Analyse, Modellierung und Simulation von Verschleiß auf mehreren Skalen zur Betriebsdauervorhersage von Wellendichtringen aus PTFE-Compound

Abstract

Wellendichtringe aus Polytetrafluorethylen werden aufgrund ihrer allgemeinen Chemikalienbeständigkeit und hohen abdichtbaren Gleitgeschwindigkeiten immer dann eingesetzt wenn Wellendichtringe aus Elastomer versagen. Die Betriebsdauer wird dann allein durch abrasiven Verschleiß begrenzt. Bedingt durch die Molekülstruktur hat PTFE eine sehr niedrige Reibungszahl aber auch einen geringen Verschleißwiderstand. In der Dichtungstechnik wird PTFE daher nahezu immer gefüllt mit Partikeln, Plättchen oder Fasern eingesetzt. Diese Füllstoffe beeinflussen das tribologische Verhalten und verbessern den Verschleißwiderstand. Gefüllte PTFE Materialien werden als PTFE-Compound bezeichnet. Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt auf der numerischen Beschreibung des tribologischen Systems Wellendichtung. Es besteht aus einem PTFE-Wellendichtring, einer Stahlwelle als Gegenlauffläche und einem Schmierstoff. Das PTFE-Compound selbst, der tribologische Gegenlaufpartner, der Schmierstoff und die Betriebsbedingungen bestimmen die Reibung und den Verschleiß, sodass sie bei der Modellierung berücksichtigt werden müssen. Die Betrachtung auf lediglich einer Längenskala ist zur Beschreibung und Simulation von Reibung und Verschleiß aufgrund der komplexen Wirkzusammenhänge im Dichtsystem nicht ausreichend. Es wurde daher ein Mehrskalenansatz formuliert. Ein Bottom-Up-Ansatz beschreibt das tribologische System von der kleinsten hin zur größten Skala: • Das Mesomodell liegt zwischen der Nano- und der Mikroskala. Es beschreibt einen analytischen Ansatz eines energetisch motivierten Verschleißgesetzes. Das Modell berücksichtigt temperaturabhängige Druck- und Scherfestigkeiten und verwendet dimensionslose Kennwerte. Die scheinbare Reibungsenergiedichte integriert den Schmierungszustand in das Modell. • Das Mikromodell berechnet die thermischen Materialkennwerte über ein repräsentatives Volumenelement. • Das Makromodell enthält das geometrische Modell der Wellendichtung und die Verschleißalgorithmen zur Volumenreduktion. Ein Finite Elemente Ansatz koppelt das Meso- und das Mikromodell. Als Basis für die Materialmodellierung wurden umfangreiche Untersuchungen des thermomechanischen Material- und tribologischen Verhaltens durchgeführt. Die Analysen der Materialzusammensetzung und der Mikrostruktur erfolgten mit einem Computertomograph. Härte- und Nanoindentermessungen wurden zur Identifikation von tribologische Kennwerten verwendet. Die temperaturabhängigen Spannungs-Dehnungszusammenhänge wurden im Zug-/ Druck- und Scherversuch an einer Universalprüfmaschine ermittelt. Ein Ring-Scheibe-Tribometer wurde zusammen mit einer Thermographie Kamera zur Messung von Reibung, Verschleiß und der Temperatur nahe dem Reibkontakt verwendet. Die Validierung des vorgestellten Ansatzes erfolgte durch einen Vergleich von Wellendichtring-Dauerlaufversuch und dessen Simulation. Die simulierte Radialkraft und der Verschleiß stimmen sowohl im Trocken- als auch bei Schmierung mit den Experimenten überein. Das Potenzial der entwickelten Methode wurde an einer Auswahl handelsüblicher Wellendichtringe mit Spiralrille dargestellt. Der Multiskalensatz zur Verschleißsimulation und der Abschätzung der Betriebsdauer ist damit ein nützliches Werkzeug zur Wellendichtringoptimierung und Kostenreduktion im Produktentwicklungsprozess.

Rotary shaft seals made of Polytetrafluorethylene (PTFE) exceed the sliding velocity and the chemical resistance of elastomeric seals. Wear is the only failure mode, which limits the life span. PTFE possesses an extremely low frictional coefficient due to its unique molecular and morphological structure. PTFE itself has a relatively poor wear resistance due to its soft nature. To use PTFE for sealings it is usually filled with particles, small plates or fibres for example. These fillers affect the tribological behaviour and improve the wear resistance. Filled PTFE is called a PTFE-compound. The subject of this thesis is the numerical description of the tribological system shaft seal. It consists of a shaft seal made of PTFE-compound, a steal shaft and an intermediate lubricant. The PTFE-compound itself, the tribological counterpart, the lubrication state and the operating conditions influence friction and wear; thus they must be taken into consideration. Solely one length scale is not sufficient to describe and simulate such complex interactions. A multi scale approach was set up. Three scales were taken into account to formulate a bottom-up-approach; from the smallest to the biggest scale: • The meso scale model is set up between the nano and micro scale. It contains an energetic approach for the calculation of the wear rate. It considers temperature-dependent compression and shear strengths using dimensionless parameters. The apparent energy density takes the lubrication state into account. • The micro scale model calculates thermal material properties using a representative volume element. • The macro scale model includes a geometric model of the sealing and the wear algorithms. These algorithms reduce the shaft seal model volume to simulate wear. A finite element framework is used to integrate the meso- and micro scale model. Extensive experimental work was performed to characterise the thermo-mechanical and tribological material behaviour. These experiments are the basis for the multi scale modelling. A computer tomography scanner was used to analyse the material composition and its microstructure. Hardness and nano indentation techniques were used to identify tribological parameters. Tensile, compression and shear tests were performed on an universal testing machine to describe the thermo-mechanical stress-strain-relation. A ring-on-disc test rig was coupled with a thermal imaging camera to measure friction, wear and the temperature nearby the friction contact. Comparing the simulations of commercial shaft seals with experiments did the validation of this advanced approach. The simulated radial force and wear agree well to the shaft seal experiments. The capability of this method were successfully demonstrated for a variety of commercially available shaft seals with spiral groove. The multi scale approach for wear simulation to determine the life span is a useful tool for shaft seal optimisation and cost reduction.