Uszczelnienia techniczne

Fot. SKF Polska

Stosowane są w celu zapobiegania powstawaniu nieszczelności i wycieku czynnika roboczego z przestrzeni roboczej urządzeń, a także zabezpieczenia tej przestrzeni przed szkodliwymi czynnikami zewnętrznymi, takimi jak pył czy wilgoć. Dostępne na rynku uszczelnienia cechuje różnorodność stosowanych rozwiązań technicznych i materiałowych.

Ze względu na przeznaczenie i pełnione funkcje uszczelnienia techniczne należą do podstawowych części maszyn i urządzeń. Właściwy dobór uszczelnień pozwala na długotrwałą i bezawaryjną pracę wszystkich podzespołów w nich występujących.

Jak podkreśla Marek Rybczyński, doradca techniczny w firmie TR Polska, produkty te odgrywają bardzo ważną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu maszyn. – Brak odpowiednich uszczelnień lub ich uszkodzenie może wpływać na wadliwość produktu finalnego wytwarzanego przez maszynę, a także nieustanne awarie i godziny postoju – tłumaczy ekspert z firmy TR Polska, w ofercie której znajdują się: uszczelnienia standardowe typu o-ring, uszczelnienia wałów typu simmering, a także zestawy uszczelnień do hydrauliki i pneumatyki oraz sznury o-ringowe.

W opinii Radosława Orłowskiego, kierownika ds. sprzedaży w firmie SKF Polska, uszczelnienia to bardzo ważna grupa produktów, ściśle powiązana z węzłami łożyskowymi oraz hydrauliką i pneumatyką. Stosowane są głównie w węzłach łożyskowych, siłownikach hydraulicznych i pneumatycznych, aplikacjach statycznych i doczołowych.

Uszczelnienia – od rozwiązań statycznych po dynamiczne

W zależności od tego, czy uszczelnienia techniczne współpracują z częściami maszyn, które poruszają się względem siebie, czy też nie, uszczelnienia dzieli się na: statyczne (nieruchome), semi-statyczne oraz dynamiczne (ruchome).

Typowymi przykładami uszczelnień statycznych, w przypadku których nie pojawia się ruch pomiędzy uszczelnieniem a powierzchniami z nim współpracującymi, są uszczelki płaskie i pierścienie uszczelniające o przekroju okrągłym (o-ringi). Do uszczelnień statycznych można zaliczyć także podkładki metalowo-gumowe, podkładki miedziane, sznury elastomerowe itd.

Uszczelnienia statyczne znajdują zastosowanie w napędach oraz sterowaniu hydraulicznym i pneumatycznym. Używane są powszechnie w przemyśle spożywczym, samochodowym oraz w maszynach rolniczych. Uszczelki statyczne są również stosowane w instalacjach rurowych w gazownictwie i instalacjach sanitarnych, a także w różnego rodzaju urządzeniach domowych i sprzęcie AGD.

Do uszczelnień semi-statycznych zalicza się mieszki i membrany. Uszczelnienia tego typu są powszechnie wykorzystywane w branży samochodowej, maszynowej oraz w rolnictwie. Służą do osłony drążków, linek i innych elementów, które muszą być chronione przed działaniem czynników zewnętrznych. Uszczelki występujące w postaci membran znajdują zastosowanie w reduktorach – ich zadaniem jest równoważenie ciśnień, a także w pompach – w celu przemieszczania pompowanego czynnika.

Jeśli chodzi o uszczelnienia dynamiczne, to korzystanie z nich ma na celu utrzymywanie środka smarnego, nieprzepuszczanie zanieczyszczeń, oddzielanie różnych substancji i wytrzymywanie różnicy ciśnień. Ze względu na rodzaj ruchu roboczego dzieli się je na uszczelnienia dynamiczne ruchu obrotowego oraz uszczelnienia dynamiczne ruchu posuwistego. Te ostatnie znajdują zastosowanie w siłownikach hydraulicznych i pneumatycznych. W tej grupie znajdują się przede wszystkim uszczelnienia tłoka i tłoczysk, a także inne uszczelnienia pełniące funkcje pomocnicze względem uszczelnień zasadniczych, takie jak pierścienie prowadzące oraz pierścienie zgarniające.

Z kolei uszczelnienia dynamiczne ruchu obrotowego można podzielić na wysokociśnieniowe oraz niskociśnieniowe. Wśród uszczelnień wysokociśnieniowych znajdują się rozwiązania z luzem (szczelinowe, labiryntowe) oraz kontaktowe (wargowe, kombinowane). Natomiast w grupie produktów niskociśnieniowych znajdują się np. uszczelnienia filcowe oraz ferromagnetyczne.

Cechy skutecznego uszczelnienia

Skuteczne uszczelnienie to takie, które spełnia następujące kryteria:

  • jest na tyle mocne, żeby wytrzymać występujące ciśnienia robocze;
  • pracuje z najniższym możliwym tarciem, generując minimalną ilość ciepła;
  • cechuje się maksymalną skutecznością przy jak najmniejszym zużyciu;
  • wykazuje odporność na powszechnie występujące substancje chemiczne;
  • jest odpowiednio elastyczne, dzięki czemu może skompensować wady wykończenia powierzchni;
  • może pracować w szerokim zakresie temperatury.

Skuteczne uszczelnienie to takie rozwiązanie, w którym istnieje równowaga pomiędzy szczelnością a stratami mocy. – Konstruktor uszczelnienia i jego nabywca, szczególnie w przypadku uszczelnień ruchowych, muszą znaleźć równowagę pomiędzy szczelnością a stratami mocy. Podwyższenie szczelności zmniejsza grubość filmu olejowego, a tym samym zwiększa współczynnik tarcia. Znany jest mi przypadek, kiedy konstruktorzy w uszczelnieniu wału przekładni celem zwiększenia pewności szczelności zastosowali dwa pierścienie uszczelniające typu AO. Moc tracona na wale dochodziła do kilku kW, co powodowało z kolei nagrzewanie wału i szybką degradację uszczelnień – mówi Wojciech Okularczyk, współwłaściciel/dyrektor ds. techniczno-handlowych w firmie TEST Systemy Uszczelniające.

Czynniki wpływające na wybór uszczelnienia

– Dobór profilu uszczelniającego i materiału, z którego wykonujemy rozwiązanie, jest uwarunkowany kilkoma czynnikami, z których najważniejsze to: typ ruchu, ciśnienie robocze, temperatura pracy, medium smarujące w układzie, prędkość liniowa. Mając podany rozmiar zabudowy oraz czynniki, jesteśmy w stanie zaprojektować oraz wyprodukować rozwiązanie techniczne dla klienta – mówi Radosław Orłowski. Zdaniem eksperta z firmy SKF Polska bardzo ważnym aspektem jest

stan techniczny urządzenia lub powierzchni uszczelnianych, ponieważ w przypadku uszkodzeń części metalowych zastosowanie nowych uszczelnień jest działaniem krótkotrwałym – nie gwarantuje długotrwałej pracy danego urządzenia.

Jeśli chodzi o wybór materiału na uszczelnienie, głównymi czynnikami, które należy wziąć pod uwagę – oprócz wspomnianego zakresu temperatur występujących w warunkach pracy – jest jego odporność na uszczelniane medium. Istotnymi parametrami, które należy uwzględnić przy doborze materiału, są także jego podstawowe własności fizykochemiczne, np.: wytrzymałość na zerwanie, twardość gumy związana z jej modułem sprężystości, wydłużenie względne przy zerwaniu, wytrzymałość na rozdzieranie, przepuszczalność gazów, odporność na ścieranie, odkształcenie trwałe przy ściskaniu oraz przewodnictwo elektryczne.

Jak widać, wybór odpowiedniego uszczelnienia nie jest prostym zadaniem. Z doświadczenia Wojciecha Okularczyka wynika, że największym problemem jest dobór najprostszych uszczelnień do cieczy militarnych oznaczanych przedrostkiem MIL-, ze względu na zakres temperatur stosowania. Asortyment elastomerów stosowanych jako uszczelnienia najprostsze (typu o-ring, OP, U) nie pokrywa z reguły pełnego zakresu temperatur roboczych układów hydraulicznych. To samo dotyczy zmienności uszczelnianych mediów. Przykładowo aceton, toluen, amoniak, olej hydrauliczny, para wodna wykluczają zastosowanie jakiegokolwiek elastomeru. Należy wtedy zastosować uszczelnienia z kompozytów PTFE, aktywowane sprężynkami stalowymi. Cena takich uszczelek jest wielokrotnie wyższa od cen uszczelek podstawowych.

Różne materiały – różne właściwości

Podstawowymi materiałami służącymi do produkcji uszczelnień i uszczelek są różnego rodzaju termoutwardzalne elastomery. Występują one w postaci surowych mieszanek gumowych przeznaczonych do zaprasowywania wyrobów w formach lub do wtrysku na wtryskarkach czy prasowtryskarkach. Inną grupę materiałów na uszczelnienia techniczne stanowią półprodukty, występujące w postaci profili i sznurów gumowych do klejenia albo w postaci płyt gumowych, z których wykrawane są uszczelki. Również niektóre tworzywa i wszelkiego typu materiały uszczelniające w postaci płyt przeznaczonych do wycinania są wykorzystywane do produkcji uszczelnień.

Uszczelnienia techniczne mogą być wytwarzane z różnego rodzaju elastomerów (m.in.: NBR, FPM/FKM, EPDM, AEM, SBR, CR, MVQ/VMQ i AU) oraz termoplastów (np. PU, PTFE i POM).

Na przykład uszczelki z kauczuku akrylonitrylowego (NBR) wykazują dużą odporność na niskie temperatury, a także są odporne na oleje i smary. W zależności od proporcji akrylonitrylu w materiale zmienia się odporność gumy na niskie temperatury oraz na oleje i smary. Większość uszczelnień stosowanych w hydraulice i pneumatyce jest wykonywanych na bazie NBR. Z uwagi na odporność na oleje uszczelnienia wytworzone z tego materiału są powszechnie stosowane m.in. w przemyśle maszynowym czy samochodowym.

Z kolei szczególną odpornością cieplną i chemiczną odznaczają się uszczelnienia wykonane z kauczuku fluorowego (FKM). Są odporne na ozon, promieniowanie ultrafioletowe, agresywne związki chemiczne, oleje oraz paliwa, a ponadto wykazują niewielką przepuszczalność gazów i minimalny spadek wagi w warunkach działania próżni. Co ważne, dzięki zawartości fluoru są one niepalne.

Niepalne są również uszczelnienia zrobione z kauczuku silikonowego (VMQ/MVQ). Poza tym są odporne na wysokie i niskie temperatury. Charakteryzują się także dobrymi własnościami dielektrycznymi, występowaniem niewielkich odkształceń trwałych przy ściskaniu oraz bardzo dobrą odpornością na tlen i ozon. W porównaniu z innymi elastomerami wykazują w temperaturze pokojowej większą przepuszczalność gazów. Z uwagi na to, że silikonowe uszczelnienia odznaczają się małą wytrzymałością na zerwanie i rozdzieranie oraz małą odpornością na ścieranie, nie nadają się do pracy ruchowej.

Natomiast uszczelki wytworzone z kauczuku etylenowo-propylenowego (EPDM) charakteryzują się wysoką odpornością chemiczną, a przy odpowiedniej stabilizacji – dobrą odpornością na czynniki atmosferyczne oraz na ozon. Dodatkowo są dobrymi izolatorami elektrycznymi.

Warto wspomnieć też o gumach poliuretanowych AU i EU, które ze względu na niezwykle dużą wytrzymałość, giętkość i elastyczność można klasyfikować pod względem własności pomiędzy elastomerami a termoplastami oraz duroplastami, cechują się bowiem bardzo dużą odpornością na ścieranie, na oleje, paliwa i ozon. Wyróżniają się też dość znacznym tłumieniem mechanicznym. Warto dodać, że AU ma nieco lepszą wodoodporność niż EU. Uszczelnienia wykonane z tych materiałów są stosowane w wysokociśnieniowej hydraulice siłowej oraz pneumatyce.

Do zalet uszczelnień wytworzonych z politetrafluoroetylenu/teflonu (PTFE) niewątpliwie należy doskonała odporność na działanie niemal wszystkich znanych pierwiastków i związków chemicznych. Teflon jest odporny na działanie warunków atmosferycznych i nawet po długotrwałej ekspozycji nie wykazuje zmiany właściwości. Bardzo istotną cechą teflonu jest najniższy, spośród znanych ciał stałych, współczynnik tarcia.

Wiele zalet wykazują też uszczelnienia wykonane na bazie polioksymetylenu (POM) – materiału zaliczanego do najmocniejszych tworzyw termoplastycznych, cechującego się bardzo dobrą trwałością kształtu, dobrym poślizgiem i odpornością na zużycie. Tego rodzaju uszczelnienia są stosowane głównie w tworzywowych elementach prowadzących, które wchodzą w skład zestawów uszczelniająco-prowadzących na tłok i tłoczysko w siłownikach hydraulicznych i pneumatycznych.

Oczywiście jest jeszcze wiele innych materiałów, z których wykonywane są uszczelnienia techniczne, jednak nie sposób ich wszystkich w tym artykule szczegółowo opisać. Warto natomiast wspomnieć o pewnych innowacyjnych rozwiązaniach. Jak zauważa Wojciech Okularczyk, nowością jest niewątpliwie zastosowanie polimerów konstrukcyjnych i kompozytów, których moduł Younga wynosi ok 20 000 MPa w temperaturze 20°C, a ich temperatura robocza dochodzi do 300°C.

Rynek uszczelnień

Według Radosława Orłowskiego rynek uszczelnień w Polsce jest bardzo zróżnicowany. Funkcjonują na nim firmy, które wykorzystują różne metody produkcji uszczelnień, przy czym najpopularniejszą z nich jest metoda produkcji formowej.

– Konkurencja w tej branży jest bardzo duża, biorąc pod uwagę wszystkie metody produkcji uszczelnień technicznych. Inaczej jest w przypadku produkcji metodą obróbki – w Polsce użytkowanych jest jedynie kilkadziesiąt maszyn produkujących uszczelnienia. Co istotne, firmy cały czas są zainteresowane tą metodą produkcji. Spowolnienie gospodarcze, które obserwowaliśmy na przełomie lat 2013 i 2014, zostawiło po sobie spory ślad, szczególnie w przypadku rozwiązań produkowanych metodą Seal-Jet, jednakże pewne segmenty przemysłu wykazują stałe oraz wzrastające zapotrzebowanie na uszczelnienia – zauważa przedstawiciel firmy SKF Polska.

Również światowy rynek uszczelek i uszczelnień technicznych wykazuje tendencję wzrostową. Według raportu GIA (Global Industry Analysts) rynek ten w 2020 r. osiągnie wartość 45,8 mld dolarów.

Jakie zmiany zachodzą obecnie na rynku uszczelnień? Otóż zdaniem Radosława Orłowskiego omawiany rynek nie jest w tej chwili zasypywany nowymi rozwiązaniami z obszaru techniki materiałowej. Natomiast jeżeli chodzi o przekroje profili, to ciągle ulegają one drobnym modyfikacjom dostosowanym do wymogów aplikacji klienta.

Przykładem są oferowane przez SKF Polska uszczelnienia obrotowe, wielkogabarytowe HSS (powyżej średnicy 250 mm) oraz uszczelnienia do opraw łożyskowych Taconite. HSS są wykonane w całości z kauczuku i zostały specjalnie opracowane do ochrony łożysk wielkogabarytowych pracujących w trudnych warunkach przemysłowych, np. w walcowniach, urządzeniach górniczych i turbinach wiatrowych. Zastosowano w nich dobrze sprawdzoną konstrukcję wargi uszczelniającej oraz nową koncepcję wzmocnienia, oferującą wysoką stabilność z zachowaniem korzyści, jakie niesie uszczelnienie wykonane w pełni z kauczuku, będące w stanie zniwelować niedoskonałości otworu oprawy.

Z kolei uszczelnienia takonitowe świetnie nadają się do pracy przy dużych obciążeniach, umożliwiając także dosmarowywanie. Gwarantują skuteczne uszczelnienie względem bardzo drobnoziarnistego minerału zwanego takonitem – stąd ich nazwa.

Na polskim rynku znajduje się wiele firm zajmujących się produkcją bądź dystrybucją różnego rodzaju uszczelnień technicznych. Można spośród nich wymienić np. firmę TEST Systemy Uszczelniające, która ma w swoim asortymencie uszczelnienia hydrauliczne, pneumatyczne, spoczynkowe oraz obrotowe. Wśród tych ostatnich można wyróżnić v-ringi – czołowe uszczelnienia wałów obrotowych, uszczelnienia obrotowe gumowo-tkaninowe dla przemysłu ciężkiego występujące pod nazwą Carcoseal, a także uszczelnienia MupuSeal, składające się z wielu uszczelek statycznych i dynamicznych. W ofercie firmy są również uszczelnienia o nazwie PUWO® – Pierścienie Uszczelniające Wałki Obrotowe, powszechnie nazywane simmeringami. Korpus uszczelnienia jest wykonany z blachy stalowej lub gumy wzmocnionej stalowym wkładem i połączony stopą z wargą uszczelniającą, dociskaną sprężyną do powierzchni uszczelniającej.

Bogatą ofertę uszczelnień ma do zaproponowania także firma Revo Seals, która od ok. 60 lat specjalizuje się w produkcji różnego typu uszczelnień technicznych i wyrobów gumowych. W jej asortymencie znajduje się ponad 70 różnych typów uszczelnień wykonywanych z ponad 120 specjalistycznych mieszanek. Firma oferuje uszczelnienia z gumy i tworzyw sztucznych dla przemysłu maszynowego, hydrauliki i pneumatyki, środków transportu, hutnictwa, górnictwa, rolnictwa, motoryzacji, AGD i armatury sanitarnej oraz innych branż.

Ważnym producentem uszczelnień technicznych dla hydrauliki siłowej i pneumatyki jest m.in. Przedsiębiorstwo Produkcyjno-Usługowe POLWENT. Firma wykorzystuje w procesie produkcji nowoczesne technologie wspomagane komputerowo oraz wykonuje dowolne rodzaje uszczelek hydraulicznych na podstawie przykładowego modelu lub rysunku. W ofercie firmy oprócz o-ringów gumowych i innych uszczelnień technicznych znajdują się też gumowe wyroby z formy.

Autorka: Agata Abramczyk jest absolwentką filologii polskiej o specjalności edytorskiej na Uniwersytecie Wrocławskim oraz studiów podyplomowych z zakresu redakcji językowej tekstu na Uniwersytecie Warszawskim. Od wielu lat związana jest z branżą dziennikarską i wydawniczą. Jest pasjonatką nowoczesnych technologii.

Tekst pochodzi z nr 6/2015 magazynu “Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.