Pipeline

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Viele Schäden zeigen, dass der Gleichschritt nicht vorhanden ist.

Fällt eine Dichtung aus, kann dies verschiedene Gründe haben. So kann zum Beispiel an der Dichtstelle der falsche Werkstoff eingesetzt sein, was einen Produktschaden bedeutet. Bei der Montage kann ein Dichtring vorgeschädigt sein oder durch eine Nutzungsänderung der Maschine ausfallen. Auch dies wäre ein Produktschaden. Dichtungen fallen also aus, weil Menschen Fehler machen oder die Leistungsfähigkeit der Dichtung falsch einschätzen.

Welcher wirtschaftliche Schaden einem Unternehmen durch einen Dichtungsschaden entsteht, zeigt nachfolgendes Beispiel: 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 des Dichtungsschadens war, in Relation zu den Ersatzteilkosten und der Reparaturarbeitszeit bei diesem Fall besonders hoch. Aber so richtig teuer wird es immer dann, wenn ein Maschinen- und Anlagenschaden beim Kunden ankommt, also vereinbarte Liefertermine nicht eingehalten werden. Dann ist Feuer unterm Dach. Der geschilderte Schadensfall wäre vermeidbar gewesen.

Das Problem war eine unzureichende Temperaturbeständigkeit des verwendeten Dichtungswerkstoffes. Vielleicht hat der Konstrukteur die für den Werkstoff angegebene Temperaturbeständigkeit falsch interpretiert und ist davon ausgegangen, dass die Obertemperaturgrenze auch für die spezifische Bauteilbelastung der Kupplung ihre Richtigkeit hat.

Was sagt die Temperaturangabe?

Radialwellendichtring

Elektrisch leitender Radialwellendichtring. Bild: Freudenberg Sealing Technologie

Was die obere Temperaturbeständigkeit eines Elastomerwerkstoffs betrifft, so ist zwischen Kurzzeit- und Langzeitbelastung, aber auch zwischen statischer und dynamischer Beanspruchung zu unterscheiden. Bei der Temperaturobergrenze in den technischen Datenblättern fehlt diese Angabe meistens. Eine Rückfrage beim Hersteller bringt oft die Klärung und ist zu empfehlen.

Die Hochtemperaturbeständigkeit eines Elastomers wird zunächst einmal vom chemischen Aufbau der Polymerketten bestimmt. Die Veränderungen bei hoher Temperatur sind irreversibel, es kommt zu einer bleibenden Schädigung. Die verschiedenen Elastomerwerkstoffe reagieren bei Hoch-Temperaturbelastung ganz unterschiedlich. Einige Elastomere verhärten oder verspröden. Das kann ein Hinweis darauf sein, dass eine Nachvernetzung eintrat und so zusätzliche Vernetzungspunkte entstanden sind oder dass der eingesetzte Weichmacher keine ausreichende Temperaturstabilität hat und entwichen ist. Dichtungen können nach einer längeren Temperaturbelastung auch weicher werden.

Eine Ursache hierfür ist die Spaltung der Polymerketten oder ein Abbau der Vernetzungsstellen durch Temperatureinwirkung und Sauerstoff. Anzeichen für diesen Schädigungsvorgang ist eine klebrige Dichtungsoberfläche nach einer Temperaturbelastung. Weist der Dichtungswerkstoff hingegen eine zu hohe Verträglichkeit mit dem abzudichtenden Medium auf, so kann es zu einer

Volumenquellung kommen, was wiederum mit einer starken Abnahme der Härte verbunden ist.

Sterilverschraubung

Das neue FKM von Otto Gehrckens für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Bild: C. Otto Gehrckens (COG)

Der Bedarf an höher temperaturbeständigen Elastomeren nimmt zu. Gründe hierfür sind die steigenden Anforderungen an die Maschinenleistungen, der Leichtbau, aber auch Maßnahmen zur Arbeitssicherheit und zum Umweltschutz. Welches Verbesserungspotenzial noch vorhanden ist, zeigt der Allerweltswerkstoff NBR. Schon vor etwa 30 Jahren kam das HNBR mit einer besseren Temperatur- und Ölbeständigkeit auf den Markt.

Freudenberg Sealing Technologie hat eine NBR-Variante mit noch besserer Wärmestabilität entwickelt. Mit diesem Werkstoff können Konstrukteure das bewährte NBR bei vielen Anwendungen beibehalten und müssen nicht zwangsweise auf einen anderen, meist teureren Elastomerwerkstoff ausweichen. Während der Standard-NBR-Werkstoff bereits nach zwei Wochen bei 110 Grad vollkommen versprödet, zeigt der SimritHT-NBR-Werkstoff 75 NBR auch nach 42 Tagen Lagerung bei 110 Grad noch sehr gutes elastisches Verhalten. Auch bei einer Einlagerung bei 130 Grad bringt der neue Werkstoff deutliche Verbesserungen. Im Vergleich zu einem Standard NBR ist der Druckverformungsrest um über 50 Prozent besser.

Auch neue Öle bergen Probleme. Moderne Schmieröle auf Mineralölbasis sind heute höher raffiniert um den Anteil an ungesättigten Kohlenwasserstoffen zu reduzieren. Die API-Öle der Gruppen II und III haben nicht nur Vorteile, sie haben in einigen Punkten auch Nachteile. So sind zum Beispiel das Lösungsverhalten von Alterungsprodukten und die elektrische Leitfähigkeit schlechter, was gravierende Auswirkungen auf eine Hydraulikanlage haben kann.

Ganz generell gilt: Je polarer ein Schmieröl ist, desto höher die Leitfähigkeit. Und in jedem Ölkreislauf muss mit elektrostatischer Aufladung gerechnet werden. Ob es zu einer schlagartigen Entladung im Hydrauliksystem kommt ist auch davon abhängig welches Energiepotenzial sich im System aufbauen kann. Je mehr Öl pro cm2 Leitungsquerschnitt gefördert wird und je geringer die Leitfähigkeit, desto höher die elektrische Aufladung. Wird die elektrische Ladung zu hoch, kommt es zur elektrischen Entladung, die sich durch Funkenschlag, Mikroblitze oder Knistern im Tankbereich und an den Filtern bemerkbar macht.

Ringe & Co.

Vergleich mineraloelbasierter verschiedener API Grundoele

Vergleich mineralölbasierter verschiedener API-Grundöle. Tabelle: TMM

Wenn es darum geht, Wellen zuverlässig und wirtschaftlich abzudichten, spielen Radialwellendichtringe eine große Rolle. Sie sind seit vielen Jahrzehnten das einzige Dichtelement, das Dichtwirkung, Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit in idealer Weise kombinieren. Kunststoffe sind schlechte Leiter. Würde es gelingen die elektrostatische Aufladung über den Dichtring abzuleiten, könnte die Gefahr einer unkontrollierten Entladung reduziert werden.

Freudenberg Sealing Technologies hat vor kurzem einen leitfähigen Radialwellendichtring vorgestellt, der vor Durchschlagbeschädigungen schützen soll. Elektrostatische Aufladungen können so sicher an das Gehäuse abgeleitet werden. Obwohl diese Dichtung für die Fahrzeugtechnik entwickelt wurde könnte diese Entwicklung vielleicht auch helfen, die Gefahr der statischen Aufladung durch die neuen Öle zu bannen. Vollständigkeitshalber darf nicht unerwähnt bleiben, dass sich in hydraulischen Anlagen spezielle Filterelemente, wie zum Beispiel das Hydac-Stat-Free-Filterelement, zur Ableitung statischer Aufladung schon bestens bewährt haben.

Dichtungen haben im trockenen Zustand, auch gegen fast schon optimale Oberflächen, noch eine relativ hohe Reibung. Bei dynamischen Anwendungen verschlechtert sich so die Energiebilanz einer Maschine, die hohe Reibung wird verstärkt und letztlich als Umweltproblem eingestuft. Freudenberg Sealing Technologies hat auf dem 35. Internationalen Wiener Motorensymposium im Mai diesen Jahres die Kurbelwellendichtung Levitex vorgestellt. Typischerweise dichtet ein Radialwellendichtring eine rotierende Kurbelwelle zum Gehäuse hin ab. Ein Ölfilm minimiert dessen Kontakt zur Welle. Trotzdem liegt die verbleibende Verlustleistung bei bis zu einem Gramm CO2 pro Kilometer.

Die gasgeschmierte Gleitringdichtung Levitex besteht aus einem stationären Gleitring und – ölseitig – einem rotierenden Gegenring. Im Betrieb bildet sich durch aerodynamisch wirksame Strukturen auf der Dichtfläche ein Luftpolster, das beide Ringe trennt. Zur Verschleiß- und Reibungsreduktion aus dem Stillstand heraus sind Gleit- und Gegenring zusätzlich mit einer Spezialbeschichtung versehen. Mit der neuen Levitex-Dichtung wird der Leistungsverlust einer Kurbelwellendichtung deutlich reduziert. Die CO2-Emission an der Dichtstelle sinkt von 0,5 bis 1 Gramm pro Kilometer auf unter 0,1 bezogen auf den neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ).

Hintergrundinfo

Schadensfälle

Ausgefallene Bogenzahnkupplungen durch eine verhärtete Dichtung. Bild: TMM

Dichtungsschäden jüngster Zeit

  • 1986: Die Challenger Katastrophe bei der sieben Astronauten ihr Leben verloren, ist auf einen Dichtungsschaden zurückzuführen.
  • Juni 2006: Wegen der fehlerhaften Dichtung eines Kurbelwellensensors ruft Toyota weltweit rund 420.000 Fahrzeuge in die Werkstätten. Öl könnte aus dem Kurbelwellengehäuse austreten und den Sensor lahmlegen.
  • September 2012: Bei Transportern von Opel und Renault wurde im Rahmen einer Rückrufaktion offenbar ein neuer Fehler eingebaut. An der Hinterachse ist möglicherweise eine Dichtung an den Radlagern beschädigt worden. In Extremfällen kann es zum Verlust des Hinterrades führen.
  • April 2012: Ford ruft 140.000 neue Focus zurück in die Werkstätten, weil eine kleine Dichtung am rechten Scheibenwischer fehlen kann.
  • April 2014: VW ruft in den USA 27.000 Jetta, Beetle, Beetle Cabrio und Passat wegen einer fehlerhaften Dichtung zwischen Ölkühler und Getriebe zurück.

Für Nutzfahrzeughersteller ist auch die Radialwellendichtung MileMaker von Freudenberg Sealing Technologies hoch interessant. Die Werkstoffformulierung senkt im Vergleich zu einem traditionellen RWDR die Reibung deutlich. Bei Messungen ergab sich eine Drehmomentreduzierung von etwa 50 Prozent. Dies entspricht über die Lebensdauer der Dichtungen einer Kraftstoffeinsparung von 725 Euro pro Lkw- und Aufliegerkombination. Basis der MileMaker-Dichtung ist ein hochentwickelter Elastomerwerkstoff. Das Material widersteht höchsten Betriebstemperaturen von bis zu 177 Grad und ist beständig gegen mineralische und synthetische Öle und Schmierfette. Außerdem besitzen die Dichtungen eine maschinell geformte, geschliffene und polierte Verschleißhülsenlauffläche, die die Reibung reduziert, das Drehmoment verringert und eine kühlere Lauffläche für die Hauptdichtlippe ermöglicht.

Rückrufaktionen bei Lebensmitteln sind genauso spektakulär, wie die im Automobilbereich. In kaum einer anderen Branche sind die Anforderungen an die Dichtungswerkstoffe in den letzten Jahren so stark angestiegen wie in der Pharma- und Lebensmittelindustrie. Alle Materialien, die im Produktionsprozess mit Lebensmitteln in Kontakt kommen, müssen entsprechende Normen und Zulassungen erfüllen (zum Beispiel FDA, USP, Verordnung 1935/2004 (EG)). Eine zusätzliche Herausforderung sind die harten Hygienevorschriften, die eine sichere und penible Reinigung der Maschinenkomponenten notwendig machen. Hohe Reinigungstemperaturen und aggressive Reinigungsmittel stressen die Dichtungen ganz besonders.

Die heute geltenden Reinigungsvorschriften für die Lebensmittelproduktion, aber auch die Auflagen in der pharmazeutischen Industrie, erfordern Elastomerformulierungen der neuen Dimension. Ein spezielles Produkt dafür ist das FKM HygienicSeal Vi 780 von C. Otto Gehrckens (COG). Der Einsatztemperaturbereich liegt zwischen minus zehn bis plus 200 Grad. Bestechend ist auch die sehr gute Beständigkeit gegenüber Aromastoffen und ätherischen Ölen. Ein weiterer Vorteil des Hochleistungswerkstoffes Vi 780 ist die Beständigkeit bei SIP oder CIP Prozessen (CIP = Cleaning in place; SIP = Sterilisation in place). Das Quellverhalten des FKMs ist sehr gering. Dichtungen aus HygienicSeal Vi 780i sind so auch für die engen Einbauräume der Sterilverschraubungen bestens geeignet.

Verdrehen und verkanten ist unzulässig

Montageschäden sind bei Dichtungen kein Kavaliersdelikt. Etwa 30 Prozent der Dichtungs-Frühausfälle haben ihre Ursache darin. Eine Hauptursache sind die relativ schlechten tribologischen Eigenschaften der Elastomerwerkstoffe. Werden dagegen Dichtungen geschmiert, ist eine deutliche Verbesserung beim Reibungsverhalten festzustellen.

Beschichtung heißt das Zauberwort, wenn es um die Montage großer Mengen von Dichtungen geht. Der Konstrukteur kann aus einer Reihe von interessanten serientauglichen Lösungsansätzen wählen. Eine sehr kostengünstige Variante ist die Wachsbeschichtung von Dichtungen. Bei O-Ringen werden die Montagekräfte auf das verträgliche Maß reduziert, bei RWDR kann eine Wachsschicht auch die Dichtlippe bis zum Aufbau eines tragenden Schmierfilmes schützen.

Wachsschichten lassen sich kostengünstig applizieren. Die Dichtungen werden in eine Wachsemulsion getaucht und sind nach dem Abtrocknen einbaufertig. Auch ein Festschmierstoffüberzug der Dichtungen kann vor Einbauschäden schützen. Bewährt haben sich PTFE oder Grafitsuspensionen. Der Auftrag ist ähnlich der Wachsbeschichtung. Grafit oder PTFE Schichten reduzieren die Einbaukräfte deutlich und sind kostengünstige Lösungen zur Verhinderung von Einbauschäden.

Eine andere Methode zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Elastomeren ist die Einarbeitung von Festschmierstoffen in die Kautschukmischung. Dem Elastomeransatz wird ein definierter Anteil Festschmierstoffe zugegeben und daraus die Bauteile hergestellt. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass der Festschmierstoff im gesamten Teil gleichmäßig verteilt ist, also nur zu einem kleinen Anteil tribologisch genutzt werden kann. Dominierender Vorteil dieser Festschmierstoffanwendung ist, dass keine zusätzlichen Arbeitschritte für den Schmierstoffauftrag entstehen und Verschmutzung bei automatischer Zuführung ausgeschlossen ist.

Gebundene Festschmierstoffe, also Gleitlacke, sind die vierte Möglichkeit der trockenen Schmierung für Dichtungen. Eine Reihe von Vorteilen sprechen für diese Variante. Mit Gleitlacken lassen sich sowohl das Einbau- als auch das Anlaufverhalten von Dichtungen optimieren und bei bestimmten Anwendungen eine Lebensdauerschmierung erzielen. Die Schmierstoffschicht ist absolut trocken, das Schmierstoffreservoir wird über die Schichtdicke bestimmt. Gleitlacke sind Mehrstoffsysteme mit einem Binder, in dem die Festschmierstoffe an der Oberfläche fest verankert werden. Die Alterungsbeständigkeit, sowohl der verschiedenen Harze die als Binder verwendet werden, als auch die der Festschmierstoffe, ist exzellent.

Massenteile mit hohem Schadenspotenzial

Kostenanalyse

Kostenanalyse eines Dichtungsschadens am Beispiel einer Bogenzahnkupplung. Tabelle: TMM

Gleitringdichtung

Die gasgeschmierte Gleitringdichtung Levitex senkt die CO2-Emission. Bild: Freudenberg Sealing Technologie

Dichtungen sind Massenteile. Der materielle Wert schlägt bei einer Maschine nicht zu Buche. Zwei Faktoren die oft auschlaggebend dafür sind, dass Dichtungen häufig stiefmütterlich behandelt werden. Fällt eine Dichtung aus, so ist das in aller Regel mit einem hohen Schadenspotenzial verbunden. Das zeigt wenigsten der im Beitrag aufgeführte Schadensfall. Durch immer weiter steigende Anforderungen, die sich unter der Überschrift „höher, weiter, schneller“ zusammenfassen lassen, stoßen Dichtungswerkstoffe oft an ihre Leistungsgrenze.

Am Beispiel NBR wurde dargestellt welche Antworten die Dichtungsindustrie gefunden hat. Ganz im Stillen hat sich bei den Grundölen für Schmierstoffe eine Revolution vollzogen. Diese neuen Grundöle haben aber nicht nur Vorteile. Das schlechtere elektrische Leitvermögen der neuen ASTM-Öle kann zu schwerwiegenden Funktionsstörungen führen. Elektrisch leitende Dichtungen sind eine Lösungsmöglichkeit das Problem besser in den Griff zu bekommen.

Lösungen gegen die Energieverschwendung zu finden, ist Kernaufgabe des 21. Jahrhunderts. Bei dynamischen Bewegungsabläufen steht die Reibung im Fokus. Das es heute Radialwellendichtringe mit einer extrem niedrigen Reibung gibt, mag manchen überraschen; aber diese sind schon entwickelt.

Einbau- und Anlaufschäden kann man mit traditionellen Schmierstoffen also mit Schmierfetten oder Schmieröle verhindern, aber auch mit einer Dichtungsbeschichtung. Welche Lösungsmöglichkeiten heute durch trockene Schmierstoffe vorhanden sind, wurde ebenfalls aufgezeigt.

Gegen jeden Schaden ist ein Kraut gewachsen. Es liegt also auch bei Dichtungsschäden nur daran, sich auf die Suche zu machen. bf

Autor: Helmut Winkler, freier Journalist für fluid

 

Technik im Detail

MileMaker Seals

Reibungsarm und temperaturstabil: der RWDR MileMaker von Freudenberg Sealing Technologies. Bild: Freudenberg Sealing Technologie

Vorteile der Beschichtung

  • saubere und fehlerfreie Montage
  • temperaturunabhängige, niedrige Reibungszahl
  • Schutz vor Anlaufschäden bei dynamischen Dichtungen
  • keine Unterbrechung automatischer Montageabläufe
  • Schutz gegen Vorschädigungen bei der Dichtungs-Zwischenlagerung
  • verbesserte Alterungsbeständigkeit
  • Reduzierung der Stick-slip-Gefahr bei niedriger Gleitgeschwindigkeit