Betrachtungen zur Zuverlässigkeit und Lebensdauer von

Institut für Maschinenelemente
Direktor: o. Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche
Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Haas
Lehre und Forschung: Antriebstechnik CAD Dichtungstechnik Zuverlässigkeitstechnik
Betrachtungen zur
Zuverlässigkeit und
Lebensdauer von
Hydraulikdichtungen
Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Haas
Dipl.-Ing. Lothar Hörl
Dipl.-Ing. Benjamin Klein
Veröffentlicht auf www.ima.uni-stuttgart.de/dicht
Institut für Maschinenelemente
Pfaffenwaldring 9
70569 Stuttgart
www.ima.uni-stuttgart.de
I
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ......................................................................................................................... 1 2 Hydraulikdichtungen - Grundlagen ................................................................................ 2 2.1 Dichtmechanismus..................................................................................................... 2 2.2 Stangendichtung ........................................................................................................ 3 2.2.1 Kolbendichtungen ........................................................................................... 5 2.2.2 Abstreifer ........................................................................................................ 6 2.2.3 Führungen und Schleppdruck ........................................................................ 6 2.2.4 Oberflächen .................................................................................................... 7 2.3 Pneumatikdichtungen ................................................................................................ 7 3 Zuverlässigkeit und Lebensdauer .................................................................................. 9 3.1 Begriffsdefinitionen .................................................................................................. 12 3.2 Bekannte Lebensdaueruntersuchungen in der Dichtungstechnik ............................ 14 3.2.1 Die Lebensdauer auf Grundlage der Reibarbeit ........................................... 15 3.2.2 Berechnung der Lebensdauer auf der Grundlage von Verschleiß ............... 16 4 Reduktion der Einflussparameter ................................................................................ 17 4.1 Randbedingen für Lebensdauerversuche ................................................................ 17 4.1.1 Einschränkungen .......................................................................................... 19 4.1.2 Versuchsplan................................................................................................ 20 5 Nutzung von Felddaten für Lebensdaueraussagen ................................................... 21 6 Zusammenfassung ........................................................................................................ 24 7 Literatur .......................................................................................................................... 25 Einleitung
1
1 Einleitung
Hydraulikdichtungen werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Ein Dichtungsausfall führt meist zum Ausfall des Gesamtsystems und damit zu hohen Folgekosten. Infolge der
kritischen Belastung durch Reibung, Verschleiß und hohe Temperaturen sowie den komplexen Wechselwirkungen zwischen Dichtring, Stange und abzudichtendem Fluid ist es bisher
nicht möglich die Lebensdauer dieser tribologischen Systeme zielsicher zu prognostizieren.
Strukturierte Lebensdaueruntersuchungen in größerem Umfang sind nicht bekannt. Das
Dichtsystem Hydraulik-Stangendichtring (HSDR) als typisches nicht berechenbares Risikoelement kann deshalb nur ungenügend in der Zuverlässigkeitsbetrachtung berücksichtigt werden.
Zur Abrundung sind in Kapitel 2 die technischen Grundlagen der Hydraulikdichtungen aufgeführt. Kapitel 3 gibt einen Überblick über aus der Literatur bekannte Modelle zur Lebensdauerberechnung von Radial-Wellendichtringen. In Kapitel 4 werden die Einflussfaktoren auf das
Dichtsystem Hydraulikstangendichtring betrachtet und eine Eingrenzung auf wesentliche Einflussfaktoren durchgeführt. Für das gewählte Szenario werden der Aufwand und die Prüfzeit
ermittelt. Kapitel 5 gibt eine Zusammenfassung.
Hydraulikdichtungen - Grundlagen
2
2 Hydraulikdichtungen - Grundlagen
Hydraulikdichtungen werden in der Technik äußerst häufig eingesetzt. Zur Abrundung sind
die Grundlagen hier noch mal aufgeführt.
2.1 Dichtmechanismus
Die Abdichtung translatorisch bewegter Bauteile ist eine häufige Aufgabe in der Pneumatikund Hydraulik, aber auch das Abdichten von Führungen, beispielsweise an Werkzeugmaschinen, zählen hierzu.
Bild 2.1:
Ein Hydraulikzylinder als technisches System – Dichtungen und Führungen
(TTS – Technisches Teilsystem [Baugruppe, Funktionseinheit],
KE – Konstruktionselement,
ME - Maschinenelement)
Anhand eines Hydraulikzylinders zeigt Bild 2.1 die wesentlichen Elemente zur Abdichtung
von Kolben und Stange, sowie zu deren Sauberhaltung und Führung. Eingetragen ist hier
auch noch, ob es sich systemtechnisch betrachtet um einteilige Maschinen- oder mehrteilige
Konstruktionselemente oder aber um Technische Teilsysteme TTS handelt. Entscheidend für
deren Reibung, Verschleiß und damit Lebensdauer ist, dass sich bei Bewegung ein schmierender Flüssigkeitsfilm zwischen Dichtelement und Stange oder Zylinderwand bildet. Ist der
Verlauf der Flächenpressung unter der Dichtung in axialer Richtung bekannt, so kann mittels
der Reynolds-Gleichung für die eindimensionale Schlepp-Druck-Strömung der Spalthöhen-
Hydraulikdichtungen - Grundlagen
3
verlauf und damit letztlich die durchgeschleppte Schmierfilmdicke h bestimmt werden, Bild
2.2.
Bild 2.2:
Spaltbildung und Schmierfilmdicke bei Hydraulikdichtungen
Unter der Annahme die Dichtung als auch die Stange seien ideal glatt und durch einen
Schmierfilm getrennt, dann ist die Dicke des Schmierfilms von der Viskosität η, der Gleitgeschwindigkeit u und von der Pressungsverteilung in der Dichtfläche in Bewegungsrichtung
abhängig. Flacher Pressungsanstieg wmax ergibt einen dicken Schmierfilm h, steiler Pressungsanstieg bedeutet dünner Schmierfilm. Die Pressungsverteilung und damit wmax ist abhängig von der geometrischen Form der Dichtelemente und von deren Verformung infolge
der wirkenden Kräfte, Bild 2.3. Verschleiß beeinflusst die geometrische Form wesentlich.
Hinweis: Die Schmierfilmdicke und damit die eventuell auftretende Leckage ist nicht primär
vom abzudichtenden Druck abhängig. Der Druck beeinflusst die Schmierfilmdicke nur sekundär durch Verformung der Dichtelemente.
2.2 Stangendichtung
Ist der Schmierfilm ha, den die Dichtung beim Ausfahren einer Stange aus dem Druckraum
auf deren Oberfläche zurücklässt, dünner als der potentiell mögliche Schmierfilm he beim
Einfahren, so ist die Dichtung dicht. Stangendichtungen werden deshalb mit asymmetrischer
Hydraulikdichtungen - Grundlagen
4
Pressungsverteilung ausgelegt, möglichst steil auf der Flüssigkeitsseite und flach auf der Luftseite, Bild 2.3 B, C, D.
In der modernen Dichtungstechnik werden drei prinzipiell unterschiedliche Bauformen von
Stangendichtungen eingesetzt, Bild 2.4; Nutringe A, Kompaktringe B und vor allem Dichtkantenringe CK. Element D ist eine Variante von B mit einem O-Ring als Spannring, E und F
sind Varianten von A mit verstärktem Rücken zur Vermeidung von Spaltextrusion. Die Elemente A-F bestehen aus Elastomeren (NBR, PU) unterschiedlicher Härte. Die Nutringvarianten G-I bestehen aus PTFE-Compounds mit einer Spannfeder aus Edelstahl.
Der heute für hochwertige Abdichtungen meist eingesetzte Dichtkantenring CK besteht vorzugsweise ebenfalls aus PTFE-Compound und hat einen Elastomer-Spannring C. Es gibt auch
Dichtkantenringe aus hornartigem Polyurethan PU. Sie sind preisgünstiger, unempfindlicher,
verschleißen weniger und lassen sich, weil sie elastisch sind, einfacher in geschlossene Nuten
montieren. Dafür haben sie eine wesentlich höhere Reibung und neigen zum Ruckgleiten
(Stick-Slip). Dichtkantenringe widerstehen Drücken bis ca. 20 MPa. Sind höhere Drücke abzudichten, werden Mehrfachanordnungen (Tandem) eingesetzt, Bild 2.1. Der Druck wird
dann kaskadenförmig abgebaut.
Bild 2.5 vermittelt einen Eindruck über die Profilvielfalt von Hydraulikstangendichtungen,
die auf den Grundformen A, B, D, E und F in Bild 2.4 beruhen.
Bild 2.3: Pressungsverteilung abhängig von Geometrie und einwirkenden Kräften
Bild 2.4: Stangendichtung zur Abdichtung von
Fluiden
Hydraulikdichtungen - Grundlagen
Bild 2.5:
5
Profilvielfalt von Stangendichtungen eines Herstellers
2.2.1 Kolbendichtungen
Nur einseitig druckbeaufschlagte Kolben werden wie Stangen abgedichtet. Kolbendichtungen
für beidseitig druckbeaufschlagte Kolben werden mit symmetrischer Pressungsverteilung und
flachem Pressungsgradient ausgelegt. Dies bewirkt einen dicken Schmierfilm und damit geringe Reibung und Verschleiß. Eventuelle Leckage spielt keine Rolle, sie bleibt im System.
Neben einer Vielzahl mehr oder minder günstiger Dichtsysteme werden in der modernen
Dichtungstechnik nur noch zwei prinzipiell verschiedene Dichtsysteme verwendet, Bild 2.6;
„Kompaktdichtungen“ ähnlich Variante A oder mit Elastomerringen vorgespannte rechteckigen Gleitringe B aus Werkstoffen wie PTFE, PA oder PU.
Bild 2.6:
Moderne Kolbendichtungen
Kompaktdichtungen beinhalten maximal Führungs-, Stütz- und Dichtelemente. Für einfachere
Anwendungen wird auf den Stützring häufig verzichtet. Der Elastomerdichtring gewährleistet
eine hohe Dichtqualität.
Hydraulikdichtungen - Grundlagen
6
PTFE-Rechteckringe mit Elastomer-Spann- und Nebenabdichtring sind einfache, kleine,
preiswerte, reibungs- und verschleißarme Kolbendichtungen. Wird gute statische Dichtheit
verlangt (Haltefunktion) werden Elastomer-Formdichtungen, z. B. ein X-Ring (Variante C in
Bild 2.6) in den PTFE-Compound-Rechteckring eingelegt. Ein vielfach verwendetes PTFECompound in der Mineralöl-Hydraulik ist mit ca. 40 % Bronzepulver gefülltes PTFE.
2.2.2 Abstreifer
Abstreifer, Bild 2.7, haben eine schwierige Aufgabe. Sie sollen Schmutz, Eis, Wasser usw.
abstreifen, den ausgeschleppten Ölfilm aber wieder durchlassen. Dazu darf der Pressungsanstieg nicht zu steil sein. Explizite Größen dafür sind nicht bekannt. Es gibt
Elastomerabstreifer mit einer Lippe A und doppellippige B. Die nach innen weisende Lippe
streift den von der Primärdichtung durchgelassenen Ölfilm zusätzlich ab. Variante C, ein Abstreifer aus PTFE-Compound, hat sogar zwei Ölabstreifkanten.
Bild 2.7:
Abstreifer
2.2.3 Führungen und Schleppdruck
Kolben und Stangen müssen durch separate Elemente geführt werden, damit die Dichtelemente ihre Aufgabe „abdichten“ erfüllen können. Sie werden bezüglich Festigkeit ausgelegt wie
Gleitlager. Besondere Beachtung ist der Vermeidung von Schleppdruck zu widmen. Im Raum
zwischen Führung und Dichtung baut sich durch die Bewegung ein hydrodynamischer Druck
ps auf, der ein Vielfaches des Systemdrucks p1 betragen kann. Ursache ist die hydrodynamische Schleppströmung, Bild 2.8. Die Druckerhöhung berechnet sich zu
Δ p = ps − p1 =
6 ⋅η⋅u⋅l
h2
(2.1)
Um dies zu vermeiden, müssen bei metallischen Führungen Rücklaufkanäle für Druckausgleich sorgen. Vorzugsweise werden die Rücklaufkanäle als Spiralnut mit einem drei mal
größeren Querschnitt als die Spaltringfläche ausgeführt, Bild 2.8. Axiale Druckausgleichsbohrungen sollten vermieden werden. Beim Einsatz von Führungsbändern aus Kunststoff sind
Rücklaufkanäle in Form schräg geschnittener Stoßspalte bereits vorhanden, Bild 2.1. Die
Stoßspalte müssen genügend groß gestaltet werden.
7
Hydraulikdichtungen - Grundlagen
Bild 2.8:
Schleppdruck
2.2.4 Oberflächen
Die Gleitflächen in hydraulischen Systemen sind meist hartverchromt, geschliffen und poliert
oder gehont. Die Rauheit kann Tabelle 2.1 entnommen werden.
Tabelle 2.1:
Oberflächenrauheit in μm von Gegenlaufflächen in der Hydraulik
Gegenlauffläche
Kennwert
Nutoberfläche
PTFECompounds
Polyurethan
Elastomere
Rmax
0,63 – 2,50
1,00 – 4,00
< 16,0
Rz DIN
0,40 – 1,60
0,63 – 2,50
< 10,0
Ra
0,05 – 0,20
0,10 – 0,40
< 1,6
Wichtig: Der Materialanteil Mr sollte ca. 50 bis 70 % betragen, gemessen in einer Schnitttiefe
c = 0,25 ⋅ RZ , ausgehend von einer Bezugslinie von Cref 5 %.
2.3 Pneumatikdichtungen
Abstreifer und Führungen in der Pneumatiktechnik haben die gleichen Aufgaben wie die in
Hydraulikzylindern. Kolben- und vor allem Stangendichtungen haben eine besondere Aufgabe. Neben der Abdichtung von Luft müssen sie den meist nur initial aufgebrachten Schmierfilm möglichst lange erhalten. Deshalb sind die Dichtflächen mit flachen symmetrischen Pres-
Hydraulikdichtungen - Grundlagen
8
sungsverteilungen konstruiert, damit die Dichtung über den Schmierfilm hinweggleitet, ihn
aber nicht abstreift. Zudem muss die Reibung gering gehalten werden. Dazu werden die Dichtungen nur wenig angepresst und spezielle Werkstoffe und Oberflächenbeschichtungen, z. B.
Fließe, eingesetzt. Ist beispielsweise die Haftreibung zu groß fahren Pneumatikzylinder erst
gar nicht los (so genannter Montagmorgeneffekt). Durch das kompressible Druckfluid „Luft“
kommt es zu ungleichförmiger Bewegung und es steigt die Gefahr des Stick-Slip extrem an.
Bild 2.9:
Typische Elastomer-Pneumatikdichtungsformen
Zuverlässigkeit und Lebensdauer
9
3 Zuverlässigkeit und Lebensdauer
Technische Systeme setzen sich aus einer Vielzahl unterschiedlichster Bauteile zusammen.
Die Beschreibung der Systemzuverlässigkeit erfolgt auf Basis der Zuverlässigkeit der einzelnen Bauteile des Systems [1], [2]. In der Zuverlässigkeitstechnik werden die Bauteile (Systemelemente) in 3 Klassen eingeteilt, Tabelle 3.1.
Tabelle 3.1: A-, B- und C-Klassifizierung von Systemelementen [1]
A-Teile
Risikoreich
berechenbar
B-Teile
z.B.: Zahnräder, Wälzlager, Schrauben, Wellen
¾
und ¾
¾
z.B.: Synchronisierungen, Gleitlager, Dichtungen
¾
Risikoreich
und ¾
nicht berechenbar
¾
C-Teile
Risikoneutral
Belastung durch definierbare statische und dynamische Belastung; Lastkollektiv
bekannt; leistungsführend
Lebensdauerberechnung möglich und weitgehend gesichert
Ausfallverhalten aus Wöhlerversuchen bekannt
Beanspruchung vorwiegend durch Reibung, Verschleiß, extreme Temperaturen, Erschütterungen, Schmutz und Korrosion
Lebensdauerberechnung nicht möglich oder nicht gesichert
Ausfallverhalten schätzen oder durch Versuche ermitteln
z.B. Gehäusedeckel, Sicherungsringe, Distanzhülsen
¾
¾
¾
Beanspruchung stochastisch durch Stöße, Reibung, Verschleiß, ...
Keine rechnerische Auslegung möglich und nötig
Nur Zufalls- und Frühausfälle
In Klasse A werden Systemelemente eingeordnet, die als risikoreich für das Gesamtsystem
eingeschätzt werden, deren Lebensdauer aber in weiten Einsatzgrenzen berechenbar ist. Elemente der Klasse A können schon zum heutigen Zeitpunkt mit hoher Güte in die Zuverlässigkeitsbetrachtung des Gesamtsystems eingebunden werden.
Die Klasse B umfasst ebenfalls risikoreiche Systemelemente, deren Lebensdauer bis heute
aber nicht oder nur ungenügend genau berechnet werden kann. Zum einen liegt dies daran,
dass das Bauteilverhalten durch eine Vielzahl an Einflussfaktoren und Eigenschaften bestimmt wird, die einzeln und im Zusammenwirken nur schwer beschreibbar sind. Zum anderen können die Beanspruchungen wie z.B. durch Reibung, Verschleiß und lokal extreme
Temperaturen nicht ausreichend genau erfasst werden. Elemente aus Klasse B können derzeit
nicht oder nur mit zu groben Vereinfachungen in die Zuverlässigkeitsbetrachtung eingebunden werden [1]. Typische Vertreter der B-Teile sind die in nahezu allen Bereichen der Technik eingesetzten Dichtungen. Sie kommen ebenso zur Abdichtung translatorisch und
rotatorisch bewegter Maschinenteile wie zur Abdichtung ruhender Maschinenteile zum Einsatz. Beispiele sind Kolben- und Stangendichtungen in der Hydraulik und Pneumatik, Drehdurchführungen in Werkzeugmaschinen, Kurbelwellendichtungen in Kraftfahrzeugen und
Flanschdichtungen in der Verfahrenstechnik.
Zuverlässigkeit und Lebensdauer
10
HSDR’s als nicht berechenbare Risikoelemente nehmen eine zentrale Stellung ein. Denn insbesondere in sicherheitsrelevanten Anlagen werden hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Dichtungen gestellt. Bei einem Versagen entstehen beträchtliche Folgekosten. Nicht
selten sind sie hundert oder tausendmal größer als der Preis des ausgefallenen Dichtelements.
Nicht die berechenbaren Risikoelemente (A-Teile), hierfür existieren eine Reihe an Berechnungsgrundlagen, oder die risikoneutralen Elemente (C-Teile), sondern die nicht berechenbaren Risikoelemente (B-Teile), hier speziell HSDR-Systeme, stellen die große Herausforderung an die Zuverlässigkeitsbetrachtung der Bauelemente. Nur wenn diese Elemente der Zuverlässigkeitsbetrachtung zugänglich gemacht werden können, ist eine ausreichend genaue
Aussage über die Systemzuverlässigkeit möglich. B-Teile berechenbar zu machen ist eine
Grundvoraussetzung für die Entwicklung innovativer Produkte mit langer, prognostizierbarer
Lebensdauer und Zuverlässigkeit.
Bei den zuverlässigkeitstechnisch berechenbaren Maschinenelementen wie Wälzlagern, Zahnrädern und Wellen konnte nachgewiesen werden, dass die Lebensdauer letztlich nur durch
einen Einflussparameter, der Materialspannung, beschreibbar ist. Beispielsweise verursacht
die Anzahl der Überrollungen im Wälzlager bei gegebener Last die Ermüdung des Grundmaterials, worüber die Lebensdauer bestimmt werden kann. Eine experimentelle Lebensdauerermittlung ähnelt dann einem Wöhlerversuch, bei welchem auch nur ein Einflussfaktor zu
berücksichtigen ist, was vom Versuchsaufwand dann noch vergleichsweise moderat ist. Bei
Dichtungen wird die Lebensdauer aber durch deutlich mehr Einflussfaktoren bestimmt. Außerdem treten meist mehrere verschiedene Schädigungsmechanismen gleichzeitig auf, die
zum gleichen Ausfall führen, Bild 3.1.
Bild 3.1: Beispiele wie gleiche Einflussfaktoren auf ganz unterschiedliche Schädigungsmechanismen wirken, aber zum selben Ausfall führen.
Zuverlässigkeit und Lebensdauer
11
Klassischer Vertreter der Hydraulikstangendichtungen (HSDR) ist der in unzähligen unterschiedlichen Produkten eingesetzte Nutring aus Elastomer, Bild 3.2. Der HSDR muss auf der
Kolbenstange abdichten und somit verhindern, dass das abzudichtende Fluid in die Umgebung gelangt. Auf die Funktionen eines HSDR – also auf die Vermeidung von Leckage – haben eine ganze Reihe von Faktoren einen mehr oder weniger starken Einfluss.
Nach Bild 3.2 sind die wesentlichen Einflussfaktoren:
• der Dichtring (Profil, Material, ...),
• die Stange (Werkstoff, Rauheit, ...),
• das abzudichtende Fluid (Viskosität, chemische Zusammensetzung, ...),
• das Umfeld (Einbaustelle, Außenbeaufschlagung durch Schmutz, ...,) und
• die Betriebsbedingungen (Druck, Geschwindigkeit, Temperatur, ...).
Im Gegensatz zum Wälzlager mit nur einem Schädigungsmechanismus hervorgerufen durch
nur eine Einflussgröße der Last, erschweren beim die HSDR die verschieden Schädigungsmechanismen eine isolierte Betrachtung der einzelnen Einflussfaktoren. Ob ein Hydraulikdichtring im Laufe der Zeit durch Extrusion ausfällt, ev. durch zu hohe Betriebstemperaturen aufgrund zu hoher Reibung, oder durch abrasiven Verschleiß durch zu raue Stange, oder durch
einen chemischen Angriff vom abzudichtenden Fluid ausfällt… – das Ausfallkriterium ist
jedesmal eine zu hohe Leckage. Die Ausfallursache für zu hohe Leckage beim HSDR lässt
sich nur in den seltensten Fällen auf lediglich eine Einflussgröße zurückführen, meist sind es
mehrere oder gar Wechselwirkungen von Einflussgrößen. Deswegen müssen in einer experimentellen Untersuchung alle wichtigen Einflussfaktoren gleichzeitig berücksichtigt werden,
da sonst Wechselwirkungen unentdeckt bleiben. Dieser Umstand vervielfacht aber den experimentellen Aufwand erheblich.
Fazit: Bei Hydraulikdichtungen, bzw. bei Dichtungen allgemein, haben eine Vielzahl von
Einflussfaktoren Auswirkung auf deren Lebensdauer. Salopp kann formuliert werden, dass
bei technischen Systemen mit n Einflussfaktoren der Aufwand zur experimentellen Lebensdauererprobung 2n mal höher ist als bei nur einem Einflussfaktor. Aus diesem Grund gelang
es bis dato noch nicht eine Lebensdauerformel für Dichtungen experimentell zu erproben
bzw. einen theoretischen Ansatz zu verifizieren.
12
Zuverlässigkeit und Lebensdauer
Lippenlänge
Dichtkantenradius
Chemische Zusammensetzung
Fluidseitiger Dichtkantenwinkel
Dichtlippendurchmesser
Stützring
Dichtrücken-Strukturierung
Viskosität
Gas-Sättigung
Oxidationsverhalten
Konstruktion
Länge/Breite
Verunreinigungen
pH-Wert
Luftseitiger Dichtkantenwinkel
Benetzungsfähigkeit
2. Dichtkante
Aufhängung der Dichtlippe
Schmutz/Staub
Menge
Überdeckung
Vorpressung
Wasser
Ozon
gestochene/gespritzte Dichtkante
Lippenprofil
Fluid
Profil
Mischprozeß
Temperatur
UV-Strahlung
Spritzgussprozess
Zusammensetzung der Mischung
Vulkanisierungsbedingungen
Vernetzungsart
Umgebung
Herstellprozeß
Abstreifer
Temperung
Zustand der Nut
Montage
MaterialElastizitätsmodul
eigenschaften
Querkontraktion
Härte
Führung
scharfe Kanten
Sauberkeit
Verschleiß
Stange
Alterungsbeständigkeit
Temperaturbeständigkeit
Chemische Beständigkeit
Kaltfluß/Kriechen
Fließgrenze
Betriebsbedingungen
Beschädigungen
Werkstoff
Durchmesser
Verschleißbeständigkeit
Benetzungsverhalten
Beschichtung
Bearbeitungsstruktur
Welligkeit
Rauheit
Wärmeabfuhr
Adhäsion
Abrasion
geschlossene/offene Nut
Stangenmontage (Einschieben)
Korrosionsverhalten
Härte
Vibrationen
Temperatur
Gleitweg
Extrusionspalt
Geschwindigkeit
Druck
Schleppdruck
Anzahl Start/Stop
Stangenauslenkung
Beschädigungen
Herstellverfahren
Bild 3.2: Einflussfaktoren auf das Funktionsverhalten von Hydraulik-Stangendichtungen
3.1 Begriffsdefinitionen
Zum Leidwesen der Anwender weisen HSDRs selbst unter günstigen Betriebsbedingungen
eine begrenzte Lebensdauer auf. Neben Fehlern bei der Fertigung, dem Transport, der Lagerung, der Montage und Mängeln bei der Dichtungsauswahl führen im Betrieb eine Reihe von
Ursachen, Bild 3.2, zur Undichtheit und damit zum Ausfall des HSDR-Systems.
Um den Einfluss auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit besser zu beschreiben, zunächst noch
einige Definitionen, Erläuterungen und Anmerkungen:
Zuverlässigkeit und Lebensdauer
13
Lebensdauer
Unter der Lebensdauer versteht man die Zeit in welcher ein Bauteil seine Funktion erfüllt.
Anmerkung: Da aber beim Einsatz von HSDR keine einheitlichen Betriebsbedingungen herrschen, ist es sinnvoll die Lebensdauer von HSDR nicht über die Zeit sondern über die Gleistrecke/Hubanzahl zu definieren.
Um Missverständnisse zu vermeiden sollte im Zusammenhang mit dem Begriff „Lebensdauer“ noch deren statistische Definition vereinbart werden. Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen
wie Dichtungen interessiert weniger eine arithmetisch gemittelte Lebensdauer, sondern eher,
analog zum Wälzlager, die B10-Lebensdauer als Kennwert. Der B10-Wert ist jene
Zeit/Gleitstrecke bei der unter gegeben Bedingungen 10% aller Dichtungen ausgefallen sind,
oder anders formuliert eine Zuverlässigkeit von 90% besteht.
Ausfallkriterium
Um eine Lebensdauer zu bestimmen, muss das Ausfallkriterium klar definiert sein. Bei Dichtungen ist im Folgenden eine zu hohe Leckage das Ausfallkriterium.
Anmerkung: In gewissen hydraulischen/pneumatischen Anwendungen können aber auch
Quietschgeräusche, zu hohe Reibung oder Ruckgleiten das Ausfallkriterium sein. Im Weiteren soll jedoch nur die Leckage als Ausfallkriterium betrachtet werden. Da bei HSDR meist
eine allmähliche Zunahme der Leckage zu beobachten ist, hat das KO-Level, die akzeptable
Leckagemenge, eine großen Einfluss auf die Lebensdauer. Akzeptiert der Anwender A nur
eine trockene Stange, darf es beim Anwender B zu einem ein Ölrand am Hubende kommen
oder beim Anwender C zu abtropfender Leckage... Das identische Dichtsystem hätte aufgrund
der Definition des Ausfallkriteriums – hier die tolerierte Leckagemenge - im Fall A eine wesentlich kürzere Lebensdauer als im Fall C. Diese Betrachtung zeigt, dass Lebensdauerwerte
bei HSDR stark von der Anwendung abhängen und keine allgemeingültige Regeln zum Ausfallkriterium geben wird, sondern diese im Einzellfall zu definieren sind.
Zuverlässigkeit
Die Zuverlässigkeit ist die Wahrscheinlichkeit in % dafür, dass ein Produkt während einer
definierten Zeitdauer unter gegebenen Funktions- und Umgebungsbedingungen nicht ausfällt.
Zuverlässigkeitstechnik behandelt Ausfälle bzw. NICHT-Funktionsfähigkeit von technischen
Produkten und Systemen mit dem Ziel, die Zuverlässigkeit eines Produktes zu überprüfen und
zu prognostizieren, sowie Schwachstellen zu beseitigen und liefert so einen entscheidenden
Beitrag zur Qualitätssicherung.
Aussagewahrscheinlichkeit:
Die Forderung nach einer gewissen Zuverlässigkeit bei einer definierten Lebensdauer reicht
allein nicht aus. Da es sich bei der Zuverlässigkeit um eine Zufallsgröße handelt, ist die Festlegung einer bestimmten Aussagewahrscheinlichkeit unabdingbar. Die Aussagewahrscheinlichkeit hängt stark von der Anzahl der Prüflinge ab und beschreibt die Wahrscheinlichkeit
mit der eine Lebensdauervorhersage eintritt.
Erläuterung: Werden beispielsweise, wie in ISO/FDIS 19973-1 [11] gefordert, mindestens 7
Komponenten (=Dichtungen) untersucht und alle 7 Dichtungen überstehen den Test, dann
wird für eine Zuverlässigkeit von 90 % (= B10-Lebensdauer) eine Aussagewahrscheinlichkeit
von 52% erreicht, siehe Larson Nomogramm [10]. Das heißt nur in 52 % aller Fälle trifft die
Behauptung zu, dass eine Dichtung diese B10-Lebensdauer erreicht. Möchte man die Aussa-
Zuverlässigkeit und Lebensdauer
14
gewahrscheinlichkeit auf 90 % steigern, müssen 22 Dichtungen erfolgreich getestet werden.
Tritt bei den 22 Dichtungen ein Ausfall auf, müssen 15 weitere Dichtungen getestet (also insgesamt 37) werden um bei gleicher Aussagewahrscheinlichkeit von 90 % den B10-Wert zu
garantieren.
3.2 Bekannte Lebensdaueruntersuchungen in der
Dichtungstechnik
Zur Hydraulik und Pneumatik findet man in der Literatur kaum Veröffentlichungen über Lebensdaueruntersuchungen. Jedoch im Bereich der drucklos abdichtenden Radial-Wellendichtringe sind einige Arbeiten zu finden. Da eine prinzipielle Ähnlichkeit zwischen den
rotativ arbeitenden RWDR zu den translatorisch arbeitenden HSDR vorhanden ist, folgt in
diesem Kapitel ein Überblick zu den Arbeiten im Bereich von Radial-Wellendichtringen
(RDWR).
Die umfangreichsten veröffentlichten Untersuchungen zur Lebensdauer von RWDR-Systemen und dem Einfluss verschiedener Betriebsparameter auf die Lebensdauer wurden in [3]
von Horve vorgenommen. Hier werden u. a. verschiedene Testmethoden (vollständige und
zensierte Tests) untersucht und ihre sinnvolle Anwendung zur Bestimmung der Zuverlässigkeit von RWDR diskutiert. Horve vergleicht u. a. Success Run und Weibull-Test als Grundlage der Konstruktionsfreigabe eines Designs, für die 300 h ohne Ausfall bei einer Zuverlässigkeit von 99 % nachgewiesen werden müssen. Er kommt dabei zum Schluss, dass der WeibullTest infolge geringerer Probandenanzahl und kürzerer Testzeit wesentlich kostengünstiger ist.
Bei der Betrachtung geht er aber davon aus, dass die Dichtungen einzeln nacheinander getestet werden, was eigentlich unrealistisch ist.
Ein Kapitel widmet Horve der Untersuchung des Einflusses lebensdauerrelevanter Parameter
von Radialwellendichtungen. So wurden untersucht:
•
•
•
•
•
•
Einfluss der Ölsumpf-Temperatur,
Einfluss von Exzentrizität und Schiefstellung,
Art der abzudichtenden Flüssigkeit,
Einfluss der Füllhöhe,
Einfluss von Druckbelastung und
Verschmutzung des Öles (Staub, Schmutzpartikel, Wasser).
Eine allgemeine Lebensdauergleichung wird als Ergebnis der Untersuchungen dabei aber
nicht aufgestellt. Lediglich für den Einfluss der Temperatur wird auf Basis des
Arrheniusmodells die folgende Gleichung angegeben:
L = α ⋅ exp(
E
),
R ⋅ TK
(1)
wobei L die Lebensdauer in h, α die Lebensdauerkonstante in h, E die Aktivierungsenergie, R
die Gaskonstante und Tk die Ölsumpftemperatur in Kelvin bedeuten. Für zwei Werkstoffe
NBR und PA (Polyacrylat) wurden die entsprechenden Lebensdauer- und Werkstoffparameter
bestimmt, so dass folgende Grundgleichungen aufgestellt werden konnten:
Zuverlässigkeit und Lebensdauer
15
⎛ 7905 ⎞
⎟⎟
L NBR = 8,54 ⋅ 10 −7 exp⎜⎜
⎝ TK ⎠
(2)
⎛ 7905 ⎞
⎟⎟
LPA = 113,59 ⋅ 10 −7 exp⎜⎜
⎝ TK ⎠
(3)
3.2.1 Die Lebensdauer auf Grundlage der Reibarbeit
In [4] wird von Deuring die Lebensdauer eines RWDR proportional zur Menge der aufgenommenen Reibarbeit bestimmt. Deuring stützt sich bei den hier angegeben Berechnungsgrundlagen vor allem auf die Arbeiten von Brink [5], der folgende Lebensdauergleichung für
Dichtungen aufgestellt hat:
B⋅D
.
(4)
M ⋅ω
In Gl.(4) bedeuten: B – Arbeitsaufnahmekapazität des RWDR pro m Wellendurchmesser
während seiner Gesamtlebensdauer, D – Wellendurchmesser in m, M – RWDR-Drehmoment
in Nm und ω - Winkelgeschwindigkeit der Welle in h-1.
t=
Diese Lebensdauergleichung kann zur Berechnung der Lebensdauer für verschiedene Wellendurchmesser, Drehzahlen und Kräfte am Dichtring verwendet werden, wenn der Lebensdauerfaktor B, der das Design des Dichtrings, den Werkstoff, das abzudichtende Medium, dessen
Temperatur, die Exzentrizität und die Oberfläche der Wellen berücksichtigt, bekannt ist.
In seinen Untersuchungen zum Temperatureinfluss stellte Brink u. a. auch fest, dass der Temperaturanstieg an der Dichtlippenoberfläche proportional der Quadratwurzel aus der WelleUmfangsgeschwindigkeit ist.
ΔT = K ⋅ S
(5)
Aus Gl. (5) ergibt sich der Temperaturanstieg an der Dichtlippe in °F, wenn die Wellengeschwindigkeit S in ft /min eingesetzt wird. Die Konstante K liegt dabei für typische Dichtungen und Schmiermittel im Bereich von 1,5 bis 2,5 und kann mit 2 angenommen werden.
Der Gültigkeitsbereich der Gl. (5) wird für einen Bereich der Sumpftemperatur von 170 °F
(77 °C) bis 300 °F (149 °C) angegeben. Bei Überprüfung dieser Näherungsgleichung mit den
Ergebnissen von Horve, der die Dichtlippentemperatur in Abhängigkeit der Sumpftemperatur
für verschiedene Drehzahlen der Welle bestimmt hat, Bild 3.3, konnte die Temperaturabhängigkeit nach Gl. (5) nicht bestätigt werden.
16
Zuverlässigkeit und Lebensdauer
Bild 3.3: Temperatur an der Dichtlippe
nach [3]
3.2.2 Berechnung der Lebensdauer auf der Grundlage von
Verschleiß
In Analogie zur Lebensdauerberechnung von Gleitlagern kann auch mit der für Tribosysteme
geltenden verschleißspezifischen Reibarbeit nach Fleischer [14] eine Lebensdauerberechnung
erfolgen:
mit
f ⋅ F ⋅U ⋅ t
,
wf =
Vw
wf - verschleißspezifische Reibarbeit [J/m3]
V w = π ⋅ D ⋅ B ⋅ hw ,
D – Wellendurchmesser [mm]
B – Lagerbreite in [mm]
(6)
f – Reibungszahl
U –Gleitgeschwindigkeit [m/s]
t – effektive Nutzungsdauer [h]
Vw – Verschleißvolumen [mm3]
(7)
hw – Verschleißhöhe [μm]
und
ergibt
sich:
U = D ⋅π ⋅ n ,
n – Drehzahl [min-1]
(8)
F = p⋅B⋅D ,
p – spezifische Belastung [N/mm2]
(9)
t=
w f ⋅ hw
f ⋅ p⋅n
(10)
.
Abrasiver Verschleiß, der obige Gleichung rechtfertigt, ist aber bei Radialwellendichtringen
nicht das dominante Ausfallkriterium. In [7] wurde das Lebensdauerverhalten von RWDR
und PTFE-Manschetten untersucht. Bei PTFE-Manschetten, die eine geringere Lebensdauer
aufwiesen, konnte als Ausfallursache Verschleiß nachgewiesen werden, wogegen das Ausfallverhalten des RWDR durch eine konstante Ausfallrate, also Zufallsausfälle, gekennzeichnet war.
Reduktion der Einflussparameter
17
Fazit: Es können in der Literatur einzelne Ansätze zur Lebensdauerberechnung gefunden
werden, die dort getroffenen Ansätze sind jedoch sehr vereinfachend und die Rechenergebnisse decken sich nicht mit den Tests, die bereits am IMA durchgeführt wurden. In der Realität
ist meist ist nicht nur einer der in Kapitel 3.2 beschrieben Effekte für das Dichtungsversagen
verantwortlich sondern alle Effekte und deren Wechselwirkung.
4 Reduktion der Einflussparameter
Betrachtet man die 75 Einflussparameter in Bild 3.2 wird schnell klar, dass so ein komplexes
System nicht mehr handhabbar ist. Die Versuchszeit um alle Parameter zu berücksichtigen
wäre immens. Die Einflussparameter können aber in drei Klassen unterteilt werden, was dann
zu einer Reduktion der im Experiment zu untersuchenden Einflussparameter führt:
Standardisierung:
Darunter fallen jene Einflussparameter, die zwar einen Einfluss auf die Lebensdauer haben,
die aber nicht direkt mit der Zeitachse zusammenhängen, oft auch als systematische Einflussparameter bezeichnet. Beispiel hierfür wäre das Profil des Hydraulikdichtrings. Eine anderes
Profil zeigt sicherlich eine andere Lebensdauer, die prinzipielle Alterung einer Dichtung wird
aber durch die Form des Profils kaum beeinflusst.
Qualität:
Darunter fallen jene Einflussparameter, die durch Variation der Einflussparameter, also durch
Qualitätsschwankungen beschrieben werden können. Ein Beispiel hierfür wäre die Montage
des HSDR. Ein bei der Montage beschädigter Dichtring wird sich hinsichtlich der Lebensdauer zwar anders verhalten, aber für eine Lebensdauer im Sinne der Alterung hätte dies keinen
prinzipiellen Einfluss.
Lebensdauer:
Darunter fallen alle Einflussparameter die einen ganz direkten Einfluss auf die Lebensdauer
im Sinne der Alterung haben. Beispiel hierfür wäre die Temperatur oder der Druck.
Ziel der Klassifizierung ist möglichst viele Einflussparameter zu „eliminieren“. Zur experimentellen Ermittlung der Lebensdauer würde man in Lebensdauersuchen alle Einflussparameter aus den Klassen Standardisierung und Qualität möglichst konstant halten. Lediglich jene
Einflussparameter aus der Klasse Lebensdauer werden dann bei Lebensdauerversuchen variiert.
4.1 Randbedingen für Lebensdauerversuche
Um mit einem möglichst geringen bzw. überhaupt finanzierbaren Versuchsaufwand doch zu
einer Art Lebensdauerformel zu gelangen, muss ein Kompromiss eingegangen werden. Die
Bandbreite der Einflussparameter wird dabei reduziert, dadurch aber auch die Gültigkeit der
18
Reduktion der Einflussparameter
Lebensdauerformel eingeschränkt. Ein Kompromiss zur Aufstellung eines Versuchsplans zur
Ermittlung einer Lebensdauerformel könnte folgendermaßen aussehen, Bild 4.1.
•
Es wird nur ein Dichtprofil in einem Werkstoff betrachtet. Im Bereich industrieller
Anwendungen gibt es solche Dichtungstypen, die schon seit vielen Jahren in unveränderter Form verwendet werden. Dies hat zwei wesentliche Vorteile, zum einen könnten alte Versuchsergebnisse verwertet werden, zum anderen wird nach aller Voraussicht jener Dichtungstyp auch in einigen Jahren noch verwendet wenn die Versuche
abgeschlossen wären.
•
Für die Stange wird nur ein Werkstoff verwendet und auch die Bearbeitung soll nicht
variiert werden. Der Vorschlag wäre Hartchrom geschliffen und poliert.
•
Durch chemische Wechselwirkungen mit dem Dichtungswerkstoff hat natürlich das
abzudichtende Medium einen sehr großen Einfluss auf die Lebensdauer. Betrachtet
man die Vielzahl an verschiedenen Ölen am Markt muss man sich auch hier so weit
als möglich einschränken. Der Vorschlag wäre ein weit verbreitetes HLP Mineralöl zu
verwenden. Verunreinigungen im Öl sollen nicht mitbetrachtet werden.
Standardisierung:
Lippenlänge
Dichtkantenradius
Chemische Zusammensetzung
Fluidseitiger Dichtkantenwinkel
Qualität:
Dichtlippendurchmesser
Lebensdauer:
Benetzungsfähigkeit
2. Dichtkante
Aufhängung der Dichtlippe
Vorpressung
Oxidationsverhalten
Konstruktion
Länge/Breite
Viskosität
Gas-Sättigung
Stützring
Dichtrücken-Strukturierung
Verunreinigungen
pH-Wert
Luftseitiger Dichtkantenwinkel
Schmutz/Staub
Menge
Überdeckung
Wasser
Ozon
gestochene/gespritzte Dichtkante
Lippenprofil
Fluid
Profil
Mischprozeß
Temperatur
UV-Strahlung
Spritzgussprozess
Zusammensetzung der Mischung
Vulkanisierungsbedingungen
Vernetzungsart
Umgebung
Herstellprozeß
Temperung
Abstreifer
Zustand der Nut
Montage
MaterialElastizitätsmodul
eigenschaften
Querkontraktion
Härte
Führung
scharfe Kanten
Sauberkeit
Verschleiß
Alterungsbeständigkeit
Stange
Betriebsbedingungen
geschlossene/offene Nut
Stangenmontage (Einschieben)
Temperaturbeständigkeit
Chemische Beständigkeit
Werkstoff
Durchmesser
Verschleißbeständigkeit
Benetzungsverhalten
Beschädigungen
Vibrationen
Temperatur
Gleitweg Extrusionspalt
Beschichtung
BearbeitungsFließgrenze
Geschwindigkeit
struktur
Welligkeit
Rauheit
Schleppdruck
Druck
Wärmeabfuhr
Anzahl
Start/Stop
Korrosionsverhalten
Kaltfluß/Kriechen
Adhäsion
Abrasion
Härte
Stangenauslenkung
Beschädigungen
Herstellverfahren
Bild 4.1: Klassifizierung/Reduzierung der Einflussparameter
19
Reduktion der Einflussparameter
Durch diesen Kompromiss reduziert man die Lebensdauer-Ermittlung weg von einem komplexen Dichtsystem hin zur Betrachtung der Dichtkante, Bild 4.2.
Reduktion der Einflussparamter heißt:
weg vom Dichtsystem
hin
zur Dichtkante
Temperatur
Druck
Geschwindigkeit
Gleitweg
Anzahl Start/Stop
Bild 4.2: Reduzierung der Einflussparameter heißt Beschränkung auf die Dichtkante.
In dem gewählten Beispiel ist mit Temperatur die Sumpftemperatur gemeint. Es muss hier
noch mal betont werden, dass die „eliminierten“ Einflussparameter nicht unwichtig sind, sondern ganz im Gegenteil, sie müssen in den Versuchen so gut als möglich konstant gehalten
werden. Da der Großteil der Einflussfaktoren konstant gehalten ist, beschreiben die vier verbleibenden Einflussparameter aus der Klasse Lebensdauer dann auch nur den Dichtring (die
Dichtkante) und nicht das ganze Dichtsystem.
Lebensdauer-Aussagen über weitere Einflüsse wie beispielsweise eine Stangenauslenkung,
eine andere Stangenrauheit oder ein anderes Öl, können nicht getroffen werden. Zusätzliche
einzelne Stichversuche liefern dann kaum ein Mehr an Sicherheit, da damit die Wechselwirkungen mit den bereits untersuchten Parametern nicht erfasst werden können. Wenn zu erwarten ist, dass einer der konstant gehaltenen Einflussparameter einen signifikanten Einfluss auf
die Lebensdauer hat, müssten alle Versuche nochmals wiederholt werden.
4.1.1 Einschränkungen
Die hier aufgeführten 75 Einflussparameter vernachlässigen sicherlich noch den ein oder anderen Faktor, stellen aber eine breite Basis dar. Durch die Einteilung in die Klassen Standardisierung, Qualität und Lebensdauer konnten die experimentell zu untersuchenden Einflussparameter zwar auf nur 5 Stück reduziert werden, dadurch geben sich aber eine ganze Reihe von
Einschränkungen:
•
Die 70 Einflussparameter, die in Lebensdaueruntersuchungen nicht variiert würden,
sind nicht zu vernachlässigen, sie sind konstant zu halten. Das bedeutet andererseits,
wenn auf alte, bestehende Untersuchungen zurück gegriffen werden soll, müssen dort
auch jene 70 Einflussfaktoren konstant gewesen sein, zumindest aber mitprotokoliert
worden sein. Das dürfte in den allerwenigsten bestehenden Versuchsdaten der Fall
sein.
Reduktion der Einflussparameter
20
•
Es wird nur ein Dichtprofil aus einem Werkstoff mit einem Öl bei einer Art von Stange betrachtet. Für andere Kombinationen sind große Teile der Untersuchungen nochmals neu zu machen.
•
Je nach Anzahl der untersuchten Dichtungen, ist die ermittelte Lebensdauer statistisch
sehr gut belegt und wird damit berechenbar. Der Mechanismus, welcher eine Dichtung
ausfallen lässt, wird dadurch nicht ermittelt. Es wird lediglich das Ausfallverhalten des
Dichtrings erfasst.
4.1.2 Versuchsplan
Bevor ein Versuchsplan aufgestellt wird noch einige Vereinbarungen:
Abbruchkriterium: Als Ausfallkriterium für die Lebensdauer dient nur die Leckage. Wie in
Kapitel 3.1 schon aufgeführt ist die tolerierbare Leckage noch zu definieren. Sinnvoll erscheint das über eine akkumulierte Leckagemenge (z.B. 1 g) zu tun.
Testzeit: Die Prüfzeit wird durch die geforderte Lebensdauer bestimmt. Für Kfz, die für eine
Laufleistung von ca. 250.000 km ausgelegt werden, ergibt sich damit eine erforderliche Lebensdauer von 5.000 h. Bei industriellem Einsatz werden wesentlich höhere Lebensdauern
erwartet, die Garantiezeit von einem Jahr wird vorausgesetzt. Das entspricht ca. 8.000 bis
10.000 Betriebsstunden, die Windkraftbranche verlangt beispielsweise 20.000 Stunden.
Will man nicht nur eine geforderte Lebensdauer verifizieren (so genannter success run), sondern die tatsächliche erreichbare Lebensdauer ermitteln, müssen alle Prüflinge bis zum Ausfall getestet werden. Dabei ist davon auszugehen, dass einige Prüflinge ein Vielfaches der
oben angesetzten 10.000-Stundenforderung erreichen, also mehrere Jahre Prüfzeit.
Stichprobenumfang: Sollte eine Zuverlässigkeit von R(t) = 90 % bei einer Aussagewahrscheinlichkeit von PA = 90 % nachgewiesen werden, ist ein Stichprobenumfang von n = 22
erforderlich.
Raffung: Eine Raffung, d.h. Tests mit verschärfter Beanspruchung, kann nur dann erfolgen,
wenn dabei der Schädigungsmechanismus unverändert bleibt. Da das eigentliche Langzeitverhalten der HSDR wenig bekannt ist, ist die Gefahr hoch, durch Raffung mehr Schaden
anzurichten als Versuchsaufwand einzusparen. Des Weiteren ist zu bedenken, dass der Dichtungswerkstoff mechanisch und auch thermisch schon sehr hoch belastet ist, also wenig Spielraum für eine Raffung zur Verfügung steht.
Versuchsplan: Setzt man für die fünf Einflussparameter (Temperatur, Druck, Geschwindigkeit, Gleitweg, Start-/Stoppvorgänge) eine vollfaktorielle statistische Versuchsplanung an
(DoE), so wären hierfür 25 = 32 Versuche notwendig. Vollfaktoriell deswegen um auch
Wechselwirkungen der Einflussparameter untereinander zu erfassen. Die Einflussparameter
werden dabei nur in den Stufen hoch und niedrig variiert. Die Lebensdauer (Gleitweg)- die
Zielgröße der Versuche - wird dann durch eine Varianzanalyse der Versuchsdaten berechnet.
Kosten/Prüfstände/Zeit: Angenommen die mittlere Versuchsdauer der Test sei 10.000 Stunden, es werden je 22 Prüflinge untersucht und die Betriebsstunde pro Prüfling kostet 2 €, so
wären für die Versuche 14 Millionen Euro aufzuwenden. Bei 10 Prüfstellen würden die Versuche 80 Jahre Prüfzeit erfordern.
Nutzung von Felddaten für Lebensdaueraussagen
21
Fazit:
Nach den Versuchen liefert eine Varianzanalyse der Testergebnisse eine Gleichung, welche
die Lebensdauer als Funktion der fünf Einflussparameter (Druck, Temperatur, Geschwindigkeit, Gleitweg, Anzahl Start/Stopp) beschreibt. Da aber der Großteil des Dichtsystems Hydraulikstangendichtring, bzw. anders formuliert ein Großteil der Einflussparameter in den Tests
dann konstant gehalten sind, bildet das Testergebnis auch lediglich die Dichtkante als kleine
Teilmenge eines Dichtsystems ab. Mit anderen Rauheiten, anderen Dichtringwerkstoffe, anderen Ölen wird wieder ein neuer Versuchsplan notwendig, da mit diesen weiteren Einflussparametern auch Wechselwirkungen auf die bereits 5 untersuchten Einflussparameter zu erwarten sind. Solche Wechselwirkungen sind mit einem Stichversuch nicht ermittelbar, es
muss der ganze (erweiterte) Versuchsplan neu durchgeführt werden.
Durch die Vielzahl der Einflussparameter ist es auch schwierig Versuchsergebnisse aus alten
Untersuchungen zu integrieren, da deren Aussagekraft erlischt, je mehr Einflussparameter
dort nicht dokumentiert wurden.
Die durch statistische Versuchsplanung (DoE) ermittelte Lebensdauergleichung beschreibt
zwar das Ausfallverhalten des Dichtrings, gibt aber keinen Hinweis auf die Ausfallursache.
Ob Extrusion, Abrieb oder ein Verhärten des Dichtungswerkstoffs ursächlich waren, wird
dadurch nicht erfasst.
Hier liegt auch das Dilemma bei der statistischen Versuchsplanung am Dichtsystem HSDR.
Es können nur Einflussparameter untersucht und letztlich abgebildet werden, die zu Beginn
des Versuchs definiert einstellbar sind wie beispielsweise der Druck. Einflussparameter die
erst aufgrund der Laufzeit in den Tests entstehen, können nicht berücksichtigt werden. Parameter wie Extrusion oder Werkstoffverhärtung sind somit im Sinne der statistischen Versuchsplanung kaum darstellbar, da man diese ja schon zu Beginn eines Versuchs einstellen
müsste.
5 Nutzung von Felddaten für Lebensdaueraussagen
Der Nachweis einer Lebensdauer durch Versuche ist wie oben beschrieben nur mit einem sehr
hohen Zeit- und Kostenaufwand zu erreichen. Eine andere Möglichkeit bietet die Analyse von
Daten aus dem Feldeinsatz. Die Menge der Datensätze aus Feldeinsätzen ist im Vergleich zu
Lebensdauerversuchen sehr viel größer. Zudem sind die Dichtringe realen Einsatzbedingungen mit üblicherweise vorkommenden Belastungen ausgesetzt. Prüfstandsversuche unterliegen jedoch häufig vielen Vereinfachungen und Abstraktionen, die eine Übertragbarkeit auf
reale Einsatzfälle erschweren können.
Zur Auswertung von Ausfalldaten wird im Maschinenbau meist die Weibullverteilung verwendet. Die drei Parameter der Verteilung, b, T, und t0, bieten die Möglichkeit verschiedenste
Ausfallverläufe nachzubilden. Zu jeder Ausfallzeit ti wird eine Ausfallwahrscheinlichkeit F(ti)
Nutzung von Felddaten für Lebensdaueraussagen
22
zugeordnet, die von der Anzahl der Ausfälle n und dem Rang i der Ausfallzeit abhängt, siehe
Gl. (11). Der Rang gibt die Stelle an, an der eine Ausfallzeit bei aufsteigender Sortierung in
der Liste der Ausfälle steht.
0,3
· 100%
0,4
(11)
Mit dieser Zuordnung der Ausfallwahrscheinlichkeit können die Ausfallzeiten als Punkte in
das Weibulldiagramm eingetragen werden und es können graphisch oder rechnerisch die Parameter der Verteilung bestimmt werden. Damit können Aussagen darüber getroffen werden,
wann z.B. 10 % aller Teile ausgefallen sind, die sogenannte B10-Lebensdauer oder bei Wälzlagern auch L10 genannt. In Bild 5.1 ist beispielhaft eine Weibullkurve mit einer ausfallfreien
Zeit dargestellt.
Bild 5.1: Ausfallkurve im Weibullpapier; dargestellt die Zeit bei der 10 % der Teile ausgefallen
sind.
Bei Felddaten sind die Rückläufer meist die Teile, die im Betrieb am stärksten belastet (Bild
5.2 b) bzw. die Teile die am wenigsten belastbar waren (Bild 5.2 a). Deshalb lassen diese
Rückläufer nur bedingt Aussagen über alle Teile die sich im Feld befinden zu (Bild 5.2
Grundgesamtheit c). Um auch die Teile zu berücksichtigen die nicht als Ausfall zurückgekommen sind, werden die nicht ausgefallenen Teile über eine sogenannte Zensierung in die
Auswertung einbezogen. Hierbei dient die Anzahl der ausgelieferten Teile, die Grundgesamtheit c, als Grundlage. Die nicht-ausgefallenen Teile werden je nach Verfahren in die Auswertung mit einbezogen. Hierzu werden Laufleistungsverteilungen wie sie im Automobilbau bekannt sind verwendet. Damit lassen sich die Laufzeiten der Teile im Feld abschätzen. Eine
andere häufig verwendete Methode ist die Sudden-Death-Methode, bei der angenommen
wird, dass die Laufzeiten der nicht-ausgefallenen Teile gleichmäßig zwischen den ausgefallenen Teilen liegen. Damit ist eine etwas konservativere Abschätzung möglich. Durch die Zensierung kann eine Beschreibung des Ausfallverhaltens aller Teile erreicht werden.
Nutzung von Felddaten für Lebensdaueraussagen
23
Bild 5.2: Einbeziehung von nicht ausgefallenen Teilen (Zensierung)
Bei HSDR treten, wie zu Beginn erwähnt, verschiedene Schädigungsmechanismen auf. Da
jeder Schädigungsmechanismus ein anderes Ausfallverhalten hervorruft, treten mehrere konkurrierende Verteilungen auf. Sind diese Schädigungsmechanismen und damit die Verteilungen unabhängig voneinander, können Sie als Mischverteilung ausgewertet werden. Können
wie beim HSDR alle Schädigungen einen Ausfall hervorrufen, der zum Ausfall des Dichtsystems führt, kann dieses Verhalten mittels der Booleschen Theorie als eine Hintereinanderschaltung von Schädigungsmechanismen betrachtet werden. Das Auftreten eines Schädigungsmechanismus bewirkt dann den Ausfall des Dichtrings. Fällt wie in Bild 5.3 dargestellt
der Dichtring durch Relaxation aus, sind die anderen Schädigungen zweitrangig.
Bild 5.3: HSDR als Boolesches Seriensystem
Dargestellt im Weibulldiagramm ergibt sich für ein solches Boolesches Seriensystem eine
Kurve die das gesamte Ausfallverhalten wiedergibt. Diese sogenannte Systemkurve wird
durch die einzelnen Verteilungen der Schädigungsmechanismen erzeugt, siehe Bild 5.4. Jeder
Schädigungsmechanismus bewirkt eine Veränderung des gesamten Ausfallverhaltens.
Mit geeigneten zuverlässigkeitstechnischen Auswertemethoden, wie z.B. dem MLE/EMAlgorithmus oder numerischen Verfahren können dann die einzelnen Verteilungen zu den
Schädigungsmechanismen bestimmt werden. Dadurch kann das Ausfallverhalten sehr viel
genauer beschrieben werden. Zudem kann dieses Wissen dazu dienen den Versuchsumfang
sehr stark zu reduzieren. Da der globale Verlauf der Ausfälle für jede Schädigung bekannt ist,
Zusammenfassung
24
reichen schon wenige Stichversuche um das Ausfallverhalten beispielsweise von neuen Anwendungsfällen vorherzusagen.
Bild 5.4: Beispielhaftes Ausfallverhalten von HSDR mit den verschiedenen Schädigungsmechanismen
Fazit:
Die Sammlung und Auswertung von Felddaten erlaubt es damit, sowohl Aussagen über das
Ausfallverhalten aller Teile im Feld zu treffen, als auch, durch die Auswertung einzelner
Schädigungsmechanismen, den Versuchsaufwand von Lebensdauertests auf wenige Teile zu
reduzieren.
Die Ermittlung der Lebensdauer von Dichtungen ist aufgrund der vielen und unterschiedlichen Schädigungsmechanismen aufwändig und kostspielig. Die Sammlung von Felddaten
verspricht daher das beste Verhältnis von Nutzen zu Aufwand um die Lebensdauer von Dichtungen fundiert zu ermitteln. Das Institut für Maschinenelemente steht hierfür als kompetenter
Partner zur Verfügung.
6 Zusammenfassung
Hydraulikstangendichtungen werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Ein Dichtungsausfall führt meist zum Ausfall des Gesamtsystems und damit zu hohen Folgekosten.
Infolge der kritischen Belastung durch Reibung, Verschleiß und hohe Temperaturen sowie
den komplexen Wechselwirkungen zwischen Dichtring, Stange und abzudichtendem Fluid ist
es bisher nicht möglich die Lebensdauer dieser tribologischen Systeme zielsicher zu prognostizieren. Strukturierte Lebensdaueruntersuchungen in größerem Umfang sind nicht bekannt.
Literatur
25
Das Dichtsystem Hydraulikstangendichtungen als typisches nicht berechenbares Risikoelement kann deshalb nur ungenügend in der Zuverlässigkeitsbetrachtung berücksichtigt werden.
Die hier vorgestellte Reduktion auf nur 5 Einflussparameter zeigt, dass zur Ermittlung der
Lebensdauer mit einer statistisch abgesicherten Aussagewahrscheinlichkeit hohe finanzielle
Aufwendungen nötig sind und Versuche über viele Jahre bedürfen. Will man die getroffenen
Einschränkungen aufheben und Lebensdaueraussagen für Hydraulikstangendichtungen allgemein – also andere Werkstoffe, Öle etc. – treffen, ist noch mal ein Vielfaches an experimentellen Aufwand notwendig.
Die Ursache für die nachlassende Dichtwirkung und damit der Lebensdauer eines HSDR ist
nach heutigem Wissen noch nicht eindeutig geklärt. Aus wissenschaftlicher Sicht scheint es
aussichtsreicher das Nachlassen der Rückförderung des ausgeschleppten Ölfilms von
HSDR+Stange zu untersuchen, als das Ausfallverhalten mit hohem Aufwand im eng gesteckten Rahmen experimentell zu ermitteln.
7 Literatur
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Literatur
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[10] Larson Nomogramm:
http://www.arstechnica.de/index.html?name=http://www.arstechnica.de/computer/JavaScript/lar
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[11] ISO/FDIS 19973-1: Fluidtechnik - Bewertung der Überlebenswahrscheinlichkeit pneumatischer Bauteile durch Versuche - Teil 1: Allgemeine Vorgehensweise