Abstract
Ziel der Arbeit war, die Funktionsweise Berührungsfreier Wellendichtungen (BFWD) unter den besonderen Betriebsbedingungen in Aggregaten des allgemeinen Maschinenbaus zu erforschen. Dabei stand die Verifizierung, der für niederviskose Flüssigkeiten bekannten Gestaltungsrichtlinien für höherviskose Fluide im Vordergrund. Dazu wurden einzelne Funktionselemente von BFWD methodisch experimentell untersucht. Zur praxisorientierten Durchführung der Arbeit, fand im Vorfeld eine Industrieumfrage statt, in der die Randbedingungen für die Versuche ermittelt wurde. Als Versuchsöl wurde ein FVA-Referenzöl mit der Viskositätsklasse ISO VG 320 gewählt. Die Untersuchungen an einzelnen Funktionselementen mit zähen Ölen bewiesen ein analoges Funktionsverhalten, wie bei der Abdichtung wasserdünner Flüssigkeiten. Aufgrund der bis zu 500 mal höheren Viskosität konnte jedoch bei gleichen geometrischen Abmessungen ein bis zu 100 mal geringerer Durchfluss ermittelt werden. Vergleichende Berechnungen ergaben, dass bei entsprechenden im Dichtsystem zu verarbeitenden Flüssigkeitsmengen, die Spalthöhen bei der Abdichtung so zäher Fluide vier bis fünf mal so hoch sein dürfen als bei der Abdichtung von niederviskosen Flüssigkeiten.
Ein günstig gestalteter Eingangsbereich reduziert den eindringenden Flüssigkeitsstrom um bis 95 % gegenüber einem ungünstig gestalteten. Dafür muss der radiale Eingangsspalt überdeckt und eine stationäre Fangrinne angebracht werden. Die für niederviskose Flüssigkeiten bekannten Gestaltungsrichtlinien für Fangkammem gelten auch bei der Abdichtung zäher Öle. Um das schlechtere Fließverhalten zu berücksichtigen, ist das Volumen der Fangkammer größer auszuführen. Wird der Übergang der Fangkammer zum Rücklauf trichterförmig ausgeführt. zeigen auch höherviskose Flüssigkeiten ein strömungstechnisch günstigeres Ablaufverhalten. Die Ablaufkanäle sind größtmöglich auszuführen.
Um die betrieblichen Einflüsse auf BFWD zu erfassen, wurde für sechs gängige Lagerarten der Durchfluss bei Öleinspritzschmierung ermittelt. Je nach Lagerart und -anordnung beträgt der Durchfluss zwischen 5 und 95 % des Einspritzstroms. Die Ergebnisse dienten u.a. der Verifizierung der Dichtungsbeaufschlagung im Laborbetrieb. Mit Hilfe der Finiten-Element-Analyse (FEA) und experimentellen Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass berührungsfreie Wellendichtsysteme aktiv Luft und damit auch Öldunst oder Ölnebel fördern können. Als Abhilfe- maßnahme wurde ein bezüglich Luftdurchsatz optimiertes Dichtsystem entwickelt. Die erstmals hierzu eingesetzte FEA hat sich als nützliches Werkzeug bei der Auslegung Berührungsfreier Dichtsysteme erwiesen. Alternativ dazu wurde die Möglichkeit betrachtet, ölabscheidende Filterelemente in BFWD zu integrieren.
Die aufgrund von Wärmeausdehnung, Fertigungstoleranzen und Lagerluft erzeugten axialen Wellenverlagerungen bewirken bei BFWD einen erhöhten Eindringstrom. Mittels einer Verschiebevorrichtung konnten diese erhöhten Eindringströme im Versuch quantitativ ermittelt werden.
Zur einfacheren Montage des komplexen berührungsfreien Dichtsystems wurden Gestaltungsvarianten entwickelt, die als axial steckbare Systeme in der Praxis eingesetzt werden können.
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