Durch einen neuartigen Dichtringaufbau und den Einsatz selbstschmierender Elastomere gelingt es mit dem VR-Ring der Bauform SOA, Anwendungen im mittleren Druckbereich von 15 bis 150 bar abzudecken. Bei Pumpen und Drehdurchführungen war es bisher kaum möglich, Radialwellendichtungen aus Elastomer bei hohen p-v-Werten sicher einzusetzen: Hohe Radialkräfte führen zum Einfressen des Dichtwerkstoffs in die Wellenoberfläche, dazu kommen hohe Verlustmomente und hohe Reibtemperaturen.
Die mechanische und physikalische Überbeanspruchung bei hohen p-v-Werten geht ursächlich auf eine zu grosse Spaltextrusion zwischen Druckabstützung und Welle zurück.
Die Dichtwirkung im Lippenbereich
Das Wirkprinzip dieser federlosen Radialwellendichtungen beruht darauf, dass über metallische Stützkörper Membrankörper in S-förmiger Ausbildung mit genau abgestimmter Vorspannung aufgezogen werden. Die angrenzende, abgeschrägte Dichtlippe wirkt der Druckrichtung des Mediums entgegen und wird auf der Rückseite von der integrierten Druckscheibe gestützt.
Wird der Membrankörper über den Metallkörper gestreckt, baut sich in Membran und Dichtlippe eine radiale und eine tangentiale Kraft auf. Diese ersetzen die Federkraft, die bei Standarddichtungen die Radialkraft erzeugt. Durch die Tangentialkraft lässt sich die Radialkraft auf bis zu ein Viertel derjenigen eines Standardrings senken. Das ist der wesentliche konstruktive Vorteil:
- keine Einlaufspuren auf der Welle, auch ohne Härten und Schleifen
- einsetzbar auf nichtrostenden Wellen (V2A, V4A)
- geringe Verlustleistung, hohe Drehzahlen möglich
- hohe Druckbelastbarkeit bei hoher Dichtwirkung
- hohe Standzeiten
Die Spaltextrusion
Jeder Radialwellendichtring unterliegt unter Druckbelastung im Dichtlippenbereich einer Extrusion — der Dichtwerkstoff wird in den Spalt zwischen Welle d1 und Wirkdurchmesser Dw hineingezogen. Der Abstand dieses Spalts beträgt ds = (Dw − d1) / 2 und ist der bestimmende Faktor für den p-v-Wert der Dichtstelle.
Der Wirkdurchmesser Dw wird entweder durch die Dichtringkonstruktion oder durch das hinter der Dichtlippe anschliessende Bauteil bestimmt — Gehäuse, Scheibe und Ähnliches.
Unter Druckbelastung treten eine deutlich höhere Radialkraft und zusätzlich eine Axialkraft in Richtung der druckabgewandten Seite auf, weil der Werkstoff in den Ringspalt gezogen wird. Bei rotierenden Wellen kommt die Torsion der Dichtlippengeometrie hinzu. Das führt zu hohen Schubspannungen im Werkstoff, die eine Funktion von Druck, Geschwindigkeit, Reibwert und Ringspalt sind.
Es ist deshalb zwingend, über den gesamten Umfang ein konstantes Mass ds zu erreichen. Ausserdem muss die Dichtlippe von einer Fläche gestützt werden, die etwa 30° zum Wirkdurchmesser steht, damit sie nicht auf ganzer Länge unter Druck an der Welle anliegt.
Ist ds zu gross oder ungleichmässig, kommt es zu Materialverbrennungen und zum Abscheren der Dichtlippe im Betrieb. Der Ringspalt entscheidet damit darüber, ob eine Dichtung dem vorgegebenen Druck und der vorgegebenen Umfangsgeschwindigkeit standhält oder zerstört wird.
Beim VR-Dichtsystem wird der Dichtspalt über das Bohrungsmass des Stützkörpers berücksichtigt. Höhere und dynamisch auftretende Druckbelastungen verlangen kleinere Abstände. Für die VR-Wellendichtringe wurden Mindestwerte für ds unter Druckbelastung ermittelt.
Um hohe Drücke aufnehmen zu können, muss ds klein sein und die Druckabstützung hinter der Dichtung stabiler und präziser werden. Beim Standardring wurde diese Abstützung bisher über eine zusätzliche Scheibe hinter der Dichtung erreicht.
Bei der VR-Ausführung SOA ist diese Druckscheibe in die Dichtungsstruktur integriert. Durch die zusätzliche metallische Zentrierung gegenüber der Gehäusebohrung lassen sich extrem niedrige ds-Werte erreichen — die Dichtung sitzt absolut mittig zur Welle.
Genau das ist nötig, um über den gesamten Umfang dasselbe ds-Mass zu erreichen. Nur dann ist der Spannungsverlauf im Werkstoff unter Druck über den Umfang konstant und es tritt keine Materialextrusion auf. Ungleiche Spannungsverhältnisse führen zu vorzeitigem Versagen durch tangentiale Risse oder verkürzen die Standzeit erheblich.
Zusammenfassung
Die Verkleinerung des Spiels zwischen Welle und Stützring und die Verbesserung des Elastomerwerkstoffs durch Gleitzusätze führten zu einem grundlegend neuen Aufbau des Radialwellendichtrings. Diese Konstruktion ermöglicht den Einsatz im mittleren Druckbereich, insbesondere bei Pumpen.
Die konstruktiven Vorgaben zum Stützkörpermass D3 finden Sie in den Konstruktionsrichtlinien.