Drallmessung
In vielen technischen Produkten werden Dichtsysteme aus Radial-Wellendichtring (RWDR), Welle und Fluid (typischerweise Öl) eingesetzt. Das Element „Dichtung“ ist essentiell, um die Grundfunktionen vieler Produkte zu gewährleisten. Für die dauerhafte Funktion des Dichtsystems ist es wesentlich, dass die Kontaktzone zwischen Dichtring und Welle vom Fluid ständig benetzt bleibt. Eine Ursache für ein undichtes System ist Drall. Vorhandensein gerichteter Strukturen auf der Wellenoberfläche wird als Drall bezeichnet und erzeugt eine Förderwirkung im Dichtsystem. Diese Förderwirkung kann zu Trockenlauf oder Leckage führen. In der Folge kann es neben Undichtigkeit auch zum Ausfall des Gesamtsystems führen. Der Drall auf der Wellenoberfläche ist durch eine Drallmessung zu quantifizieren, um das Dichtsystem sinnvoll auslegen und überprüfen zu können.
Die Oberflächenstruktur der Welle wird durch den Fertigungsprozess bestimmt und muss auf Förderwirkung und somit Drall und auf die stochastische Verteilung der Strukturelemente geprüft werden. Mit der Confovis Drallmessung wird Drall im Gegensatz zur Fadenmethode ohne Benutzereinfluss quantitativ ausgewertet. Langwellige periodische Strukturen werden genauso wie kurzwellige aperiodische Mikrostrukturen gemessen.
Bisher erfolgt die Drallmessung mit einem Tastschnittgerät nach der Daimler Werksnorm MBN 31007-7 oder per Fadenmethode. Dies lässt gewindeförmige Riefenstrukturen erkennen, die beispielsweise durch die Übertragung der Abrichtwendel vom Schleifwerkzeug auf die zu bearbeitende Oberfläche entstehen. Die Riefenstrukturen können zur Leckage oder zum Trockenlauf der Dichtung auf der Welle führen.
Die Drallmessung gemäß MBN 31007-7 erkennt ausschließlich langwellige periodische Strukturen, jedoch nicht Mikrostrukturen, die in vielen Fällen maßgeblich zur Förderwirkung des Dichtsystems beitragen. Zum Nachweis von Mikrostrukturen wird bisher vor allem die Fadenmethode eingesetzt. Diese ist jedoch auf Grund mehrerer Faktoren nicht quantifizierbar und ausreichend dokumentierbar, da sie z. B. durch die Art des Fadens und des beim Testverfahren verwendeten Fluids stark beeinflusst wird.
Bei der Drallmessung mit Confovis werden jegliche Förderstrukturen (langwellige periodische Makrostrukturen und kurzwellige aperiodische Mikrostrukturen), die das abzudichtende Fluid in Achsrichtung umlenken können, erkannt und quantitativ bestimmt. Mit dem optischen 3D-Messverfahren werden an der Welle, also der Gegenlauffläche des Radialwellendichtrings, in Achs- und Umfangsrichtung flächige Messstellen aufgenommen. Die flächigen Messergebnisse werden in ihrer Gesamtheit auf Förderstrukturen und somit Drall analysiert
Im Rahmen des Forschungskuratoriums Maschinenbau e.V. (FKM) wurde am Institut für Maschinenelemente in Stuttgart (IMA) ein Forschungsprojekt zur einer gesamtheitlichen Drallmessung durchgeführt. Diese Mess- und Auswertemethode wurde von Confovis in Kooperation mit dem IMA industrialisiert. Teil der Auswertung ist die MBN 31007-7 Norm, auch um die Vergleichbarkeit zu bisherigen Messungen und anderen Messgeräten zu gewährleisten. Zudem wird aktuell die FVA Richtlinie 975 I implementiert, die einen neuen Standard bei der Drallmessung setzt.
Alle wichtigen Drall-Kenngrößen können durch eine Drallmessung mit dem Messsystem von Confovis dem System analysiert werden:
- Gängigkeit DG
- Dralltiefe Dt [μm]
- Periodenlänge DP [mm]
- Förderquerschnitt DF [μm²]
- Förderquerschnitt pro Umdrehung DFu [μm²/U]
- Prozentuale Auflagelänge DLu [%]
- Drallwinkel Dγ [°]
Für eine Drallmessung von Mikrodrall werden mit dem Messsystem LEADinspect von Confovis flächige Messdaten entlang des Umfangs und in axialer Richtung einer Welle ermittelt und mit der vom IMA entwickelten Methode ausgewertet. Dabei erfolgt eine Merkmalsextraktion und Segmentierung einzelner Strukturen, sowie die Berechnung der relevanten Struktureigenschaften (es werden laterale und volumetrische Strukturparameter unterschieden).
Die Segmentierung von Mikrodrall erfolgt mit dem von Baitinger erarbeiteten Verfahren und sieht die Anwendung einer lokalen dynamischen Schwellwertoperation vor. Für die Segmentierung von periodischen Makrodrall- und aperiodischen Mikrodrall-Strukturen wird eine Kombination aus Wasserscheidentransformation und Wolf-Reduktionsverfahren eingesetzt.
Die Extraktion lateraler Strukturparameter erfolgt anhand der von den Segmentierungsverfahren resultierenden Binärbildern. In ihnen liegen die signifikanten Strukturen vom Hintergrund abgegrenzt vor. Zur Berechnung wird ein in der Bildverarbeitung etablierter Algorithmus eingesetzt, welcher Ellipsen bestmöglich an die binären Strukturen anpasst. Die volumetrischen Strukturparameter werden unter Zuhilfenahme der mittels den Binärbildern bekannten Positionen anhand der formentfernten und gefilterten Oberflächentopographien berechnet.
Mit dem Confovis LEADinspect steht dem Anwender ein robustes, einfach zu bedienendes Messsystem zur Verfügung, welches für den fertigungsnahen Betrieb ausgelegt wurde. Die quantitativen Messergebnisse sind eindeutig interpretierbar und Spezialkenntnisse über Messtechnik sind nicht erforderlich. Nach dem Einlegen des Prüflings und starten des automatisierten Messablaufs zur Drallmessung werden Makrodrall gemäß MBN 31007-7 mit optischen Tastschnitten sowie Mikrodrall flächig gemessen und nach der Methode des IMA ausgewertet. Das ermittelte Ergebnis mit den einzelnen Parametern wird in einem übersichtlichen Protokoll nachvollziehbar zusammengefasst. Sämtliche Informationen und Rohdaten der Messung werden gespeichert und stehen dem Anwender jederzeit zur Verfügung. Damit können weitergehende Analysen, wie zum Beispiel eine Rauheitsmessung oder eine Auswertung von Funktionsparametern, zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden.
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