6 soorten cilinderafdichtingen

Bouwmachines zijn sterk afhankelijk van hydraulische cilinders, die een integraal onderdeel vormen bij het overbrengen van kracht en beweging. De efficiëntie en betrouwbaarheid van deze cilinders zijn sterk afhankelijk van hoogwaardige afdichtingen.

Een essentieel type afdichting dat wordt gebruikt in hydraulische cilinders is de afdichtring, ook wel olie-afdichting of hydraulische afdichting genoemd. Deze onderdelen spelen een cruciale rol bij het handhaven van de integriteit van het systeem door olielekkage, het binnendringen van verontreinigingen en drukverlies te voorkomen. Correct gekozen en geïnstalleerde afdichtringen zorgen voor optimale cilinderprestaties, een langere levensduur en lagere onderhoudskosten.

In deze uitgebreide gids hebben we een uitgebreide lijst samengesteld van verschillende typen en configuraties van afdichtringen die vaak worden gebruikt in hydraulische cilinders voor bouwmachines. 

Fig. 1 Afdichtringen.

De hydraulische cilinder maakt gebruik van diverse gespecialiseerde afdichtingscomponenten om optimale prestaties en een lange levensduur te garanderen. Deze essentiële afdichtingselementen omvatten:

1. Stofafdichtingen (of afstrijkers): Deze afdichtingen bevinden zich aan de buitenkant van de cilinder en voorkomen dat verontreinigingen zoals stof, vuil en vocht het systeem binnendringen, waardoor de interne onderdelen worden beschermd.
2. Stangafdichtingen: Deze afdichtingen zitten rond de cilinderstang en houden de hydraulische vloeistof binnen de cilinder terwijl de stang uit- en inschuift, waardoor lekkage wordt voorkomen en de systeemdruk op peil blijft.
3. Bufferafdichtingen: Deze afdichtingen absorberen schokken en verminderen het geluid aan het einde van de cilinderslag, waardoor de werking soepeler verloopt en de slijtage aan interne onderdelen tot een minimum wordt beperkt.
4. Geleidingsringen (of slijtringen): Hoewel het strikt genomen geen afdichtingen zijn, ondersteunen deze onderdelen de zuiger en stang, waardoor het metaal-op-metaal-contact wordt verminderd en een goede uitlijning over het hele bewegingsbereik van de cilinder wordt gegarandeerd.
5. Statische afdichtingen: Hieronder vallen eindkapafdichtingen en andere vaste afdichtingen die lekkage voorkomen bij stationaire verbindingen, zoals tussen de cilindertrommel en eindkappen.
6. Zuigerafdichtingen: Deze tweerichtingsafdichtingen, die rond de zuiger zijn aangebracht, handhaven het drukverschil tussen de cilinderkamers, waardoor krachtoverdracht mogelijk is en een efficiënte werking wordt gegarandeerd.

Fig. 2 De positie van verschillende afdichtringen.

Grondbeginselen van hydraulische cilinderafdichtingen

Hydraulische cilinderafdichtingen zijn kritieke onderdelen in hydraulische systemen en spelen een essentiële rol in het behoud van de integriteit en efficiëntie van het systeem. Hun belangrijkste functies zijn het voorkomen van vloeistoflekkage, het in stand houden van de druk en het zorgen voor een soepele werking van bewegende delen. Inzicht in de kenmerken en toepassingen van verschillende soorten afdichtingen is essentieel voor optimale prestaties van hydraulische systemen. Afdichtingen worden grofweg ingedeeld in twee hoofdtypen: statische afdichtingen en dynamische afdichtingen, elk met hun eigen eigenschappen en toepassingen.

Statische afdichtingen

Statische afdichtingen worden gebruikt op plaatsen waar geen relatieve beweging is tussen parallelle oppervlakken, zoals in flensverbindingen, toegangsdeksels of poorten. Deze afdichtingen zijn ontworpen om een dichte barrière tegen vloeistoflekkage te vormen en de systeemdruk te handhaven. Gebruikelijke typen statische afdichtingen zijn onder andere:

1. O-ringen: O-ringen worden veel gebruikt vanwege hun veelzijdigheid en installatiegemak. Het zijn elastomeerafdichtingen die in verschillende toepassingen kunnen worden toegepast. Door hun eenvoudige ontwerp en effectiviteit zijn ze een populaire keuze voor veel statische afdichtingsvereisten.
2. Pakkingen: Pakkingen zijn meestal plat en verkrijgbaar in verschillende materialen (bijv. rubber, metaal of composieten) en worden gebruikt om flenzen en andere statische interfaces af te dichten. De keuze van het materiaal hangt af van factoren zoals temperatuur, druk en chemische compatibiliteit.
3. Metalen afdichtingen: Metalen afdichtingen, die worden gebruikt in toepassingen met hoge temperaturen of hoge druk, zijn meestal gemaakt van aluminium, koper of staal. Ze bieden een uitstekende duurzaamheid en weerstand tegen extreme omstandigheden.

Dynamische afdichtingen

Dynamische afdichtingen worden gebruikt in toepassingen met relatieve beweging tussen parallelle oppervlakken, zoals in zuigers of stangen. Deze afdichtingen moeten bestand zijn tegen constante beweging en wrijving, waardoor ze duurzamer en slijtvaster moeten zijn dan statische afdichtingen. De belangrijkste typen dynamische afdichtingen zijn:

1. Zuigerafdichtingen: Zuigerafdichtingen zijn ontworpen om vloeistoflekkage tussen de zuiger en de cilinderboring te voorkomen en zijn cruciaal voor het handhaven van de hydraulische druk. De U-bekerafdichting, met een U-vormige dwarsdoorsnede, is een veelgebruikt en effectief ontwerp voor zuigerafdichtingen.
2. Stangafdichtingen: Deze afdichtingen voorkomen vloeistoflekkage op het raakvlak tussen stang en cilinder, terwijl de stang vrij kan bewegen. Stangafdichtingen bevatten vaak schraperafdichtingen die vuil en verontreinigingen van het oppervlak van de stang verwijderen, waardoor het systeem schoon blijft.
3. Roterende afdichtingen: Roterende afdichtingen worden gebruikt in toepassingen met roterende componenten (bijv. motoren of pompen) en behouden hun afdichtingsintegriteit tijdens voortdurende rotatie. Ze zijn verkrijgbaar in zowel radiale als axiale configuraties om te voldoen aan specifieke toepassingsvereisten.

De keuze en het ontwerp van afdichtingen zijn van cruciaal belang voor optimale prestaties van het hydraulische systeem. Factoren die van invloed zijn op de keuze van afdichtingen zijn onder meer

• Bereik werkdruk en temperatuur
• Vloeistofcompatibiliteit en chemische weerstand
• Bewegingssnelheid (voor dynamische afdichtingen)
• Milieuomstandigheden en verontreinigingen
• Vereiste levensduur en onderhoudsintervallen
• Materiaaleigenschappen (bijv. hardheid, elasticiteit, slijtvastheid)

Vooruitgang in afdichtingstechnologie heeft geleid tot de ontwikkeling van gespecialiseerde materialen en ontwerpen, zoals PTFE-afdichtingen voor toepassingen bij hoge temperaturen of polyurethaanafdichtingen voor een betere slijtvastheid. Daarnaast bieden innovaties zoals bekrachtigde afdichtingen en composietafdichtingen betere prestaties in veeleisende bedrijfsomstandigheden.

Soorten hydraulische cilinderafdichtingen

1. Stofring

De stofafdichting bevindt zich aan de buitenkant van de eindkap van de hydraulische cilinder en voorkomt dat vuil van buitenaf de cilinder binnendringt.

Op basis van de installatiemethode kunnen stofafdichtingen worden ingedeeld in twee types: snap-in en press-in.

Fig. 3 Basisvorm van inklikbare stofring.

De meest gebruikte stofring is het snap-in type. Zoals de naam al aangeeft, klikt deze vast in de groef op de binnenwand van de eindkap en wordt deze gebruikt in minder zware omgevingsomstandigheden. Het materiaal dat wordt gebruikt voor de snap-in stofring is meestal polyurethaan en er zijn verschillende structuren, zoals de dubbele lipstructuur type H en K-profielen. Ondanks de variaties blijft het basisontwerp hetzelfde.

Fig. 4 Enkele varianten van inklikbare stofringen.

De inpersbare stofring wordt gebruikt in ruwe omgevingen en omgevingen met hoge druk. In tegenstelling tot het inkliktype wordt deze niet in de groef geplaatst, maar versterkt met een metalen laag om de sterkte te vergroten en vervolgens in de eindkap van de hydraulische cilinder geplaatst. Er zijn verschillende soorten persen-in stofringen, zoals enkellip en dubbellip.

Fig. 5 Pers in stofring en enkele varianten.

2. Cilinderstang afdichtring

De cilinderstangafdichtingsring, ook wel U-cup genoemd, dient als primair afdichtingselement voor de zuigerstang. Hij wordt strategisch geïnstalleerd in het einddeksel van de hydraulische cilinder om lekkage van hydraulische olie effectief te voorkomen. Deze afdichtingsringen worden voornamelijk vervaardigd van hoogwaardige materialen zoals polyurethaan of nitrilrubber, die worden gekozen vanwege hun uitstekende slijtvastheid, lage wrijvingseigenschappen en compatibiliteit met hydraulische vloeistoffen.

In toepassingen met hoge druk of bij grotere cilinderboringen wordt de afdichtingsring vaak gebruikt in combinatie met een steunring (ook bekend als een back-up ring of anti-extrusiering). Deze extra component voorkomt dat de afdichtingsring onder zware druk vervormt, waardoor de levensduur van de afdichting wordt verlengd en de integriteit behouden blijft. De steunring is meestal gemaakt van hardere materialen zoals PTFE of polyethyleen met hoge dichtheid.

Het ontwerp van cilinderstangafdichtingsringen is geëvolueerd om te voldoen aan verschillende operationele vereisten en omgevingsomstandigheden. Fabrikanten bieden een breed scala aan variaties, waaronder:

1. Enkelwerkende vs. dubbelwerkende ontwerpen
2. Verschillende lipconfiguraties voor optimale afdichting en smering
3. Gespecialiseerde materialen voor extreme temperatuur of chemische weerstand
4. Versterkte ontwerpen voor hogedruksystemen
5. Coatings met lage wrijving voor verbeterde efficiëntie en minder stick-slip

Bij het selecteren van de juiste cilinderstangafdichtingsring moet rekening worden gehouden met factoren zoals werkdruk, temperatuurbereik, vloeistofcompatibiliteit, oppervlakteafwerking van de stang en de reciprocatiesnelheid om optimale prestaties en een lange levensduur van het hydraulische systeem te garanderen.

Fig. 6 Gebruikelijke typen cilinderstangafdichtingsringen.

Fig. 7 Enkele varianten van cilinderstangafdichtingsringen.

3. Buffer afdichtingsring

De bufferafdichtingsring, een kritisch hulponderdeel in zuigerstangafdichtingssystemen, speelt een essentiële rol in het beschermen van de zuigerstang tegen plotselinge drukpieken en -schommelingen. Deze dynamische afdichting beschermt niet alleen de primaire afdichtingselementen, maar draagt ook bij aan de algehele levensduur en betrouwbaarheid van het systeem. Er zijn drie primaire configuraties van bufferafdichtingen, elk ontworpen om aan specifieke operationele eisen te voldoen:

Type A: Een monolithische afdichting uit één stuk van hoogwaardig polyurethaan. Dit ontwerp biedt uitstekende slijtvastheid, goede elasticiteit en gematigde drukcapaciteiten. Het is bijzonder geschikt voor toepassingen met gematigde drukschommelingen en waar een eenvoudige installatie gewenst is.

Type B en Type C: Dit zijn geavanceerde tweedelige afdichtingssamenstellingen die ontworpen zijn om extrusie te voorkomen en aanzienlijk hogere drukverschillen te weerstaan. De tweedelige constructie bestaat meestal uit een veerkrachtig afdichtingselement in combinatie met een anti-extrusiering:

• Type B gebruikt vaak een combinatie van polyurethaan voor het dynamische afdichtingselement en een stijf thermoplastisch of vezelversterkt composiet voor de anti-extrusiecomponent.
• Type C kan een afdichtingselement op basis van PTFE gebruiken in combinatie met een reservering met hoge sterkte, die een superieure chemische weerstand en lage wrijvingseigenschappen biedt.

Zowel configuraties van type B als type C bieden een grotere drukbestendigheid, een betere stabiliteit onder dynamische omstandigheden en een betere bescherming tegen defecte afdichtingen in omgevingen met hoge druk. De keuze tussen deze types hangt af van factoren zoals maximale systeemdruk, temperatuurbereik, vloeistofcompatibiliteit en cyclusfrequentie.

Fig. 8 Gebruikelijke types van de bufferdichtingsring.

4. Geleidingssteunring

De geleidingssteunring, een cruciaal onderdeel in hydraulische cilinders, is strategisch geplaatst op zowel het einddeksel als de zuiger. Dit multifunctionele element speelt een cruciale rol bij het garanderen van optimale prestaties en een lange levensduur van de cilinder. De belangrijkste functies zijn:

1. Ondersteuning van de zuigerstang en zuiger: De ring biedt cruciale structurele ondersteuning, verdeelt de belasting gelijkmatig en minimaliseert slijtage.
2. Geleidt de lineaire beweging van de zuiger: Het zorgt voor een nauwkeurige, soepele en consistente lineaire beweging van de zuiger, wat de algehele efficiëntie van het systeem verbetert.
3. Contact tussen metalen voorkomen: Door als buffer te fungeren tussen metalen onderdelen, vermindert de ring wrijving, slijtage en potentiële schade aanzienlijk.

Geleidingssteunringen worden meestal gemaakt van hoogwaardige materialen die zorgvuldig zijn geselecteerd op hun specifieke eigenschappen. Gangbare materialen zijn onder andere:

• Technische kunststoffen: Zoals met PTFE gevuld polyacetaal (POM) of polyamide (PA), die een uitstekende slijtvastheid en lage wrijving bieden.
• Brons met PTFE-coating: Combineert de sterkte van brons met de wrijvingsarme eigenschappen van polytetrafluorethyleen (PTFE).
• Vezelversterkte composieten: Voor toepassingen die een hoger draagvermogen en thermische stabiliteit vereisen.

De materiaalkeuze hangt af van factoren zoals werkdruk, temperatuur, vloeistofcompatibiliteit en verwachte levensduur. Geavanceerde productietechnieken, zoals CNC precisiebewerking of spuitgieten, zorgen voor nauwe toleranties en een superieure oppervlakteafwerking, wat cruciaal is voor de prestaties van de ring.

Fig. 9 Geleidingssteunring gebruikt op het einddeksel van de hydraulische cilinder en de zuiger.

5. Afdichtring einddeksel

De afdichtingsring aan het einddeksel is een essentieel onderdeel dat is ontworpen om een hermetische afdichting te bieden op het raakvlak tussen het cilinderdeksel en de cilinderwand. De afdichtingsring werkt als een statische afdichting en speelt een cruciale rol in het behoud van de integriteit van het systeem door lekkage van hydraulische vloeistof op de overgang van deze twee primaire componenten te voorkomen.

De afdichtingsring van het einddeksel bestaat meestal uit twee belangrijke elementen: een veerkrachtige NBR (Nitril Butadieen Rubber) O-ring en een stijve steunring, die vaak back-up ring of anti-extrusiering wordt genoemd. Dit ontwerp met twee componenten biedt verschillende voordelen:

1. De NBR O-ring, bekend om zijn uitstekende oliebestendigheid en elasticiteit, zorgt voor de primaire afdichtingsfunctie. Hij vervormt onder druk en vult microscopische oneffenheden in het oppervlak op om een effectieve barrière te vormen tegen het ontsnappen van vloeistoffen.
2. De steunring, meestal gemaakt van een harder materiaal zoals PTFE (polytetrafluorethyleen) of polyethyleen met hoge dichtheid, dient meerdere doelen:

• Het voorkomt dat de O-ring onder hoge druk in de speling dringt, waardoor de levensduur van de afdichting wordt verlengd.
• Het helpt de vorm en positie van de O-ring te behouden, wat zorgt voor consistente afdichtingsprestaties.
• Het biedt extra weerstand tegen slijtage en chemische degradatie, vooral in zware bedrijfsomgevingen.

De nauwkeurige materiaalselectie en maatspecificaties voor beide componenten zijn kritisch en hangen af van factoren zoals werkdruk, temperatuurbereik, vloeistofcompatibiliteit en verwachte levensduur van het hydraulische systeem. Een juiste installatie en periodieke inspectie van de afdichtingsring van het einddeksel zijn essentieel voor optimale prestaties en betrouwbaarheid van de hydraulische cilinder.

Fig. 10 Afdichtring einddeksel.

6. Zuigerafdichtingsring

De zuigerafdichtingsring is een essentieel onderdeel van hydraulische cilinders en dient als het primaire afdichtingselement dat de twee drukkamers in de cilinder effectief scheidt. Deze scheiding is cruciaal voor het behoud van optimale hydraulische prestaties en efficiëntie.

De zuigerafdichtingsring bestaat meestal uit twee delen, een buitenring en een binnenring. De buitenring wordt meestal vervaardigd van hoogwaardige polymeren zoals polytetrafluorethyleen (PTFE) of nylon, die worden gekozen vanwege hun lage wrijvingseigenschappen en uitstekende slijtvastheid. De binnenring, vaak energizer genoemd, is meestal gemaakt van nitrilbutadieenrubber (NBR), dat de nodige elasticiteit biedt om een constante druk tegen de cilinderwand te handhaven.

Er bestaan verschillende variaties van de zuigerafdichtingsring voor verschillende toepassingen en bedrijfsomstandigheden. Een opmerkelijke variant bevat een met brons gevuld PTFE-mengsel, dat de lage wrijvingseigenschappen van PTFE combineert met de verbeterde thermische geleidbaarheid en slijtvastheid van brons. Dit ontwerp is bijzonder effectief in toepassingen met hoge druk en hoge temperaturen.

In enkelwerkende hydraulische cilinders, waar slechts in één richting druk wordt uitgeoefend, kan een polyurethaan U-ringafdichting worden gebruikt als alternatieve zuigerafdichting. Polyurethaan U-cups bieden een uitstekende slijtvastheid, goede elasticiteit en effectieve afdichtingseigenschappen, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen met middelmatige druk waarbij kosteneffectiviteit een overweging is.

De keuze van het juiste ontwerp en materiaal van de zuigerafdichting hangt af van factoren zoals werkdruk, temperatuur, vloeistofcompatibiliteit, cilindersnelheid en verwachte levensduur. De juiste selectie en installatie van de zuigerafdichtingsring zijn essentieel voor het garanderen van optimale cilinderprestaties, het minimaliseren van lekkage en het maximaliseren van de algehele efficiëntie van het hydraulische systeem.

Fig. 11 Gebruikelijke types zuigerafdichtingsring.