1. Einführung
Der außerplanmäßige Stillstand der Pressenlinie im Hüttenwerk in Saporischschja begann mit dem Auftreten einer Ölpfütze unter dem Haupthydraulikzylinder mit einer Kraft von 250 Tonnen. Während des Umformzyklus stellte der Bediener einen Abfall des Arbeitsdrucks in der Anlage von 280 bar auf 210 bar fest. Eine äußere Inspektion ergab einen starken Austritt des Arbeitsmediums durch die Stangendichtung. Die mittlere Zeit bis zum Ausfall (MTBF) betrug nur 1.450 Stunden statt der laut Verordnung geschätzten 8.000 Stunden. Dieser Vorfall löste eine eingehende technische Untersuchung aus, um die wahre Ursache für das Versagen der Polyurethan-Manschetten zu ermitteln.
2. Übersicht über die Komponente
Der doppeltwirkende Hydraulikzylinder arbeitet als Teil einer schweren Schmiedeausrüstung. Technische Eigenschaften des Knotens:
- Arbeitsdruck: nominal – 250 bar, Spitze – 380 bar.
- Kolben-/Stangendurchmesser: 200/140 mm.
- Arbeitsflüssigkeit: Mineralöl HLP 46 gemäß der Norm DIN 51524 Teil 2.
- Temperaturbereich: von +15 °C bis +65 °C (örtlich bis +80 °C).
- Geschwindigkeit der Stabbewegung: bis zu 0,5 m/s.
Die Dichtungsbaugruppe umfasst eine abgestufte Stangendichtung aus Polyurethan (TPU), einen Metall-Kunststoff-Stützring und einen zweistufigen Schlammfänger aus Nitrilkautschuk (NBR). Die Steuerung der Hydraulikverteiler und die Steuerung der Stangenposition werden in diesem System durch Industriesteuerungen integriert, insbesondere durch Module des Typs Schneider Electric TSXBLY01, die für die Verarbeitung der Signale von induktiven Rückkopplungssensoren und Encodern verantwortlich sind.
3. Beweis der Ablehnung
Die Demontage und Demontage des Hydraulikzylinders unter den Bedingungen der Restaurierungswerkstatt ergab folgende Sachdaten:
- Auf der Arbeitsfläche des Stabes sind Längsgrate mit einer Tiefe von bis zu 0,15 mm in der unteren Umformzone angebracht (Hartverchromung mit einer Dicke von 30 Mikrometern).
- Die dynamische Kante der Polyurethan-Dichtung weist einen lokalen Verschleiß von 360 Grad mit asymmetrischer Verdünnung auf der Seite der Führungshülse auf (Verschleißexzentrizität von 0,4 mm).
- Die Analyse der Ölprobe (ISO 4406) ergab eine Reinheitsklasse von 21/19/16, die über dem zulässigen Wert von ISO 18/16/13 für diesen Dichtungstyp liegt.
- Die Telemetriedaten zeichneten regelmäßige hydraulische Stöße mit einer Amplitude von bis zu 410 bar und einer Dauer von 15–25 Millisekunden auf.
4. Untersuchung der Grundursachen
Zur Ermittlung der einzelnen Ursache wurden die Ishikawa-Diagramm-Methode und die „5 Whys“-Analyse eingesetzt. Es werden drei Haupthypothesen berücksichtigt:
- Verunreinigung des Arbeitsmediums mit festen abrasiven Partikeln (Eisenoxide, Sand).
- Mechanische Fehlausrichtung der Stange aufgrund von Verschleiß der Führungsringe oder Fehlausrichtung der Baugruppe.
- Wasserstöße und Druckspitzen, die die Festigkeitsgrenze von Polyurethan überschreiten.
Die Spektralanalyse der Verschleißpartikel im Labor bestätigte das Vorhandensein von Quarzstaub im Öl. Gleichzeitig zeigte die Mikroskopie des Manschettenabschnitts eine plastische Verformung des Dichtungsabsatzes, die für die Extrusion in den Spalt unter Einwirkung von Überdruck charakteristisch ist. Die Messung der geometrischen Parameter der Achse ergab den einseitigen Verschleiß der Bronze-Führungshülse.
5. Identifizierte Grundursachen
| Die Grundursache | Wahrscheinlichkeit (%) | Unterstützende Beweise |
|---|---|---|
| Fehlausrichtung der Stange und der Führungen | 45 | Asymmetrischer Verschleiß der Manschette, Grate an der Stange in einer Ebene, Verschleiß des Ärmels |
| Ölverschmutzung | 35 | Schleiflinien auf der Chrombeschichtung, Analysedaten ISO 4406 |
| Druckstöße (Wasserschlag) | 20 | Spuren der Extrusion des Dichtungsmaterials in den Radialspalt |
6. Korrekturmaßnahmen
Zur Beseitigung der festgestellten Mängel wurde eine Reihe von Sofort- und Langzeitmaßnahmen umgesetzt:
- Sofortige Restaurierung: Der Stab wurde geschliffen und erneut hartverchromt. Dichtungssatz durch Hochtemperatur-Polyurethan mit PTFE-Stützringen ersetzt, um Extrusion zu verhindern. Neue Bronze-Führungsbänder mit Abständen nach ISO 3320. montiert
- Langfristige Prävention: Eine zusätzliche Offline-Filtrationsstation mit einer Filtrationsfeinheit von 3 μm (Beta-Koeffizient $ eta_3 \ge 200$) wurde installiert. Die Ausrichtung der Befestigungsstifte des Zylinders wurde durchgeführt, um Verzerrungen zu vermeiden. Die Sicherheitsventile der Hydrostation sind so konfiguriert, dass sie Spitzendrücke dämpfen.
7. Schnelle Diagnose-Checkliste
Diese Checkliste ist für Techniker am Produktionsstandort gedacht, um den Zustand von Hydraulikzylindern direkt an der Anlage zu überprüfen:
- [ ] Überprüfen Sie das Vorhandensein externer Öllecks an der Stange und an den Stellen statischer Verbindungen.
- [ ] Schätzen Sie die Temperatur des Zylinderkörpers mit einem Pyrometer ab (die Norm liegt bei bis zu +65 °C; ein Überschuss weist auf interne Strömungen hin).
- [ ] Führen Sie eine Sichtprüfung der Staboberfläche auf Korrosion, Grate und Schweißspritzer durch.
- [ ] Überprüfen Sie den Zustand des Schmutzfängers auf Beschädigungen und das Vorhandensein von abrasivem Schmutz unter der Kante.
- [ ] Messen Sie das Radialspiel der Stange in den Extrempositionen mit einem Uhrzeiger (Toleranz gemäß Montagepass).
- [ ] Überprüfen Sie die Manometer und Protokolle des Steuerungssystems auf Spitzen.
- [ ] Nehmen Sie eine Probe des Arbeitsmediums für einen Schnelltest auf das Vorhandensein von Wasser und Verunreinigungen.
- [ ] Überprüfen Sie die Funktionsfähigkeit der Filterelemente (Kontrolle des Druckabfalls an den Filteranzeigen).
8. Präventionsstrategie
Um den zuverlässigen Betrieb hydraulischer Anlagen zu gewährleisten und den projektierten MTBF-Indikator von mehr als 8.000 Stunden zu erreichen, müssen folgende Regeln beachtet werden:
- Implementieren Sie eine kontinuierliche Überwachung der Ölreinheit gemäß dem ISO 4406-Standard mithilfe von Durchflusspartikelzählern.
- Tauschen Sie die Filterelemente entsprechend dem Signal des Druckabfallsensors aus, jedoch nicht seltener als alle 1.000 Betriebsstunden.
- Führen Sie alle 6 Monate eine Routineprüfung der Stangenzentrierung und des Spiels in den Führungen durch.
- Verwenden Sie zertifizierte Originaldichtungsmaterialien, die gegen die Arbeitsflüssigkeit und die Temperaturbedingungen der jeweiligen Produktion beständig sind. Der Bedarf von Unternehmen an Qualitätskomponenten und Dichtungen kann über den UNITEC-D E-Katalog gedeckt werden.
9. Fazit
Ein vorzeitiger Ausfall von Hydraulikzylinderdichtungen ist eine Folge der komplexen Wirkung von mechanischer Verformung und Verunreinigung des Arbeitsmediums. Ein systematischer Ansatz bei der Diagnose, die Einhaltung von Toleranzen nach der ISO 3320-Norm und die Kontrolle der Ölqualität ermöglichen es, Notabschaltungen in Industriebetrieben zu vermeiden. Eine Auswahl an zuverlässigen Ersatzteilen und Zubehör finden Sie im UNITEC-D E-Katalog.
10. Links
- ISO 4406: Hydraulikflüssigkeitstechnik – Flüssigkeiten – Methode zur Kodierung des Verschmutzungsgrads durch feste Partikel.
- ISO 3320: Fluidtechnische Systeme und Komponenten – Zylinderbohrungen und Kolbenstangendurchmesser – Metrische Reihe.
- DIN 51524-2: Druckflüssigkeiten – Hydrauliköle – Teil 2: HLP-Öle, Mindestanforderungen.
- DSTU GOST 17752: Volumetrischer hydraulischer Antrieb und pneumatischer Antrieb. Begriffe und Definitionen.
- Technische Dokumentation des Hydraulikgeräteherstellers und Bedienungsanleitung für die Steuerungen der Serie TSXBLY01 von Schneider Electric.
