Zuverlässigkeit von Radialwellendichtringen (RWDR)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Als Basis für weitere Arbeiten konnten erste wesentliche Ansätze und Grundvoraussetzungen zur Zuverlässigkeitsermittlung von Radial-Wellendichtringen (RWDR) erarbeitet werden. Als Grundlage für die Ausfallanalyse wurde eine Systemgrenze für das Dichtsystem Radial-Wellendichtring definiert, die alle auf die dynamische und statische Dichtheit einflussnehmenden Bauelemente einbezieht. Zur Lebensdaueranalyse von Versuchen wurde eine abgestufte Ausfalldefinition mit den Zuständen trocken, feucht, nass und einer Leckagerate definiert. Das Lebensdauerende wurde mit einer ausgetretenen Fluidmenge von 0,1 g Leckage pro Tag an drei aufeinander folgenden Tagen festgelegt. Es wurde eine genaue Analyse aller auf das Dichtsystem einwirkenden Einflussfaktoren vorgenommen. Aus diesen wurden zur Eingrenzung des Parameterraumes die Haupteinflussfaktoren auch im Hinblick auf Messbarkeit und auf einfache Abschätz- oder Berechenbarkeit für den Feldeinsatz ausgewählt. Die Haupteinflussfaktoren auf die RWDR- Lebensdauer sind die Ölsumpftemperatur, die Gleitgeschwindigkeit, die Exzentrizität der Welle und der Wellendurchmesser. Für die Lebensdaueranalyse ist ferner die Unterscheidung der Ausfallmechanismen erforderlich. Die Hauptausfallmechanismen im Betrieb wurden identifiziert und die Wirkungskette für jeden Mechanismus aufgezeigt. Die Unterscheidung der Ausfallmechanismen anhand der Untersuchungen an gelaufenen Dichtringen spielt eine entscheidende Rolle, da die sichtbare Ausfallerscheinung immer austretendes Fluid, also Leckage ist. Wegen des großen zeitlichen Aufwands von Lebensdauertests, wurde ein Testplan zur beschleunigten Lebensdauerprüfung erstellt. Die Testparameter wurden so festgelegt, dass es möglich ist alle Ausfallmechanismen gleichermaßen anzusprechen. Die durchgeführten Versuche zur beschleunigten Lebensdauerprüfung zeigten eine starke Tendenz zu thermisch/chemischen Ausfallmechanismen. Von Dichtringherstellern und -anwendern konnten Lebensdauerdaten von RWDR gewonnen werden. Bei der Auswertung der Daten konnte das Vorhandensein einer ausfallfreien Zeit nachgewiesen werden. Außerdem deutet der Weibull-Formparameter mit einem Wert von 1,85 auf ein Verschleißausfallverhalten hin. Die Stufen und Knicke im Verlauf der Ausfälle deuten auf das Auftreten von unterschiedlichen Ausfallmechanismen hin. Zusätzlich konnten RWDR, teils mit Gegenlauffläche und Fluid aus Feldeinsätzen mit mehr als 10000 Betriebsstunden ausgewertet werden. Anhand dieser Dichtringe konnten verschiedene Schadensbilder bei sehr langen Laufzeiten ermittelt werden. Die Analyse der Felddaten als Weibull-Einfachverteilung ergab eine unbefriedigende Übereinstimmung der Ausfälle mit der gefundenen Verteilung. Die Form des Ausfallverlaufs deutet auf eine Mischverteilung innerhalb des Datensatzes hin, was sich mit der Erfahrung, dass verschiedene Ausfallmechanismen am Ausfallverhalten von RWDR-Systemen beteiligt sind deckt. Abschließend wurden verschiedene Lebensdauermodelle auf ihre Anwendbarkeit zur Lebensdauerbeschreibung von RWDR untersucht. Am besten geeignet sind Degradationsmodelle. Zur Abbildung der Degradation sind die Verschleißbreite und der Förderwert des Dichtrings geeignet. Aus der Auswertung von Versuchsdaten konnte für Dichtringe aus FKM ein Funktionsgrenzwert von ca. 0,9 mm für die Dichtkantenbreite ermittelt werden. Um eine statistisch abgesicherte Beschreibung der Lebensdauer von RWDR durch Versuche zu erreichen, ist es nötig beschleunigte Lebensdauertests durchzuführen, um die erforderlichen Versuchszeiten zu reduzieren. Hierzu muss ein geeignetes Lastkollektiv, das alle Ausfallmechanismen anspricht gefunden werden. Das komplexe Ausfallverhalten von RWDR führt dazu, dass herkömmliche Methoden zur Aufstellung eines Versuchsplanes mittels der statistischen Testplanung nur bedingt nutzbar sind. Die Erarbeitung eines Testplanes für Maschinenelemente mit komplexen Ausfallmechanismen und starken Wechselwirkungen zwischen den Versuchsparametern ist deshalb notwendig. Als vielversprechendste Modelle zur Beschreibung der Lebensdauer von RWDR haben sich die Degradationsmodelle erwiesen. Mögliche Degradationskenngrößen sind die Dichtkantenbreite des RWDR und der Förderwert des RWDR. Aus den derzeit bekannten Fördenwertmessmethoden muss die geeignetste Methode ermittelt werden. Für die zweite Degradationskenngröße, die Berührbreite, existiert derzeit kein Messverfahren, mit welchem die Kenngröße kontinuieriich während des Betriebs gemessen werden kann. Für die Auswertung von Felddaten mit mehreren gemischten Ausfallmechanismen gibt es derzeit noch keine durchgängige Vorgehensweise. Die derzeit vorhandenen grafischen oder analytischen Methoden sind nicht allgemein anwendbar. Vielversprechende Ansätze bieten rechenintensive, numerische Methoden, wie beispielsweise die genetischen Algorithmen und die neuronalen Netze. Durch die mittlerweile stark gestiegene Leistungsfähigkeit von Rechnersystemen sind diese numerischen Methoden heute leicht um- und einsetzbar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Zuverlässigkeitsaussagen über RWDR aus der Auswertung von Ausfalldaten aus dem Feld. International Sealing Conference 2008, Stuttgart, 07.10.-08.10.2008
Klein, B.; Haas, W.; Bertsche, B.
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Ansätze zur Bestimmung der Zuverlässigkeit des Dichtsystems Radial-Wellendichtring (RWDR). Tagung Technische Zuverlässigkeit 2009, Leonberg, 29.04.- 30.04.2009
Klein, B.; Haas, W.; Bertsche, B.
