Introduzione: sintomi del rifiuto e background dell'indagine
In una delle imprese costruttrici di macchine pesanti dell'Ucraina, durante un'ispezione di routine dell'azionamento principale di un mulino tecnologico, sono stati registrati un livello critico di vibrazione e un aumento del rumore di fondo (sbalzo tonale alla frequenza di impegno dei denti). L'analisi dello spettrogramma di vibrazione ha mostrato la comparsa di bande laterali attorno alla frequenza di innesto delle marce, che indicano la modulazione del carico e la presenza di difetti locali sulle superfici di lavoro dei denti dell'ingranaggio e della ruota. L'arresto dell'apparecchiatura e l'esame endoscopico hanno rivelato vaiolature e scheggiature sviluppate delle superfici di lavoro dei denti degli ingranaggi cilindrici. È stata condotta un'indagine tecnica dettagliata sull'analisi delle cause profonde (RCA) per prevenire il guasto accidentale del gruppo di azionamento alimentato dal convertitore di frequenza ATV66U72N4G di Telemecanique.
Panoramica dei componenti e condizioni operative
Il treno di ingranaggi funziona come parte di un azionamento per carichi pesanti con una potenza nominale di 160 kW ad una velocità di 1480 giri/min dell'albero veloce. Il rapporto di trasmissione è i = 5,4. Il materiale delle ruote è acciaio legato 18KHT (18CrMnTi) con cementazione e tempra ad una durezza di 58-62 HRC. Le condizioni operative corrispondono ad una modalità operativa severa con carichi di punta ciclici superiori al nominale del 160%. Il cambio è integrato nel sistema di controllo del motore basato sull'inverter Telemecanique ATV66U72N4G, che garantisce un avviamento e un controllo della velocità fluidi.
Parametri di funzionamento del nodo:
- La temperatura di esercizio del lubrificante nel basamento: 68-75 °C (al massimo consentito 85 °C).
- Classe di purezza del lubrificante per ISO 4406: 18/16/13 (le condizioni effettive prima dell'incidente corrispondevano al 20/18/15).
- Tipo di lubrificante: Olio per ingranaggi sintetico ISO VG 220 a base di polialfaolefine (PAO) con un pacchetto di additivi antigrippanti (EP).
- Vita del progetto (MTBF): 50.000 ore. Il tempo effettivo prima del guasto è stato di 21.400 ore.
Prove di guasto e risultati di misura
Il controllo visivo e metrologico ha rivelato i seguenti difetti:
- Pitting (campo): Microcrateri con una profondità fino a 0,4 mm e un'area di copertura superiore al 25% della superficie di lavoro dei denti si sono formati nelle aree vicino alla linea polare e nella zona della base dei denti dell'ingranaggio motore.
- Scheggiatura: Su tre denti della ruota condotta sono stati strappati pezzi dello strato superficiale di metallo con una profondità fino a 1,5 mm e un'area fino a 12 mm². I bordi dei trucioli hanno un carattere di fatica.
- Misurazione dei punti di contatto: Il test di verniciatura ha mostrato un contatto marginale. La macchia occupa solo il 45% della lunghezza del dente invece dell'85% normativo secondo i requisiti di DSTU GOST 1643:2004.
- Diagnostica delle vibrazioni: Il valore quadratico medio (RMS) della velocità di vibrazione nell'intervallo 10-1000 Hz ha raggiunto 7,8 mm/s (il valore limite secondo ISO 10816-3 per fondazioni rigide di classe II è 4,5 mm/s).
Analisi sistematica delle cause profonde (Ishikawa e 5 Perché)
È stato costruito un diagramma di Ishikawa per determinare l'origine del guasto (fattori: materiale, lubrificante, installazione/allineamento, carichi operativi). L'applicazione del metodo "5 Why" ha permesso di stabilire la sequenza degli eventi:
- Perché si è verificata la vaiolatura? A causa dell'eccesso di sollecitazioni da contatto oltre il limite di resistenza del contatto dello strato cementato.
- Perché le sollecitazioni di contatto hanno superato quelle calcolate? A causa della distribuzione non uniforme del carico lungo la lunghezza del dente.
- Perché il carico era distribuito in modo non uniforme? A causa dell'errore angolare del parallelismo degli assi dell'albero (disallineamento degli ingranaggi rispetto al motore di 0,18 mm per 100 mm di lunghezza).
- Perché si è verificato il disallineamento degli assi? A causa delle deformazioni termiche del telaio e dell'allentamento dei bulloni di ancoraggio durante i precedenti cicli di avvii a coppia elevata.
- Perché il processo di distruzione è stato accelerato? La contaminazione del lubrificante con particelle solide e una diminuzione della viscosità durante il surriscaldamento hanno causato una rottura idrodinamica del film lubrificante (il coefficiente dello spessore del film lubrificante λ < 1,2).
Le cause profonde vengono identificate
Secondo i risultati dell’indagine, sono state identificate tre ragioni principali con diversa probabilità di impatto:
- Disallineamento degli assi (disallineamento) - probabilità del 55%. Lo spostamento angolare degli alberi ha portato ad una concentrazione del carico sui bordi dei denti, che ha causato un eccesso locale di tensioni di contatto di oltre 1450 MPa (con 1200 MPa consentiti).
- Degradazione e contaminazione del lubrificante: probabilità del 30%. Le violazioni della periodicità della filtrazione e dell'ingresso di particelle abrasive hanno portato all'usura abrasiva e all'accelerazione delle microfessure.
- Svantaggi del trattamento termico dello strato cementato: probabilità del 15%. Riduzione locale della profondità dello strato indurito effettivo sui singoli denti al di sotto della normativa 1,2 mm secondo i requisiti della norma EN ISO 6336.
Misure correttive e preventive
Per eliminare i difetti identificati e prevenire guasti ripetuti, è stata sviluppata una serie di misure:
- Eliminazione immediata: È stato effettuato lo smontaggio del riduttore. La coppia di ingranaggi danneggiata è stata sostituita con nuovi componenti originali di classe di precisione 6 secondo DSTU GOST 1643:2004.
- Allineamento: L'allineamento laser degli assi del motore e del cambio è stato eseguito utilizzando sistemi ad alta precisione. La tolleranza per il parallelismo degli assi è ridotta al livello inferiore a 0,03 mm per 100 mm di lunghezza. I tirafondi sono stati sostituiti con altri più robusti (classe di resistenza 10.9) mediante serraggio dinamometrico.
- Modernizzazione del sistema di lubrificazione: È stata installata un'ulteriore stazione di filtraggio della lubrificazione con una finezza di filtraggio di 5 micron e un sensore di umidità. Il tipo di lubrificante è stato sostituito da un analogo sintetico con un indice di viscosità più elevato.
- Impostazioni dell'azionamento elettrico: Nei parametri del convertitore di frequenza Telemecanique ATV66U72N4G, il tempo di accelerazione e frenata (rampa a forma di S) è stato ottimizzato per ridurre al minimo i momenti dinamici d'urto nell'innesto.
Scheda diagnostica rapida per tecnici sul campo
La tabella 1 contiene un algoritmo per verificare rapidamente lo stato del riduttore direttamente in officina utilizzando apparecchiature portatili.
| Passaggio | Parametro di convalida | Strumento/Metodo | Valore normativo | Segno diagnostico di deviazione |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Vibrazione del corpo | Analizzatore di vibrazioni (spettro FFT) | RMS < 4,5 mm/s (ISO 10816-3) | Picchi alla frequenza di impegno con bande laterali |
| 2 | Temperatura cuscinetto/carter | Pirometro/Termocamera | < 80°C | Surriscaldamento locale nella zona dei cuscinetti di supporto |
| 3 | Condizione di lubrificazione | Campionamento/Analisi di laboratorio | ISO 4406: 18/16/13 | Presenza di polvere metallica, acqua > 500 ppm |
| 4 | Macchia da contatto con i denti | Controllare la vernice | Almeno l'85% di lunghezza | Contatto di bordo o di punto |
| 5 | Gioco nella frizione | Indicatore del tipo di orologio | Secondo il passaporto del cambio | Un aumento del gioco laterale del 30% rispetto alla norma |
| 6 | Integrità delle superfici dei denti | Endoscopio industriale | Superficie liscia senza cavità | La presenza di microcrateri, vaiolatura |
| 7 | Posizione di installazione degli alberi | Sistema di centraggio laser | Errore < 0,05 mm | Spostamento dell'asse superiore alle tolleranze del produttore |
| 8 | Rumore di fondo dell'unità | Fonometro acustico | < 85 dB(A) ad una distanza di 1 m | Stridore metallico, ronzio irregolare |
Strategia per prevenire i fallimenti
Per garantire il funzionamento ininterrotto delle unità critiche nelle imprese della metallurgia ferrosa e non ferrosa e nell'industria mineraria dell'Ucraina, è necessario implementare la seguente strategia di manutenzione:
- Monitoraggio delle condizioni: Misurazione continua delle vibrazioni con il metodo degli impulsi d'urto (energia di picco) per rilevare difetti di cuscinetti e ingranaggi nelle fasi iniziali (in particolare secondo lo standard ISO 13373).
- Analisi del lubrificante: Effettuazione di un'analisi spettrometrica dell'olio ogni 1000 ore di funzionamento per controllare la concentrazione dei prodotti di usura di ferro, cromo e silicio.
- Sostituzioni normative: Sostituzione obbligatoria di guarnizioni, elementi filtranti e revisione dei giunti ogni 12.000 ore secondo le raccomandazioni dei produttori di apparecchiature industriali.
Conclusione
L'analisi delle cause profonde ha confermato che vaiolature e scheggiature dei denti sono dovute alla complessa influenza del disallineamento angolare degli assi dell'albero e alla violazione della purezza del lubrificante. Il rigoroso rispetto delle norme di allineamento secondo EN ISO 10816, il controllo di qualità dei lubrificanti e la corretta impostazione dei convertitori di frequenza consentono di prolungare la durata degli ingranaggi fino agli indicatori MTBF nominali. Per una selezione di pezzi di ricambio certificati, componenti di azionamento e strumenti di automazione, consultare la gamma nella pagina del Catalogo elettronico UNITEC-D.
Riferimenti normativi e letteratura
- ISO 6336: Calcolo della capacità di carico di ingranaggi cilindrici ed elicoidali.
- ДСТУ ГОСТ 1643:2004: Perdita di cilindri. Допуски.
- ISO 10816-3: Vibrazioni meccaniche: valutazione delle vibrazioni della macchina mediante misurazioni su parti non rotanti.
- ISO 4406: Potenza idraulica idraulica — Fluidi — Metodo per codificare il livello di contaminazione da particelle solide.
- IT ISO 13373: Monitoraggio delle condizioni e diagnostica delle macchine — Monitoraggio delle condizioni delle vibrazioni.
