Ako fungujú hriadeľové tesnenia (guferá) a prečo zlyhávajú

Rozmerovo ide o drobné súčiastky, no pre chod strojov majú zásadný význam. Nájdete ich v každom spaľovacom motore, prevodovke, čerpadle, hydraulickom pohone aj priemyselnom stroji s rotujúcim hriadeľom, spravidla nie jeden kus, ale celé desiatky. Ich úloha znie na prvý pohľad triviálne, teda udržať mazivo vnútri zariadenia a nepustiť dnu nečistoty zvonka.  

V skutočnosti však ide o tribologicky náročné diely, ktorých spoľahlivosť stojí na súčinnosti viacerých parametrov naraz. Zlyhanie gufera pritom nekončí pri obyčajnom úniku oleja. Nedostatočne mazané ložiská a hriadele sa opotrebúvajú, prienik nečistôt likviduje hydraulické komponenty a každá neplánovaná odstávka vyjde mnohonásobne drahšie než preventívna výmena tesnenia.

Ak riešite spoľahlivého dodávateľa hriadeľových tesnení pre priemyselnú údržbu alebo zákazkovú výrobu, tesnenie na mieru AFINIS Group® pokrýva celú šírku potrieb, od skladového sortimentu s viac ako 85 000 položkami v rámci AFINIS TRADE® až po expresnú zákazkovú výrobu rotačných tesnení v rozličných materiálových vyhotoveniach prostredníctvom AFINIS EXPRESS®.

Čo je hriadeľové tesnenie a pod akými názvami ho nájdete

Pre hriadeľové tesnenie sa v praxi ustálilo hneď niekoľko pomenovaní, ktoré v slovenčine fungujú ako synonymá. Najbežnejšie hovorové označenie je gufero, odvodené z nemeckého „Gummifeder”, teda gumová pružina. Normovaný technický názov znie radiálne hriadeľové tesnenie, prípadne radiálne perové tesnenie. V medzinárodnom prostredí sa najčastejšie stretnete s anglickým oil seal, s obchodnou známkou Simmerring® (registrovaná ochranná známka spoločnosti Freudenberg Sealing Technologies, ktorá sa dnes stala jedným z najrozšírenejších pomenovaní pre celú kategóriu), ako aj s výrazmi radial lip seal alebo radial shaft seal.

Z hľadiska noriem sú hriadeľové tesnenia zadefinované medzinárodnou normou ISO 6194 a nemeckými normami DIN 3760 a DIN 3761, ktoré sú v stredoeurópskej praxi historicky zaužívané.

Ako je gufero postavené

Na prvý pohľad pôsobí gufero jednoducho, jeho konštrukcia je však plodom dlhého vývoja tesniacej techniky. Prvé moderné radiálne hriadeľové tesnenie vzniklo na sklonku druhej svetovej vojny, keď kožu ako materiál tesniacej hrany vystriedala nitrilová guma. Od 50. rokov 20. storočia sa presadilo priame vulkanizačné spojenie gumy s kovovým puzdrom a práve táto koncepcia, len s drobnými úpravami, vydržala až do súčasnosti.

Štandardné gufero tvoria štyri hlavné funkčné časti.

Kovové puzdro (výstuž) predstavuje tuhú nosnú kostru tesnenia. Drží presný rozmer vonkajšieho priemeru pre nalisovanie do lôžka, zabezpečuje tvarovú stabilitu a prenáša lisovacie sily. Vyrába sa z oceľového plechu, pre korozívne prostredia z mosadze alebo nerezu.

Tesnenie vonkajšieho priemeru rieši statické utesnenie medzi vonkajším povrchom gufera a stenou lôžka. Býva buď kovové so suchým nalisovaním, alebo pogumované s gumovým plášťom, ktorý zlepší tesnosť aj v lôžku s drobnými nerovnosťami povrchu.

Tesniaci lem (tesnenie hriadeľa) je funkčne najpodstatnejším prvkom. Ide o elastomérový lem s presne tvarovanou geometriou hrany, ktorý dosadá na povrch rotujúceho hriadeľa. Uhol tesniacej hrany je na olejovej strane strmší než na strane vzduchu a práve toto asymetrické rozloženie kontaktného tlaku tvorí základ celého tesniaceho mechanizmu.

Tesniaca pružina (garter spring) je špirálová prítlačná pružina uložená za tesniacou hranou. Po celú životnosť tesnenia drží konštantný radiálny prítlak hrany na hriadeľ a vyrovnáva jednak tepelné rozťahovanie materiálu, jednak postupnú stratu pružnosti gumy pri starnutí. Štandardne ide o prúžok z uhlíkovej ocele s obsahom uhlíka 0,6 až 0,9 %, pri špeciálnych aplikáciách sa siaha po nehrdzavejúcej oceli.

Prachový lem je sekundárny lem na vzduchovej strane, ktorý majú len niektoré typy gufer. Jeho úlohou nie je zadržať mazivo, ale zabrániť tomu, aby sa k hlavnému tesneniu dostali hrubé nečistoty, prach a vlhkosť.

Ako gufero tesní rotujúci hriadeľ

Princíp činnosti hriadeľového tesnenia je pekným príkladom pasívneho hydrodynamického efektu. Gufero nezastavuje olej iba mechanickým tlakom. Správa sa ako mikročerpadlo, ktoré olej aktívne pumpuje späť na mazanú stranu.

Celý dej prebieha nasledovne. Asymetrický profil tesniacej hrany rozloží v kontaktnej zóne tlak tak, že maximum leží na olejovej strane a smerom k vzduchu plynulo klesá. Tento tlakový gradient je prvým predpokladom pumpovacieho účinku.

Medzi povrchom rotujúceho hriadeľa a tesniacou hranou zostáva tenký film maziva s hrúbkou niekoľkých mikrometrov. Bez neho sa tesnenie nezaobíde. Nasucho by trenie spálilo tesniacu hranu už za pár minút, a preto sa gufero nikdy nesmie montovať bez namazania a nesmie pracovať bez dostatočnej zásoby maziva.

Otáčanie hriadeľa deformuje mikroštruktúru povrchu tesniacej hrany. Na gume vznikajú mikroskopické záhyby (asperity), ktoré sa natáčajú šikmo voči osi rotácie. V spojení s tlakovým gradientom vytvárajú smerovaný hydrodynamický efekt, ktorý olej smerujúci na vzduchovú stranu priebežne vracia späť k mazivu.

Plný tesniaci účinok gufero získa až po zábehovej fáze, počas ktorej sa mikroštruktúra tesniacej hrany prispôsobí geometrii hriadeľa. Po výmene sa preto v prvých hodinách prevádzky odporúča sledovať mierne zvýšený únik, ktorý by mal postupne sám ustúpiť.

Typy hriadeľových tesnení

Guferá sa odlišujú konštrukciou, počtom tesniacich lemov, použitým materiálom aj vyhotovením vonkajšieho priemeru.

Jednolemové gufero (single lip) je základné vyhotovenie určené na zadržanie maziva tam, kde sa nevyžaduje ochrana pred vonkajšími nečistotami.

Dvojlemové gufero (double lip) kombinuje primárny lem na zadržanie maziva so sekundárnym lemom proti prachu a vlhkosti. Býva štandardnou voľbou pre zariadenia v zaprášenom alebo vlhkom prostredí.

Guferá s hydrodynamickými prvkami majú na tesniacej hrane vlnkovanú alebo špirálovo drážkovanú geometriu, ktorá zrýchľuje a zintenzívňuje pumpovací efekt. Hodia sa pre vysoké otáčky a náročné podmienky, kde bežné gufero nestačí.

Guferá s pogumovaným vonkajším priemerom nesú gumový plášť na vonkajšom povrchu kovového puzdra. Vyrovnávajú drobné nerovnosti lôžka, zlepšujú statické utesnenie a odbúravajú potrebu nanášať pri montáži tesniacu pastu.

PTFE guferá majú tesniaci lem z polytetrafluóretylénu namiesto elastoméru. PTFE ponúka mimoriadne nízky koeficient trenia, odolnosť voči takmer všetkým chemikáliám a schopnosť pracovať aj nasucho. Nevýhodou je chýbajúca pružnosť, a tak PTFE guferá vyžadujú odlišnú geometriu zástavby a dôkladnejšie pripravený hriadeľ.

Materiály gufer a kedy siahnuť po ktorom

Výber materiálu tesniacej hrany je rovnako dôležitý ako voľba správneho konštrukčného typu. Materiál rozhoduje o teplotnom rozsahu, chemickej znášanlivosti aj životnosti.

AFINIS EXPRESS® vyrába rotačné hriadeľové tesnenia z elastomérov NBR, NBR73, H-NBR, FPM, FPM73, EPDM a MVQ, pričom odborne vyškolení pracovníci zákazníkovi poradia, ktoré materiálové vyhotovenie je pre danú aplikáciu optimálne.

Aký musí byť povrch hriadeľa

Povrch hriadeľa v mieste dosadania gufera rozhoduje o životnosti tesnenia rovnako ako samotné gufero. Nevhodná drsnosť, tvrdosť či geometria hriadeľa patria medzi hlavné príčiny predčasného zlyhania.

Drsnosť povrchu v kontaktnej zóne sa musí pohybovať v rozmedzí Ra 0,2 až 0,8 µm (Rz 1 až 4 µm). Priveľmi hladký povrch pod Ra 0,2 µm neumožní vznik mazacieho filmu, gufero beží nasucho a prehrieva sa. Priveľmi drsný povrch nad Ra 0,8 µm zasa rýchlo obrusuje tesniacu hranu a skracuje životnosť gufera.

Tvrdosť povrchu hriadeľa by mala dosahovať aspoň 45 HRC (Rockwell C). Mäkší povrch sa v kontakte s tesniacou hranou opotrebúva. Nad hranicou 45 HRC nadobúda kľúčovú váhu počiatočná drsnosť, keďže zábehové leštenie hriadeľa hranou už neprebehne v plnom rozsahu.

Zvod (lead) je špirálovité drážkovanie na povrchu hriadeľa, ktoré vzniká nevhodným technologickým postupom pri finálnom opracovaní. Zvod s uhlom nad 0,05° pracuje ako skrutkovica a olej vytláča von z tesnenia. Prípustnú odchýlku súosovosti hriadeľa a lôžka určuje norma ISO 6194 podľa priemeru a otáčok.

Šírka kontaktnej zóny má u štandardných gufer ležať v rozsahu 0,25 až 0,5 mm. Priúzka zóna koncentruje zaťaženie a zrýchľuje opotrebenie, priširoká zvyšuje trenie aj tepelnú záťaž.

Sedem najčastejších príčin zlyhania hriadeľového tesnenia

Systematický rozbor porúch ukazuje, že drvivá väčšina zlyhaní má jasne identifikovateľnú príčinu. Kto ju pozná, dokáže poruchu nielen odstrániť, ale aj predísť jej opakovaniu.

1. Nesprávna montáž. Celosvetovo najčastejšia príčina predčasného zlyhania. Nakosené nalisovanie, poškodenie hrany ostrým okrajom drážky na hriadeli, prevrátené gufero s lemom otočeným na nesprávnu stranu či montáž bez namazania hrany, každá z týchto chýb vedie k okamžitému alebo veľmi rýchlemu zlyhaniu.

2. Nedostatočné mazanie. Ak sa k tesniacej hrane nedostáva dosť oleja, pracuje v režime suchého trenia. Kontaktná teplota stúpa, guma tvrdne a praská. Príčinou býva nízka hladina oleja, studený štart, keď olej ešte nedorazil k tesneniu, alebo konštrukcia, pri ktorej olej ku guferu nepreteká v dostatočnom množstve.

3. Nadmerná teplota. Každých 10 °C nad odporúčaným rozsahom skracuje životnosť elastoméru zhruba na polovicu. Zdrojom prehrievania môže byť priveľká viskozita oleja a s ňou spojené nadmerné trenie, slabé chladenie prevodovky alebo prevádzka pri obvodovej rýchlosti nad hodnotou odporúčanou výrobcom.

4. Znečistenie maziva alebo prostredia. Pevné nečistoty ako triesky, abrazívny prach či piesok, ktoré sa zachytia pod tesniacou hranou, pôsobia ako brúsivo. Ryhujú hriadeľ, zanechávajú drážky v kontaktnej zóne a otvárajú únikové cesty pre olej. Kontaminovaný olej s oxidačnými produktmi zasa gumu chemicky degraduje.

5. Poruchy povrchu hriadeľa. Ryhy, korózia, zvod a priveľká alebo primalá drsnosť narúšajú hydrodynamický tesniaci mechanizmus. Opotrebovaný hriadeľ s drážkou v kontaktnej zóne už nový gufero štandardnej šírky spoľahlivo neutesní. Riešením je posunutie gufera do novej polohy alebo nasadenie opravného puzdra (wear sleeve).

6. Nesprávny materiál pre médium alebo teplotu. Nasadenie NBR gufera do chemického prostredia, kam patrí FPM alebo PTFE, končí napučaním, zmäknutím alebo praskaním tesniacej hrany. Tento typ poruchy sa vizuálne odlišuje od opotrebenia.

7. Nadmerný tlak alebo odstredivé sily. Štandardné guferá počítajú s prevádzkou pri nulovom pretlaku, prípadne s maximom 0,02 až 0,05 MPa. Vyšší tlak zvyšuje kontaktný prítlak hrany a s ním trenie, teplotu aj opotrebenie. Pre tlakové aplikácie existujú špeciálne typy s upravenou geometriou hrany, napríklad BABSL Simmerring.

Ako určiť príčinu poruchy vizuálnou prehliadkou

Demontované gufero prezradí veľa o tom, prečo zlyhalo. Správne prečítanie stavu umožní odstrániť koreňovú príčinu, nielen vymeniť diel.

Stvrdnutá a popraskaná tesniaca hrana poukazuje na tepelné preťaženie. Elastomér zoxidoval, stratil pružnosť a praskol. Za tým stojí prehriate mazivo, slabé mazanie alebo materiál s nedostatočnou tepelnou odolnosťou.

Napučaná a zmäknutá tesniaca hrana signalizuje chemickú nekompatibilitu. Guma nasala mazivo alebo inú látku, s ktorou sa neznáša, hrana stratila geometriu, prítlak klesol a olej uniká.

Rovnomerne opotrebená hrana s hladkým lesklým povrchom je znakom normálneho opotrebenia po dlhej službe. Nejde o poruchu, ale o signál, že gufero doslúžilo a nastal čas na výmenu.

Drážky a ryhy na tesniacej hrane rovnobežné s osou hriadeľa spôsobujú pevné nečistoty alebo poškodený povrch hriadeľa. Súčasne treba prezrieť povrch hriadeľa v kontaktnej zóne.

Nerovnomerné opotrebenie po obvode gufera naznačuje excentricitu hriadeľa, nadmerné hádzanie alebo nerovnomerné uloženie gufera v lôžku.

Chýbajúca alebo prerezaná pružina je priamym následkom montážnej chyby alebo použitia nevhodného montážneho nástroja.

Správna montáž gufera krok za krokom

Montáž rozhoduje o životnosti tesnenia a väčšina predčasných zlyhaní sa začína práve pri nej.

Pred montážou prezrite povrch hriadeľa v kontaktnej zóne. Prípadné ryhy, otrepy a koróziu odstráňte jemným brúsnym papierom s cieľovou drsnosťou Ra 0,2 až 0,8 µm. Na hriadeli nesmie byť zvod. Priemer lôžka aj hriadeľa porovnajte s výkresovou dokumentáciou.

Pred nalisovaním natrite tesniacu hranu tenkou vrstvou maziva, ktoré má tesniť. Na styk gufera s lôžkom nenanášajte tekuté tesnenie ani pastu. Výnimkou sú guferá s kovovým vonkajším priemerom, kde malé množstvo tesniacej pasty vyrovná minimálne nerovnosti lôžka.

Ak má hriadeľ drážku pre pero, drážkovanie alebo iný ostrý tvar, pred montážou ho prekryte ochrannou manžetou alebo lepiacou páskou, aby ste nepoškodili tesniacu hranu.

Gufero nalisujte kolmo na hriadeľ pomocou montážneho puzdra s priemerom zhodným s vonkajším priemerom gufera. Nikdy naň neudierajte priamo kladivom. Nakoniec skontrolujte hĺbku nalisovania a smer tesniacej hrany. Lem musí smerovať k mazivu.

Ako odmerať gufero pre náhradu

Na objednanie náhradného gufera potrebujete tri rozmery, a to vnútorný priemer (ID), vonkajší priemer (OD) a šírku (B). Všetky odmerajte posuvným meradlom s presnosťou na desatiny milimetra. Štandardné guferá sú dostupné podľa noriem ISO 6194, DIN 3760 a DIN 3761.

Ak rozmer nesedí so žiadnym katalógovým štandardom, ide o atypický kus, ktorý si vyžaduje zákazkovú výrobu. AFINIS EXPRESS® vyrába rotačné tesnenia vrátane gufer atypických rozmerov od prototypov po série, expresne podľa výkresovej dokumentácie.

Expresná výroba a skladový sortiment gufer

V priemyselnej prevádzke je dostupnosť náhradných tesnení otázkou času. Odstavený stroj bez tesnenia znamená každú hodinu stratu výroby, ktorá mnohonásobne presahuje hodnotu samotného tesnenia.

AFINIS GROUP® rieši túto situáciu dvoma cestami. Skladový sortiment AFINIS TRADE® s viac ako 85 000 položkami pokrýva štandardizované rozmery gufer v materiáloch NBR, FPM a MVQ pre okamžité dodanie. Pre neštandardné rozmery, špeciálne materiálové vyhotovenia či veľké priemery slúži AFINIS EXPRESS® s výrobou rotačných tesnení do 24 hodín pri dostupnosti polotovarov. Zákazková výroba zvláda priemery až do 6 000 mm.

Pri výbere správneho gufera podľa prevádzkových podmienok pomôže aj digitálny SIMMERRING® SELEKTOR na webovej stránke AFINIS Group®, ktorý identifikuje vhodné tesnenie podľa rozmeru a podmienok nasadenia.

Od čoho naozaj závisí životnosť gufera

Životnosť hriadeľového tesnenia nie je vlastnosťou len tesnenia samotného. Je výslednicou súhry materiálu gufera, kvality povrchu hriadeľa, správnosti montáže a prevádzkových podmienok. Gufero zo správneho materiálu, nainštalované správnym postupom na dobre pripravený hriadeľ v zariadení s dostatočnou hladinou maziva, pracuje spoľahlivo celé roky. To isté gufero v nevhodných podmienkach zlyhá v priebehu niekoľkých hodín.

Pravidelná prehliadka demontovaných tesnení pri každej plánovanej údržbe, sledovanie vzoru opotrebenia a záznam prevádzkových podmienok sú investíciou, ktorá sa vracia v podobe dlhších servisných intervalov a menšieho počtu neplánovaných odstávok.

mReportér

Zdielajte článok

Vážení čitatelia, pod týmto článkom sme neumožnili diskusiu

Obsah článku a skúsenosti s administráciou debát nám dávajú predpoklad, že aj na tomto mieste by pribúdali
prevažne príspevky, ktoré by boli v rozpore s pravidlami debaty aj dobrými mravmi.

Ďakujeme za pochopenie a tešíme sa na slušné debaty pod inými článkami.