Inleiding: Symptomen van een storing en voorwaarden voor onderzoek
Op een van de zwaar industriële fabrieken in Oekraine is tijdens een planningscontrole van de hoofdvervoerder van een technologische molen een kritische vibratiehoogte vastgesteld en een verhoogde geluidsbelasting (tonale verlaging op de tandenoverbrengingsfrequentie). De analyse van de vibratie-spectrogram gaf de aanwezigheid van zijbanden (sidebands) rond de tandenoverbrengingsfrequentie aan, wat wijst op een modulatie van belasting en op het aanwezig zijn van lokale defecten op de werkbare oppervlakken van de tanden van de tandwiel en het tandwiel. Na stoppen van het uitrustingsapparaat en een endoscopische inspectie werden een ontwikkeld pitting (pitting) en macrospalling (spalling) van de werkbare oppervlakken van de tanden van het cilindrische reductor gevonden. Om een noodgeval van het aandrijfgezelschap te voorkomen, dat wordt aangedreven via een frequentieomzetter Telemecanique ATV66U72N4G, is een gedetailleerd ingenieursonderzoek uitgevoerd met de methode van oorzaak-analyse (RCA).
Overzicht van de component en exploitatievoorwaarden
Zubverzameling werkt in een zwaar aandrijfgezelschap met een nominale vermogen van 160 kW bij een toerental van de snelle as van 1480 omw/min. Het verhoudingsgetal bedraagt i = 5,4. De materiaal van de tandwielen is verhard en gecementeerde staal 18ХГТ (18CrMnTi) met een hardheid van 58-62 HRC. De exploitatieomstandigheden corresponderen met een zwaar werkregime met cyclische piekbelastingen die 160% boven het nominale belastingniveau liggen. De reductor is geïntegreerd in het sturingssysteem van de motor op basis van de inverter Telemecanique ATV66U72N4G, die een zacht starten en snelheidsregeling biedt.
Werkingparameters van het onderdeel:
- Werkingstemperatuur van het slijpluis in de kas: 68-75 °C (bij maximaal toegestane 85 °C).
- Klasse schoonheid van het olie voor ISO 4406: 18/16/13 (werkelijke toestand voor de storing was 20/18/15).
- Type olie: Synthetisch reductorolie ISO VG 220 op basis van polyalfaolefine (PAO) met een pakket van anti-wear-additieven (EP).
- Projectresource (MTBF): 50 000 uren. Daadwerkelijke tijd tot falen bedroeg 21 400 uren.
Bewijs van falen en metingenresultaten
Visueel en metrologisch onderzoek heeft de volgende defecten aangetroffen:
- Pitting (tobier): Op gebieden in de buurt van de polaire lijn en in de zone van de voet van de tand van de aanvullende tandwiel zijn microkratere gevormd met een diepte tot 0,4 mm en een oppervlaktebedekking van meer dan 25% van de werkbare tandvlakken.
- Scoling (Spalling): Op drie tanden van het gevolgde wiel zijn scheurtjes vastgesteld met een diepte van tot 1,5 mm en een oppervlakte van tot 12 mm². De randen van de scolingen hebben een vermoeiingscharacteristiek.
- Meetpunten van contactvlekken: De verfproef toont een randcontact. De vlek dekt slechts 45% van de tandlengte in plaats van de normale 85% volgens de eisen van DSTU GOST 1643:2004.
- Vibrodiagnostiek: Het gemiddelde kwadraat (RMS) van de vibratie snelheid in het bereik van 10-1000 Hz bereikte 7,8 mm/s (grenswaarde volgens ISO 10816-3 voor harde fundamente van klasse II bedraagt 4,5 mm/s).
Systeematisch onderzoek naar oorzaak (Isikawa en 5 Waarom)
Voor het bepalen van de oorzaak van het beschadigingsproces is een Ishikawa-diagram opgesteld (factoren: materiaal, smering, montage/afstelling, exploitatiebelastingen). Het toepassen van de methode "5 Waarom" heeft de volgorde van gebeurtenissen vastgesteld:
- Waarom ontstaat pitting? Door overschrijding van de contactspanningen boven de grens van de contactweerstand van het cementlaag.
- Waarom zijn de contactspanningen hoger dan de berekende? Door ongelijkmatige belastingverdeling over de tandlengte.
- Waarom werd het belastingongelijk verdeeld? Door de hoekfout van parallelisme van de asen (verdraaiing van de reductor ten opzichte van de motor op 0,18 mm per 100 mm lengte).
- Waarom is er een assenverschuiving ontstaan? Door temperatuurvervormingen van de frame en het verzwakken van de ankerbouten tijdens vorige cycli met hoge momenten.
- Waarom is het slijtageproces versneld? Verontreiniging van het olie met harde deeltjes en verlies van viscositeit bij oververhitting veroorzaakte hydrodynamisch doorbreken van de oliefilm (oliefilmcoëfficiënt λ < 1,2).
Gedefinieerde oorzaken
Op basis van de onderzoeksergebnissen zijn drie belangrijke oorzaken met verschillende waarschijnlijkheid van invloed geïdentificeerd:
- Onjuiste assenuitrusting (Vallend) — Kans 55%. Hoekverschuiving van assen heeft geleid tot concentratie van belasting aan de randen van de tanden, wat een lokaal overschrijden van contactspanningen boven 1450 MPa (toegestane 1200 MPa) veroorzaakt.
- Degradatie en verontreiniging van het smering - Waarschijnlijkheid 30%. Verstoord filterinterval en het optreden van abraadbare deeltjes hebben tot abraadbaar slijtage en versnelling van het ontstaan van microscheuren geleid.
- Nadelen van de verwerking van de cementlaag — Waarschijnlijkheid 15%. Lokale afname van de effectieve hardgelage dieper dan de normatieve 1,2 mm volgens de eisen van EN ISO 6336.
Correctieve en preventieve maatregelen
Om de ontdekte defecten te verwijderen en herhalingen van falen te voorkomen is een complex van maatregelen ontwikkeld:
- Directe oplossing: De reducer is verwijderd. De beschadigde tandwielpaal is vervangen door nieuwe originele onderdelen van precisieklasse 6 volgens DSTU GOST 1643:2004.
- Aanpassing: Het uitvoeren van laseralignering van de assen van de motor en de reductor is uitgevoerd met behulp van hoge precisie systemen. De toegestane parallelisme van de assen is verlaagd tot een niveau van minder dan 0,03 mm per 100 mm lengte. De ankerbouten zijn vervangen door sterker materiaal (sterkteklasse 10.9) met gebruik van dynamometrische aanspanning.
- Modernisatie van de smeringssysteem: Een extra oliefiltersstation is geïnstalleerd met een filterfijnheid van 5 micrometer en een vochtgehalte-sensor. Het olietype is vervangen door een synthetische variant met een verhoogde viscositeitsindex.
- Instelling van de elektrische aandrijving: In de parameters van de frequentieomzetter Telemecanique ATV66U72N4G is de tijd van versnelling en remmen (S-vormige rampe) geoptimaliseerd om de dynamische momenten in het koppel te minimaliseren.
Express-diagnosticska kaart voor veldingenieurs
Tabel 1 bevat een algoritme voor snelle inspectie van de reducer direct in de zaal met behulp van draagbaar apparaat.
| Stap | Parameter controleerbaarheid | Instrument / Methode | Normatief waarde | Diagnostische kenmerk van afwijking |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Vibratie van het lichaam | Vibroanalysator (FFT-spectrum) | RMS < 4,5 mm/s (ISO 10816-3) | Pikken op de koppelingsfrequentie met zijranden |
| 2 | Temperatuur lagers/karossage | Pyrometer / Infraroodbeeldsensor | < 80 °C | Lokaal oververhitting in de ondersteunende lagerszone |
| 3 | Toestand van het slijpmiddel | Proefneming / Laboratoriumanalyse | ISO 4406: 18/16/13 | Aanwezigheid van metaalpoeder, water > 500 ppm |
| 4 | Vlek van tandcontact | Controleverf | Minstens 85% over de lengte | Kruiscontact of puntcontact |
| 5 | Lucht in de koppeling | Type horlogeindicator | Volgens het paspoort van de reductor | Verhoging van de zijwaartse afstand met 30% van de normwaarde |
| 6 | Integriteit van de tandvlakken | Industriële endoscopie | Gladde oppervlakte zonder kaveren | Aanwezigheid van microkratere, verpulvering (pitting) |
| 7 | Montagepositie van assen | Lasercentreringssysteem | Fout < 0,05 mm | Verschuiving van assen boven fabrieksgewijze toleransen |
| 8 | Staafstoring van de aandrijfunit | Acoustisch geluidsmeetinstrument | < 85 dB(A) op 1 m | Metalen gekletter, ongelijk geluid |
Strategie voor het voorkomen van falen
Voor de continue exploitatie van kritieke aandrijfingen op bedrijven van zwart- en lichtmetaalverwerking en mijnbouw-industrie in Oekraine is het nodig om de volgende strategie voor technisch onderhoud in te voeren:
- Toestandsschakeling (Condition Monitoring): Continu meten van trillingen met de impulsmethode (spike energy) om defecten in lagers en tandwielgezichten vroegtijdig te detecteren (met name volgens de norm ISO 13373).
- Olienanalyse: Uitvoeren van een spectrometrische analyse van het olie elke 1000 uren werking voor het controleren van de concentratie van verbruikproducten van ijzer, chrom en silicium.
- Periodieke vervangingen: Verplichte vervanging van seals, filterelementen en inspectie van koppelingen elke 12 000 uren volgens de aanbevelingen van fabrikanten van industriële apparatuur.
Conclusie
De uitgevoerde oorzaakanalyse bevestigde dat pitting en tandafplatting veroorzaakt worden door het complexe effect van de hoekafwijking van de asen en het verlies van de smeringsschoonheid. Het strikte naleven van de normen voor uitbalansering volgens EN ISO 10816, de kwaliteitscontrole van de smeringsmaterialen en het correct instellen van de frequentieomvormers zorgen voor een verlenging van de levensduur van de tandwieltransmissies tot de nominale waarden MTBF. Voor het kiezen van gekeurde vervangende onderdelen, aandrijfcomponenten en automatiseringsmiddelen raadpleeg de catalogus op pagina UNITEC-D E-Catalog.
Normatieve verwijzingen en literatuur
- ISO 6336: Berekening van de drukkracht van rechte en wisselende tandwielen.
- DS TU GOST 1643:2004: Cilindrische tandwielen. Toleranties.
- ISO 10816-3: Mechanische trillingen — Beoordeling van machine trillingen door metingen op niet-rotatie onderdelen.
- ISO 4406: Hydraulische sterkte — Vloeistoffen — Methode voor coderen van het niveau van vervuiling door vaste deeltjes.
- EN ISO 13373: Toezicht en diagnose van machines — Vibration-toezicht.
