DE202007001223U1

DE202007001223U1 - Gleitringdichtung mit Überwachungsfunktion

Info

Publication number: DE202007001223U1
Application number: DE200720001223
Authority: DE
Original assignee: Burgmann Industries GmbH and Co KG
Current assignee: EagleBurgmann Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2007-01-22
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2017-01-23
Also published as: WO2008089800A1

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 der DE 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 der DE 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 nach 1 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 Bezugszeichen 1 versehene Gleitringdichtung ein Paar zusammenwirkende Gleitringe 2, 3 umfasst, die einander gegenüberliegende Gleitflächen 4, 5 aufweisen. Einer der Gleitringe, nämlich der Gleitring 2, ist auf einer Welle 6 aufgesetzt und so montiert, so dass sich der Gleitring 2 zusammen mit der Welle 6 drehen kann.
Eine Vorspannfeder 7 ist vorgesehen, um den Gleitring 2 axial in Richtung auf den anderen Gleitring 3 mit einer Vorspannkraft zu beaufschlagen und dadurch die Gleitflächen 4, 5 in dichtendem Eingriff miteinander zu drücken.
Der andere Gleitring 3 ist gegen eine Drehung mit der Welle 6 gehindert und dazu an einem Dichtungsgehäuse 8 gehalten, das, wie angedeutet, durch eine Schraubverbindung 9 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 Gleitringe 2, 3 ein Schmiermittelfilm aus dem abzudichtenden Medium aus, wodurch eine direkte Berührung der Gleitflächen 4, 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 Gleitringen 2, 3 wirkenden Reibkräfte und umso grössere Drehmomente wirken auf den stationären Gleitring 3 ein, die vom Dichtungsgehäuse 8 aufgenommen werden müssen, um den stationären Gleitring 3 in seiner drehgesicherten Beziehung zum mit der Welle 6 rotierenden Gleitring 2 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 Dichtungsgehäuse 8 eine Kraftmesseinrichtung angeordnet, die in 1 das allgemeine Bezugszeichen 10 trägt und in 2 mit weiteren Details ge zeigt ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Kraftmesseinrichtung 10 einen Kraftsensor 11, der am Dichtungsgehäuse 8, wie bei 12 angedeutet ist, in geeigneter Weise montiert ist. Beim Kraftsensor 11 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 Leitung 13 einer Signalverarbeitungseinrichtung (nicht gezeigt) zugeführt werden kann.
Zur Übertragung der Kraft vom Gleitring 3 auf den Kraftsensor 11 ist ein längliches stiftförmiges Kraftübertragungselement 14 vorgesehen, das an einem axialen Ende mit dem Kraftsensor 11 und am anderen axialen Ende mit dem stationären Gleitring 3, vorzugsweise formschlüssig, verbunden ist. Dazu kann ein vom betreffenden axialen Ende des Kraftübertragungselementes 14 abstehendes Vorsprungselement 15 in eine im stationären Gleitring 3 vorgesehene Ausnehmung eingreifen. Wie dargestellt, erstreckt sich das Kraftübertragungselement 14 im Wesentlichen tangential in Bezug auf den Umfang des Gleitringes 3. Ein auf den Gleitring 3 infolge der momentan zwischen den Gleitflächen 4, 5 herrschenden Reibkräfte ausgeübtes Drehmoment wird daher über das Kraftübertragungselement 14 auf den Kraftsensor 11 eine Drehkraft ausüben.
Wie dargestellt, ist der Gleitring 3, ausser durch die Kraftmesseinrichtung 10, grundsetzlich nicht drehfest in Bezug auf das Gehäuse 8 montiert, so dass der Hauptkraftfluss über die Kraftmesseinrichtung 10 erfolgt. Jedoch ist zwischen dem Gleitring 3 und dem Gehäuse eine bei 16 angedeutete Sekundärdichtung in Gestalt, z.B. eines O-Ringes, vorgesehen. Die Sekundärsichtung 16 kann einen geringen Beitrag an der drehsichernden Monatge des Gleitringes 3 gegenüber dem Dichtungsgehäuse 8 liefern, was eine entsprechende Abgleichung des Ausgangssignales des Kraftsensors 11 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 Gleitringes 2, 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

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.