Die Abdichtung ist ein entscheidender Faktor für die ordnungsgemäße Funktion hydraulischer Systeme. Ob Flüssigkeitsaustritt an Zylindern oder Kolben oder das Eindringen schädlicher Verunreinigungen – beides verringert die Gesamtlebensdauer und Effizienz des Hydrauliksystems erheblich.
Um sicherzustellen, dass keine Hydraulikflüssigkeit aus dem System austritt und keine externen Verunreinigungen eindringen, hat die Industrie zahlreiche Dichtungsprodukte, -technologien und -methoden entwickelt, von denen jedes seine eigenen Vorteile bietet. Darüber hinaus kann sich in bestimmten anspruchsvollen Anwendungsumgebungen die Leistung einer einzelnen Dichtung als unzureichend erweisen, um die hohen Anforderungen der Ausrüstung zu erfüllen, was den Einsatz eines umfassenderen Dichtungssystems erforderlich macht.
Auswahl und Anwendung von Dichtungssystemen
Dichtungssysteme bestehen in der Regel aus mehreren spezifischen Dichtungen, die zusammenarbeiten, um eine hervorragende Gesamtleistung zu erzielen. Dichtungssysteme für Hochdruckzylinder bestehen üblicherweise aus vier Komponenten: Staubdichtungen, Stangendichtungen (oder Primärdichtungen), Pufferdichtungen (oder Sekundärdichtungen) und Führungsringe. Kolbendichtungssysteme hingegen bestehen aus einer Primärdichtung und einem Führungsring.
Derzeit sind Polyurethan (PU), Nitrilkautschuk (NBR), Fluorkautschuk (FKM) und Polytetrafluorethylen (PTFE) die vier am weitesten verbreiteten Materialien in hydraulischen Dichtungsanwendungen.
Materialauswahl
Die Wahl des Dichtungsmaterials wird in erster Linie von der Betriebsumgebung bestimmt. Beispielsweise reagieren verschiedene chemische Typen unterschiedlich mit verschiedenen Flüssigkeiten, während bestimmte Materialien höheren Druck- und Temperaturgrenzen standhalten können. Dichtungsmaterialien müssen außerdem eine Beständigkeit gegen Druckverformung aufweisen; Folglich hängt die Materialauswahl stark vom spezifischen Anwendungskontext ab.
Nachfolgend sind einige der gängigsten Dichtungsmaterialien und ihre Vorteile in verschiedenen Anwendungen und Umgebungen aufgeführt.
1. Polyurethan
Polyurethan ist ein organisches Material mit hohem Molekulargewicht, dessen chemische Struktur eine erhebliche Anzahl von Urethangruppen enthält. Es gehört zur Familie der thermoplastischen Elastomere (TPE) und weist hinsichtlich Härte, Verformungsverhalten und Viskosität sowohl Eigenschaften thermoplastischer Kunststoffe als auch elastischer Materialien auf und schließt damit die Lücke zwischen diesen beiden Materialkategorien. Innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs besitzt Polyurethan die Elastizität von Gummi und behält gleichzeitig viele Vorteile von Hartkunststoffen bei.
Die Zusammensetzung von Polyurethan wird durch drei Komponenten bestimmt: Polyole, Diisocyanate und Kettenverlängerer. Die Art und Menge dieser Materialien sowie die Reaktionsbedingungen sind die Schlüsselfaktoren für die endgültigen Eigenschaften des Polyurethanmaterials.
Im Allgemeinen besitzt Polyurethan die folgenden Eigenschaften: • Hohe mechanische Festigkeit • Hohe Zugfestigkeit • Gute Abriebfestigkeit • Hervorragende Flexibilität • Elastizitätsmodul über einen weiten Bereich einstellbar • Großer Härtebereich bei gleichzeitig guter Elastizität • Gute Ozon- und Oxidationsbeständigkeit • Hervorragende Verschleiß- und Reißfestigkeit • Gute Beständigkeit gegen Öle und Benzin Betriebstemperaturbereich: -30 bis 80 °C; Hochleistungs-(Compound-)Typen halten in Mineralölen bis zu 110°C stand (Dauerbelastungstemperatur)
2. Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, NBR
NBR ist ein Polymer aus Butadien und Acrylnitril. Der Gehalt an Acrylnitril (ACN) beeinflusst maßgeblich die folgenden Eigenschaften von NBR: • Elastizität • Kältezähigkeit • Gasdurchlässigkeit • Druckverformungsrest • Beständigkeit gegen Quellung in Mineralölen, Fetten und Kraftstoffen
NBR-Materialien mit niedrigem Acrylnitrilgehalt weisen eine hervorragende Kälteflexibilität (bis ca. -45 °C) und eine mäßige Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen auf. Umgekehrt bieten Materialien mit sehr hohem Acrylnitrilanteil die beste Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen, ihre Kälteflexibilität erreicht jedoch möglicherweise nur -3°C. Mit zunehmendem Acrylnitrilgehalt nimmt die Elastizität und Gasdurchlässigkeit des Materials ab, während sich seine Druckverformungseigenschaften verschlechtern.
NBR besitzt die folgenden Eigenschaften: • Gute Quellbeständigkeit in aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Fetten, flammhemmenden Hydraulikölen der HFA-, HFB- und HFC-Gruppe, tierischen und pflanzlichen Ölen und Fetten, leichten Heizölen und Diesel. • Gute Verträglichkeit in heißem Wasser bis zu 100 °C (z. B. Sanitäranwendungen) sowie in anorganischen Säuren und Laugen mittlerer Konzentration und Temperatur. • Mäßige Quellbeständigkeit in Kraftstoffen mit hohem Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen (Premiumkraftstoffe). Kraftstoffe mit hohem Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen (Premiumkraftstoffe) • Eine starke Quellung tritt bei aromatischen Kohlenwasserstoffen, chlorierten Kohlenwasserstoffen, flammhemmenden Hydraulikflüssigkeiten der HFD-Gruppe, Estern, polaren Lösungsmitteln und Bremsflüssigkeiten auf Ethylenglykolbasis auf
Betriebstemperaturbereich (abhängig von der Zusammensetzung der Mischung): -40 bis 100 °C, kurzzeitig bis 130 °C (Material härtet bei höheren Temperaturen aus). Für spezielle Formulierungen kann die Kälteflexibilität auf -55 °C erweitert werden.
3. Fluorkautschuk (FKM)
FKM ist ein Copolymer, Terpolymer oder eine Terpolymerisation, die durch die Polymerisation von Vinylidenfluorid (VF) mit unterschiedlichen Anteilen an Hexafluorpropylen (HFP), Tetrafluorethylen (TFE), 1-Hydroxymethylethylenfluorid (HFPE) und Perfluormethylethylenvinylether (FMVE) entsteht. Die Zusammensetzung und der Fluorgehalt (zwischen 65 % und 71 %) dieser Polymere sorgen für unterschiedliche Medienbeständigkeit und Kälteflexibilität. Die Vernetzung von FKM kann mit Diaminen und Bisphenolen oder organischen Peroxiden erreicht werden.
FKM besitzt die folgenden Eigenschaften: • Hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit • Hervorragende Beständigkeit gegen Öle, Benzin, Hydraulikflüssigkeiten und Kohlenwasserstofflösungsmittel • Gute Flammhemmung • Geringe Gasdurchlässigkeit • In polaren Lösungsmitteln, Ketonen, flammhemmenden Hydraulikflüssigkeiten vom Typ Skydrol und Bremsflüssigkeiten kommt es zu einer erheblichen Quellung. Betriebstemperaturbereich: ca. -20 bis 200 °C (kurzzeitige Einwirkung bis zu 230 °C). Sondertypen können von -50° bis 200°C reichen.
4. Polytetrafluorethylen (PTFE)
PTFE ist ein Polymer aus Tetrafluorethylen. Dieses unelastische Material zeichnet sich aus durch: • Eine glatte Oberfläche und stabile Eigenschaften. • Ungiftig bei Betriebstemperaturen bis 200 °C. • Extrem niedriger Reibungskoeffizient gegenüber den meisten anderen Materialien; Statische und dynamische Reibungskoeffizienten sind nahezu identisch. • Hervorragende elektrische Isolationseigenschaften (praktisch unbeeinflusst von Frequenz, Temperatur oder Witterungseinflüssen). • Chemische Beständigkeit, die alle anderen Thermoplaste und Elastomere übertrifft. • Flüssige Alkalimetalle und bestimmte fluorierte Verbindungen können PTFE bei erhöhten Temperaturen erodieren
PTFE weist einen Temperaturbeständigkeitsbereich von -200 °C bis 260 °C auf; Selbst bei extrem niedrigen Temperaturen behält es ein gewisses Maß an Elastizität, was es in zahlreichen kryogenen Umgebungen vielseitig einsetzbar macht. Aufgrund der relativ geringen Elastizität und der Tendenz zum Kaltfluss im Laufe der Zeit erfordern die meisten hydraulischen Anwendungen den Einbau von Feder- oder Elastomerkomponenten, um Lippendichtungsstrukturen vorzuspannen.
Dichtungsdesign
Im Folgenden sind einige der gängigsten Dichtungskonstruktionen aufgeführt, die in Hydraulikzylindern zu finden sind.
1. Kolbendichtungen:
Es dient zur Abdichtung zwischen Kolben und Zylinderrohr und ist für die ordnungsgemäße Funktion des Hydraulikzylinders von entscheidender Bedeutung. • Die gebräuchlichste Ausführung ist die Lippendichtung, es können jedoch auch O-Ringe, T-Dichtungen und andere Typen verwendet werden. • Es muss eine effiziente Abdichtung bieten und gleichzeitig einen angemessen niedrigen Reibungskoeffizienten aufrechterhalten. • Abhängig von den spezifischen Betriebsbedingungen kann es aus verschiedenen Dichtungsmaterialien hergestellt werden. • Zur wirksamen Aktivierung der Lippendichtung ist Systemdruck erforderlich.
2. Staubdichtungen (Abstreifer):
Sorgt für eine robuste Abstreifwirkung, um das Eindringen von Schlamm, Wasser, Staub und anderen Verunreinigungen in das System zu verhindern. • Hält beim Einfahren der Kolbenstange einen Schmierölfilm im System aufrecht. • Schützt primäre Dichtungselemente und verlängert dadurch die Lebensdauer der Dichtung. • Typischerweise aus hochabriebfestem Polyurethan hergestellt. • Wird häufig als Fettdichtung für Pleuelstangenbolzen verwendet
3. Stangendichtungen:
Verhindert das Austreten von Systemflüssigkeit. • Muss sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drücken wirksam abdichten. • Erfordert eine hervorragende Extrusions- und Verschleißfestigkeit. • Sollte über eine gute Fähigkeit zur Wiederherstellung des Schmierölfilms verfügen. • Muss in der Regel Drücken von bis zu 31,5 MPa standhalten
4. Pufferdichtung
Muss hohen Druckstößen standhalten. • Schützt Stangendichtungen vor Druckspitzen. • Verfügt über eine Druckentlastungsfunktion, um einen Druckaufbau zwischen den Dichtungen zu verhindern. • Verlängert die Lebensdauer der Stangendichtung. • Ermöglicht größere Extrusionsspalte. • Weist eine hohe Verschleißfestigkeit auf
5. Führungsring Kolbenführungsringe
Verhindern Sie den Kontakt zwischen Metallkomponenten im Zylinder. • Zentrieren Sie Kolbenstange und Kolben relativ zu den Zylinderkörperkomponenten. • Verlängern Sie die Lebensdauer der Dichtungen
6. O-Ringe
Wird am häufigsten in statischen Anwendungen eingesetzt und hält die dichtende Kontaktkraft durch radiale oder axiale Verformung aufrecht. • Bidirektionale Wirkung ermöglicht die Abdichtung auf beiden Seiten von Komponenten. • Kann als Kraft ausübendes Element oder Primärdichtung fungieren. • Für die Selbstabdichtung ist kein zusätzlicher Systemdruck oder zusätzliche Geschwindigkeit erforderlich, um eine Abdichtung zu erreichen
Die Dichtungstechnologie ist von zentraler Bedeutung für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Betriebseffizienz hydraulischer Systeme. Von der Auswahl einzelner Materialien bis hin zur abgestimmten Auslegung mehrkomponentiger Dichtungssysteme muss jedes Element genau auf die Betriebsumgebung, Druckstufen und Temperaturbereiche abgestimmt sein.
