Ursachenanalyse: Ausfall von Hydraulikzylinderdichtungen (Verschmutzung, Verformung, Druckstöße)

1. Einleitung: Symptome eines Scheiterns

In der Stanzlinie für Metallteile wurde ein kritischer Vorfall registriert: Die Haupthydraulikpresse mit einer Kraft von 2500 kN blieb aufgrund eines starken Druckabfalls im System stehen. Der Betreiber meldete ein erhebliches Hydraulikflüssigkeitsleck aufgrund einer Hauptzylinderstangendichtung. Die Einschaltdauer erhöhte sich in den letzten 48 Stunden vor dem vollständigen Ausfall um 15 %, was auf einen allmählichen Rückgang des volumetrischen Wirkungsgrads hinweist.

Bei einer Sichtprüfung entdeckte man auf dem Pressenbett eine Pfütze Hydrauliköl (ISO VG 46) mit einem Volumen von etwa 15 Litern. Die Temperatur des Zylinderkörpers im Bereich der Frontabdeckung betrug 85°C (normalerweise 55°C). Der Ausfall führte zu Anlagenstillständen und dem Risiko einer Unterbrechung des Produktionsplans. Der Zweck dieser Analyse besteht darin, die genauen technischen Ursachen von Dichtungsausfällen zu ermitteln und eine Strategie zur Vermeidung solcher Vorfälle zu entwickeln.

2. Übersicht über die Komponenten- und Betriebsbedingungen

Forschungsgegenstand ist ein doppeltwirkender Hydraulikzylinder. Wichtigste technische Merkmale:

• Kolbendurchmesser: 160 mm
• Stabdurchmesser: 100 mm
• Stangenhub: 800 mm
• Nennarbeitsdruck: 210 bar
• Maximaler Spitzendruck: 250 bar
• Arbeitsflüssigkeit: Mineralöl ISO VG 46

Das Schaftdichtungssystem besteht aus einem Schmutzfänger (NBR), einer Haupt-U-Dichtung (Polyurethan, PU) und einer Pufferdichtung (PTFE mit Bronzefüllung). Führungsringe bestehen aus gewebeverstärktem Phenolharz.

Richtungshydraulische Verteiler werden über eine Relaislogik gesteuert, wobei das wichtigste Zeitverzögerungselement für eine reibungslose Ventilumschaltung das Zeitrelais Siemens 7PU44402AN20 ist. Diese Komponente ist für die Bildung der Beschleunigungs- und Verzögerungszeitintervalle der massiven Schiebepresse verantwortlich und verhindert so ein abruptes Schließen der Ventile.

3. Anzeichen eines Versagens (Beweisbasis)

Bei der Demontage des Hydraulikzylinders unter den Bedingungen der Reparaturwerkstatt wurden folgende physische Beweise gefunden:

3.1. Zustand der Dichtungen

Die Hauptdichtung aus Polyurethan weist Anzeichen von Extrusion (Quetschen) von der Niederdruckseite auf. Der Rand ist eingerissen, es gibt Spuren thermischer Zersetzung (Nachdunkelung des Materials). Die Pufferdichtung aus PTFE ist deformiert, der Spalt im Schloss hat sich von 0,2 mm auf 1,5 mm vergrößert.

3.2. Zustand der Rute und Führungen

Auf der Chromoberfläche der Stange sind Längskratzer zu erkennen. Die Messung mit einem Profilometer ergab eine Rauheit von Rz = 6,3 μm (der Nominalwert für einen stabilen Betrieb der Dichtungen ist Rz ≤ 0,4 μm). Führungsringe weisen asymmetrischen Verschleiß auf: Die Dicke auf einer Seite beträgt 2,1 mm, auf der gegenüberliegenden Seite 3,4 mm (ursprüngliche Dicke 3,5 mm).

3.3. Analyse von Arbeitsflüssigkeit und Steuerparametern

Die Laboranalyse einer aus dem Tank entnommenen Ölprobe ergab eine Reinheitsklasse ISO 4406 von 21/19/16 (die Norm für diesen Systemtyp ist 17/15/12). Es wurde ein hoher Gehalt an Silizium und Metallspänen festgestellt.

Bei der Überprüfung des elektrischen Steuerkreises wurde festgestellt, dass die Einstellung des Relais Siemens 7PU44402AN20 falsch war: Die Zeitverzögerung für das Schließen des Hauptablassventils betrug 50 ms statt der geschätzten 250 ms.

4. Ursachenforschung (Methode 5 Warum)

Um die Beweise zu systematisieren, wurde die „5 Why“-Methode in drei Hauptbereichen angewendet: Verschmutzung, Verzerrung, Drucksprünge.

Richtung 1: Verschmutzung des Systems

1. Warum traten Längskratzer auf der Stange auf? Aufgrund des Eindringens abrasiver Partikel zwischen Stange und Dichtung.
2. Warum sind die Partikel in diesem Bereich gelandet? Der Schmutzentferner konnte den Schaft während des Rückwärtshubs nicht reinigen.
3. Warum hat der Schmutzentferner versagt? Seine Arbeitskante war aufgrund der hohen Staubkonzentration in der Werkstatt und der fehlenden Schutzriffelung abgenutzt.
4. Warum überstieg der Ölverschmutzungsgrad (19.21.16) die Norm? Das Filterelement des Abflussfilters arbeitete im Bypass-Modus (Bypassventil offen).
5. Warum funktionierte der Filter im Bypass? Die Filterverschmutzungsanzeige war fehlerhaft, der regelmäßige Austausch des Filterelements (MTBF 500 Stunden) wurde ignoriert.

Richtung 2: Mechanischer Versatz

1. Warum weisen die Führungsringe asymmetrischen Verschleiß auf?Auf die Stange wurde eine erhebliche radiale (seitliche) Belastung ausgeübt.
2. Warum trat die seitliche Belastung auf? Die Achse des Hydraulikzylinders stimmte nicht mit der Bewegungsachse der Schiebepresse überein.
3. Warum ist die Diskrepanz aufgetreten? Lockerung der Befestigungsschrauben des Hydraulikzylinderflansches.
4. Warum haben sich die Schrauben gelöst? Fehlende regelmäßige Drehmomentkontrolle und starke Vibrationen.

Richtung 3: Drucksprünge (Hydroshock)

1. Warum kam es zur Extrusion der Polyurethan-Dichtung? Der Druck im Zylinderhohlraum überstieg die Festigkeitsgrenze des Dichtungsmaterials für den verfügbaren Montagespielraum.
2. Warum hat der Druck den zulässigen Grenzwert überschritten?Beim Stoppen des Schiebers ist ein hydraulischer Schock aufgetreten.
3. Warum kam es zu dem Wasserschlag? Das Hauptablassventil schloss zu schnell und stoppte sofort den Ölfluss.
4. Warum hat das Ventil schnell geschlossen? Das Zeitrelais Siemens 7PU44402AN20 hat in 50 ms statt in 250 ms ausgelöst.
5. Warum hat sich die Relaiseinstellung geändert? Unbefugter Eingriff des Bedieners in den Schaltschrank, um den Arbeitszyklus der Presse zu beschleunigen.

5. Identifizierte Grundursachen

Basierend auf den gesammelten Daten wurde eine Ursachenmatrix mit einer Einschätzung der Wahrscheinlichkeit und des Ausmaßes des Einflusses auf die Zerstörung des Siegels erstellt.

6. Korrekturmaßnahmen

Um die Funktionsfähigkeit des Gerätes wiederherzustellen und die Fehlerursachen zu beseitigen, wurden folgende Maßnahmen umgesetzt.

Sofortmaßnahmen (kurzfristig)

• Komponentenaustausch: Neuer Dichtungssatz (PU + PTFE) und neue Führungsringe eingebaut. Die hydraulische Zylinderstange wurde durch eine neue mit Hartchrom (Dicke 30 μm, Rz 0,2 μm) beschichtet ersetzt.
• Systemreinigung: Führte eine vollständige Spülung des Hydrauliksystems mit einer mobilen Filterstation auf eine Reinheitsklasse von ISO 4406 14.16.11 durch.
• Steuerungskalibrierung: Das Siemens 7PU44402AN20-Relais wurde für eine Verzögerung von 250 ms neu kalibriert. Um unbefugte Manipulationen zu verhindern, ist am Potentiometer eine Plombe angebracht.

Vorbeugende Maßnahmen (langfristig)

• Filtrationsmodernisierung: Abflussfilter mit einer Absolutfiltration von 10 μm (β10 ≥ 200) und im ACS TP integrierte elektronische Druckabfallsensoren wurden installiert.
• Geometrieausrichtung: Es wurde eine Laserzentrierung des Hydraulikzylinders relativ zur Gleitpresse durchgeführt. Die Versatztoleranz ist auf 0,05 mm/m eingestellt. Der Einsatz von Drehmomentschlüsseln zum Anziehen von Flanschverbindungen ist implementiert.
• Wasserschlagschutz: Zur Dämpfung von Druckspitzen bei Elektronikausfällen ist in die Hydraulikleitung ein Membran-Hydraulikspeicher mit einem Volumen von 4 Litern integriert.

7. Schnelle Diagnose-Checkliste für Techniker

Diese Checkliste ist für die Verwendung auf Tablets während der täglichen Ausrüstungsrundgänge konzipiert (Go/No-Go-Format).

• [ ] Visuelle Kontrolle des Stabes: Fehlen eines Ölfilms in Form von Tropfen. Die Brühe sollte leicht feucht sein, aber nicht tropfen.
• [ ] Zustand der Staboberfläche: Keine sichtbaren Längskratzer, Riefen oder Chromverfärbungen (Bläuung weist auf Überhitzung hin).
• [ ] Temperaturregime: Die Temperatur des Zylinderkörpers (gemessen mit einem Pyrometer) überschreitet nicht 60°C. Temperaturunterschied zwischen Deckel und Hülse ≤ 5°C.
• [ ] Befestigung: Überprüfen, ob Farbflecken auf den Befestigungsschrauben vorhanden sind (zeigt an, dass keine Lockerung vorliegt).
• [ ] Filtration: Filterverschmutzungsindikatoren liegen im grünen Bereich.
• [ ] Ventilbetrieb: Das Geräusch beim Schalten hydraulischer Verteiler ist sanft, ohne scharfe Metallstöße.
• [ ] Relaisparameter: Visuelle Überprüfung der Unversehrtheit der Siegel an Zeitschaltuhren und Relais (u.a. Siemens 7PU44402AN20) im Schaltschrank.
• [ ] Geräuschpegel: Kein Kavitationsgeräusch oder hochfrequentes Quietschen von der Pumpstation.

8. Präventionsstrategie und Zustandsüberwachung

Um die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) von derzeit 2000 Stunden auf einen Zielwert von 8000 Stunden zu erhöhen, wird eine vorausschauende Wartungsstrategie implementiert.

Ölanalyse: Probenahme alle 500 Arbeitsstunden. Drei Parameter werden gesteuert: Reinheitsklasse (ISO 4406), Wassergehalt (ppm) und kinematische Viskosität bei 40 °C. Bei Überschreitung des Reinheitscodes über 18/16/13 muss die Offline-Filtration sofort angeschlossen werden.

Vibrationskontrolle: Installation von Beschleunigungsmessern am Hauptpumpengehäuse zur Erkennung von Druckpulsationen, die auf Ventilprobleme oder Fehler in der Relaislogik hinweisen können.

Geplanter Austausch: Hydraulikzylinderdichtungen werden in die Kategorie der kritischen Komponenten überführt. Der regelmäßige Austausch erfolgt alle 8.000 Betriebsstunden oder alle 2 Jahre, je nachdem, was zuerst eintritt, unabhängig von sichtbaren Undichtigkeiten.

9. Zusammenfassung

Die Fehleranalyse hat gezeigt, dass der Ausfall von Hydraulikzylinderdichtungen selten eine einzige Ursache hat. In diesem Fall führte eine Kombination aus verunreinigter Arbeitsflüssigkeit, mechanischer Fehlausrichtung und einem kritischen Druckanstieg aufgrund falscher Steuerrelaiseinstellungen zu einer schnellen Verschlechterung des Polyurethans und PTFE. Ein systematischer Wartungsansatz, der die Kontrolle der Ölreinheit, die präzise Zentrierung der Mechanik und die strenge Kontrolle der elektroautomatischen Parameter umfasst, ist die einzige zuverlässige Methode, um den unterbrechungsfreien Betrieb hydraulischer Systeme sicherzustellen.

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10. Normative Verweise

• ISO 4406:2017 – Volumetrischer hydraulischer Antrieb. Arbeitsflüssigkeiten. Die Methode zur Kodierung des Verschmutzungsgrads durch feste Partikel.
• ISO 5598:2020 – Hydraulische und pneumatische Systeme. Wörterbuch der Begriffe.
• DSTU EN ISO 4413:2014 – Volumetrischer hydraulischer Antrieb. Allgemeine Regeln und Sicherheitsanforderungen für Systeme und deren Komponenten.
• ISO 10771-1:2015 – Volumetrischer hydraulischer Antrieb. Ermüdungstests von unter Druck arbeitenden Metallhülsen.