1. Introduzione
Su un'azienda del settore dell'ingegneria meccanica pesante in Ucraina, durante un'intervento di manutenzione programmata del sistema di trasmissione principale della linea produttiva, è stato rilevato un rumore ad alta frequenza non caratteristico e un aumento della vibrazione del riduttore. L'ispezione delle superfici interne con un endoscopio ha rivelato un danneggiamento locale delle superfici di lavoro dei denti della ruota dentata e del pignone. La principale causa di arresto dell'attrezzatura è stata identificata come un progressivo pitting (corrosione puntuale) seguito da un passaggio al microspalling (sfaldamento). Il tempo medio tra i guasti (MTBF) per questo componente era previsto in 45 000 ore, tuttavia lo stato di emergenza si è verificato già dopo 14 200 ore di esercizio. Questo ha richiesto un'indagine tecnica approfondita per determinare le cause principali in conformità con le richieste dello standard ISO 10816 e le metodologie di analisi dei guasti.
2. Panoramica del componente
Il componente oggetto di analisi è un riduttore ad alta precisione con ingranaggi, in cui l'elemento principale di trasmissione del momento torcente è il componente con codice FIBRO 2480.022.10000. Questo componente opera in condizioni di carico ciclico elevato, assicurando la trasmissione della potenza all'interno della catena cinematica della macchina utensile o del complesso di lavorazione.
- Momento torcente nominale: fino a 2400 Nm
- Temperatura di esercizio del lubrificante: 65 °C – 85 °C (limite 95 °C)
- Materiale della ruota dentata: Acciaio cementato legato 18ХГТ (o analogo 18CrNiMo7-6 in base a EN 10084), durezza superficiale 58-62 HRC, spessore dello strato cementato 1,2-1,6 mm.
- Velocità di rotazione: 1500 giri/min (albero motore)
Il componente è ubicato all'interno di un corpo in ghisa sigillato con sistema di lubrificazione a carter. L'ambiente di lavoro prevede l'uso di olio riduttore sintetico della classe ISO VG 220 basato su polialfaolefini (PAO) con additivi antiusura (EP).
3. Evidenze di guasto
Un'ispezione visiva mostra un classico aspetto di usura della superficie. Sulle zone della linea polare e sotto la radice del dente si osservano numerose piccole crepe (pitting) con diametro compreso tra 0,5 e 2,0 mm e profondità fino a 0,8 mm. Sul lato caricato dei denti del componente FIBRO 2480.022.10000 si osserva la fusione di queste crepe in aree continue di distacco (spalling).
| Parametro di misura | Valori normativi (ISO / DIN) | Valore effettivo sull'oggetto |
|---|---|---|
| Vibrazione (SCA velocità) | < 2,8 mm/s (ISO 10816-3) | 7.4 мм/с (frequenze prevalenti di accoppiamento) |
| Classe di purezza dell'olio | ISO 4406: 16/14/11 | ISO 4406: 20/18/15 (contaminazione elevata da particolato) |
| Viscosità dell'olio a 40 °C | 220 мм²/с ± 10% | 185 мм²/с (distruzione del lubrificante e scorrimento) |
| Ply di contatto per dente | > 70% per lunghezza e altezza | < 35% (contatto laterale da un lato) |
4. Indagine sulle cause radice
Per determinare la catena di eventi che ha portato alla rottura prematura di FIBRO 2480.022.10000, è stato applicato il metodo "5 Perché" (5 Whys) in combinazione con la diagramma di Ishikawa, concentrandosi sui quattro fattori principali: lubrificante, geometria/allineamento, materiali e ambiente di esercizio.
- Perché si è verificato il pitting e lo scalping? A causa dell'eccesso di tensioni di contatto sulla superficie del dente sopra il limite di resistenza a fatica del materiale.
- Perché si sono verificati sovraccarichi di contatto? A causa di un'incorporazione non uniforme del carico lungo la lunghezza del dente (contatto marginale).
- Perché il carico è distribuito in modo non uniforme? A causa di un allineamento non perfetto degli assi (sfasamento angolare) entro 0,15 mm su una lunghezza di 100 mm.
- Perché si è verificato uno spostamento degli assi? A causa delle deformazioni termiche del fondatore e della scarsa precisione del centratura durante l'installazione dopo il precedente intervento di manutenzione.
- Qual'è stato il ruolo del lubrificante? La viscosità del fluido di lavoro è scesa al di sotto del minimo critico a causa di un riscaldamento locale, rendendo impossibile la formazione di una pellicola lubrificante di spessore minimo ($h_{min} > \sigma_1 + \sigma_2$), necessario secondo gli standard ISO 281 e AGMA 9005-E02.
5. Cause prime identificate
In base ai risultati dell'analisi complessiva sono state identificate tre cause principali con diversa probabilità di contributo all'incidente:
- Deviazione assiale e contatto ai bordi (Probabilità: 50%): Confermato con il metodo di verniciatura e analisi delle impronte di contatto. Il carico si concentrava sul bordo del dente, dove le tensioni superavano quelle calcolate di 2,3 volte.
- Degradazione e contaminazione dell'olio (Probabilità: 30%): L'analisi delle campioni di olio ha mostrato la presenza di prodotti di usura (polvere di ghisa e polvere d'acciaio) e una riduzione dello spessore della pellicola idrodinamica ($EHD$), che ha causato contatto metallico tra le superfici ruvide.
- Non conformità dei parametri di montaggio (Probabilità: 20%): Deviazione rispetto alle tolleranze di perpendicolarità dei fori di montaggio delle basi a cuscinetto durante l'assemblaggio del componente.
6. Azioni correttive
Per eliminare i difetti rilevati e prevenire ripetuti guasti, è stato sviluppato un insieme di misure urgenti e a lungo termine:
Attenzione: L'esercizio di attrezzature con vibrazioni superiori a 7,0 mm/s è vietato in base alle norme di sicurezza industriale della Ucraina (NPAOP 0.00-1.81-18). È necessaria la sostituzione immediata del componente danneggiato.
- Riparazione urgente: Smontaggio riduttore, pulizia completa del corpo, sostituzione dell'elemento a denti danneggiato con un componente originale dal catalogo UNITEC-D rispettando le tolleranze in conformità con DIN 3962 (grado di precisione non inferiore a 6).
- Allineamento e regolazione: Allineamento laserico degli alberi con rispetto della tolleranza di parallellismo degli assi $\le 0.02$ mm e di deviazione angolare $\le 0.05$ mm/m.
- Ottimizzazione lubrificante: Passaggio all'olio sintetico di alta qualità ISO VG 220 con migliorato pacchetto di additivi EP e installazione di un sistema a due stadi di filtraggio dell'aria del sapone (classe di purezza non peggiore ISO 4406 17/15/12).
7. Carta diagnostica rapida per tecnici
Questa tabella di controllo è stata sviluppata per gli ingegneri sul campo e può essere utilizzata direttamente in officina utilizzando un tablet:
- Controllo visivo del carter: Verificare la presenza di graffi, valutare il livello e il colore dell'olio attraverso la finestra di osservazione.
- Misurazione della vibrazione: Prelevare i valori sui supporti dei cuscinetti in tre direzioni mutuamente perpendicolari ($V_{RMS}$).
- Termometria: Misurare la temperatura del corpo nella zona di contatto con un pirometro (norma fino a 85 °C).
- Analisi del spectrum di frequenza: Cercare armoniche della frequenza di meshing ($GMF$) e bande laterali della frequenza di rotazione.
- Prova dell'olio: Prelevare la prova dalla parte inferiore del drenaggio per un'analisi laboratoriale sulla presenza di particelle ferromagnetiche ($Fe$ > 100 ppm — allarme).
- Controllo del sifone: Pulire o sostituire il filtro sifone dell'aria per l'accumulo di polvere.
- Controllo del momento di serraggio delle viti: Verificare i momenti di serraggio delle viti di fissaggio del riduttore alla struttura in base al documento tecnico.
- Endoscopia di fissaggio: Controllare almeno 4 denti lungo il perimetro per la presenza di microfessure, pitting o scolpi.
8. Strategia di prevenzione
Per garantire il funzionamento senza interruzioni dell'attrezzatura industriale nei imprese ucraine è necessario adottare la seguente strategia di manutenzione tecnica:
- Monitoraggio dello stato (PdM): Installazione di sensori fissi di vibrazione e controllo continuo dell'analisi spettrale degli impulsi di accelerazione ($ shock\ pulses $).
- Regolamento lubrificante: Analisi laboratoriale del lubrificante ogni 2000 ore di lavoro o una volta ogni 6 mesi. Sostituzione completa dell'olio sintetico ogni 8000–10000 ore.
- Audit di centratura: Controllo pianificato della coassialità del motore ogni 12 mesi dopo la fine del ciclo di oscillazioni termiche stagionali nel reparto.
9. Conclusione
Mancato funzionamento prematuro delle trasmissioni a ingranaggi a causa di pitting e usura è sempre conseguenza di un impatto complesso di deviazioni meccaniche (allineamento non corretto) e peggioramento delle condizioni di lubrificazione. Il rispetto rigoroso delle procedure di montaggio, il controllo regolare delle vibrazioni e l'utilizzo di parti di ricambio certificate permettono di evitare arresti improvvisi e di raggiungere il risorsa progettato dell'attrezzatura. La selezione di componenti di qualità per sostituzione è disponibile nel UNITEC-D E-Catalog.
10. Riferimenti
- ISO 10816-3: Vibrazione meccanica — Valutazione della vibrazione della macchina mediante misurazioni su parti non rotanti.
- ISO 281: Supporti a rotolamento — Carichi dinamici e vita nominale.
- DIN 3962: Tolleranze per i denti di una ruota dentata cilindrica.
- AGMA 9005-E02: Lubrificazione di ingranaggi industriali.
- EN 10084: Acciai a cementazione — Condizioni tecniche per la consegna.
