antriebstechnik 4/2019

Förderwert Fördermenge

Förderwert Fördermenge [g 10h ] Förderwertverhältnis [-] FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 12 10 8 6 4 2 0 09 Mehrmaliges Wiederholen der Förderwertmessung nach der Konditionierung Kond CW Konditionierungsrichtung CCW Konditionierungsrichtung Welle 1 Welle 2 10 Herleitung der Untersuchungsmethode Kond Kond Kond 1 2 3 4 5 Dichtring Welle Kond 11 Förderwertverhältnis zwischen den Wellendrehrichtungen 8 6 Ölsumpftemperatur 30 °C Ölsumpftemperatur 60 °C 4,55 6,40 5,51 Wellendrehrichtung ist. Zusätzlich wird unterstellt, dass der Wellenförderwert in beide Drehrichtungen vom Betrag her gleich groß ist. Die Richtung der Wellenförderwirkung ist jedoch abhängig von der Wellendrehrichtung. Zur Bestimmung des Förderwertverhältnisses sind zwei Versuche nötig. Diese sind in Bild 10 mit den Punkten 1 und 2 gekennzeichnet. Für jeden der beiden Versuche wird ein neuer Dichtring eingesetzt und einer Konditionierung im konventionellen Einbauzustand unterzogen. Die Schraffuren in Bild 10 geben die Drehrichtung der Welle an. Rechtsschraffiert bedeutet Rechtslauf und eine linksgerichtete Schraffur steht für den Betrieb im Linkslauf. Bei der Konditionierung ist die Drehrichtung der Welle in Versuch 1 im Rechtslauf gerichtet und in Versuch 2 erfolgt die Konditionierung im Linkslauf. Die darauffolgenden Förderwertmessungen im inversen Einbauzustand erfolgen mit Wellendrehrichtung in Konditionierungsrichtung und anschließend in entgegengesetzter Konditionierungsrichtung. Dabei stellt die erste Säule die erste Förderwertmessung und die zweite Säule die zweite Förderwertmessung dar. Versuch 1 und 2 unterscheiden sich also nur durch die entgegengesetzte Wellendrehrichtung. In Punkt 3 in Bild 10 werden die Förderwerte der Versuche 1 und 2 in Konditionierungsrichtung und die Förderwerte der Versuche 1 und 2 entgegen der Konditionierungsrichtung aufsummiert. So ergeben sich die zwei Säulen in Punkt 3 mit den Förderwerten in Konditionierungsrichtung und mit den Förderwerten in entgegengesetzter Konditionierungsrichtung. In Punkt 4 sind die Förderwerte aus Punkt 3 in etwas anderer Anordnung abgebildet. Durch die andere Anordnung ist sehr gut zu erkennen, dass sich die beiden Wellenförderwerte gegenseitig eliminieren. Dies führt zu der vereinfachten Säulendarstellung in Punkt 5. Hier ist der Unterschied im Förderwertverhältnis des Dichtrings ohne den Einfluss des Wellenförderwerts dargestellt. Dieses Vorgehen ermöglicht nun die Bildung eines Förderwertverhältnisses zwischen den Wellendrehrichtungen. Das Förderwertverhältnis ergibt sich nach der Gleichung. Der Förderwert wird hierfür mit FW und das Förderwertverhältnis mit FV abgekürzt. Die Indizes CW (Rechtslauf) und CCW (Linkslauf) bezeichnen die Wellendrehrichtung. Das Förderwertverhältnis setzt die Förderwerte in Konditionierungsrichtung (Kond) ins Verhältnis zu den Förderwerten in die entgegengesetzte Konditionierungsrichtung (entg). 4 2 0 1,89 zu erhalten, muss die Förderwirkung der Welle eliminiert werden. Da es in der Praxis keine einstichgeschliffenen Wellen gibt, deren Förderwert ganz exakt drehrichtungsunabhängig ist, muss die Förderwirkung der Welle bei der Ergebnisauswertung rechnerisch eliminiert werden. Nachfolgend wird eine Untersuchungsmethode entwickelt, die eine Berechnung des Förderwertverhältnisses unabhängig von der Förderwirkung der Welle zulässt. Der Untersuchungsmethode liegen die Annahmen zugrunde, dass die RWDR im Neuzustand dieselbe Förderwirkung aufweisen und deren Förderwirkung unabhängig von der 2,55 10 h 96 h 240 h Laufzeit 2,07 INTERPRETATION DER KENNGRÖSSE FÖRDERWERTVERHÄLTNIS Das Förderwertverhältnis kann in drei Kategorien aufgeteilt werden: n FV > 1 n FV = 1 n FV < 1 Ein Förderwertverhältnis größer eins bedeutet, dass der Dichtring in Konditionierungsrichtung einen größeren Förderwert aufweist als entgegen der Konditionierungsrichtung. Ein Förderwertverhältnis von eins bedeutet, dass der Dichtring nach erfolgter Konditionierung in beide Wellendrehrichtungen den gleichen Förderwert aufweist. Ein Förderwertverhältnis kleiner eins bedeutet, dass der Dichtring in Konditionierungsrichtung einen geringeren Förderwert aufweist als entgegen der Konditionierungsrichtung. Bemerkung: Das Förderwertverhältnis ist eine Kenngröße, die 150 antriebstechnik 2019/04 www.antriebstechnik.de

f t [-] Förderwertverhältnis [-] Förderwertverhältnis [-] PEER REVIEWED FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG eine Aussage über die Drehrichtungsabhängigkeit der Dichtfunktion trifft. Eine Angabe über die absolute Fördermenge eines Dichtrings ist anhand dieser Kenngröße nicht möglich. FUNKTIONSUNTERSUCHUNGEN Die Funktionsuntersuchungen wurden anhand der vorgestellten Untersuchungsmethode durchgeführt. Es erfolgten zunächst sechs Versuche bei einer Wellendrehzahl von 1 000 min -1 während der Konditionierung. Zwischen den sechs Versuchen wurde während der Konditionierung sowohl Ölsumpftemperatur als auch Laufzeit variiert. Für die Versuche wurden zunächst nur RWDR aus NBR des Herstellers 1 eingesetzt. Es ergeben sich die Förderwertverhältnisse in Bild 11. Die Förderwertverhältnisse bei einer Ölsumpftemperatur von 60 °C sind in allen drei Fällen geringer als bei einer Ölsumpftemperatur von 30 °C. Das Förderwertverhältnis nimmt bei einer Laufzeiterhöhung der Dichtringkonditionierung von 10 h auf 96 h zu und bei einer Laufzeiterhöhung von 96 h auf 240 h wieder ab. REIBVERHALTEN ALS ERKLÄRUNG FÜR DIE FÖRDERWERTVERHÄLTNISSE Eine Erklärung für die Unterschiede im Förderwertverhältnis der Versuche mit den Ölsumpftemperaturen 30 °C und 60 °C könnte im Reibverhalten des Dichtsystems zu finden sein. Um dies zu verdeutlichen, wurde zunächst der Reibungszustand des Dichtsystems untersucht. Die Ergebnisse der Reibungsuntersuchungen werden als Reibzahl über der Gümbel-Zahl aufgetragen (Bild 12). So entsteht die schwarze Gümbel-Kurve anhand von 13 Messwerten. Diese dient als „Referenzkurve“, um den Schmierungszustand der Dichtsysteme zu beurteilen. In die Referenzkurve sind die Betriebspunkte für die Konditionierung, bei den Ölsumpftemperaturen 30 °C und 60 °C, in Form einer Raute eingezeichnet. Es ist zu erkennen, dass die Reibzahl bei geringerer Ölsumpftemperatur größer ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Gümbel-Zahl mit geringerer Ölsumpftemperatur größer wird und der Betriebspunkt damit auf der Referenzkurve nach rechts wandert. Über die Referenz-Gümbel-Kurve kann der Zusammenhang zwischen Reibzahl und Förderwertverhältnis hergestellt werden. Somit gilt, dass das Förderwertverhältnis mit größerer Reibzahl ansteigt. Zusätzlich ist ein weiterer Betriebspunkt bei sehr geringer Reibzahl in Form eines Dreiecks eingezeichnet. Der Betriebspunkt mit deutlich kleinerer Reibzahl wird erreicht, indem die Drehzahl auf 100 min -1 reduziert wird. Die Ölsumpftemperatur bleibt in diesem Betriebspunkt jedoch konstant bei 60 °C. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG BEI KLEINER REIBZAHL Um den Zusammenhang zwischen Reibzahl und Förderwertverhältnis genauer zu untersuchen, wurden Versuche zum Förderwertverhältnis bei einer Konditionierung im Betriebspunkt mit 100 min -1 (Dreieck in Bild 12) durchgeführt. Das Förderwertverhältnis liegt mit einem Wert von 1,4 erheblich unterhalb des Förderwertverhältnisses bei einer Wellendrehzahl von 1 000 min -1 bzw. dem Betriebspunkt mit der größten Reibzahl (Bild 13). Der Einfluss der Konditionierungsrichtung auf die drehrichtungsabhängige Dichtfunktion kann also sehr stark durch das Reibverhalten im Dichtkontakt beeinflusst werden. 12 Reibungszustand der Dichtsysteme mit Dichtring des Herstellers 1 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 T = 60 °C n = 100 min -1 T = 30 °C n = 1.000 min -1 T = 60 °C n = 1.000 min -1 0,0 1,00E-08 1,00E-07 1,00E-06 1,00E-05 Gümbel [ηω/p m ] 13 Förderwertverhältnis bei verschiedenen Reibungszahlen 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 Reibzahl groß 6,40 6,40 Reibzahl klein AUSWIRKUNGEN EINES BIDIREKTIONALEN KONDITIONIERUNGSVORGANGS Bisher wurde die Konditionierung des Dichtrings zwar bei verschiedenen Betriebsbedingungen und Laufzeiten, jedoch immer nur in eine Wellendrehrichtung durchgeführt. Wenn sich die Wellendrehrichtung während der Konditionierung nicht ändert, ist die Drehrichtung unidirektional. Im nächsten Schritt wurde das Förderwertverhältnis nach einem bidirektionalen Konditionierungsvorgang ermittelt (Bild 14). Die 96 h Laufzeit 96 h Laufzeit 1,40 14 Versuchsergebnisse als Förderwertverhältnis bei Dichtringhersteller 1 2,30 unidirektional n = 1.000 rpm bidirektional ±1.000 rpm unidirektional n = 100 rpm 1,40 www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2019/04 151