Einleitung: Symptome von Fehlern und Voraussetzungen für die Untersuchung
Auf einem der Werke des schwere Maschinenbaus in der Ukraine wurde während einer geplanten Inspektion des Hauptantriebs eines technischen Mühls ein kritischer Schwingungsniveau und ein erhöhter Geräuschpegel (tonales Tiefgang bei der Zahnradgetreiberfrequenz) festgestellt. Die Analyse der Schwingungsspektrum zeigte die Ausbildung von Seitenbändern (sidebands) um die Getriebefrequenz, was auf eine Lastmodulation und die Anwesenheit lokaler Defekte auf den Arbeitsflächen der Zahnräder der Welle und des Zahnrades hinwies. Die Stilllegung der Anlage und ein Endoskopischer Blick zeigten einen ausgeprägten Pitting (Pitting) und Makroskler (Spalling) der Arbeitsflächen der Zahnräder des Zylindergewindeganggetriebes. Um einen katastrophalen Ausfall des Antriebsbauelements zu verhindern, das über den Frequenzumrichter Telemecanique ATV66U72N4G versorgt wird, wurde ein detailliertes Ingenieursuntersuchung durchgeführt mit der Methode der Ursachenanalyse (RCA).
Überblick über den Komponenten und Betriebsbedingungen
Zahnrädergetriebe arbeitet im schweren Antrieb mit einer nominalen Leistung von 160 kW bei einer Drehzahl des schnellen Wellen 1480 U/min. Das Übersetzungsverhältnis beträgt i = 5,4. Der Werkstoff der Zahnräder ist die legierte Stahl 18ХГТ (18CrMnTi) mit Zementation und Schärfung bis zu einer Härte von 58–62 HRC. Die Betriebsbedingungen entsprechen einem schweren Betriebsmodus mit zyklischen Spitzenbelastungen, die die nominalen Belastungen um 160 % überschreiten. Das Getriebe ist in das Steuerungssystem des Motors auf Basis des Inverters Telemecanique ATV66U72N4G integriert, das einen weichen Start und die Geschwindigkeitsregelung gewährleistet.
Arbeitsparameter des Knotens:
- Betriebs温度 des Schmierfetts im Getriebe: 68-75 °C (bei maximaler zulässiger 85 °C).
- Klasseneinheit der Schmierstoffreinheit für ISO 4406: 18/16/13 (tatsächlicher Zustand vor der Panne entsprach 20/18/15).
- Art der Schmierung: Synthetisches Getriebemittel ISO VG 220 auf Basis von Polyalphaolefinen (PAO) mit Additivpaket zur Schutz vor Verkrustungen (EP).
- Projektierter Ressourcenwert (MTBF): 50 000 Stunden. Der tatsächliche Ausfallzeitraum betrug 21 400 Stunden.
Nachweis der Ausfälle und Messergebnisse
Visueller und metrológischer Kontrolle wurden folgende Defekte festgestellt:
- Pitting (Korrosion): In den Bereichen nahe der Pollinie und in der Fußzone der Antriebszahnräder entstanden Mikrokratere mit einer Tiefe bis zu 0,4 mm und einer Flächenbedeckung von über 25 % der Arbeitsflächen der Zahnräder.
- Spallung (Spalling): Auf drei Zahnrädern des getriebewellenseitigen Zahnrades wurden Abplatzungen einer Metalloberfläche mit einer Tiefe bis zu 1,5 mm und einer Fläche bis zu 12 mm² festgestellt. Die Kanten der Spallungen weisen einen Ermüdungscharakter auf.
- Kontaktfleckmessung: Farbtest zeigte einen Randkontakt. Der Fleck deckt nur 45 % der Zahnlänge anstatt der vorgeschriebenen 85 % gemäß den Anforderungen DSTU GOST 1643:2004.
- Schwingungsdiagnose: Das mittlere quadratische (RMS) Schwingungsgeschwindigkeitswert im Frequenzbereich 10–1000 Hz erreicht 7,8 mm/s (Grenzwert nach ISO 10816-3 für starre Fundamente der Klasse II beträgt 4,5 mm/s).
Systematischer Ursachenanalyse (Isikawa und 5 Warum)
Um die Quelle der Schädigung zu bestimmen, wurde eine Ishikawa-Diagramm (Faktoren: Material, Schmiermittel, Montage/Ausrichtung, Betriebsbelastungen) erstellt. Die Anwendung der Methode „5 Warum“ ermöglichte die Feststellung der Ereignisfolge:
- Warum entsteht Pitting? Aufgrund der Überschreitung der Kontaktspannungen über die Grenze der Kontaktfestigkeit des Cementierungsschichts.
- Warum überschreiten die Kontaktspannungen die berechneten Werte? Aufgrund eines ungleichmäßigen Lastverlaufs entlang der Zahnflanke.
- Warum wurde das Lastverteilung ungleichmäßig? Aufgrund der Winkelabweichung der Parallelität der Wellenachsen (Versatz des Getriebes gegenüber dem Motor um 0,18 mm auf 100 mm Länge).
- Warum trat ein Ausklinken der Achsen auf? Aufgrund thermischer Deformation der Rahmen und Schwächung der Ankerbolzen während vorheriger Hochmomentstartzyklen.
- Warum wurde der Verschleißprozess beschleunigt? Die Verschmutzung des Schmierfett mit harten Partikeln und die Viskositätsabnahme bei Überhitzung führten zu einem hydrodynamischen Durchbruch der Schmierschicht (Schmierschichtdicke-Koeffizient λ < 1,2).
Definierte Ursachen
Aufgrund der Untersuchung wurden drei Schlüsselursachen mit unterschiedlicher Einflusswahrscheinlichkeit identifiziert:
- Ungleichmäßige Ausrichtung der Wellen (Schiefstand) — Wahrscheinlichkeit 55%. Das Winkelverschiebung der Wellen führte zur Konzentration der Last an den Zahnenden, was zu lokalen Überschreitungen der Kontaktspannungen über 1450 MPa (bei zulässigen 1200 MPa) führte.
- Verschleiß und Verunreinigung der Schmierung — Wahrscheinlichkeit 30 %. Verstoß gegen die Filterperiodizität und Eindringen von abrasiven Partikeln führten zu abrasivem Verschleiß und beschleunigten die Entstehung von Mikrorissen.
- Mängel der Wärmebehandlung des Cementierungsschichts — Wahrscheinlichkeit 15 %. Lokales Absinken der effektiven Härtegradierungsschicht Tiefe auf einzelnen Zähnen unter den normativen 1,2 mm gemäß den Anforderungen EN ISO 6336.
Korrektur- und Schutzmaßnahmen
Zur Beseitigung der identifizierten Defekte und Verhinderung von Wiederholungsausfällen wurde ein umfassendes Maßnahmenpaket entwickelt:
- Sofortige Behebung: Der Getriebemontage wurde durchgeführt. Die beschädigte Zahnräderpaar wurde durch neue originale Komponenten der Präzisionsklasse 6 gemäß DSTU GOST 1643:2004 ersetzt.
- Ausrichtung: Die Ausrichtung der Motor- und Getriebewelle wurde mit hochpräzisen Systemen durchgeführt. Der Parallelitätsausgleich wurde auf einen Wert unter 0,03 mm auf 100 mm Länge reduziert. Die Ankerbolzen wurden durch stärkere (Zugfestigkeitsklasse 10.9) ersetzt und mit Drehmomentanschlag befestigt.
- Modernisierung der Schmierungssysteme: Eine zusätzliche Schmierölfilterstation mit einer Filtergenauigkeit von 5 Mikron und einem Feuchtesensor wurde installiert. Der Schmieröltyp wurde auf einen synthetischen Analogon mit erhöhtem Viskositätsindex ausgetauscht.
- Elektromotorsteuerung einstellen: In den Parametern des Frequenzumrichters Telemecanique ATV66U72N4G wurde die Beschleunigungs- und Bremszeit (S-förmige Rampe) optimiert, um die dynamischen Stoßmomente im Anschlag zu minimieren.
Expres-Diagnosekarte für Feldingenieure
Tabelle 1 enthält den Algorithmus für eine schnelle Zustandsprüfung des Getriebes direkt in der Werkhalle mit mobiler Ausrüstung.
| Schritt | Prüfparameter | Instrument / Methode | Normativwert | Diagnosemerkmal der Abweichung |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Schwingung des Gehäuses | Vibroanalyser (FFT-Spektrum) | RMS < 4,5 mm/s (ISO 10816-3) | Pik auf der Schwenkgeschwindigkeit mit seitlichen Streifen |
| 2 | Temperatur der Lager/Kartärs | Pyrometer / Infrarot-Thermograf | < 80 °C | Lokales Überhitzen in der Lagerbereichszone |
| 3 | Schmierstoffstand | Probenentnahme / Laboranalyse | ISO 4406: 18/16/13 | Anwesenheit von Metallpulver, Wasser > 500 ppm |
| 4 | Kontaktfleck der Zähne | Kontrollfarbe | Mindestens 85 % der Länge | Kontakt an der Kante oder als Punktkontakt |
| 5 | Luft im Verzahnungsbereich | Zeitgeber-Indikator | Gemäß dem Getriebepasswort | Erhöhung des seitlichen Spalts um 30 % über dem Normwert |
| 6 | Integrität der Zahnflächen | Industrieller Endoskop | Glattes Oberflächen ohne Kavernen | Anwesenheit von Mikrokavernen, Verwitterung (Pitting) |
| 7 | Montageposition der Wellen | Laserzentrierungssystem | Fehler < 0,05 mm | Verschiebung der Achsen über den Herstellerzulassungen |
| 8 | Geräuschpegel des Antriebs | Akustischer Schallpegelmesser | < 85 dB(A) bei 1 m Entfernung | Metallisches Knarren, ungleichmäßiges Geräusch |
Fehlertoleranzstrategie
Um die zuverlässige Betriebsführung kritischer Antriebe auf Unternehmen der schwarz- und farbmetallurgischen sowie der bergbauindustriellen Produktion in der Ukraine sicherzustellen, ist es notwendig, folgende Strategie des technischen Betriebsmanagements einzuführen:
- Zustandsüberwachung (Condition Monitoring): Kontinuierliche Messung der Vibration mit Impulsenergie (spike energy) zur Erkennung von Defekten in Lagerungen und Zahnradverzahnungen in frühen Stadien (insbesondere gemäß Standard ISO 13373).
- Ölanalyse: Durchführung einer Spektrometrieanalyse des Öls alle 1000 Betriebsstunden zur Kontrolle der Konzentration von Abriebprodukten Eisen, Chrom und Silizium.
- Regelmäßige Wartung: Pflichtige Austausch der Dichtungen, Filterelemente und Revision der Kupplungen alle 12.000 Stunden gemäß den Empfehlungen der Hersteller industrieller Anlagen.
Zusammenfassung
Der durchgeführte Ursachenanalyse bestätigte, dass der Pitting und Kantenbrüche durch den komplexen Einfluss des Winkelschiefstandes der Wellenachsen und der Verletzung der Schmierölreinheit verursacht werden. Das strenge Einhalten der Ausrichtungsnormen gemäß EN ISO 10816, der Qualitätskontrolle der Schmierstoffe und die korrekte Einstellung der Frequenzumrichter ermöglichen es, die Lebensdauer der Zahnradgetriebe auf die nominalen MTBF-Werte zu erhöhen. Für die Auswahl von zertifizierten Ersatzteilen, Antriebskomponenten und Automatisierungsmitteln informieren Sie sich über das Sortiment auf der Seite UNITEC-D E-Catalog.
Normative Verweise und Literaturverzeichnis
- ISO 6336: Berechnung der Tragfähigkeit von Zahnradgetrieben mit Kegelradzähnen und Schrägverzahnung.
- DS TU GOST 1643:2004: Zahnräder mit Zylinderwellen. Toleranzen.
- ISO 10816-3: Mechanische Schwingungen — Bewertung der Maschinen schwingung durch Messungen an nicht rotierenden Teilen.
- ISO 4406: Hydraulikflüssigkeitskraft — Flüssigkeiten — Verfahren zur Kennzeichnung des Kontaminationseins von festen Partikeln.
- EN ISO 13373: Maschinenzustandsüberwachung und Diagnose — Vibrationserfassung zur Zustandsüberwachung.
