Drall auf Wellenoberflächen ist eine häufige, aber mit bloßem Auge kaum erkennbare Ursache für undichte Radial-Wellendichtsysteme. Der Surface/Lead Inspector der TGU Sealing Technology aus Stuttgart misst ihn mit dem heliInspect H8 in wenigen Minuten, strukturbasiert und nach FVA-Richtlinie 975 I.
Drallmessung in Minuten: Der Surface/Lead Inspector mit heliInspect H8
Ein Radial-Wellendichtring ist ein unscheinbares Bauteil vieler technischer Systeme, aber sein Versagen ist teuer: Ölleckage, Reklamationen, Stillstand. Eine der häufigsten Ursachen liegt dabei nicht im Dichtring selbst, sondern in der Oberfläche der Welle, auf der er läuft, der sogenannten Dichtungsgegenlauffläche. Feine, gerichtete Strukturen, die beim Schleifen der Welle entstehen, wirken im Betrieb wie ein Fördergewinde und pumpen Fluid unter der Dichtlippe hindurch. Die Dichtungstechnik nennt dieses Phänomen Drall.
Die TGU Sealing Technology aus Stuttgart ist ein Spezialist für Dichtungstechnik, hervorgegangen aus den Forschungsaktivitäten des Instituts für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart. Mit dem Surface/Lead Inspector wurde dort nun ein Messsystem entwickelt, das Drall quantitativ, richtlinienkonform und vor allem schnell erfasst. Das Herzstück ist unser 3D-Sensor heliInspect H8. In diesem Beitrag zeigen wir, was Drall ist, wie man ihn misst und warum eine schnelle 3D-Topographiemessung den Unterschied macht.
Was ist Drall, und warum ist er so tückisch?
Drall bezeichnet förderaktive Oberflächenstrukturen der Dichtungsgegenlauffläche, die im dynamischen Betrieb die Strömung im Dichtspalt in axialer Richtung umlenken. Entscheidend ist die Orientierung: Weichen Schleifriefen oder andere Strukturen von der Umfangsrichtung der Welle ab, entsteht je nach Orientierung ein Rechts- oder Linksdrall.
Die Förderrichtung hängt von der Drehrichtung der Welle und der Drallorientierung ab. Fördert die Struktur nach außen, tritt Leckage auf. Fördert sie nach innen, trocknet der Dichtkontakt aus und es resultieren Mangelschmierung, erhöhte Reibung und thermische Schädigung von Dichtring und Welle. Beide Fälle führen zum Ausfall eines Dichtsystems, und beide sind mit bloßem Auge nicht zu erkennen. Zuverlässig beurteilen lässt sich Drall nur messtechnisch.
Die FVA-Richtlinie 975 I: Eine gemeinsame Sprache für Drall
Wie Drall gemessen und bewertet wird, regelt die FVA-Richtlinie 975 I „Oberflächen/Drall – Wellendichtungen“ der Forschungsvereinigung Antriebstechnik. Entwickelt und geschrieben wurde sie vom Forschungsbereich Dichtungstechnik des Instituts für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart. Sie fasst den aktuellen Stand von Technik und Forschung zusammen, legt eine einheitliche Terminologie fest und beschreibt einen durchgängigen Workflow von der Zeichnungsangabe über die Messung bis zum Messprotokoll. Damit ist sie die verlässliche Basis für eine konsistente Qualitätssicherung von Wellendrall und für die systematische Schadensanalyse an Dichtungsgegenlaufflächen.
Die Richtlinie kennt zwei Wege:
- Die Fadenprüfung ist der historische, vorwiegend qualitative Schnelltest. Ein mit einem Gewicht beschwerter Faden wird um die Welle gelegt und zeigt eine vorhandene Förderwirkung an und erlaubt die Abschätzung eines theoretischen Drallwinkels. Eine Differenzierung der einzelnen Drall-Kategorien ist aber nicht möglich.
- Die strukturbasierte Drallanalyse wertet Mikro- und Makrodrall quantitativ aus optisch erfassten 3D-Topographiedaten aus. Einzelne Schleifriefen und Strukturen werden segmentiert und in Winkel, Tiefe und Volumen vermessen. Das Ergebnis sind reproduzierbare Kenngrößen wie Drallwinkel, Dralltiefe und theoretischer Förderquerschnitt. Die Rauheit der Sichtfläche wird dabei zusätzlich nach DIN EN ISO 25178 charakterisiert.
Der zweite Weg setzt eines voraus: einen Sensor, der 3D-Topographien mit Mikrometerauflösung schnell genug liefert, um eine ganze Welle in vertretbarer Zeit zu erfassen.
Der Surface/Lead Inspector: alle Methoden der Richtlinie in Minuten
Hier setzt der Surface/Lead Inspector an. Die Welle wird im Gerät aufgenommen und berührungslos unter dem Sensor abgefahren. Als Sensor kommt der heliInspect H8 zum Einsatz, ein Weißlicht-Interferometer, das pro Aufnahme eine vollständige 3D-Topographie in Mikrometerauflösung liefert.
Das System deckt alle Methoden der FVA-Richtlinie 975 I ab. Weil der heliInspect H8 Höheninformation flächig und in einem Durchgang erfasst, kann das Gerät ein dichtes Messraster in Achs- und Umfangsrichtung um die ganze Welle fahren, statt Profil für Profil abzutasten. Für die Fertigung heißt das: Drallmessung nicht mehr nur als Stichprobe im Labor, sondern taktzeitnah in der Qualitätssicherung.
Das Gerät nimmt Wellen bis 200 mm Durchmesser, 380 mm Länge und 20 kg Gewicht auf und ist mit 600 × 700 × 900 mm und 70 kg kompakt genug für den Einsatz nahe an der Fertigung. Eine einfach zu bedienende Messsoftware führt durch die Messung und erstellt das Messprotokoll mit den Drallkenngrößen und einer 3D-Visualisierung der Oberfläche.
Mehr als Drall: Rauheit aus derselben Messung
Da der Sensor vollständige 3D-Topographien liefert, sind weitere Auswertungen ohne Umspannen möglich. Der Surface/Lead Inspector bestimmt 2D-Rauheitskennwerte wie Ra, Rz und Rmax nach ISO 4287 sowie 3D-Kennwerte nach DIN EN ISO 25178. Auch der Verschleiß an gelaufenen Wellen lässt sich quantifizieren: Tiefe und Breite der Laufspur eines Dichtrings werden direkt aus der Topographie ermittelt, ein wichtiges Werkzeug für die Schadensanalyse.
Fazit: Die Sensorik macht die Richtlinie praxistauglich
Die FVA-Richtlinie 975 I beschreibt, wie Drall vollständig und reproduzierbar bewertet werden sollte. Der Surface/Lead Inspector zeigt, dass sich dieser Anspruch mit einem schnellen 3D-Sensor auch in der industriellen Praxis umsetzen lässt: alle Drall-Kategorien, alle Methoden der Richtlinie, in Minuten statt Stunden. Für uns ist das Gerät ein gutes Beispiel dafür, wie aus einer schnellen Topographiemessung mit dem heliInspect H8 ein vollständiges Prüfsystem wird.
Weitere Informationen
- Surface/Lead Inspector, Drallmessung als Dienstleistung und Broschüre:
TTI GmbH – Drallmessung und Surface/Lead Inspector (Gerät) - Live Demonstration am Heliotis-Stand auf der Vision Stuttgart
- Unser 3D-Sensor: heliInspect H8
Heliotis AG