Dichtungen

Gefragtes Maschinenelement: farbige O-Ringe.

Es lohnt sich also aus verschiedenen Gründen sich mit Dichtungsschäden auseinander zu setzen und die Ursachen zu analysieren.

Dichtungsschäden werden, so ist zu befürchten, oft als unabdingbares Ereignis akzeptiert. Ein Blick in ein Instandhaltungs-Ersatzteillager ist die beste Bestätigung hierfür. Dort werden oft Unmengen an Dichtungen gehortet. Man bereitet sich dadurch auf eventuelle Ausfälle vor. Wird aber bei einem Dichtungsausfall der Istzustand wieder hergestellt, ist der nächste Schaden schon vorprogrammiert. Wer sich bei einem Dichtungsschaden auf Instandsetzungs-Schnelligkeit beschränkt, macht seine Hausaufgabe nicht. Wer es versäumt, die tatsächlichen Kosten eines Dichtungsausfalls zu analysieren oder sich dabei auf Ersatzteilkosten und Arbeitszeit beschränkt, erfährt die volle Wahrheit nicht, er lügt sich in die eigene Tasche. Zur besseren Anschauung der Problematik ein Praxisbeispiel.

Zur Abdichtung einer Bogenzahnkupplung wurde ein O-Ring eingesetzt. Der hierfür ausgewählte Werkstoff hat, wie die Schadensanalyse zeigte, der Bauteil-Temperaturbelastung nicht standgehalten. Er verhärtete mit der Zeit, die Dichtfunktion wurde zunehmend schlechter. Somit konnte nicht nur Schmutz in die Bogenzahnkupplung eindringen, auch der Schmierstoff konnte austreten. Es kam zum Trockenlauf und zum Totalausfall der Kupplung. Der Gesamtschaden war, wie nachfolgende Auflistung zeigt, besonders hoch in Relation gesetzt zu Ersatzteilkosten und Reparaturarbeitszeit. Die Zahlen im Detail: Materialkosten für die Reparatur 1800 Euro, Personalkosten für die Reparatur 1120 Euro, Produktionsausfall durch den Schaden 160.000 Euro. Zusammen mit verschiedenen anderen Posten lagen schließlich die Gesamtkosten des Schadens bei immerhin 189.200 Euro.

Bei dem geschilderten Fall ist das Problem zwischenzeitlich gelöst. Man stellte auf einen anderen Elastomerwerkstoff um. Der neue O-Ring kostet zehn Euro, der Preis des ursprünglich verbauten O-Rings lag bei zwei Euro. Nicht immer so klar ist die Sache bei vielen anderen Dichtungsausfällen. Oft sind es mehrere Fehler, die zusammentreffen. Das Schadensbild reflektiert oft nicht die primäre Ursache, sondern wird von Folgeschäden überlagert. Die wirkliche Schadensursache herauszufinden, könnte man mit der Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen vergleichen. Abhilfe kann eine Checkliste schaffen, in der die wichtigsten Fehlerquellen zusammengestellt sind.

Frühausfälle klar herausfiltern

Schaden

Zerstörter Radial-wellendichtring
durch Überhitzung bei Mangelschmierung.

Eine solche Checkliste ist jedoch noch nicht der Königsweg. Wird zum Beispiel eine scharfe Bauteilkante, mit der die Dichtung bei der Montage oder beim Zusammenbau in Berührung kommt, als Ursache festgestellt, so ist ein Lösungsansatz schon vorgezeichnet. Die Details müssen dann noch abgeklärt werden. Ohne eine Checkliste hätte man diesen Fehler vielleicht übersehen und einen falschen Lösungsweg eingeschlagen. Hauptnutznießer einer solchen Checkliste sind vor allem die Instandhalter. Aber auch für Konstrukteure ist die Zusammenstellung interessant.

Im Idealfall funktionieren Dichtungen bis zum Lebensende einer Baugruppe oder einer Maschine. Ist das nicht der Fall, braucht der Maschinenbetreiber Informationen über den Zeitpunkt des notwendigen Austauschs, um eine geplante Reparatur vornehmen zu können. Sind konstruktive Verbesserungen notwendig, so ist die bisherige Nutzungszeit der Maschine mit zu berücksichtigen.

Umfang und Art der Gegenmaßnahmen sind im Leben einer Maschine ganz unterschiedlich. Auch das Maschinenleben wird, ähnlich wie beim Menschen, in drei verschiedenen Phasen, der sogenannten Badewannenkurve, unterteilt. Diese beinhaltet drei Bereiche: Frühausfälle, Zufallsausfälle und Ermüdungs- und Verschleißausfälle.

Frühausfälle deuten fast immer auf einen Produktfehler hin. Kommt es nach einer langen Nutzungszeit zum Dichtungsversagen, so ist das ein Indiz dafür, dass es sich um eine normale Abnützung oder Veränderung handelt. Im mittleren Bereich kann die Ursache eine Unverträglichkeit zwischen Dichtungswerkstoff und Betriebsstoff sein, aber auch eine Nutzungsänderung.

Wechselwirkungen zeigen sich, wenn nicht grundsätzliche Konstruktionsfehler gemacht wurden, erst nach einer längeren Kontaktzeit. Um Missverständnissen vorzubeugen muss klar gestellt werden: Produktfehler heißt nicht zwangsläufig Konstruktionsfehler. Auch wenn eine Maschinenkomponente falsch genutzt wird, so dass sie den Anforderungen nicht gerecht werden kann, ist ein Produktfehler vorhanden. Und selbst Montageschäden sind dieser Kategorie zuzuordnen. Wird bei Instandhaltungsarbeiten ein falscher Werkstoff eingebaut oder die Dichtung ‚kaputtgelagert‘, weil weder die zulässigen Lagerbedingungen noch die zulässige Lagerzeit eingehalten wurden, ist das ebenfalls ein Produktfehler. In den Abbildungen auf Seite 25 sind tribologische Kennwerte zweier NBR-Elastomerwerkstoffe bei dynamischer Belastung dargestellt. Getestet wurden NBR-O-Ring-Abschnitte. Wie beide Diagramme zeigen, bestehen sehr deutliche Unterschiede zwischen einer trockenen und einer geschmierten Bauweise. Aber auch die Dichtungshärte hat einen großen Einfluss bei dynamischen Anwendungen.

Vorgeschädigte Radialwellendichtringe

Vorgeschädigte Radialwellendichtringe durch offene Einlagerung im Ersatzteillager.

Merke: Reibung und Verschleiß sind Systemgrößen. Jede Veränderung kann starken Einfluss auf das tribologische Verhalten haben. Noch eine Anmerkung zu den wesentlichen Einflussfaktoren hinsichtlich des Reibungs- und Verschleißverhaltens einer dynamisch beanspruchten Dichtung. Da jede Dichtstelle ihr spezifisches Beanspruchungsprofil hat, können Ergebnisse nicht unbesehen transferiert werden. Beim Reibungs- und Verschleißverhalten haben oft kleine Unterschiede gravierenden Einfluss. Es ist aber nicht so, dass Praxiserfahrungen mit einem Werkstoff völlig uninteressant sind. Denn je mehr sich die Reibstellenanforderungen decken, desto wahrscheinlicher ist es, dass eine erprobte Dichtungsanwendung auch bei einer Neuentwicklung funktionieren wird.

Reibungs- und Verschleißschäden treten, vorausgesetzt es werden keine gravierenden Konstruktionsfehler gemacht, in der zweiten und vermehrt in der dritten Lebensphase einer Maschine auf. Viele Zufallsausfälle können auch ein Indiz dafür sein, dass die Wartung der betroffenen Maschinenkomponente vernachlässigt wurde. Gefährlich sind vor allem harte Partikel, die in den Dichtungsspalt gelangen. Werden diese von der Dichtung inkorporiert, besteht auch die Gefahr, dass eine metallische Gegenlauffläche zerstört wird. Es kommt zur Undichtheit. Harte Partikel können aber auch die Dichtkante selbst schädigen, was ebenfalls zur Undichtheit führt

Resümee: Dichtungen können zu jeder Lebenszeit einer Maschine ausfallen. Der Zeitpunkt kann ein Hinweis auf die Schadensursache sein. Produktschäden treten häufig in der ersten Lebensphase einer Maschine auf. In der Zweiten können die Ursachen auch Wartungs- oder Bedienungsfehler sein. In der dritten Lebensphase spielen Verschleißschäden, aber auch die Folgen von Wechselwirkungen, eine größere Rolle.

Da Dichtungen sehr preiswerte Maschinenelemente sind, werden sie oft nachlässig behandelt. Besondere Gefahrenstellen sind die Ersatzteillager. Hier werden oft die notwendigen Lagervorschriften ignoriert. Erreicht eine Dichtung nach einer Reparatur die notwendige Laufzeit nicht, so handelt es sich um einen Montagefehler oder eine vorgeschädigte Dichtung wurde verbaut.

Autor: Helmut Winkler, Technik & Marketing München

Zweitbeste Materialklasse ist nicht gut genug

Dr. Ernst Osen

Dr. Ernst Osen, Leiter der globalen Werkstoffentwicklung bei Freudenberg Sealing Technologies.

KURZINTERVIEW: Dr. Ernst Osen, Freudenberg

fluid: Was sind Ihrer Erfahrung nach die häufigsten Ursachen für Dichtungsschäden?

Unsere langjährigen Erfahrungen im Bereich der Schadensbefundung ergaben eindeutig Montagefehler und damit mechanische Verletzung oder gar Zerstörung von Dichtungen als Hauptursache. Das gilt insbesondere bei O-Ringen und Radialwellendichtringen.

fluid: Reicht das Schadensbild einer demontierten Dichtung aus, um die Schadensursache zu erkennen?

Eindeutig nein. Die defekten Teile sind meistens verschmutzt und mit Medien behaftet. Man kann zwar häufig eine erste Aussage zur wahrscheinlichen Ursache machen, wie beispielsweise Verschleiß, Durchriss oder anderes. Zur exakten Beurteilung sind jedoch die genauen Einsatzbedingungen wie Temperatur-Lastkollektiv, Medien und sonstige Belastungen notwendig. Erst damit können weitere Aussagen über falsche Materialauswahl oder Überbelastung getroffen werden.

fluid: Ist die Schadensanfälligkeit aller Dichtungswerkstoffe gleich groß oder gibt es besondere Sensibelchen?

Bei der geeigneten Werkstoffwahl sind alle Dichtungswerkstoffe als geeignet und damit als robust einzustufen. Die Eignung für den jeweiligen Einsatzfall muss durch sorgfältige Labortests – und noch besser durch funktionsgenaue Produkttests – nachgewiesen werden. Oftmals greifen aber die Hersteller aus Kostengründen nur zur zweitbesten Materialklasse, wodurch es zu einer höheren Schadensanfälligkeit kommen kann.

fluid: Oft muss ja bei einem Dichtungsschaden schnell gehandelt werden. Für lange Laboruntersuchungen ist da oft nicht die Zeit dafür da. Wie sollte zum Beispiel ein Instandhalter vorgehen, um schnell Klarheit über die Ursache zu bekommen?

Handelt es sich um kostenintensive Produktionsanlagen, wie das beispielsweise in der chemischen Industrie gegeben ist, so ist ein sofortiger Austausch notwendig – unabhängig von der Art der Schadensursache, um die mit der Stillstandszeit verbundenen Ausfallkosten zu minimieren. Danach sollte man aber detaillierte Schadensuntersuchung durchführen, um wiederkehrende Fehler zu vermeiden.

fluid: In den Schadensstatistiken wird heute oft unterteilt in Produktschaden, Nutzungsschaden und Prozessschaden. Unter Produktschaden fallen auch Konstruktionsfehler. Was machen Ihrer Meinung nach Konstrukteure bei der Auslegung einer Abdichtstelle alles falsch?

Zunächst wird man versuchen, eine möglichst technisch robuste Auslegung für eine Dichtung zu erreichen. Dem stehen aber oftmals Forderungen nach minimalen Einbauraum oder sonstigen konstruktiven Einschränkungen im Wege.

Zur Vermeidung konstruktiver Fehler stehen den Produktentwicklern heutzutage aber sehr effektive Berechnungsmöglichkeiten mittels der Finite-Element-Methoden zur Verfügung, die es erlauben, möglichst exakt das mechanische Werkstoffverhalten im Einbauraum und unter Einsatzbedingungen (Druck- oder Zugbelastung, Temperaturen usw.) zu simulieren und damit die geeignete Produktauslegung auf Anhieb zu treffen.

fluid: Ein Produktschaden kann auch durch einen Montagefehler entstehen. Ist das die Achillesferse?

Wie bereits eingangs erwähnt – durch Verdrillung beim Einbau von O-Ringen oder durch mechanische Zerstörung von sensiblen Dichtkanten beim Einbau kann bereits von Beginn an eine irreversible Schädigung einer Dichtung eintreten.

Wir bei Freudenberg bieten hierzu mechanische Einbauhilfen zum zerstörungsfreien Einbau von Radial-Wellendichtringen an, die bereits mit dem Produkt mitgeliefert werden. Eine andere Möglichkeit besteht im Aufbringen von Dicht- oder Gleitlacken auf elastomere Oberflächen, die sowohl das Handling bei der meist automatisierten Produktzuführung als auch das Aufbringen selbst durch eine geringere Reibung deutlich vereinfachen.