Suchen

Hydraulikzylinder Wechselwirkung von Stangenbeschichtung und Dichtung in einem Hydraulikzylinder u0__untertitel bitte hier einfügen und daran denken, dass höchstens vier Zeilen erlaubt sind. Der Rest wird weggekürzt in Form von xxxxxxxxxxxxxxxxxx

| Redakteur: Dorothee Quitter

Parker Prädifa hat die Auswirkungen alternativer Stangenbeschichtungen auf das Betriebsverhalten von Dichtungen aus gefüllten PTFE-Compounds untersucht.

Firmen zum Thema

Hydraulische Prüfeinrichtung für Reibkraftprüfungen nach Parker-Hausnorm (Bild: Parker Prädifa)
Hydraulische Prüfeinrichtung für Reibkraftprüfungen nach Parker-Hausnorm (Bild: Parker Prädifa)

Ob in der Luftfahrttechnik oder in Erdbewegungsmaschinen – der Einsatz von Kolbenstangen mit hartverchromter Oberfläche ist seit langer Zeit gängige Praxis in Hydraulikzylindern zum Schutz gegen Korrosion und Verschleiß. Strengere Umweltauflagen ebenso wie die Forderung nach immer längerer Lebensdauer haben in den letzten Jahren zur Entwicklung alternativer Kolbenstangenbeschichtungen geführt. Doch welchen Einfluss haben die neuen Beschichtungen auf das Betriebsverhalten der Dichtsysteme? Gibt es die „ideale Beschichtung“ für alle Anwendungszenarien?

Reibung und Verschleiß von Dichtungssystemen, insbesondere von Kolbenstangendichtungen, haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz und Lebensdauer eines Hydraulikzylinders. So lange die Antriebsleistung der Hydraulikpumpe ausreichend hoch ist, spielt die Dichtungsreibung nur eine untergeordnete Rolle im Hinblick auf die Effizienz des hydraulischen Systems. In diesem Fall besteht die Hauptaufgabe der im Zylinder montierten Dichtungen und Abstreifer darin, Leckage aus dem System und das Eindringen von Schmutz ins System zu verhindern – auch unter extremen Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel beim Ausbaggern eines Flusslaufes.

Bildergalerie

Daneben gewinnen für die Betreiber moderner fluidtechnischer Anlagen neben den so genannten „Komforteigenschaften“ auch Umweltaspekte immer mehr an Bedeutung. In erster Linie sind hier die Reibeigenschaften von Kolbendichtungen und Kolbenstangendichtungen zu nennen. Eine zu hohe Haft- und Gleitreibung wirkt sich nicht nur negativ auf den Verschleiß der eingesetzten Dichtungen aus – und damit auf den Wirkungsgrad des kompletten hydraulischen Systems – sondern führt auch zu unerwünschtem Ruckgleiten („Stick-Slip“) und hohen Losbrechkräften nach längerer Stillstandszeit, dem so genannten „Montagmorgen-Effekt“. Ungünstige Reibeigenschaften sind zudem Ursache für Dichtungsgeräusche wie Quietschen oder Knarzen, die zu erheblichen Lärmbelästigungen für die Umwelt führen können.

Im Hinblick auf den Umweltschutz kommen bei der Beschichtung von Kolbenstangen verstärkt Prozesse zum Einsatz, die die Umwelt nicht belasten.

Nachteile hartverchromter Kolbenstangen

Mit zunehmender Betriebsdauer verändert sich die Oberflächenbeschaffenheit bzw. Rauigkeit bei hartverchromten Kolbenstangen. Meist kommt es zu einer Glättung der Oberfläche mit der Folge des Reibungsanstiegs bei den eingesetzten Kolbenstangendichtungen oder zu Mikrorissen und einem Abtragen der Chromspitzen auf der Kolbenstangenoberfläche mit Ausbildung längerer Riefen über die gesamte Lauffläche. Diese Veränderungen wirken sich negativ auf das gesamte tribologische System aus und können zum Funktionsausfall des hydraulischen Aggregats führen.

Abhilfe durch Alternativen?

Die Forderung nach Kolbenstangenbeschichtungen, die auch bei längeren Laufzeiten ihre Rauheit und Struktur nicht verändern, hat zur Entwicklung neuer Verfahren geführt. Die Auswirkungen dieser alternativen Beschichtungen auf das Betriebsverhalten von Kolbenstangendichtungen wurden bei Parker-Prädifa umfangreich getestet. Dabei haben die nachfolgend dargestellten Untersuchungsergebnisse sowie eine Vielzahl weiterer Versuche zu dieser Thematik gezeigt, dass die Beschichtung der Kolbenstangenoberfläche einen signifikanten Einfluss auf das Reibungs-, Leckage- und Verschleißverhalten von Kolbenstangendichtungen haben kann.

Neben durchaus positiven Ergebnissen zeigte sich aber auch bei einer Reihe von anfänglich „gut dichtungsverträglichen“ alternativen Kolbenstangenbeschichtungen bei längeren Versuchszeiten ein erhöhter Dichtungsverschleiß mit daraus resultierendem vorzeitigen Ausfall durch Leckage.

Die im folgenden beschriebenen Versuche wurden an Kolbenstangendichtungen vom Typ OD, sogenannten Slipper Seals durchgeführt. Slipper Seals sind Dichtsätze, bestehend aus einem Dichtring aus einem gefüllten PTFE-Compound und einem Elastomer-O-Ring als Vorspannelement.

Auf dem Prüfstand

Kolbenstangen mit folgenden Beschichtungstypen wurden im Prüffeld bei Parker-Prädifa hinsichtlich ihres Einflusses auf Reibung, Verschleiß und Leckage von Kolbenstangendichtungen untersucht:

  • Hartverchromte Kolbenstangen verschiedenster Hersteller mit unterschiedlichen Rauigkeiten
  • Hartverchromte Kolbenstangen mit PTFE-Versiegelung
  • HVOF-gespritzte Kolbenstangen
  • Keramik-beschichtete Kolbenstangen mit und ohne Versiegelung
  • Salzbadnitrierte Kolbenstangen
  • Plasmanitrierte Kolbenstangen (mit und ohne zusätzlichem Schleifprozess)
  • Chemisch Nickel-beschichtete Kolbenstangen
  • Kolbenstangen mit Schmelzverbund-Beschichtungen
  • Nitrierte und nitrocarburierte Kolbenstangen
  • u. a.

Neben Leckagedauerversuchen nach ISO 7986 wurden hauptsächlich Reibungs- und Verschleißprüfungen in Kurzzeitversuchen nach Parker-Hausnorm auf einem hydraulischen Reibkraftprüfstand durchgeführt, der einen schnellen Wechsel der Kolbenstange bzw. des Prüfmediums ermöglicht.Bei den Reibkraftprüfungen werden im Laufe eines Versuches Druck, Prüftemperatur sowie Kolbenstangengeschwindigkeit in mehreren Schritten variiert.

Prüfparameter für Reibkraftuntersuchungen nach Parker-Hausnorm:

  • Betriebsdruck p: 0 bis 300 bar (in Stufen gesteigert)
  • Öltemperatur T: 30, 60 und 80 °C
  • Dauer: 72.000 Lastwechsel
  • Stangendurchmesse:r 36 mm
  • Hublänge: 280 mm
  • Gleitgeschwindigkeit: 0,01 bis 0,1 m/s (in Stufen gesteigert)
  • Medium: Mineralöl HLP 46 und andere

Versuchsergebnisse

Im Zuge der dynamischen Untersuchungen wurden Slipper Seals im Einsatz mit Kolbenstangen unterschiedlicher Beschichtung in einer Vielzahl von Kurzzeit-Reibungs- und in Leckagedauerlaufversuchen getestet.

Bild 1 zeigt das Ergebnis von Reibungsmessungen an PTFE-Slipper Seals für Stangendurchmesser 36 mm auf unterschiedlich bearbeiteten hartverchromten Kolbenstangen. Der Grafik kann entnommen werden, dass mit zunehmender Rauheit Rz (Stangenlieferant L1) der Oberfläche die Reibung der Dichtungen ansteigt. Bei der raueren geschliffenen Stangenoberfläche entstehen nahezu doppelt so hohe Reibkräfte, wie bei einer fein geschliffenen Kolbenstangenoberfläche. Bei keiner der Testdichtungen trat während des Versuchs Leckage auf.

Eine ähnliche Tendenz zeigte sich auch bei Reibkraftversuchen auf beschichteten Kolbenstangenoberflächen. Bild 2 stellt die Ergebnisse von Reibungsuntersuchungen an Slipper Seals aus einem Bronze-gefüllten PTFE-Compound auf unterschiedlich nitrierten Kolbenstangenoberflächen dar. Je nach Typ und dabei erzielten Rauheitswerten und Strukturen der Kolbenstangenoberfläche wurden teilweise dreimal so hohe Werte wie Hartchrom-beschichteten Kolbenstangen gemessen.

Neben der Füllstoffart hat auch der Füllstoffgehalt Einfluss auf das Reibungsverhalten. In Bild 3 ist dies beispielhaft für Slipper Seals aus verschiedenen Standard-PTFE-Compounds dargestellt. Mit zunehmendem Füllstoffgehalt konnte auch ein Anstieg der Reibkraft auf hart verchromten Kolbenstangen festgestellt werden. Ein ähnliches Bild zeigte sich auch im Einsatz auf alternativ beschichteten Kolbenstangenoberflächen, jedoch bei teilweise geringerer Streubreite der Ergebnisse.

Die Wahl des Füllstoffes ist abhängig von der Anwendung, jedoch müssen auch die Wechselwirkungen mit der Kolbenstangenoberfläche bei der Auswahl Beachtung finden. Bei weichen Kolbenstangenoberflächen können Dichtungen aus Bronze-gefüllten PTFE-Compounds zu Schädigungen an der Kolbenstangenoberfläche führen, während beispielsweise gering gefüllte Werkstoffe bei höher Temperatur und Druckbeaufschlagung zur Extrusion neigen und damit schließlich zu Leckage führen. Weiche PTFE-Compounds weisen einen deutlich höheren Verschleiß auf harten Kolbenstangenoberflächen – wie zum Beispiel auf nitrierten oder bei HVOF-beschichteten Kolbenstangen – als auf hart verchromten Kolbenstangen auf.

Gibt es die ideale Beschichtung?

Die Beschichtung der Kolbenstangenoberfläche hat einen signifikanten Einfluss auf das Reibungs-, Leckage- und Verschleißverhalten von Kolbenstangendichtungen. Selbst anfänglich „dichtungsverträgliche“ Kolbenstangenbeschichtungen führten bei längeren Versuchszeiten zu erhöhtem Verschleiß an den Dichtungen und demzufolge zum vorzeitigen Ausfall durch Leckage.

Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass es „die ideale Beschichtung“ für alle möglichen Anwendungsszenarien nicht gibt. Sowohl die gängige Hartverchromung als auch die alternativen Verfahren weisen jeweils Vor- und Nachteile hinsichtlich ihrer Auswirkung auf das Betriebsverhalten von Kolbenstangendichtungen auf.

Zur Auslegung des optimalen Dichtsystems für eine spezifische Anwendung muss daher das tribologische Gesamtsystem „Kolbenstängenoberfläche – Schmierstoff – Dichtung“ vor dem praktischen Einsatz in Zusammenarbeit mit dem Dichtungshersteller einer detaillierten Analyse unterzogen werden. (qui)

/1/ Ruck, H.: Hochbeanspruchte Dichtungen, Verschleißprüfungen als Schlüssel zur Kostensenkung, Der Konstrukteur, 1-2/1993 /2/ Prokop, Dr.-Ing. H.-J.:Zum Abdicht- und Reibungsverhalten von Hydraulik-Stangendichtungen aus Polytetrafluoräthylen, Dissertation, Bericht Nr. 30, IMA, Universität Stuttgart, 1989 /3/ Tao, J.:Untersuchung der physikalischen Vorgänge im Dichtspalt und des Reibungsverhalten von Hydraulik-Stangendichtungen, Dissertation, RWTH Aachen, 1991 /4/ Nevoigt, A.:Reibkraft- und Verschleißmessungen an Hydraulikzylindern mit beschichteten Kolbenstangen und -führungen, O+P Ölhydraulik und Pneumatik, 42 (1998) Nr. 1 /5/ Papatheodorou, Th.:Beitrag zum Reibungs- und Verschleißverhalten von dynamischen Dichtungen in Abhängigkeit von der Gegenlauffläche, Dichtungstagung Dresden 1999 /6/ Müller, H.K.: Abdichtung bewegter Maschinenelemente, Medienverlag U. Müller /7/ Tao, J.:Untersuchungen der physikalischen Vorgänge im Dichtspalt und das Reibungsverhalten von Hydraulik-stangendichtungen, Dissertation, RWTH Aachen, 1991 /8/ Kunst, H. u.a.:Verschleißhemmende Schichten, Expert Verlag, 1993 /9/ Hermann, A.J. u.a.:Galvanische Schichten, Expert Verlag, 1999 /10/ Nevoigt, A.:Untersuchungen der tribologischen Eigenschaften be-schichteter Bauteile in Hydraulikzylindern und Axialkolbenmaschinen, Dissertation, RWTH Aachen, 2000 /11/ Websites: www.gts-ev.de www.euro-surface.org www.sulzermetco.com www.dgo-online.de

* *Dipl. Ing. Thomas Papatheodorou, Manager Technical Services, Parker Hannifin, Packing Division Europa

*

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 25421300)