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Dynamische Dichtsysteme/Tribologie

Dynamische Dichtsysteme/Tribologie

Hier finden Sie Artikel des DICHTUNGSTECHNIK JAHRBUCH 2018 im Bereich Dynamische Dichtsysteme/Tribologie

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Kein Industriezweig kommt heute in der mechanischen und chemischen Verfahrenstechnik für die Abdichtung der Wellen von Maschinen ohne Gleitringdichtungen aus – egal ob Öl- und Gasindustrie, Chemie, Pharma, Getränke und Lebensmittel, Kraftwerke, Wasserver- und Wasserentsorgung, Papierherstellung und -verarbeitung und alle anderen. Ein Großteil der Anwendungen konzentriert sich auf Pumpen unterschiedlichster Bauart >>1. Pumpen erzeugen grundsätzlich Volumenströme zum Transport von Fluiden und damit Druck zur Überwindung von Rohrleitungs- und Systemwiderständen oder Druck für mechanische und chemische verfahrenstechnische Prozesse. Der Antrieb der bestehenden Population der Pumpen erfolgt heute in den überwiegenden Fällen mit Drehstromasynchronmotoren mit fester Drehzahl. Ein typischer Technologietrend bei Neuinstallationen liegt in der Integration von Mechatronik in Form von Mess- und Regelungstechnik wie z.B. drehzahlgeregelten Antrieben zur Leistungssteuerung und Energieeinsparung. Ziel der Regelung ist dabei, die Maschine immer im Punkt optimalen Wirkungsgrads zu betreiben auch bei Schwankungen des Systemwiderstands und damit verbundener Änderung der Anlagenkennlinie. [...]

Professor Dr.-Ing. Peter Waidner (Hochschule für angewandte Wissenschaften München)
ISGATEC: Media - Fachartikel 1

RWDR aus Elastomer sind nach wie vor die erste Wahl, wenn es darum geht ein Getriebe in beide Drehrichtungen wirtschaftlich und zuverlässig gegen anstehendes Öl abzudichten. Eine Berechnung der RWDR-Lebensdauer ist nach dem Stand der Technik nicht möglich. Typische Langzeitausfallursachen bei RWDR sind Elastomeralterung, Elastomerverschleiß und Welleneinlauf an der Dichtstelle (die Verträglichkeit von Elastomer und Schmierstoff vorausgesetzt). Die Möglichkeiten diesen Mechanismen entgegenzuwirken, sind sehr begrenzt. Grundsätzlich gilt jedoch, je weniger Reibung und Temperatur, desto länger ist die zu erwartende Lebensdauer eines RWDR, insbesondere auf der schnelldrehenden, hoch dynamischen Motorseite. In den vergangenen Jahren floss dieses Grundprinzip in die Entwicklung der neusten Generation von RWDR für die motorseitige Getriebeabdichtung ein. Die Testergebnisse mit dieser RWDR-Generation gemäß SEW070040312 zeigen wesentliche Vorteile im Vergleich zu diversen, bereits existierenden RWDR-Ausführungen, die heute zur Abdichtung der Motorseite Anwendung finden. Lebensdauererwartungen um mehr als den Faktor 2 zu marktüblichen Systemen wurden unter Testfeldbedingungen bestätigt. Weiterhin stellt die Neuentwicklung einen Meilenstein bezüglich Energieeffizienz dar, was in Bezug auf das Gesamtsystem einen weiteren Baustein für ein energieeffizientes Antriebssystem darstellt.

Industrielle Antriebssysteme zeichnen sich vor allem durch ihre Robustheit und Langlebigkeit aus. Die Notwendigkeit dieser Eigenschaften wird sehr deutlich, wenn man sich vor Augen führt, dass immer mehr Applikationen 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche, 365 Tage im Jahr betrieben werden. Unter diesen Bedingungen werden in einem Jahr etwa 8.700 Betriebsstunden erreicht. [...]

Dipl.-Ing. (BA) Alexander Hüttinger, Dr.-Ing. Markus Wöppermann, Dr.-Ing. Jörg Hermes (SEW-Eurodrive GmbH & Co. KG) und Erich Prem, Dipl.-Ing. Rolf Vogt (Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG)
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Drall-behaftete Dichtungsgegenlaufflächen führen in der Industrie aufgrund ihrer Fluidförderwirkung regelmäßig zum Versagen von Radial-Wellendichtsystemen. Obwohl diese Thematik bereits seit den 50er Jahren im Fokus der Wissenschaft steht [1], konnte dieses Problem bis heute nicht vollständig gelöst werden. Entgegen der allgemeinen Erwartungen sind derzeit sogar wieder zunehmende Probleme zu verzeichnen. Häufig bedingt durch Änderungen im Fertigungsprozess von Dichtungsgegenlaufflächen, z.B. um Kosten einzusparen. Über die Jahre wurden zwar diverse Drallmessverfahren [2, 3] entwickelt, ein eklatantes Problem besteht aber nach wie vor in der Fragestellung, wie deren Ergebnisse zu bewerten sind. Die einschlägigen nationalen und internationalen Normen und Richtlinien [4, 5, 6, 7] für Radial-Wellendichtungen geben hierfür keinerlei Anhaltspunkte. Auch in der Literatur existieren bislang keine fundierten Grenzwerte für einen tolerierbaren Drall. [...]

Dr.-Ing. Matthias Baumann, Dr.-Ing. Frank Bauer, Professor Dr.-Ing. habil. Werner Haas (Institut für Maschinenelemente (IMA), Universität Stuttgart)
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Wellendichtungen sollen das Austreten von Öl und das Eindringen von Schmutzpartikeln verhindern. Wegen ihrer guten Schmiermittelverträglichkeit, Temperaturbeständigkeit sowie Reibungs- und Verschleißverhalten werden häufig Wellendichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet. Dies stellt aufgrund der ausgeprägten nichtlinearen Materialeigenschaften eine besondere Herausforderung für die zur Auslegung benötigte Simulation des Dichtsystems dar. Insbesondere die starke Temperaturabhängigkeit des Materials ist hierbei zu erwähnen, die bei Erhöhung der Temperatur zu einem Abfall der Radialkraft führt. Weitere nicht vernachlässigbare Effekte, wie geometrische Nichtlinearität und Kontakt erhöhen die Komplexität der Simulation zusätzlich. Eine Möglichkeit die Komplexität und auch die Simulationszeit zu verringern besteht darin, die Dichtung mit einem Stabgitternetz aus eindimensionalen Zug-Druck-Stäben und Massepunkten zu diskretisieren [1]. Durch die lokal eindimensionale Betrachtung kann ein viskoplastisches rheologisches Materialmodell für PTFE [2] direkt implementiert werden. Nachfolgend wird die Kopplung aus strukturmechanischer Simulation mit der thermischen Analyse des Dichtsystems diskutiert. [...]

M.Sc. Florian Albrecht, Professor Dr.-Ing. habil. Thomas Kletschkowski (Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg)
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Die Energieeffizienz von Maschinen ist heutzutage von allgemeinem Interesse. Bei sich bewegenden Teilen werden gerne Schmierstoffe eingesetzt. Die dazu wiederum benötigten Dichtungen verursachen Reibung und ungewollte Energieverluste. Mithilfe von plasmapolymeren Beschichtungen auf den dynamischen Dichtstellen lassen sich im Antriebsstrang von Personenkraftwagen die CO2-Emissionen um 1,3 g CO2/km senken. Eine Mikrostrukturierung der Dichtlippe bietet noch einmal ein CO2-Einsparpotenzial von bis zu 1 g CO2/km. Auch andere Industriebereiche wie Windenergie, hydraulische und pneumatische Anwendungen können von einem verbesserten Verschleißschutz und einer reduzierten Reibung bei Elastomeren Dichtungen profitieren. Grundvoraussetzung für die Reibungsreduktion ist eine beschichtungsgerechte Dichtkante. Es ist daher wichtig, dass die Dichtungen bereits vorkonditioniert sind, um ihren Dichtungszweck erfüllen zu können. [...]

Dr. Dominik Paulkowski, Dr. Klaus Vissing (Fraunhofer IFAM, Bremen)
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Neben der immer weiter steigenden Leistungsdichte und der gleichzeitig geforderten konstruktiven Gestaltung in Applikationen (z.B. Leichtbau) ist das Auftreten von Stick-Slip in Reibkontaktstellen mit Dichtungen vor allem bei niedrigen Geschwindigkeiten ein für schwingungssensible Anwendungen kritisches Phänomen. Stick Slip oder Ruckgleiten kann in diesen Anwendungen zu störenden Vibrationen oder Geräuschbildungen führen.

Das Ruckgleiten (Stick Slip) beschreibt den Reibkraftunterschied bei einer Relativbewegung von zumindest zwei zueinander beweglichen Maschinenteilen. Wechselnde Bedingungen der Reibung im Kontaktspalt bedingen das variieren zwischen Haftreibung und Gleitreibung, was dann zu einem diskontinuierlichen Gleiten führt. Ist dieser Betriebszustand erreicht und wird die relative Geschwindigkeit weiter erhöht, findet keine Veränderung zum Haftreibungsbereich mehr statt und man befindet sich im Bereich der Gleitreibung mit kontinuierlicher Bewegung, vgl. [1]. Das Stick Slip Verhalten speziell in der Betrachtung mit Dichtelementen tritt also eher bei niedrigen Geschwindigkeiten auf bzw. immer dann, wenn der Übergang von Haft- zu Gleitreibung stattfindet >>1. [...]

Dr. Mandy Wilke, Holger Jordan (Trelleborg Sealing Solutions Germany GmbH)
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Eine Vielzahl technischer Anwendungen wie z.B. Turbolader, schnell laufende Elektromotoren oder andere Anwendungen mit hohen Wellendrehzahlen, stellen Abdichtungen heute vor deutlich gestiegene Herausforderungen. Technische Fragestellungen wie Downsizing, E-Mobility oder industrielle Anwendungen im Bereich von Elektromotoren – der Energieverbrauch, und damit die Reduzierung des CO2- Ausstoßes machen die Lösungen dieser Fragen zu einem elementaren Thema.

Im Automobilbau geht der Trend zu parallelen Aufladesystemen, integriert in bestehende Motorvarianten. Dies alles vor dem Hintergrund reduzierter Baugrößen und gestiegenen Anforderungen hinsichtlich Umweltaspekten und damit hinsichtlich der zu erwartenden Leckage. [...]

Dipl.-Ing. (FH) Jens Wolfram, Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Mehmet Cankar (ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH)
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Kolbenkompressoren haben einen Kolben zum Verdichten des Prozessgases. Dieser wird durch eine Kolbenstange bewegt, die über den Kreuzkopf mit dem Antrieb verbunden ist. Die Schmierung der beweglichen Teile im Antriebsaggregat erfolgt durch eine große Menge an Öl um Reibungsverschleiß bei in Kontakt stehenden Maschinenbauteilen zu verhindern bzw. zu minimieren. Speziell bei trocken laufenden Anwendungen kann das Schmieröl enorme Probleme bezüglich der Standzeit verursachen, wenn es vom Kreuzkopf in die Kolbenstangendichtung des Kompressors und damit in den Prozess gelangt. Die „Mischreibung“ erhöht den Verschleiß der Dichtelemente signifikant und führt dadurch zu einer reduzierten Laufzeit der Innenteile einer Kolbenstangendichtung. Um eine Kontamination der Dichtung durch einen Öleintrag zu verhindern, werden Ölabstreifer eingesetzt, deren Effizienz jedoch gerade bei schnelllaufenden Maschinen oder hohen Druckpulsationen oftmals nicht ausreicht. Für diese anspruchsvollen Anwendungen wurde ein neuartiges Konzept einer Ölabstreifdichtung entworfen, die durch ihre schmalen Abstreifkanten eine hervorragende Abstreifeffizienz besitzt. Durch ihr besonderes Design wird zudem eine hohe Dichtheit erzielt. Zwei Abstreifringe werden zu einem Abstreifer kombiniert, sodass sich die Spiele der beiden Abstreifringe gegenseitig überlappen, was die Dichteffizienz auch unter Extrembedingungen sicherstellt. [...]

Dr. Marc Langela (STASSKOL GmbH)
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Dynamisch beanspruchte Dichtungen verändern ihre Temperatur nicht nur aufgrund von Wärme-Zu- oder -Abflüssen, sondern diese können auch durch innere Reibung (Energie-Dissipation) Temperaturänderungen erfahren. Dabei wird ein Teil der durch äußere Kräfte zugeführten Verformungsarbeit in Wärme umgewandelt und damit eine Temperaturerhöhung in der Dichtung verursacht. Für diese Art der Erwärmung sind besonders Elastomere empfänglich. Ursache sind die speziellen thermo-viskoelastischen Eigenschaften dieser Werkstoffklasse und ihre Fähigkeit zu großen Verformungen. Nachfolgend wird gezeigt wie diese Vorgänge in den Kontext der allgemeinen Thermodynamik eingebunden werden können und mit welchen Methoden man zu expliziten Formeln und zur Vorhersage induzierter Erwärmung in dynamisch beanspruchten Elastomerbauteilen kommen kann. Analytische Lösungen der grundlegenden Gleichungen sind allerdings nur in einfachen Fällen möglich. Für reale Bauteile und komplexe Fragestellungen benötigt man i.d.R. die Finite Elemente Methode.

Um Dichtungen für dynamische Anwendungen auszulegen, muss man – wie beim Entwurf von elastomeren Bauteilen im Allgemeinen (z.B. Dämpfungselementen) – Energie-Dissipations-Mechanismen im Auge behalten. [1, 2] Die thermo-viskoelastischen Eigenschaften der Elastomere stellen sich als eine wichtige Verlustquelle heraus. [...]

Dr. Manfred Achenbach, Sina Achenbach (Ingenieur- und Sachverständigenbüro Achenbach)
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