DE202007001223U1 - Gleitringdichtung mit Überwachungsfunktion - Google Patents
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Abstract
Gleitringdichtung
mit wenigstens einem Paar zusammenwirkender Gleitringe (2, 3), von
denen einer zur gemeinsamen Drehung mit einem rotierenden Bauteil
(6) vorgesehen und der andere an einem stationären Bauteil (8) gegen eine
Drehung mit dem rotierenden Bauteil drehgesichert gehalten ist,
und mit einer Einrichtung zur Überwachung
des Betriebszustandes der Gleitringdichtung, dadurch gekennzeichnet,
dass die Überwachungseinrichtung
eine im Drehkraftfluss zwischen dem stationären Bauteil (8) und dem drehgesichterten
Gleitring (3) vorgesehene Kraftmesseinrichtung (10) umfasst, um die
momentanen drehsichernden Kräfte
zu erfassen und ein dafür
kennzeichnendes Ausgangssignal zu erzeugen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches und insbesondere eine solche mit Überwachung des Betriebszustandes.
- Beim Betrieb einer Gleitringdichtung treten zwischen den Gleitringen Reibkräfte auf. Die Höhe der Reibkräfte hängt davon ab, ob sich die Gleitflächen berühren oder ob zwischen den Gleitflächen ein Schmiermittelfilm vorhanden ist. Unter dem Begriff „Schmiermittelfilm" ist nicht nur ein Film aus einem flüssigen Medium, sondern bei gasgeschmierten Gleitringdichtungen auch ein Gasfilm zu verstehen, dessen Bildung in bekannter Weise dadurch gefördert werden kann, dass in den Gleitflächen der Gleitringe förderwirksame Strukturen eingebracht sind. Diese Massnahme ist dem Fachmann bekannt und erfordert daher keine nähere Erläuterung.
- Die Lebensdauer einer Gleitringdichtung ist wesentlich von den tribologischen Verhältnissen im Dichtsplat zwischen den zusammenwirkenden Gleitflächen der Gleitringe abhängig und kann durch überhöhten Verschleiss an den Gleitflächen erheblich herabgesetzt werden. Ausfälle der Gleitringdichtung können Beschädigungen an der gesamten zugehörigen Gerätschaft, z.B. Pumpe, hervorrufen und erhebliche Umweltbeeinträchtigungen zur Folge haben. Auch kann ein vorzeitiges Abschalten der Gerätschaften erforderlich werden, was mit entsprechend hohen Folgekosten verbunden ist.
- Es wurden schon verschiedene Massnahmen vorgeschlagen, um Gleitringdichtungen während des Betriebes zu überwachen. In der
DE 34 26 539 A wird für die Überwachung des Abtriebs der Gleitflächen eine Sonde vorgeschlagen, die in Verbindung mit einem elektrisch leitfähigen stationären Gleitring wirkt und die Stärke eines im Gleitring induzierten Magnetfeldes erfassen kann, wobei durch Abrieb der Abstand zwischen der Sonde und einer konischen Gegenfläche am Gleitring geändert wird. In derDE 197 24 308 A wird vorgeschlagen, zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit einer Gleitringdichtung den Druck des abzudichtenden Mediums und andere Parameter zu erfassen und mit Bezugswerten für einen standardisierten Normalzustand zu vergleichen, um auf diese Weise eine Aussage über den Betriebszustand der Gleitringdichtung treffen zu können. In derDE 42 25 642 C wird vorgeschlagen, eine Drucküberwachung insbesondere der Leckage vorzunehmen. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleitringdichtung der eingangs erwähnten Art mit verbesserter Überwachungsfunktion anhand einer Emittlung der tribologischen Reibverhältnisse im Dichtspalt zwischen den zusammenwirkenden Gleitringen zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass die Reibkräfte im Dichtspalt auf den stationären Gleitring ein Drehmoment bzw. Drehkräfte ausüben, die einen direkten Rückschluss auf die tribologischen Verhältnisse im Dichtspalt erlauben, d.h. es lässt sich feststellen, ob eine gewünschte vollständige Ausbildung eines Schmiermittelfilms (keine bzw. geringe Reibkräfte) vorliegt bzw. die Bildung eines Schmiermittelfilmes nicht oder in nur unzulänglicher Weise erfolgt ist (mit dem Grad der unzulänglichen Schmiermittelfilmbildung steigen Reibkräfte an). Die Reibkräfte geben daher einen eindeutigen Aufschluss darüber, wie hoch der Anteil an Festkörperreibung und Schmiermittelreibung ist. Die Bestimmung des durch die Reibkräfte hervorgerufenen Drehmomentes auf den stationären Gleitring erlaubt es, den Belastungszustand bzw. die zu erwartende Restlebensdauer der Gleitringdichtung mit einem hohen Mass an Genauigkeit zu bestimmen, indem man die momentan gemessenen Verhältnisse Ergebnissen aus Vergleichsversuchen oder Erfahrungswerten als Referenzgrössen gegenüberstellt. Die Erfindung ermöglicht ferner die Feststellung von gefährlicher Festkörperreibung in einem sehr frühen Stadium lange vor einem dadurch bedingten übermässigen Verschleiss an den Gleitflächen, um geeignete Gegenmassnahmen treffen zu können.
- Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung kann die Betriebsüberwachung ferner die Erfassung von anderen für das Betriebsverhalten einer Gleitringdichtung kennzeichnenden Parametern wie Temperatur, Druck, Drehzahl, Dichtspaltweite etc. zusätzlich zur Erfassung der Reibverhältnisse erfasst und in einer Signalverarbeitungseinrichtung ausgewertet werden, um ein umfassendes Bild über den momentanen Zustand der Gleitringdichtung und der zu erwartenden Restlebensdauer zu erhalten. Die Erfindung ermöglicht ferner aus der Erfassung der Drehzahl und des durch Reibkräfte induzierten Drehmomentes die Ermittlung der Reibleistung bzw. des Energieverbrauches der Gleitringdichtung. Ein übermässiger Energieverbrauch kann ebenfalls ein Kriterium für einen vorzeitigen Austausch der Gleitringdichtung darstellen.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 in geschnittener Ansicht eine Gleitringdichtung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung im Zustand der Montage auf einer abzudichtenden Welle, und -
2 die Gleitringdichtung nach1 in einer Seitenansicht. - Der grundsätzliche Aufbau einer Gleitringdichtung ist dem Fachmann bekannt und erfordert daher keine nähere Erläuterung. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung reicht es aus, darauf hinzuweisen, dass die in
1 mit dem allgemeinen Bezugszeichen1 versehene Gleitringdichtung ein Paar zusammenwirkende Gleitringe2 ,3 umfasst, die einander gegenüberliegende Gleitflächen4 ,5 aufweisen. Einer der Gleitringe, nämlich der Gleitring2 , ist auf einer Welle6 aufgesetzt und so montiert, so dass sich der Gleitring2 zusammen mit der Welle6 drehen kann. - Eine Vorspannfeder
7 ist vorgesehen, um den Gleitring2 axial in Richtung auf den anderen Gleitring3 mit einer Vorspannkraft zu beaufschlagen und dadurch die Gleitflächen4 ,5 in dichtendem Eingriff miteinander zu drücken. - Der andere Gleitring
3 ist gegen eine Drehung mit der Welle6 gehindert und dazu an einem Dichtungsgehäuse8 gehalten, das, wie angedeutet, durch eine Schraubverbindung9 am Wellendurchtrittsbereich einer nicht gezeigten Gerätschaft, z.B. einer Pumpe, befestigt werden kann. - Bei Betrieb bildet sich im Dichtspalt zwischen den Gleitflächen
4 ,5 der Gleitringe2 ,3 ein Schmiermittelfilm aus dem abzudichtenden Medium aus, wodurch eine direkte Berührung der Gleitflächen4 ,5 , verbunden mit einem entsprechenden hohen Verschleiss, verhindert wird. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass die Schmiermittelfilmbildung aus verschiedenen Gründen nicht immer zuverlässig erfolgt oder sich im Laufe der Betriebszeit ändern kann, so dass erhöhte Reibkräfte auftreten. Je grösser der Anteil an Festkörperreibung ist, umso grösser sind die zwischen den Gleitringen2 ,3 wirkenden Reibkräfte und umso grössere Drehmomente wirken auf den stationären Gleitring3 ein, die vom Dichtungsgehäuse8 aufgenommen werden müssen, um den stationären Gleitring3 in seiner drehgesicherten Beziehung zum mit der Welle6 rotierenden Gleitring2 zu halten. - Die Höhe der Reibkräfte ist abhängig von den tribologischen Verhältnissen im Dichtspalt zwischen den zusammenwirkenden Gleitflächen
4 ,5 . Die momentan herrschenden Reibkräfte geben daher einen Aufschluss über das Vorliegen von reiner Fluidreibung bei einem ordnungsgemässen Schmiermittelfilm bzw. Festkörperreibung bei fehlendem bzw. unzureichendem Schmiermittelfilm. - Erfindungsgemäss ist zur Erfassung der Reibräfte im Kraftfluss zwischen dem stationären Gleitring
3 und dem Dichtungsgehäuse8 eine Kraftmesseinrichtung angeordnet, die in1 das allgemeine Bezugszeichen10 trägt und in2 mit weiteren Details ge zeigt ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Kraftmesseinrichtung10 einen Kraftsensor11 , der am Dichtungsgehäuse8 , wie bei12 angedeutet ist, in geeigneter Weise montiert ist. Beim Kraftsensor11 kann es sich um irgendein geeignetes elektrisches, z.B. piezoelektrisches, hydraulisches oder pneumatisches Element handeln, das geeignet ist, unter einer darauf ausgeübten Kraft ein für die Kraft kennzeichnendes elektrisches, hydraulisches oder pneumatisches Ausgangssignal zu liefern, das über eine Leitung13 einer Signalverarbeitungseinrichtung (nicht gezeigt) zugeführt werden kann. - Zur Übertragung der Kraft vom Gleitring
3 auf den Kraftsensor11 ist ein längliches stiftförmiges Kraftübertragungselement14 vorgesehen, das an einem axialen Ende mit dem Kraftsensor11 und am anderen axialen Ende mit dem stationären Gleitring3 , vorzugsweise formschlüssig, verbunden ist. Dazu kann ein vom betreffenden axialen Ende des Kraftübertragungselementes14 abstehendes Vorsprungselement15 in eine im stationären Gleitring3 vorgesehene Ausnehmung eingreifen. Wie dargestellt, erstreckt sich das Kraftübertragungselement14 im Wesentlichen tangential in Bezug auf den Umfang des Gleitringes3 . Ein auf den Gleitring3 infolge der momentan zwischen den Gleitflächen4 ,5 herrschenden Reibkräfte ausgeübtes Drehmoment wird daher über das Kraftübertragungselement14 auf den Kraftsensor11 eine Drehkraft ausüben. - Wie dargestellt, ist der Gleitring
3 , ausser durch die Kraftmesseinrichtung10 , grundsetzlich nicht drehfest in Bezug auf das Gehäuse8 montiert, so dass der Hauptkraftfluss über die Kraftmesseinrichtung10 erfolgt. Jedoch ist zwischen dem Gleitring3 und dem Gehäuse eine bei16 angedeutete Sekundärdichtung in Gestalt, z.B. eines O-Ringes, vorgesehen. Die Sekundärsichtung16 kann einen geringen Beitrag an der drehsichernden Monatge des Gleitringes3 gegenüber dem Dichtungsgehäuse8 liefern, was eine entsprechende Abgleichung des Ausgangssignales des Kraftsensors11 erforderlich machen kann. - Obschon es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, können weitere Erfassungseinrichtungen für Parameter, die einen Aufschluss über den Betrieb der Gleitringdichtung liefern können, vorgesehen sein. So können z.B. eine Erfassungseinrichtung für die Temperatur an oder im Bereich der Gleitringe, eine Erfassungseinrichtung für den im Dichtspalt zwischen den Gleitflächen
4 ,5 herrschenden Druck oder des Druckes im Bereich nahe dem Dichtspalt, eine Erfassungseinrichtung für die Drehzahl des rotierenden Gleitringes2 , eine Erfassungseinrichtung für die Dichtspaltweite sowie andere geeignete Erfassungseinrichtungen einzeln oder in Kombination vorgesehen sein. Die Ausgangssignale dieser Erfassungseinrichtungen können der Signalverarbeitungseinrichtung ebenfalls zugeführt werden. - In der Signalverarbeitungseinrichtung, bei der es sich vorzugsweise um eine Rechnereinrichtung handelt, können die zu den einzelnen erfassten Kenngrössen passenden Referenzgrössen für einen normalen und von der Normalität abweichenden Betriebszustand gespeichert sein, um eine Aussage über den momentanen Betriebszustand der Gleitringdichtung zu erhalten. Die erhaltenen Daten können unter Vergleich mit vorgegebenen Erfahrungswerten dazu verwendet werden, um eine Aussage über die verbleibende Lebensdauer der Gleitringdichtung zu treffen.
- Obschon die Erfindung in Verbindung mit einer bestimmten Ausführungsform einer Kraftmesseinrichtung beschrieben ist, versteht es sich, dass sie auf diese Ausführungsform nicht beschränkt ist. Vielmehr können auch andere geeignete Kraftmesseinrichtungen vorgesehen werden. So kann z.B. zur drehsichernden Abstützung des stationären Gleitringes am Dichtungsgehäuse eine Nut-Feder-Anordnung vorgesehen sein, indem ein vom Dichtungsgehäuse abstehendes Federvorsprungselement in eine Nut im stationären Gleitring eingreift, so dass dieser an einer Drehung gehindert ist. Im Federvorsprungselement kann ein Mikrokraftsensor, z.B. ein piezoelektrisches Kraftmesselement, eingebaut sein, auf das die zwischen dem Federvorsprungselement und der Nut herrschenden Kräfte einwirken, die ein Mass für die zwischen den Gleitflächen herrschenden Reibkräfte darstellen. Eine andere Alternative könnte darin bestehen, dass die Kraftmesseinrichtung eine zwischen dem Dichtungsgehäuse und einer Anlagefläche am äusseren Umfang des stationären Gleitringes vorgesehene Druckfeder umfasst, die eine minimale Drehung des stationären Gleitringes ermöglicht und unter einem Reibkraft bedingten Drehmoment des stationären Gleitringes komprimiert wird, so dass eine Gegenkraft hervorgerufen, die gemessen und in der Signalverarbeitungseinrichtung in der vorbeschriebenen Weise verarbeitet werden kann. Ein Merkmal der Erfindung ist, dass man durch Messung der auf den stationären Gleitring durch die Reibkräfte im Dichtspalt wirkenden Drehkräfte auf die tribologische Beschaffung der Gleitflächen einen unmittelbaren Rückschluss ziehen kann.
Claims (6)
- Gleitringdichtung mit wenigstens einem Paar zusammenwirkender Gleitringe (
2 ,3 ), von denen einer zur gemeinsamen Drehung mit einem rotierenden Bauteil (6 ) vorgesehen und der andere an einem stationären Bauteil (8 ) gegen eine Drehung mit dem rotierenden Bauteil drehgesichert gehalten ist, und mit einer Einrichtung zur Überwachung des Betriebszustandes der Gleitringdichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung eine im Drehkraftfluss zwischen dem stationären Bauteil (8 ) und dem drehgesichterten Gleitring (3 ) vorgesehene Kraftmesseinrichtung (10 ) umfasst, um die momentanen drehsichernden Kräfte zu erfassen und ein dafür kennzeichnendes Ausgangssignal zu erzeugen. - Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (
10 ) einen am stationären Bauteil (8 ) montierten Messsensor (11 ) mit einem sich im Wesentlichen tangential zu einer Umfangstelle des drehgesichterten Gleitringes (3 ) erstreckenden und damit verbundenen Kraftübertragungselement (14 ) umfasst. - Gleitringdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kraftübertragungselement (
14 ) und dem drehgesichterten Gleitring (3 ) eine formschlüssige Verbindung vorgesehen ist. - Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drehsicherung eine Nut-Feder-Anordnung vorgesehen ist, indem ein Federvorsprungselement an einem der zusammenwirkenden Bauteile (stationäres Bauteil bzw. drehgesichterter Gleitring) in eine Nut am anderen Bauteil kraftübertragend eingreift und zwischen dem Federvorsprungselement und der Nut die Kraftmesseinrichtung (
10 ) vorgesehen ist. - Gleitringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch eine Signalverarbeitungeinrichtung, an der das Ausgangssignal der Kraftmess richtung (
10 ) anliegt, um anhand einer vorgegebenen Referenzgrösse für einen ordnungsgemässen Betriebszustand den momentanen Betriebszustand und/oder die Lebensdauer der Gleitringdichtung (1 ) zu ermitteln und anzuzeigen. - Gleitringdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Signalverarbeitungseinrichtung ferner die Ausgangssignale von ein oder mehreren Erfassungseinrichtungen für die Temperatur an oder im Bereich der Gleitringe und/oder den Druck im und/oder im Bereich nahe dem Dichtspalt zwischen den Gleitringen und/oder der Drehzahl des rotierenden Gleiringes und/oder der Dichtspaltweite anliegen, wobei in der Signalverarbeitungeinrichtung zugehörige Referenzgrössen gespeichert sind, und dass die Ausgangsignale der Erfassungseinrichtungen in die Ermittlung des momentanen Betriebszustandes und/oder der Lebensdauer der Gleiringdichtung einbezogen werden.
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