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Autor(en): Henzler, Markus
Titel: Radialdichtungen unter hoher Druckbelastung in Drehübertragern von Werkzeugmaschinen
Sonstige Titel: Rotary shaft seals under high pressure in rotating unions of tool machines
Erscheinungsdatum: 2010
Dokumentart: Dissertation
Serie/Report Nr.: Berichte aus dem Institut für Maschinenelemente;132
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-57840
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/4313
http://dx.doi.org/10.18419/opus-4296
ISBN: 3-936100-33-0
Zusammenfassung: In der vorliegenden Arbeit sind umfangreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen und deren Ergebnisse zu Hochdruck-Drehübertrager zusammengefasst. Hochdruck-Drehübertrager finden oft in Werkzeugmaschinen und in der Mobilhydraulik Anwendung. Hierbei werden Öldrücke von 5 bis 30 MPa – meist schwellend – auf rotierenden oder schwenkenden Wellen bei niedriger Umfangsgeschwindigkeit kleiner 1 m/s abgedichtet. Sog. Rotordichtungen (gekennzeichnet durch kleine Radialdichtringe) kommen bei der Abdichtung zum Einsatz. Dabei treten Schwierigkeiten auf, beispielsweise hohe Reibung und ungünstiges Reibverhalten wie Losbrechreibung, starkes Erhitzen des Reibkontakts, übermäßiger Verschleiß und frühzeitiges Versagen durch sog. Mitrotieren des Dichtrings mit der Welle. Die Standzeiten der Dichtungen sind nicht ausreichend hoch und die hohen Reibkräfte der Dichtungen stören die Funktion erheblich. Spezielle Literatur zum Thema ist kaum vorhanden. Viele Patente befassen sich mit Ansätzen zur Reibungsreduzierung, lassen aber teilweise inhaltlich auf lückenhafte Kenntnis bezüglich der Funktion dieser Dichtungen schließen. Lediglich zwei unabhängige wissenschaftliche Untersuchungen befassten sich bisher mit Radialdichtungen auf diesem Druckniveau. Auf Basis am Markt verfügbarer Dichtringe und deren Werkstoffe wurden die Eigenschaften von Rotordichtringen experimentell ermittelt. Anhand von Werkstoffversuchen wurden die Eigenschaftsprofile hinsichtlich Reibung, Verschleiß und Extrusionswiderstand verschiedener Rotordichtringwerkstoffe erarbeitet. Variationsversuche im Niederdruckbereich belegten mithilfe statistischer Auswertemethoden einen äußerst großen Einfluss der Geometrie des Dichtrings auf die Reibung. Die Dichtringe wurden experimentell auf Losbrechreibung untersucht und die Einflüsse von Stillstandszeit unter Druck und drucklos, sowie Dichtringwerkstoff ermittelt. Versuche mit beidseitig druckbeaufschlagten Dichtungen legten – gemeinsam mit Finite-Element-Analysen – die Basis für ein detaillierteres Funktionsmodell des Dichtmechanismus von Radialdruckdichtungen mit breiter Dichtfläche. Hierbei spielt auch der Öldruck im Dichtkontakt eine wesentliche Rolle, der im Rahmen der Arbeit experimentell bestimmt wurde. Verschleiß der Dichtringe wurde anhand von Dauerlaufversuchen mit zwei unterschiedlichen Versuchsprogrammen gefahren, die sich zum einen an Anwendungen mit Start-Stopp-Betrieb sowie Dauerrotation und pulsierendem Druck (Kupplungsschaltungen) orientierten. Schadensbilder wurden analysiert und beschrieben. Die häufigsten Schadensbilder konnten auf Mitrotieren des Dichtrings mit der Welle zurückgeführt werden. Theoretische und experimentelle Untersuchungen dazu deckten Ursachen auf und wiesen auf die kritischen Betriebszustände hin. Mittels Finite-Element-Untersuchungen wurden thermische Lasten im Drehübertragersystem simuliert und daraus konstruktionsbedingte Einflüsse quantifiziert. Auf Basis von zahlreichen Simulationen wurde ein mathematisches Modell aufgestellt, das es ermöglicht, die Dichtkontakttemperatur zwischen Dichtring und Welle einzuschätzen. Aus den gewonnen Erkenntnissen wurde ein Prototypendichtring entwickelt, der viele der erarbeiteten Konstruktionshinweise in sich in klein bauender Weise vereint. Die wesentlichen Erkenntnisse wurden in einem separaten Kapitel übersichtlich zur praktischen Anwendung zusammengefasst. Die darin gesammelten Gestaltungshinweise sind über Versuche abgesichert und bilden so eine fundierte Grundlage zur Gestaltung eines Drehübertragers mit den gewünschten Eigenschaften. Dem Anwender stehen damit erstmals ausführliche Informationen zur Verfügung, um zu bestimmen, wo kritische Punkte seiner Konstruktion liegen. Es ist ihm möglich Eigenschaften gezielt zu verbessern und Fehlfunktionen vorzubeugen oder deren Ursache zu identifizieren und zu beseitigen.
This paper presents a large amount of experimental and theoretical analysis and the related result concerning high pressure rotating unions. Rotating unions for high pressure are often found in tool machines and in mobile hydraulic machines. In this applications oil pressure between 5 and 30 MPa have to be sealed. Those pressures are mostly dynamic and have to be sealed on rotating or swivelling shafts with low turning speeds (below 1 m/s). High pressure rotary shaft seals (so called rotor seals) are small radial acting seals that were used for this task. Troubles occur as those seals generate high friction forces or show high break away behaviour at the beginning of the shaft movement. Thermal problems and excessive wear leads to failures often caused by corotation of the seal ring with the shaft. The seals do not exceed their designated lifetime and the high friction forces disturb the function massively. Literature to this topic is quite rare. Plenty of patents are concerned with reduction of the friction forces. They partly show an incomplete knowledge about the way rotor seals operate. Just two independent scientific investigations are concerned with radial shaft seals under such a high pressure. Based on the seal rings available on the market and their materials the properties of rotor seals have been determined. Material tests allowed to figure out the properties concerning friction, wear and extrusion resistance of different seal ring materials. Test with varied conditions at low pressure showed by analyzing with statistic methods that the shape of the seal ring has a major impact on friction. Seal rings have been tested on break away friction by varying the time before movement and the pressure at beginning of the shaft movement and seal ring material. Experiments with seal under pressure from both sides in combination with finite element analyses deposited the basis for a detailed model of the sealing mechanism of high pressure radial seals with a flat sealing face. Thereby the oil pressure in the sealing contact must be considered. That pressure has been experimentally identified. The wear of the seals has been identified by long term tests with two different test programs that represented applications with interrupted and non interrupted shaft movement and intermitted pressure load. Failure pattern has been analyzed and described. The most common failure pattern could be dedicated to corotation of the seal ring with the shaft. Theoretical and experimental work showed causes and highlighted critical working conditions. By using FEA, thermal loads in rotating unions have been simulated. Out of this, influences by the design have been quantified. Based on many calculations, a mathematical model was build up that allows an estimation of the temperature in the sealing contact between shaft and seal ring. Out of the findings a very small prototype seal was developed that realizes many design guidelines that have been figured out within this work. The most important ones are together with the major findings written down in a separate chapter to use for the designer or development engineers. All the given advice is secured by experiments and a wellfounded basis for the design of a high pressure radial sealing with the expected properties. For the first time the user has information in hand that allows to figure out critical points of a design. The user is able to influence properties in a specific way and avoid failures or identify the cause of them to find pertinent solutions.
Enthalten in den Sammlungen:07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik

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