로드 씰 vs 피스톤 씰: 압력 방향, 프로파일 및 선정 로직

지난봄 텍사스의 한 수리점에서 사진 한 장을 보내왔습니다. 피스톤 그로브에 장착된 90 Shore A 폴리우레탄 로드 씰이 시험 4시간 만에 클리어런스 갭으로 압출된 모습이었습니다. 그 씰은 직경도, 재질도, 경도도 모두 맞았습니다. 다만 잘못된 그로브에, 잘못된 방향으로 장착되어 있었을 뿐입니다. 그 실린더는 “100 mm 보어용 씰 키트”를 주문하고 박스에 들어온 대로 설치한 한 하청업체에 의해 재조립된 것이었습니다.

로드 씰과 피스톤 씰은 카탈로그 사진에서는 비슷해 보이지만 작동 방식은 전혀 다릅니다. 하나는 경질 크롬 도금 로드에 대해 밀봉하며 복귀 행정에서 통제된 유막을 남겨야 합니다. 다른 하나는 배럴 내부의 두 가압 챔버를 분리하며, 복동 실린더에서는 양방향 모두에서 이를 수행해야 합니다. 프로파일, 하우징 치수, 상대면의 표면 조도, 고장 모드 모두 이러한 차이에서 비롯됩니다.

다음은 현장에서 우리가 사용하는 선정 순서입니다. 먼저 압력 방향, 그다음 상대면과 갭, 그다음 프로파일, 그다음 재질, 마지막으로 도면에 기재해야 할 세부 사항입니다.

프로파일이 아니라 압력 측에서 시작하십시오

단동 립 씰에는 압력 측과 저압 측이 있으며, 립은 압력 쪽을 향해야 합니다. 로드 씰의 경우 유체는 보어 측에서 하우징으로 유입되어 U자 뒤쪽 공간을 채우고, 립을 로드 쪽으로 그리고 그로브 쪽으로 밀어냅니다. 압력이 강할수록 씰은 더 단단히 조여집니다. 같은 씰을 반대로 돌리면 압력이 이제 립 가장자리에 작용하여 립을 로드에서 들어 올립니다. 그 실린더는 20 bar에서 누유가 시작되고 200 bar에서는 눈에 띄게 파손됩니다.

실무에서 이것은 미묘한 문제가 아닙니다. U-컵이나 V-세트에서는 프로파일의 닫힌 끝이 압력 쪽을 향합니다. 스텝씰이나 압출 방지 링이 있는 컴팩트 피스톤 씰에서는 링이 저압 측에 위치합니다. 엘라스토머가 흘러가려는 쪽이 바로 그쪽이기 때문입니다. 둘 중 하나라도 잘못되면 그 부품은 “약간 나빠지는” 것이 아니라 아예 작동하지 않습니다.

복동 실린더는 문제를 바꿔 놓습니다. 두 포트가 서로 다른 시점에 전압을 받으므로 피스톤 씰은 양방향으로 밀봉해야 합니다. 이를 구현하는 방법은 세 가지이며, 선택에 따라 비용과 스택 길이가 달라집니다:

• 두 개의 단동 씰을 등지게 배치. 단순하고 저렴하지만 더 긴 피스톤과 그 사이의 드레인 또는 벤트가 필요합니다. 대구경 밀 실린더에서 흔히 사용됩니다.
• 하나의 복동 컴팩트 씰. 충전 PTFE 또는 PU 밀봉 링에 엘라스토머 에너자이저와 하나 또는 두 개의 압출 방지 링을 결합하여 단일 하우징에 넣은 형태입니다. 짧고 마찰이 낮으며 압력 반전에 강합니다. 약 400 bar까지의 모바일 유압에서 기본 선택입니다.
• 두 개의 립이 있는 대칭 프로파일. 양쪽 끝에 어댑터 링이 있는 더블 U 또는 셰브론 스택. 프레스 없이 현장에서 수리할 수 있어야 하는 곳에 사용됩니다.

로드 측은 거의 항상 단동입니다. 유체는 보어 측에서만 압력을 가하며 반대쪽은 대기입니다. 그래서 로드 씰이 단순한 U-컵이 될 수 있고, 거꾸로 장착된 로드 씰이 반품 부품에서 우리가 보는 가장 흔한 재조립 오류 중 하나인 것입니다.

두 개의 상대면, 두 가지 마모 메커니즘

로드 씰은 경질 크롬 도금되고 연삭 및 연마된 로드 위에서 작동하며, 일반적으로 유도 경화 또는 침탄 경화된 기재 위에 20~50 µm의 크롬이 도금됩니다. 표면은 거의 거울면에 가깝고 공차는 엄격하며, 씰은 수백만 번에 걸쳐 동일한 좁은 크롬 밴드를 접하게 됩니다. 해당 계면의 마모는 유막이 지배합니다. 너무 적으면 립이 건조하게 작동하여 경화되고, 너무 많으면 실린더가 로드 위에 먼지를 끌어들이는 유막을 남깁니다.

피스톤 씰은 호닝된 보어 위에서 작동합니다. 보어는 호닝에 의한 크로스 해치를 지니고 골에 오일을 보유하며, 원주가 훨씬 크기 때문에 단일 피스톤 씰은 행정당 로드 씰의 몇 배 면적을 훑습니다. 또한 브리더와 리턴 라인을 통해 유입되는 오염 물질에 더 가까이 위치합니다. 보어에 박힌 입자는 피스톤 씰의 전체 이동 경로를 따라 흠집을 냅니다. 로드 위의 같은 입자는 씰에 도달하기 전에 글랜드에서 닦여 나갑니다.

이 두 가지 사실이 카탈로그에서 보이는 재질 구분의 대부분을 설명합니다. 로드 씰은 내마모성을 위해 폴리우레탄에, 저마찰과 고속을 위해 PTFE 컴파운드에 의존합니다. 피스톤 씰은 직물 보강 NBR, 충전 PTFE 및 PU에 의존하며, 선택은 압력과 피스톤이 받는 측하중의 크기에 따라 결정됩니다.

그로브를 결정하는 표준

씰 호환성에 관한 대부분의 논쟁은 사실 하우징에 관한 논쟁입니다. 동일한 100 mm 보어와 동일한 12 mm 높이를 가진 두 씰이라도 하나는 7.5 mm 방사형 깊이용이고 다른 하나는 8.0 mm용이라면 호환되지 않습니다. 축방향 및 방사형 치수는 씰 도면이 아니라 하우징 표준에서 나옵니다.

ISO 5597:2018은 왕복 실린더의 단동 로드 및 피스톤 씰 하우징에 대한 기준입니다. 보어 16 mm에서 500 mm, 로드 6 mm에서 450 mm의 실린더를 다룹니다. 또한 160 bar(16 MPa)에서 ISO 6020-2에 따라 제작된 실린더용의 두 번째 컴팩트 범위를 정의하며, 여기서 보어는 25 mm에서 200 mm, 로드는 12 mm에서 140 mm입니다. 이 컴팩트 범위는 더 작은 씰 단면을 사용하며, 그 직접적인 결과로 보어와 로드에 대한 공차가 더 엄격합니다. 즉, 더 적은 방사형 공간에서 동일한 공칭 압력을 구현하는 것입니다.

같은 표준에는 입고 검사에서 논쟁이 되는 표면 요구 사항도 포함되어 있습니다. 동적 밀봉면은 Ra ≤ 0.4 µm, 정적 밀봉면은 Ra ≤ 1.6 µm, 그로브 플랭크는 Ra ≤ 3.5 µm, 그리고 ISO 4287에 따라 측정한 재료 비율 Rmr은 50~80퍼센트입니다. Rmr 조항은 도면 검토자들이 건너뛰는 항목입니다. 보어가 0.3 µm Ra를 달성하더라도 플래토가 너무 작으면 씰이 실패할 수 있습니다. 하중이 넓은 플래토가 아니라 몇 개의 피크에 집중되기 때문입니다.

• ISO 5597:2018 — 단동 피스톤 및 로드 씰용 하우징, 보어 16–500 mm 및 로드 6–450 mm, 그리고 ISO 6020-2를 기반으로 한 컴팩트 범위 포함. 그로브 폭, 방사형 깊이, 공차 및 표면 조도 값을 규정합니다.
• ISO 7425-1 및 -2 — 엘라스토머로 가압되는 플라스틱 면 실의 하우징으로, 파트 1은 피스톤, 파트 2는 로드에 해당합니다. PTFE 면 실의 그루브 형상을 규정하며, 압출 방지 요소를 위한 공간도 포함합니다.
• ISO 6195:2021 — 로드 직경 4 mm에서 450 mm까지의 와이퍼 링 하우징으로, 하우징 유형 A~E를 포함합니다. 와이퍼 그루브의 깊이, 폭, 모따기 및 마감을 규정합니다.
• ISO 6020-1 및 -2 — 160 bar 및 250 bar 시리즈의 실린더 외형 치수입니다. 컴팩트 실 하우징은 이러한 보어 및 로드 외형을 기준으로 설계되므로, 더 작은 단면에서 동일한 압력을 견디려면 더 엄격한 공차가 요구됩니다.

고객 도면에 실 부품 번호만 기재되어 있고 하우징 표준이 없는 경우, 견적 전에 그루브 치수를 요청합니다. 열 번 중 아홉 번은 도면이 문제없으며, 부품 번호는 세 번이나 복사된 경쟁사 카탈로그의 상호 참조일 뿐입니다. 나머지 한 번은 방사형 깊이가 0.5 mm 어긋나 있어 어떤 표준 실도 견디지 못합니다.

압출: 모든 것을 제한하는 수치

모든 압력 가압식 실은 저압 측으로 밀립니다. 마주하는 틈새가 충분히 작으면 엘라스토머나 PTFE가 그루브 측면과 금속 랜드에 의해 구속되지만, 그렇지 않으면 재료가 틈새로 흘러 들어가 압력 사이클에서 전단되어 실이 단면을 잃게 됩니다. 이는 가장 흔한 고압 고장이며, 재료 문제이기 전에 먼저 간극 문제입니다.

허용 틈새는 압력이 높아질수록 빠르게 줄어듭니다. 폴리아미드 압출 방지 링이 일체화된 폴리우레탄 버퍼 실의 공개 수치(80 °C 기준)는 160 bar에서 0.8 mm, 250 bar에서 0.55 mm, 400 bar에서 0.35 mm, 690 bar에서 0.15 mm입니다. 열가소성 백업 링 두 개가 있는 PTFE 면 컴팩트 피스톤 실은 단면 7.5 mm 이하 기준으로 160 bar에서 0.8 mm, 600 bar에서 0.25 mm로 제시됩니다. 두 수치 모두 동일한 물리적 규칙에서 나옵니다. 압력이 상승하면 허용 직경 간극이 줄어들며, 실 구조도 그에 맞춰 변경되어야 합니다.

이 수치는 기준 온도에서 특정 실 제품군에 대한 공개 카탈로그 한계값이며, 모든 실에 적용되는 일반 규칙이 아닙니다. 온도가 상승하면 엘라스토머가 연화되므로 틈새 한계는 더 엄격해집니다. 실제로 구매하는 실의 데이터 시트와 대조하여 확인하십시오.

이러한 한계 내에 머무를 수 있는지는 두 가지 하드웨어 세부 사항에 달려 있습니다. 첫째는 피스톤 및 로드 가이드입니다. 실에 의존해 중심을 잡는 피스톤은 측면 하중을 받으면 기울어져 한쪽 틈새는 벌어지고 다른 쪽은 좁아집니다. 마모 링이나 가이드 밴드는 몇 달러면 문제를 제거할 수 있습니다. 둘째는 그루브 측면의 경도와 모서리 처리입니다. 연한 측면은 실이 받는 동일한 하중에서 변형되어 실질적으로 틈새를 증가시킵니다. 250 bar 초과 실린더에는 측면 경도를 45 HRC 이상으로 지정합니다.

로드 측은 실 하나가 아니라 적층 구조입니다

대부분의 로드 어셈블리는 세 가지 구성 요소로 이루어지며, 순서가 중요합니다. 대기 측에서 안쪽으로: 와이퍼, 로드 실, 버퍼 실. 광산 및 건설용 실린더에는 종종 네 번째 요소인 마모 링이나 별도 하우징의 보조 실이 있습니다.

이 와이퍼 는 외부 면에 위치하며 로드가 글랜드로 다시 들어오기 전에 크롬 표면에서 진흙, 먼지, 얼음을 긁어냅니다. 압력 실이 아닙니다. 설계상 립이 건식으로 작동하므로 와이퍼 재료는 유체 호환성보다 건식 마모를 기준으로 선택됩니다.

이 로드 씰 는 압력 작업을 담당합니다. 정압을 누출 없이 유지하고, 동압을 유지하면서도 저속에서 실린더가 떨릴 정도의 마찰을 발생시키지 않아야 합니다. PU 재질의 U-컵은 적당한 속도에서 약 400 bar까지 이를 처리하며, 마찰, 속도 또는 온도가 PU의 적용 범위를 벗어나면 PTFE 면 스텝실이 대신합니다.

이 버퍼 실, 은 장착된 경우 실린더가 바닥에 닿거나 밸브 작동으로 라인에 충격이 전달될 때 발생하는 압력 스파이크를 흡수합니다. 로드 실을 피크로부터 보호하고, 갇힌 오일을 작은 그루브나 구멍을 통해 보어로 배출합니다. 250 bar로 작동하지만 450 bar 스파이크가 발생하는 실린더에서 로드 실을 살려두는 것이 바로 버퍼입니다.

적층 구조는 누출이 어디로 가는지도 결정합니다. 와이퍼가 고장 나면 로드에 스크래치가 생기고, 몇 주 안에 로드 실이 파손됩니다. 로드 실이 고장 나면 외부 누출이 발생해 쉽게 확인할 수 있습니다. 버퍼가 고장 나면 로드 실이 뚜렷한 이유 없이 계속 고장 나는데, 이는 흡수해야 했던 압력 스파이크가 이제 립에 도달하기 때문입니다.

피스톤 옵션과 각 옵션의 비용

피스톤 측은 압력 반전, 측면 하중, 그리고 대형 실린더에서는 긴 밀봉 둘레를 처리해야 하므로 종류가 더 다양합니다.

컴팩트 PTFE 실 은 최대 400 bar의 모바일 유압 피스톤에 기본으로 사용됩니다. 마찰이 낮고 스틱-슬립이 없으며 하우징이 짧고 압력 반전에 강합니다. 고무 U-컵보다 비싸고 피스톤 가이드가 잘 되어 있어야 하는데, PTFE 링은 기울어진 보어에 순응하는 능력이 거의 없기 때문입니다.

폴리우레탄 U-컵, 은 단일형 또는 이중형으로 저렴하고 유연하며 어디서나 구할 수 있습니다. 깨끗한 유체에서 300~400 bar를 처리하고, 적당한 정렬 불량을 허용하며, 내마모성이 우수합니다. 고압에서의 빠른 사이클링은 PTFE만큼 견디지 못하며 마찰이 더 큽니다.

직물 보강 NBR V-세트 는 대구경 저속 실린더 — 프레스, 압연 설비, 선박 조타 장치 — 에 사용됩니다. 적층 높이가 높고 조정이 기계식이며, 운전 중에 실을 다시 조일 수 있습니다. 공간이 제약이 아닌 곳에서는 여전히 작동하는 오래된 기술입니다.

두 개의 단동식 씰 500 mm 보어 이상에서는 하나의 하우징에 들어가는 컴팩트 씰이 비싸지고 손상 없이 설치하기 어려워지므로 여전히 실용적인 답입니다.

올바른 씰을 가리키는 고장 징후

누유 패턴을 데이터로 취급하면 진단이 더 빨라집니다. 아래 표는 고객이 사진과 불만을 보내왔을 때 우리가 사용하는 표입니다.

이 중 얼마나 많은 항목이 씰 문제가 아닌지 주목하십시오. 일곱 가지 중 세 가지는 설치 또는 하드웨어 결함이고, 하나는 유체 문제입니다. 원인을 해결하지 않고 씰만 교체하면 몇 주만 버티게 됩니다.

일곱 단계의 선정 절차

1. 압력 방향을 확정합니다. 단동식인지 복동식인지, 그리고 정격 이상의 압력 스파이크가 있는지 확인합니다. 250 bar 정격의 실린더가 행정 말단에서 400 bar를 겪는다면 이는 400 bar 애플리케이션입니다.
2. 오래된 씰이 아니라 하우징을 측정합니다. 홈 너비, 반경 방향 깊이, 보어 및 로드 직경, 모서리 반경을 측정합니다. 오래된 씰은 팽윤되었거나 마모되었거나 단순히 잘못된 것입니다.
3. 작동 온도에서의 간극을 계산합니다. 공칭값이 아니라 공차 누적에서 최악의 간극을 취합니다. 데이터 시트의 압력 및 온도에 대한 간극 한계와 비교합니다.
4. 상대면 표면 조도를 선택합니다. 동적 면은 Ra ≤ 0.4 µm, Rmr 50–80퍼센트로 하고, 로드 크롬은 조도뿐 아니라 피트 여부를 확인합니다.
5. 프로파일 계열을 선택합니다. 비용과 정렬 불량 허용성에는 PU U-컵, 마찰·속도·온도에는 PTFE 페이스, 대구경 및 저속에는 직물 V-세트를 선택합니다.
6. 컴파운드를 선택합니다. 유체 호환성이 우선, 온도가 두 번째, 경도가 세 번째입니다. 95 Shore A PU가 93보다 자동으로 더 좋은 것은 아니며, 순응성이 낮고 노치에 더 민감합니다.
7. 씰을 보호하는 하드웨어를 지정합니다. 가이드 링, 버퍼 씰, 와이퍼, 모따기, 그리고 항복하지 않을 만큼 충분히 단단한 홈 측면을 지정합니다.

도면과 구매 주문서에 포함되어야 할 사항

“로드 씰 100 x 115 x 12, PU”라고만 적힌 씰 주문은 추측입니다. 여섯 줄을 더 추가한 동일한 주문은 대부분의 위험을 제거합니다:

• 하우징 표준 및 시리즈, 예를 들어 ISO 5597 로드 시리즈 또는 ISO 7425-2.
• 공칭 압력 및 피크 압력, 피크 지속 시간 포함.
• 유체 유형(워터-글리콜 또는 생분해성 에스터 포함) 및 작동 온도 범위.
• 로드 또는 보어 표면 조도 및 경도, 도면에 이미 지정된 경우 Rmr 값 포함.
• 속도 및 듀티 사이클 — 연속 왕복과 하루 몇 번의 행정은 동일한 씰에 대해 서로 다른 애플리케이션입니다.
• 버퍼 씰과 와이퍼가 어셈블리에 포함되는지 여부 및 해당 부품 번호.

여러 제조사의 장비가 섞인 플릿을 정비하는 유통업체나 정비소에게 이 내용의 실용적인 형태는 OEM 부품 번호를 경쟁사 씰 번호가 아니라 하우징 치수에 매핑하는 상호 참조표입니다. 저희는 그루브 치수를 함께 첨부하여 공개합니다. 공급업체가 바뀌어도 유지되는 데이터가 바로 그것이기 때문입니다. The 유압 로드 씰 제품군 및 피스톤 씰 제품군 은 바로 그런 이유로 하우징 시리즈별로 분류되어 있으며, 로드 및 피스톤 씰 결합 페이지에는 프로파일과 함께 그루브 데이터가 나열되어 있습니다.

작업대에 두고 참고할 만한 외부 자료가 두 가지 있습니다. Trelleborg는 유압 씰 데이터 를 프로파일별 간극 한계와 함께 공개하고 있으며, Apple Rubber의 씰 설계 가이드 는 글랜드 형상을 알기 쉬운 언어로 다룹니다. 유통업체 입장에서 글랜드 설계에 대한 다른 의견이 필요하면, Marco Rubber 유용한 참고 페이지를 운영하고 있으며, ERIKS 유럽 시장을 위한 동일한 규칙을 문서화하고 있습니다. Hallite의 유압 씰 페이지 는 OEM 도면이 없을 때 하우징 치수를 교차 확인하기에 좋습니다.

핵심 요약

• 압력 방향이 가장 먼저입니다. 단동 립 씰을 거꾸로 설치하면 저압에서는 견디지만 고압에서 파손됩니다. 복동 피스톤에서는 씰 두 개를 등 맞대어 배치하거나 진정한 복동 프로파일을 사용하십시오.
• 상호 호환성을 정의하는 것은 부품 번호가 아니라 하우징입니다. ISO 5597:2018은 16–500mm 보어와 6–450mm 로드의 그루브 치수를 규정하며, ISO 7425-1 및 -2는 플라스틱 면 씰을, ISO 6195:2021은 4mm에서 450mm 로드용 와이퍼를 다룹니다.
• 압출은 간극 계산입니다. 허용 간극은 씰 구조에 따라 160bar에서 약 0.8mm에서 400–690bar에서 0.15–0.35mm로 감소합니다. 백업 링을 추가하는 것이 경도를 높이는 것보다 저렴합니다.
• 표면 조도에는 Ra뿐 아니라 Rmr이 필요합니다. 동적 면은 Ra ≤ 0.4µm, 재료 비율 50–80%가 ISO 5597 목표입니다. 평탄부가 불량한 거울면 마감은 여전히 씰을 마모시킵니다.
• 대부분의 로드 씰 고장은 다른 곳에서 시작됩니다. 고장 난 와이퍼는 크롬을 긁고, 버퍼 씰이 없으면 압력 스파이크가 그대로 전달되며, 기울어진 피스톤은 간극을 벌립니다. 원인을 고치지 않으면 새 씰도 같은 주기로 고장 납니다.
• 치수와 사용 조건으로 주문하십시오. 발주서에 압력, 최고 압력, 유체, 온도 범위, 속도, 표면 조도 및 하우징 표준을 기재하십시오. 비용은 들지 않으며 올바른 씰이 고장 나는 가장 흔한 원인을 제거합니다.

여러 제조사의 장비가 섞인 플릿을 정비하면서 하우징을 식별할 수 없다면, 오래된 씰 대신 그루브 치수를 보내주십시오. 하우징에 맞는 프로파일을 찾아드리고 해당 압력에 대한 간극이 한계를 벗어나는지 알려드리겠습니다. 그 대화는 이메일 한 통이면 되고 두 번째 재정비를 막아줍니다.

글랜드의 양쪽을 함께 규정합니다

로드 씰과 피스톤 씰은 하나의 실린더에서 서로 다른 두 가지 역할이며, 둘 다 여기서 제조됩니다. 로드 씰과 버퍼 씰은 PU 및 PTFE 컴파운드로, 피스톤 씰은 스텝 씰, 하중형 U-컵 및 컴팩트 립 프로파일로 제작되며, 스택을 완성하는 가이드 링, 백업 링, 와이퍼도 함께 제공됩니다. 그루브는 하우징이 가공된 ISO 또는 OEM 표준을 따를 수 있습니다.

견적 전에 확인하는 한계는 이 글에서 짚은 것들입니다. 즉 압력 방향, 온도에서의 압출 간극, 로드와 보어의 상대면 조도, 그리고 버퍼가 여전히 로드 씰을 스파이크로부터 보호하고 있는지 여부입니다. 300bar에서 스며드는 로드 씰은 보통 그 배후에 간극 수치와 버퍼 문제가 있으며, 컴파운드 문제가 아닙니다.

하우징 도면, 압력 및 속도를 다음으로 보내주시거나 sales@bosssealing.com, 를 이용하시면 문의 양식, 각 위치에 맞는 프로파일, 그에 맞는 재료 및 가격을 회신해 드립니다. 보통 하루 이내이며 엔지니어링 검토는 무료입니다.