Drehdurchführungen

Optimal durchgeführt

Für die verschieden Einsatzgebiete vom Maschinenbau über den Anlagen- bis hin zum Apparatebau werden je nach Betriebsbedingung mit flüssigen und auch gasförmigen Medien unterschiedliche Dichtungen benötigt. Da gibt es rein statisch beanspruchte Dichtungen, die altbewährten Stopfbuchspackung, Gleitringdichtungen, sowie Radialwellen-, Zylinder- und Kolbendichtungen. Die hier beschriebenen Drehdurchführungen kommen immer dann zum Einsatz, wenn es darum geht, flüssige als auch gasförmige Medien in rotierende Elemente ein-, beziehungsweise auch wieder abzuleiten. Auch wenn die elastomeren Dichtelemente aufgrund ihres einfachen Aufbaus und der Robustheit bei drehenden Wellen auch heute noch in einigen Bereichen durchaus ihre Berechtigung haben, so werden sie doch mehr und mehr von Gleitringdichtungen abgelöst. Nicht nur bei schnell laufenden Wellen und hohen Drücken stoßen die sonst bewährten Stopfbuchsen an ihre Grenzen, auch ihre Leckrate und der Verschleiß sind im Vergleich deutlich höher, und das wiederum bedeutet, dass sich mit Gleitringdichtungen auch die Standzeiten verbessern lassen – und das ist bares Geld.

Zwei Ringe...

Der Aufbau einer typischen Standard Gleitringdichtung besteht aus einem Gleitring, der auf dem rotierenden Teil, dem Rotor, befestigt ist. Ein zweiter Ring, der gegen Verdrehung gesicherte Dichtring, wird mittels einer Feder auf den rotierenden Gleitring gedrückt. Die statische Abdichtung übernimmt ein Elastomer. Nun ist aber Gleitringdichtung noch lange nicht gleich Gleitringdichtung. Bereits nach relativ kurzer Betriebsdauer können bei Drehdurchführungen deutliche Unterschiede zu Tage treten. Während die einen über lange Standzeiten verfügen, müssen andere in relativ kurzen Abständen getauscht werden. Dies ist fast immer mit einem Stillstand der Anlage verbunden und fällt leider auch nicht immer in die geplanten zyklischen Stillstandszeiten. Woran liegt das?

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Der wesentliche Punkt bei einer Gleitringdichtung ist die optimale Zusammenarbeit von Gleitring und Gegenring. Dabei sind Planparallelität und Rechtwinkligkeit der Dichtflächen zueinander eine wichtige Grundvoraussetzung. Die Feinarbeit beginnt mit den eingesetzten Werkstoffpaaren und deren Struktur sowie den unterschiedlichen Konstruktionen wie beispielsweise der entlasteten und nicht entlasteten Dichtung. Die Werkstoffpaare müssen je nach eingesetztem Medium nicht nur eine entsprechende chemische und thermische Beständigkeit aufweisen sowie abrasiven Beanspruchungen standhalten, sondern auch ein stabiles tribologisches System zur Abdichtung bilden. Hier haben in vielen Anwendungen die keramischen Werkstoffe die bislang eingesetzten Metalle mehr und mehr verdrängt. Speziell Siliciumcarbid, eine Nichtoxidkeramik, bietet neben hohen Einsatztemperaturen auch hohe Festigkeit und Härte sowie gute Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus ist die thermische Ausdehnung gering, so dass zusammen mit dem hohen Elastizitätsmodul nur sehr geringe Verformungen entstehen. Für jede Anwendung muss, am besten zusammen mit dem Hersteller, das optimale Werkstoffpaar bestimmt werden. Da gibt es Hart-Hart-Paarungen aus Siliciumcarbid für höchste Umdrehungen bis 30.000 U/min (rein theoretisch sind auch Drehzahlen größer 100.000 U/min vorstellbar), Wolframcarbid-Paare für hohe Drücke bis 400 bar und Hart-Weich-Varianten mit Kohlegraphit für den Trockenlauf – auch das ist möglich.

...mit definierten Strukturen

Nur eine genau definierte Oberflächenrauheit der Dichtflächen von Gleit- und Gegenring wirkt sich positiv auf Lebensdauer, Reibungs- und Leckverluste aus. Zu poliert darf es beispielsweise auch nicht sein, da das Medium zum Abdichten dann nicht eindringen und sich auch nicht „aufhalten“ kann. Ein wichtiges Kriterium ist daher nicht nur die so genannte Feinstläppung der Dichtflächen, sondern die nachfolgende Prüfung über das Tastschnittverfahren oder ein optisches Messverfahren. Bei Deublin werden alle Oberflächen der Dichtringe, ob gehärteter Werkzeugstahl, Kohlegraphit, Keramik oder Siliziumkarbid, feingeläppt und anschließend bezüglich Ebenheit und Rauheit geprüft. Bei diesem optischen Verfahren wird mit Hilfe eines Planglases und monochromatischem Licht ein Interferenzmuster erzeugt, dessen Streifenanzahl in einem imaginären Schnitt eine Aussage über die Abweichung von der Ebene machen.

Entlastung bringt Vorteile

Ein weiterer Punkt, in dem sich für den Betreiber bei vielen Anwendungen häufig die Spreu vom Weizen trennt, betrifft die Konstruktion. Bei den flüssigkeitsgeschmierten Gleitringdichtungen gibt es so genannte entlastete und nicht entlastete Gleitringdichtungen. Bei der nicht entlasteten Version – das ist die ursprüngliche Konstruktion – wird der Mediendruck genutzt, um die Dichtungen aufeinander zu pressen. Das klingt erstmal positiv und bringt in vielen Fällen bei geringen Drücken und entsprechenden Werkstoffpaaren auch gute Ergebnisse. Bei höherem Druck führt dieses Prinzip jedoch zu einem deutlich höheren Verschleiß und damit zu sinkenden Standzeiten. Bei der entlasteten Gleitringdichtung wird die Anpressung des Gleitrings an den Gegenring und damit die Flächenpressung durch spezielle Konstruktionen der Dichtungen verringert. Dadurch wird ein definiertes Ausbalancieren zwischen Öffnungs- und Schließkraft erreicht, so dass ständig ein schmierendes Medium zwischen den Flächen vorhanden ist. Dies reduziert nicht nur den Verschleiß sondern senkt auch das Anfahrmoment und die Wärmeentwicklung im Spalt aufgrund der verringerten Reibung. Um auch im drucklosen Zustand die notwendige Dichtheit zu erzielen wird der statische Gleitring mittels Federkraft gegen den Rotor gedrückt.

Natürlich haben auch die Rahmenbedingungen der jeweiligen Anwendung einen großen Einfluss auf die Standzeit: Welches Medium, welche Temperaturen und vor allen Dingen welcher Druck und wie viele Umdrehungen pro Minute? Hinzu kommen grundlegende Aspekte wie Durchbiegung von Walzen, sowie Qualität und eine ausreichende Filtration der Medien. Erst die genaue Analyse aller Parameter einer Anwendung und die darauf zugeschnittene optimale Drehdurchführung wird auch hohe Standzeiten erreichen und sich damit von der 08/15-Billiglösung abheben. So gibt es beispielsweise im Bereich regenerative Energien bereits Drehdurchführungen mit Laufzeiten bis zu 20 Jahren – ohne Zwischenwartung! Eine preiswert eingekaufte Variante kann aufgrund von Wartungs- und Ausfallkosten der gesamten Produktion deutlich teurer werden als ein High-Tech-Produkt.

Resumée

Wie bei vielen anderen Industrieprodukten zeigt sich auch bei Drehdurchführungen, dass eine Betrachtung des reinen Anschaffungspreises nicht der Weisheit letzter Schluss ist. Mögliche Stillstandzeiten durch Wartung oder gar Ausfälle sollten mit in die Kalkulation einfließen. Hinzu kommt die Notwendigkeit ein genau auf die jeweilige Anwendung abgestimmtes Werkstoffpaar mit passender Dichtungskonstruktion einzusetzen; nur dann können eine geringe Leckrate und ein niedriger Verschleiß auch wirklich erreicht werden. Ob radiale Elastomerdichtung, Kalottendichtung oder schwebender Gleitring, ob Ringe aus Kohlegraphit, Wolfram- oder Siliciumcarbid – die Auswahl der optimalen Zusammensetzung ist der entscheidende Faktor.Dr. Peter Stipp

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