1. Einleitung
Auf einem der Werke des schwere Maschinenbaus in der Ukraine wurde während geplanter technischer Wartung des Hauptantriebs der Produktionslinie ein untypischer hochfrequenter Geräuschpegel und erhöhte Schwingungen des Getriebes festgestellt. Inspektion der inneren Oberflächen mittels Endoskop zeigte ein lokales Verlust der Arbeitsflächen der Zahnräder und des Zahnrades. Die Hauptursache für den Stillstand der Anlage war ein fortschreitender Pitting (punktförmige Korrosion) mit anschließender Übergang in Mikroschälung (spalling). Das mittlere Ausfallzeit zwischen Ausfällen (MTBF) für diesen Antriebsknoten sollte 45 000 Stunden betragen, doch ein Notfallzustand trat bereits nach 14 200 Stunden Betriebszeit auf. Dies erforderte ein umfassendes technisches Untersuchung zur Ermittlung der Ursachen gemäß den Anforderungen des Standards ISO 10816 und den Methoden der Ausfallanalyse.
2. Überblick über den Komponenten
Der untersuchte Ausgangspunkt ist ein hochpräziser Getriebemotor mit Zahnradgetriebe, bei dem der Schlüsselkomponente zur Drehmomentübertragung der Komponente mit der Artikelnummer FIBRO 2480.022.10000 ist. Dieser Ausgangspunkt arbeitet unter hohen zyklischen Belastungen und gewährleistet die Übertragung von Leistung im kinematischen Ketten der Fräsmaschine oder Bearbeitungskomplex.
- Nennmoment: bis 2400 Nm
- Betriebs温度 des Schmierfetts: 65 °C – 85 °C (Grenzwert 95 °C)
- Material des Zahnrades: vergütete Cementstahl 18ХГТ (oder Äquivalent 18CrNiMo7-6 gemäß EN 10084), Oberflächenhärte 58-62 HRC, Tiefe des Cementierungsschichtes 1,2-1,6 mm.
- Drehzahl: 1500 U/min (Eingangswelle)
Der Komponente ist in einem verschlossenen Gusseisengehäuse mit Kassettenölsystem untergebracht. Das Arbeitsmedium umfasst die Verwendung synthetischen Getriebefett der Klasse ISO VG 220 auf Basis von Polyalphaolefinen (PAO) mit Anti-Verkrustungszusätzen (EP).
3. Nachweis der Ausfallursachen
Ein visueller Überblick zeigt das klassische Bild von Oberflächenverschleiß. Auf den Bereichen der Pollinie und unter dem Zahnfuß sind zahlreiche kleine Kavitäten (Pitting) mit einem Durchmesser von 0,5 bis 2,0 mm und einer Tiefe bis zu 0,8 mm zu beobachten. Auf der belasteten Seite der Zähne des Komponenten FIBRO 2480.022.10000 wurden diese Kavitäten zu kontinuierlichen Zonen von Verkrustung (Spalling) verschmolzen.
| Messparameter | Normativwert (ISO / DIN) | Tatsächlicher Wert am Objekt |
|---|---|---|
| Schwingung (RMS-Geschwindigkeit) | < 2,8 mm/s (ISO 10816-3) | 7,4 mm/s (hauptsächlich Schaltfrequenzen) |
| Klasse der Ölreinheit | ISO 4406: 16/14/11 | ISO 4406: 20/18/15 (hohes Schmutzgehalt mit Feststoffen) |
| Viskosität des Öls bei 40 °C | 220 mm²/s ± 10% | 185 mm²/s (Zersetzung des Schmiermittels und Verschiebung) |
| Kontaktflächen pro Zahn | > 70 % der Länge und Höhe | < 35% (Kontakt an einer Seite) |
4. Ursachenanalyse
Um den Ereignisablauf, der zum vorzeitigen Versagen der FIBRO 2480.022.10000 führte, zu bestimmen, wurde die Methode „5 Warum“ (5 Whys) in Kombination mit einer Ishikawa-Diagramm (Ishikawa diagram) angewendet, mit Fokus auf vier Hauptfaktoren: Schmiermittel, Geometrie/Ausrichtung, Materialien und Betriebsumgebung.
- Warum entstehen Pitting und Späne? Aufgrund der Überschreitung der Kontaktspannungen auf der Zahnfläche über die Grenze der Kontaktfestigkeit des Materials.
- Warum entstehen überschüssige Kontaktspannungen? Aufgrund eines ungleichmäßigen Lastverlaufs entlang der Zahnflanke (Randkontakt).
- Warum ist das Lastverteilung ungleichmäßig? Aufgrund der winkeligen Nichtzusammenfallung der Wellen (Verkippung der Welle) im Bereich von 0,15 mm auf eine Länge von 100 mm.
- Warum trat ein Auskippung der Achsen auf? Aufgrund thermischer Deformation des Fundaments und ungenügender Genauigkeit beim Ausrichten während der Montage nach dem vorherigen Reparatur.
- Welche Rolle spielte das Schmiermittel? Die Viskosität der Arbeitsflüssigkeit fiel unter den kritischen Mindestwert infolge lokaler Überhitzung, was die Bildung einer minimalen Schmierschicht ($h_{min} > \sigma_1 + \sigma_2$) gemäß den Standards ISO 281 und AGMA 9005-E02 unmöglich machte.
5. Erkannte Ursachen
Aufgrund des komplexen Analysenergebnisses wurden drei Schlüsselursachen mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit für den Unfall identifiziert:
- Kreislaufunwuchten und Randkontakt (Wahrscheinlichkeit: 50%): Bestätigt durch Farbverfahren und Kontaktfleckanalyse. Das Belastungskonzentrat lag am Zahnrand, wo die Spannungen die berechneten Werte um 2,3-fach überschritten haben.
- Verschleiß und Verschmutzung des Schmierfetts (Wahrscheinlichkeit: 30%): Die Analyse der Schmierfettproben zeigte die Anwesenheit von Verschleißprodukten (Eisen- und Stahlstaub) sowie eine Verringerung der hydrodynamischen Schmierschichtdicke ($EHD$), was zu einem metallischen Kontakt der Rauhigkeiten führte.
- Nichtkonformität der Montageparameter (Wahrscheinlichkeit: 20%): Abweichung von den Toleranzen der Senkrechtstellung der Lagerbuchsen beim Zusammenbau des Bauteils.
6. Korrekturmaßnahmen
Zur Beseitigung der identifizierten Mängel und Verhinderung von Wiederholungsfällen wurde ein umfassendes Programm von sofortigen und langfristigen Maßnahmen entwickelt:
Warnung: Die Nutzung von Geräten mit Schwingungen über 7,0 mm/s ist gemäß den Sicherheitsvorschriften der Ukraine (NPAOP 0.00-1.81-18) verboten. Eine sofortige Ersetzung des beschädigten Komponenten ist erforderlich.
- Dringender Reparaturbedarf: Demontage des Getriebes, vollständige Reinigung des Gehäuses, Austausch des beschädigten Zahnelements durch den originalen Komponenten aus dem Katalog UNITEC-D mit Einhaltung der Toleranzen gemäß DIN 3962 (Genauigkeitsgrad nicht unter 6).
- Ausrichtung und Justierung: Laserausrichtung von Wellen mit Einhaltung der Parallelitätszulassung $\le 0.02$ mm und Winkelschrägung $\le 0.05$ mm/m.
- Optimierung der Schmierung: Wechsel auf hochwertiges synthetisches Schmiermittel ISO VG 220 mit verbessertem EP-Zusatzpaket und Einbau einer zweistufigen Luftfilteranlage des Schmierfutters (Reinheitsklasse nicht schlechter als ISO 4406 17/15/12).
7. Schnelle Diagnosekarte für technische Spezialisten
Diese Checkliste-Tabelle wurde für Feldingenieure entwickelt und kann direkt im Werk mit einem Tablet verwendet werden:
- Visueller Oberflächenblick auf den Gehäusekörper: Prüfen Sie auf Schäden, beurteilen Sie die Ölmenge und Farbe durch das Betrachtungsfenster.
- Schwingungsmessung: Messwerte an den Lagerstützen in drei zueinander senkrechten Richtungen ($V_{RMS}$) ermitteln.
- Thermometrie: Temperatur des Gehäuses in der Kupplungszone mit einem Pyrometer messen (Maximalwert bis 85 °C).
- Frequenzspektralanalyse: Harmonische der Zahnpaarungsfrequenz ($GMF$) sowie Seitenbänder der Drehfrequenz suchen.
- Ölprobe: Probe aus der unteren Ablassstelle für einen Laboranalysen zur Prüfung auf ferromagnetische Partikel ($Fe$ > 100 ppm — Warnung).
- Sapunprüfung: Reinigen oder austauschen Sie den Luftfilter-Sapun aufgrund von Staubansammlung.
- Schraubkraftkontrolle: Prüfen Sie die Schraubkraft der Befestigungsschrauben des Getriebes an der Rahmen gemäß dem Technischen Datenblatt.
- Zahnahtendoskopie: Mindestens 4 Zähne am Umfang auf Mikrorisse, Pitting oder Abplatzungen prüfen.
8. Präventive Strategie
Um die zuverlässige Funktion industrieller Anlagen auf ukrainischen Unternehmen zu gewährleisten, ist es notwendig, folgende Strategie des technischen Betriebsmaterials einzuführen:
- Zustandsüberwachung (PdM): Einbau von stationären Vibrations-Sensoren und kontinuierliche Überwachung des spektralen Analyseverfahrens für Stoßimpulse ($ shock\ pulses $).
- Schmierstoffwechsel: Laboranalyse des Schmierstoffs alle 2000 Betriebsstunden oder alle 6 Monate. Vollständige Austausch des synthetischen Schmierstoffs alle 8000–10000 Betriebsstunden.
- Zentrierungsaudit: Planmäßige Überprüfung der Ausrichtung des Antriebs alle 12 Monate nach Abschluss des Zyklus der saisonalen Temperaturschwankungen im Werk.
9. Schlussfolgerung
Frühzeitiger Ausfall von Zahnrädern durch Pitting und Schäden ist immer Folge eines komplexen Einflusses mechanischer Abweichungen (Nichtaxialität) und verschlechterter Schmierungsvoraussetzungen. Der strenge Einhaltung der Montagevorschriften, der regelmäßige Schwingungscheck und die Verwendung von zertifizierten Ersatzteilen ermöglichen das Vermeiden von Notstopp und das Erreichen des vorgesehenen Lebensdauers des Equipments. Die Auswahl qualitativ hochwertiger Komponenten zur Erneuerung ist in UNITEC-D E-Catalog verfügbar.
10. Verweisung
- ISO 10816-3: Mechanische Schwingungen — Bewertung der MaschinenSchwingungen an nicht rotierenden Teilen.
- ISO 281: Lager mit Kugeln — Dynamische Lasten und Laufleben.
- DIN 3962: Toleranzen für Zylinderzahnradzähne.
- AGMA 9005-E02: Industrielle Getriebelagerung.
- EN 10084: Schmiedeisen mit Schärflegierung — Technische Lieferbedingungen.
