghi nhớ sự khác biệt: Vòng đệm Glyd Ring lắp trên pít-tông (làm kín lòng xy-lanh, kín hai chiều), còn vòng đệm Step Seal lắp trên cần (làm kín cần, kín một chiều). Cả hai đều sử dụng cùng cấu trúc nền là PTFE kết hợp với gioăng O-ring, vì vậy chúng thường được thảo luận song song dù đảm nhiệm vị trí khác nhau trong cùng một xy-lanh.

Ảnh 1: So sánh tiết diện của Glyd Ring và Step Seal

Gioăng O-ring làm nguồn năng lượng kích hoạt như thế nào để biến một gioăng PTFE thành một gioăng thực sự có khả năng làm kín?

PTFE được ưa chuộng trong ứng dụng làm kín nhờ hệ số ma sát rất thấp cùng khả năng chống hóa chất và mài mòn xuất sắc, nhưng riêng bản thân PTFE gần như không có tính đàn hồi: sau khi bị nén, vật liệu sẽ giữ nguyên trạng thái nén thay vì bật trở lại để duy trì lực ép tiếp xúc. Một gioăng chữ O bằng cao su đặt phía sau vòng PTFE giải quyết vấn đề này bằng cách đóng vai trò lò xo: nó liên tục đẩy vòng PTFE hướng ra ngoài (đối với vòng Glyd Ring lắp trong rãnh trên thành ống) hoặc hướng vào trong (đối với cấu hình làm kín trục), từ đó luôn giữ cho vòng chịu mài mòn tiếp xúc chặt với bề mặt chuyển động, ngay cả khi lớp PTFE dần hao mòn theo thời gian.

Sự phân chia chức năng này chính là yếu tố tạo nên đặc tính hoạt động đặc trưng của các gioăng nhỏ gọn: bề mặt trượt của PTFE có ma sát thấp và hiện tượng dính-trượt (stick-slip) tối thiểu, kết hợp với khả năng tự điều chỉnh lực ép tiếp xúc của gioăng chữ O khi khe hở thay đổi và vòng chịu mài mòn dần hao mòn. Việc mất đi chức năng của gioăng chữ O — do chính sự suy giảm của nó — sẽ khiến gioăng thất bại, ngay cả khi vòng PTFE vẫn còn nguyên vẹn về mặt hình thức.

Bài kiểm tra cơ bản mà bất kỳ gioăng nào như vậy phải vượt qua ở mọi áp suất làm việc là áp suất tiếp xúc giữa vòng PTFE và bề mặt chuyển động phải luôn cao hơn áp suất của chất lỏng mà gioăng đang ngăn giữ. Các nghiên cứu phần tử hữu hạn đối với gioăng Glyd Ring xác nhận trực tiếp điều này: áp suất tiếp xúc cực đại tăng đồng thời với áp suất chất lỏng và luôn duy trì cao hơn áp suất đó trong toàn bộ dải thử nghiệm — đây chính là điều kiện đảm bảo gioăng không rò rỉ. Các nghiên cứu này cũng cho thấy hiệu suất của gioăng nhạy cảm đến mức nào đối với hình dạng chính xác của nó — trong một nghiên cứu hệ thống, hiệu suất niêm phong tốt nhất dưới áp suất cao chỉ đạt được trong các cửa sổ hình học khá hẹp, cỡ vài phần mười milimét về bán kính mép và vài độ về góc nghiêng bên của gioăng — đây là một trong những lý do chủ yếu khiến hình dạng gioăng Glyd Ring và gioăng bước (Step Seal) không thể được ước lượng gần đúng từ một chi tiết có vẻ ngoài tương tự.

Cũng cần hiểu rằng một gioăng kiểu tịnh tiến không phải là rào cản hoàn hảo ngăn rò rỉ tuyệt đối, ngay cả khi nó hoạt động đúng như thiết kế; điều này rất quan trọng khi đánh giá xem việc rò rỉ nhỏ ở trục có thực sự là vấn đề hay không. Lý thuyết bôi trơn dựa trên phương trình Reynolds — được dùng để mô phỏng màng chất lỏng mỏng giữa mép gioăng và bề mặt chuyển động — cho thấy gioăng tịnh tiến mang một lớp màng chất lỏng ra ngoài trong một hành trình và kéo một lớp màng trở lại trong hành trình ngược lại; lượng rò rỉ ròng mỗi chu kỳ tỷ lệ thuận với chênh lệch giữa độ dày của hai lớp màng này, và chênh lệch ấy lại phụ thuộc vào gradient áp suất ở phía chất lỏng so với phía không khí tại mỗi đầu của hành trình. Một hình dạng gioăng được thiết kế nhằm làm dốc hơn gradient áp suất ở phía chất lỏng và làm thoảim hơn ở phía không khí sẽ đưa về nhiều chất lỏng hơn lượng chất lỏng bị đẩy ra, từ đó tiến gần tới trạng thái rò rỉ ròng bằng không sau một chu kỳ đầy đủ; còn một hình dạng không phù hợp sẽ gây hiệu ứng ngược lại. Đây là một phần cơ sở lý thuyết giải thích vì sao những thay đổi nhỏ về hình dạng, chỉ đo bằng phần mười milimét như đã nêu ở trên, lại có thể gây ảnh hưởng lớn bất thường đến lượng rò rỉ đo được.

Các bộ khoan đá sử dụng vòng đệm Glyd và phớt bước ở đâu?

Trên các bộ khoan đá, loại phớt vòng đệm Glyd Ring và Step Seal thường được tìm thấy nhất trong các xi-lanh truyền động thủy lực điều khiển chuyển động của thiết bị quanh đầu khoan, chứ không nằm bên trong cơ cấu va đập của đơn vị khoan đá: các xi-lanh cấp liệu (feed cylinders) đẩy và rút đầu khoan dọc theo thanh dẫn hướng, các xi-lanh cần (boom cylinders) và xoay (swing cylinders) định vị đầu khoan trên lỗ khoan, cũng như các xi-lanh truyền động khác trên xe mang. Những xi-lanh này chịu tải trọng hai chiều luân phiên — chính là chế độ làm việc mà vòng đệm Glyd Ring và phớt Step Seal được thiết kế để đáp ứng.

Do các xi-lanh cấp liệu đặc biệt phải hoạt động liên tục trong suốt ca khoan và vận hành trong môi trường nhiều bụi bẩn, nhiều mảnh vụn, nên phớt piston và phớt trục của chúng thuộc nhóm phụ tùng mài mòn cần thay thế thường xuyên nhất ở phía thiết bị (rig side) của quá trình khoan đá, khác biệt với các phụ tùng mài mòn ở phía va đập (percussion side) như màng ngăn bộ tích năng (accumulator diaphragm) hoặc phớt cốc (cup seal) đã được đề cập ở phần khác.

Điều gì xảy ra khi vòng đệm Glyd hoặc phớt bước bị hỏng?

Khi vòng đệm mài mòn PTFE bị mòn thủng hoặc bộ tăng lực O-ring mất độ đàn hồi, phớt không còn đủ áp lực tiếp xúc lên thành xi-lanh hoặc trục để giữ lại áp suất thủy lực. Hậu quả thực tế là rò rỉ bên trong qua piston (biểu hiện bằng việc xi-lanh mất lực giữ hoặc trôi dưới tải) hoặc rò rỉ bên ngoài qua phớt trục (dầu rò rỉ rõ ràng ở phần trục, đặc biệt sau khi xi-lanh đã đứng yên và chịu áp suất trong một thời gian).

Vì vòng đệm PTFE và O-ring có thể hỏng độc lập với nhau — một O-ring bị cứng, nứt có thể làm hỏng vòng PTFE vẫn còn sử dụng tốt, và một vòng PTFE bị mòn thủng có thể làm lộ O-ring còn nguyên vẹn ra trước sự mài mòn trực tiếp — nên việc thay thế bộ phớt thường bao gồm cả hai thành phần cùng lúc thay vì xử lý chúng như các phụ tùng thay thế riêng lẻ.

Ảnh 2: Phớt PTFE và bộ tăng lực O-ring đã bị mòn

Làm thế nào để biết phớt của xi-lanh đã bị hỏng?

Một vòng đệm Glyd hoặc phớt bước bị hỏng thường biểu hiện qua một hoặc nhiều dấu hiệu sau:

• Xilanh mất lực giữ hoặc trượt dưới tải khi lẽ ra phải đứng yên.
• Rò rỉ dầu rõ thấy tại phớt thanh đẩy, đặc biệt dễ nhận thấy sau khi máy đã đứng im dưới áp suất.
• Chuyển động của xilanh chậm hơn hoặc kém ổn định hơn, nhất là ở đầu hành trình.
• Nhiễm bẩn hoặc đổi màu dầu thủy lực do phớt gạt không còn ngăn được bụi và mảnh vụn.
• Xilanh có cảm giác mềm nhão hoặc mất độ chính xác trong định vị, phù hợp với hiện tượng rò rỉ nội bộ qua phớt piston.

Bảng dưới đây liên hệ các triệu chứng này với nguyên nhân có khả năng cao nhất và kiểm tra sơ bộ hợp lý.

Nguyên nhân nào gây mài mòn sớm cho các gioăng này?

Nhiều điều kiện làm giảm tuổi thọ phục vụ của gioăng Glyd và gioăng bước xuống mức thấp hơn nhiều so với tiềm năng thiết kế của chúng:

• Dầu thủy lực bị nhiễm bẩn mang theo các hạt mài mòn, làm tăng tốc độ mài mòn bề mặt trượt của vòng PTFE.
• Bề mặt xi-lanh hoặc thanh piston bị xước, rỗ hoặc ăn mòn, khiến vòng PTFE không thể bù đắp đầy đủ bất kể việc lắp đặt có chính xác đến đâu.
• Vật liệu vòng O dùng làm bộ tăng lực không tương thích với loại dầu thủy lực đang sử dụng, dẫn đến hiện tượng phồng lên, cứng lại hoặc mất độ đàn hồi nhanh hơn mức dự kiến.
• Lắp đặt sai cách, đặc biệt là lắp gioăng bước theo hướng sai, làm vô hiệu hóa ngay từ đầu thiết kế kín một chiều của nó.
• Nhiệt độ cao kéo dài vượt quá dải nhiệt độ định mức của vòng O tăng lực, bởi vì bản thân vòng PTFE chịu nhiệt tốt nhưng phần cao su tăng lực bên dưới thường là điểm yếu nhất.

Tại sao hướng lắp đặt lại quan trọng đến vậy đối với phớt bước?

Hình dáng đối xứng của phớt Glyd Ring khiến việc lắp ngược gần như không thể; nó vẫn tạo kín như nhau bất kể hướng lắp. Ngược lại, hình dáng bậc không đối xứng của phớt bước được thiết kế đặc biệt để tạo kín theo một hướng duy nhất; nếu lắp ngược, mặt chịu áp suất thấp của phớt sẽ quay về phía dầu có áp suất cao—chính thứ mà phớt cần ngăn chặn.

Một phớt bước được lắp sai hướng có thể dường như hoạt động bình thường trong thời gian ngắn, vì phần làm kín dạng O-ring vẫn cung cấp một lực kín nhất định; tuy nhiên, phớt thường hỏng sớm hơn nhiều so với tuổi thọ làm việc được công bố, và sự hỏng hóc đó có thể trông giống hệt như mài mòn thông thường—đó là lý do vì sao cần kiểm tra kỹ hướng lắp đặt dựa trên hướng dẫn lắp ráp của nhà sản xuất mỗi khi thay phớt trục, chứ không nên chỉ suy luận từ hình dáng rãnh lắp.

Các phớt bước cũng có đặc tính rò rỉ phụ thuộc vào áp suất, được ghi chép rõ ràng — điều này đáng để biết trước khi chẩn đoán một phớt là ‘hỏng’. Nghiên cứu cổ điển về hành vi của phớt bước mô tả bốn vùng khi áp suất hệ thống tăng lên: vùng dưới ngưỡng làm kín ở áp suất rất thấp (khoảng 0 đến 0,6 MPa), nơi rò rỉ gần như không đáng kể; vùng bất ổn (khoảng 0,6 đến 1,5 MPa), nơi vòng trượt có thể tạm thời nổi lơ lửng và lực ma sát giảm xuống mức cực tiểu cục bộ, dẫn đến tăng tạm thời lượng rò rỉ bên trong dù thực tế chưa có hư hỏng nào xảy ra; vùng làm kín bình thường (khoảng 3 đến 32 MPa, tùy theo thiết kế), bao phủ phần lớn dải áp suất vận hành thực tế, nơi hiệu suất làm kín tốt và ổn định; và vùng hỏng làm kín ở trên áp suất định mức của phớt, nơi khả năng làm kín suy giảm hoàn toàn. Vì vùng bất ổn nằm ở mức áp suất thấp hơn nhiều so với áp suất làm việc thông thường trên hầu hết xi-lanh, nên trong thực tế vùng này hiếm khi gây ra vấn đề. Tuy nhiên, các thiết kế phải đi qua vùng này — ví dụ trong quá trình tăng áp từ từ — đôi khi chủ động tăng áp nhanh để vượt qua vùng này, hoặc kết hợp phớt bước với một loại phớt thứ hai khác sao cho dải áp suất bất ổn của hai phớt không trùng lặp nhau. Đây là một trong những lý do vì sao bộ phớt đa thành phần, thay vì chỉ một vòng đơn lẻ, thường là lựa chọn tiêu chuẩn cho vị trí phớt cần thanh đẩy.

Hình ảnh 3: Hướng lắp đặt miếng đệm Step Seal .

Làm thế nào để chọn miếng đệm Glyd Ring hoặc Step Seal thay thế phù hợp?

Khi sự cố đã được xác nhận, ba yếu tố quyết định miếng đệm thay thế phù hợp:

• Độ khớp chính xác về kích thước với đường kính lòng xilanh hoặc đường kính cần piston và hình dạng rãnh, vì miếng đệm Glyd Ring và Step Seal được thiết kế riêng về kích thước và hình dáng cho từng kiểu xilanh cụ thể.
• Loại hợp chất PTFE và vật liệu vòng đàn hồi (O-ring energizer) phù hợp với tải trọng, tốc độ và loại dầu thủy lực trong ứng dụng, được trình bày chi tiết hơn trong một bài viết liên quan về các vật liệu dùng cho các loại phớt này.
• Tìm nguồn cung cấp bộ phớt thay thế đồng bộ (vòng PTFE kèm vòng đàn hồi) thay vì trộn linh kiện từ các nhà cung cấp khác nhau, bởi hai thành phần này được thiết kế để phối hợp hoạt động với độ lắp ghép và lực nén ban đầu (preload) cụ thể.

Hình ảnh 4: Bố trí bộ phớt thay thế trước khi lắp đặt

Bạn có thể tìm mua các miếng đệm thay thế đáng tin cậy ở đâu?

Vì kích thước của Glyd Ring và Step Seal được thiết kế riêng cho đường kính xi lanh hoặc kích thước thanh piston và kiểu rãnh cụ thể, nên việc tìm nhà cung cấp phụ thuộc vào khả năng đáp ứng đúng kích thước yêu cầu và đề xuất tổ hợp phù hợp giữa vật liệu PTFE và O-ring cho ứng dụng cụ thể, thay vì sử dụng chi tiết có kích thước chung chung.

Công ty TNHH Công nghệ Máy móc Nam Kinh Hovoo, một nhà sản xuất gioăng đến từ Trung Quốc được thành lập năm 2013, sản xuất các bộ phận gioăng bằng PU, cao su và PTFE, bao gồm gioăng piston và gioăng thanh piston loại Glyd Ring và Step Seal dùng trong xi lanh thủy lực trên các thiết bị khoan đá, xây dựng và máy xúc; công ty này khẳng định cung cấp hỗ trợ kỹ thuật miễn phí nhằm xác nhận chính xác kích thước và tổ hợp vật liệu phù hợp cho xi lanh cụ thể trước khi đặt hàng.

Nếu bạn không chắc chắn về loại gioăng phù hợp cho xi-lanh của mình, cách đáng tin cậy nhất để chọn được gioăng vừa khít và hoạt động đúng như kỳ vọng là cung cấp cho nhà cung cấp các thông số sau: đường kính trong của xi-lanh, đường kính cần piston, kích thước rãnh lắp gioăng, cùng điều kiện vận hành điển hình (áp suất, tốc độ, loại chất lỏng thủy lực và nhiệt độ), để họ có thể tra cứu chéo với các thiết kế xi-lanh đã biết.

Ảnh 5: Bộ gioăng được đóng gói để vận chuyển

1. Dai L. “Tối ưu hóa và nghiên cứu thực nghiệm hiệu suất làm kín của gioăng Glyd trượt thủy lực.” Luận văn thạc sĩ, Đại học Giang Nam, 2025.
2. Yao S. “Phân tích đặc tính làm kín của gioăng bậc.” Tạp chí Thủy lực, Khí nén & Gioăng, 2003, (5): 33–35.
3. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. “Phương pháp tính toán tuổi thọ phục vụ của gioăng Glyd dùng trên piston xi-lanh thủy lực.” Tạp chí Đại học Công nghệ Hóa chất Thẩm Dương, 2022, 36(4): 362–367.
4. Nikas G. K. “Tám mươi năm nghiên cứu về phớt thủy lực kiểu pít-tông: Tổng quan các nghiên cứu ma sát học và các chủ đề liên quan kể từ những năm 1930.” Tạp chí của Viện Kỹ sư Cơ khí, Phần J: Tạp chí Kỹ thuật Ma sát học, 2010, 224(1): 1–23.