Tribological model investigation to wear behaviour of material pairs in sealing contacts
Final Report Abstract
In dem vorliegenden Projekt wurde in einem modellbasierten Dichtsystem ein makroskopisches Wellenverschleißphänomen, wie es bei Radialwellendichtringen in der Kombination Fluorkautschuk mit synthetischen Ölen auftritt, untersucht. Ziel der Untersuchung war es die lebensdauerbeeinflussenden, morphologischen Ausprägungen des Wellen- und Dichtringverschleißes zu identifizieren. Aus diesen Mechanismen sollten Gegenmaßnahmen abgeleitet werden. Der in der Praxis zu beobachtende tiefe Wellenverschleiß konnte grundsätzlich im RWDR-System reproduzierbar nachgestellt werden. Es zeigte sich, dass die Profile der sich infolge der tribologischen Beanspruchung in der Wellenoberfläche formierenden, riefenförmigen Vertiefungen mit den Konturen der Dichtkante des RWDR in der Kontaktzone korrespondieren. Querschnittsanalysen im Bereich der RWDR-Dichtkante nach Focused-Ion-Beam Präparation (FIB) zeigen ein hoch gefülltes Flourkautschukpolymer mit chemisch und geometrisch unterschiedlichen Füllstoffpartikeln. Diese Beobachtungen bilden die Grundlage für die Schadenshypothese, derzufolge die in der Elastomermatrix formschlüssig eingebetteten, infolge der tribologischen Beanspruchung jedoch teilweise freigelegten Partikel, im Festkörperkontakt zur Wellenoberfläche abrasiven Verschleiß im Form der beobachteten Riefenbildung verursachen. Hochaufgelöste, oberflächensensitive Analysen in der Riefe der Stahloberfläche bestätigen die Hypothese, dass bestimmte Füllstoffpartikel abrasiven Verschleiß im Dichtkontakt erzeugen können. Der Ort des höchsten Verschleisses wird von der lokal höchsten Kontaktpressung bestimmt. Dass jedoch im RWDR eingebettete, harte Füllstoffpartikel nicht zwangsläufig zu abrasivem Verschleiß führen müssen, zeigen die Untersuchungen am Ringflächentribometer RFT. Das Schadensbild einer tiefen Verschleißriefe konnte mit Proben aus FKM in Kombination mit einsatzgehärteten Wellen und niedrigviskosem PAO-Grundöl lediglich in ca. 10% der durchgeführten Tribotests nachgestellt werden. Dabei trat immer Leckage am Prüfstand auf. Die beobachteten Riefen unterscheiden sich dabei aber in Form und Volumen deutlich von den Riefen, die im RWDR-System gemessen wurde. Bei Untersuchungen mit Ringproben, die zu keiner Riefenbildung an der Stahlwelle geführt haben, konnte ein protektiver, organischer Tribofilm bzw. eine Reaktionschicht festgestellt werden.So wird das Freilegen der abrasiv wirkenden Füllstoffe aus dem FKM-Elastomer in die Kontaktzone in einem dynamischen Prozess verhindert und damit die Welle vor progressivem Verschleiß geschützt. Der Verschleiß findet lediglich an der Dichtkante, nicht aber auf der Welle statt. Wird diese Agglomeration organischer Substanzen jedoch lokal zu groß, entstehen wulstförmige harte Strukturen, die dann offenbar ebenfalls abrasive Prozessen im Dichtkontakt hervorrufen und damit zur Riefenbildung auf dem metallischen Gegenkörper führen können. Weitere Möglichkeiten zur Verschleißreduktion bei ansonsten identischer Materialpaarung wurde durch die Zugabe eines Zinkdialkyldithiophosphate (ZDDP) Additivs in den Schmierstoff erreicht. Auch hier konnte eine , schützende Triboschicht nachgewiesen werden. Wechsel auf alternative Compounds (NBR) oder die Reduktion der Radialkraft beim RWDR konnten ebenfalls nachweislich zur Verschleißvermeidung beitragen. Wellenverschleiß ist ein sehr komplexes Thema, dass auf einem Zusammenspiel der Komponenten Schmierstoff- Elastomer-Welle-Beanspruchung im tribologischen System Radialwellendichtring beruht. Obwohl unterschiedliche Mechanismen identifiziert wurden, bleiben offenen Fragen, weil das entwickelte Modell bei weitem nicht die Komplexität aller Anwendungen abbilden kann. Es besteht daher weiterer Forschungsbedarf, um die entwickelten Modelle zum Wellenverschleiß auf weitere in der Praxis auftretende Phänomene zu untersuchen. Möglichkeiten haben sich bei der Reduktion von Verschleiß hervorgetan. Hervorzuheben ist der Schutzmechanismus durch Aufbau einer organischen Schicht beim RFT. Bei einer gezielten Übertragung und Steuerung dieses Vorgangs kann sich dort erhebliches Potential für das RWDR-System in einer realen Anwendung ergeben. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
Publications
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Oberflächenanalyse der Tribokontakte von Radialwellendichtsystemen. VDI-Fachkonferenz: Dichtungstechniik 2017, Dynamische Dichtsysteme, 27.06.2017 - 28.06.2017, Schweinfurt
Emrich S.; Burkhart C.; Magyar B.; Kopnarski M.; Sauer B.
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"Untersuchungen zum Wellenverschleiß bei Radialwellendichtringen", 59. Tribologie-Fachtagung (GfT) 2018, 24.-26.09.2018, Göttingen; PP. 55/1-55/11
Burkhart C.; Emrich S.; Magyar B.; Kopnarski M.; Sauer B.
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Experimental determination and comparison of the contact temperature of radial shaft seals and its derived tribological system. In: 20th International Sealing Conference. (ed. Fachverband Fluidtechnik im VDMA e. V.), Stuttgart, Oct. 10-11,2018, pp. 197–218
Burkhart, C., Weyrich, D., Magyar, B., & Sauer, B.
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Repräsentative und quantitative Oberflächenanalytik für die Tribologie 20. Arbeitstagung Angewandte Oberflächenanalytik (AOFA 20), 03.-05.09.2018, Kaiserslautern
Emrich, S.
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Shaft- and Seal Wear in a Radial-Shaft-Seal like Tribological System, The 18th Nordic Symposium on Tribology – NORDTRIB 2018; 18-21 June 2018, Uppsala University, Uppsala, Sweden S. 55-57
Burkhart C.; Magyar B.; Emrich S.; Kopnarski M.; Sauer B.
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Vollvalidiertes thermisches Netzwerk eines RWDR-Ersatzsystems. In: Berger, K-F; Kiefer, S (Hrsg).: Dichtungstechnik Jahrbuch 2019. Mannheim: ISGATEC, 2018
Burkhart C.; Heimes, J.; Weyrich D.; Magyar B.; Sauer B.
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"Optimierung eines tribologischen Ersatzsystems für RWDR: Einsatz eines ganzheitlichen, validierten FE-Simulationsmodells. " In. Berger, K-F; Kiefer, S (Hrsg.): Dichtungstechnik Jahrbuch 2020. Mannheim: ISGATEC, 2019
Burkhart C.; Weyrich D.; Sauer B.
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Nachbildung und Analyse von Schadensmechanismen bei Dichtringen im tribologischen Ersatzsystem. Tribologie und Schmierungstechnik, 66. Jahrgang, 4/5/2019
Burkhart C.; Emrich S.; Magyar B.; Kopnarski M.; Sauer B.
