Od uszczelnień stosowanych w elementach pneumatycznych, a także uszczelnień cylindrów hydraulicznych oczekuje się przede wszystkim utrzymania wysokiej skuteczności uszczelniania w okresie ich użytkowania. Spełnienie tego wymogu jest obecnie jak najbardziej możliwe dzięki zaawansowanemu poziomowi nowoczesnej techniki uszczelnień, będącej wynikiem wieloletnich badań oraz praktycznych doświadczeń zdobytych w różnych dziedzinach mechaniki.
Uszczelnienia hydrauliczne i pneumatyczne są nieodzownymi elementami maszyn i urządzeń.
Zastosowanie ich w hydraulice oraz pneumatyce to z technicznego punktu widzenia nie lada wyzwanie. Uszczelnienia hydrau-liczne muszą zapobiegać wyciekom płynu z cylindra, spełniając przy tym podstawowe kryterium, jakim jest odporność na wysokie ciśnienie, ekstremalne temperatury czy siły poprzeczne wewnątrz cylindra, będącego głównym elementem siłownika hydraulicznego. Podstawowym zadaniem cylindra jest zamiana energii ciśnienia hydrostatycznego na energię mechaniczną ruchu postępowo-zwrotnego. Dzięki zastosowaniu uszczelnień cylinder jest chroniony przed przeciekami wewnętrznymi oraz zewnętrznymi.
Z kolei uszczelnienia pneumatyczne są nade wszystko odpowiedzialne za szczelne utrzymanie w systemie ciśnienia gazu. Ponadto dodatkowym ich zadaniem jest skuteczne odizolowanie systemu od otoczenia i penetracji ciał obcych, będących potencjalnym zagrożeniem dla prawidłowego funkcjonowania urządzenia.
Na potrzeby hydrauliki
Systemy hydrauliczne są uszczelniane przy użyciu kombinacji specjalistycznych uszczelek. Tworzą grupę składającą się z takich produktów, jak m.in. uszczelnienia tłoków i tłoczysk, pierścienie zgarniające, prowadzące czy oporowe. Cylindry hydrauliczne wymagają także uszczelnień statycznych, w tym pierścieni uszczelniających o przekroju okrągłym oraz, w wielu przypadkach, pierścieni zapasowych.
Uszczelnienia tłoków są osadzone bezpośrednio na tłoku, natomiast ich zewnętrzna powierzchnia robocza styka się z wewnętrzną powierzchnią cylindra. Ich użycie ma na celu niedopuszczenie do przecieku płynu hydraulicznego z jednej strony tłoka na drugą. Dzięki temu następuje wzrost ciśnienia po jednej ze stron, a co za tym idzie – przesunięcie tłoka. Dobór odpowiedniego uszczelnienia tłokowego zależy od tego, czy mamy do czynienia z cylindrem jednostronnego, czy też dwustronnego działania. Cylinder jednostronny wymaga zastosowania odpowiednio uszczelnienia jednostronnego działania, a cylinder dwustronny – dwustronnego działania. Tylko w ten sposób można uzyskać optymalną efektywność uszczelnienia oraz zapobiec awarii, do której mogłoby dojść, gdyby do cylindra dwustronnego działania użyto tłoka z dwoma uszczelnieniami jednostronnego działania. W tym przypadku bezpośrednią przyczyną usterki byłoby bardzo wysokie ciśnienie wytworzone między uszczelnieniami.
Uszczelnienia tłoczysk są stosowane do uszczelniania płynów hydraulicznych. Są osadzone w dławnicy, a ich wewnętrzna powierzchnia robocza styka się z tłoczyskiem. Ich zadaniem jest niedopuszczenie do wycieku płynu z wnętrza cylindra na zewnątrz. Należy pamiętać o tym, że uszczelnienie tłoczyska jest uszczelnieniem w cylindrze hydraulicznym, przed którym są stawiane bardzo wysokie wymagania. Musi ono prawidłowo funkcjonować zarówno przy niskim, jak i wysokim ciśnieniu, a także w warunkach zmieniającej się temperatury. Ponadto uszczelnienie tłoczyska musi pozostawiać tzw. film olejowy, odpowiednio cienki, pozwalający na powrót do cylindra po przejściu zgarniacza.
Z uwagi na to, że uszczelnienie tłoczyska ma nierzadko decydujące znaczenie dla funkcjonowania całego cylindra hydraulicznego, a wyciek przez to uszczelnienie może przyczynić się do wielu strat, kluczową kwestią jest umiejętny dobór uszczelnienia tłoczyska, uwzględniający zdefiniowanie obszaru zastosowań oraz analizę możliwych rozwiązań w oparciu o dokładną specyfikację wymagań. Mimo iż obecnie dostępnych jest na rynku wiele wersji konstrukcyjnych tego rodzaju uszczelnienia, to jednak w dalszym ciągu idealne uszczelnienie tłoczyska, spełniające wszystkie, często wykluczające się wymagania, pozostaje póki co w sferze marzeń.
Pierścienie zgarniające są instalowane w systemach uszczelniających cylindrów w celu niedopuszczenia do osadzania się cząsteczek brudu, przedostawania się ciał obcych lub wilgoci z wysuniętych tłoczysk podczas cofania do wnętrza cylindrów. Zapobiegają one w ten sposób zanieczyszczeniu płynu hydraulicznego, co z kolei mogłoby przyczynić się do uszkodzenia pierścieni prowadzących, samych uszczelnień oraz innych komponentów.
Nie należy zapominać, że cząstki zanieczyszczeń w systemie hydraulicznym są najczęstszą przyczyną awarii oraz skróconej żywotności uszczelnień. Stosunkowo duża część zanieczyszczeń dostaje się do systemu właśnie po powierzchni tłoczyska. Zastosowanie zgarniacza ma za zadanie zapobiec takiej ewentualności. Mimo tak odpowiedzialnego zadania spoczywającego na zgarniaczu, jest on jednak bardzo często najmniej docenianym typem uszczelnienia w cylindrze hydraulicznym. Tymczasem niezwykle ważnym aspektem jest wybór właściwego zgarniacza, który powinien być dostosowany do dokładnie sprecyzowanych wymagań oraz uwzględniać otaczające środowisko i warunki pracy.
Odpowiednio zaprojektowany zgarniacz powinien spełniać zarówno funkcję dynamiczną (dopasowanie do tłoczyska), jak i statyczną (uszczelnienie w rowku oprawy).
Pierścienie prowadzące oraz taśmy prowadnikowe z plastiku pełnią podwójną rolę: po pierwsze służą do prowadzenia tłoka w otworze cylindra oraz tłoczyska w głowicy cylindra w roboczych cylindrach hydraulicznych, a po drugie absorbują ewentualne siły poprzeczne i chronią przed bezpośrednim niepożądanym kontaktem metalu z metalem, usprawniając funkcjonowanie systemu uszczelniającego. Główne zalety prowadników to przede wszystkim niska ścieralność oraz samolubrykacja – zdolność do samoczynnego smarowania. Istotne jest też to, że nie wysychają, nie przywierają oraz się nie blokują.
W obszarze pneumatyki
Obecna oferta rynkowa obfituje w szeroką gamę produktów przeznaczonych do zastosowań w systemach i aplikacjach pneumatycznych, gdzie cylindry i zawory są wprawiane w ruch za pomocą sprężonego powietrza. Z uwagi na to, że uszczelnienia pneumatyczne są stosowane często przy bardzo wysokich prędkościach części maszyn, najczęściej w ruchu obrotowym lub posuwisto-zwrotnym, muszą odznaczać się: wysoką trwałością, odpornością na zużycie, ścieranie oraz siły rozrywające, a także bardzo dobrą rozciągliwością i elastycznością. Uszczelki pneumatyczne rozszerzają się i kurczą wraz z napełnianiem i opróżnianiem uszczelnienia w rowku, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie niezawodnego uszczelnienia.
W asortymencie firm oferujących produkty do zastosowań w układach pneumatycznych znajdują się najczęściej: uszczelnienia tłoków i tłoczysk, pierścienie zgarniające oraz prowadzące.
Co ciekawe, w uszczelnieniach stosowanych w urządzeniach pneumatycznych znajdują się dodatkowe krawędzie uszczelniające. Statyczna warga uszczelnienia odpowiada za dokładne osadzenia na dnie rowków. W uszczelnieniach pneumatycznych ważną funkcję pełni zaokrąglony profil uszczelniający oraz elastyczna część środkowa.
Jeśli chodzi o uszczelki tłokowe, to – w zależności od wymagań – mogą być jednostronnie lub obustronnie obciążalne. Należy tylko pamiętać, że w przypadku obustronnego obciążenia powinno się stosować uszczelnienie podwójne, wargami zwrócone w kierunku siły docisku siłownika.
Uszczelnienia dla tłoków pneumatycznych tworzą dwie odrębne grupy. Pierwszą z nich stanowią pierścienie uszczelniające o przekroju litery „U” z odpowiednio zaprojektowanymi wargami uszczelniającymi. Różnią się między sobą zastosowanym materiałem, głębokością rowka lub grubością wargi uszczelniającej. Na drugą grupę składają się kompletne tłoczki, które także występują w kilku wariantach konstrukcyjnych.
Innym rozwiązaniem stosowanym w pneumatyce są elementy kombinowane, inaczej mówiąc uszczelniająco-zgarniające, które spełniają podwójną funkcję: z jednej strony mają rowek z wyprofilowanymi wargami uszczelniającymi, z drugiej natomiast znajduje się warga zgarniająca.
Oprócz wyszczególnionych powyżej rodzajów uszczelnień pneumatycznych ważną funkcję pełnią też pierścienie prowadzące do cylindrów pneumatycznych oraz uszczelki tłumiące, które wpływają na poprawę kultury pracy siłownika, a dodatkowo mogą pełnić zintegrowaną funkcję zaworu zwrotnego.
Szeroki wachlarz zastosowań
Uszczelnienia hydrauliczne oraz pneumatyczne są stosowane na szeroką skalę w wielu gałęziach przemysłu.
Systemy uszczelnień hydraulicznych wykorzystuje się do różnych zastosowań: począwszy od przemysłu maszynowego i elektromaszynowego, poprzez instalacje wodne i armaturę sanitarną, aż po przemysł motoryzacyjny (w tym układy hamulcowe) oraz instalacje i urządzenia gazowe. Uszczelnienia hydrauliczne znajdują również zastosowanie w maszynach rolniczych i budowlanych, które muszą pracować przy skrajnych ciśnieniach, temperaturach i właściwościach mediów, a także w układach hydraulicznych
do przesyłu wody we wzmacniaczach ciśnienia, spełniających rygorystyczne wymagania w zakresie smarowania, odporności na zużycie i korozję. Te oraz wiele innych dziedzin życia nie może się obyć bez korzystania z uszczelnień hydraulicznych.
Jeśli zaś chodzi o uszczelnienia pneumatyczne, to – dzięki najnowszym technikom ich produkcji oraz nowoczesnym elastomerom, z których są wytwarzane – wachlarz ich zastosowań jest również bardzo szeroki. Używa się ich np. w przemyśle papierniczym (nacinarki, walce ssące, listwy zgarniające), branży tekstylnej (uszczelki drzwi komór ciśnieniowych, zaciskanie), transporcie (uszczelki drzwi w pociągach, kontenery transportowe), telekomunikacji (filtry, płuczki, siłowniki), przemyśle stoczniowym (włazy ładunkowe, pomosty wind) oraz w wielu innych obszarach życia.
Przekrój materiałów
Oczywiste jest, że materiał, z którego wykonane jest uszczelnienie, ma znaczący wpływ na jego jakość i niezawodność. Do produkcji uszczelnień, które muszą być dostosowane do różnych wymagań aplikacyjnych, używa się obecnie szerokiej gamy materiałów charakteryzujących się różnymi właściwościami. Warto wyszczególnić kilka z nich.
Kauczuk akrylonitrylo-butadienowy (NBR) jest najczęściej stosowanym materiałem uszczelnień. Kopolimer ten, wytwarzany z akrylonitrylu i butadienu, odznacza się dużą odpornością na większość olejów mineralnych i smarów plastycznych z bazowymi olejami mineralnymi, a także na standardowe paliwa, takie jak benzyna, olej napędowy i lekkie oleje opałowe oraz na gorącą wodę, oleje, tłuszcze zwierzęce i roślinne. Kauczuk NBR może pracować w szerokim zakresie temperatur (od -40 do +100°C oraz krótkotrwale do 120°C).
Poliuretan (PU) jest termoplastycznym elastomerem poliuretanowym, który cechuje się dobrą odpornością na czynniki atmosferyczne, dużą wytrzymałością na ścieranie oraz rozdzieranie, wysoką elastycznością w całym zakresie twardości, a także niskim odkształceniem trwałym przy ściskaniu. PU jest odporny na: oleje i smary mineralne i silikonowe, wodę, oleje alifatyczne silnikowe i przekładniowe, a także na ozon. Zakres temperaturowy poliuretanu wynosi od -40 do +100°C.
Poliuretan (HPU) jest odpornym na produkty hydrolizy, termoplastycznym elastomerem poliuretanowym, którego stabilność w wodzie wynosi do +95°C. Z uwagi na tę cechę materiał ten jest stosowany w hydraulice wodnej w górnictwie, budowie tuneli czy konstrukcjach pras.
Kauczuk fluorowy (FKM), występujący także pod nazwą Viton, jest odporny na wysokie temperatury, oleje, smary mineralne, kwasy, paliwa, siarczany, chlorki, amoniak, węglowodory aromatyczne (np. ksylen), ozon oraz warunki atmosferyczne. Natomiast nie jest odporny na bezwodny amoniak ługi sodowe, potasowe, hetony, eter, dioksan, aminy i kwasy organiczne. Uszczelnienia vitonowe charakteryzują się niepalnością oraz niewielką przepuszczalnością gazów, minimalnym spadkiem swojej wagi w warunkach próżni, stabilnością wymiarów oraz właściwościami samosmarującymi. Temperaturowy zakres pracy uszczelnień z vitonu wynosi od -25 do +200°C, natomiast krótkotrwałe uszczelnienia tego rodzaju wytrzymują temperaturę do +230°C. Uszczelki wykonane z kauczuku fluorowego są najczęściej stosowane w przemyśle samochodowym (np. w silnikach oraz układach paliwowych), petrochemicznym (rafinerie), urządzeniach kontrolnych i sterujących oraz w produkcji części do układów hydraulicznych i pneumatycznych (pompy, zawory).
Politetrafluoroetylen (PTFE) to inaczej teflon, który można wykorzystać w każdych, nawet najbardziej wymagających warunkach. Do cech charakterystycznych teflonowych uszczelnień można zaliczyć: bardzo niski współczynnik tarcia, niepalność, udarność (doskonale radzi sobie z obciążeniami uderzeniowymi), świetne właściwości ślizgowe oraz ścieralne, izolację elektryczną, niski współczynnik dielektryczny, odporność na działanie szkodliwych związków chemicznych, rozpuszczalników i innych agresywnych mediów, a także wysoką stabilność termiczną, odporność na działanie temperatury od -150 do +260°C oraz wysoką temperaturę topnienia (+320 stopni). Materiał ten jest stosowany w wielu gałęziach przemysłu, a zwłaszcza w elektrotechnice oraz technikach wysokiej częstotliwości. Wykorzystuje się go jako półprodukt do produkcji detali z użyciem metody obróbki skrawaniem, takich jak pierścienie uszczelniające, części izolacyjne czy szyny prowadzące.
Ringi
Bardzo ważnymi rodzajami uszczelnień do pneumatyki oraz hydrauliki są uszczelnienia typu o-ring, q-ring oraz v-ring.
O-ring to rodzaj uszczelnienia charakteryzujący się kształtem pierścienia o kołowym przekroju. Pierścień ten jest wytwarzany z materiału elastomerowego, czyli gumy mającej własności elastosprężyste.
Uszczelniacze tego rodzaju znajdują zastosowanie przy tych elementach układu, przy których potrzeba samoczynnie i dwustronnie je uszczelnić. Zakres stosowania o-ringów o różnych twardościach zależy od takich czynników, jak ciśnienie medium uszczelnianego i szerokości szczeliny. Wybór konkretnego materiału na uszczelnienie powinien uwzględniać warunki, w jakich będzie pracować urządzenie, zwłaszcza temperaturę oraz rodzaj medium.
Zakres pracy temperatury o-ringów jest bardzo wysoki i wynosi od -40 do +200°C. Korzystając z o-ringów, warto pamiętać o tym, że przy ciśnieniu do 5 MPa można stosować uszczelnienie bez pierścienia podporowego, od 5 MPa do 40 MPa powinny być wyposażone w pierścień podporowy, natomiast przy ciśnieniu od 40 MPa do 200 MPa zaleca się użycie pierścienia podporowego w wykonaniu specjalnym.
Uzupełnieniem oferty o-ringów są uszczelnienia typu q-ring. W porównaniu do o-ringów mają zastosowanie w węzłach uszczelniających o bardziej złożonych konstrukcjach oraz tam, gdzie wymagana jest szczelność w dużym zakresie ciśnienia, tj. niskiego i wysokiego.
Mogą pracować w ruchu posuwisto-zwrotnym, oscylacyjnym oraz obrotowym, jako uszczelnienia obustronnego działania. Q-ring jest uszczelnieniem częściowo zaciskowym z dodatkowym doszczelnieniem ciśnieniowym, wynikającym z posiadania elementów wargowych. Dzięki symetrycznemu układowi warg rozmieszczonych w osiach przekątnych kwadratu uszczelnienie to jest dwustronnego działania.
Z uwagi na korzystny rozkład naprężeń oraz istnienie ciągłego smarowania w przestrzeni międzywargowej możliwe jest stosowanie uszczelnień również w warunkach występowania obciążeń dynamicznych.
W procesie usuwania nieszczelności bardzo dobrze sprawdzają się też tzw. v-ringi, które są stosowane głównie w przypadku statycznego, jednostronnego uszczelniania wałów, a także pokryw i dławic hydraulicznych oraz pneumatycznych.
Pierścienie typu v-ring charakteryzują się bardzo prostą zasadą działania i budową. Charakterystycznymi elementami w przypadku tej konstrukcji są wargi uszczelniające (stąd nazwa „v”). V-ringi są zaliczane do uszczelnień wałków obrotowych i – w przeciwieństwie do pierścieni typu simmering – uszczelniają w kierunku osiowym na powierzchni czołowej gniazda łożyska, które jest elementem stałym, natomiast same obracają się z wałkiem.
Uszczelki te można stosować zarówno jako elementy samodzielne, jak i posiłkujące, w połączeniu z innym rodzajem pierścieni uszczelniających pracującym w ruchu obrotowym. Ze względu na to, że mogą pracować na „sucho”, są przeznaczone także do pracy w warunkach zapylenia. Inną zaletą tych uszczelnień jest również możliwość zastosowania ich przy większej mimośrodowości wałka i obudowy oraz wyeliminowanie dokładnej obróbki wałka.
Nowoczesna technologia wytwarzania uszczelek
Przykładem nowoczesnej i szybkiej technologii wytwarzania uszczelek jest metoda Seal-Jet, która eliminuje konieczność kosztownego przygotowania matryc stosowanych w tradycyjnym formowym sposobie produkcji. W przypadku technologii Seal-Jet produkcja uszczelek odbywa się przez obróbkę skrawaniem, wykonywaną na sterowanych cyfrowo maszynach. Pozwala to skrócić czas oczekiwania na dany wyrób, nie wymaga konieczności utrzymywania stanów magazynowych, a także daje możliwość wykonywania zamienników różnych typów uszczelek, jak również pojedynczego uszczelnienia. Metoda ta to ekonomiczny sposób na produkty specjalistyczne. Dzięki Seal-Jet można w precyzyjny sposób wykonać uszczelnienia o znakomitych parametrach technicznych, a także ograniczyć znacznie koszt wytworzenia i skrócić czas naprawy.
Autor: Iwona Górka
