Ursachenanalyse von Versagen von Kupplungen: Verschiebung, Überlastung durch Drehmoment und Ermüdungsriss

1. Einleitung

Auf einem der Werke des schwergewichtigen Maschinenbaus in der Ukraine wurde eine Notstopp des Hauptantriebs der Produktionslinie festgestellt. Der Ausfallzeichen umfasste einen scharfen metallischen Klopfsound in der Kraftübertragungszone, ein rasches Erwärmen des Gehäuses des Verbindungsgelenks auf 85 °C sowie die Aktivierung der Schutzfunktion des Frequenzumrichters bei Motorüberlastung. Der geplante Ausfallzeitraum (MTBF) für dieses Bauteil beträgt 45 000 Stunden, jedoch lag die tatsächliche Betriebszeit bis zur Störung nur bei 6 200 Stunden. Dies erforderte ein sofortiges ingenieurtechnisches Untersuchung zur Ermittlung der Ursachen und zur Verhinderung von Wiederholungsfällen im Rahmen der industriellen Zuverlässigkeitssicherheitsstandards.

2. Übersicht über den Komponenten und Betriebsbedingungen

Kupplungen und zugehörige Steuerelemente zur Energieübertragung arbeiten in kritischen kinematischen Ketten. In unmittelbarer Nähe des Antriebs werden pneumatische Ausführungselemente der Positionierung eingesetzt, insbesondere Zylinder der Serie Festo ADV-20-10-I-P, die ein präzises lineares Verschieben und Fixieren der werkzeugseitigen Ausstattung mit einem Betriebsdruck bis zu 10 Bar gewährleisten.

Betriebsbedingungen des Bauteils:

• Arbeitsumgebungstemperatur: von -10 °C bis +45 °C.
• Maximaler Drehmoment: 320 Nm (nominal — 210 Nm).
• Drehzahl: 1450 U/min.
• Zulässiges Axialverschiebung: ±1,5 mm; radiale Verschiebung: bis 0,2 mm; Winkelverschiebung: bis 1°.

Gemäß den Vorschriften ISO 21940-11 und DSTU GOST ISO 10816-3 darf der Schwingungszustand ähnlicher Geräte den Wert von 2,8 mm/s nicht überschreiten im Frequenzbereich von 10 bis 1000 Hz.

3. Nachweis der Ausfallursachen

Während der Demontage des Bauteils feststellte die mobile Ingenieurgruppe folgende Daten:

• Visueller Oberflächenblick: Auf der Oberfläche des elastischen Elements und der Halbspleiße wurden Spuren von Frettingkorrosion sowie tiefgegangene Ermüdungsriss entlang der Schraubenspaltachse am Antriebswellen festgestellt.
• Geometrie-Messung: Das Laserzentrieren der Motor- und Getriebewelle zeigte ein radiales Verschieben von 0,65 mm und ein winkeliges Verbiegen von 1,8°, was dreimal den Hersteller-Toleranzen überschreitet.
• Vibrationsmonitoring-Daten: Ein anomales Anstieg der Spitzenwerte auf der Umdrehungsfrequenz (1x) und der zweiten Harmonischen (2x) sowie hochfrequente Anteile im Bereich von 2,5–5 kHz wurden festgestellt, was auf Schlagbelastungen durch Rissbildung im Kupplungsverbindung hinweist.

4. Systematisches Ursachen-Untersuchung

Zur Bestimmung der Kette von Ereignissen, die zum Schaden führten, wurde die Ishikawa-Diagramm-Methode (Ishikawa-Diagramm) und die 5-Whys-Analyse angewendet.

1. Warum ist der Kupplungsverschleiß aufgetreten? Aufgrund der Zerstörung der Drehmomentübertragungselemente infolge einer zyklischen Ermüdungsrissbildung.
2. Warum sind die Ermüdungsspannungen über der Festigkeitsgrenze entstanden? Aufgrund erheblicher Verformungen der Wellen während des Betriebs.
3. Warum ist eine Verformung aufgetreten? Die Fundamentbolzen des Getriebes sind durch Vibrationen gelockert worden.
4. Warum sind die Schrauben gelockert? Während der vorherigen Montage wurden die Drehmomente nicht gemäß der Norm ISO 898-1. eingestellt.
5. Warum wurde der Schraubmoment nicht kontrolliert? Auf dem Betrieb war kein gültiger Prüfplan für die Kraftschraubkontrolle von Schraubverbindungen mit kalibriertem Drehmomentwerkzeug vorhanden.

5. Definierte Ursachen

6. Korrektur- und Schutzmaßnahmen

Zur Behebung der identifizierten Defekte wurde ein zweistufiger Ablaufplan entwickelt:

• Sofortige Beseitigung (Notwendiger Wartung): Demontage der beschädigten Kupplung. Durchführung präzisen Lasercentrierens der Aggregate gemäß ISO 5406 mit Toleranz am Radius unter 0,05 mm. Austausch der Befestigungselemente mit Stärkeklasse 10,9 mit Drehmomentenschlüssel. Austausch der abgenutzten pneumatischen Steuerelemente, insbesondere der Zylinder Festo ADV-20-10-I-P, die im einheitlichen technologischen Zyklus arbeiten.
• Langfristige Wartung: Einführung eines regelmäßigen Schwingungskontrollprogramms alle 720 Betriebsstunden. Schulung des Personals an den Bedienungsanweisungen für Justiergeräte gemäß den Anforderungen EN 13306.

7. Express-Diagnosekarte für Ingenieure im Werkzeugbau

Diese Tabelle sollte während der wöchentlichen Inspektionen mit Tablet direkt in der Werkhalle verwendet werden:

• [ ] Temperaturprüfung: Temperatur der Kupplungsbohrung mit einem Pyrometer messen (Norm: bis +50 °C; Warnung: > +70 °C).
• [ ] Visueller Oberflächenblick auf den Elastomer: Risse, Abblätterungen der Kautschukbeschichtung oder Bildung von Kautschukstaub unter dem Schutzgehäuse suchen.
• [ ] Befestigungskontrolle: Prüfen Sie die Schraubenspannungsindikatoren auf der Getriebefläche und am Motor.
• [ ] Schwingungsanalyse: Schwingungsspektrum in axialer und radialer Richtung an den Lagergehäusen entfernen.
• [ ] Pneumatische Anlage: Druckstabilität (9–10 bar) am Eingang der gesteuerten Pneumozylinder Festo ADV-20-10-I-P prüfen.
• [ ] Integrität der Schutzmaßnahmen: Prüfen Sie auf Spiel in den Keilwellenverbindungen beim Rücklauf des Antriebs.

8. Strategie zur Verhinderung von Ausfällen

Die Zuverlässigkeit mechanischer Getriebe wird durch einen ganzheitlichen Ansatz des technischen Wartungsdienstes (RCM) erreicht. Es wird empfohlen, folgende Wartungsintervalle einzurichten:

• Monat: Prüfung der Ausrichtung mit Lasergeräten bei ersten Anzeichen von Geräuschen.
• Quartalswarte: Vollständige Revision und Schmierung der beweglichen Verbindungen, Inspektion der Dichtungen.
• Щорічно: Неразрушаючий контроль (магнітопорошкова дефектоскопія) валів на наявність втомних тріщин поблизу посадок муфт.

9. Schlussfolgerung

Die Analyse zeigte, dass das vorzeitige Versagen des Kupplungsgetriebes auf eine Kombination aus dem initialen Winkelversatz der Wellen und dem Verlust der Fundamentbolzen zurückzuführen ist. Das Einhalten der Montagestandards und des Diagnoseregelwerks ermöglicht es, Produktionsausfälle zu vermeiden. Für die Auswahl originaler Ersatzteile und schnelles Wiederherstellen von Komponenten besuchen Sie UNITEC-D E-Katalog.

10. Normative Grundlagen und Verweise

• ISO 21940-11: Mechanische Schwingungen — Rotorausgleich.
• DSTU GOST ISO 10816-3: Schwingung. Bewertung der Schwingung von Maschinen an nichtrotierenden Teilen.
• ISO 898-1: Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen aus Kohlenstahl und Legierstahl.
• EN 13306: Wartung — Wartungsterminologie.
• ISO 5406: Rotoren — Leitfaden für die Ausgewogenheit schwerer industrieller Antriebe.