Equipment

Institute of Machine Components (IMA)

Overview of the research facilities and the equipment of the research area Saling Technology

Test benches

Test benches for rotary seals

The endurance test benches are constructed differently in order to be able to meet all the requirements for testing sealing systems. For example, there are versions with direct drive for quick changes of direction of rotation or acceleration of the shaft. In addition, individual test stations are equipped with hydraulic power packs to be able to apply high pressures. In addition, there are various designs to be able to operate the seal with oil sump, fluid spraying or even in dry running. In this way, even unusual operating conditions can be realised by means of testing.

  

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The universal test benches at the IMA are characterized by an extremely high adaptability. A wide range of sealing systems can be investigated by means of specific mounting adapters. A spraying with fluid as well as the tempering of the sealing system can be realized by corresponding aggregates and devices depending on the desired purpose of the examination. Aerostatic bearings allow high-precision friction torque measurements.

 

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The high-speed test stand is characterised by high flexibility and a wide range of measuring and testing possibilities. Tests can be performed at extreme temperatures and high speeds. Even PTFE sleeves can be tested up to their application limits. Due to the aerostatic mounted test chamber an exact measurement of the frictional torque is possible.

 

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The low temperature test rig was specially designed to carry out tests on sealing systems at low temperatures. The operation with fluid sump is possible. This is indirectly tempered via the housing. A powerful low-temperature unit with special coolant is available for this purpose. The operation can be carried out with or without icing of the sealing from the outside.

 

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The water endurance test bench was designed to carry out tests on sealing systems with water or aggressive or corrosive fluids to be sealed. Operation is possible with fluid sump or with fluid spraying. The test stand is designed with a direct drive to ensure fast acceleration and change of direction of rotation. In addition, fluid temperature control and pressurisation of the sealing system is possible.

 

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An optical test rig is used to visually examine the flow under the sealing edge. A hollow glass shaft and a rotatable sealing ring holder as well as an axially movable optical system with a digital video camera form an innovative examination system. This allows the flow in the sealing contact to be observed and analyzed under a wide range of conditions.

 

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Test benches for translational seals

Leakage, wear and pumping rate of a seal/rod combination are examined on the leakage test bench. The application limits are 35 MPa pressure and 1 m/s travel speed. A total of 10 seals can be tested simultaneously. The fixtures are compatible with those of the friction force test rig. Thus, sealing rings can be examined on both test benches.

 

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The friction force of hydraulic rod seals can be measured with the friction force test bench, separately for retracting and extending stroke. Tests up to 35 MPa pressure and speeds up to 1 m/s are possible.

 

 

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Today, housing joints are often statically sealed by means of bonded joints. High forces and excitation frequencies are required to investigate the load capacity of such sealing points with respect to oscillating shear and axial forces. These can be realized with the aid of the hydropulser.

 

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Measuring devices

Surface measuring devices

The Confovis surface and lead measuring device is an optical confocal topography measuring system specially developed for applications in sealing technology, with which technical surfaces can be measured with high resolution. Part of the equipment is a rotation unit, which makes it possible to optimally measure rotationally symmetrical shaft sealing surfaces. The Lead-Inspect software module is optimally adapted to sealing technology and, in addition to macro and micro-lead measurement, also enables the measurement of 2D and 3D surface parameters.

 

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Due to the high measuring speed, white-light interferometry enables particularly large measuring ranges to be measured with high resolution and in short times. With the additional rotation unit, the Bruker NPFLEX - LA is ideal for measuring cylindrical samples and thus ideally equipped for applications in sealing technology.

 

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High resolution 3D images of the seal countersurface and the seal itself can be obtained using the Keyence VK-9710 Laser Scanning Colour Microscope. The detailed view allows views that were previously only possible with scanning electron microscopes.

 

 

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The HOMMEL T8000 roughness measuring device is used to measure roughness and contour profiles of sealing components in accordance with DIN standards.

 

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Measuring instruments for damage analysis and material testing

Der IMA-Sealscanner® ist ein am IMA entwickeltes Messgerät mit dem die Verschleißbreite der Dichtkante und der Innendurchmesser eines Federvorgespannten-Elastomer-Radial-Wellendichtringes ohne hydrodynamische Rückförderstrukturen automatisiert gemessen und ausgewertet werden kann. Hierdurch wird eine anwenderunabhängige, schnelle und reproduzierbare Auswertung von RWDR nach Prüfstandsuntersuchungen ermöglicht.

 

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Picture IMA Sealobserver

Dynamic sealing systems fail due to a wide variety of damage mechanisms. A distinction can be made between mechanical, thermal and chemical damage. In order to determine the causes of sealing system failures, damage analysis is essential. The IMA Sealobserver allows visual surface analysis of sealing rings using a digital microscope. Variable adjustment options guarantee an optimal view of the sealing edge.

 

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Die Anpresskraft eines Dichtrings hat großen Einfluss auf das Reib- und Abdichtverhalten. Deshalb ist es unumgänglich, die Radialkraft eines Dichtrings exakt zu messen. Am IMA stehen hierfür drei Radialkraftmessgeräte nach DIN 3761-9 zur Verfügung, mit denen die Radialkräfte von fast allen Dichtringtypen auf Wunsch temperiert und wegkompensiert bestimmt werden können.

 

 

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Die Härte des Dichtrings in der Kontaktzone kann Aufschluss über chemische oder thermische Veränderungen durch den Betrieb geben. Am IMA steht für die Härteprüfung von Elastomeren das modulare Härteprüfgerät „Bareiss digi test II“ zur Verfügung. Damit können neben Härtemessungen der Dichtkante von Radialwellendichtringen (in Anlehnung an das IRHD M Verfahren nach DIN ISO 48) auch genormte Messungen an anderen Geometrien durchgeführt werden.

 

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Zur Ermittlung von Werkstoffkennwerten und beispielsweise zur Messung von Reib- oder Losbrechkräften an axial bewegten Dichtelementen steht eine Universal-Prüfmaschine zur Verfügung. Zugkräfte bis 10 kN und verschiedene Messprogramme mit variablen Verfahrgeschwindigkeiten sind realisierbar. Dehnungen werden berührungslos mit einem Videoextensometer erfasst. Mittels einer Temperierkammer können Messungen bis zu einer Temperatur von 150°C durchgeführt werden.

 

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Mit einem 3D-Verformungsmessgerät können Bauteilverformungen mit hoher Dynamik dreidimensional erfasst werden. So können beispielsweise dynamisch belastete statische Dichtstellen an Flanschen und Gehäusen beobachtet und die auftretenden Verformungen (z.B. Klaffen) visualisiert und gemessen werden.

 

 

 

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Die Erfassung der Temperatur an der Dichtkante ist seit jeher eine Herausforderung. Eine berührende Messung während den Versuchsläufen ist nicht möglich. Deshalb steht am IMA zwei Thermografie-Kameras zur Verfügung. Eine Besonderheit dabei ist das ein Präzisions-Mikroskopobjektiv, mit dem ein Bildfeld von 6 x 6 mm mit einer Auflösung von 25 μm vermessen werden kann. Aber auch Strahlungs-Pyrometer können hierzu bei Prüfstandsläufen eingesetzt werden.

 

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Vorgänge bei dynamisch hoch beanspruchten Dichtsystemen sind mit bloßem Auge nicht mehr zu erfassen. Daher wird zur Beobachtung dieser Vorgänge eine Hochgeschwindigkeitskamera eingesetzt. Mit dieser können komplexe Strömungen, Stick-Slip Effekte oder dynamische Anfahrprozesse sichtbar gemacht werden.

 

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Die grundlegende Betrachtung tribologischer Zustände ist an realen Bauteilen oft sehr schwierig. Aus diesem Grund werden abstrahierte Probenkörper an den Rotationstribometern in verschiedenen Schmierungszuständen analysiert. Untersucht werden verschiedene Gegenlaufflächen, Betriebsparameter (Anpressung, Drehzahl) und Schmierstoffe (Fette, Öle). Reibmoment, Temperatur und Verschleiß sind die betrachteten Messgrößen. Neben dem Ring-Scheibe-Prinzip an zwei Rotationstribometern kann an der Tribologie-Messzelle des Rheometers auch das Kugel-auf-drei-Platten-Prinzip eingesetzt werden.

 

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Die Viskosität von Schmierstoffen beeinflusst maßgeblich den Reibungszustand von Dichtsystemen (Stichwort Gümbelzahl-Diagramm) und damit auch einen möglichen mechanischen Verschleiß oder eine thermische Schädigung des Dichtrings. Das Rheometer MCR 302 der Firma Anton Paar ermöglicht nicht nur die Messung der Viskosität unterschiedlicher Schmierstoffe bei verschiedenen Temperaturen und Scherraten, sondern auch die Untersuchung des Linear-Viskoelastischen Verhaltens des Schmierstoffs. Zudem können über einen axialen Antrieb Normalkräfte bis 50 N gezielt aufgebracht und gemessen werden.

 

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picture of the contact width measuring device

The contact width of a sealing ring is measured on the circumference of the mounted sealing ring using special measuring instruments. It is even possible to apply pressure up to 25 bar.

 

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picture of Ellipsometer

The ellipsometer is a measurement device for the analysis of oil films on hydraulic rods. It is an optical and contactless measurement device. By direct measurement of the oil film thickness from the outstroke and instroke the difference can be calculated. Then, conclusions on the leak tightness can be drawn. The highest resolution of the measurement device is 0.1 nm.

 

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picture of electron microscope Phenom ProX

The Phenom ProX is an electron microscope (SEM) with fully integrated microanalysis (EDX). With the Phenom ProX samples can be examined for their morphological properties and chemical element compositions. This allows an observation of the sealing edge with high resolution and high magnification.

 

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Physical measuring devices (surface energy and wetting)

Picture of a Contact Angle Measuring Machine

Contact Angle Measuring Machine

dataphysics OCA 20

 

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Picture of a Bubble Pressure Tensiometer

Bubble Pressure Tensiometer

SITA science line t60

 

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Form and geometry measuring instruments

The inner diameter of a rotary shaft seal or a hydraulic rod seal can be used as a wear parameter in endurance tests. The sealing ring is optically measured contact-free with the profilometer in transmitted light. The profilometer is particularly well suited for measuring the seal ring diameter because, unlike a micrometer screw, the seal is not deformed during measurement and the measurement is automated.

 

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The coordinate measuring machine from Carl Zeiss makes it possible to measure geometrical sizes in a measuring range of approx. 900 x 1200 x 650 mm, e.g. the diameter at the sealing edge can be determined, or sealing grooves or entire housings can be measured.

 

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Simulation

Mit Hilfe der Finite Elemente Simulation ist es möglich, die Spannungen und Verformungen von Dichtungen im Betrieb zu ermitteln. Neben der Bestimmung von Pressungsverläufen und Radialkräften kann die Verformung der Dichtung im Betrieb Rückschlüsse über die Funktion der Dichtung zulassen. Somit können auch Geometrieoptimierungen durchgeführt werden.

 

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Das Materialverhalten von vielen Dichtungswerkstoffen ist stark zeit- und temperaturabhängig. Deshalb werden in der FEM-Simulation häufig viskoelastische Materialmodelle eingesetzt, die Effekte wie Spannungsrelaxation und Kriechen beschreiben. Die Kennwertermittlung kann beispielsweise an der institutseigenen Universalprüfmaschine erfolgen.

 

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Mit Hilfe der Numerischen Strömungssimulation (CFD) können die Strömungsverhältnisse in Dichtsystemen untersucht werden. Im Fokus der CFD-Simulation stehen die Schmierstoffversorgung und die Abfuhr der Reibwärme. Mittels kombinierter Wärme- und Strömungssimulation kann die Temperatur im Kontaktbereich von dynamischen Dichtsystemen ermittelt werden.

 

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Das Reibmoment und der Förderwert einer dynamischen Dichtung können mit Hilfe der Elastohydrodynamik-Simulation (EHD) numerisch analysiert werden. Grundlage dafür ist ein dreidimensionales Geometriemodell der Dichtung im Bereich des Dichtkontakts. Typische Ergebnisse der EHD-Simulation sind z. B. der hydrodynamische Druck und die hydrodynamische Spalthöhe.

Für die Analyse des isoviskosen elastohydrodynamischen Schmierfilmaufbaus (I-EHD) in engen Spalten kann das Programm IMA-FFSim verwendet werden.

 

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Der Verschleiß grenzt die Betriebsdauer von berührenden Dichtsystemen stark ein. Am Institut für Maschinenelemente werden Verschleißsimulationen mit Verschleißgesetzen unterschiedlicher Komplexität durchgeführt, um den fortschreitenden Materialabtrag an der Dichtkante zu untersuchen. Dafür werden im Vorfeld die thermo-mechanischen und verschleißspezifischen Materialkennwerte der Dichtelemente in Standardversuchen bestimmt.

 

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Mittels kombinierter Wärme- und Strömungssimulation kann die Temperatur im Kontaktbereich von dynamischen Dichtsystemen ermittelt werden. Damit kann der Einfluss auf die Temperatur im Kontaktbereich bei unterschiedlichen Betriebs- und Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Wellendrehzahl, Fluidfüllstand, Fluidtemperatur und Werkstoffauswahl untersucht werden.

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© Institut für Maschinenelemente

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Contact Head of Sealing Technology

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Frank Bauer

apl. Prof. Dr.-Ing.

Head of Sealing Technology &
Head of CAD

 

Institute of Machine Components (IMA)

Pfaffenwaldring 9, 70569 Stuttgart

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