Modellbildung metallischer Dichtsitze

 

Metallische Dichtsitze übernehmen in hydraulischen Anwendungen oftmals sicherheitsrelevante Funktionen. Trotz ihrer häufigen Verwendung und ihres scheinbar simplen Aufbaus ist es bis heute nicht möglich, die auftretende Leckage in Abhängigkeit von Konstruktions- und Betriebsparametern hartdichtender Dichtsitze korrekt vorherzusagen. Ziel der Studie ist ein wissenschaftlich fundiertes Verständnis über das Dichtverhalten metallischer Dichtsitze durch die Modellbildung zu erarbeiten.

 
Nutzen Vorgehen
Wissenschaftlich fundiertes Verständnis metallischer Dichtsitze Simulationsmodellbildung der Makrodeformation und Mikrodeformation
Vorhersage von Leckage an hartdichtenden Kontaktstellen Verknüpfung und Analyse der Simulationsmodelle
Validierung der Simulationsmodelle Prüfstandentwicklung zur Ermittlung des realen Ventilverhaltens

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Modellbildung zur Makrodeformation und Mikrodeformation hartdichtender Kontakte

Zu Beginn der Modellbildung wurden einfache Geometrien betrachtet. Die Komplexität wurde nachfolgend erhöht bis das reale Ventilverhalten abgebildet werden konnte. Bei der Makrodeformation wurde analysiert wie sich die Kontaktkörper unter Einfluss von Kontaktkraft und Zeitdauer verformten und welchen Einfluss dies auf den resultierenden Leckagestrom hatte.

Das Simulationsmodell der Mikrodeformation beinhaltet die Analyse der Materialstrukturänderungen auf mikroskopischer Ebene bei dem Kontakt metallischer Körper.

Durch die Verknüpfung der beiden Modelle entstand ein Simulationsmodell, welches die Kontaktmechanik metallisch, hartdichtender Kontakte realitätsgetreu nachstellt. Das Modell wurde nachfolgend durch Prüfstandergebnisse validiert.

 

Entwicklung eines Prüfstands zur Validierung der Simulationsergebnisse

FEM des Dichtkontakts einer Kugel

Die Entwicklung des Prüfstands geschah unter Berücksichtigung der durch die Simulation darstellbaren Erkenntnisse. Um wissenschaftlich sinnvolle Ergebnisse zur erhalten ist vor allem die Auswahl und Positionierung der Messtechnik von entscheidender Bedeutung. Zudem ist die Positionierung des Dichtkörpers und des Dichtsitzes zueinander von besonderer Wichtigkeit. Nicht zu vernachlässigen ist ebenfalls die reproduzierbare Fertigungsqualität der Dichtkörper. Als Dichtkörper wurde eine Kugelform gewählt sowie ein Dichtsitz mit einer kegelförmigen Bohrung.

 

Ergebnisse

Basierend auf der Kontaktmechanik von Persson et al. konnte ein Simulationsmodell entwickelt werden, welche die Leckage basierend auf der Geometrie des Ventils sowie Messungen der Oberflächen vorhersagt. Dabei werden zuerst der Kontaktdruck und die Kontaktoberfläche unter Berücksichtigung der Rauheit und des Materialverhaltens berechnet. Anschließend findet die Simulation der Leckage statt.

Das so entwickelte Simulationsmodell wurde mit Hilfe des Prüfstandes an realen Sitzventilen erfolgreich validiert. Mit der Validierung des Modells wurde auch gleichzeitig die Anwendbarkeit von Perssons Theorie, die ursprünglich für Elastomere entwickelt wurde, für metallische Oberflächen gezeigt.

 

Danksagung

DFG Logo Urheberrecht: © DFG  

Das Forschungsprojekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Es handelt sich um ein Verbundvorhaben, welches das ifas zusammen mit dem Peter Grünberg Institut (PGI) des Forschungszentrums Jülich durchführt.

 

Veröffentlichungen

Titel Autor(en)
Comparative analysis of leakage calculations for metallic seals of ball-seat valves using the multi-asperity model and the magnification-based model
Fachzeitschriftenartikel (2021)
Peng, Chao (Corresponding author)
Fischer, Felix Justin
Schmitz, Katharina
Murrenhoff, Hubertus
Geometry of Ball Seat Valves
Fachzeitschriftenartikel (2021)
Fischer, Felix Justin (Corresponding author)
Bauer, Niklas
Murrenhoff, Hubertus
Schmitz, Katharina
Finite Element Analysis of the Hard-Hard Contact in Seat Valves
Beitrag zu einem Tagungsband (2020)
Fischer, Felix Justin
Bauer, Niklas
Murrenhoff, Hubertus
Schmitz, Katharina
Fluid Leakage in Metallic Seals
Fachzeitschriftenartikel (2020)
Fischer, Felix Justin (Corresponding author)
Schmitz, Katharina
Tiwari, A.
Persson, B. N. J.