Hartgedrehte Gegenlaufflächen für druckbelastete Rotordichtun-gen

Dipl.-Ing. Markus Henzler, Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Haas Institut für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart, Germany

Einleitung

In vielen Bereichen des Fahrzeug- und Maschinenbaus ist es notwendig, Flüssigkei-ten in rotierende oder schwenkende Systeme einzuspeisen. Eine Anwendung hierfür ist die Einführung von Hydrauliköl für Spannsysteme in Rundtische von Werkzeug-maschinen. Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Drehübertragers an einem Rundschalttisch.

Bild 1: Drehübertrager im Rundschalttisch Figure 1: Rotating union in indexing table

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Charakteristisch für die Anwendung ist ein eng begrenzter Bauraum, sehr hohe Drü-cke, lange Laufzeiten im Dreischichtbetrieb und hohe Folgekosten durch Anlagen-stillstand wegen Dichtungsversagen. Diese Drehübertrager werden mit Rotordich-tungen – kleinbauende, hochdruckbelastbare Radialdichtungen – abgedichtet. Die Dichtungen werden i.d.R. in eingestochene Nuten eingeschnappt und dichten auf einer gehärteten und geschliffenen Welle.

Kosteneinsparungen an der Abdichtung sind denkbar, indem die geschliffene Welle durch eine hartgedrehte ersetzt wird. Erfahrungen diesbezüglich gibt es aber bisher nur bei Radialwellendichtringen für drucklose Abdichtung. Das tribologische System der Rotordichtungen unterscheidet sich davon gravierend, da der abzudichtende Druck die Rotordichtungen um ein Vielfaches mehr anpresst und die Umfangsge-schwindigkeit und damit auch die hydrodynamische Trennung der Gleitflächen in ei-ner anderen Größenordnung liegen.

1 Rotordichtungen – Betriebsbedingungen und Aufbau

Typische Betriebsbedingungen (z.B. in Werkzeugmaschinen) für Rotordichtungen sind Drücke bis 15 MPa, Dreh- und Schwenkbewegungen bis zu einer Gleitge-schwindigkeit von 0,5 m/s, Medien sind meist Hydrauliköle bei Temperaturen um die 50 °C, Bild 2.

Bild 2: Betriebsbelastungen von Hochdruck-DrehübertragerdichtungenFigure 2: Working conditions of high pressure rotating unions

Die (Rotor-)Dichtung besteht aus mehreren Komponenten. Zum einen ist es der Dichtring (meist wiederum bestehend aus Gleitring und Vorspannelement), zum an-deren sind es die Gegenflächen an den statischen Dichtkontakten zur Nut und dem dynamischen Dichtkontakt zur Welle, Bild 3.

Bild 3: Aufbau einer Rotordichtung Figure 3: Design of a high pressure rotor seal

Bei Rotordichtungen gibt es auf dem Markt viele verschiedene Geometrien und Werkstoffe. Bild 4 gibt einen Überblick. Manchmal werden Stützringe aus harten Kunststoffen als Extrusionsschutz verwendet (B, I, J). Zum Teil werden metallische Federn in Kombination mit PTFE-Compounds eingesetzt, um die nötige Vorspan-nung zu erreichen (L).

Bild 4: Geometrien marktüblicher Rotordichtungen Figure 4: Geometries of common rotary pressure seals

Am Gleitring kommen überwiegend PTFE-Compounds – großteils Kohle compoun-diert – zum Einsatz. Aber auch andere Kunststoffe, Grafit, Kohlefasern oder Bronze werden in die PTFE-Grundmatrix eingemischt. Außer PTFE-Compounds werden auch noch Polyurethan, Elastomer (teilweise gewebeverstärkt), Polyethylen und Po-lyketon eingesetzt.

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2 Gegenlauffläche für Rotordichtungen – Stand der Technik

In den letzten Jahrzehnten hat sich die gehärtete und drallfrei geschliffene Stahlflä-che bewährt, wobei die Hersteller Zielwerte für die Rauheiten zwischen RZ = 0,4…1…2,5 µm empfehlen. Hierbei wird oft auf die Werte der linearbewegten Hyd-raulikstangenabdichtungen zurückgegriffen. Bzgl. der Wellenhärte werden meist 55 bis 62 HRC verlangt. Vereinzelt erlauben die Hersteller auch wesentlich weichere Wellen (min. 45 HRC).

Schleifen als Endbearbeitung ist teuer. Neben dem Wechsel der Bearbeitungsma-schine ist Schleifen durch die notwendigen Ausfeuerungszeiten langsam und somit zeitintensiv. Der Schleifstaub ist Sondermüll und muss teuer entsorgt werden. Da die Dichtungslaufflächen üblicherweise von den Drehübertrager-Anwendern selbst gefer-tigt werden, ist ein kostengünstigeres Fertigungsverfahren wie beispielsweise Hart-drehen wünschenswert.

Bild 5: Topografie einer gehärtet & geschliffenen (li.) und einer hartgedrehten Fläche Figure 5: Topography of hardened & ground (left) and hard turned Surface

Die hartgedrehte Oberfläche unterscheidet sich von der gehärtet und geschliffenen stark in ihrer Topografie, Bild 5. Im Gegensatz zur geschliffenen Welle zeigt die hartgedrehte eine streng regelmäßige Struktur mit Drehwendel. Die RZ-Werte sind bei der hartgedrehten Fläche in Umfangsrichtung niedriger, als in Achsrichtung. Bei der geschliffenen Welle unterscheiden sich die RZ-Werte in beide Messrichtungen nicht so stark.

Welchen Einfluss die Oberfläche auf Dichtgüte (Leckage), sowie Reibung und Ver-schleiß (Lebensdauer) von Rotordichtungen haben, ist bisher unbekannt. In der Ver-gangenheit erwiesen sich hartgedrehte Wellen zwar als geeignete Dichtungslaufflä-chen für drucklos abdichtendende Radialwellendichtringe /1/ aber druckbeaufschlag-te Rotordichtungen arbeiten nicht selten mit 500-fach höherer Anpressung an die Gegenlauffläche als Radialwellendichtringe. Daher lassen sich Erkenntnisse aus die-

sen Forschungsarbeiten nicht verallgemeinern. Hinsichtlich einer Eignung bei Druck-abdichtungen mit höheren Kontaktpressungen existiert eine einzelne wissenschaftli-che Veröffentlichung, die sich mit PTFE-Compounds unter erhöhter Anpressung (5 MPa) auf u.a. hartgedrehter Gegenlauffläche in Tribometerversuchen befasst /2/.Dabei erweisen sich hartgedrehte Flächen als verschleißintensiver als gehärtet und geschliffene (doppelte Verschleißrate). Die Leckage war bei der hartgedrehten Ge-genlauffläche ca. 10% höher. Auf der hartgedrehten Fläche waren die Reibkräfte im Vergleich zur geschliffenen ca. 10% niedriger.

Rotordichtungen arbeiten abhängig vom anliegenden Druck mit Anpressungen an die Gegenlauffläche von 5 bis 50 MPa, teilweise noch höher. Zudem sind wie oben er-wähnt verschiedene Werkstoffe neben PTFE-Compounds gängig. Daher lassen sich Aussagen bzgl. der Eignung einer hartgedrehten Fläche für Rotordichtungen nur mit-tels Versuche treffen.

3 Prüfstand

Den Aufbau des Prüfstands zeigt Bild 6. Mit zwei identisch aufgebauten Prüfkam-mern, werden unabhängig Dichtsysteme untersucht. Jede Kammer hat zwei Druck-räume, in denen temperiertes Öl unter Druck die Prüfdichtungen beaufschlagt.

Bild 6: Prinzipbild des Prüfstands für Rotordichtungen Figure 6: Scheme oft the rotor seal test rig

Die von den Dichtungen erzeugten Reibkräfte stützen sich über reibungsarm gela-gerten Prüfkammern auf einen Kraftaufnehmer ab. Das niederdruckseitig als Lecka-ge ausgetretene Öl wird aufgefangen und quantitativ erfasst.

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4 Versuchsprogramm

Verschiedene Werkstoffe unterscheiden sich im Reibungs- und Verschleißverhalten stark voneinander. Um über die grundsätzliche Tauglichkeit von hartgedrehten Ge-genlaufflächen für Rotordichtungen zu ermitteln, wurden, gängige Werkstoffe für Ro-tordichtungen auf ihr Betriebsverhalten auf dieser Fläche geprüft. Da marktübliche Rotordichtungen sowohl in Aufbau als auch im Werkstoff stark variieren, wurden vier möglichst repräsentative Vertreter ausgewählt. Untersucht wurden Dichtsätze:

- mit Polyurethan-Gleitringen (Kurzbezeichnung PU);

- mit PTFE-Kohlefaser-Gleitringen (Kurzbezeichnung PT);

- mit Polyurethan-Dichtringen mit Stützringen (Kurzbezeichnung ST);

- mit ultrahochmolekularem Polyethylen-Gleitringen (Kurzbezeichnung PE).

Es wurden mehrere Versuchsstaffeln durchgeführt. Bei jeder Versuchsstaffel wurde entweder der Öldruck oder die Endbearbeitung der Gegenlauffläche der Dichtungen variiert. Auskunft gibt Tabelle 1

Tabelle 1: Versuchsbedingungen Table 1: Test conditions

Jede Versuchsstaffel umfasste Anfahrversuche unter Druck um das Losbrechmo-ment zu bestimmen und Gleitreibungsversuche jeweils vor und nach dem Dauerlauf, sowie den Dauerlauf selbst. Im Dauerlauf wurden die Dichtungen 4 Wochen lang be-lastet und die Leckage erfasst. Alle Versuche wurden mit HLPD 46 bei 0,05 m/s Um-fangsgeschwindigkeit, 40 °C Öltemperatur auf 100 mm Abdichtdurchmesser durch-geführt.

Alle Wellen wurden aus 16MnCr5 gefertigt und auf 60+4 HRC einsatzgehärtet. Die geschliffenen Gegenlaufflächen wurden entsprechend den Herstellerempfehlungenim Einstich auf eine Rauheit um RZ 1µm geschliffen. Die RZ-Werte der hartgedrehten Wellen lagen zwischen 1,3 und 2,8 µm.

5 Ergebnisse

Im Folgenden werden keine absoluten Werte, sondern der relative Unterschied zwi-schen hartgedreht und geschliffener Gegenlauffläche gezeigt.

Losbrechreibung

Die Losbrechreibung wurde zu Beginn der Wellenbewegung gemessen. Vor allem bei Polyurethan unterscheidet sich das Reibmoment beim Losbrechen stark von dem bei Wellenbewegung /3/. Dadurch kommt es zu Ruckgleiten, was in der Anwendung das Positionieren erschwert.

Bild 7: Differenz des Losbrechmoments (LBR) auf neuer Fläche Figure 7: Differences on breakaway torque (BT) on new surface

Das Diagramm in Bild 7 zeigt die Differenzen der Losbrechmomente auf neuer Ge-genlauffläche. Es ist deutlich zu sehen, dass bei den Dichtungen ST, PU und PT die Losbrechreibung auf geschliffener Gegenlauffläche niedriger ist, als auf den hartge-drehten. Lediglich PE verhält sich genau umgekehrt. Dies zeigt sich bei beiden Prüf-druckstufen 10 und 30 MPa.

Nach dem Dauerlauf haben sich die Losbrechmomente generell erhöht, bei allen Gegenlaufflächen, Drücken und Dichtungstypen nahezu einheitlich. Im Mittel hat die geschliffene Gegenlauffläche ihren Vorteil in niedrigerer Losbrechreibung verloren, in Einzelfällen sogar stark umgekehrt, Bild 8. Auch die in neuem Zustand deutlichen Unterschiede zwischen den verschiedenen Bearbeitungssätzen der Wellen in den 30 MPa Versuchen, sind nach dem Dauerlauf wesentlich kleiner geworden bis nicht mehr vorhanden.

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Bild 8: Differenz des Losbrechmoments auf gelaufener Fläche Figure 8: Differences of breakaway torque on used surface

Gleitreibung im Dauerlauf

In den Gleitreibungsversuchen zeigte sich keine eindeutige Tendenz zu höheren oder niedrigeren Reibmomenten der gedrehten zur geschliffenen Gegenlauffläche. Bildet man die Mittelwerte über das aufgezeichnete Reibmoment über die 4-wöchigen Dauerlaufversuche, so ergibt sich für die hartgedrehten Gegenlaufflä-chen ein marginal niedrigeres Reibmoment.

Wird die Standardabweichung der Messpunkte des Reibmoments der Dichtungen im Dauerlauf ermittelt, erhält man ein Maß dafür, wie unruhig das Reibmoment in Ver-such war bzw. wie stark es um seinen rechnerischen Mittelwert schwankt. Hierbei zeigen geschliffene Gegenlaufflächen eine geringere Schwankung um ihren Mittel-wert. Die Standardabweichung des Reibmoments auf hartgedrehten Flächen lag 35% über dem der geschliffenen.

Verschleiß

Beim Verschleiß der Dichtungen wird zwischen dem Verschleiß der Gegenlauffläche und dem des Dichtrings unterschieden. Während sich der Verschleiß der Gegenlauf-fläche relativ einfach und eindeutig durch Messen der Einlaufspurtiefe erfassen lässt, ist der Verschleiß der Dichtringe bei Rotordichtungen weit schwieriger zu erfassen. Ausfälle sind meist durch die Kombination mehrerer Verschleißerscheinungen wie Extrusion, Verschiebung, Verkippung, Abrieb oder Einrissen verursacht. Neben Ge-wicht und Innendurchmesser des unmontierten Rings wurde daher auch die Radial-

kraft, also die aufsummierte Flächenpressung, die der Dichtrings auf die Welle aus-übt vor und nach dem Dauerlauf gemessen. Die Differenz der prozentualen Verände-rung ist in Bild 9 dargestellt.

Bild 9: Differenz der Radialkraft nach dem Dauerlauf Figure 9: Differences on radial force after long term test run

Es zeigt sich, dass bei den meisten Dichtringen, unabhängig von Prüfdruck und Drehparametern auf der geschliffenen Fläche weniger Verlust an Radialkraft gemes-sen wurde. Im Mittel verlieren die Dichtringe auf der hartgedrehten Fläche rund 10% mehr ihrer Radialkraft.

Zusätzlich zu diesen Messungen wurde der Verschleiß des Dichtrings anhand von Formveränderungen erfasst. Hierzu wurde die Außenkontur des Dichtrings vor und nach dem Dauerlauf zerstörungsfrei erfasst, die Veränderung der Form begutachtet und in Verschleißklassen von 1 bis 6 eingeordnet. Aus der Differenz der Verschleiß-klasse, in die die Dichtringe nach dem Dauerlauf auf geschliffener Fläche erreicht haben und der, die ihnen nach dem Dauerlauf auf der gedrehten Fläche zugewiesen wurde, lässt sich der Einfluss der Gegenlaufläche direkt erkennen. In Bild 10 ist die-se Differenz dargestellt. Auch hier ist zu sehen, dass die hartgedrehte Fläche im Durchschnitt zu höherem Verschleiß führt, als die geschliffene. Allerdings sind die Unterschiede mit durchschnittlich weniger als einer Verschleißklasse gering.

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Bild 10: Differenz der Verschleißbewertung des DichtringprofilsFigure 10: Difference of wear classification of the seal ring shape

Beim Verschleiß der Gegenlauffläche zeigten sich Unterschiede zwischen den Dreh-parametersätzen. Hier hatte Drehparametersatz B die besten Ergebnisse mit gerin-gerem Welleneinlauf als die geschliffene Referenz-Welle. Parametersatz A und C zeigten mehr Einlauf. Unter Laborbedingungen waren die Dichtungen generell mit Einlauftiefen von meist weniger als 20µm für diese Laufzeit bezüglich bzgl. Wellen-einlauf unkritisch.

Ausfälle

Als Ausfall wurde gewertet, wenn kein Druckaufbau mehr möglich war. Im Dauerlauf gab es Ausfälle, die in allen Diagrammen mit einem Stern gekennzeichnet sind. Lei-der hat das PTFE-Compound Dichtelement keinen Dauerlauf bei 30 MPa überstan-den, sodass hier nur wenige Ergebnisse vorliegen. Die durchschnittliche Laufzeit von PT lag bei den hartgedrehten Gegenlaufflächen höher als auf den gehärtet und ge-schliffenen. Dichtung ST ist auf der hartgedrehten Gegenlauffläche (Parametersatz C) wg. eines Materialfehlers ausgefallen.

Leckage

Auch bei diesen Untersuchungen zeigen sich bei den Rotordichtungen sehr große Schwankungen der Leckage bei vordergründig gleichen Bedingungen, vgl. /3/.

Kurzzeitig erhöhte Leckage und lange Zeiten ohne messbare Leckage sind normal. Wird der Durchschnitt der Leckage über alle Versuche errechnet, zeigen die gedreh-ten Gegenlaufflächen eine höhere Leckage als die geschliffenen (gemessen ca. 20 g

pro Monat, was verglichen mit der geschliffenen Gegenlauffläche 180 % mehr Le-ckage ist. Allerdings spielen einzelne Ausreißer mit hoher Leckage die entscheiden-de Rolle.

Die Föderrichtung der Wellen zeigte sich uneinheitlich. Zwar war eine Förderwirkung der Wellen - über alle Versuche hinweg betrachtet - öfter in Richtung wie es die Drehwendel erwarten lässt, allerdings bestätigten weitere Versuche (teils mit ande-rem Versuchsprogramm) die uneinheitliche Tendenz. Aufgrund der großen Streuun-gen der Leckage dieser Dichtungen (oft mehrere 100 %) lässt sich daher nur sagen, dass der Einfluss der Drehwendel kleiner oder ähnlich groß ist wie die Streuung der Leckage selbst und daher für die praktische Anwendung keine Rolle spielt. Für eine exakte Aussage sind mehr Versuche notwendig.

6 Zusammenfassung und Ausblick

Im Beitrag wurden Ergebnisse von Dauerlaufversuchen von verschiedenen Rotor-dichtringen auf hartgedrehten Gegenlaufflächen unter hohem Öldruck vorgestellt und mit denen auf gehärtet und geschliffener Fläche verglichen.

Hartgedrehte Gegenlaufflächen tendieren zu höherer Losbrechreibung. Im Betrieb gleichen sich die Charakteristiken beider Gegenlaufflächen allmählich an. Die ge-schliffene Gegenlauffläche bietet keinen Vorteil mehr, ist teilweise sogar deutlich schlechter. Das Reibmomentniveau bei Gleitreibung ist ähnlich, allerdings schwankt das Reibmoment auf hartgedrehten Gegenlaufflächen deutlich stärker als auf gehär-tet und geschliffenen. Die Dichtringe verschlissen auf hartgedrehte Fläche etwas stärker, als auf geschliffenen. Zudem zeigten sie mehr Leckage – unabhängig von der Drehrichtung.

Bei den Versuchen verhielt sich der Dichtring aus UHMW-PE oft gegen den Trend der Gruppe. Dichtringe aus diesem Werkstoff scheinen mit der hartgedrehten Fläche sogar besser zurecht zu kommen, als mit der gehärtet und geschliffenen.

Die unterschiedlichen Drehparametersätze zeigten ein ähnliches Eigenschaftsprofil der hartgedrehten Wellen untereinander, lediglich beim Welleneinlauf war die Welle mit Parametersatz B bei allen Dichtungen einheitlich besser als alle anderen Flächen – einschließlich der geschliffenen.

Auch wenn die vorliegende Untersuchung nicht statistisch abgesichert ist, lässt sich sagen, dass hartgedrehte Wellen geeignete Gegenlaufflächen sein können. Intergral betrachtet ist die gehärtete und geschliffene Fläche noch immer die erste Wahl, eine mögliche Alternative dazu sind hartgedrehte Flächen aber allemal.

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7 Literaturhinweise

/1/ Kunstfeld. T.: Einfluss der Wellenoberfläche auf das Dichtverhalten von Radi-alwellendichtungen. Dissertation am Institut für Maschinenelemente der Uni-versität Stuttgart, 2005

/2/ Haiser, H.: PTFE-Compounds im dynamischen Dichtkontakt bei druckbelast-baren Radial-Wellendichtungen. Dissertation am Institut für Maschinenele-mente der Universität Stuttgart, 2001

/3/ Henzler, M. Haas, W.: Betriebsverhalten von Rotordichtungen unter hohem Druck. 14th International Sealing Conference, A8, ISBN 3-00-019913-6, Stutt-gart, 2006