DE102006028154A1

DE102006028154A1 - Gleitringdichtung für rotierende Wellen

Info

Publication number: DE102006028154A1
Application number: DE102006028154A
Authority: DE
Inventors: Christian Kirchner
Original assignee: Flowserve Dortmund GmbH and Co KG
Current assignee: Flowserve Dortmund GmbH and Co KG
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-06-17
Also published as: WO2007144187A1; DE102006028154B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung (1) für eine rotierende Welle (2) mit einem federbeaufschlagten Gleitring (4, 4') und einem Gegenring (5, 5'), wobei der Gleitring (4, 4') und der Gegenring (5, 5') einander zugeordnete verschleißfeste Kontaktflächen (6, 6') aufweisen. Erfindungsgemäß weist zumindest eine der Kontaktflächen (6, 6') eine ultradünne sensorische Verschleißschutzbeschichtung (7) auf, wobei die Verschleißschutzbeschichtung (7) an eine Messeinrichtung (5) angeschlossen ist, welche die elektrischen Eigenschaften der Verschleißschutzbeschichtung (7) misst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung für eine rotierende Welle mit einem federbeaufschlagten Gleitring und einen Gegenring, wobei der Gleitring und der Gegenring einander zugeordnete verschleißfeste Kontaktflächen aufweisen. Die Gleitringdichtung erlaubt eine Abdichtung der rotierenden Welle in einem Gehäuse. Je nach Einbausituation kann der federbeaufschlagte Gleitring dem feststehenden Gehäuse und der Gegenring der rotierenden Welle oder der Gegenring dem feststehenden Gehäuse und der federbeaufschlagte Gleitring der rotierenden Welle zugeordnet sein. Dadurch, dass der Gleitring von der zugeordneten Feder in Richtung des Gegenringes gedrückt wird, wird zwischen den aufeinander gleitenden Kontaktflächen eine Abdichtung erreicht.
Gleitringdichtungen mit den eingangs beschriebenen Merkmalen sind aus der Praxis bekannt und werden beispielsweise bei Maschinen zur Verdichtung, Expansion oder Förderung von Gasen oder Flüssigkeiten eingesetzt. Obwohl die Gleitringdichtungen verschleißfeste Kontaktflächen, beispielsweise aus Siliciumcarbid, kunstharzimprägnierter Kohle, metallimprägnierter Kohle, Spezialkohle, Wolframcarbid oder Aluminiumoxid aufweisen, kann langfristig ein Verschleiß der Gleitringdichtung nicht verhindert werden. Der Verschleiß der Gleitringdichtung äußert sich durch eine Abnahme der Dichtwirkung, so dass die Gleitringdichtung ersetzt werden muss. Unbefriedigend ist, dass im Rahmen der bekannten Maßnahmen ein Verschleiß der Gleitringdichtung nicht frühzeitig sondern erst bei dem Auftreten einer erhöhten Undichtigkeit feststellbar ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gleitringdichtung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen derart weiterzubilden, dass der Betriebs- und Verschleißzustand der Gleitringdichtung ständig und sicher erfasst werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest eine der Kontaktflächen eine ultradünne sensorische Verschleißschutzbeschichtung aufweist, wobei die Verschleißschutzbeschichtung an eine Messeinrichtung angeschlossen ist, welche die elektrischen Eigenschaften der Verschleißschutzbeschichtung misst. Die sensorische Verschleißschutzbeschichtung ist dabei Teil eines Messkreises, wobei ein elektrisches Signal über die Verschleißschutzbeschichtung geleitet wird. Aufgrund der sensorischen Eigenschaften der Verschleißschutzbeschichtung erlaubt dabei das von der Messeinrichtung aufgenommene Messsignal einen Rückschluss auf den Zustand der Gleitringdichtung. So führt der Abtrag der Verschleißschutzbeschichtung durch dauerhaften Abrieb zu einer vergleichsweise langsamen Änderung des elektrischen Widerstandes, so dass ein langsam voranschreitender Verschleiß sicher festgestellt werden kann. Vorzugsweise sind die elektrischen Eigenschalten der Verschleißschutzbeschichtung auch temperatur- und/oder druckabhängig. Neben der langsamen Änderung der elektrischen Eigenschaften durch Verschleiß können dann bei dem Betrieb der Gleitringdichtung auch schnelle, transiente Änderungen von Druck und Temperatur bis hin zu hochfrequenten Signalen im Bereich der Rotationsfrequenz der Welle ermittelt werden.
Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere eine Hartstoffschicht auf der Basis von Kohlenstoff als Verschleißschutzbeschichtung geeignet, wobei die Verschleißschutzbeschichtung im Wesentlichen in einer Mischung von sp²- und sp³-hybridisierten Kohlenstoffatomen vorliegt. Derartige Hartstoffschichten liegen typischerweise in amorpher Form vor, wobei aufgrund der diamantartigen sp³-Bindungen zwischen einzelnen Kohlenstoffatomen eine große Härte und durch die graphitartigen sp²-Bindungen eine geringe Reibung zwischen den Kontaktflächen von Gleitring und Gegenring erreicht werden können. Das Verhältnis von sp²-Bindungen und sp³-Bindungen kann durch eine Steuerung des Beschichtungsprozesses entsprechend der Erfordernisse eingestellt werden. Typischerweise sind bei derartigen Hartstoffschichten zusätzlich zu den Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen freie Bindungen einzelner Kohlenstoffatomen mit Wasserstoffatomen abgeschlossen. Diese Schichten werden in der Praxis häufig auch als a-C:H-Schichten oder auch als diamantartiger Kohlenstoff (Diamant-Like-Carbon DLC) bezeichnet. Neben Wasserstoff können die Hartstoffschichten herstellungsbedingt oder zur Verbesserung der Schichteigenschaften auch weitere atomare Komponenten, wie beispielsweise Metallatome, aufweisen.
Die Verschleißschutzbeschichtung kann beispielsweise auf das darunter liegende Material des Gleitrings bzw. des Gegenrings aufgedampft oder in einem Plasmabeschichtungsverfahren abgeschieden werden. Die Schichtdicke der Verschleißschutzbeschichtung liegt dabei typischerweise unter 100 μm und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1 μm und 10 μm.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verschleißschutzschicht zur Verbesserung der Sensoreigenschaften eine Nano-Strukturierung aufweist, wobei sich der Schichtaufbau der Verschleißschutzschicht gemäß der Nano-Strukturierung abschnittsweise ändert. Die Nano-Strukturierung kann beispielsweise durch Variation der Schichtdicke durch Einlagerung metallischer Nano-Partikel oder dergleichen [Größe von typischerweise weniger als 1 μm] realisiert werden.
Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine der Kontaktflächen von Gleitring oder Gegenring die sensorische Verschleißschutzbeschichtung aufweist und dass die zugeordnete andere Kontaktfläche aus einem elektrischen Isolator gebildet ist. Die elektrischen Eigenschaften der Verschleißschutzbeschichtung werden bei einer solchen Ausgestaltung entlang der Ausdehnung der Verschleißschutzschicht bestimmt. Der Gleitring bzw. der Gegenring, auf den die Verschleißschutzschicht aufgebracht ist, besteht dabei aus einem Isolator oder weist eine isolierende Zwischenschicht auf, auf die die Verschleißschutzschicht aufgebracht ist. Zum Anschluss an die Messeinrichtung weist die Verschleißschutzbeschichtung dabei zumindest zwei Kontaktstellen auf. Sofern mehr als zwei Kontaktstellen vorgesehen sind, können gleichzeitig zwischen den einzelnen Kontaktstellen mehrere Messsignale bestimmt werden, die insbesondere auch eine räumliche Zuordnung der Messsignale ermöglichen. Bei der Bestimmung der elektrischen Eigenschaften entlang der Ausdehnung der Verschleißschutzschicht führt die Abnahme der Schichtdicke während des langsamen Verschleißes der Gleitringdichtung zu einer Erhöhung des zwischen zwei Anschlüssen bestimmten Widerstandes.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Bestimmung eines elektrischen Widerstandes oder eines Spannungsabfalls zwischen dem Gleitring und dem Gegenring vorgesehen ist. Der Gleitring und der Gegenring sind bei einer solchen Ausgestaltung zweckmäßigerweise aus einem elektrisch gut leitenden Material gebildet, wobei der Gegenring und/oder der Gleitring mit einer ultradünnen sensorischen Verschleißschutzbeschichtung versehen ist/sind. Im Rahmen einer solchen Ausgestaltung wird das Messsignal durch den Zustand der Verschleißschutzbeschichtung, den Kontakt zwischen Gleitring und Gegenring und ggf. auch durch einen dünnen Schmierfilm zwischen Gleitring und Gegenring bestimmt. Ein Messsignal wird dabei zumindest über den Gleitring und den Gegenring geleitet, wobei vorzugsweise eine kontaktlose Übertragung des Messsignals auf die rotierende Welle oder auf den mit der Welle rotierenden Gleitring bzw. den mit der Welle rotierenden Gegenring erfolgt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine erfindungsgemäße Gleitringdichtung
2 eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gleitringdichtung.
1 zeigt eine Gleitringdichtung 1, die eine rotierende Welle 2 gegen ein feststehendes Gehäuse 3 abdichtet. Ein federbeaufschlagter Gleitring 4 ist gehäusefest angeordnet und wirkt auf einen Gegenring 5, der auf der rotierenden Welle 2 befestigt ist. Gleitring 4 und Gegenring 5 weisen einander zugeordnete verschleißfeste Kontaktflächen 6, 6' als Dichtflächen auf, wobei Gleitring 4 und Gegenring 5 aus einem elektrisch gut leitenden Material gebildet sind. Die Kontaktfläche 6' des Gegenrings 5 weist eine ultradünne Hartstoffschicht auf der Basis von Kohlenstoff als Verschleißschutzbeschichtung 7 auf, wobei die Verschleißschutzbeschichtung 7 im Wesentlichen in einer Mischung von sp²- und sp³-hypridisierten Kohlenstoffatomen vorliegt. Die elektrischen Eigenschaften der Verschleißschutzbeschichtung 7 sind temperatur- und druckabhängig, wobei die Verschleißschutzbeschichtung 7 zur Verbesserung der Sensoreigenschaften vorzugsweise eine Nano-Strukturierung in Form von gleichmäßig in die Kohlenstoffmatrix eingebetteten metallischen Nano-Kristallen aufweist. Die elektrischen Eigenschaften der Verschleißschutzbeschichtung 7 werden dadurch bestimmt, dass ein elektrisches Signal in einem Messkreis 8 über den Gegenring 5, die Verschleißschutzbeschichtung 7 und den Gleitring 4 zu einer Messeinrichtung 9 geleitet wird, wobei der gehäusefest angeordnete Gleitring 4 einen elektrischen Anschluss 10 aufweist und wobei die Signalübertragung von der Messeinrichtung 9 auf den Gegenring 5 kontaktlos induktiv oder kapazitiv erfolgt. Bei der Ausführung gemäß 1 wird ein elektrischer Widerstand oder ein Spannungsabfall zwischen dem Gleitring 4 und dem Gegenring 5 bestimmt. Durch das Messsignal können ein langsamer Verschleiß durch den Abtrag der Verschleißschutzbeschichtung 7 sowie schnelle Änderungen von Druck und Temperatur bei dem Betrieb der Gleitringdichtung 1 bis hin zu hoch frequenten Signalen im Bereich der Rotationsfrequenz ermittelt werden. Die Kontaktfläche 6 des Gleitrings 4 kann im Rahmen der Erfindung auch als ultradünne sensorische Verschleißschutzbeschichtung oder als herkömmliche, leitfähige Verschleißschutzbeschichtung gebildet sein.
2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Erfindung, wobei ein rotierender Gleitring 4' aus einem isolierenden Material, beispielsweise Keramik, von einem federnden Balg 11 beaufschlagt gegen einen gehäusefest angeordneten Gegenring 5' gedrückt wird. Der Gegenring 5' weist eine ultradünne sensorische Verschleißschutzbeschichtung 7 als Kontaktfläche 6' auf, die entsprechend der Ausführung zu 1 ausgebildet ist. Die Verschleißschutzbeschichtung 7 ist durch eine isolierende Zwischenschicht 12 von dem aus Metall gebildeten Körper des Gegenringes 5' getrennt. Die ultradünne sensorische Verschleißschutzbeschichtung 7 weist zumindest zwei Anschlüsse 10' auf, an denen die Verschleißschutzbeschichtung 7 an eine Messeinrichtung 9 angeschlossen ist. Bei der Ausführung gemäß der 2 werden die elektrischen Eigenschaften der Verschleißschutzbeschichtung 7 zwischen den Anschlüssen 10' entlang der Ausdehnung der Verschleißschutzbeschichtung 7 ermittelt.

Claims

Gleitringdichtung für eine rotierende Welle (2) mit einem federbeaufschlagten Gleitring (4, 4') und einem Gegenring (5, 5'), wobei der Gleitring (4, 4') und der Gegenring (5, 5') einander zugeordnete verschleißfeste Kontaktflächen (6, 6') aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kontaktflächen (6, 6') eine ultradünne sensorische Verschleißschutzbeschichtung (7) aufweist, wobei die Verschleißschutzbeschichtung (7) an eine Messeinrichtung (9) angeschlossen ist, welche die elektrischen Eigenschaften der Verschleißschutzbeschichtung (7) misst.
Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Eigenschaften der Verschleißschutzbeschichtung (7) temperaturund/oder druckabhängig sind.
Gleitringdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung (7) eine Hartstoffschicht auf der Basis von Kohlenstoff ist, wobei die Verschleißschutzschicht (7) im Wesentlichen in einer Mischung von sp²- und sp³-hypridisierten Kohlenstoffatomen vorliegt.
Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung (7) zur Verbesserung der Sensoreigenschaften eine Nano-Strukturierung aufweist, wobei sich der Schichtaufbau der Verschleißschutzbeschichtung (7) gemäß der Nano-Strukturierung abschnittsweise ändert.
Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Kontaktflächen (6, 6') die sensorische Verschleißschutzbeschichtung (7) aufweist und dass die zugeordnete andere Kontaktfläche (6, 6') aus einem elektrischen Isolator gebildet ist.
Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung eines elektrischen Widerstandes oder eines Spannungsabfalls zwischen dem Gleitring (4, 4') und dem Gegenring (5, 5') vorgesehen ist.