1. Introduzione
La perdita di olio attraverso la guarnizione dell'albero di un ingranaggio industriale è un sintomo che spesso viene liquidato come un problema estetico minore. Nelle imprese ucraine dell'industria mineraria e del cemento, i fabbri si limitano spesso solo ad aggiungere olio o semplicemente a sostituire il bracciale, senza scoprire la vera ragione del guasto. Tuttavia, un approccio così superficiale porta inevitabilmente a una ricaduta dopo 200-500 ore di lavoro. In questo rapporto tecnico, condurremo un esame forense di un tipico caso di perdita di olio in un cambio cilindrico-conico per carichi pesanti.
L'oggetto della nostra ricerca è l'azionamento principale di un nastro trasportatore in una fabbrica di concentrazione. La ripetuta perdita di lubrificante sull'albero di uscita è stata rilevata tre settimane dopo la riparazione prevista. La stazione di monitoraggio delle vibrazioni ha segnalato un aumento dei livelli di accelerazione delle vibrazioni ad alta frequenza nel gruppo dei cuscinetti e la temperatura della custodia nell'area del premistoppa ha raggiunto +82°C con un valore nominale di +65°C. Il nostro obiettivo è analizzare la catena di eventi che hanno portato al cedimento prematuro della tenuta SKF 1009103 e proporre soluzioni ingegneristiche in conformità con gli standard ISO ed EN.
2. Panoramica del componente
La tenuta radiale dell'albero (manicotto rinforzato) svolge la funzione fondamentale di trattenere il fluido lubrificante all'interno dell'alloggiamento del cambio e di proteggere la cavità interna da polvere abrasiva, umidità e incrostazioni. Nel nostro caso viene utilizzato il componente SKF 1009103, progettato per funzionare in condizioni di elevati carichi assiali e radiali.
- Dimensioni del posto: secondo ISO 6194 e DIN 3760.
- Materiale del bordo di imballaggio operativo: gomma fluorurata (FKM/Viton), in grado di resistere al funzionamento a lungo termine nell'intervallo di temperature da -40°C a +200°C.
- Ambiente di lavoro: olio sintetico per ingranaggi a base di polialfaolefine (PAO) classe di viscosità ISO VG 220 con additivi antigrippanti (EP).
- Velocità di scorrimento sulla superficie dell'albero: 12,5 m/s.
- Pressione di esercizio nel basamento: da -0,05 a +0,1 bar.
La guarnizione è installata nel coperchio di uscita del cambio immediatamente prima dell'uscita dell'albero alla frizione di trasmissione. Le condizioni operative in azienda sono difficili: il contenuto di polvere nell'aria raggiunge i 45 mg/m³ e le fluttuazioni giornaliere della temperatura ambiente vanno da -15°C in inverno a +35°C in estate in un'officina non riscaldata.
3. Prova del rifiuto
Durante lo smontaggio del gruppo sulla macchina e l'esame con una lente d'ingrandimento (10x), il team di ingegneri ha registrato i seguenti dati concreti:
- Condizione del bordo in gomma: sono presenti indurimento termico e microfessurazioni sul bordo del tallone del paraolio SKF 1009103.
- Condizione del collo dell'albero: Una scanalatura anulare profonda 0,22 mm e larga 3,5 mm è stata trovata sull'albero nel punto di contatto con il bordo operativo della guarnizione. La rugosità della superficie dell'albero nella zona di usura ha superato il valore consentito ed è stata di $R_a = 0,95$ micron invece della normativa $R_a = 0,20 \dots 0,40$ micron (secondo ISO 4287).
- Molla del polsino: la molla di tensione a spirale è spostata dal canale di atterraggio e parzialmente deformata. La tensione della molla è diminuita del 40% rispetto alla forza iniziale.
- Analisi dell'olio: il contenuto di particelle solide (silice dalla polvere di minerale) era dello 0,18% in massa, ovvero 6 volte superiore al tasso massimo consentito per questo nodo.
I dati di monitoraggio delle vibrazioni prima dello spegnimento hanno mostrato picchi spettrali alle frequenze di rotazione dell'albero (1X) e armoniche associate allo squilibrio locale e all'eccentricità dell'albero (l'eccentricità radiale era di 0,08 mm con una tolleranza di 0,03 mm).
4. Studio delle cause profonde
Per un'analisi sistematica abbiamo utilizzato il metodo del diagramma di Ishikawa (“lisca di pesce”) e il metodo dei “5 Perché?” tecnica. Sono state identificate quattro categorie principali di fattori: materiale, metodo di installazione, condizioni dell'apparecchiatura e ambiente esterno.
- Perché la guarnizione ha perso tenuta? Perché il bordo di lavoro ha perso elasticità ed è comparso uno spazio tra esso e l'albero.
- Perché il bordo si è deteriorato? A causa del surriscaldamento nell'area di contatto a una temperatura superiore a +90°C.
- Perché si è verificato un surriscaldamento locale? A causa della mancanza di sufficiente dissipazione del calore e dell'aumento dell'attrito dovuto all'usura del collo dell'albero e delle bave.
- Perché si è formata la scanalatura sull'albero? Le particelle di polvere abrasiva sono penetrate sotto il bordo del bracciale e hanno agito come una pasta abrasiva metallica.
- Perché l'abrasivo è finito sotto il bordo? L'ugello del riduttore era ostruito dalla polvere di processo, che ha portato alla creazione di una pressione eccessiva dei gas caldi del basamento (fino a +0,4 bar), spingendo fuori il lubrificante e creando l'effetto di aspirazione dello sporco durante il raffreddamento.
5. Cause profonde identificate (per grado di probabilità)
| № | La causa principale | Probabilità (%) | Prove a sostegno |
|---|---|---|---|
| 1 | Sfiato intasato e pressione eccessiva nel basamento | 45% | Tracce di olio che fuoriescono dalla tenuta a labirinto, mancanza di capacità di sfiato durante il soffiaggio con aria compressa. |
| 2 | Installazione impropria della guarnizione e dell'eccentricità dell'albero | 30% | Spostamento della molla del polsino, eccentricità radiale dell'albero di uscita 0,08 mm, tracce di distorsione durante la pressatura. |
| 3 | Superficie usurata del collo dell'albero (non riparata in tempo) | 15% | La profondità della scanalatura sull'albero è 0,22 mm, la rugosità $R_a = 0,95$ μm. |
| 4 | Mancata corrispondenza della classe dell'olio o degrado degli additivi | 10% | La presenza di prodotti di ossidazione nel campione di olio, la viscosità a +40°C è inferiore del 15% rispetto a quella nominale. |
6. Azioni correttive e preventive
È stato sviluppato un piano di misure tecniche per eliminare i difetti identificati e prevenire fermi delle apparecchiature sulla linea di produzione:
- Riparazione urgente (eliminazione immediata): smontaggio del cambio, rettifica del collo dell'albero alla dimensione di riparazione o installazione di un manicotto per riparazione rapida (speedi-sleeve). Sostituzione della bussola SKF 1009103 con una nuova secondo le istruzioni di installazione SKF. Sostituzione dello sfiatatoio con un modello con filtro incorporato per la purificazione fine dell'aria (grado di filtrazione 3 micron).
- Prevenzione a lungo termine: Implementazione di un monitoraggio regolare della caduta di pressione nella scatola del cambio. Passaggio ai lubrificanti sintetici con un elevato indice di viscosità e resistenza alla distruzione secondo ISO 12925-1 (categoria CKD).
7. Lista di controllo diagnostica rapida per i tecnici
Questa lista di controllo è destinata all'uso da parte di fabbri e ingegneri dell'affidabilità direttamente in officina utilizzando un tablet o un terminale mobile:
- [ ] Controllare la temperatura dell'alloggiamento nella zona dei cuscinetti e dei paraolio con un pirometro (standard: fino a +70°C).
- [ ] Valutare il livello e lo stato dell'olio attraverso la spia (presenza di emulsione, schiuma, sedimento scuro).
- [ ] Controllare la libera circolazione dell'aria attraverso lo sfiatatoio (assenza di intasamenti con fango o polvere).
- [ ] Effettuare misurazioni delle vibrazioni con un vibrometro portatile su tre assi reciprocamente perpendicolari (controllo dello spettro delle alte frequenze).
- [ ] Ispezionare l'albero di uscita per verificare la presenza di gocce di grasso o polvere attaccata al coperchio.
- [ ] Controllare l'allineamento dell'albero del cambio e della macchina collegata utilizzando un sistema di centraggio laser (è accettabile uno spostamento inferiore a 0,05 mm).
- [ ] Controllare la coppia di serraggio dei bulloni dei coperchi dei cuscinetti e della scatola del cambio con una chiave dinamometrica.
- [ ] Condurre un'analisi spettrale del campione di olio per la presenza di prodotti di usura (Fe, Cu, Cr) una volta ogni 6 mesi.
8. Futura strategia di prevenzione
Per raggiungere l’indicatore di progetto dell’affidabilità del cambio (MTBF almeno 40.000 ore di funzionamento), è necessario integrare le seguenti pratiche:
- Intervalli di manutenzione: Effettuare una sostituzione completa delle guarnizioni e una revisione delle sedi ogni 12.000 ore di funzionamento o una volta ogni due anni.
- Monitoraggio delle condizioni: Installazione di sensori fissi di vibrazione e temperatura con uscita del segnale al sistema SCADA dell'azienda per il rilevamento tempestivo di difetti dei cuscinetti.
- Miglioramento del design: Applicazione di guarnizioni a due fasi con un manicotto protettivo (rimuovi fango) e un lubrificante con consistenza barriera tra i bordi per lavori in condizioni di polvere abrasiva delle officine di produzione del cemento.
9. Conclusione
Le perdite di lubrificante nei riduttori di ingegneria pesante sono sempre il risultato di uno squilibrio nel triangolo di tolleranza pressione-temperatura-meccanica. Sostituire solo la tenuta stessa senza controllare lo sfiatatoio e controllare l'eccentricità radiale dell'albero è un dispendio di denaro inefficiente. Il rispetto delle norme di installazione secondo gli standard ISO e l'uso di componenti certificati garantiscono il funzionamento ininterrotto delle apparecchiature industriali.
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10. Collegamenti
- ISO 6194-1:2007 — Tenute a labbro per alberi rotanti che incorporano elementi di tenuta elastomerici.
- DIN 3760 — Anelli di tenuta radiali per alberi per applicazioni industriali.
- ISO 4287:1997 - Specifiche geometriche del prodotto (GPS) - Struttura della superficie: metodo del profilo.
- ISO 12925-1:2018 — Lubrificanti, oli industriali e prodotti correlati (classe L) — Famiglia C (ingranaggi).
- Catalogo Generale SKF: Tenute per alberi industriali e istruzioni di montaggio.
