Einfluss von Grenzflächeneffekten auf den Dichtmechanismus der Radial-Wellendichtung

Abstract

Problemstellung und Ansätze Moderne Schmierstoffe, wie Polyglykole und Ester, verursachen beim Abdichten mit Radial-Wellendichtringen (RWDR) Probleme. Neben chemischer Unverträglichkeit mit dem Elastomer kann höherer Verschleiß und schließlich Leckage auftreten. Die Ursache dieser Nachteile gegenüber konventionellen, mineralischen Schmierstoffen wurde in den Benetzungseigenschaften der Schmierstoffe vermutet. Zur Lösung wurden zwei Ansätze gewählt: Erstens, die Bestimmung der Oberflächenenergie der Komponenten der Radial-Wellendichtung (Schmierstoff, Elastomer und Gegenlauffläche). Von der Oberflächenenergie wurde dabei die Aufspaltung in einen polaren und einen dispersen Anteil berücksichtigt. Zweitens, die Untersuchung der Schmierstoffeigenschaften hinsichtlich des Einflusses strömungsmechanischer Instabilitäten. Solche Instabilitäten sind Taylor-Görtler-Wirbel und der Thermokapillareffekt.

Untersuchungen Zehn chemisch unterschiedliche Schmierstoffe wurden untersucht: Zwei Mineralöle, drei Polyglykole, ein Poly-α-Olefin, zwei Ester und zwei Silikonöle. Benetzungs- und strömungsrelevante Stoffwerte wurden in Abhängigkeit der Temperatur gemessen. Diese Stoffwerte dienten der Berechnung von Benetzungs- und Strömungskenngrößen. Benetzungsversuche zeigten direkt das Verhalten der Schmierstoffe auf unterschiedlichen Substraten. Dichtungstechnische Versuche wurden hauptsächlich mit Radial-Wellendichtungen durchgeführt. Versuche mit PTFE-Manschetten und Stangendichtungen erweiterten den Blick auf andere Dichtsysteme. Von Radial-Wellendichtungen wurde das Förderverhalten, das Reibverhalten und das Verschleißverhalten bestimmt. Die Ergebnisse der dichtungstechnischen Versuche wurden nach den Benetzungs- und Strömungskenngrößen ausgewertet.

Ergebnisse Die wichtigsten Ergebnisse sind: Der Förderwert von Radial-Wellendichtungen hängt, für die untersuchten Schmierstoffe, linear von deren Adhäsionsarbeit auf der Gegenlauffläche ab. Hohe Adhäsionsarbeit bedeutet einen hohen Förderwert. Für den Verschleiß von RWDR und Gegenlauffläche zeigt sich ein Zusammenhang mit der Adhäsionsarbeit zwischen Schmierstoff und Elastomer- Dichtkante. Unterschritt die Adhäsionsarbeit den Wert der Kohäsionsarbeit, trat im Versuch Verschleiß auf. Ab einem kritischen Wert der hydrodynamischen Kennzahl ändert sich der Reibungszustand der Radial-Wellendichtung. Das Eintreten der Änderung wurde mit dem Einsetzen thermokapillarer Instabilität erklärt.

Fortschritt Eine Erklärung für den Schmierstoffeinfluss auf den Dichtmechanismus wurde gefunden. Adhäsions- und Kohäsionsarbeit der Komponenten der Radial-Wellendichtung haben einen deutlichen Einfluss auf das Förder- und Verschleißverhalten. Der Einfluss axialer (Thermokapillareffekt) und radialer (Görtler-Wirbel) Temperaturgradienten wurde aufgezeigt.

Einschränkungen Die erzielten Ergebnisse gelten in erster Linie nur für die untersuchten Kom- ponenten. Trotz der breiten Fächerung an Versuchsteilen kann nicht ohne Weiteres auf andere Polymere und Schmierstoffarten geschlossen werden. Die für die Elastomere ermittelten Oberflächenenergien hängen von der Vorbehandlung der Proben ab. Trotz plausibler Ergebnisse sind diese Oberflächenenergien als Relativwerte zu verstehen. Die dichtungstechnischen Versuche wurden für einen Betriebspunkt durch- geführt. Die gezeigten Zusammenhänge könnten an anderen Betriebspunkten (insbesondere sehr niedrige und sehr hohe Temperatur) durch weitere Effekte überlagert oder egalisiert werden.

The sealing performance of rotary shaft lip seals (below referred as »seal«) was investigated with view to interfacial phenomena. Biodegradeable lubricants often cause higher wear than mineral based oils, and hence leakage. The root cause for this behaviour was supposed to be of interfacial nature. This lead to the approach of investigating surface tension properties of the seals components. Ten lubricants (polyglycols, poly-α-olefins, mineral based oils, silicone oils and esters), three elastomers (fluorocarbon rubber, nitrile butadiene rubber and acrylate rubber) and three shaft materials (steel, brass and glass) were investigated. For all specimen the surface tension was measured. The surface tension was assumed to be splitted into a polar and a non-polar fraction. For the combination of each lubricant and each solid, the work of adhesion was calculated. This gave detailed information about the wetting behaviour of the lubricants. For the lubricants some material values were measured: The dynamic viscosity, the specific density, the thermal conductivity and the specific heat capacity. These values were used to calculate dimensionless numbers of fluid motion. The onset of Taylor-Görtler vortices and thermocapillary instability could be estimated. For the onset of vortices, not only mechanical forces but also buoyancy forces (Bénard instability) were taken into account. In numerous bench test runs, the following properties were investigated: The pumping rate and the frictional behaviour of elastomeric seals. In long term bench test runs, the wear behaviour was tested. For polytetrafluoroethylene-seals, leakage tests were done. The bench test runs were evaluated in terms of interfacial phenomena.

The main results are: • The work of adhesion between shaft and lubricant seems to be the main reason for the level of the seals pumping rate. Polyglycols with a high work of adhesion produced the highest pumping rates. • The work of adhesion between elastomer and lubricant plays a role as well. If this work of adhesion is smaller than the lubricants work of cohesion, the elastomer is not completely wetted. This results in high pumping rates and poor wearing behaviour. • At a critical duty parameter the seals lubrication condition changes. This change is attributed to thermocapillary instability at the border of the sealing zone. • Thermocapillary instability influences the seals pumping rate as well. This is due to temperature gradients from the sealing zone to its surrounding. For a high thermal conductivity of the shaft, this effect can be neglected. The achieved progress is an explanation of lubricant influence on the sealing performance of rotary shaft lip seals.