O+P Fluidtechnik 9/2022

DICHTUNGEN FORSCHUNG UND

DICHTUNGEN FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED DYNAMISCHE DICHTUNGSSIMULATION TEIL 2: VALIDIERUNG UND ERGEBNISSE In den vergangenen fünf Jahren wurde in Zusammenarbeit zwischen dem ifas in Aachen und dem Peter Grünberg Institut (PGI) eine physikalisch motivierte Methodik entwickelt, die aktuelle kontaktmechanische Theorien mit einer effizienten Simulationsmethodik kombiniert, um Reibung und Verschleiß translatorischer Hydraulikdichtungen vorherzusagen. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse der experimentellen Validierung für Reibung und Verschleiß gezeigt. VALIDIERUNG DER REIBUNGSSIMULATION Um das Simulationsmodell zu validieren, wurde ein Tribometerprüfstand verwendet. Dieser ist in Abbildung 01 a) gezeigt. Dort wird eine Elastomer-Rundschnur mit kreisförmigem Querschnitt von einer konstanten Kraft auf eine raue Scheibe gedrückt. Die Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe wird variiert, um unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten im Dichtkontakt nachzustellen. Ein Kraftsensor erfasst die Reibkraft, die infolge der Relativbewegung entsteht. Durch Variation der Prüfgewichte können unterschiedliche Normalkräfte aufgebracht werden. Die Prüfkammer ist bis zur Dichtungsprobe mit dem Hydrauliköl HLP 46 gefüllt, um den Dichtkontakt ausreichend zu schmieren und die Reibungswärme abzuführen. Der Vorteil, den dieser Aufbau bietet ist, dass sowohl transiente als auch stationäre Betriebszustände beliebiger Dauer untersucht werden können, da die Elastomerprobe nicht auf einer endlichen Kolbenstange läuft, sondern auf einer sich drehenden Scheibe. Der Effekt unterschiedlicher Oberflächenstrukturen der Gegenfläche auf das Reibverhalten im Dichtkontakt wurde in / Ang16/ experimentell untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Scheiben mit unterschiedlichen Oberflächen verwendet. Diese sind in Abbildung 01 b) gezeigt. Die ersten beiden Scheibenoberflächen sind dabei schleiftechnisch hergestellt und 30 O+P Fluidtechnik 2022/09 www.oup-fluidtechnik.de

DICHTUNGEN 01 02 Detailansicht des Dichtungstribometers; b) Schematische Darstellung der drei untersuchten Oberflächen Probenhalter Dichtungsprobe haben beide einen Mittenrauwert von R a = 0,6 µm. Die Scheiben unterscheiden sich jedoch in der Anordnung der Riefen. Während die Riefen auf der ersten Testscheibe tangential zur Scheibenoberfläche und damit parallel zur Relativbewegung verlaufen, sind die Riefen auf Testscheibe 2 axial angeordnet und liegen somit senkrecht zur Richtung der Relativbewegung. Die Oberfläche von Testscheibe 3 wurde durch Sandstrahlen hergestellt und ist somit anisotrop mit einem Mittenrauwert von R a = 1 µm. Der Einfluss, den die Strukturen der Oberflächen auf die Reibkraft besitzen, ist in Abbildung 02 a) für fünf unterschiedliche Geschwindigkeiten dargestellt. Einerseits zeigt sich der Effekt der größeren Oberflächenrauheit von Scheibe 3, die für die untersuchten Betriebspunkte zu einer deutlich größeren Reibkraft führte. Andererseits wird deutlich, dass auch die beiden Scheiben mit gleichem Mittenrauwert R a deutliche Unterschiede aufweisen. Die Reibung der Elastomerprobe auf der anisotropen Scheibe 1, deren Oberflächenstruktur in Bewegungsrichtung orientiert ist, ist dabei deutlich höher als auf Scheibe 2, deren Oberflächenstrukturen senkrecht zur Bewegungsrichtung angeordnet sind. Ein qualitativer Erklärungsansatz ist in Abbildung 02 b) dargestellt. Dort ist gezeigt, wie sich die Orientierung der Rauheitsstrukturen auf die Strömung im Dichtkontakt auswirkt. Während die Riefen in Richtung der Relativbewegung den Druckfluss unter der Dichtung kaum behindern, erschweren die Riefen orthogonal zur Bewegungsrichtung die Strömung des Fluids. Dadurch kommt es unterhalb der Dichtung zu einem höheren hydrodynamischen Druckaufbau. Dieser sorgt für eine stärkere Trennung der Oberflächen und somit für eine Reduktion der Festkörperreibung. Zur Validierung des Simulationsmodells wurden die beschriebenen Experimente in /Ang17/ simulativ nachgebildet. Dazu wurden zunächst die Oberflächen der untersuchten Scheiben vermessen. Aufgrund des gleichen Herstellungsverfahrens der Oberflächen der Scheiben 1 und 2 mit vergleichbarem Mittenrauwert R a wurde angenommen, dass die Oberflächenstrukturen der Scheiben 1 und 2 um 90° zueinander verdreht ansonsten jedoch identisch sind. Daraus ergibt sich, dass der Zusammenhang zwischen Spalthöhe und Festkörperkontaktdruck σ Festkörper (h) dieser beiden Scheiben ebenfalls identisch ist. Daher wurde aus den Oberflächendaten je eine Funktion σ Festkörper (h) für Scheibe 3 und eine Funktion für die Scheibe 2 berechnet. Letztere wurde ebenfalls zur Simulation von Scheibe 1 herangezogen. Die Flussfaktoren wurden für alle drei Scheiben gesondert berechnet. Details zur Berechnung sind in / Per07/ und /Sca17/ beschrieben. Für die Berechnung der Reibkraft wurde ein konstanter Festkörperreibungskoeffizient von Reibkraft F R [N] 03 Reibkraft F R [N] a) Dichtungstribometer Kraftsensor Prüfgewicht Testscheibe v b) Testscheiben Testscheibe 1 Tangentiale Riefen Testscheibe 2 Axiale Riefen Testscheibe 3 Isotrope Rauheit Reibkraft für die drei unterschiedlichen Zylinder bei einer Normalkraft von 93,3 N für unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten /Ang16/; b) Schematische Darstellung der Flussfaktoren für die Scheiben mit axialen und tangentialen Riefen /Ang17/ a) Gemessene Reibkraft log(Relativgeschwindigkeit v r [m/s]) Scheibe 1 Scheibe 2 v Erschwerter Druckaufbau b) Einfluss der Rauheit Festkörperkontakt Dichtungsprobe Fluid Erleichterter Druckaufbau Gemessene und berechnete Reibkraft für verschiedene Anpresskräfte F N aufgetragen über der Relativgeschwindigkeit v r für zwei Oberflächen: a) Scheibe 2, geschliffen mit axialen Schleifriefen; b) Scheibe 3, sandgestrahlt mit isotroper Rauheit. Die Messwerte sind als Marker und die Simulationsergebnisse als Kurven dargestellt. /Ang17/ a) Axiale Schleifriefen Relativgeschwindigkeit v r [m/s]) Reibkraft F R [N] b) Isotrope Rauheit Relativgeschwindigkeit v r [m/s]) µ = 0,8 angenommen. Der Zusammenhang von Spalthöhe h und Festkörperkontaktdruck σ Festkörper wurde für die Scheiben 2 und 3 mithilfe der Kontaktmechanik nach Persson /Per07/ bestimmt. Die Krümmung der Gegenfläche wurde in der Simulation vernachlässigt, da der Durchmesser der Scheibe deutlich größer ist als der Durchmesser der Dichtung (≈ 200:5). Ein Vergleich von Simulation und Experiment ist in Abbildung 03 für die Scheiben 2 und 3 bei unterschiedlichen Normalkräften gezeigt. www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2022/09 31 v