バックアップリングは、低圧側でエラストマーシールの隣に配置される平らで剛性のあるリングで、シールが金属部品間の隙間に押し込まれるのを防ぎます。それ自体はシールしません。スクイーズもリップも弾性記憶もありません。その役割は押し出し隙間を塞ぐことであり、その後ろのOリングが自身より小さな空間へ流れ込む必要をなくすことです。
多くのエンジニアがこの部品に初めて出会うのは、故障の後です。片側のエッジが削られたOリング、ゴムの切れ端でいっぱいのグランド、そして数週間ごとに同じシールを交換する保守チーム。解決策は通常、保護するOリングよりも安価なリングです。
押し出しとは実際に何か
圧力下のエラストマーは部分的に液体のように振る舞います。200 barがOリングをピストンとボア間のクリアランスに押し付けると、材料は単に圧縮されるのではなく、最も抵抗の少ない経路、つまり隙間へと流れます。新しいシリンダーの隙間は0.15 mmかもしれません。摩耗したものでは0.5 mmに達することがあります。そのサイズでは、200 barで80 °CのNBR Oリングは、数時間以内に目に見えるゴムの舌をクリアランスに押し出します。
一度舌が形成されると、可動部がそれをせん断します。破れたエッジは漏れ経路となり、漏れは局所温度を上昇させ、損傷は円周方向に伝播します。最終状態は、かじられたように平らになったリングと、どれだけ締めても止まらない漏れです。
バックアップリングは、動作温度で流動しない材料で隙間を占めることで、その連鎖を中断します。それは機械的なストッパーであり、シールではありません。
リングの位置
位置は譲れません。バックアップリングは、一次シールの圧力から遠い側、押し出し隙間に面して配置されます。ボア側から加圧されるロッドグランドでは、Oリングはグランドの外縁方向に荷重を受け、バックアップリングはOリングとその縁の間に位置します。
複動シリンダーでは圧力が交互に作用するため、単一のバックアップリングは一方向のみを保護します。2つ取り付け、Oリングの各面に1つずつ配置します。2つのリングは、溝が十分に広いことも意味します。Oリング単体用にサイズ設定された標準のOリング溝は、スクイーズを低圧でシールが漏れる点まで減らさずに2つ目のリングを受け入れることはできません。改造オプションを制約するのは、リングの厚さではなく溝の幅です。
5つの標準構成
ISO 3601-4は、耐押し出しリングを5つの形状に分類しています。違いは、リングが切断されずにロッド上または溝内にどのように装着されるか、そして取り付け後にどれだけ連続した支持を提供するかに関するものです。
| タイプ | カット形状 | 取り付け | 用途 |
|---|---|---|---|
| T1 | スパイラルカット（連続コイル） | 組立品を分解せずにロッド上または溝内に巻き付ける | 現場修理、大径、組立済みシリンダーの改造 |
| T2 | アングルカット（スカーフ） | 開いてロッド上にスナップ装着。圧力下で端部が重なる | 一般的な油圧用途、静的および動的の両方 |
| T3 | ソリッド、未切断 | 完全なアクセスが必要。ロッドまたはピストンの端部からスライド装着 | 最高の耐押し出し性、航空宇宙および高圧静的継手 |
| T4 | 凹型アングルカット | プロファイルされた内面を持つスカーフカット | リングがOリングの曲線に密着する必要がある精密グランド |
| T5 | 凹型ソリッド | 完全なアクセスが必要。プロファイルされた内面 | 軸方向スペースが狭い高圧グランド |
実際には、T2がほとんどの産業用シリンダーで使用され、T1は保守部門が緊急用に棚に備え、T3はグランドを完全に分解でき、圧力が組立の難しさを正当化する場合に指定されます。ドライバーでロッド上に無理に押し込まれたT3リングは廃棄リングです。カット形状はまさにその作業を避けるために存在します。販売店カタログ、例えば Seal Salesのバックアップリング は同じ5つのファミリーを在庫サイズとともに示しており、加工部品を注文する前に棚から入手可能なものを確認する簡単な方法です。
材料選定
リングは動作温度でOリングより硬くなければなりませんが、ボアを傷つけるほど硬くてはいけません。3つのファミリーでほぼすべての用途をカバーします。
| 材質 | 温度 | 耐圧能力 | 長所 | 限界 |
|---|---|---|---|---|
| バージンPTFE | −200～+260 °C | 狭いクリアランスで約250 barまで良好 | 最低摩擦、広い耐薬品性、最低コスト | 持続荷重下でのコールドフロー。大きな隙間で変形 |
| 充填PTFE（ガラス、カーボン、ブロンズ） | −200～+260 °C | ~400 bar まで対応 | 圧縮強度が高く、耐摩耗性に優れ、クリープが少ない | 青銅フィラーは一部の媒体で腐食する可能性があり、やや研磨性が高い |
| PEEK（無充填またはカーボン/グラファイト充填） | −60～+250 °C 連続使用 | 600 bar 以上まで対応 | 剛性と耐クリープ性が最も高く、大きな隙間にも対応 | コストが高く、追従性が低く、良好な表面仕上げが必要 |
| ナイロン / POM | −40～+100 °C | ~250 bar まで対応 | 安価で剛性があり、機械加工が容易 | 水や一部のグリコールで膨潤し、耐薬品範囲が限られる |
| PU（高硬度） | −30～+80 °C | ~300 bar まで対応 | 耐摩耗性に優れ、粗い表面仕上げにも耐える | 高温に弱く、腐食性流体には不向き |
特筆すべき選択の落とし穴が2つあります。未充填PTFEのバックアップリングはクリープします。80 °Cで300 barの静的荷重が持続すると、リングは徐々に薄くなり隙間が再び開きます。充填PTFEやPEEKなら解決できますが、コストがかかります。もう一つの落とし穴は水ベース流体でのナイロンです。ナイロンは水を吸収して膨張し、溝の中で固着する可能性があるため、水圧システムや水-グリコールシステムでは代わりにPTFEやPEEKが使用されます。
保護されるエラストマーはリングと同じくらい重要です。70 Shore Aのコンパウンドを ASTM D2000 ライン表記で指定した場合、同じ溝で90 Shore Aのコンパウンドとは押し出しリスクが異なり、リングの厚さはより軟らかい方に合わせるべきです。
バックアップリングが必要な場合
規格に単一の圧力しきい値は存在しません。押し出しは圧力、クリアランス、温度、エラストマー硬度の組み合わせに依存するためです。実用的な判断基準はこの4つすべてを用います。
| 条件 | 推奨 |
|---|---|
| 100 bar未満、クリアランスがISO 5597の範囲内、70 Shore AのOリング | リング不要 |
| 100～160 bar、標準クリアランス | 任意。衝撃荷重がかかるシステムでは保険として圧力側に1つ取り付ける |
| 160～250 bar、または標準を超えるクリアランス | 低圧側に充填PTFEリングを1つ |
| 250 bar超 | 標準でリング1つ。400 bar超またはクリアランスが0.3 mmを超える場合はPEEK |
| 複動式、160 bar超 | リング2つ、Oリングの両面に1つずつ |
| クリアランスが0.4 mmを超えるあらゆる圧力 | まずクリアランスを修正すること。リングだけでは摩耗したボアを補えない |
この表では圧力の半分よりもクリアランスの半分の方が重要です。0.5 mmの隙間がある150 barのシリンダーは、0.1 mmの隙間がある300 barのシリンダーよりも早く押し出されます。バックアップリングの追加と摩耗したガイドブッシュの交換のどちらを選ぶかなら、ブッシュを交換してください。当社の ガイドエレメント はまさにその役割のために存在します。ピストンを同心に保ち、クリアランスがシールの設計範囲内に収まるようにします。
機能を左右する設計の詳細
溝幅。 シングルバックアップリングには、リングの厚さに応じて約1.2～1.5 mmの追加軸方向スペースが必要です。2つのリングにはその2倍が必要です。溝がOリング専用に切削されている場合の選択肢は、より薄いリング、Oリングのスペースを共有する機械加工リング、またはまったく別のシールプロファイルです。これらの数値の背景にあるハウジングの慣例は、 Hallite が油圧ロッドシールおよびピストンシール向けに公開しているものであり、欧州の多くのシリンダーメーカーが基準としているリファレンスです。
エッジの面取り。 鋭い溝の角は取り付け時にPTFEリングを削り、グリンド内に異物を残します。溝入口に0.2～0.4 mmの面取りを施すのが標準的な慣行で、機械加工段階ではコストがかかりません。
表面粗さ。. リング下のボアまたはロッドは、動的用途ではおよそRa 0.4 µm以下であるべきです。PTFEはPEEKよりも粗い表面に耐えますが、傷ついたボア上を走るPEEKリングはボアを摩耗させます。
熱膨張。 PTFEは温度1度あたり、鋼の約10倍膨張します。直径200 mmを超えるリングでは、溝に径方向のすきま代を設ける必要があります。そうしないと80 °Cで突き当たって閉じ、ロッドを締め付けてしまいます。
取付時の確認事項
返品された部品で見られるバックアップリングの取付ミスは、ほぼすべて次の4つの確認で見つかります。
- リングが正しい側にあります。単動グランドでは、リングの平らな面がOリング側を向き、Oリングが圧力側を向きます。
- 切り口がある場合は、Oリング自身のパーティングラインからずらし、0.3 mm未満のすきままで閉じています。組立時に開いたままのスカーフジョイントは、そのまま開いた状態が続きます。
- リングが溝の中で手でスムーズに回転します。固着するリングは、誤った幅で加工されているか、流体を吸収しています。
- 組立体は、エラストマーと相性の悪いグリースではなく、システム流体で潤滑されています。EPDMのOリングにリチウムグリースを使うと徐々に故障しますが、PTFEリングには無害です。
バックアップリングと混同されやすい隣接部品
3つの部品が購買依頼で混同され、間違ったものを注文すると1サイクルを無駄にします。
ウェアリング （ガイドリングまたはガイドバンドとも呼ばれます）は半径方向に荷重を受け、側方荷重を支え、通常はバックアップリングより幅広で厚くなっています。シールリップの隣ではなく、専用の溝に収まります。 ガスケット は平らな静的シールで、押出し防止機能はまったくありません。 止め輪 は金属製で、流体ではなく部品を所定の位置に保持します。
充填PTFEのウェアリングと充填PTFEのバックアップリングが、同じコンパウンドで同じプレスから出てくることがあるため、混同は無理もありません。両者は断面、公差、溝が異なります。バックアップリングをウェアリングとして使うとせん断で破損し、ウェアリングをバックアップリングとして使うとすきまを塞げません。 Darcoid のような販売代理店は両ファミリーを並べて公開しているため、注文前に断面の違いを簡単に比較できます。
組立体のシール側については、当社の ガスケット、ワッシャー、バックアップリングの範囲 がPTFE、充填PTFE、PEEKの標準断面をカバーし、 OリングおよびXリングの範囲 がこれらのリングが保護するエラストマーをカバーしています。標準断面外のPEEKおよびPTFEの機械加工部品は、当社の エンジニアリングプラスチック ラインで対応しており、旧式設備向けのレトロフィットリングでは通常こちらがより迅速なルートです。
よくある質問
既存の溝に加工なしでバックアップリングを取り付けられますか？
場合によります。溝にOリングを超えて1.2 mm以上の軸方向スペースがすでにあれば、薄いリングが収まります。ない場合は、断面を減らした機械加工リングで溝を共有できますが、Oリングのつぶし代が約8%以上残ることを確認してから決めてください。それ未満では、低圧で組立体が漏れ、リングは無意味になります。
バックアップリングは摩擦を増やしますか？
圧力側に少量だけ、しかも圧力がかかっている間だけ増えます。ほとんどのシリンダーでは、増加量はロッドシール自体の摩擦に対して測定できない程度です。低速サーボ用途では影響があり、低摩擦の充填PTFEリングが通常の解決策です。
PTFEバックアップリングが数週間で割れたのはなぜですか？
頻度順に3つの原因があります。リングが誤った側に取り付けられ、押出し荷重をすべて自身で受けた。溝が狭すぎて、リングが膨張する余地がなかった。または、連続高荷重の静的継手に未充填PTFEのリングを使い、クリープ変形して割れるまで冷間流動した。
バックアップリングはTシールと同じですか？
いいえ。Tシールは押出し防止プロファイルを一体成形した単一部品で、Oリングと2つのリングを入れるには軸方向スペースが狭すぎる場合に使います。同じ問題を別の方法で解決するものです。
PTFEリングとPEEKリングのコスト差はどのくらいですか？
50 mmのリングでは、PEEKは充填PTFEリングのおよそ2～4倍の価格を見込んでください。ボアが適切に維持された250 barで稼働するシリンダーでは、充填PTFEが正しい選択であり、PEEKは使わない能力に費やす費用になります。400 barを超える場合、またはすきまを詰められない場合は、PEEKリングは防ぐ故障よりも安くつきます。