Uszczelnienia techniczne w praktyce

Uszczelnienia techniczne są rozwiązaniami, które wpływają na żywotność poszczególnych części i podzespołów urządzenia, dzięki ograniczaniu utraty środków smarnych i ochronie przed zanieczyszczeniami. Pozwalają na wydłużenie czasu pracy łożysk i ich bardziej efektywne działanie. Dzięki odpowiednim kształtom i użytym materiałom mogą sprawdzać się w bardzo różnych warunkach eksploatacyjnych.

Dlaczego uszczelnienia techniczne są potrzebne?

Wszystkie elementy maszyn muszą radzić sobie z występującymi podczas ich pracy obciążeniami. Problemem bywa duża masa urządzenia, różnych jego podzespołów albo obsługiwanego materiału. Kłopoty sprawiają także oddziałujące warunki zewnętrzne temperatura, wilgotność, działające chemikalia czy zanieczyszczenia. Wpływ na stan poszczególnych części mają także wibracje czy pojawiające się udary. Czynnikiem, który powoduje najwięcej usterek, jest jednak nadmierne tarcie – wyjaśnia przedstawiciel firmy BAMART, zajmującej się dostarczaniem łożysk, pasów klinowych i środków smarnych.

Wzmożone tarcie pojawia się tam, gdzie mamy do czynienia z elementami ruchomymi, zwykle obracającymi się. Konstruktorzy w takich miejscach decydują się najczęściej na zastosowanie łożysk. Dzięki odpowiedniemu doborowi ich typu można wyeliminować większość problemów, jakie mogą się pojawić w związku z ruchem obrotowym. Łożyska są w stanie ograniczyć przenoszenie drgań i wibracji, a także zmniejszyć obciążenie termiczne. Ich największą zaletą jest jednak znaczące wydłużenie czasu pracy poszczególnych elementów.

Długa i bezawaryjna praca łożyska  wiąże się nierozerwalnie z zapewnieniem odpowiedniego smarowania. Dzięki cienkiej powłoce ochronnej ułatwiającej poślizg tworzonej na powierzchni współpracujących ze sobą metalowych elementów nie tylko zmniejsza się tarcie, ale również temperatura, drgania oraz wytwarzany hałas. W obracających się ze sporą prędkością elementach wyzwaniem staje się dostarczanie środka smarnego oraz utrzymanie go we właściwym miejscu.

Zadanie zabezpieczania łożysk przed utratą smaru wypełniają uszczelnienia techniczne. W większości przypadków odgrywają one dwojaką rolę. Poza uniemożliwianiem wycieku smaru czy oleju chronią wnętrze łożyska przed substancjami, które mogłyby wniknąć do środka. Jest to równie istotne, jak zapobieganie utracie środków smarnych. Zanieczyszczenia mogłyby uszkodzić elementy łożyska mechanicznie, a także zmienić właściwości używanego oleju lub smaru rozcieńczając go i zmieniając jego lepkość czy zdolność odbierania ciepła.

Uszczelnienia techniczne to jednak nie tylko ochrona przed przenikaniem różnych substancji. Muszą one być również odporne na uszkodzenia mechaniczne, w tym wydłużenie, zerwanie czy ścieranie, a także czynniki zewnętrzne: wysokie ciśnienie, podwyższoną temperaturę, a niekiedy także na działanie rozmaitych chemikaliów.

Uszczelnienia stykowe

Rodzaj zastosowanego uszczelnienia zależy od specyfiki warunków, w jakich będzie działało urządzenie, a także samej jego konstrukcji. Ważna będzie najczęściej odporność na temperaturę wywołaną szybkimi obrotami elementu ruchomego, zdolność do ochrony przed przenikaniem cieczy i pyłu, a także pojawiającymi się obciążeniami mechanicznymi. Liczyć będzie się również ilość dostępnego miejsca, a także łatwość wymiany elementu w razie potrzeby.

Do najczęściej stosowanych rodzajów uszczelnień należą konstrukcje zaliczane do tzw. stykowych. Oznacza to, że po zamontowaniu przylegają nie tylko do wewnętrznej powierzchni gniazda, w którym jest osadzone łożysko toczne, ale także do obracającego się wału. Zetknięcie się uszczelnienia z wałem prowadzi do tarcia, a zatem generowania podwyższonej temperatury oraz ścierania się samego uszczelnienia. Dla uniknięcia zbyt szybkiego zużycia również połączenie wału i uszczelnienia technicznego powinno być właściwie smarowane.

Uszczelnienia stykowe najczęściej są wykonywane z różnych rodzajów elastomerów, w wielu przypadkach wzmacnianych częściami metalowymi albo kompozytami. Dodatkowe elementy najczęściej odpowiadają za utrzymanie uszczelnienia w wybranej pozycji albo zapewniają mu zwiększona elastyczność.

Wśród typowych uszczelnień stykowych znajdują się uszczelki jednowargowe, gdzie szczelność zapewnia jeden element przylegający do wału, a także dwuwargowe, które posiadają dodatkowy pierścień osłaniający połączenie wału i uszczelki. Oferowane są również uszczelnienia wielowargowe, w których pierścieni o różnym profilu i umiejscowieniu może być więcej. Stosowane są także uszczelnienia typu „V” (v-ringi),  które wyróżniają się tym, że są osadzane na obracającym się wałku, a uszczelniają powierzchnię czołową gniazda, gdzie osadzone jest łożysko.

Często używanymi uszczelnieniami stykowymi są również simmeringi. Są one wyposażane w elementy dodatkowe z metalu, które dociskają część wykonaną z elastomeru do rowka znajdującego się w wewnętrznej części gniazda oraz do wałka. Popularnymi rozwiązaniami są też uszczelki w kształcie torusa zwane o-ringami. Zwykle charakteryzują się one bardzo wysoką sprężystością, jednak można z nich korzystać tylko tam, gdzie panują stosunkowo niewielkie obciążenia i ryzyko zanieczyszczenia. W bardziej wymagających aplikacjach istnieje możliwość wykorzystania uszczelnienia w postaci Q-ringu, który działając na podobnej zasadzie co o-ring ma dodatkową ochroną w postaci warg zarówno od strony gniazda, jak i wałka.

Uszczelnienia bezstykowe

Zupełnie inna filozofia działania wiąże się z uszczelnieniami bezstykowymi. W tym przypadku mamy do czynienia z uszczelnieniem, które składa się z dwóch elementów, z których jeden jest montowany do gniazda, a drugi do obracającego się wału. Między tymi częściami znajduje się wąska szczelina, która sprawia, że powierzchnie nie stykają się ze sobą. Pusta przestrzeń między częściami uszczelnienia ma jednak na tyle złożoną geometrię, że niemożliwe jest przedostawanie się przez nią zanieczyszczeń ani utrata środka smarnego.

Wśród uszczelnień bezstykowych popularnym rozwiązaniem charakteryzującym się brakiem tarcia jest uszczelnienie labiryntowe. W tym przypadku struktura szczeliny między elementami uszczelniającymi jest tak zaprojektowana, by przez kolejne załamania powierzchni nie mogły przeniknąć żadne substancje. Stosowane są zarówno w wariantach promieniowych, gdzie krzywa łamana wyznaczająca przebieg szczeliny biegnie równolegle do osi obrotu, jak i osiowych, kiedy jest ustawiona do niej prostopadle.

Poza uszczelnieniami labiryntowymi stosowane są także uszczelnienia olejowe. W tym przypadku elementem uszczelniającym jest poddawanie środka smarnego działaniu siły odśrodkowej, która zapobiega jego utracie, a jednocześnie nie dopuszcza do przedostawania się do wnętrza zanieczyszczeń.

Stosowanie odpowiedniego uszczelnienia technicznego daje możliwość zapewnienia właściwego smarowania i ochrony przed zanieczyszczeniami. Rodzaj zabezpieczenia powinien być zawsze dobrany do specyfiki zastosowania, inne będzie konieczne w przypadku ruchu obrotowego przy łożyskach czy posuwisto zwrotnego przy stosowaniu siłowników. Pod uwagę trzeba brać również ograniczenia  związane z występującą prędkością ruchu, obciążeniami i ich charakterem czy wymogami odnośnie do materiału, z jakiego ma być wykonane uszczelnienie.