W jaki sposób uszczelki olejowe szkieletowe do układów wałów robotów kompensują interferencję warg w warunkach niskich temperatur?

W zastosowaniach niskotemperaturowych, takich jak systemy wałów robotów, uszczelnienia szkieletowe (uszczelnienia wału promieniowego) często występują wycieki oleju, zwiększone zużycie w układach Start-Stop oraz niestabilna praca uszczelnień. Doświadczenie praktyczne pokazuje, że awarie te często nie są spowodowane nieprawidłowym montażem, ale utratą skutecznej kompensacji interferencji między powierzchniami styku w niskich temperaturach.

W tym artykule przeanalizowano wpływ niskiej temperatury na interferencję krawędzi i przedstawiono praktyczne strategie projektowania mające na celu poprawę niezawodności uszczelnienia w warunkach pracy w niskich temperaturach.

Wpływ niskiej temperatury na interferencję warg

Uszczelnienia szkieletowe opierają się na stabilnym docisku między wargą uszczelniającą a powierzchnią wału, aby zapobiec wyciekom. W niskich temperaturach kilka sprzężonych efektów prowadzi do systematycznego pogorszenia skuteczności uszczelnienia:

Usztywnienie gumowe

Wraz ze spadkiem temperatury moduł sprężystości elastomerów wzrasta, a podatność materiału maleje, co zmniejsza zdolność wargi do dopasowania się do powierzchni wału.

Różnice w rozszerzeniu termicznym

Elastomery, metalowe obudowy i wałki charakteryzują się różną szybkością skurczu termicznego. Ta rozbieżność zmienia rzeczywistą interferencję i siłę nacisku w niskich temperaturach.

Pogorszenie smarowania

Zwiększona lepkość środka smarnego opóźnia tworzenie się filmu olejowego podczas rozruchu, co powoduje, że powierzchnia styku uszczelnienia pracuje w warunkach tarcia granicznego lub mieszanego, a zużycie jest szybsze.

Kluczowym problemem nie jest więc po prostu niewystarczająca interferencja, ale niezdolność wargi do ciągłego generowania efektywnego nacisku styku w niskiej temperaturze.

Racjonalne określenie zakłóceń

Zakłócenie powierzchni wału należy zoptymalizować na podstawie warunków pracy (ciśnienia, prędkości), właściwości materiału i średnicy wału.

Zalecane wartości mieszczą się w przedziale 0,35–0,55 mm, natomiast w niektórych zastosowaniach o dużym obciążeniu może być wymagane nawet 0,8 mm.

Jednakże, bezmyślne zwiększanie interferencji nie jest zalecane. Nadmierna interferencja może zwiększyć moment tarcia, przyspieszyć zużycie i zwiększyć generowanie ciepła. Wartości końcowe należy zawsze weryfikować poprzez symulację i testy walidacyjne.

Wybór materiałów: nacisk na odporność na niskie temperatury

Utrzymanie siły uszczelniającej w niskiej temperaturze zależy przede wszystkim od sprężystości i odkształcalności materiału, a nie tylko od nominalnej „odporności na zimno”:

FVMQ

Nadaje się do ekstremalnie niskich temperatur, oferując dobrą elastyczność w połączeniu z odpornością na olej. Często stosowany w robotach współpracujących i systemach wymagających wysokiej zgodności.

Formuła FKM do stosowania w niskich temperaturach

Łączy odporność na olej, odporność na starzenie i lepsze odbicie w niskich temperaturach, nadaje się do systemów uszczelniających pracujących w umiarkowanych i niskich temperaturach.

HNBR

Stanowi kompromis pomiędzy elastycznością w niskich temperaturach a wytrzymałością mechaniczną, powszechnie stosowany w sprzęcie przeznaczonym do pracy na zewnątrz i maszynach inżynieryjnych.

Kluczowym kryterium jest to, czy materiał potrafi zachować skuteczną sprężystość w niskiej temperaturze, a nie tylko przetrwać działanie zimna.

System sprężynowy: kluczowy mechanizm kompensacji

Wraz ze wzrostem sztywności gumy w niskich temperaturach, sprężyna staje się głównym źródłem kompensacji nacisku styku:

Wystarczający skuteczny skok i stabilna siła sprężyny w niskiej temperaturze

Współrzędne rozłożenie obciążenia pomiędzy sprężyną a geometrią wargi

W przypadku środowisk ekstremalnie zimnych zdecydowanie zaleca się stosowanie konstrukcji wargowych ze sprężynami podwiązkowymi promieniowymi

Dobrze zaprojektowany układ sprężyn znacząco poprawia stabilność uszczelnienia w przypadku zmniejszenia podatności elastomeru.

Optymalizacja strukturalna pod kątem adaptacji temperaturowej

Zamiast zwiększania zakłóceń, optymalizacja strukturalna jest często skuteczniejsza w zwiększaniu wydajności w niskich temperaturach:

Zmniejszony przekrój wargi w celu poprawy elastyczności

Wydłużone elastyczne ramię zwiększające możliwości śledzenia

Zoptymalizowany kąt styku zapewnia bardziej równomierny rozkład nacisku i zmniejsza zużycie krawędzi

Celem projektu jest umożliwienie uszczelce dynamicznej reakcji, zamiast biernego znoszenia utraty wydajności.

Stan powierzchni wału: decydujący czynnik w niskich temperaturach

Ponieważ w niskich temperaturach trudniej jest utworzyć film olejowy, jakość powierzchni wału staje się szczególnie istotna:

Chropowatość powierzchni kontrolowana w zakresie Ra 0,2–0,4 μm w celu zrównoważenia retencji oleju i zgodności

Wprowadzenie mikrotekstur (np. wzorów w kratkę) w celu poprawy smarowania podczas rozruchu

Unikanie wad powierzchni, które mogą powodować przedwczesne zużycie krawędzi

Prawidłowe przygotowanie wału jest kluczowym czynnikiem zapewniającym niezawodność uszczelnienia w niskich temperaturach.

Koordynacja na poziomie systemu: dopasowanie termiczne i kontrola tolerancji

Stabilne uszczelnianie w niskich temperaturach wymaga podejścia systemowego:

Skoordynowana kurczliwość termiczna między komponentami

Uwzględnienie tolerancji montażowych w warunkach niskich temperatur

Dobór środków smarnych o odpowiednich właściwościach płynięcia i przyczepności w niskich temperaturach

Tylko dzięki koordynacji układu cieplno-mechanicznego uszczelka może zachować stały nacisk styku przez cały czas działania.

Kluczem do skutecznego uszczelniania w niskich temperaturach nie jest nadmierna ingerencja, lecz stworzenie systemu uszczelniającego z wewnętrzną zdolnością dostosowywania się do temperatury.

Dzięki zintegrowaniu zoptymalizowanych materiałów, geometrii krawędzi, systemów sprężyn, konstrukcji powierzchni wału i dopasowaniu termicznemu na poziomie całego systemu możliwe jest osiągnięcie niezawodnej wydajności uszczelnienia i dłuższej żywotności nawet w wymagających warunkach niskich temperatur.