Einfluss von Dichtung, Druck und Standzeit auf Drehdurchführungen

Drehdurchführungen kommen immer dann ins Spiel, wenn Medien zwischen stationären und rotierenden Bauteilen übertragen werden. Ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit ist in diesem Zusammenhang das Drehmoment, das vom Dichtungssystem, dem Arbeitsdruck und der Standzeit abhängt.

In den vielen Bereichen des Maschinenbaus ist es erforderlich, unter Druck stehende Medien von einem feststehenden und einem rotierenden oder schwenkenden Körper zu übertragen oder auch zwischen zwei gegeneinander rotierenden Körpern. Mit Schläuchen ist dies nicht möglich. Deshalb ist der Bereich von Endlos-Drehbewegungen beziehungsweise großen Drehwinkeln den Drehdurchführungen vorbehalten. Sie werden in vielen Anwendungen eingesetzt, sei es auf dem Sektor der erneuerbaren Energien bei Windkraftanlagen, bei Geländefahrzeugen zur Skipistenpräparation, in der Metallindustrie zur Herstellung von Coils oder in der Landwirtschaft bei Traktoren.

Von essentieller Bedeutung sind Drehdurchführungen in der Baumaschinenbranche. Dort dienen sie als Schnittstelle zwischen Ober- und Unterwagen von Hydraulikbaggern. Auf dem theoretisch unendlich oft drehbaren Oberwagen sind der Antriebsmotor und das Hydrauliksystem integriert. Dieses System ist verantwortlich für den Arbeitsdruck und versorgt das hydraulisch angetriebene Fahrwerk des Unterwagens mit Druckflüssigkeit. Über die Drehdurchführungen wird der Antrieb des Unterwagens mit Drucköl vom Oberwagen versorgt. In der Mitte des Drehkranzes sitzend, führen sie bei jeder beliebigen Winkelstellung das Öl zum Antrieb und wenn erforderlich wieder in den Öltank zurück.

Ein anderer Anwendungsbereich sind Werkzeugmaschinen mit innengekühlten Werkzeugen. Drehdurchführungen leiten hier das Kühlschmiermittel ein, das beim Betrieb erforderlich ist. Fungierend als Schnittstelle zwischen rotierender Spindel und stationärer Versorgungsleitung wird das Medium ohne Leckage an seinen Einsatzort befördert. Dies stellt eine schwierige Aufgabe für das System und für die Abdichtung dar.

Für jede Anwendung der richtige Dreh

Drehdurchführungen gibt es je nach Anzahl der zu führenden Medien und nach Anwendung in einkanaliger und mehrkanaliger Ausführung. Bei Mehrkanaligen besteht die Schwierigkeit darin, den gleichzeitigen, voneinander getrennten Transport der verschiedenen Medien zu gewährleisten, da in der Regel eine Vermischung unerwünscht ist.

Drehdurchführungen können für eine Vielzahl von Flüssigkeiten oder Gasen entwickelt werden. Einzeln oder in Kombination ist es möglich, Öl, Diesel, Kühlflüssigkeiten, Wasser oder Luft zu führen. Die Vielfalt der Bauteile reicht bei Tries von der einkanaligen Variante mit einem dichtenden Durchmesser von 20 Millimetern bei einem Gewicht von 0,3 Kilogramm bis zu massiven, 23-fachen Ausführungen mit einem dichtenden Durchmesser von 240 Millimeter und einem Gewicht von 810 Kilogramm.

Einsatzbereich festlegen

Der Einsatzbereich der Bauteile wird mit Hilfe des p∙v-Faktors festgelegt. Dieser Faktor gibt den Zusammenhang von zulässiger Umfangsgeschwindigkeit v und maximalem Druck p wider. Konkret bedeutet der p∙v-Wert: Je höher der Systemdruck, desto niedriger die zulässige Umfangsgeschwindigkeit und umgekehrt.

Die Hauptbestandteile einer Drehdurchführung sind der drehbar gelagerte Rotor und der feststehende Stator. Der Rotor besitzt an seiner Außenseite je nach Ausführung einen oder mehrere Arbeitsanschlüsse. Diese stehen mit entsprechend positionierten Ringnuten auf der Rotorinnen- beziehungsweise Statoraußenseite in Verbindung. Auf Höhe der jeweiligen Ringnuten besitzt das Gegenstück, der Stator, radiale Bohrungen. Diese münden ihrerseits wiederum in Bohrungen, die durch den Stator in Achsrichtung verlaufen.

An der Außenseite des Stators sind die Arbeitsanschlüsse entweder axial oder radial zu diesen zentralen axialen Bohrungen positioniert. Mit diesem Prinzip wird zwischen den beiden Teilen des rotierenden Systems eine vom Drehwinkel unabhängige, dauerhafte Verbindung hergestellt. Die Verschaltung beziehungsweise Verbindung der einzelnen Kanäle lässt sich mit Schaltsymbolen abbilden, um die Funktion der Drehdurchführungen ersichtlich zu machen.

Rotationsdichtungen sind für die Abdichtung der verschieden Kanäle verantwortlich. Weitere Dichtungen an den äußeren Schnittstellen der Drehdurchführung sichern nach außen und innen: Nach außen schützen sie die Umwelt gegen den Verlust von Betriebsmedium und nach innen schützen sie die Drehdurchführung vor Verschmutzungen. Trotz extremen Beanspruchungen und rauen Arbeitsbedingungen besitzen Drehdurchführungen keine begrenzte Anzahl an Betriebsstunden. Realisiert wird dies zum einen mittels präziser Fertigungstechnologie und zum anderen durch die Verwendung von belastbaren Materialien.

Reibungsarme Drehdurchführungen

Das Drehmoment, das für den Betrieb von Drehdurchführungen erforderlich ist, hängt zu einem großen Teil von den Reibwerten der bereits erwähnten Rotationsdichtungen ab. Je nach Dichtungssystem ergeben sich also verschiedene Werte. Um zwei Systeme miteinander zu vergleichen, wird der Verlauf der Drehmomentkurve über dem jeweiligen Drehwinkel angetragen. Das Druckniveau bleibt dabei gleich, beispielsweise bei 250 bar.

Im Diagramm 1 wird das Drehmoment zweier Dichtungssysteme miteinander verglichen. Hierzu wird der Verlauf der Drehmomente über dem jeweiligen Drehwinkel bei einem definierten Druckniveau (hier 250 bar) dargestellt. Die rote Kurve beschreibt das erforderliche Drehmoment das beim Einsatz einer Standartdichtung aufgebracht werden muss. Die grüne Kurve gibt dagegen den Drehmomentverlauf eines optimierten Dichtungssystems wieder. Durch einen sprunghaft ansteigenden Peak zeigt sich, dass bei beiden Dichtungen anfänglich das sogenannte Losbrechmoment aus dem Stillstand heraus überwunden werden muss.
Anschließend nimmt das Drehmoment der Drehdurchführung bei beiden Kurven einen leicht ansteigenden Verlauf ein, bis eine Umdrehung von 360° durchlaufen ist.
Vergleicht man die beiden Kurven wird deutlich, dass das mit dem optimierte Dichtungssystem signifikant das aufzuwendende Drehmoment reduziert. Das Losbrechmoment kann fast um die Hälfte reduziert werden. Das Drehmoment gegen Ende einer vollen Umdrehung, bei 360°, kann um ungefähr zwanzig Prozent verringert werden. Dichtungen haben somit einen erheblich Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit und Funktionsfähigkeit von Drehdurchführungen.

Arbeitsdruck beeinflusst Drehmoment

Ein weiterer Faktor, der das aufzuwendende Drehmoment beeinflusst, ist der vorhandene Arbeitsdruck: Mit zunehmendem Druck nimmt das erforderliche Drehmoment zu. Begründet ist dieses Verhalten dadurch, dass sich die Dichtungen bei steigendem Druck immer stärker an den Stator anlegen.
Diagramm 2 zeigt den Verlauf des Drehmoments bei vier unterschiedlichen Druckniveaus. Wird die Drehdurchführung bei einem Druck von 100 bar bewegt, dargestellt durch den grünen Kurvenverlauf, führt dies zu einer Verdoppelung des Drehmoments auf ungefähr 400 Newtonmeter. Eine weitere Anhebung des Druckniveaus auf 200 beziehungsweise 300 bar führt zu einer Drehmomenterhöhung auf 650 und 950 Newtonmeter.

Einfluss der Standzeit

Neben Dichtungen mit unterschiedlichen Reibwerten und den verschiedenen Druckniveaus hat auch die Zeit, in der sich die Drehdurchführung nicht bewegt, einen Einfluss auf ihre Arbeitsweise. Die Abhängigkeit des Losbrechmoments von der Standzeit wird mittels Diagramm 3 verdeutlicht. Dazu wird der Drehmomentverlauf für vier unterschiedlich lange Standzeiten über dem Drehwinkel aufgetragen. Die rote Kurve beschreibt das Verhalten des Drehmoments aus einer laufenden Drehbewegung heraus, die grüne Kurve gibt den Verlauf nach einem Stillstand von zwei Minuten wieder. Die blaue und orange Kurve zeigt das Verhalten der Drehmomente nach fünf und zehn Minuten.

Deutlich zu sehen ist, dass das Losbrechmoment aus dem quasidynamischen Zustand heraus am geringsten ausfällt. Hier sind die Gleiteigenschaften zwischen den Dichtungen und dem Stator auf einem optimalen Niveau. Nach einem Stillstand von zwei Minuten, dargestellt mit der grünen Kurve, muss aufgrund des Anhaftens der Dichtungen an den Stator 40 Prozent mehr Drehmoment aufgebracht werden, um die Drehdurchführung in Gang zu bringen. Nach einem Zeitraum von fünf und zehn Minuten sind es 45 und 50 Prozent mehr Drehmoment, um die Drehdurchführung zu betätigen.

Alle hydraulischen Bauteile zu 100 Prozent geprüft

"Das Unternehmen setzt beim Qualitätsmanagement eine Hundertprozent-Prüfung, das heißt jede einzelne Drehdurchführung wird auf ihre Funktion getestet, bevor sie das Werksgelände verlässt. Gemessen werden dabei die Dichtheit und die Arbeitsweise des Systems unter den jeweiligen Einsatzbedingungen mit entsprechenden Belastungszyklen.
Die Abteilung für Sondermaschinenbau entwickelt dafür eigens Prüfstände, in die ein Datenerfassungssystem integriert ist. Bei jedem Produkt werden die Drehmomente sowie das Nieder- und Hochdruckverhalten erfasst und digital abgespeichert. Jede Drehdurchführung hat also eine Historie, die Nachverfolgbarkeit ist gewährleistet." Felix Neubauer, Tries

überarbeitet von Redaktion Automation NEXT