Obwohl Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR) jahrzehntelang das vorherrschende Dichtungsmaterial für Windkraftanlagen war, schwächen Fortschritte bei der Formulierung, Verarbeitung und Konstruktion von Polyurethan-Dichtungen die Position von NBR in der Branche rapide. Zu den nützlichsten Eigenschaften zählen Verschleißfestigkeit, Flüssigkeitsverträglichkeit, Ozonbeständigkeit, mechanische Festigkeit und die Fähigkeit, all diese Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen beizubehalten.
Polyurethan hat sich als idealer Werkstoff für die Abdichtung von Hauptlagern/Generatoren, Längs- und Querlagern etabliert. Ein einfacher Materialaustausch in einer bestehenden Konstruktion reicht jedoch oft nicht aus. Dichtungen müssen unter Berücksichtigung von Polyurethan entwickelt werden.
Eine Möglichkeit, die Verschleißfestigkeit von Polyurethanen zu bewerten, ist ein standardisierter Trommelverschleißtest wie ASTM D5963. Diese Methode wird typischerweise zur Bewertung von Gummi verwendet, ist aber auch für Polyurethan anwendbar, insbesondere beim Vergleich von Verschleißraten. Nachfolgend finden Sie die Verschleißindexwerte für verschiedene Materialien, die von System Seals in Cleveland getestet wurden. Beachten Sie, dass NBR und HNBR einen ARI von etwa 1,5 aufweisen, während Polyurethane einen ARI von 4 bis 8 aufweisen. Dies entspricht einer bis zu sechsfachen Verbesserung.
Polyurethan behält seine ARI-Werte im Laufe der Zeit und nach Kontakt mit verschiedenen Flüssigkeiten, insbesondere ölbasierten Flüssigkeiten, bei. Eine Möglichkeit, dies zu bestimmen, besteht darin, Verschleißproben nach ASTM D5963 90 Tage lang in Flüssigkeiten bei 100 °C (80 °C für wasserbasierte Flüssigkeiten) zu altern und den Test alle 30 Tage zu wiederholen. Nachfolgend sind typische Ergebnisse aufgeführt, eine Bestätigung wird jedoch für jede Flüssigkeit empfohlen.
Abbildung 3. Retention von ARI in NBR und hydrolysebeständigem Polyurethan nach Alterung in destilliertem Mineralöl bei 100 °C.
Obwohl die Spezifikationen die Kompatibilität mit fertigen Flüssigkeiten angeben, sollten beschleunigte Alterungstests (oder Betriebsjahre) die langfristige Leistung und Stabilität von Materialien, die bestimmten Flüssigkeiten ausgesetzt sind, bestimmen. System Seals testet die Flüssigkeitskompatibilität 90 Tage lang statt des standardmäßigen 168-Stunden-Tests, da System Seals nach 168 Stunden Flüssigkeitseinwirkung konsistent signifikante Veränderungen wichtiger Materialeigenschaften erkennt.
Maßgeschneidertes Polyurethan weist im Vergleich zu NBR eine verbesserte Flüssigkeitsbeständigkeit in den gängigsten Schmierstoffen der Windenergiebranche auf. Nachfolgend finden Sie eine Kompatibilitätstabelle für diese gängigen Schmierstoffe.
NBR ist bekanntermaßen anfällig für Ozonolyse, bei der Ozonmoleküle die chemischen Bindungen in ungesättigtem NBR aufbrechen. Ozonrisse treten häufig auf, wenn Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR) auch nur der geringsten Verformung ausgesetzt wird. Eine Lösung besteht darin, Wachs in den NBR einzuspritzen, wodurch eine Ozonbarriere entsteht, die den NBR schützt. Leider verändert Wachs die chemischen Bindungen von NBR nicht. Wird NBR Umweltbedingungen ausgesetzt, die das Wachs entfernen, wird es erneut anfällig für Zersetzung. Einige Spezialpolyurethane, die in Dichtungen für Windenergieanlagen verwendet werden, sind von Natur aus ozonbeständig.
Elastizitätsmodul, Festigkeit und Dehnung von Polyurethan sind zwei- bis dreimal höher als bei den meisten NBR-Dichtungen. Dadurch sind Polyurethan-Dichtungen in der Lage, größeren mechanischen Verformungen standzuhalten und höheren mechanischen Belastungen standzuhalten.
Ein typisches NBR hat einen Elastizitätsmodul von 10–15 MPa und eine Zugfestigkeit von 20 MPa. Die meisten Polyurethane haben einen Elastizitätsmodul von 45–60 MPa und eine Zugfestigkeit von 50–60 MPa. Das bedeutet, dass das Material weniger hart ist als NBR, was eine bessere Formbeständigkeit und höhere Widerstandsfähigkeit gegen Druckbelastungen bedeutet.
In Windkraftanlagen stellen hohe Temperaturen normalerweise kein Problem dar. Je nach Standort und Höhe sind jedoch Mindesttemperaturen von -40 °C keine Seltenheit. Standard-NBR hat eine Mindestbetriebstemperatur von -20 °C, und dynamisch-mechanische Analysen haben gezeigt, dass viele Polyurethane für die Windenergie bei Temperaturen bis zu -40 °C unbeeinflusst bleiben.
Polyurethan ist aufgrund seiner überlegenen mechanischen Eigenschaften, der besseren Ozonbeständigkeit, des geringeren Verschleißes und der niedrigeren Betriebstemperaturen eine naheliegende Wahl für Dichtungen in der Windkraft. Nachfolgend sind zwei Anwendungsbereiche aufgeführt, für die sich Polyurethan gut eignet. Das Bild links zeigt die simulierten Verformungs- und Kontakteigenschaften einer Polyurethan-Lagerdichtung. Das Bild rechts zeigt die Wirbeldichtung von System Seals, eine Hauptlagerdichtung, die während der Lagerrotation kontinuierlich Schmiermittel zurück in den Vorratsbehälter pumpt.
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Veröffentlichungszeit: 24. Dezember 2023