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O-Ring Schadensbilder: Der Tod eines O-Ringes

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O-Ring Schadensbilder: Der Tod eines O-Ringes

Die Suche nach der Schadensursache erinnert oft an eine forensische Beweisführung, lohnt sich aber gerade in automatisierten und sensiblen Einsatzbereichen. Der Prozess dahinter ist, eindeutige Schadensbilder zu kennen, zu erkennen und gegeneinander abzugrenzen. So lassen sich mit erfahrenem Auge auch Herstellungsmängel von Montagefehlern abgrenzen. Die Aufklärungsrate, wenn man sie so bezeichnen will, und damit die eindeutige Zuordnung einer Ursache der Beschädigung, liegt bei einer Untersuchung des Richter Prüfstudios bei ca. 10% (von 2000 untersuchten Schadensfällen).

Ein wesentlicher Bestandteil der Zuverlässigkeit eines O-Ringes oder Elastomerdichtungsteiles liegt außerhalb seiner Herstellung: in der fach- und sachgerechten, richtigen Montage. Beschädigungen in jeder Form können drastische Konsequenzen haben. Unbemerkte Risse, Undichtigkeiten und im schlimmsten Fall ein Totalausfall sind jedoch vermeidbar. 

Neben der Frage, welche Montagefehler welche Schadensbilder provozieren, liegt uns natürlich daran, diese zu vermeiden. Als Hersteller will KREMER seine Kunden über den gesamten Lebenszyklus ihrer Produkte begleiten und für einen optimalen Einsatz sorgen. Als Berater stehen wir für jeden Kunden bereits in der Planungsphase auch automatisierter Prozesse bereit. Tipps zum fach- und sachgerechten (auch manuellen) Montieren sind am Ende dieses Artikels zusammenfassend aufgeführt. Bei Fragen können Sie sich jederzeit an uns wenden.

Es gibt mehrere praxiserprobte Methoden, Montagebeschädigungen zu vermeiden, darunter die montagefreundliche Gestaltung von Einbauräumen, die Verwendung von Montagefetten sowie Beschichtungen und Montagevorrichtungen. Und dennoch kommt es regelmäßig zu Ausfällen. Der Ermittler fragt sich, warum.

Unsystematisches Bild

Gleich zu Beginn widmen wir uns dem schwierigsten Fall des Schadensprüfers: die nicht systematisierte Montage. Neben automatisierten Verfahren ist die manuelle Montage ein weites Feld an Risiken. Werden zum Beispiel verschiedene Gleitbeschichtungen angewendet oder die Beölung einer Dichtung vergessen, führt dies nicht nur zu diversen Schadensbildern (zum Beispiel Abquetschungen, Rissen, Materialausbrüchen oder Verdrillungen) - der Montagevorgang an sich ist ebenso nicht reproduzierbar.

Manuelle Beschädigungen gehen häufig auch mit einer kurzen Betriebsdauer (unter 100 Stunden) einher. Dennoch ist dies keine eindeutige Zuweisung, gilt sie auch für herstellungsbedingte Fehler, die aber ein anderes Schadensbild aufweisen.

Die Verwendung eines geeigneten Gleitmittels schafft hier schon bessere Voraussetzungen für die Aufspürbarkeit von Fehlerquellen. Nicht-systematische Montagebeschädigungen sind dagegen schwer zu beheben. Dennoch gibt es in jedem Fall Indizien.

(Ab-)Quetschungen

Ein entscheidender Vorteil und Merkmal von Elastomeren ist ihre zum Teil enorme Elastizität. Die Krux in dieser Sache bei der Montage liegt darin, dass Abquetschungen - gerade in der Innenmontage - unbemerkt bleiben können. Die Dichtung kann sich durch in der Regel geringere Dichte und höhere Elastizität gegenüber den harten Bauteilen anpassen.

Bei O-Ringen und Metallflanschen zeigt sich ein typisches Bild. Die Beschädigung tritt häufig noch mit Abdrücken des Gehäuses auf und erinnert auch schon mal an eine betriebsbedingte Spaltextrusionsfahne. Aber im Gegensatz zu Letzterem ist die Quetschung deutlich dicker. Dabei können sie ganz oder teilweise von der restlichen Dichtung getrennt sein.

Selbst leicht beschädigte Dichtungen bergen ein Risiko, denn es kann sein, dass der abgequetschte Gummipartikel zwischen Deckel und Gehäuse eingeklemmt wird. Fängt dieser an zu kriechen, also entsteht eine physikalische Relaxation, wird die Schraubverbindung locker und im schlimmsten Falle undicht.

Von Herstellerseite aus kann dem Vorgang einer fehlerhaften Montage so begegnet werden, dass Haltenoppen an der Dichtung angebracht sind oder besondere Nutformen gewählt werden, wie die ganze oder halbe Trapeznut. Eine Vorbeugung bei der Montage ist die sichere Positionierung - sowohl bei der Montage der Dichtung auf einem Bauteil als auch bei der Montage der Bauteile.

Äußerliche Quetschungen

Doch auch in der Außenmontage existieren typische Verformungen. Oft treten diese auf, wenn ein Kolbenteil schräg oder schlecht in das Zylindergegenstück gesteckt wird. Hierbei kann das verdrängte Material in Umfangrichtung gedrängt werden. In Folge dessen kann sich die Dichtung an der gegenüberliegenden Stelle heben.

Auch hier haben wir als Hersteller eine passende Antwort mit zum Beispiel O-Ringen mit ca. 70 IRHD-M und einer installierten Innendurchmesseraufweitung von 20 bis 25% gefunden. Die Erfahrung zeigt, dass diese sich sehr robust gegenüber diesem Schadensbild erweisen. Hohe Dehnung führt hier zu einem hohen Verformungswiderstand in Umfangrichtung. Das verdrängte Material verschiebt sich in axialer Richtung.

Diese Elastomere können eingesetzt werden, wo Montagehilfsvorrichtungen nicht angewendet werden können. Diese sind in der Regel die erste Wahl bei der Prävention solcher durch Montage verursachter Schäden.

Schnitte, Brüche und Risse ergeben ein Muster

Zur Aufklärung, wodurch das Material ursprünglich beansprucht wurde, dienen typische Muster, die sich je nach Einsatzbereich unterscheiden. Materialausbrüche und -risse entstehen oft durch die erhebliche Verformung während der Montage. Insbesondere bei nicht geschmierter Montage, nicht sauber abgerundeten, respektive abgefassten Kanten des Einbauraumes kann es zu hohen Linienpressungen an diesen kommen. Bereits hier können Einschnitte entstehen.

Auch starkes Aufweiten in der Außenmontage ist eine Ursache für Risse. An dieser Stelle ist die Gelegenheit, auch ein Missverständnis aus der Welt zu räumen. Die in den Materialdatenblättern eines Herstellers angegebene Belastungsgrenze von Dichtungswerkstoffen beim Punkt Reißdehnung ist nicht für die Beanspruchung bei der Montage gedacht. Als Richtwert sollten ca. 50% der Reißdehnung hierbei nicht überschritten werden.

Einen besonderen Fall stellen hier automatisierte Verfahren dar, bei denen beispielsweise O-Ringe durch Spreizer mit in der Regel sechs oder mehr Fingern verwendet werden. Die Sechskant-Aufweitung ist von der Fläche her mindestens so groß, dass das Fugteil hindurch passt. Hohe Aufweitungen sollten grundsätzlich vermieden werden. Gelingt dies prozessbedingt nicht, reduziert genügend Relaxationszeit nach der Montage das Risiko einer Beschädigung.

Wie lassen sich diese Verletzungen sauber voneinander abgrenzen und Herstellungsfehler aufspüren oder ausschließen?

Als am wohl häufigsten vorkommenden Montagefehler handelt es sich beim Materialbruch oder -riss um einen Gewaltbruch mit typischer Bruchfläche. Hier lohnt es sich genau hinzusehen:

Tipps zur richtigen Montage

Damit erst gar keine Schadensanalyse vorgenommen werden muss, können im Vorfeld ein paar Tipps und goldene Regeln in der Montage beachtet werden, die im Folgenden Hilfestellung bieten sollen. Es lohnt sich ebenso, einen Blick auf die richtige Lagerung von O-Ringen zu werfen.

  • Erstes Gebot bei der Montage: Einmal demontierte O-Ringe nicht wiederverwenden.
  • Zweites Gebot bei der Montage: Sauberkeit.

Es ist kurz gesagt, wird aber schmerzlich oft vernachlässigt: In der manuellen Montage zeigt sich, dass Fehler hauptsächlich wegen verschmutzter Bauteile auftreten. Das Prinzip der Sauberkeit gilt hierbei sowohl für die Nuten der Bauteile, in denen das Elastomer eingebaut werden soll, als auch für die Dichtungen selbst.

Außerdem gilt:

  • Scharfe Kanten und Übergänge beseitigen.
  • Die Schräge von Einführschrägen sollte zwischen 15° und 20° betragen.
  • Achten Sie auf ausreichend lange Führungen vor der Dichtung, wenn Sie Kolben mit außen montierten Dichtungen in Zylinder einschieben.
  • Verwenden Sie ein geeignetes Gleitmittel, um Reproduzierbarkeit des Vorgangs der Montage zu gewährleisten.
  • Überfahrungen von Bohrungen sollten bei der Innenmontage vermieden werden. Entgraten Sie die Bohrung gut, falls es nicht anders möglich ist ,oder versetzen Sie sie mit einem kegeligen Übergang zurück.
  • Sollte es bei der Innenmontage notwendig sein, die Dichtung einzurollen, achten Sie darauf, keine Spannungsspitzen zu erzeugen. Die Nierenform mit großzügig bemessenen Radien ist eine bewährte Empfehlung hierzu.
  • Überdehnen Sie die Dichtung nicht bei der Außenmontage.
  • O-Ringe werden heutzutage mit Spezialwerkzeugen mit abgerundeten Kanten montiert.
  • Für die fach- und sachgerechte Montage mit Werkzeugen oder automatisierten Verfahren bieten wir erfahrene Unterstützung.

 

Quellenangabe:
www.konstruktionspraxis.vogel.de/montageschaeden-bei-o-ringen-und-wie-sie-vermieden-werden-a-780377/ (09.01.2019, 15:20 Uhr)
www.o-ring-prueflabor.de/files/fachwissen_schaden_herstfehler_risse_10_2017.pdf (10.01.2019, 09:20 Uhr)

Szenarien

Herstellungsbedingte Szenarien
  • Inhomogene, häufig reliefartige, erhabene Bereiche in der Bruchfläche deuten auf herstellungsbedingte Brüche.
  • Treten Fließlinien auf, die in Risse übergehen oder parabelförmig und symmetrisch zur Formtrennebene verlaufen, kann man schon fast sicher sagen, dass es sich um einen Herstellungsfehler aufgrund fehlerhafter Vulkanisation handelt.
  • Typisch für Vulkanisationsfehler ist auch ein gerundeter Übergang von der Oberfläche zum Riss und auffällig glatte Bereiche in der Bruchfläche.

Schwer auseinander zu halten sind neben dem Indiz der kurzen Betriebsdauer auch das Schadensbild von Spaltextrusion durch zu hohe Drücke und Abquetschungen.

Montagebedingte Szenarien
  • Regelmäßige, eher leicht raue Bruchflächen deuten auf Montagefehler hin.
  • Der Grad der Rauheit ist abhängig vom Weiterreißwiderstand des Werkstoffs.
  • Der Beginn des Rissausgangs ist auffällig geradlinig.
  • Kein gerundeter Übergang von der Oberfläche in den Riss deutet auf scharfkantige Beanspruchung hin.
  • Leicht gerundete Kanten werden durch einen Abdruck oder eine leicht plastische Verformung begleitet.
  • Belastungsbedingte Rissverläufe lassen sich zudem oft vom Einbauraum ableiten.

Der verdrillte O-Ring ist (k)eine Ausnahme - oder die „natürliche“ Verdrillung

Unter Umständen ist eine Montage ohne Verdrillung gar nicht möglich. Dies ist vor allem der Fall bei O-Ringen kleiner Schnurstärke mit großem Innendurchmesser. Dennoch funktionieren diese, da die Vertiefungen des Gratbereiches begrenzt sein müssen. Als „natürliche“ Verdrillung gilt maximal eine Umdrehung auf der gesamten Umfangslänge.

Verdrillt wird der O-Ring möglicherweise auch durch eine Aktivierung unter hohem Druck. Ein Verdächtiger ist da die Walkbarkeit der O-Ringe. Diese ergibt sich dadurch, dass der Ring bei einer standardmäßigen Nutauslegung etwas Platz braucht, um sich beispielswiese durch Wärme etwas ausdehnen zu können.

Ein Montagefehler zeichnet sich nur unter besonderen Voraussetzungen ab, wenn eine besonders anspruchsvolle O-Ring-Anwendung hinsichtlich Gasdichtheit gegeben ist oder die Verdrillung mehr als eine Umdrehung auf der gesamten Umfangslänge beträgt.

Automatische (Fehl-)Montage

Neben der manuellen Anfälligkeit gibt es, wie oben bereits angerissen, Beschädigungen durch automatische Montage. Hier sind es vor allem nicht formstabile Dichtungen, die zu Problemen führen können.

„Diese Dichtringe werden von Haus aus als „groß“ bezeichnet, womit im Wesentlichen das ungünstige Schnurstärken-Durchmesserverhältnis gemeint ist. Die Ringe laufen in Vibrations-Wendelförderern nur bedingt, die Gefahr des Ineinanderlaufens und der Haufenbildung ist groß.“
(Zitiert nach https://www.o-ring-prueflabor.de/files/fachwissen_schaden_montageschaeden_02_2018.pdf)

Das Risiko besteht darin, dass ein Materialstau die Dichtung derart extrem verformt, dass Beschichtungen oder die Dichtung selbst unbemerkt beschädigt wird.

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