Vergleich bekannter Technologien

(Quelle: EP 4314755 “Hintergrund der Erfindung”)

Seit mehr als zwanzig Jahren gibt es verschiedenste Ansätze, den Verschleiß (Verschleißvolumen, Verschleißhöhe) und die Verschleißrate in Gleitringdichtungen zu messen. Prinzipiell unterscheidet man zwischen Meßverfahren mittels direkter Größen und indirekter Größen. Zu den direkten Meßverfahren zählen:

  • Verschleißhöhe

  • Tracer.

Zu den indirekte Meßverfahren zählen:

  • Schwingung (Körperschall, Vibration)

  • Digitaler Zwilling: Kombination von Temperatur, Druck, Drehzahl, Fluid, Geometrie

  • Drehmoment

  • Leckage

  • Temperatur.

Verschleißhöhe: Verschleißhöhensensorik ist nach dem aktuellen Stand der Technik ein praktikables Meßverfahren, um Verschleiß zu bestimmen. Dafür wird z.B. im Dichtspalt ein Verschleißelement appliziert. Ändert sich die Höhe, bzw. die Dicke dieses Verschleißelements, ändert sich der elektrische Widerstand des Verschleißelements.

Eine andere Bauform ist die Einbringung eines Kontaktes in den zu verschleißenden Körper, der ein Signal sendet, wenn durch den Verschleiß der Kontakt erreicht wird. Mehrere Kontakte in verschiedenen Verschleißhöhen sind möglich.

Nachteile dieser Lösungen sind jedoch die örtliche Einschränkung der Messung und die Sensitivität, insbesondere bei Ringen aus sehr hartem Material, wie Siliziumkarbid. Denn bei Gleitringdichtungen mit Siliziumkarbidringen reichen bereits wenige Mikrometer (1-10µm) Verschleiß aus, um diese in ihrer Dichtungsfunktion stark zu beeinträchtigen.

Tracer: Tracerbasierte Verschleißmessungen sind hochauflösend. Dafür werden die Gleit- und Gegenringe mit Tracern dotiert, die dann außerhalb der Gleitringdichtung mit dem Abrieb der Gasphase oder der Flüssigkeitsphase gemessen werden können. Jedoch, der technische Aufwand für diese Messungen ist sehr hoch. Deshalb wird diese Messmethode in der Regel nur im Labor eingesetzt.

Schwingung: Die aktive und passive Schwingungsmessung in allen technisch relevanten Frequenzbereichen ist Stand der Technik und wird für die Zustandsanalyse von Pumpen, als auch von Gleitringdichtungen herangezogen.

Zwei wesentliche technische Nachteile sind festzustellen. Schwingungsmessungen haben das Problem in einer Umgebung funktionieren zu müssen, die mit fremden Schallsignalen angereichert ist. Das Filtern dichtungsrelevanter Signale ist jenseits des Laboreinsatzes sehr aufwändig, in der Regel nicht möglich.

Mit angeregten Meßsystemen kann das Filtern relevanter Signale verbessert werden. Die Antwortfunktion beschreibt jedoch nicht das Verschleißverhalten, sondern die Kopplungsfläche und deren Größenverteilung (der einzelnen Kontaktflächen) im µm2 -Bereich zwischen Gleit- und Gegenring.

Digitaler Zwilling: Ein digitaler Zwilling ist die modellbasierte Abbildung des Verhaltens eines Bauteils bzgl. diverser Zielgrößen. Für die Gleitringdichtung reichen die Größen Fluidtemperatur, Drehzahl, Fluiddruck, sonstige Fluideigenschaften inklusive der Geometrie und der Materialeigenschaften der Dichtung aus, um den sich einstellenden Dichtspalt zwischen Gleit-und Gegenring zu berechnen. In diesen Modellen wird jedoch immer davon ausgegangen, daß es einen Dichtspalt gibt, sei er noch so klein. Die Flächen von Gleit- und Gegenring berühren sich in diesen Modellen nicht. Deshalb können sie für die Berechnung des Verschleißes, basierend auf Kontakt von Gleitringdichtungen, nicht herangezogen werden.

Die instationäre Modellierung des Verschleißes auf atomarer Basis ist prinzipiell denkbar, scheitert aber an der dafür notwendigen geometrischen Ausdehnung des Kontaktes wegen der limitierten Rechenleistung aktueller Großrechner.

Drehmoment: Die mechanisch entkoppelte Messung des Drehmomentes zwischen Gleit- und Gegenring ist möglich, jedoch technisch sehr aufwändig und oft wegen des fehlenden Einbauraumes technisch nicht praktikabel.

Leckage: Bei gesperrten Dichtungssystemen mit zwei Gleitringdichtungen ist die Messung der Leckage und deren zeitliche Veränderung ein guter Indikator, um eine Aussage zur Dichtungsfunktion der beiden Gleitringdichtungen treffen zu können.

Bei einfach wirkenden Gleitringdichtungen kann man die Leckage nur auf der druckabgewandten Seite, also zur Atmosphäre messen. Dies gelingt technisch jedoch nur, wenn die Dichtung standardmäßig höhere Leckagen aufweist. Diese Dichtungen haben einen größeren Dichtspalt, der für eine höhere Leckage sorgt. Verschleiß findet wegen des fehlenden Kontaktes von Gleit- und Gegenring deshalb nicht statt, es sei denn, die Dichtungen kontaktieren bei An- und Abfahrprozessen.

Kontaktierende Dichtungen dagegen, zeigen eine oft praktisch nicht meßbare Leckage, weil der größte Teil der Leckage (besonders bei Wasseranwendungen) verdampft. Kritische Verschleißzustände treten dann auf, wenn die Leckage, bzw. der Dichtspalt gegen Null gehen. Diese kritischen Verschleißzustände sind bei kontaktierenden Dichtungen mittels Leckagemessungen nicht detektierbar.

Temperatur: Die Messung der Temperatur von Gleit- und Gegenring in Gleitringdichtungen ist Stand der Technik. Diese Temperaturen sagen jedoch nichts aus über den Verschleiß, den Verschleißzustand und die Verschleißrate von Gleit- und Gegenring. Sie werden bestimmt (stellen sich ein) durch die Temperatur des abzudichtenden Mediums, der Medieneigenschaften, der Dichtungsbauform und der Drehzahl. Sie sind Teil der bereits beschriebenen Meßmethode „Digitaler Zwilling“.