Die druckbelastete und druckentlastete Gleitringdichtung

Zuletzt geändert am 02.06.2010 um 14:26

Einleitung

Die in der Pumpe unter Druck stehende Förderflüssigkeit, übt auf die Gleitringdichtung verschiedene hydraulische Kräfte aus. Diese Kräfte werden als Öffnungskräfte und als Schließkräfte bezeichnet.

• Schießkraft
  Als Schließkraft bezeichnet man die Kraft, die versucht die beiden Gleitflächen gegeneinander zu drücken. Die Förderflüssigkeit drückt also den Gleitring von dessen Rücken aus (also von der gegenüberliegenden Seite der Gleitfläche), zuzüglich der Federkraft, in Richtung des Gegenringes und erzeugt somit einen gewissen Anpressdruck der beiden Gleitflächen. Da der Gegenring stationär im Gehäuse sitzt, übt die Förderflüssigkeit keine Kraft auf diesen aus.

• Öffnungskraft
  Als Öffnungskraft bezeichnet man die Kraft, die versucht die beiden Gleitflächen auseinander zu drücken. Die Förderflüssigkeit drückt also nicht nur auf den Rücken des Gleitringes (Schließkraft), sondern sie versucht auch, sich zwischen die Gleitflächen zu schieben und so Gleit- und Gegenring auseinander zu drücken. Dabei findet ein linearer Druckabfall vom Produktraum zur Atmosphärenseite hin statt. Auch hier übt die Förderflüssigkeit keine Kraft auf den Gegenring aus, da dieser ja stationär im Gehäuse sitzt.

Bemerkung:
Bei stationären Gleitringdichtungen, gilt das Gleiche. Jedoch drückt die Förderflüssigkeit nicht auf den Rücken des rotierenden Gleitringes, sondern auf den rotierenden Gegenring. Auch hier entfällt die Einbeziehung die Federkraft.

Die Summe beider Kräfte ergibt also den tatsächlichen Anpressdruck der beiden Gleitflächen. Daraus ergibt sich folgendes:

• Ist der Anpressdruck zu gering, drückt die Förderflüssigkeit die beiden Gleitflächen auseinander und es entsteht eine Leckage.
• Ist der Anpressdruck zu hoch, vergrößert sich die Belastung der aufeinander liegenden Gleitflächen. Dadurch kommt es zu einer höheren Temperaturentwicklung, einer mangelnden Schmierung (da die Förderflüssigkeit sich nicht mehr ausreichend zwischen die Gleitflächen drücken kann) und einer stärkeren Abnutzung der beiden Gleitflächen.

 

Die druckbelastete Gleitringdichtung

Wir wissen nun, dass der richtige Anpressdruck die Lebensdauer einer Gleitringdichtung positiv beeinflusst. Aber wie groß soll der optimale Anpressdruck sein? Dazu eine kleine Beispielrechnung:

Nehmen wir an, dass die Förderflüssigkeit, unmittelbar an der Gleitringdichtung einen Druck von 10 kg/cm² hat. Die Rückseitige Fläche am Gleitring (Schulter), auf die die Förderflüssigkeit einwirken kann, beträgt 6 cm² (also 100% Schließkraft).

Die passende Formel für unsere Berechnungen lautet:

Kraft: Druck x Fläche

• Berechnung der Öffnungskraft:
  Beginnen wir zunächst mit der Berechnung der Öffnungskraft. Da zwischen den Gleitflächen, vom Dichtungsraum zur Athmosphärenseite hin, ein linearer Druckabfall herrscht, gehen wir von einem durchschnittlichen Druck von 5 kg/cm² aus (also die hälfte der Gesammtfläche).
  
  5 kg/cm² x 6 cm² = 30 kg.
  
  Diese Kraft versucht die beiden Gleitflächen zu öffnen. Da der Gegenring wie schon erwähnt fest im Gehäuse sitzt, überträgt sich die Kraft nur auf den Gleitring.

 

• Berechnung der Schließkraft:
  Der Druck von 10 kg/cm² liegt am Rücken des Gleitringes an und da hier kein linearer Druckabfall stattfindet, wird diese Kraft komplett auf die Gleitfläche übertragen.
  
  10 kg/cm² x 6 cm² = 60 kg
  
  Diese Kraft versucht die die Gleitflächen zu schließen. Dabei ist die Schließkraft der Feder nicht mit eingerechnet. Daraus schlussfolgern wir, dass diese GLRD nicht druckentlastet ist, weil die Schliesskraft 2x so groß ist wie die Öffnungskraft. Das führt zu den oben aufgeführten Problemen, wie einer höheren Temperaturentwicklung, einer mangelnden Schmierung und einer stärkeren Abnutzung der beiden Gleitflächen.

 

Die druckentlastete Gleitringdichtung

Was muss also getan werden, um die Schließkraft zu verringern?
Die wohl einfachste Möglichkeit ist, die Fläche an der Schulterseite des Gleitringes zu verkleinern, auf die die Förderflüssigkeit einwirken kann. Dazu bringt man auf dem Gleitring und der darunter liegenden Wellenhülse einen Absatz an.

Damit die Öffnungskraft jedoch nicht größer wird als die Schließkraft, sollte ein Verhältnis von 70% zu 30% eingehalten werden. Das bedeutet, dass die Schließkraft nur noch auf 70% der ursprünglichen Fläche einwirken kann. Für unser Rechenbeispiel bedeutet das, dass wir die Fläche am Gleitring von 6 cm² auf 4,2 cm² verringern.

Rechnen wir nun mit den neuen Gegebenheiten:

• Berechnung der Öffnungskraft
  Auch hier gehen wir wieder von einem durchschnittlichen Druck der Förderflüssigkeit von 5 kg/cm² aus, die auf die Gleitflächen einwirkt. Jedoch beträgt die Fläche auf der die Öffnungskraft wirkt, immer noch 6 cm², da wir an der Gleitfläche selber ja nichts verändert haben.
  
  5 kg/cm² x 6 cm² = 30 kg

• Berechnung der Schließkraft
  Hier rechnen wir wieder mit dem Druck, den die Förderflüssigkeit auf die Schulterfläche des Gleitringes ausübt, also 10 kg/cm². Die Schulterfläche hat sich jedoch auf den Wert von 4,2 cm²(70%) verringert.
  
  10 kg/cm² x 4,2 cm² = 42 kg

 

Fazit:
Durch die Verringerung des Verhältnisses zwischen der Schliesskraft und der Öffnungskraft, wird die entstehende Reibung, und damit verbunden die Temperaturentwicklung, deutlich gesenkt. Die Förderflüssigkeit kann sich besser zwischen die Gleitflächen drücken um diese zu schmieren und zu kühlen. Demzufolge wird die Lebensdauer der Gleitringdichtung deutlich erhöht.