Kolbenstangendichtungen Forscher wollen Dichtungsleckagen von Kolbenstangendichtungen vorhersehen

Im Labor kann eine drohende Leckage bei funktionierender Kolbenstangendichtung erkannt werden. In der Praxis ist man bei einer Abschätzung dagegen auf Verfahren zur Leckageerfassung angewiesen. Weder im Labor noch in der Praxis ist es jedoch möglich, eine Leckage vorherzusagen. Ein Forschungsprojekt soll dazu die methodischen Ansätze verbessern, um eine echte Leckagevorhersage zu ermöglichen.

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Institut f. Maschinenelement Universität Stuttgart

Neben vielen Vorzügen wird der Hydraulik immer wieder der Nachteil einer möglichen Leckage vorgehalten. Dabei wird vor allem die Unberechenbarkeit von Leckagen als problematisch betrachtet. Dieser Beitrag zeigt, welche Möglichkeiten der Leckagevorhersage bestehen.

Im Hydraulikzylinder wird mechanische Energie – übertragen durch das Hydrauliköl – vom Kolben in Bewegung umgesetzt und durch die Kolbenstange nach außen weitergegeben. An der Kolbenstange muss daher der Hydraulikölkreislauf zur Umwelt abgedichtet werden. Fährt die Kolbenstange aus, muss das Hydrauliköl im Hydraulikzylinder verbleiben.

Allerdings wird immer ein dünner Schmierfilm von der Kolbenstange mitgeschleppt. Um Reibung und Verschleiß am Dichtring zu begrenzen, ist dies notwendig. Dieser Schmierfilm haftet auf der Kolbenstange und wird beim Ausfahren aus dem Hydraulikölkreis-lauf herausgefördert. Wird dieser Schmierfilm beim Einfahren der Kolbenstange nicht mehr zurückgefördert, leckt der Hydraulikzylinder.

Maßgebend für die Funktion der Dichtung ist also nicht, dass kein Hydrauliköl nach außen geschleppt wird. Vielmehr muss beim Ausfahren ausgeschlepptes Hydrauliköl beim Einfahren wieder vollständig in den Hydraulikzylinder zurückgeschleppt werden.

Leckagemessungen erkennen Fehler erst spät

Klassisch wird die Funktion einer Dichtung über Leckagemessungen bestimmt. So wird in der Praxis die anfallende Leckage pro Hub oder pro Laufstrecke gemessen. Eine Messung ist nur dann möglich, wenn die Dichtung leckt – das heißt, wenn der Versagensfall der Dichtung bereits eingetreten ist. Damit kann jedoch nur bewertet werden, wie schlecht eine Dichtung ist.

Um zu beurteilen, wie gut eine Dichtung ist, muss dies bei funktionierender Dichtung – also ohne Leckage – möglich sein. Am Institut für Maschinenelemente werden dafür die Förderwertbestimmung und die Schmierfilmdickenmessung angewendet.

Labor-Messverfahren zur Gütebestimmung

Für die Förderwertbestimmung baut man auf der Luftseite des Prüfdichtrings einen so genannten Nebendichtring ein. Der Raum zwischen den beiden Dichtringen wird über ein Steigrohr mit Hydrauliköl geflutet (Bild 1). Am Steigrohr lässt sich ablesen, ob bei Bewegung der Kolbenstange Hydrauliköl von innen nach außen (Leckage) oder von außen nach innen (Dichtheit) gefördert wird.

Wird von außen nach innen gefördert, lässt sich über die Menge an gefördertem Hydrauliköl pro Doppelhub die Dichtheit quantitativ bewerten. Je größer die Rückförderung, umso besser ist die Dichtung. Damit steht bei funktionierender Dichtung ein Wert zur Verfügung, der die Güte der Dichtung beschreibt.

Eine weitere Möglichkeit, die Dichtheit zu bestimmen, besteht darin, die Schmierfilmdicke beim Aus- und beim Einfahren zu messen. Dazu steht am Institut ein Ellipsometer zur Verfügung, mit dem Schmierfilmdicken im Nanometerbereich gemessen werden können.

Das Ellipsometer arbeitet berührungsfrei mit einem polarisierten Laserstrahl, der von der Kolbenstange reflektiert wird. Beim Durchgang durch die Schmierfilmschicht auf der Kolbenstange wird die Polarisation des Laserstrahls verändert. Diese Veränderung wird gemessen und dabei die Schichtdicke des Schmierfilms mittels der bekannten Brechungseigenschaften des Hydrauliköls bestimmt.

Messung der Schmierfilmdicke beim Ein- und Ausfahren

Damit sich die Schmierfilmdicke nicht nur bei ausfahrender Kolbenstange messen lässt (Bild 2a), wird bei einfahrender Kolbenstange dem Dichtring auf der Luftseite Hydrauliköl zur Verfügung gestellt. Beim Einfahren wird dieses Öl zwischen Dichtring und Kolbenstange in die unter Gasdruck gesetzte Prüfzelle gefördert (Bild 2b). Indem man die Schmierfilmdicke bei aus- und einfahrender Kolbenstange miteinander vergleicht, lässt sich die Güte der Dichtung quantitativ bewerten.

Bild 3 zeigt beispielhaft das Ergebnis von Schmierfilmdickenmessungen bei einem Nutring aus Polyurethan (PU). Dieser Nutring wurde für Leckage- und Verschleißversuche mit mehr als 1,4 Mio. Hüben ausgesetzt. Das entspricht einer Laufstrecke von über 850 km. Die Geschwindigkeit betrug 300 mm/s.

Während der gesamten Versuchszeit wurde der Dichtring mit einem Druck von 20 MPa beaufschlagt. Im Diagramm ist auf der y-Achse die Schmierfilmdicke bei einfahrender Kolbenstange in Nanometern aufgetragen, auf der x-Achse ein Ausschnitt vom Stangenumfang in Millimetern.

Dickenverteilung ist abhängig von Geometrie des Dichtrings

Dargestellt sind die Ergebnisse von vier Schmierfilmdickenmessungen beim selben Dichtring. Über den Stangenumfang hinweg schwankt die Schmierfilmdicke erheblich. Je nach Position entlang des Stangenumfangs liegen die Schwankungen bei 50 bis 500 nm und zum Teil darüber. Der Vergleich der einzelnen Messungen zeigt eine tendenzielle Übereinstimmung. Messbereiche mit dickem Schmierfilm (bei –15 bis –10 mm Stangenumfang) und mit dünnerem Schmierfilm (bei 40 bis 45 mm Stangenumfang) sind bei allen vier Messungen an der gleichen Stelle. Das zeigt, dass auch die Geometrie des Dichtrings Einfluss auf die Schmierfilmverteilung hat.

Für eine Bewertung der Dichtheit muss daher die Schmierfilmdicke am ganzen Stangenumfang gemessen werden. Nur so ist gewährleistet, dass die tatsächliche Menge an unter dem Dichtring durchgeschlepptem Öl erfasst wird.

Die absoluten Schmierfilmdicken schwanken von Messung zu Messung erheblich. So ergeben sich im Bereich zwischen –5 und –10 mm Stangenumfang Unterschiede bis zu 100 nm. Wird pro Messung die mittlere Schmierfilmdicke über den Stangenumfang bestimmt, so schwankt diese zum Teil um über 20% – obwohl die Schmierfilme bei gleichen Bedingungen wie Druck, Temperatur und Geschwindigkeit erzeugt werden. Das zeigt, dass die Schmierfilmdicke von vielen Faktoren abhängig ist, von denen nur ein Bruchteil erfasst werden kann. Die eine – wahre – Schmierfilmdicke gibt es nicht.

Labormessverfahren für Schmierfilmdicke für die Praxis ungeeignet

Die beiden beschriebenen Verfahren sind im Labor gut geeignet, die Dichtgüte zu bestimmen. Sie eignen sich allerdings nicht unter den üblichen Anwendungsbedingungen in der Praxis. Bekannte Messverfahren, die sich unter sehr praxisnahen Bedingungen anwenden lassen, arbeiten mit einer zusätzlichen Dichtung (Sekundärdichtung). Bild 4 zeigt diesbezüglich eine Variante mit Leckageabfluss zwischen Sekundär- und Primärdichtung. Wird der Leckageabfluss überwacht, lässt sich die Güte der Primärdichtung beurteilen.

Eine andere Möglichkeit besteht im Einbau eines Drucksensors in den Zwischenraum der Dichtungen (Bild 5). Leckt die Primärdichtung, füllt sich der Zwischenraum der Dichtungen mit Hydrauliköl und der Druck steigt. In beiden Fällen kann statt eines Dichtrings als Primärdichtung auch ein Dichtungssystem aus mehreren Dichtringen eingesetzt werden. Allerdings arbeiten beide Verfahren auf Basis der Leckageerkennung und sind daher mit den eingangs erwähnten Nachteilen der Leckagemessung behaftet.

Aktuelles Forschungsprojekt soll Stangeneinfluss klären

Im Vergleich zu diesen Verfahren erfassen die Labormethoden den Schmierfilm zwischen Dichtring und Kolbenstange beziehungsweise die Differenz der Schmierfilme beim Aus- und Einfahren. Welche Faktoren für die Schmierfilmbildung maßgebend sind, wurde in der Vergangenheit durch die inverse Reynoldsgleichung beschrieben. Mit diesem Wissen zur Schmierfilmbildung wurden sehr gute Dichtringe entwickelt.

Allerdings ist die Ausprägung der Stangenoberfläche bislang nicht durch einen methodischen Ansatz erfasst. Reibung, Verschleiß und Leckage sind dadurch immer noch nicht vorhersehbar. An diesem Punkt greift ein aktuelles Forschungsprojekt am Institut für Maschinenelemente an. Durch gezielte Experimente und Simulationen soll eine bessere methodische Beschreibung der Vorgänge im Dichtspalt erreicht werden. Dabei soll speziell der Einfluss der Oberfläche der Kolbenstange berücksichtigt werden. In einem ersten Schritt stehen Reibung und Verschleiß im Vordergrund. Ziel ist, auch die Leckage beziehungsweise die Dichtheit methodisch besser zu erfassen.

Nachlassende Dichtwirkung im Labor erkennbar

Im Labor ist es möglich, eine nachlassende Dichtwirkung auch bei einer funktionierenden Dichtung zu ermitteln. Dadurch lässt sich rechtzeitig eine drohende Leckage erkennen. Für die Praxis eignen sich dagegen nur Verfahren, die auf Leckageerfassung basieren und Leckage nach außen über ein weiteres Dichtelement verhindern. Eine drohende Leckage lässt sich daher nur im Labor ermitteln.

Weder im Labor noch in der Praxis ist es allerdings möglich, aufgrund von Randbedingungen wie Dichtring, Druck, Temperatur und Oberfläche der Kolbenstange eine Leckage vorherzusagen. Die bestehenden methodischen Ansätze reichen dazu nicht aus. Auch der Zeitpunkt, wann ein Dichtsystem leckt, kann bestenfalls im Labor abgeschätzt werden.

Das aktuelle Forschungsprojekt soll die methodischen Ansätze verbessern, damit eine echte Leckagevorhersage möglich wird. Über Ergebnisse wird auf der 15. Internationalen Dichtungstagung am 7. und 8. Oktober 2008 in Stuttgart berichtet.

Prof. Dr. Werner Haas leitet den Fachbereich Dichtungstechnik am Institut für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart. Dipl.-Inform. Alexander Buck bearbeitet das Forschungsprojekt „Untersuchung des Einflusses von verschieden hergestellten Stangenoberflächen auf die Dichtheit, Reibung und Lebensdauer ausgewählter Dichtungen und Hydrauliköle“ in diesem Fachbereich.

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