Investigation of the Functional Mechanisms of PTFE Lip Seals
Final Report Abstract
In diesem Forschungsprojekt wurden „Funktionsmechanismen von Manschettendichtungen aus PTFE-Compound mit bidirektionalen Rückförderstrukturen“ untersucht. Hierzu wurde erfolgreich ein Multiskalen-Simulationsansatz entwickelt und implementiert: Auf der Makro-Skala wird eine 3-D-Computational-Structural-Mechanics-Simulation (CSM) der Montage der PTFE Manschette auf die Welle durchgeführt. Die CSM-Simulation gibt Aufschluss über die Anlage der Rückförderstrukturen an die Welle sowie die Höhe der Kontaktpressung und Radialkraft zwischen PTFE-Manschette und Welle im eingebauten Zustand. Auf der Meso-Skala wird eine Elastohydrodynamik-Simulation (EHD) zur Analyse der Strömung im Dichtspalt zwischen PTFE-Manschette mit Rückförderstrukturen und Welle durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation sind der hydrodynamische Druck und die hydrodynamische Spalthöhenverteilung sowie das Förderverhalten für einen gegebenen Betriebspunkt. Abhängig vom Anwendungsfall kann in der EHD-Simulation für REYNOLDS-Zahlen Re ≪ 1 die REYNOLDS-Gl. verwendet werden. In allen anderen Fällen können die vollständigen NAVIER-STOKES-Gl. verwendet werden. Auf der Mikro-Skala wird einerseits der Einfluss der Mikrohydrodynamik auf die EHD-Simulation deterministisch berücksichtigt. Hierfür wird ein periodisches Rauheitsprofil dem Spalthöhenprofil aus der EHD-Simulation additiv überlagert. Andererseits wird auf der Mikro-Skala der Einfluss von Festkörperkontakt zwischen sich berührenden Rauheitsspitzen berücksichtigt. Dafür wird in separaten Kontaktsimulationen anhand aperiodischen Rauheitsprofile der Kontaktkraftanteil an der Gesamtkraft abhängig von der mittleren Spalthöhe ermittelt. Mit dem vorgestellten Multiskalen-Simulationsansatz wurden Funktionsuntersuchungen verschiedener Rückförderstrukturvarianten aus der Literatur durchgeführt. Im Ergebnis zeigten Rückförderstrukturen, welche Fluid ausschließlich von der Luft- zur Ölseite umlenken, eine bessere Rückförderwirkung. Die Erkenntnisse können innerhalb einer Strukturoptimierung der Rückförderstrukturgeometrie verwertet werden. Die innerhalb des Projektes entwickelte PTFE-Manschette mit bidirektionalen Rückförderstrukturen wurde mit Hilfe des Multiskalen-Simulationsansatzes umfassend untersucht. Die Analyse zeigte, dass aufgrund des Druckaufbaus in einem doppelt konvergenten Spalt das von der Welle mitgeschleppte Öl in den abzudichtenden Ölraum umgelenkt wird. Die simulierte Rückförderströmung korreliert dabei gut mit Verschleißbildern aus dem Versuch. Die Förderwirkung kann dabei durch eine bessere Abstreifwirkung der bidirektionalen Rückförderstrukturen optimiert werden kann. Hierbei gilt für die Gestaltung des Drallstegprofils in Strömungsrichtung ähnlich einer Hydraulikdichtung je steiler der Höhenverlauf, desto besser die Abstreifwirkung. Mit Hilfe des entwickelten Multiskalen-Simulationsansatzes kann in einem nächsten Schritt eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt werden, um die wichtigsten Einflussparameter bei der Auslegung bidirektionaler Rückförderstrukturen zu ermitteln. Nach einer Bewertung der Design-Robustheit, kann mit Hilfe der Simulationsmethodik eine Strukturoptimierung durchgeführt werden, um die Zuverlässigkeit von Manschettendichtungen aus PTFE-Compound mit bidirektionalen Rückförderstrukturen zu verbessern.
Publications
- Submodellansatz für die effiziente Analyse des Anlageverhaltens von Manschettendichtungen aus PTFE-Compound mit Rückförderstrukturen; NAFEMS DACH Regionalkonferenz 2016, Bamberg, 25.- 27. April 2016, S. 202-205, ISBN 978-1-910643-03-7
Dakov, N.; Bauer, F.; Haas, W.
- Wellendichtungen aus PTFE-Compound mittels elastohydrodynamischer Simulation besser verstehen. 19th ISC, Stuttgart, 12.-13. Oktober 2016; Fachverband Fluidtechnik im VDMA e.V., 2016, S. 264-279, ISBN 978-3-8163-0684-9
Dakov, N.; Bauer, F.; Haas, W.
- Elastohydrodynamische Simulation von PTFE-Manschetten mit erhabenen Rückförderstrukturen. 13. Arnold Tross Kolloquium, Hamburg, 05/2017
Dakov, N.; Bauer, F.; Haas, W.
- Untersuchung von Rückförderstrukturen an PTFE-Manschettendichtungen mittels elastohydrodynamischer Simulation. 58. Tribologie Fachtagung, Göttingen, 25.-27. September 2017; Gesellschaft für Tribologie e.V., ISBN 978-3-9817451-2-2
Dakov, N.; Bauer, F.; Haas, W.
