Скручивание уплотнительного кольца: спиральное разрушение

Круглое кольцо в подвижном узле должно скользить по ответной поверхности целиком. Пока трение по всей окружности одинаковое, так и происходит. Когда на одном участке трение выше, этот участок прилипает к стенке, а соседние продолжают двигаться. Кольцо поворачивается вокруг оси своего сечения не везде, а местами, и по окружности возникает закрутка. Каждый ход добавляет немного угла. Резина держит закрутку, пока может, потом поверхность расходится косыми надрезами.

Кольцо одновременно скользит и катится

Справочник Parker по отказам колец описывает этот вид разрушения так: кольцо «зависает» в одной точке на стенке цилиндра и одновременно скользит и катится; повторная закрутка даёт спиральные надрезы, обычно под углом около 45° (Parker O-Ring Handbook, Spiral Failure). Там же отмечено, что чаще всего так отказывают кольца поршня в гидроцилиндрах с длинным ходом и реже кольца штока.

Скрученное кольцо часто ещё держит, поэтому течь появляется поздно. Окончательно оно рвётся, когда закрученный участок давлением вдавливает в острый угол зазора: разрыв уходит вглубь сечения, и через него начинается перетечка между полостями.

Спиральный след отличают от выдавливания и износа

Отказы колец в подвижных узлах похожи по результату, течи, но различаются по следу на резине. Цилиндр для осмотра разбирают, когда машина остановлена, рабочий орган опущен на упор, давление в гидросистеме или пневмолинии сброшено, а масло остыло; разборку ведёт допущенный слесарь. Кольцо вынимают целиком и смотрят при хорошем свете.

Простая проверка закрутки: на новое кольцо до сборки наносят маркером прямую линию по наружному диаметру. Если после нескольких десятков ходов линия ушла в спираль, кольцо скручивается в этом узле даже без видимых надрезов.

Длинный медленный ход даёт кольцу время провернуться

Чем длиннее ход, тем больше путь, на котором прилипший участок отстаёт от соседних. Чем ниже скорость, тем ближе трение к трению покоя, которое выше трения скольжения, и тем легче кольцу зацепиться. Поэтому круглое кольцо на поршне цилиндра с ходом в несколько сотен миллиметров и малой скоростью попадает в зону риска, а то же кольцо на коротком быстром клапане работает без проблем.

В пневматике это проявляется сильнее, чем в гидравлике. Сжатый воздух не смазывает, масло из маслораспылителя ложится неравномерно, а у цилиндров без смазки картина ещё хуже. По этой причине в длинноходовых пневмоцилиндрах на поршне обычно стоят манжеты, а круглые кольца оставляют для неподвижных стыков и коротких ходов.

Почему круглое кольцо скручивается в пневмоцилиндре?

Круглое уплотнительное кольцо в пневмоцилиндре скручивается чаще, чем в гидроцилиндре, потому что воздух не создаёт смазочной плёнки. Трение по окружности зависит от того, где осталась консистентная смазка или осело масло из маслораспылителя, и сухие участки прилипают к гильзе. При ходе поршня 300–800 мм и малой скорости, это пример типичного диапазона, закрутка успевает накопиться, поэтому такие поршни уплотняют манжетами.

Эксцентриситет и боковая нагрузка сжимают кольцо неравномерно

Если шток или поршень смещён к одной стороне, кольцо с этой стороны сжато сильнее, чем с противоположной. Разное сжатие даёт разное трение, и прилипает именно пережатый участок. Смещение возникает от изношенных направляющих колец, от боковой силы на шток, от изгиба штока и от овала гильзы. Широкий зазор вместе с боковой нагрузкой Parker называет отдельной причиной.

Направляющие проверяют первыми: их износ односторонний, и он виден по толщине ленты и полосе смятия. Как подобрать и заменить направляющие кольца гидроцилиндра, описано отдельно. Шток проверяют индикатором на биение при повороте, гильзу нутромером в двух перпендикулярных направлениях на нескольких глубинах. Если гильза изношена овалом, никакой профиль уплотнения не даст долгой работы, и начинают с ремонта цилиндра.

Смазка и шероховатость решают, где кольцо прилипнет

Сухое пятно на гильзе или штоке работает как тормоз для участка кольца, который по нему проходит. Неравномерная шероховатость действует так же: полированный участок соседствует с матовым, и кольцо на них ведёт себя по-разному. Риски от абразива или от неаккуратной сборки добавляют местные зацепы.

Для пневматики проверяют наличие маслораспылителя и подачу масла, для цилиндров без смазки состояние заводской консистентной смазки. Для гидравлики вязкость масла и его температура: на холодном пуске вязкое масло увеличивает трение и частота отказов растёт. Ответную поверхность смотрят на свет по всей длине хода, отдельно в зоне, где кольцо стоит при остановке.

Кольцо, перекрученное при сборке, рвётся по той же спирали

Часть «спиральных» отказов начинается не в работе, а на верстаке. Кольцо, которое протянули через канавку или затолкали в закрытую канавку без смазки, встаёт в узел уже закрученным, и первый же ход добавляет угол. Без перекрутки кольцо надевают по правилам монтажа уплотнительных колец, с нужными инструментами и смазкой. Отличие видно по наработке: перекрученное при сборке кольцо отказывает в первые часы, скрученное в работе служит недели и месяцы.

Какие кольца меньше скручиваются?

Меньше скручиваются уплотнительные кольца, которые не могут перекатываться в канавке. X-образное кольцо имеет четыре лепестка и опирается на стенки двумя гранями, поэтому встаёт в ту же канавку и не катится. Кольцо прямоугольного сечения тоже не катится, но даёт больше трения. Для длинных ходов ставят манжету. Твёрдость круглого кольца повышают до 80–90 Shore A, это ориентир для марок общего назначения.

Профиль, который не катится, решает задачу в той же канавке

Когда узел исправен, а кольцо всё равно скручивается, меняют геометрию уплотнения. Самый простой путь: X-образное кольцо того же размера в ту же канавку. Лепестки опираются на стенку в двух точках, контакт шире, и сечение не может повернуться. Сжатие у X-образного кольца меньше, его проверяют по размерам канавки.

Если канавку можно переделать, ставят манжету или комбинированное уплотнение из полиуретана и фторопласта с поджимным кольцом. Они рассчитаны на длинный ход и не скручиваются по устройству. Повышение твёрдости круглого кольца с 70 до 90 Shore A уменьшает закрутку, но поднимает трение и требует аккуратной сборки. Полиуретановое кольцо жёстче резинового и лучше держит форму сечения, но не годится для горячей воды и пара.

Претензию к кольцу собирают из фактов узла

Скрученное кольцо почти всегда выглядит как брак резины, и первая реакция ремонтной службы: «плохие кольца, вернуть». Но спиральное разрушение по своей природе указывает на узел, а не на смесь. Чтобы разговор с изготовителем шёл по существу, факты собирают до претензии и в одном письме.

Нужны фото кольца целиком и места разрыва крупно, с линейкой. Наработка в циклах или часах и сколько колец отказало из установленных. Номер партии и маркировка, чтобы отделить кольца разных поставок. Ход, скорость, давление и есть ли смазка или подготовка воздуха. Замер канавки и сечения кольца, нового и снятого. Состояние штока, гильзы и направляющих. Твёрдость нового кольца из той же партии и, если возможно, снятого. Форма письма и перечень приложений есть на странице о рекламации на РТИ.

Если по фактам узел исправен, а кольца из одной партии скручиваются, а из другой нет, предмет для разговора с изготовителем есть: твёрдость, размер сечения, качество поверхности. Если отказывают кольца всех партий одинаково, решение лежит в узле или в смене профиля.

Данные для замены круглого кольца в цилиндре

Для подбора замены нужны диаметр гильзы или штока, размеры канавки (диаметр дна, ширина, наличие защитных колец), ход и скорость, давление, рабочая среда и температура, фото разрушенного кольца. По этим данным предлагают X-образное кольцо или кольцо повышенной твёрдости в ту же канавку либо манжету, если канавку можно доработать. Уплотнительные кольца нестандартного размера и манжеты изготавливают по чертежу или образцу, а если цилиндр в спецтехнике, удобно сразу указать марку машины и узел. Если после замены профиля кольцо продолжает скручиваться, вернитесь к соосности: это сигнал, что цилиндру нужен ремонт.