Gleitringdichtung mit überwachungsfunktion

Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung 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 gas- geschmierten 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 Dichtspalt 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 Gerätschaft 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 Ermittlung der tribo- logischen Reibverhältnisse im Dichtspalt zwischen den zusammenwirkenden Gleitringen zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird auf die Patentansprüche verwiesen. Dabei macht sich die Erfindung 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 die 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 den momentan gemessenen Verhältnissen Ergebnisse aus Vergleichsversuchen oder Erfahrungswerten als Referenzgrössen gegenüberstellt. Die Erfindung ermöglicht ferner die Feststellung von gefährlicher Festkör-

perreibung in einem sehr frühen Stadium lange vor einem dadurch bedingten übermä- ssigen Verschleiss an den Gleitflächen, um rechtzeitig 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 beinhalten 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.

Gemäss einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Kraftmesseinrichtung einen am stationären Bauteil montierten Messsensor mit einem sich im Wesentlichen tangential zu einer Umfangsstelle des drehgesichterten Gleitringes erstreckenden und damit verbundenen Kraftübertragungselement. Dabei kann zwischen dem Kraftübertragungselement und dem drehgesichterten Gleitring eine formschlüssige Verbindung vorgesehen sein. Mit dieser Weiterbildung wird eine erfindungsgemässe Anordnung geschaffen, die nicht nur unkompliziert und für robuste Anwendungsfälle besonders geeignet ist, sondern es wird dadurch auch die Zuverlässigkeit der Messungen deutlcih verbessert, da das Kraftübertragungselement des Messsensors unmittelbar am drehgesicherten Gleitring angebunden ist und keine messwertverfälschenden Zwischenglieder erforderlich sind.

Bei einer Bauart einer Gleiringdichtung gemäss einer anderen Weiterbildung, bei der zur Drehsicherung des Gleiringes eine Nut-Feder-Anordnung vorgesehen ist, könnte die Kraftmesseinrichtung zwischen dem Federelement und der Nut vorgesehen sein, was die Unmittelbarkeit der Messwerterfassung weiter verbessert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in geschnittener Ansicht eine Gleitringdichtung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung im Zustand der Montage auf einer abzudichtenden Welle, und

Fig. 2 die Gleitringdichtung nach Fig. 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 Fig. 1 mit dem allgemeinen Bezugszeichen 1 versehene Gleitringdichtung ein Paar zusammenwirkende Gleitringe 2, 3 um- fasst, 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 Be-

rührung 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 grossere 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 Flui- dreibung bei einem ordnungsgemässen Schmiermittelfilm bzw. Festkörperreibung bei fehlendem bzw. unzureichendem Schmiermittelfilm.

Erfindungsgemäss ist zur Erfassung der Reibkräfte im Kraftfluss zwischen dem stationären Gleitring 3 und dem Dichtungsgehäuse 8 eine Kraftmesseinrichtung angeordnet, die in Fig. 1 das allgemeine Bezugszeichen 10 trägt und in Fig. 2 mit weiteren Details gezeigt 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, grund- setzlich nicht drehfest in Bezug auf das Gehäuse 8 montiert, so dass der Hauptkraft- fluss 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 Montage 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 den 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.