Dobór uszczelnienia technicznego nie kończy się na dopasowaniu średnicy lub kształtu elementu. Znaczenie mają także rodzaj ruchu, medium robocze, temperatura, ciśnienie oraz obciążenia, ponieważ te warunki wpływają zarówno na typ uszczelnienia, jak i właściwości jego materiału. W praktyce decyzja może dotyczyć standardowego oringu lub simeringu albo wyrobu przygotowanego według wzoru czy rysunku technicznego.
Jak dobrać uszczelnienie techniczne do maszyny lub instalacji
Dobór uszczelnienia technicznego należy rozpocząć od opisu miejsca pracy i parametrów aplikacji, a nie od samej nazwy produktu. Uszczelnienia służą zapewnieniu szczelności układu maszyny lub instalacji i ochronie przed wyciekiem medium roboczego. Podobne urządzenia mogą wymagać różnych rozwiązań, jeśli pracują z innym medium, ciśnieniem lub obciążeniem.
Przed wyborem trzeba zebrać następujące dane:
- zastosowanie i geometria – rodzaj uszczelnianego połączenia, kształt oraz stan powierzchni współpracujących;
- ruch elementów – informacja, czy pozostają nieruchome, czy wykonują względem siebie ruch;
- medium robocze – jego rodzaj i agresywność chemiczna;
- temperatura – zakres temperatury medium oraz otoczenia;
- ciśnienie robocze – wartość, przy której uszczelnienie ma zachować szczelność;
- wymiary – między innymi średnica wału, tłoczyska lub gniazda, szerokość uszczelnienia oraz wymiary rowka;
- wymagania eksploatacyjne – oczekiwana trwałość, elastyczność i warunki montażu.
Wymiary najlepiej ustalać na podstawie rysunku technicznego albo dokładnych pomiarów elementu. W zależności od zastosowania potrzebne mogą być średnice powierzchni współpracujących, szerokość uszczelnienia oraz dane dotyczące gniazda lub rowka. Sama nazwa maszyny zwykle nie wystarcza do prawidłowego doboru.
Dopiero po zebraniu tych informacji można ocenić, czy zastosowanie znajdzie oring, simering, uszczelka płaska, uszczelnienie do hydrauliki siłowej lub rozwiązanie stosowane w pneumatyce. Weryfikacja danych w dokumentacji technicznej jest istotna także wtedy, gdy potrzebne jest uszczelnienie standardowe albo element wykonany według wzoru lub rysunku technicznego. Wśród dostępnych rozwiązań może znajdować się również uszczelnienie goetza, którego przydatność trzeba ocenić względem konkretnej aplikacji.
Uszczelnienia statyczne i dynamiczne a rodzaj ruchu
Podział na uszczelnienia statyczne i dynamiczne wynika z tego, czy uszczelniane elementy przemieszczają się względem siebie. Uszczelnienia statyczne pracują między nieruchomymi powierzchniami i mają zapobiegać wyciekom medium oraz przenikaniu czynników zewnętrznych. Stosuje się je między innymi w połączeniach instalacji rurowych, hydraulicznych i pneumatycznych, jeśli nie występuje w nich ruch uszczelnianych części.
- Uszczelnienia statyczne – obejmują między innymi uszczelki płaskie, oringi, x-ringi, podkładki metalowo-gumowe i sznury elastomerowe. Uszczelka płaska łączy dwie powierzchnie, natomiast oring pracuje w przygotowanym rowku. Oringi mogą być stosowane zarówno w połączeniach nieruchomych, jak i w wybranych układach ruchomych, dlatego o ich zastosowaniu decyduje sposób pracy całego połączenia.
- Uszczelnienia dynamiczne – współpracują z elementami pozostającymi w ruchu. Wyróżnia się uszczelnienia ruchu obrotowego, stosowane przy wałach i innych elementach obracających się lub oscylujących, oraz uszczelnienia ruchu posuwisto-zwrotnego, używane przy przemieszczających się tłokach, tłoczyskach i elementach siłowników.
- Uszczelnienia semi-statyczne – stosuje się tam, gdzie ruch jest ograniczony albo nieregularny. Należą do nich między innymi membrany i mieszki, które mogą chronić mechanizmy przed czynnikami zewnętrznymi.
Przy identyfikacji aplikacji najpierw trzeba ustalić, czy między częściami występuje ruch. Uszczelka płaska przeznaczona do nieruchomego połączenia nie jest rozwiązaniem dla wału lub tłoczyska, natomiast uszczelnienie dynamiczne nie jest konieczne w zwykłym połączeniu dwóch nieruchomych powierzchni.
Uszczelnienia do ruchu obrotowego i posuwisto-zwrotnego
Uszczelnienia dynamiczne dobiera się do sposobu przemieszczania się uszczelnianego elementu. W przypadku wału obracającego się stosuje się uszczelnienia obrotowe, natomiast tłoki i tłoczyska pracujące w siłownikach wymagają uszczelnień do ruchu posuwisto-zwrotnego.
| Rodzaj ruchu | Typowe rozwiązania | Zastosowanie |
|---|---|---|
| Obrotowy lub oscylacyjny | Simeringi i inne uszczelnienia wału | Wały oraz zespoły wymagające utrzymania środka smarującego i ograniczenia dostępu zanieczyszczeń |
| Posuwisto-zwrotny | Uszczelnienia tłokowe, tłoczyskowe, pierścienie prowadzące i taśmy prowadzące | Siłowniki hydrauliczne i pneumatyczne |
Uszczelnienia obrotowe stosuje się przy wałach, między innymi w zespołach wyposażonych w łożyska. Simering jest promieniowym uszczelnieniem wału i często ma metalowe wzmocnienie. Ogranicza wydostawanie się środka smarującego oraz przedostawanie się zanieczyszczeń do wnętrza mechanizmu.
Uszczelnienia posuwisto-zwrotne pracują w siłownikach hydraulicznych i pneumatycznych. Uszczelnienie tłokowe współpracuje z tłokiem i cylindrem, a uszczelnienie tłoczyskowe z tłoczyskiem przemieszczającym się przez głowicę siłownika. Pierścienie i taśmy prowadzące wspomagają prowadzenie ruchomych elementów siłownika. Tych rozwiązań nie dobiera się zamiennie z uszczelnieniami wału, ponieważ są przeznaczone do innego sposobu pracy.
Jak warunki pracy wpływają na wybór materiału uszczelnienia
Materiał uszczelnienia dobiera się do warunków pracy, a nie wyłącznie do kształtu elementu. Przed wyborem należy sprawdzić zgodność z konkretnym medium, zakres temperatury, wymaganą elastyczność, odporność na ścieranie oraz zdolność do utrzymania szczelności przy obciążeniach występujących w danym układzie. Te kryteria dotyczą zarówno uszczelnień statycznych, jak i elementów pracujących w ruchu.
| Materiał lub grupa materiałów | Właściwości uwzględniane przy doborze | Przykładowe wykonania |
|---|---|---|
| NBR | Dobra odporność na oleje, paliwa i smary hydrauliczne; zgodność trzeba potwierdzić dla konkretnego medium i parametrów pracy | Oringi i inne wyroby gumowe |
| EPDM | Odporność na warunki atmosferyczne, parę wodną i wodę; właściwości zależą od temperatury oraz rodzaju medium | Oringi i uszczelki gumowe |
| SBR | Dobór zależny od wymaganej elastyczności, odporności chemicznej, temperatury i obciążeń | Uszczelki gumowe |
| Silikon | Wysoka odporność termiczna i dobra kompatybilność chemiczna; należy sprawdzić zachowanie w konkretnym zastosowaniu | Oringi i uszczelki formowe |
| FKM/FPM (Viton®) | Odporność na wysoką temperaturę, oleje i chemikalia; wymaga weryfikacji zgodności z danym medium | Oringi i uszczelnienia formowe |
| PTFE, POM i PP | Tworzywa dobierane pod kątem odporności chemicznej, sztywności, elastyczności oraz warunków ruchu | Pierścienie i uszczelnienia specjalne |
| Materiały płytowe, klingeryt i filc | Możliwość wykonania uszczelki dopasowanej do konstrukcji; istotna jest wymagana podatność i szczelność | Uszczelki wycinane z płyt i materiały uszczelkarskie |
Podane właściwości nie oznaczają uniwersalnego zastosowania materiału. Na przykład odporność NBR na oleje nie potwierdza zgodności z każdym płynem roboczym, a odporność termiczna FKM/FPM nie zastępuje sprawdzenia reakcji materiału na konkretne medium. Przy jednoczesnym oddziaływaniu temperatury, chemikaliów, ścierania i obciążeń należy zweryfikować kartę materiału albo zastosować wykonanie specjalne, takie jak oring z powłoką FEP/PFA.
Temperatura, ciśnienie, media i obciążenia mechaniczne
Parametry robocze należy oceniać łącznie: ciśnienie i temperatura nie opisują całego obciążenia uszczelnienia. Do weryfikacji trzeba dołączyć rodzaj medium, charakter i prędkość ruchu, tarcie, ścieranie, geometrię powierzchni uszczelnianych oraz drgania i odkształcenia współpracujących elementów.
| Parametr | Co sprawdzić | Znaczenie dla doboru |
|---|---|---|
| Temperatura | Temperaturę medium i otoczenia oraz jej zmienność | Materiał powinien zachować elastyczność i szczelność w rzeczywistych warunkach pracy |
| Ciśnienie | Ciśnienie robocze i sposób jego zmian | Uszczelnienie musi mieć odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, aby ograniczyć deformację i utratę szczelności |
| Medium robocze | Rodzaj cieczy lub gazu, jego agresywność oraz kontakt z chemikaliami, wilgocią i pyłem | Zgodność materiału trzeba potwierdzić dla konkretnego medium i warunków otoczenia |
| Ruch i prędkość | Ruch statyczny, obrotowy lub posuwisty oraz prędkość przemieszczania | Parametry wpływają na tarcie i zużycie; przy szybkiej pracy znaczenie może mieć zastosowanie materiału o niskim współczynniku tarcia, np. PTFE |
| Obciążenia mechaniczne | Ścieranie, nacisk, drgania, rozciąganie i możliwe odkształcenia współpracujących elementów | Mogą wymagać wykonania o podwyższonej odporności mechanicznej oraz sprawdzenia geometrii powierzchni uszczelnianych |
Przy wysokim ciśnieniu trzeba ocenić nie tylko materiał, ale również konstrukcję uszczelnienia i geometrię układu. Uszczelnienia gumowo-tkaninowe są stosowane w aplikacjach wymagających odporności na wysokie ciśnienie; ich przydatność należy jednak potwierdzić dla konkretnego układu. Część uszczelnień technicznych jest także przeznaczona do pracy przy podwyższonej temperaturze, lecz nie zastępuje to weryfikacji parametrów medium i otoczenia.
Do zapytania technicznego należy dołączyć co najmniej temperaturę medium i otoczenia, ciśnienie robocze, rodzaj medium, charakter oraz prędkość ruchu, geometrię powierzchni uszczelnianych i występujące obciążenia mechaniczne. Taki zestaw informacji pozwala ocenić zgodność materiału i konstrukcji bez opierania doboru wyłącznie na wymiarze elementu lub nazwie medium.
Uszczelnienie standardowe czy wykonane pod wymiar
Standardowe uszczelnienie wystarcza, gdy dostępny element odpowiada geometrii gniazda, wymiarom oraz wymaganiom konkretnej aplikacji. Dotyczy to między innymi typowych oringów, simeringów i uszczelek płaskich wykonywanych w powtarzalnych rozmiarach. W takim przypadku nie ma potrzeby projektowania nowego kształtu.
Uszczelnienie wykonywane pod wymiar jest potrzebne przy niestandardowej grubości, kształcie lub średnicy, a także wtedy, gdy wymagany jest konkretny materiał, twardość albo konstrukcja wzmacniana. Na zamówienie mogą powstawać również uszczelki zakuwane, wzmacniane blachą stalową lub miedzianą.
| Rozwiązanie | Kiedy je wybrać | Dane potrzebne do wykonania |
|---|---|---|
| Element standardowy | Gdy katalogowy rozmiar i kształt odpowiadają gniazdu oraz wymaganiom aplikacji | Typ uszczelnienia, wymiary gniazda i wymagania materiałowe |
| Uszczelnienie według wzoru | Gdy istniejący element ma nietypową geometrię i można go przekazać do odwzorowania | Wzór, jego stan oraz informacje o zastosowaniu |
| Uszczelnienie według rysunku | Gdy kształt i wymiary są określone w dokumentacji technicznej | Rysunek z wymiarami i szczegółami wykonania |
| Wykonanie na podstawie parametrów | Gdy trzeba dopasować grubość, kształt, materiał, twardość lub odporność do określonej aplikacji | Wymagane parametry, geometria i informacje o zastosowaniu |
Uszczelki niestandardowe mogą być wycinane z płyt, obrabiane na ploterach CNC lub wykonywane z użyciem wulkanizacji ciśnieniowej. Metoda zależy od kształtu i rodzaju elementu. Do rozpoczęcia uzgodnień potrzebny jest wzór, rysunek techniczny albo dokumentacja określająca wymagane parametry; same zdjęcia mogą pomóc w identyfikacji, ale nie zastępują danych wymiarowych.
W przypadku uszczelek zakuwanych trzeba dodatkowo uzgodnić konstrukcję wzmacniającą i sposób wykonania. Standardowe elementy mogą być natomiast produkowane metodą wtrysku, jeśli ich kształt i wymagania odpowiadają rozwiązaniu katalogowemu.
Najczęstsze błędy przy doborze i eksploatacji uszczelnień
Błędy przy doborze uszczelnienia wynikają najczęściej z niepełnych danych o aplikacji. Sam wymiar, kształt lub nazwa handlowa elementu nie wystarczą, jeśli nie zostaną uwzględnione rodzaj ruchu, medium robocze, temperatura, ciśnienie oraz wymagania materiałowe. Przed wymianą należy porównać te informacje z dokumentacją maszyny lub instalacji i sprawdzić, czy wybrany materiał jest przeznaczony do danych warunków pracy.
Problemy mogą pojawić się także podczas przygotowania i montażu. Powierzchnie trzeba oczyścić z zabrudzeń, pyłu i pozostałości poprzedniego uszczelnienia oraz sprawdzić pod kątem zadziorów i nierówności. Element zakładany nieostrożnie może zostać skaleczony, skręcony lub nadmiernie rozciągnięty. Znaczenie mają również właściwe smarowanie, nacisk i luz montażowy, o ile wymagają tego konkretne rozwiązanie i aplikacja.
- Niepełne dane doboru: przed zamówieniem należy określić rodzaj ruchu, medium, temperaturę, ciśnienie, materiał oraz wymiary gniazda.
- Dobór wyłącznie po wymiarze: identyczna średnica lub grubość nie potwierdza zgodności materiałowej i użytkowej.
- Brak weryfikacji materiału: trzeba sprawdzić jego przeznaczenie w odniesieniu do medium i warunków pracy.
- Niewłaściwe przygotowanie powierzchni: przed montażem należy usunąć pył, zabrudzenia, resztki starego uszczelnienia i zadziory.
- Błędy podczas zakładania: trzeba kontrolować, czy element nie został skaleczony, skręcony, rozciągnięty lub ułożony z fałdami.
- Niewłaściwy nacisk, luz albo smarowanie: należy stosować parametry wymagane przez daną konstrukcję, zamiast kompensować opór nadmierną siłą.
- Pomijanie przyczyny wycieku: przy ponownej wymianie trzeba sprawdzić również gniazdo, element współpracujący i rzeczywiste warunki eksploatacji.
Sam wyciek nie wskazuje jednoznacznie, że przyczyną jest niewłaściwy element. Może wynikać także z uszkodzenia powierzchni, zabrudzeń, błędu montażowego albo pracy poza założonymi warunkami. Przed kolejną wymianą należy więc ocenić cały układ uszczelniający, a nie tylko zużyte uszczelnienie.
