Stlačený vzduch a hydraulický olej sú dve rôzne médiá. To znie samozrejme. Ale v praxi to znamená, že tesnenia pre pneumatiku a tesnenia pre hydrauliku nie sú zameniteľné, aj keď navonok vyzerajú takmer identicky. Zámennosť je jednou z najčastejších chýb pri údržbe priemyselných strojov.
Piestnicové tesnenie z hydraulického valca nainštalované do pneumatického aktuátora nebude tesnenie tesniť správne. Bude sa šmirgľovať, zahrievať a zlyhá skôr, ako si to ktokoľvek stihne všimnúť. Rozdiel nie je len v tlaku. Je to rozdiel v médiu, v spôsobe mazania, v rýchlosti pohybu, v type kontaminácie a v prioritách, ktoré konštruktér sleduje, keď volí profil a materiál tesnenia.
Ak hľadáte tesnenia pre pneumatické alebo hydraulické systémy a potrebujete poradiť pri výbere správneho materiálu alebo profilu, tesnenia od AFINIS Group® sú dostupné v sortimente viac ako 85 000 položiek pre priemyselnú údržbu, pričom pre atypické aplikácie je k dispozícii zákazková výroba v materiáloch NBR, EPDM, MVQ, FPM, PTFE a ďalších podľa požiadaviek konkrétnej prevádzky.
Hydraulika a pneumatika – dve rôzne tesniace výzvy
Hydraulické systémy pracujú s tlakom 70 až 420 bar. V niektorých špecializovaných aplikáciách aj výrazne viac. Médium je olej s viskozitou, ktorá prirodzene tvorí tesnení mazací film medzi tesniacou plochou a dynamickým prvkom. Tesnenia v hydraulike čelí predovšetkým tlaku. Vytlačenie materiálu do vôle spoja (extrúzia), strata rozmerových tolerancií pod tlakom a kompatibilita s olejom sú primárne problémy, ktoré konštruktér rieši.
Pneumatické systémy pracujú s tlakom typicky 0,5 až 8 bar. V bežnej priemyselnej automatizácii je štandardný prevádzkový tlak 5 až 7 bar. To je rádovo menej ako hydraulika. Médium je stlačený vzduch. Vzduch nemá viskozitu, neposkytuje mazací film a ak systém neobsahuje mazací agregát (FRL jednotka, Filter-Regulator-Lubricator), tesnenia bežia v podstate nasucho alebo v prostredí vlhkosti a kondenzátu.
To mení všetko. Pneumatické tesnenia nepotrebujú tlakový odpor vo vysokom rozsahu. Potrebujú nízke trenie, schopnosť bežať bez maziva, odolnosť voči rýchlemu cyklickému zaťaženiu a obranu pred prachom a vlhkosťou.
Číselné porovnanie hydrauliky a pneumatiky
| Parameter | Hydraulické systémy | Pneumatické systémy |
| Pracovný tlak | 70 až 420 bar (aj viac) | 0,5 až 8 bar |
| Médium | Hydraulický olej | Stlačený vzduch |
| Mazanie tesnenia | Olej tvorí mazací film | Suché alebo FRL lubrikácia |
| Rýchlosť pohybu | Stredná až vysoká | Vysoká až veľmi vysoká |
| Počet cyklov | Závisí od aplikácie | Tisíce až milióny cyklov |
| Hlavné riziko tesnenia | Extrúzia pod tlakom | Abrazívne opotrebenie bez maziva |
| Kontaminácia | Čiastice v oleji | Prach, vlhkosť, olej z kompresora |
| Primárna priorita tesnenia | Odolnosť voči tlaku | Nízke trenie, opotrebová odolnosť |
Typy pneumatických tesnení
Pneumatický valec alebo aktuátor nie je utesnený jedným tesnením. Je to zostava viacerých prvkov, kde každý rieši inú časť problému. Zámennosť jednotlivých typov vnútri zostavy spravidla nefunguje.
Piestové tesnenia
Piestové tesnenie (piston seal) oddeľuje tlakové komory na oboch stranách piestu pneumatického valca. Toto tesnenie umožňuje, aby vzduch tlačil na jednu stranu piestu a valec vykonával pohyb. Pre dvojčinné valce (double-acting) sú piestové tesnenia skonštruované tak, aby tesnili v oboch smeroch pohybu. Pre jednočinné valce (single-acting) stačí jednosmerné tesnenie.
Profily piestových tesnení zahŕňajú symetrické U-poháriky (U-cup symetrické), asymetrické U-poháriky a kompaktné trojdielne zostavy. Pre pneumatiku sú bežné aj kruhové profily s nízkou hrúbkou steny pre minimalizáciu trecia pri vysokorýchlostnom pohybe.
Piestnicové tesnenia
Piestnicové tesnenie (rod seal) tesnenie zachytáva vzduch pri výjazde piestnice z valca. Musí zároveň zabraňovať úniku tlakového vzduchu von a chrániť vnútorné priestory valca pred vniknutím nečistôt zvonku.
Pre vysokorýchlostné pneumatické valce je trenie piestnicového tesnenia priamo spojené s výkonom celej zostavy. Každý zbytočný Newton trecieho odporu spomaľuje odozvu aktuátora a zvyšuje spotrebu vzduchu.
Stierače
Stierač (wiper alebo scraper) je sekundárne tesnenie na vonkajšej strane hlavy valca. Jeho úloha nie je udržať tlak, ale odstraniť prach, nečistoty a vlhkosť z povrchu piestnice pri každom zasunutí späť do valca.
Toto je komponente, na ktorý sa pri údržbe pneumatiky zabúda. Ak stierač neplní funkciu, nečistoty sa dostávajú k piestnicovému tesneniu a skracujú jeho životnosť mnohonásobne. Pri aplikáciách v zaprášenom prostredí, v obrábacích dielňach alebo v exteriéri je stierač rovnako dôležitý ako piestnicové tesnenie samotné.
Vankúšové tesnenia (cushion seals)
Pneumatické valce pri vysokej rýchlosti pohybu generujú na konci každého zdvihu rázovú záťaž. Piest naráža do čela valca s kinetickou energiou, ktorá by bez tlmenia ničila konštrukčné časti. Vankúšové tesnenia (cushion seals) absorbujú časť tohto rázu tím, že uzatvárajú vzduchový vankúš v poslednej časti zdvihu a spomaľujú pohyb piestu pred nárazom. Sú bežnou súčasťou rýchlych pneumatických valcov v automatizácii baliacich liniek.
Vodiace krúžky
Vodiace krúžky (guide rings alebo guide bands) netesnia. Vedú piestnicí a piest v osi valca a zabraňujú kontaktu kovu o kov pri bočnom zaťažení. Bez vodiacich krúžkov by radiálna sila deformovala tesnenia a dramaticky skrátila ich životnosť. Vyrobené sú z technických plastov s nízkym koeficientom trenia: POM, PA, PE 1000 alebo z kompozitov.
O-krúžky v pneumatike
O-krúžky v pneumatických systémoch tesnenia statické spoje: hlavy valcov, prípojky, rozvodné bloky a armatúry. Pre statické pneumatické aplikácie je NBR 70 Shore A štandardnou voľbou. Pre aplikácie s kondenzátom, vlhkosťou a bez kontaktu s olejom sa odporúča EPDM.
Materiály pneumatických tesnení
Výber materiálu pre pneumatiku sa riadi inými kritériami ako pre hydrauliku. Tlak nie je primárnym parametrom. Dôležitejšie sú trenie, wear rate pri suchom behu a kompatibilita s vlhkosťou.
NBR s interným lubrikantom je najrozšírenejší materiál v štandardnej priemyselnej pneumatike. Výrobcovia do NBR kompoundov pre pneumatiku pridávajú interné lubrikačné aditíva, ktoré znižujú trenie pri suchom alebo polosuchom pohybe. Teplotný rozsah −40 °C až +100 °C pokrýva väčšinu priemyselných podmienok.
EPDM je vhodnou voľbou pre pneumatické systémy pracujúce s kondenzátom, vodnou parou alebo vlhkosťou bez obsahu oleja. EPDM v kontakte s olejom z kompresoru napúča. Tento problém sa v praxi vyskytuje v systémoch, kde dochádza k priesaku kompresora oleja do siete stlačeného vzduchu.
PTFE s plnivami je materiál pre náročné pneumatické aplikácie s vysokými rýchlosťami a minimálnym mazaním. Plnivá menia vlastnosti čistého PTFE. PTFE s uhlíkovými vláknami zvyšuje pevnosť a wear odolnosť. PTFE s MoS₂ zlepšuje klzné vlastnosti pri suchom behu. Pre pneumatiku sa PTFE používa predovšetkým v piestnicových tesneniach a vodiacich krúžkoch, kde nízky koeficient trenia priamo ovplyvňuje rýchlosť a citlivosť aktuátora.
MVQ (silikon) pokrýva teploty od −60 °C do +200 °C. V pneumatike sa používa tam, kde teplota vzduchu alebo okolitého prostredia prekračuje rozsah NBR. Silikon má slabú odolnosť voči abraze, preto nie je vhodný pre vysokorýchlostné dynamické aplikácie s dlhou životnosťou.
POM a PA (polyacetál a polyamid) sa používajú pre vodiace krúžky a tuhé konštrukčné prvky. Nie sú to tesniciace materiály v pravom zmysle, ale sú neoddeliteľnou súčasťou každého pneumatického valca s piestom.
Mazanie pneumatických tesnení a FRL jednotka
Toto je jeden z aspektov pneumatiky, ktorý sa pri projektovaní systémov podceňuje. Stlačený vzduch z kompresora je suchý. Pre tesnenia to znamená chod bez maziva, vyššie trenie a rýchlejšie opotrebenie.
Priemyselné systémy používajú FRL jednotky. FRL je skratka pre Filter (vzduchový filter), Regulator (regulátor tlaku) a Lubricator (olejový lubrikátor). Lubrikačná časť vstrekuje jemný olejový aerosol do prúdu stlačeného vzduchu. Tento olej sa dostáva k tesniacim plochám a výrazne predlžuje životnosť tesnení.
Nie každá aplikácia FRL lubrikáciu umožňuje. Potravinárske linky, farmaceutická výroba a niektoré robotické systémy pracujú s olejom nekompatibilným s technológiou. Pre tieto aplikácie existujú tesnenia z materiálov schopných dlhodobého suchého behu: predovšetkým plnený PTFE a NBR s obsahom interného lubrikácie.
Ďalším zdrojom problémov je olej z kompresora. Moderné bezmazné kompresory tento problém nemajú. Staršie olejové kompresory môžu uvoľňovať olej do siete stlačeného vzduchu. Ak je tento olej nevhodný pre materiál tesnení, dochádza k napučaniu. V praxi to vyzerá tak, že po výmene tesnení za štandardné NBR valec opäť po týždni prestane fungovať.
Kde sa pneumatické tesnenia používajú
Pneumatika dominuje všade tam, kde sú potrebné rýchle, opakované pohyby s relatívne nižšou silou. Hydraulika nastupuje tam, kde je potrebná vysoká sila a presnná rýchlostí riadenie.
Automatizácia a montážne linky sú klasickým prostredím pre pneumatiku. Každý pneumatický aktuátor, gripper, ventil alebo rotačný pohon obsahuje tesnenia. Stroj v automobilovom závode vykoná sto tisíc zdvihov mesačne. Životnosť tesnenia v takejto aplikácii sa meria v miliónoch cyklov.
Baliarenský a potravinársky priemysel kladie na pneumatické tesnenia ďalšiu požiadavku: materiálová kompatibilita s potravinami. FDA 21 CFR a nariadenie EU 10/2011 definujú, ktoré materiály smú prísť do kontaktu s potravinami. PTFE čistý a EPDM s príslušnými certifikáciami sú v tomto prostredí štandardnou voľbou.
Farmaceutická výroba a medicínska technika idú ešte ďalej. Okrem potravinárskej certifikácie vyžadujú USP Class VI biokompatibilitu. MVQ (silikón) a PTFE sú typickými materiálmi pre plniace linky liečiv, sterilizačné zariadenia a chirurgické nástroje.
Textilná výroba používa pneumatiku masívne pre pohon tkacích strojov, rezacích zariadení a transportu materiálu. Prach z textilných vlákien je agresívnym abrazívom pre tesnenia. Stierače v týchto aplikáciách pracujú tvrdo a musia byť dimenzované na krátke servisné intervaly.
Tlačiarenský a papierenský priemysel kombinuje rýchle pohyby s vlhkosťou a papierovým prachom. EPDM alebo NBR s odolnosťou voči vlhkosti sú tu bežnou voľbou.
Manipulácia so sklom a keramikou kladie požiadavku na tesnenia fungujúce bez maziva, pretože akýkoľvek olej poškodzuje povrch materiálu. Plnený PTFE alebo silikon sú jedinou rozumnou voľbou.
Robotika a kooperatívne roboty (coboty) sú rastúci segment. Nízke rozmery valcov, vysoká frekvencia pohybu a požiadavka na minimálne trenie (pre presnosť polohovania) zvýhodňujú PTFE tesnenia oproti štandardnému NBR.
Prečo pneumatické tesnenia zlyhávajú
Pre pneumatiku platia iné dominantné príčiny porúch ako pre hydrauliku. Tlak nie je hlavný problém. Abrázia, kondenzát a chýbajúce mazanie sú oveľa častejšie príčiny, ako by servisný technik čakal.
Suchý beh bez mazania je najčastejšia príčina rýchleho opotrebenia tesnenia v pneumatike. Ak FRL lubrikátor nie je nastavený správne alebo je vyprázdnený, tesnenia bežia nasucho. Teplota stúpa, NBR tuhne a po niekoľkých hodinách sa objaví únik vzduchu.
Kondenzát v sieti stlačeného vzduchu spôsobuje dva problémy. Pre NBR tesnenia je voda relatívne neproblematická pri krátkodobom kontakte. Pre NBR tesnenia v systéme so stálou vlhkosťou sa zvyšuje riziko degradácie. Ak systém obsahuje aj olej z kompresora, emulzia kondenzátu a oleja môže byť aktívne agresívna pre elastoméry. Správny filter FRL jednotky s automatickým odvodnením tento problém eliminuje.
Kontaminácia prachom a abrazívnymi časticami skrátí životnosť stierača na minimum. Stierač bez funkčnej tesniacej hrany nepomôže a prach sa dostáva k piestnicovým tesneniam. Riešením je vyšší výkon stierača alebo pridanie sekundárneho prachového tesnenia.
Olej z kompresora nekompatibilný s materiálom tesnenia je zákerný problém, pretože valec funguje normálne niekoľko dní alebo týždňov, potom tesnenia napučí, výkon klesne a valec sa zasekne. Zámenou kompresora alebo použitím tesnení z kompatibilného materiálu (FKM pre oleje s vysokým obsahom aditivov) je problém trvalé vyriešiteľný.
Príliš vysoká rýchlosť cyklovania bez dostatočného tlmenia na konci zdvihu generuje rázy. Vankúšové tesnenia absorbujú časť energie, ale ak je valec prevádzkovaný nad výrobcovými hodnotami, vankúšový efekt nestačí. Konštrukcia valca alebo riadenie rýchlosti pohybu sú v tomto prípade správnym riešením, nie len výmena tesnení.
Normy pre pneumatické valce a tesnenia
Pneumatické valce sú štandardizované podľa niekoľkých noriem, ktoré určujú aj rozmery tesnení. ISO 6432 pokrýva miniaturné pneumatické valce s priemerom piestu 8 až 25 mm. DIN ISO 15552 (predtým DIN 24334) je hlavná norma pre štandardné pneumatické valce s prírubovým uchytením. VDMA 24562 je európska norma pre kompaktné pneumatické valce.
Tieto normy nepriamo definujú rozmery drážok tesnení a zástavby komponentov. Ak je tesnenie objednávané ako náhradný diel do normatívneho valca, postačuje identifikácia typu valca a piemeru piestu. Pre atypické valce alebo importované zariadenia bez dokumentácie je nutné zmerať existujúce tesnenie.
Skladové tesnenia vs. zákazková výroba pre pneumatiku
Väčšina priemyselných pneumatických valcov používa normové rozmery tesnení. Tie sú bežne dostupné zo skladového sortimentu.
AFINIS TRADE® ponúka tesnenia pre hydrauliku a pneumatiku ako súčasť viac ako 85 000 položiek. Pre nestandardné rozmery, špeciálne materiálové kombinácie alebo expresnú náhradu je k dispozícii AFINIS EXPRESS®, kde sú piestnicové a piestové tesnenia pre pneumatiku vyrábané v materiáloch NBR, EPDM, MVQ, FPM, PTFE čistý, PTFE MoS₂ a ďalších, a to od prototypov po série.
Keď valec v automatizovanej linke prestane fungovať a záhradné tesnenie nie je skladom, každá hodina odstávky má priamu cenu. Expresná výroba v priebehu niekoľkých hodín je v takej situácii podstatne lacnejšia ako prestoj celej linky.
Na čom záleží pri výbere pneumatického tesnenia
Voľba pneumatického tesnenia nie je komplikovanejšia ako voľba hydraulického. Je len iná. Médium, tlak, rýchlosť, prostredie a norma valca sú päť parametrov, ktoré vedú k správnej kombinácii profilu a materiálu.
NBR s interným lubrikantom vydrží vo väčšine štandardných priemyselných pneumatických valcov roky bez problémov, ak je FRL jednotka správne nastavená a vzduch je čistý. PTFE nastupuje pri vysokých rýchlostiach, suchom behu alebo chemicky náročnom prostredí. EPDM je voľbou pre kondenzát a vodnú paru bez olejovej kontaminácie.
Zámennosť pneumatických a hydraulických tesnení vyzerá lákavo, keď sú rozmery zhodné. V praxi to takmer nikdy nevyjde dobre.
