Analyse van de hoofdoorzaak: falen van hydraulische cilinderafdichtingen (vervuiling, vervorming, drukstoten)

1. Inleiding: Symptomen van falen

Een kritisch incident werd geregistreerd op de stempellijn van metalen onderdelen: de belangrijkste hydraulische pers met een kracht van 2500 kN stopte vanwege een scherpe drukval in het systeem. De machinist meldde een aanzienlijke lekkage van hydraulische vloeistof als gevolg van een stangafdichting van de hoofdcilinder. De inschakelduur nam met 15% toe gedurende de laatste 48 uur voordat de machine volledig uitviel, wat wijst op een geleidelijke afname van de volumetrische efficiëntie.

Bij visuele inspectie bleek op het bed van de pers een plas hydraulische olie (ISO VG 46) met een inhoud van ongeveer 15 liter te liggen. De temperatuur van het cilinderlichaam in het gebied van het voordeksel was 85°C (normaal 55°C). De storing resulteerde in stilstand van de apparatuur en het risico dat het productieschema werd verstoord. Het doel van deze analyse is om de exacte technische oorzaken van het falen van afdichtingen te bepalen en een strategie te ontwikkelen om dergelijke incidenten te voorkomen.

2. Overzicht van de component en bedrijfsomstandigheden

Het onderzoeksobject is een dubbelwerkende hydraulische cilinder. Belangrijkste technische kenmerken:

• Zuigerdiameter: 160 mm
• Stangdiameter: 100 mm
• Stangslag: 800 mm
• Nominale werkdruk: 210 bar
• Maximale piekdruk: 250 bar
• Werkvloeistof: minerale olie ISO VG 46

Het spindelafdichtingssysteem bestaat uit een vuilvanger (NBR), een hoofd-U-afdichting (polyurethaan, PU) en een bufferafdichting (PTFE met bronsvuller). Geleideringen zijn gemaakt van met weefsel versterkte fenolhars.

Directionele hydraulische verdelers worden bestuurd via relaislogica, waarbij het belangrijkste tijdvertragingselement voor een soepele klepschakeling het Siemens 7PU44402AN20 tijdrelais is. Dit onderdeel is verantwoordelijk voor het vormen van de versnellings- en vertragingstijdintervallen van de enorme glijdende pers, waardoor wordt voorkomen dat de kleppen abrupt sluiten.

3. Tekenen van falen (bewijsbasis)

Tijdens de demontage van de hydraulische cilinder in de omstandigheden van de reparatiewerkplaats werd het volgende fysieke bewijs gevonden:

3.1. Conditie van zegels

De hoofdafdichting van polyurethaan vertoont tekenen van extrusie (knijpen) vanaf de lagedrukzijde. De rand is gescheurd, er zijn sporen van thermische degradatie (verdonkering van het materiaal). De bufferafdichting van PTFE is vervormd, de spleet in het slot is vergroot van 0,2 mm naar 1,5 mm.

3.2. Conditie van de hengel en geleiders

Er worden longitudinale krassen geregistreerd op het verchroomde oppervlak van de staaf. Meting met een profilometer toonde een ruwheid aan van Rz = 6,3 μm (de nominale waarde voor een stabiele werking van afdichtingen is Rz ≤ 0,4 μm). Geleideringen hebben asymmetrische slijtage: de dikte aan de ene kant is 2,1 mm, aan de andere kant - 3,4 mm (initiële dikte 3,5 mm).

3.3. Analyse van werkvloeistof en controleparameters

Laboratoriumanalyse van een oliemonster uit de tank toonde een zuiverheidsklasse van ISO 4406 van 21/19/16 (de norm voor dit type systeem is 17/15/12). Er werd een hoog gehalte aan silicium en metaalspaanders aangetroffen.

Bij het controleren van het elektrische regelcircuit bleek dat de instelling van het Siemens 7PU44402AN20 relais verkeerd was: de tijdsvertraging voor het sluiten van de hoofdafvoerklep was 50 ms in plaats van de geschatte 250 ms.

4. Onderzoek naar grondoorzaken (Methode 5 Waarom)

Om het bewijsmateriaal te systematiseren werd de ‘5 Why’-methode toegepast op drie hoofdgebieden: vervuiling, vervorming, druksprongen.

Richting 1: Verontreiniging van het systeem

1. Waarom verschenen er longitudinale krassen op de stang? Vanwege het binnendringen van schurende deeltjes tussen de stang en de afdichting.
2. Waarom zijn de deeltjes in dit gebied terechtgekomen? De vuilverwijderaar kon de steel niet reinigen tijdens de omgekeerde beweging.
3. Waarom werkte de vuilverwijderaar niet? De werkrand was versleten vanwege de hoge stofconcentratie in de werkplaats en het ontbreken van een beschermende golf.
4. Waarom overschreed het olieverontreinigingsniveau (19-21-2016) de norm? Het filterelement van het afvoerfilter werkte in bypass-modus (bypassklep open).
5. Waarom werkte het filter in bypass? De filtervervuilingsindicator was defect, de reguliere vervanging van het filterelement (MTBF 500 uur) werd genegeerd.

Richting 2: Mechanische scheeftrekking

1. Waarom vertonen de geleidingsringen asymmetrische slijtage?Er werd een aanzienlijke radiale (laterale) belasting op de stang uitgeoefend.
2. Waarom vond de zijdelingse belasting plaats? De as van de hydraulische cilinder viel niet samen met de bewegingsas van de glijdende pers.
3. Waarom is dit verschil opgetreden? Losraken van de bevestigingsbouten van de hydraulische cilinderflens.
4. Waarom zijn de bouten losgekomen? Gebrek aan regelmatige koppelcontrole en een hoog trillingsniveau.

Richting 3: Druksprongen (Hydroshock)

1. Waarom vond de extrusie van de polyurethaanafdichting plaats? De druk in de cilinderholte overschreed de sterktelimiet van het afdichtingsmateriaal voor de beschikbare montagespeling.
2. Waarom overschreed de druk de toegestane limiet?Er vond een hydraulische schok plaats tijdens het stoppen van de schuif.
3. Waarom vond de waterslag plaats? De hoofdafvoerklep sloot te snel, waardoor de oliestroom onmiddellijk werd stopgezet.
4. Waarom sloot de klep snel? Tijdrelais Siemens 7PU44402AN20 schakelde in 50 ms in plaats van 250 ms.
5. Waarom is de relaisinstelling gewijzigd? Ongeautoriseerde tussenkomst van de operator in de schakelkast om de werkcyclus van de pers te versnellen.

5. Geïdentificeerde grondoorzaken

Op basis van de verzamelde gegevens werd een matrix van oorzaken gevormd met een beoordeling van de waarschijnlijkheid en mate van invloed op de vernietiging van de zeehond.

6. Corrigerende acties

De volgende maatregelen zijn geïmplementeerd om de werking van de apparatuur te herstellen en de oorzaken van storingen te elimineren.

Onmiddellijke acties (korte termijn)

• Vervanging van componenten: Nieuwe afdichtingsset (PU + PTFE) en nieuwe geleidingsringen geïnstalleerd. De hydraulische cilinderstang werd vervangen door een nieuwe bekleed met hardchroom (dikte 30 μm, Rz 0,2 μm).
• Systeemreiniging: Voerde een volledige spoeling van het hydraulische systeem uit met behulp van een mobiel filterstation tot een reinheidsklasse van ISO 4406 14/16/11.
• Regelkalibratie: het Siemens 7PU44402AN20 relais is opnieuw gekalibreerd voor een vertraging van 250 ms. Op de potentiometer is een afdichting aangebracht om ongeoorloofde manipulatie te voorkomen.

Preventieve acties (lange termijn)

• Modernisering van de filtratie: Er werden afvoerfilters geïnstalleerd met een absolute filtratie van 10 μm (β10 ≥ 200) en elektronische drukvalsensoren geïntegreerd in de ACS TP.
• Geometrische uitlijning: Lasercentrering van de hydraulische cilinder ten opzichte van de schuifpers werd uitgevoerd. De afwijkingstolerantie is ingesteld op een niveau van 0,05 mm/m. Het gebruik van momentsleutels voor het aandraaien van flensverbindingen is geïmplementeerd.
• Waterslagbeveiliging: Een hydraulische membraanaccumulator met een volume van 4 liter is in de hydraulische leiding geïntegreerd om piekdrukstoten te dempen in geval van elektronische storingen.

7. Snelle diagnostische checklist voor technici

Deze checklist is bedoeld voor gebruik op tablets tijdens dagelijkse materiaalrondes (Go/No-Go-formaat).

• [ ] Visuele controle van de hengel: Afwezigheid van een oliefilm in de vorm van druppels. De bouillon moet licht vochtig zijn, maar mag niet druipen.
• [ ] Conditie van het staafoppervlak: Geen zichtbare krassen in de lengterichting, groeven of chroomverkleuring (blauwvorming duidt op oververhitting).
• [ ] Temperatuurregime: De temperatuur van het cilinderlichaam (gemeten door een pyrometer) bedraagt ​​niet meer dan 60°C. Temperatuurverschil tussen hoes en hoes ≤ 5°C.
• [ ] Bevestiging: Controle van de aanwezigheid van verfsporen op de bevestigingsbouten (geeft aan dat er geen loszitten is).
• [ ] Filtratie: Filtervervuilingsindicatoren bevinden zich in de groene zone.
• [ ] Klepbediening: Het geluid van het schakelen van hydraulische verdelers is zacht, zonder scherpe metalen schokken.
• [ ] Relaisparameters: Visuele controle van de integriteit van afdichtingen op timers en relais (inclusief Siemens 7PU44402AN20) in de schakelkast.
• [ ] Geluidsniveau: Geen cavitatiegeluid of hoogfrequent gepiep uit het gemaal.

8. Preventiestrategie en conditiemonitoring

Om de gemiddelde tijd tussen storingen (MTBF) te verhogen van de huidige 2000 uur naar een doelstelling van 8000 uur, wordt een voorspellende onderhoudsstrategie geïmplementeerd.

Olieanalyse: Bemonstering elke 500 werkuren. Er worden drie parameters gecontroleerd: zuiverheidsklasse (ISO 4406), watergehalte (ppm) en kinematische viscositeit bij 40°C. Als u de zuiverheidscode boven 16-18-2013 overschrijdt, moet offlinefiltratie onmiddellijk worden aangesloten.

Trillingscontrole: Installatie van versnellingsmeters op het hoofdpomphuis om drukpulsaties te detecteren die kunnen duiden op klepproblemen of relaislogicafouten.

Geplande vervangingen: Hydraulische cilinderafdichtingen worden overgebracht naar de categorie kritische componenten. Regelmatige vervanging vindt plaats elke 8.000 bedrijfsuren of elke 2 jaar, afhankelijk van wat zich het eerst voordoet, ongeacht zichtbare lekkages.

9. Samenvatting

Uit faalanalyses is gebleken dat falen van hydraulische cilinderafdichtingen zelden één enkele oorzaak heeft. In dit geval resulteerde een combinatie van verontreinigde werkvloeistof, mechanische verkeerde uitlijning en een kritische drukpiek als gevolg van onjuiste instellingen van het stuurrelais in een snelle degradatie van het polyurethaan en PTFE. Een systematische benadering van onderhoud, die controle van de oliezuiverheid, nauwkeurige centrering van de mechanica en strikte controle van elektroautomatische parameters omvat, is de enige betrouwbare methode om een ​​ononderbroken werking van hydraulische systemen te garanderen.

Gebruik de UNITEC-D E-Catalog voor de selectie van gecertificeerde afdichtingen, filterelementen, automatiseringscomponenten (inclusief tijdrelais) en diagnoseapparatuur. Onze catalogus bevat een volledige technische specificatie voor de juiste selectie van reserveonderdelen volgens ISO- en DIN-normen.

10. Normatieve referenties

• ISO 4406:2017 — Volumetrische hydraulische aandrijving. Werkvloeistoffen. De methode voor het coderen van de mate van verontreiniging door vaste deeltjes.
• ISO 5598:2020 — Hydraulische en pneumatische systemen. Woordenboek van termen.
• DSTU NL ISO 4413:2014 — Volumetrische hydraulische aandrijving. Algemene regels en veiligheidseisen voor systemen en hun componenten.
• ISO 10771-1:2015 — Volumetrische hydraulische aandrijving. Vermoeidheidstests van metalen omhulsels die onder druk werken.