Analisi delle cause prime di guasto del giunto a chiave: tensioni, accoppiamenti e rottura per fatica

Introduzione: sintomatologia della fermata d'urgenza

Durante l'ispezione programmata del riduttore della miscelatrice sulla linea di miscelazione chimica è stato rilevato un gioco critico sull'asse motore del riduttore. Il suono del funzionamento del meccanismo è diventato un colpo metallico con frequenza correlata alla velocità di rotazione dell'asse (1450 giri/min). Il controllo termografico ha mostrato un aumento locale della temperatura nella zona dell'unione asse-boccola fino a 85 °C, rispetto al valore nominale di 45 °C. Lo smontaggio del componente ha rivelato un taglio completo della spina prismatica e un considerevole usura del canale della spina dell'asse. Come motore è stato utilizzato un motore elettrico con apparecchiatura di avviamento e regolazione, in particolare contattori e relè interfacce del tipo Telemecanique KXA 04PM42, che garantivano carichi ciclici reversibili.

Oggetto del componente e condizioni di esercizio

Giunzione a spina è destinata alla trasmissione del momento torcente dall'asse al mozzo del rotore o alla puleggia mediante incastro nei canali dell'asse e della parte installata. La giunzione è posizionata sull'asse veloce/intermedio del riduttore con momento torcente nominale di 320 Nm.

Parametri dell'ambiente di lavoro

• Temperatura di esercizio: da -10 °C a +65 °C (tenendo conto del riscaldamento del motore).
• Ciclicità del carico: modalità reversibile, fino a 120 accensioni all'ora.
• Materiale dell'asse: acciaio 40Х (DSTU 4543 / EN 1.7045), durezza 28-32 HRC.
• Materiale della chiave: acciaio 45 (DSTU 1050 / EN 1.0503), resistenza alla rottura temporanea $\sigma_v = 600$ MPa.

Documenti di guasto (ispezione e misurazione)

Un controllo visivo e strumentale del componente difettoso ha fornito i seguenti dati:

1. La spina è divisa in due parti nel piano trasversale lungo la linea di taglio, sulla superficie di frattura si osservano chiaramente tracce di rottura per fatica — zona di frattura per fatica sviluppata (piazzola) e zona di rottura finale rapida (circa il 30% della superficie).
2. Misurazione del diametro dell'asse con un micrometro nella zona di accoppiamento ha mostrato un'ovalità di 0,04 mm, superiore all'errore ammissibile di 0,012 mm (secondo ISO 286).
3. Fessura a spina rotta del albero, rotta per larghezza: dimensione nominale 12 mm aumentata a 12,35 mm.
4. Analisi della vibrazione prima del rifiuto ha rilevato un aumento dei picchi di velocità vibrazionale nel range 1X e 2X delle frequenze di rotazione fino a 7,8 mm/s (in base a ISO 10816-3, stato "Proibito l'uso").

Indagine delle cause radice

Per determinare la catena di eventi che ha portato all'incidente, è stato applicato il metodo dell'albero degli errori (Fault Tree Analysis) e l'analisi secondo la metodologia 5 Perché (5 Whys).

Catena di analisi 5 Perché:
1. Perché si è verificata la rottura della chiave? — A causa di sovraccarico delle forze taglienti.
2. Perché le forze hanno superato quelle calcolate? — Sono comparse carichi impulsivi a causa di gioco nell'incastro.
3. Perché è comparso il gioco? — L'incastro della testa del bullone sul albero aveva un eccessivo gioco invece di un garantito serraggio (incastro con gioco H7/h6 invece di un incastro transitorio P7/h6).
4. Perché è stata utilizzata un'incastro errata? — Non sono state rispettate le tolleranze della lavorazione meccanica durante il precedente intervento di riparazione e le richieste dello standard ISO 286.
5. Perché non è stata rilevata in tempo? — Si è verificato un mancato controllo periodico dello stato del fissaggio e della misurazione della vibrazione.

Causei rilevate (elenco ordinato)

Azioni correttive e preventive

• Riparazione immediata (Short-term): Realizzazione di un nuovo albero con ripristino della geometria della testa fino alla classe di precisione h6. Realizzazione di una nuova chiave a spina in acciaio 40Х (trattata termicamente fino a 35-40 HRC in base a EN 10083-3). Applicazione di un'incastro di transizione in base a ISO 286-1.
• Prevenzione a lungo termine (Lungo termine): Passaggio ai collegamenti senza chiave (giunti tipo Ringfeder) per gli assi con modalità di funzionamento reversibili. Introduzione di un monitoraggio continuo della vibrazione e dello stato termico degli alberi e degli assi.

Elenco di controllo diagnostico rapido per il personale tecnico

Questo checklist è destinato all'uso su tablet direttamente in officina durante il controllo tecnico mensile (Maintenance & Reliability):

1. Controllare lo stato del rivestimento laccato e segni di corrosione (polvere rossa) intorno alla matrice (segno di fretting-corrosione).
2. Misurare la deviazione radiale dell'asse utilizzando un indicatore di tipo orologio (toleranza non superiore a 0,03 mm).
3. Eseguire il controllo vibrazionale del corpo del riduttore (analisi spettrale alle frequenze di eccentricità e di squilibrio).
4. Verificare la temperatura del nodo con un pirometro a infrarossi (soglia di allarme: >60 °C).
5. Verificare il momento di serraggio dei viti di bloccaggio e della fissaggio assiale (se applicabili gli anelli assiali).
6. Controllare lo stato dell'attrezzatura di commutazione, inclusi i circuiti di potenza e il controllo del motore Telemecanique KXA 04PM42, in assenza di squilibri di fase.
7. Verificare l'assenza di suoni anomali e rumore durante l'avviamento e l'arresto dell'attrezzatura.
8. Registrare i risultati delle misurazioni nel diario digitale di manutenzione (CMMS).

Strategia di prevenzione delle guasti

Per raggiungere l'indicatore di affidabilità MTBF obiettivo oltre 25 000 ore è necessario rispettare tali standard:

• Intervallo di controllo dei momenti di serraggio e giochi: ogni 1 000 ore di utilizzo.
• Periodicità della vibrodiagnostica: mensilmente.
• Rispetto dei standard di montaggio: ISO 286 (giusti), DSTU 23360 (cuscinetti a spina).
• Utilizzo esclusivo di parti di ricambio e componenti della trasmissione certificati. L'intero assortimento di componenti standard per riparazioni e modernizzazioni è disponibile attraverso UNITEC-D E-Catalog.

Conclusione

L'analisi ha mostrato che la causa principale del guasto del giunto a chiavetta è un complesso di fattori: non conformità dei giochi di accoppiamento durante il precedente intervento di manutenzione, che ha causato un gioco libero e microcolpi, nonché carichi ciclici dovuti al funzionamento del motore elettrico. Il rispetto rigoroso delle tolleranze secondo ISO 286, l'uso di acciai legati di qualità e un monitoraggio regolare delle vibrazioni elimina completamente il rischio di arresti improvvisi nei impianti produttivi ucraini. Per la selezione di componenti compatibili e l'ordinazione di parti di ricambio di qualità utilizzare UNITEC-D E-Catalog.

Elenco della letteratura

1. DSТU 23360-78 (ISO 773-69) Giunti a chiavetta con chiavette a sezione prismatica. Dimensioni.
2. ISO 286-1:2010 Specifiche geometriche dei prodotti (GPS) - Sistema di codifica ISO per tolleranze sulle dimensioni lineari.
3. DSТU EN 10083-3:2019 Acciai per tempra e normalizzazione. Parte 3: Acciai legati.
4. ISO 10816-3:2009 Vibrazione meccanica - Valutazione della vibrazione delle macchine mediante misurazione su parti non ruotanti.
5. Manuale della affidabilità delle macchine e dei meccanismi dell'attrezzatura industriale, red. prof. M. I. Koval', Kiev, 2021.