DE10113591C1 - Testing device for shaft seal system has magnetic radial bearings supporting shaft for simulation of 3-dimensional vibration - Google Patents

Testing device for shaft seal system has magnetic radial bearings supporting shaft for simulation of 3-dimensional vibration

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Abstract

The testing device has the driven shaft (1) supported without direct contact, for simulation of 3-dimensional shaft vibration, via 2 magnetic radial bearings (2,3), used for determining the force exerted on the sealing system (6) by the shaft, the end of the shaft received in a probe chamber (4) filled with a temperature-controlled medium (7).

Description

Technisches GebietTechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft im weitesten Sinne einen Prüfstand zur Untersuchung des Funktionsverhaltens von Wellendichtsystemen. Mit solchen Prüfständen wird das Dichtungs-, Reib- und Verschleißverhalten von Radial- und Axialwellendichtungen untersucht. Dabei werden Feststellungen bezüglich der Werkstoffwahl sowie der Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit der Dichtung in großen Temperatur- und Druckbereichen untersucht.The present invention relates in the broadest sense to a test bench Investigation of the functional behavior of shaft sealing systems. With such test benches the sealing, friction and wear behavior of Radial and axial shaft seals examined. In doing so, findings regarding the choice of materials as well as the geometry and Surface quality of the seal in large temperature and Pressure areas examined.

Stand der TechnikState of the art

Durch die US 3 188 855 ist beispielsweise ein Prüfstand für Lippendichtungen bekannt geworden, mit dem die Leckagerate der zwischen einer Lippendichtung und einer Welle hindurchtretenden Flüssigkeit messbar ist. Eine Ermittlung des auf die Dichtung zurückzuführendes Reibmoment ist jedoch mit diesem Prüfstand nicht vorgesehen.For example, US 3 188 855 is a test bench for Lip seals have become known with which the leakage rate of between a lip seal and a liquid passing through a shaft  is. A determination of the friction torque due to the seal is however not provided with this test bench.

Durch die US PS 3 987 663 ist ein anderer Prüfstand bekannt, bei dem die zu prüfende Radialwellendichtung in einer stationären Aufnahmevorrichtung gehalten ist, wobei die Dichtung dichtend am Umfang eines rotierenden Wellenschaftes anliegt. Dieser Prüfstand ist für eine schnelle Serienprüfung von Dichtungen bei Drücken bis zu 10 bar konzipiert und arbeitet mit Luft als Druckmedium. Für Langzeituntersuchungen von Dichtungen, die bei tiefen und hohen Temperaturen einem Druckmedium wie Öl oder dergleichen ausgesetzt sind, ist dieser Prüfstand nicht geeignet. Nachteilig ist auch, dass dieser Prüfstand nicht zur Messung des an den Dichtungen wirksamen Reibmomentes oder zur Erfassung des Dichtungsabriebs vorgesehen ist.Another test stand is known from US Pat. No. 3,987,663, in which the Radial shaft seal to be tested in a stationary receiving device is held, the seal sealingly on the circumference of a rotating Shaft shaft. This test bench is for a quick series test designed by seals at pressures up to 10 bar and works with air as Print media. For long-term investigations of seals at deep and high temperatures a pressure medium such as oil or the like exposed, this test bench is not suitable. Another disadvantage is that this test bench does not measure the effective on the seals Frictional torque or for detecting the seal abrasion is provided.

In der Druckschrift DE 299 09 737 U1 ist eine weitere Prüfeinrichtung beschrieben, die zur Untersuchung des Dichtungs-, Gleit- und Verschleißverhaltens von Radial- und Axialwellendichtungen geeignet ist und die vorwiegend zur Erfassung des von der Dichtung erzeugten Reibmoments verwendet wird. Die Dichtelemente werden paarweise angeordnet und es können vergleichende Untersuchungen bei Verwendung unterschiedlicher Dichtwerkstoffe für das Dichtelement und das Referenzdichtelement unter gleichen Prüfbedingungen durchgeführt werden. Eine Prüfung einzelner Dichtungen ist mit dieser Einrichtung nicht möglich.Another test device is in the publication DE 299 09 737 U1 described for the investigation of the sealing, sliding and Wear behavior of radial and axial shaft seals is suitable and which are mainly used to record the friction torque generated by the seal is used. The sealing elements are arranged in pairs and it can make comparative studies using different Sealing materials for the sealing element and the reference sealing element under same test conditions. An examination of individuals Seals are not possible with this device.

Allen bekannten Prüfständen haftet der Nachteil an, dass die in der Praxis aufgrund der unterschiedlichen Wellenantriebe entstehenden radialen und axialen Verlagerungen der Welle nicht realistisch nachgebildet werden können. Dieses kann zur Folge haben, dass ein Dichtring auf einem Prüfstand geprüft ohne Leckage ist, im Betrieb aber aufgrund der auftretenden Wellenschwingungen und einem ungenügenden Nachfolgevermögen der Dichtlippe zur Dichtfläche eine nicht zu vernachlässigende Leckage auftritt bis hin zum Totalausfall des Dichtsystems. Der Einfluss einer realistischen Simulation von Wellenschwingungen ist nicht nur für die Untersuchung des Abdichtverhaltens von Dichtsystemen von besonderer Bedeutung sondern auch im Hinblick auf eine möglichst genaue Betrachtung des Reibmoments, des Verschleißes insbesondere bei Langzeituntersuchungen, oder auch des allgemeinen Betriebsverhaltens des Dichtsystems.All known test benches have the disadvantage that in practice resulting from the different shaft drives radial and axial displacements of the shaft cannot be realistically reproduced can. This can result in a sealing ring on one Test bench is checked without leakage, but in operation due to the  occurring wave vibrations and an insufficient Succession of the sealing lip to the sealing surface is not a negligible leakage occurs up to the total failure of the Sealing system. The influence of a realistic simulation of Wave vibration is not just for examining the Sealing behavior of sealing systems of particular importance also with a view to the friction torque as accurate as possible, the wear especially in long-term examinations, or also the general operating behavior of the sealing system.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Prüfeinrichtung zur Untersuchung des Dichtungs-, Reib- und Verschleißverhaltens von Radial- bzw. Axialdichtungen oder dergleichen mit einer von einem Motor angetriebenen Welle und einer eine Probenkammer bildenden Haltevorrichtung für die Dichtung zu schaffen, die es erlaubt, das Betriebsverhalten der Dichtsysteme durch eine gezielte Erzeugung beliebiger dreidimensionaler Wellenschwingungen realitätsnah zu untersuchen. Dabei kann die Untersuchung des Einflusses von Wellenschwingungen auf das Betriebsverhalten durch Verwendung einer entsprechenden PC-Software unter Vorgabe definierter Amplituden, Beschleunigungen bzw. Frequenzen erfolgen oder aber auch in der betrieblichen Anwendung ermittelte Wellenverlagerungen exakt nachgefahren werden. Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass die Welle berührungslos über zwei magnetische Radiallager und einem magnetischen Axiallager gelagert ist. Hierdurch ist es möglich, die gewünschten beliebigen dreidimensionalen Wellenschwingungen insbesondere auch Schiefstellungen der Welle herzustellen. Eine gezielte Simulation beliebiger dreidimensionaler Wellenschwingungen ist hiermit möglich. Vorzugsweise werden die Magnetlager gleichzeitig zur Ermittlung der von der Welle auf das Dichtsystem einwirkenden Kräfte herangezogen.The invention is therefore based on the object of a test device for Investigation of the sealing, friction and wear behavior of radial or axial seals or the like with one of a motor driven shaft and a sample chamber forming Holding device for the seal to create that Operating behavior of the sealing systems through the targeted generation of any to investigate three-dimensional shaft vibrations realistically. there can investigate the influence of wave vibrations on the Operating behavior through the use of appropriate PC software with defined amplitudes, accelerations and frequencies take place or also determined in the operational application Shaft displacements can be tracked exactly. The solution of the posed According to the invention, the object is achieved in that the shaft is contactless via two magnetic radial bearings and a magnetic axial bearing is stored. This makes it possible to choose any three-dimensional wave vibrations in particular also misalignments  to manufacture the shaft. A targeted simulation of any three-dimensional Wave vibrations are possible with this. Preferably the Magnetic bearings at the same time to determine the from the shaft to the Forces acting on the sealing system.

In der einfachsten Ausführungsform erfolgt der Antrieb der Welle durch einen Elektromotor, wobei zwischen dem Elektromotor und der Welle eine elastische Kupplung angeordnet ist. Die elastische Kupplung verhindert plötzliche Stöße an der Welle, die bei Ein- und Abschalten des Antriebs auftreten könnten und dient gleichzeitig zur elastischen Entkopplung von Schwingbeanspruchungen.In the simplest embodiment, the shaft is driven by a Electric motor, a between the electric motor and the shaft elastic coupling is arranged. The elastic coupling prevents sudden impacts on the shaft when the drive is switched on and off could occur and at the same time serves for the elastic decoupling of Swinging loads.

Bevorzugt mündet die Welle mit ihrem Wellenstumpf in eine mit einer Flüssigkeit zumindest teilweise gefüllte Probenkammer. Diese Probenkammer kann mit einem Druckpolster beaufschlagt sein, indem die in der Kammer vorhandene Luft unter Druck gesetzt wird. Um die in der Realität herrschenden Bedingungen weitestgehend zu erfüllen, kann das den Wellenstumpf einfassende Dichtsystem über eine in der Probenkammer angeordnete Düse mit der Flüssigkeit aus der Probenkammer angespritzt werden. Dabei kann die Flüssigkeit durch zusätzliche Temperiereinrichtungen beheizt oder gekühlt werden. Außerdem werden bevorzugt Sensoren zur Messung der Öltemperatur, des Öldrucks und der Leckagerate nach außen in der Probenkammer angebracht. Um eine Messung des Reibmoments vornehmen zu können, welches während der Drehbewegung der zu prüfenden Dichtung wirksam wird, wird auf die Probenkammer ein kompensierendes Gegenmoment aufgebracht. Schließlich ist es besonders günstig, wenn zur Simulation statischer Wellenversätze die Probenkammer dreidimensional verschiebbar ist, so dass sie axial und radial verschoben werden kann. The shaft with its stub shaft preferably opens into one with a Liquid at least partially filled sample chamber. This Sample chamber can be pressurized with a pressure pad by the in air present in the chamber is pressurized. To the in reality To meet prevailing conditions as far as possible can Sealing system enclosing the stub shaft via a sealing system in the sample chamber arranged nozzle sprayed with the liquid from the sample chamber become. The liquid can be controlled by additional temperature control devices be heated or cooled. In addition, sensors are preferred Measurement of the oil temperature, the oil pressure and the leakage rate to the outside attached in the sample chamber. To measure the friction torque to be able to make which during the rotational movement of the testing seal is effective, is on the sample chamber compensating counter torque applied. After all, it is special favorable if the sample chamber is used to simulate static shaft misalignments is three-dimensionally displaceable, so that it is displaced axially and radially can be.  

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Welle nicht direkt über einen Elektromotor angetrieben wird, sondern durch einen im System integrierten separten, elektrischen Direktantrieb. Dieses kann berührungslos über eine elektromagnetische Dreheinheit erfolgen. Dieser Antrieb läßt es auch zu, dass zwei freie Wellenenden vorhanden sind, und dass an jedem freien Ende der Welle eine Probenkammer angebracht werden kann. Auf diese Weise können zwei Dichtsysteme gleichzeitig geprüft werden, bzw. vergleichende Untersuchungen zwischen verschiedenen Dichtsystemen durchgeführt werden. Zusätzlich werden so bei hohen Drücken in den Prüfkammern die entstehenden Axialkräfte auf die Wellenstümpfe bei gleichem Druck kompensiert.It is particularly advantageous if the shaft is not directly over one Electric motor is driven, but by an integrated in the system separate, electric direct drive. This can be done without contact via a electromagnetic rotating unit. This drive also allows that there are two free shaft ends, and that at each free end a sample chamber can be attached to the shaft. In this way two sealing systems can be tested at the same time, or comparative Investigations between different sealing systems carried out become. In addition, at high pressures in the test chambers resulting axial forces on the stub shafts at the same pressure compensated.

Kurzbeschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is explained in more detail using several exemplary embodiments.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 eine Prüfeinrichtung mit zwei magnetischen Radiallagern und einem magnetischen Axiallager für die Welle und Fig. 1 is a test device with two magnetic radial bearings and a magnetic axial bearing for the shaft and

Fig. 2 eine Prüfeinrichtung angetrieben über einen im System integrierten elektrischen Direktantrieb. Fig. 2 is a test device driven by an electrical direct drive integrated in the system.

Ausführung der ErfindungImplementation of the invention

Die in der Fig. 1 dargestellte Prüfeinrichtung besteht im Wesentlichen aus der Welle 1, die berührungslos von den magnetischen Radiallagern 2 und 3 gehalten wird und deren freies Ende in die Probenkammer 4 mündet. Das freie Ende der Welle 1 ist von dem Adapterstück 5 eingefasst, mit dem die symbolhaft angedeutete Wellendichtung 6 in der Probenkammer 4 befestigt wird. Die Probenkammer 4 ist teilweise mit dem Öl 7 gefüllt. Die magnetischen Radiallager 2 und 3 besitzen eine Rotorblechung 8 und die Statorblechung 9, die am Statorgehäuse 10 angebracht ist. Zwischen den Radiallagern 2 und 3 ist das Axiallager 11 vorhanden, welches ein doppelseitiges Axiallagergehäuse 12 und eine dazwischenliegende Axiallagerscheibe 13 hat. Die Axiallagerscheibe 13 ist auf der Welle 1 befestigt, während die Axiallagergehäuseteile 12 ortsfest, in gleicher Weise wie die Radiallagergehäuse 10, mit dem Fundament 14 verbunden sind. Der Antrieb der Welle 1 erfolgt durch den Elektromotor 15, der auf dem Motorfundament 16 sitzt. Zwischen der Welle 1 und dem Motor 15 befindet sich die elastische Kupplung 17. Die Probenkammer 4 ist an dem Halter 18 befestigt, der seinerseits dreidimensional verschiebbar mit dem Sockel 19 verbunden ist. Hierdurch kann die Probenkammer 4 ebenfalls dreidimensional verschoben werden und auf diese Weise den realistisch im praktischen Gebrauch herrschenden Bedingungen angepasst werden. Auch kann über die Zusatzeinrichtung 20 am Halter 18 eine Kompensation des an der Dichtung 6 entstehenden Drehmoments erreicht werden.The test device shown in FIG. 1 essentially consists of the shaft 1 , which is held without contact by the magnetic radial bearings 2 and 3 and whose free end opens into the sample chamber 4 . The free end of the shaft 1 is surrounded by the adapter piece 5 , with which the symbolically indicated shaft seal 6 is fastened in the sample chamber 4 . The sample chamber 4 is partially filled with the oil 7 . The magnetic radial bearings 2 and 3 have a rotor lamination 8 and the stator lamination 9 , which is attached to the stator housing 10 . The axial bearing 11 is present between the radial bearings 2 and 3 and has a double-sided axial bearing housing 12 and an axial bearing disk 13 located in between. The thrust bearing washer 13 is fastened on the shaft 1 , while the thrust bearing housing parts 12 are connected to the foundation 14 in a stationary manner, in the same way as the radial bearing housing 10 . The shaft 1 is driven by the electric motor 15 , which is seated on the motor foundation 16 . The elastic coupling 17 is located between the shaft 1 and the motor 15 . The sample chamber 4 is fastened to the holder 18 , which in turn is connected to the base 19 so as to be displaceable in three dimensions. As a result, the sample chamber 4 can also be displaced three-dimensionally and in this way can be adapted to the conditions which are realistic in practical use. Compensation of the torque arising on the seal 6 can also be achieved via the additional device 20 on the holder 18 .

In der Fig. 2 ist eine Prüfeinrichtung gezeigt, mit der eine paarweise Prüfung von Dichtungen möglich ist. In diesem Fall wird die Welle 101 über die elektromagnetische Dreheinheit 115 angetrieben. Die Dreheinheit 115 besteht aus dem Stator 130 und dem auf der Welle 101 aufgesetzten Rotor 131. Die Welle 101 ist von den beiden Radiallagern 102 und 103 gehalten. Das Axiallager 111 dient zur axialen Lagerung der Welle 101. Bezüglich der magnetischen Lagerung ist die Ausführungsform der Fig. 2 somit der Ausführungsform nach Fig. 1 entsprechend ausgebildet. Jedes Wellenende 132 und 133 mündet in eine Probenkammer 104. Die Dichtungen 106 werden von den Adapterstücken 105 an den Probenkammern 104 gehalten. Die Probenkammern 104 sind mit den entsprechenden Messsensoren 134 versehen, die hier nur schematisch angezeigt sind. Dabei werden die Probenkammern 104 mit Kugellagern 135 gelagert, mit der sie in dem Halter 118 gehalten sind. Prinzipiell kann jedoch auch hier eine berührungslose Magnetlagerung integriert werden.In FIG. 2, a test apparatus is shown with the pairwise testing of the seals is possible. In this case, the shaft 101 is driven by the electromagnetic rotating unit 115 . The rotating unit 115 consists of the stator 130 and the rotor 131 mounted on the shaft 101 . The shaft 101 is held by the two radial bearings 102 and 103 . The axial bearing 111 serves to axially support the shaft 101 . With regard to the magnetic bearing, the embodiment of FIG. 2 is thus designed corresponding to the embodiment of FIG. 1. Each shaft end 132 and 133 opens into a sample chamber 104 . The seals 106 are held by the adapter pieces 105 on the sample chambers 104 . The sample chambers 104 are provided with the corresponding measurement sensors 134 , which are only shown schematically here. The sample chambers 104 are supported with ball bearings 135 with which they are held in the holder 118 . In principle, however, a contactless magnetic bearing can also be integrated here.

Claims (12)

1. Prüfeinrichtung zur Untersuchung des Dichtungs-, Reib- und Verschleißverhaltens von Dichtsystemen, insbesondere von Radial-, bzw. Axialwellendichtungen, mit einer angetriebenen Welle und einer eine Probenkammer bildenden Haltevorrichtung für das Dichtsystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1, 101) für eine gezielte Simulation dreidimensionaler Wellenschwingungen berührungslos über zwei magnetische Radiallager (2, 3; 102, 103) gelagert ist. 1. Test device for examining the sealing, friction and wear behavior of sealing systems, in particular radial or axial shaft seals, with a driven shaft and a holding device for the sealing system forming a sample chamber, characterized in that the shaft ( 1 , 101 ) for a targeted simulation of three-dimensional shaft vibrations via two magnetic radial bearings ( 2 , 3 ; 102 , 103 ). 2. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1, 101) zusätzlich von einem magnetischen Axiallager (11, 111) in axialer Richtung gehalten ist.2. Testing device according to claim 1, characterized in that the shaft ( 1 , 101 ) is additionally held in the axial direction by a magnetic axial bearing ( 11 , 111 ). 3. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetlager (2, 3, 11; 102, 103, 111) zur Ermittlung der von der Welle (1, 101) auf das Dichtsystem (6, 106) einwirkenden Kräfte dienen.3. Testing device according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetic bearings ( 2 , 3 , 11 ; 102 , 103 , 111 ) serve to determine the forces acting on the sealing system ( 6 , 106 ) from the shaft ( 1 , 101 ) , 4. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1, 101) durch einen Elektromotor (15) angetrieben ist und dass zwischen dem Motor (15) und der Welle (1) eine elastische Kupplung (17) angeordnet ist.4. Testing device according to claim 1 to 3, characterized in that the shaft ( 1 , 101 ) is driven by an electric motor ( 15 ) and that an elastic coupling ( 17 ) is arranged between the motor ( 15 ) and the shaft ( 1 ) , 5. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1, 101) mit ihrem Wellenstumpf in eine mit einem temperierten Medium (7) teilweise gefüllte Probenkammer (4, 104) mündet. 5. Testing device according to claim 1 to 4, characterized in that the shaft ( 1 , 101 ) opens with its shaft end in a sample chamber ( 4 , 104 ) partially filled with a tempered medium ( 7 ). 6. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammer (4, 104) mit einem Druckpolster beaufschlagt ist.6. Test device according to claim 1 to 5, characterized in that the sample chamber ( 4 , 104 ) is acted upon by a pressure cushion. 7. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtsystem (6, 106) über eine Düse mit einem temperierten Medium (7) angespritzt ist.7. Test device according to claim 1 to 6, characterized in that the sealing system ( 6 , 106 ) is injection molded with a temperature-controlled medium ( 7 ) via a nozzle. 8. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an der Probenkammer (4, 104) Sensoren zur Messung der Öltemperatur, des Öldrucks und der Leckagerate angebracht sind.8. Test device according to claim 1 to 7, characterized in that sensors for measuring the oil temperature, the oil pressure and the leakage rate are attached in or on the sample chamber ( 4 , 104 ). 9. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammer (4, 104) an einem Halter (18, 118) angebracht ist, der eine Kompensation des an der Dichtung (6, 106) entstehenden Drehmoments erlaubt.9. Test device according to claim 1 to 8, characterized in that the sample chamber ( 4 , 104 ) is attached to a holder ( 18 , 118 ) which allows compensation of the torque arising on the seal ( 6 , 106 ). 10. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammer (4, 104) dreidimensional verschiebbar ist.10. Testing device according to claim 1 to 9, characterized in that the sample chamber ( 4 , 104 ) is three-dimensionally displaceable. 11. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3 und 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (101) berührungslos durch einen im System integrierten separaten elektrischen Direktantrieb (115) angetrieben ist.11. Testing device according to claim 1 to 3 and 5 to 10, characterized in that the shaft ( 101 ) is driven contactlessly by a separate electrical direct drive ( 115 ) integrated in the system. 12. Prüfeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet dass an jedem Ende (132, 133) der Welle (101) eine Probenkammer (104) angebracht ist.12. Test device according to claim 11, characterized in that a sample chamber ( 104 ) is attached to each end ( 132 , 133 ) of the shaft ( 101 ).
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