Износ кромки уплотнения в зависимости от числа циклов

Скорость износа кромки уплотнения — это измеренное изменение заданного размера профиля уплотнения или объёма износа, делённое на накопленный путь скольжения при документированных условиях испытания. Число циклов можно использовать как показатель для технического обслуживания. Для сравнения разных применений необходимо контролировать ход, характер движения, давление, скорость, смазку, температуру, сопряжённую поверхность, загрязнение, положение уплотнения и метод измерения.

Это определение исключает распространённую ошибку. Один миллион циклов при ходе 50 mm и один миллион циклов при ходе 500 mm создают для поршневого уплотнения путь скольжения, различающийся в десять раз. Показания счётчиков одинаковы, а трибологическая нагрузка — нет.

Ключевые выводы

ISO 19973-3 выражает ресурс пневмоцилиндров в циклах или километрах, поэтому при изменяемой длине хода записывайте оба значения.

Для фиксированного полного цикла выдвижения и втягивания накопленный путь скольжения равен $L = 2sN$ .

Измеряйте заданный элемент профиля кромки в воспроизводимых осевых и окружных точках; не оценивайте микрометровый износ только по утечке.

Аппроксимируйте тенденцию износа лишь внутри групп с одинаковыми условиями и в пределах наблюдаемого пути.

Устанавливайте пределы обслуживания по функциональным критериям приёмки и неопределённости, а не по универсальному проценту толщины кромки.

Как число циклов связано со скоростью износа кромки уплотнения?

ISO 19973-3:2015 — 21-страничный стандарт испытаний на надёжность штоковых пневмоцилиндров. В нём указано, что ресурс цилиндра обычно выражают в циклах или километрах. Поэтому число циклов является допустимой координатой испытания на долговечность, однако пройденный путь лучше подходит для сравнения, если различаются длина или полнота хода (ISO 19973-3).

Корреляция — это взаимосвязь, наблюдаемая в определённой совокупности и окне испытаний. Она не является свойством материала. Если глубина износа растёт вместе с числом циклов, результат описывает одну испытанную систему. В неё входят профиль и материал уплотнения, гильза, смазка, давление, скорость, температура, загрязнение, соосность и метод контроля.

Три вида записей следует хранить раздельно:

Запись	Что измеряет	Чего сама по себе не доказывает
Число циклов	Завершённые события машины или привода	Путь скольжения, состояние уплотнения или остаточный ресурс
Измерение износа уплотнения	Изменение заданного элемента профиля или объёма	Герметичность или вероятность отказа
Функциональное состояние	Утечка, трение, движение, падение давления или другой приёмочный показатель	Физический механизм износа без осмотра

Для полного цикла также нужно рабочее определение. Это одна команда, одно завершённое выдвижение или пара «выдвижение-втягивание»? Учитываются ли частичные и прерванные ходы? Счётчик, увеличивающийся по выходному сигналу PLC, может завышать завершённый путь при прерывании движения. Счётчик с подтверждением положения полезнее, но и для него нужны сведения о ходе.

Лучший набор данных ведёт два отсчёта: число событий для планирования обслуживания и путь скольжения для трибологического сравнения. Число событий отвечает на вопрос: «Сколько раз машина запрашивала это движение?» Путь скольжения отвечает на вопрос: «Какое расстояние фактически прошло это уплотняемое сопряжение?»

Почему износ следует нормировать по пути скольжения?

В эксперименте 2012 года с пневматическими уплотнениями радиальный износ кромки строили по пройденному пути, а не по условной шкале только из циклов. Каждая точка графика представляла среднее из 32 показаний: в восьми окружных положениях на четырёх образцах уплотнений. Такая схема показывает, почему путь, пространственная выборка, повторность и разброс должны входить в один результат по износу (Belforte et al., 2012).

Для уплотнения, которое проходит один полный ход при выдвижении и такое же расстояние при втягивании, накопленный путь скольжения равен:

L = 2sN

Переменная $L$ — накопленный путь скольжения, $s$ — длина завершённого хода, а $N$ — число полных циклов выдвижения и втягивания. Используйте согласованные единицы. Если $s$ измеряется в метрах, $L$ также выражается в метрах.

Например, один миллион полных циклов при ходе 50 mm соответствует пути скольжения 100 km. То же число циклов при ходе 500 mm соответствует 1 000 km. Этот расчёт не прогнозирует износ, а лишь приводит два применения к сопоставимой координате пути.

Число циклов удобно для планирования, но путь скольжения раскрывает нагрузку, скрытую за разной длиной хода.

Если ход меняется в зависимости от рецептуры процесса, рассчитывайте путь для каждого события:

L = 2\sum_{i=1}^{m} s_i N_i

Переменная $s_i$ — ход для рецептуры или рабочей группы $i$ , $N_i$ — число завершённых циклов этой группы, а $m$ — число групп. Для частичного движения суммируйте измеренный путь по сигналу положения, не предполагая полный ход.

ISO 23337:2024 также допускает представление абразивного износа резины как потери объёма за время испытания или на единицу пути. В нём применяется машина Ламбурна, а не установленное пневматическое уплотнение. Тем не менее такой способ представления показывает, почему при сравнении износа необходимо указывать путь (ISO 23337).

Как измерять износ кромки уплотнения?

В методике 2012 года лазерный датчик измерял радиальную потерю материала в осевых и окружных положениях без разборки манжетных уплотнений. Результаты включали средние значения и стандартные отклонения. Это более надёжная метрологическая схема, чем одно измерение толщины ручным прибором (Belforte et al., 2012).

Сначала определите измеряемую величину — точный параметр, который должен установить контроль. Возможные варианты:

радиальная потеря материала в заданной координате кромки;
изменение совмещённого двумерного профиля;
площадь изношенного поперечного сечения;
потеря объёма по трёхмерному сканированию;
окружная неоднородность в заданном осевом положении.

Формулировка «толщина кромки» недостаточно точна. Кажущаяся толщина эластомера меняется из-за измерительного усилия, выравнивания приспособления, температуры, набухания, релаксации и выбранного сечения. Цифровой микрометр может показывать шаг 0,001 mm, не обеспечивая точность 0,001 mm на податливой уплотнительной кромке.

Воспроизводимая методика контроля должна определять:

Кондиционирование: время, температуру, влажность, способ очистки и время после сброса давления.
Систему базирования: способ позиционирования уплотнения или поршня относительно датчика.
Сетку измерений: осевые координаты, окружные углы и число повторных сканирований.
Настройки прибора: тип и диапазон датчика, калибровочную меру, разрешение, фильтрацию и скорость сканирования.
Обработку данных: совмещение профилей, эталон нового изделия, обработку выбросов и метод усреднения.
Неопределённость: повторяемость, разброс между деталями, погрешность базирования и вклад прибора.

По моему опыту анализа журналов контроля уплотнений, совмещение является самым уязвимым этапом. Если между сканированиями меняется исходный угол или осевая база, погрешность приспособления может выглядеть как износ. Прежде чем принять рассчитанную скорость износа кромки уплотнения, я запрашиваю исходные профили и метод их совмещения.

Неравномерный износ имеет диагностическую ценность. Одно среднее значение по окружности может скрыть проблему боковой нагрузки, локальную дорожку загрязнения, повреждённую кромку порта или эксцентричную сборку. Руководство по боковой нагрузке цилиндра и износу уплотнений объясняет, почему одностороннее повреждение требует механического расследования, а не только сокращения интервала замены.

Необходимо измерять и сопряжённую поверхность. Один параметр Ra не описывает структуру пиков, удерживающую способность впадин, направленность или отдельные дефекты. При составлении протокола контроля сопряжённой поверхности используйте отдельный материал о влиянии Ra и Rz на долговечность гильзы цилиндра.

Как сформировать воспроизводимый набор данных «циклы — износ»?

ISO 19973-1:2015 требует статистической оценки, поскольку ресурс компонентов различается. Его процедуры рассматривают первый отказ без ремонта и содержат отдельные указания по выбросам. В исследовании износа уплотнений следует сохранять идентичность образцов, прозрачно сообщать об исключениях и не заменять повторные испытания одной необычно ровной кривой (ISO 19973-1).

Используйте сопоставимые образцы и заранее заданные интервалы контроля. Если измерение требует разрушающего сечения или снятия уплотнения, назначьте отдельные образцы для каждого интервала. Повторные снятие и установка одного уплотнения могут изменить распределение смазки, геометрию кромки, монтажные повреждения и соосность.

Поле набора данных	Минимальная запись	Назначение
Идентичность образца	Партия, профиль, материал и размеры уплотнения, канавка и гильза	Не допускает смешения разных установленных систем
Режим работы	Завершённые циклы, ход или измеренный путь, профиль скорости, выдержки и реверсы	Определяет накопленное воздействие скольжения
Пневматическое состояние	Давление в обеих полостях, качество подачи и состояние выхлопа	Учитывает нагружение давлением и нагрузку
Трибологическое состояние	Марка и количество смазки, текстура сопряжённой поверхности, загрязнение	Объясняет изменения трения и износа
Окружающая среда	Температура и влажность при испытании и измерении	Контролирует реакцию эластомера и смазки
Измерение	Прибор, сетка, калибровка, неопределённость и исходный профиль	Делает результат по износу воспроизводимым
Функциональные проверки	Утечка, трение или сила, время движения и видимые повреждения	Связывает физический износ с пригодностью к работе

Не сравнивайте «новые», «середины ресурса» и «отказавшие» образцы с разных машин, если рабочие условия не подтверждены как одинаковые. Вместо этого определите испытательные ячейки до сбора данных. В разумной ячейке постоянны партия уплотнений, обработка гильзы, смазка, диапазон давления, профиль скорости, диапазон температуры, ход, монтаж и класс загрязнения.

Прослеживаемая модель «циклы — износ» начинается с контролируемого оборудования и завершается функциональным правилом принятия решения.

Диаграмма рассеяния без обозначения условий — ещё не модель износа. Как минимум задайте цвет или отдельную грань для каждой испытательной ячейки и сохраняйте значения отдельных образцов. Объединение разных ходов, смазок, давлений и сопряжённых поверхностей может создать видимость сильной корреляции. Эта закономерность способна отражать график испытаний, а не реальный закон износа.

Когда линейная модель износа обоснована?

ISO 4649:2024 определяет относительную потерю объёма или стойкость к истиранию в контролируемом барабанном испытании. Стандарт прямо предупреждает, что из результатов нельзя выводить тесную связь с эксплуатационными характеристиками. Линейная зависимость износа обоснована лишь внутри наблюдаемого окна с одинаковыми условиями (ISO 4649).

Для двух осмотров в одной группе с одинаковыми условиями интервальную скорость износа по глубине можно выразить так:

r_h = \frac{h_1 - h_2}{L_2 - L_1}

Результат $r_h$ — глубина износа на единицу пути скольжения. Переменные $h_1$ и $h_2$ — один и тот же зарегистрированный размер кромки при двух осмотрах. Переменные $L_1$ и $L_2$ — соответствующие накопленные пути скольжения. Задайте правило знаков так, чтобы положительное $r_h$ означало потерю материала.

Если для эксплуатации нужен показатель, нормированный по циклам, приводите его как дополнительное поле:

r_{h,N} = \frac{h_1 - h_2}{(N_2 - N_1)/100{,}000}

У результата будут единицы, например микрометры на 100 000 заданных циклов. Он действителен только для заявленных хода и режима. Не сравнивайте его с другим применением, пока оба результата не приведены к одной основе по пути и группе условий.

Линейную модель можно записать так:

h(L) = h_0 - \beta L + \varepsilon

Член $h_0$ — аппроксимированный начальный размер, $\beta$ — аппроксимированная потеря на единицу пути, а $\varepsilon$ — остаток. Перед использованием $\beta$ исследуйте остатки в зависимости от пути, образца, температуры, давления, направления и интервала контроля.

Откажитесь от линейной модели или разбейте её на участки, если:

остатки систематически изгибаются с увеличением пути;
наклон меняется после смены смазки, уплотнения, гильзы или рабочего режима;
окружной износ становится резко неравномерным;
функциональная утечка или трение меняются без пропорциональной потери профиля;
механизм повреждения переходит от постепенного истирания к порезу, выдавливанию, разрыву или химическому разрушению;
прогноз значительно выходит за самый большой наблюдавшийся путь.

Соотношение Арчарда полезно как гипотеза для первичной оценки износа при скольжении:

V = k\frac{F_N L}{H}

Член $V$ — объём износа, а $k$ — эмпирический коэффициент для испытанной трибологической системы. Переменная $F_N$ — нормальная нагрузка, $L$ — путь скольжения, а $H$ — твёрдость в совместимом определении. Контактная нагрузка, плёнка, геометрия, температура и свойства материалов могут меняться во время работы. Это не готовый калькулятор ресурса.

Какие условия необходимо поддерживать постоянными?

В исследовании пневмоцилиндров 2019 года изменяли геометрию и диаметр уплотнения, давление, скорость и направление хода. В испытанных компоновках на поршневые уплотнения приходилось 90% измеренного трения, а давление влияло сильнее скорости. Сильное взаимодействие параметров означает, что утверждения о трении по одному фактору требуют сопоставимых испытаний. Оно также показывает, какие переменные следует записывать при исследовании износа, однако сам износ необходимо измерять независимо (Azzi et al., 2019).

Трение и износ связаны, но не взаимозаменяемы. Высокое усилие страгивания может быть следствием выдержки, перераспределения смазки, прижатия давлением или релаксации эластомера без пропорциональной потери материала. И наоборот, абразивные частицы могут удалять материал, тогда как измеренное трение при движении почти не меняется.

Контролируйте или записывайте следующие переменные:

Давление: записывайте давление и его историю в обеих полостях, а не только уставку подачи.
Скорость и профиль движения: включайте ускорение, реверс, выдержку, частичные ходы и удары.
Температура: измеряйте окружающую среду и соответствующую поверхность компонента; не подменяйте измерение температуры кромки предположением.
Смазка: указывайте марку смазки, нанесённое количество, способ сборки, дополнительную подачу масла в воздух и события повторного смазывания.
Качество воздуха и загрязнение: фиксируйте фильтрацию, воду, унос масла, воздействие пыли и вмешательства при обслуживании.
Сопряжённая поверхность: определяйте материал, покрытие, процесс хонингования, параметры текстуры, направленность и локальные дефекты.
Соосность и боковая нагрузка: документируйте монтаж, состояние направляющей, центр нагрузки, прогиб штока и моменты на каретке.
Идентичность уплотнения: сохраняйте поставщика, профиль, материал, заданную твёрдость, партию, размеры и срок хранения.

Parker отмечает, что плёнка пневматической смазки уменьшается по мере того, как уплотнения снимают её с поверхности, а износ зависит от материала, смазки, сопряжённой поверхности и рабочих условий. Справочник также предостерегает от обобщения лабораторных измерений трения и износа, если параметры неизвестны и невоспроизводимы (Справочник Parker по уплотнительным кольцам).

Историю смазки рассматривают материалы о том, почему стареет смазка цилиндра и что в действительности требуется самосмазывающимся уплотнениям. Если контролируемой переменной является материал, сравнение PTFE и полиуретана в сухом воздухе объясняет, почему одно название материала не определяет рабочие характеристики.

Как использовать корреляцию для установления пределов обслуживания?

ISO 19973-3 задаёт оборудование и пороговые уровни для испытаний надёжности штоковых цилиндров; ISO 19973-1 рассматривает первый отказ без ремонта. Для одной заявленной конфигурации эти стандарты поддерживают функциональные критерии, а не универсальный процент толщины кромки для замены (ISO 19973-3; ISO 19973-1).

Формируйте предел обслуживания из трёх уровней:

Физическое состояние: зарегистрированная потеря кромки, неоднородность, трещина, порез, выдавливание, отверждение, набухание или отложения.
Функциональное состояние: внешняя или внутренняя утечка, падение давления, усилие страгивания, трение при движении, время движения, повторяемость или неспособность выполнить заданный ход.
Последствия: потери производства, загрязнение, потеря управления, опасность от силы тяжести, доступ для ремонта, наличие запасных частей и обнаруживаемость.

Физические и функциональные тенденции следует собирать вместе, но они не обязаны пересекать свои пределы одновременно. Уплотнение может функционально отказать из-за пореза, выдавливания, остаточной деформации сжатия или химического изменения до того, как постепенная потеря кромки достигнет планового значения. Другое уплотнение может показать измеримое изменение профиля и при этом соответствовать требованиям по утечке и движению.

Для неинвазивного мониторинга испытание по падению давления может выявить изменение утечки системы. Без контролируемой границы испытания оно не локализует негерметичное сопряжение. Калькулятор расхода утечки по падению давления преобразует падение давления и изолированный объём в оценочный расход утечки. Приёмочный предел задавайте по процедуре испытания машины.

Используйте аппроксимированную модель износа для прогноза окна осмотра, а не автоматической даты замены. Для отдельного будущего уплотнения увеличьте частоту осмотров до того, как консервативная граница прогноза контролируемого показателя пересечёт приёмочный предел. Если модель прогнозирует остаточный путь, действуйте до того, как его нижняя граница прогноза достигнет горизонта планирования обслуживания. Решение о замене по-прежнему определяется утверждёнными правилами риска и обслуживания.

Полезный прогноз — не обманчиво точное число циклов до отказа. Это окно осмотра, заданное наблюдаемой тенденцией потери профиля, её неопределённостью и функциональным пределом. Такое решение остаётся проверяемым и сохраняет неопределённость, а не скрывает её за одним числом циклов.

Документируйте испытание, прежде чем доверять кривой

ISO/TR 16194:2017 посвящает 59 страниц рекомендациям по ускоренным ресурсным испытаниям пневматических компонентов. Он объясняет вариативность методов, а не предписывает один универсальный способ ускорения. Поэтому программа ускоренного испытания износа уплотнений должна показать, что ускорение не изменило действующий механизм отказа (ISO/TR 16194).

Полный отчёт должен включать:

цель испытания и предполагаемую совокупность применений;
идентификацию цилиндра, уплотнения, направляющей, гильзы, смазки, клапана, трубок и датчиков;
определение цикла и способ учёта незавершённых ходов;
расчёт накопленного пути скольжения или интегрирование положения;
записи давления, скорости, выдержки, температуры, загрязнения и соосности;
число образцов, график осмотров, цензурированные единицы, исключения и обработку выбросов;
сетку измерения профиля, калибровку, исходные данные, повторяемость и неопределённость;
физические и функциональные критерии отказа, заданные до испытания;
аппроксимированную модель, графики остатков, доверительные или прогнозные интервалы и наблюдаемый диапазон;
фотографии после разборки и классификацию механизма отказа;
явные ограничения на экстраполяцию и перенос на другие конфигурации.

Если при испытании повышают скорость, давление, температуру, загрязнение или нагрузку, сопоставьте результаты разборки с деталями, возвращёнными из эксплуатации. Ускорение деградации полезно лишь тогда, когда сохраняется тот же существенный механизм. Испытание, которое превращает постепенное истирание кромки в термическое повреждение или выдавливание, не может дать обоснованный коэффициент ускорения для нормальной эксплуатации.

Соседний материал об оптимизации профиля кромки показывает, почему профиль, материал, натяг, канавку, сопряжённую поверхность и смазку необходимо проверять совместно. Руководство по кривой Штрибека предлагает отдельную схему картирования трения; не используйте кривую трения вместо измерения износа.

Рассматривайте корреляцию как квалифицированную модель

В исследовании пневматических уплотнений 2012 года для описания одной конфигурации манжетного уплотнения NBR использовали четыре образца, восемь окружных положений, бесконтактное измерение и пройденный путь. Эти подробности не случайны. Они задают границы результата и показывают, что необходимо сообщить, прежде чем кривая «циклы — износ» сможет служить основанием для обслуживания (Belforte et al., 2012).

Корреляция числа циклов с износом кромки уплотнения полезна, если модель остаётся ограниченной по оборудованию, режиму, среде, измерению и наблюдаемому диапазону. Считайте завершённые события для обслуживания. Нормируйте по пути скольжения для сравнения. Сохраняйте данные отдельных образцов и пространственных измерений. Проверяйте остатки до принятия линейности.

Главное — связать физический износ с функциональной приёмкой. Надёжное правило обслуживания не требует, чтобы число циклов объясняло каждый механизм отказа. Оно использует воздействие в циклах и по пути вместе с утечкой, трением, движением, результатами разборки и риском.

Часто задаваемые вопросы об износе кромки уплотнения

ISO 19973-3 признаёт циклы и километры координатами ресурса пневмоцилиндра, а в бесконтактном исследовании 2012 года измеренную потерю кромки строили по пройденному пути. Эти источники дают согласованный вывод: число циклов полезно лишь тогда, когда к нему привязаны определение движения, ход, условия, метрология и функциональные пределы.

Достаточно ли одного числа циклов для прогноза износа пневматического уплотнения?

Нет. Число циклов не учитывает длину хода, частичные движения, давление, скорость, температуру, смазку, загрязнение, текстуру сопряжённой поверхности и соосность. Используйте его как показатель обслуживания. Для сравнения рассчитайте или измерьте накопленный путь скольжения, а затем анализируйте только образцы с одинаковыми оборудованием, рабочими условиями, методами контроля и определениями отказа.

Следует ли указывать износ уплотнения на цикл или на километр?

По возможности записывайте оба показателя. Циклы соответствуют счётчикам PLC и графикам обслуживания, а километры или метры нормируют разные ходы. Значение износа на 100 000 циклов остаётся полезным для одного фиксированного режима, но износ по пути проще сравнивать после подтверждения одинаковых уплотнения, сопряжённой поверхности, смазки, давления, скорости и среды.

Может ли один материал уплотнения иметь универсальную скорость износа?

Нет. NBR, полиуретан, PTFE и FKM обозначают семейства материалов, а не полные трибологические системы. На работу влияют профиль, рецептура материала, твёрдость, натяг, канавка, давление, скорость, температура, смазка, сопряжённая поверхность, загрязнение и соосность. Публикуйте скорость износа только для испытанной конфигурации и заявленного рабочего окна.

Доказывает ли линейная аппроксимация постоянство износа уплотнения?

Нет. Аппроксимированная прямая обобщает наблюдения внутри выбранного диапазона пути. Исследуйте остатки, интервальные наклоны, разброс образцов, окружную неоднородность и историю условий. Смена смазки, загрязнение, температурный сдвиг, переход профиля или новый механизм повреждения могут сделать наклон недействительным, даже если общий коэффициент корреляции остаётся высоким.

Когда следует заменять уплотнение пневмоцилиндра?

Заменяйте его по заранее заданным физическим, функциональным и риск-ориентированным пределам, а не по универсальному проценту толщины кромки. Критериями могут быть утечка, падение давления, трение, повторяемость движения, видимый порез или выдавливание и последствия для процесса. Используйте модель износа, чтобы назначать осмотры до того, как консервативная граница прогноза контролируемого показателя пересечёт утверждённый предел.

Источники

ISO 19973-3:2015, Пневмоприводы. Оценка надёжности компонентов путём испытаний. Часть 3. Цилиндры со штоком поршня, испытания надёжности цилиндров, отчётность и координаты ресурса. Дата обращения: 2026-07-26.
ISO 19973-1:2015, Пневмоприводы. Оценка надёжности компонентов путём испытаний. Часть 1. Общие процедуры, статистическая оценка, первый отказ и отчётность. Дата обращения: 2026-07-26.
ISO/TR 16194:2017, Пневмоприводы. Оценка надёжности компонентов ускоренными ресурсными испытаниями, вариативность ускоренных испытаний и рекомендации по отчётности. Дата обращения: 2026-07-26.
ISO 23337:2024, Стойкость резины к истиранию на усовершенствованной машине Ламбурна, потеря от истирания за время испытания или на единицу пути в контролируемом испытании материала. Дата обращения: 2026-07-26.
ISO 4649:2024, Стойкость резины к истиранию с применением вращающегося цилиндрического барабана, сравнительное испытание на истирание и ограничение связи с эксплуатационными характеристиками. Дата обращения: 2026-07-26.
Belforte, Mazza и Visconte, Бесконтактное измерение износа пневматических уплотнений, лазерное измерение профиля, пространственная выборка, повторность и анализ пройденного пути. Дата обращения: 2026-07-26.
Azzi et al., Экспериментальное исследование трения в пневматических уплотнениях, взаимодействия конструкции и диаметра уплотнения, давления, скорости и направления. Дата обращения: 2026-07-26.
Справочник Parker по уплотнительным кольцам, пневматическая смазка, факторы трения и износа и ограничения обобщения испытательных данных. Дата обращения: 2026-07-26.

Связь числа циклов со скоростью износа кромки уплотнения

Jason Tan