Uszczelnienia hydrauliczne i pneumatyczne

-- niedziela, 19 maj 2013

Uszczelnienia stosowane w hydraulice i pneumatyce to jedne z najistotniejszych komponentów, bezpośrednio wpływających na poprawne funkcjonowanie całego systemu. W związku z tym stawia się przed nimi bardzo wysokie wymagania. Uszczelki przeznaczone do zastosowań hydraulicznych mają za zadanie zapobiegać wyciekom płynu, również podczas działania wysokiego ciśnienia, ekstremalnej temperatury czy sił poprzecznych wewnątrz cylindra. Natomiast uszczelnienia pneumatyczne muszą efektywnie radzić sobie z dużymi prędkościami, związanymi z zastosowaniem ich w ruchu obrotowym lub posuwisto-zwrotnym.

Pełna wersja Raportu dostępna poprzez Flipbooka

Z przeprowadzonej przez redakcję miesięcznika Inżynieria i Utrzymanie Ruchu Zakładów Przemysłowych ankiety wynika, że zarówno uszczelnienia hydrauliczne, jak i pneumatyczne cieszą się wśród użytkowników dużą popularnością. Ponad połowa (55%) ankietowanych przyznała, że stosuje w swojej firmie uszczelnienia hydrauliczne, natomiast pozostali deklarują, że używają głównie uszczelnień pneumatycznych.

Popularne uszczelnienia hydrauliczne

Wśród uszczelnień wykorzystywanych w hydraulice najchętniej stosowane przez ankietowaną grupę są tzw. o-ringi (79%) oraz stosowane do uszczelniania elementów obrotowych – simmeringi (62%).

Uszczelnienie typu o-ring ma kształt torusa, czyli pierścienia o przekroju koła. Pierścień wykonany jest z materiału elastomerowego (gumy), odznaczającego się elastycznością i sprężystością. Pierścienie o-ring działają w sposób samoczynny i dwustronny. Dzięki zaciskowi wstępnemu, który działa promieniowo lub osiowo, możliwe jest zapewnienie szczelności przy braku ciśnienia. Pod wpływem działania ciśnienia powstaje całkowita siła uszczelniająca, która wraz z rosnącym ciśnieniem sukcesywnie się zwiększa.

Natomiast cieszące się dużym zainteresowaniem ankietowanych pierścienie o nazwie simmering wykonywane są z gumy usztywnionej metalową wkładką, a niekiedy obudowane blaszaną pokrywą. Pierścienie te pracują w zakresie temperatury od -30 do +110°C. Ich nadrzędnym zadaniem jest uszczelnianie elementów obrotowych, pracujących np. w oleju, smarze, paliwie lub wodzie.

Bardzo popularnymi wśród respondentów rozwiązaniami są także uszczelnienia tłoków (61%) oraz uszczelnienia tłoczysk (59%).

Uszczelnienia tłoków używane są w celu niedopuszczenia do wycieku płynów hydraulicznych.

Skutecznie blokują przeciek płynu z jednej strony tłoka na drugą. Osadzone są na tłoku, a ich zewnętrzna powierzchnia robocza styka się z wewnętrzną powierzchnią cylindra. W rezultacie możliwy jest wzrost ciśnienia po jednej stronie, co prowadzi do przesuwania się tłoka.

Natomiast uszczelnienia tłoczysk stosuje się do uszczelniania płynów hydraulicznych. Te z kolei osadzone są w dławnicy, a ich wewnętrzna powierzchnia robocza styka się z tłoczyskiem. Usz-czelnienia tłoczysk to efektywne rozwiązanie zapobiegające wyciekowi płynu z wnętrza cylindra na zewnątrz.

Zarówno uszczelnienia tłoków, jak i tłoczysk produkowane są głównie z takich materiałów, jak PTFE lub poliuretan. Tworzywa te charakteryzują się wyjątkowo dużą odpornością na zużycie, penetrację różnego typu mediów oraz znaczne wahania temperatury.

Innymi rodzajami uszczelnień hydraulicznych, popularnych wśród osób biorących udział w ankiecie, są pierścienie zgarniające, a także pierścienie prowadzące oraz oporowe.

Pierścienie zgarniające mocuje się w systemach uszczelniających cylindrów, aby nie dopuścić do osadzania się cząstek brudu, przedostawania się ciał obcych lub wilgoci z wysuniętych tłoczysk w momencie cofania do wnętrza cylindrów. Dzięki zgarniaczom płyn hydrauliczny jest chroniony przed wszelkimi zanieczyszczeniami. Pierścienie zgarniające doskonale radzą sobie z tak ważnym zadaniem, jakim jest zapobieganie uszkodzeniom pierścieni prowadzących, do których mogłoby dojść na skutek przedostania się ciał obcych. Omawiane pierścienie mogą być wykonane z metali, elastomerów lub poliuretanu, cechujących się niskim współczynnikiem tarcia i wysokim współczynnikiem odporności na zużywanie.

Wspomniane pierścienie prowadzące służą do prowadzenia tłoków lub tłoczysk w cylindrach hydraulicznych i absorbowania ewentualnych sił poprzecznych. Zadaniem tych uszczelnień jest usprawnienie funkcjonowania systemu uszczelniającego i niedopuszczenie do bezpośredniego niepożądanego kontaktu metalu z metalem.

Popularne uszczelnienia pneumatyczne

Uszczelnienia pneumatyczne to niezwykle ważne elementy pracy. Ich głównym zadaniem jest szczelne utrzymanie w systemie gazu pod określonym ciśnieniem. Żeby zapewnić efektywne i niezawodne uszczelnienie, uszczelki te rozprężają się i kurczą. Zadaniem uszczelnień pneumatycznych jest dodatkowo skuteczne odizolowanie systemu od otoczenia i penetracji ciał obcych, które mogą uszkodzić urządzenie.

W grupie uszczelnień pneumatycznych prym wiodą uszczelki tłoczysk, które zapobiegają wyciekom płynu z wnętrza cylindra na zewnątrz oraz uszczelki tłoków zapobiegające przepływowi płynu między przestrzeniami po obu stronach tłoka. Dzięki temu możliwe jest zwiększenie ciśnienia po jednej ze stron tłoka i wysunięcie bądź wsunięcie tłoczyska.

Zgodnie ze wskazaniami osób biorących udział w ankiecie na trzecim miejscu znalazły się uszczelki tłoczysk ze zgarniaczem (wykres 2).

Uszczelnienia pneumatyczne różnią się od hydraulicznych zarówno przeznaczeniem, jak i charakterem pracy. Dużą część elementów pneumatycznych, takich jak siłowniki oraz zawory rozdzielające, smaruje się smarem stałym, tak więc uszczelnienie musi przesuwać się po cienkiej warstwie środka smarnego w taki sposób, żeby go nie usunąć. W związku z tym uszczelnienie powinno mieć zaokrągloną krawędź oraz przywierać do uszczelnianej płaszczyzny jak największą powierzchnią. Inaczej wygląda sytuacja w przypadku uszczelnień hydraulicznych, w których kontakt między powierzchnią uszczelnienia a płaszczyzną powinien być jak najbardziej punktowy.

Na liście cech uszczelnień pneumatycznych najistotniejszych dla ankietowanych znalazły się głównie: trwałość i odporność na zużycie (83%), brak zjawiska „stick-slip” (28%), a także świetna rozciągliwość oraz elastyczność (14%).

Przede wszystkim jakość

Sondowana grupa podczas zakupu uszczelnień hydraulicznych czy pneumatycznych w pierwszej kolejności bierze pod uwagę takie czynniki, jak: jakość wykonania, cena oraz termin dostawy (wykres 1).

Zdaniem Dariusza Jopka, kierownika Działu Uszczelnienia w firmie Hennlich, przy doborze uszczelnień należy brać pod uwagę 3 aspekty: jakość, dostępność oraz cenę.

– Kolejność nie jest przypadkowa, gdyż cechą charakterystyczną dla uszczelnień jest fakt, że ich cena jednostkowa nie jest wysoka, porównując do kosztu obsługi serwisowej. Dlatego, szczególnie przy awariach, nie możemy sobie pozwolić na stosowanie uszczelnień niskiej jakości, gdyż powtórna naprawa i oczekiwanie na kolejne uszczelnienie niesie za sobą spore koszty – zarówno obsługi serwisowej, jak i postoju maszyny. Kryteria stosowane przy doborze uszczelnień są tak różne jak urządzenia, w których pracują. Decydujące znaczenie mają czynniki, które są najważniejsze w danej sytuacji. Technicznie głównymi kryteriami są: ciśnienie robocze, temperatura pracy i medium, które ma być uszczelniane. Znając te parametry, możemy dobrać odpowiedni profil uszczelnienia, jak również materiał, z jakiego ma być wykonane. Ekonomicznie o wyborze decyduje przeważnie jakość i dostępność, a przy mniej wymagających aplikacjach czasami tylko cena!

Około jedna trzecia osób uczestniczących w sondażu zwraca uwagę na parametry techniczne uszczelnień (np. ciśnienie, trwałość, wytrzymałość, odporność na czynniki środowiskowe) oraz na materiał, z którego są wykonane.

W opinii Dariusza Jopka rozwiązania technologiczne w produkcji uszczelnień zmieniają się w trybie ciągłym. Firmy produkcyjne wprowadzają coraz nowsze rozwiązania, głównie w temacie stosowanych materiałów. Są one bardziej odporne na temperaturę, zużycie mechaniczne czy określone środki chemiczne. Na przykład kauczuk perfluorowy FFKM to bardzo droga mieszanka, ale odporna na niemal wszystkie media chemiczne i wytrzymuje temperaturę od -30 do +310°C.

– W uszczelnieniach ważnym parametrem jest często elastyczność. Niektóre mieszanki kauczuku na bazie silikonu wytrzymują rozciąganie do ok. 1000 razy większe od wymiaru pierwotnego. Najczęstsze uszczelnienie typu o-ring występuje w kilkudziesięciu odmianach mieszanek, zależnie od zastosowania. Coraz częściej używa się oringów w powłoce ochronnej PTFE, zwanej popularnie FEP. Jest to połączenie elastyczności gumy z odpornością tworzywa. Sprawdzają się doskonale w aplikacjach chemicznych. Wyróżniają się bardzo dobrym stosunkiem jakości do ceny – tłumaczy Dariusz Jopek.

Co z trwałością?

Pragnąc dowiedzieć się, czy uszczelnienia pneumatyczne oraz hydrauliczne postrzegane są przez ankietowaną grupę jako produkty trwałe, poprosiliśmy o ocenę ich trwałości w skali od 1 do 5. Niespełna połowa (41%) osób oceniła ich trwałość na 4 punkty, 38% – na 3 punkty, a 11% zdecydowało się przyznać maksymalną liczbę punktów. Pozostała część respondentów uważa, że pod względem trwałości zasługują one na 2 punkty (7%) lub nawet na 1 punkt (3%).

Dla sondowanych osób trwałość uszczelnień wiąże się z takimi cechami, jak: wysoka jakość produktu, długa żywotność (wytrzymują założone ilości roboczogodzin) oraz niska awaryjność.

Natomiast grupa osób narzekających na trwałość uszczelnień zwraca uwagę przede wszystkim na następujące aspekty: przedwczesne zużycie, zbyt niska wytrzymałość na podwyższoną temperaturę oraz zanieczyszczenia, stosunkowo niska odporność na substancje chemiczne, a także częste występowanie nieszczelności.

Nie można zapomnieć o tym, że uszczelnienia często pracują w bardzo trudnych warunkach. W jakich skrajnych warunkach muszą pracować stosowane przez ankietowanych uszczelnienia? Zazwyczaj są to: wysoka temperatura (62%), duże obciążenia (52%), substancje agresywne (38%), niska temperatura (28%) oraz podwyższone prędkości (24%).

Niezawodność działania i trwałość uszczelnień zależą w znacznym stopniu od jakości i wykończenia uszczelnianej powierzchni współpracującej. Nacięcia, zadrapania, pory, ślady (np. spiralne) po obróbce maszynowej są nie do zaakceptowania. Trzeba być świadomym, że wyższe wymagania odnośnie do jakości wykończenia muszą być stawiane powierzchniom współpracującym w sposób dynamiczny niż tym, które współpracują w sposób statyczny.

Jak podkreśla Dariusz Jopek, uszczelnienia mogą być wykonywane na dwa sposoby. W większości przypadków jest to metoda wtrysku, wykorzystywana głównie do uszczelnień o standardowych kształtach i wymiarach, stosowana przez firmy produkcyjne, gdzie ilościowe zapotrzebowanie jest duże i przewidywalne. Koszt wykonania danej formy jest bardzo wysoki, sięgający kilkunastu tysięcy euro, ale przy produkcji masowej jest to inwestycja opłacalna. 

Wiele dużych firm ma w swojej ofercie uszczelnienia wtryskiwane. Z kolei druga metoda – obróbki skrawaniem – jest stosowana głównie do uszczelnień niestandardowych. Wykorzystana jest również do produkcji uszczelnienia w przerobionej, zregenerowanej zabudowie, w sytuacji gdy zapotrzebowanie dotyczy pojedynczych sztuk. Firmy dysponujące maszyną do produkcji uszczelnień są w stanie wyprodukować potrzebny element praktycznie w tym samym dniu, w którym przyszło zamówienie, co ma niebagatelne znaczenie przy naprawach awaryjnych.

Zastosowanie

Dzięki nowoczesnym technikom wytwarzania i najnowocześniejszym elastomerom uszczelnienia pneumatyczne znajdują bardzo szerokie zastosowanie. Używane są m.in. w telekomunikacji (przetwarzanie półprzewodników, filtry, siłowniki, robotyka, optyka), przemyśle papierniczym (walce ssące, listwy zgarniające, nacinarki, krajarki), transporcie (uszczelki drzwi, kontenery transportowe), przemyśle stoczniowym (iluminatory, pomosty wind, włazy ładunkowe) czy przemyśle tekstylnym (uszczelki drzwi komór ciśnieniowych, zaciskanie).

Natomiast uszczelnienia pneumatyczne, używane w zakładach sondowanych osób, pracują głównie w takich urządzeniach lub maszynach, jak: siłowniki, urządzenia dozujące produkty, sprężarki, pakowaczki, linie montażowe, maszyny tekstylne, podnośniki, instalacje pneumatyczne, maszyny formujące kształtki z EPS i XPS, obrabiarki CNC, podajniki rolkowe, automaty szklarskie, drukarki przemysłowe, ekstrudery, zawory, pozycjonery, klucze, nitownice pneumatyczne, amortyzatory, zespoły przygotowania powietrza.

Uszczelnienia hydrauliczne stosuje się również w wielu dziedzinach, m.in. w przemyśle maszynowym i elektromaszynowym, w urządzeniach hydraulicznych i pneumatycznych, w przemyśle motoryzacyjnym (np. w układach hamulcowych, instalacjach i urządzeniach gazowych), w maszynach rolniczych, budowlanych, instalacjach wodnych.

W odpowiedziach respondentów na temat maszyn i urządzeń, w których stosują uszczelnienia hydrauliczne, znalazły się m.in.: siłowniki, pompy, urządzenia dozujące produkty, młyny, przenośniki różnego rodzaju, windy, wtryskarki, maszyny tekstylne, maszyny spożywcze, obrabiarki CNC, drukarki oraz maszyny obróbcze (linie automatyczne, centra obróbcze).

Planowane wydatki

Z wykresu 3. wynika, że planowane wydatki na zakup uszczelnień hydraulicznych oraz pneumatycznych w ciągu najbliższych miesięcy nie ulegną zmianie (66%). Wpływ na tę sytuację mają następujące czynniki: stałe zapotrzebowanie na uszczelnienia, ustabilizowany poziom produkcji, brak planów powiększenia parku maszynowego oraz przeprowadzania większych remontów, systematyczność wymiany zużytych uszczelnień, posiadanie magazynu części zamiennych ze stanami minimalnymi itd.

Osoby deklarujące chęć zwiększenie zakupu ilości uszczelnień w przedsiębiorstwach mają w planach rozbudowę parku maszynowego oraz przeprowadzenie napraw. Z kolei na uszczuplenie budżetu przeznaczonego na zakup nowych uszczelnień wpływają: coraz wyższa jakość uszczelnień (dłuższa żywotność i mniejsze zużycie) oraz brak środków finansowych przeznaczonych na ten cel.

UR

Autor: Agata Grabowska