Modellbildung metallischer Dichtsitze

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff; Dr. Bo Nils Johann Persson
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 384871263

Statische Dichtsitze sind Maschinenelemente von zentraler Bedeutung in einer Vielzahl fluidtechnischer Anwendungen. Ihre wesentliche Aufgabe besteht darin, ungewollte Leckage zu verhindern. Dichtsysteme können in weichdichtende, zumeist auf Elastomerdichtungen basierende, und hartdichtende metallische Kontakte eingeteilt werden. Trotz des scheinbar simplen Aufbaus eines hartdichtenden Dichtsitzes ist es bis heute nicht möglich, die auftretende Leckage abhängig von Konstruktions- und Betriebsparametern korrekt vorherzusagen.Ein großes Einsatzgebiet der hartdichtenden Dichtsitze findet sich in Ventilen der Sitzbauweise. Diese werden beispielsweise in der Mobilhydraulik als Lasthalteventile eingesetzt, um unkontrollierte sicherheitsrelevante Maschinenbewegungen zu vermeiden. Die Auslegung erfolgt durch Expertenwissen und Erfahrungswerte. Dies führt zu einer Auslegung hin zur sicheren Seite und damit zu einer Überdimensionierung des Dichtsitzes hinsichtlich Anpresskraft und Geometrie. Das Resultat sind ein unnötig großer Bauraum, verringerte Dynamik und zumeist eine beschränkte Zeitfestigkeit des Ventils.Ein neuer Ansatz zur Beschreibung von zwei Kontaktpartnern wurde durch Dr. Bo Persson entwickelt. In der sogenannten Kontaktmechanik-Theorie können hart-weich-Kontakte abgebildet werden und die resultierende Leckage genau vorhergesagt werden.Das Ziel dieses Projekts ist es, die Kontaktmechanik-Theorie auf metallische, hartdichtende Kontakte zu übertragen und somit ein allgemeines Modell zur Beschreibung metallischer Dichtsitze zu erforschen. Hierbei steht ein theoretisches Konzept mit physikalischer Motivation, welches Parameter wie plastische Verformung und Oberflächenrauheit berücksichtigen soll, im Vordergrund. Zur Entwicklung und Validierung des allgemeinen Kontaktmodells sollen Prüfstände zur isolierten Betrachtung einzelner Parameter entwickelt und die Messungen mit dem Modell verglichen werden. Zusätzlich werden mehrdimensionale FEM- und CFD-Simulationen durchgeführt, um nicht messbare Größen für die Validierung nutzen zu können. Die Ergebnisse führen zu einem erweiterten Modell zur Beschreibung von hart-hart-Kontakten, welches in einem weiteren Schritt an einem realen Anwendungsbeispiel validiert werden soll.Aus wissenschaftlicher Sicht werden zum einen die Beschreibung der Kontaktmechanik zwischen zwei metallischen Partnern vorangetrieben und zum anderen Grundlagen zur fundierten Auslegung von metallischen Dichtsitzen und zur gesamtheitlichen Weiterentwicklung von Sitzventilen geschaffen. Die im Rahmen des Projekts zu entwickelnde Methode zur Beschreibung der Kontaktmechanik von hart-hart-Paarungen sowie die resultierenden Erkenntnisse lassen sich voraussichtlich auch auf weitere wesentliche Komponenten des allgemeinen Maschinenbaus mit derartigen Kontaktstellen übertragen (Pressverbände, Schraubenverbindungen etc.).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Olivier Reinertz