Capire l'usura degli ingranaggi
Definizione: Che cosa si intende per Gear Wear?
Usura degli ingranaggi L'usura è la progressiva perdita di materiale dalle superfici dei denti degli ingranaggi dovuta a processi meccanici tra cui abrasione, adesione, fatica superficiale e corrosione. A differenza dei guasti improvvisi dovuti alla rottura dei denti, l'usura degli ingranaggi è un degrado graduale che modifica la geometria del profilo dei denti, aumenta il gioco, aumenta il rumore e vibrazione livelli e alla fine porta a un fallimento funzionale quando l'usura dei denti diventa eccessiva o passa a modalità di danno più gravi come vaiolatura o frattura del dente.
Comprensione dei meccanismi di usura degli ingranaggi e monitoraggio della progressione dell'usura attraverso analisi delle vibrazioni, analisi dell'olio e ispezioni periodiche consentono strategie di manutenzione predittiva che ottimizzano l'affidabilità del cambio e riducono al minimo i tempi di fermo non pianificati.
Tipi e meccanismi di usura degli ingranaggi
1. Usura abrasiva
Il meccanismo di usura più comune nei riduttori industriali:
- Causa: Particelle dure (sporcizia, trucioli di metallo, detriti da usura) nel lubrificante che agiscono come abrasivo
- Processo: Le particelle intrappolate tra le superfici dei denti rimuovono il materiale mediante l'azione di macinazione
- Aspetto: Superfici dei denti lucidate e lisce; materiale rimosso in modo uniforme
- Valutare: Proporzionale al livello di contaminazione e al carico
- Prevenzione: Filtrazione efficace, sigillatura, assemblaggio pulito
2. Usura adesiva (graffi/rigature)
Si verifica in caso di carico elevato o lubrificazione inadeguata:
- Causa: Rottura del film lubrificante che consente il contatto metallo-metallo
- Processo: Saldatura e lacerazione microscopiche nei punti di contatto scorrevoli
- Aspetto: Superfici ruvide e strappate; trasferimento di materiale tra i denti di accoppiamento; segni di rigatura nella direzione di scorrimento
- Gravità: Può progredire rapidamente una volta avviato, portando a un fallimento catastrofico
- Prevenzione: Lubrificazione adeguata, additivi per pressioni estreme (EP), carichi ridotti
3. Micropitting
Usura da fatica superficiale che crea una fine tessitura superficiale:
- Causa: Sottili pellicole lubrificanti che consentono un elevato stress di contatto superficiale
- Aspetto: Superficie grigia opaca; migliaia di microscopiche fossette (10-50 µm)
- Posizione: Tipicamente vicino alla linea di passo dove si combinano rollio e slittamento
- Progressione: Può stabilizzarsi (lieve) o progredire verso macropitting (grave)
- Effetto: Cambia il profilo dei denti, aumenta il rumore e le vibrazioni
4. Usura moderata (normale)
- Lucidatura graduale e rimozione del materiale nel corso degli anni
- Previsto in tutti gli ingranaggi in una certa misura
- La velocità dovrebbe essere prevedibile e lenta (< 0,1 mm nel corso degli anni)
- Accettabile se entro le tolleranze di progettazione
5. Usura corrosiva
- Causa: Umidità, lubrificanti acidi o contaminazione chimica
- Aspetto: Macchie color ruggine, rugosità superficiale, vaiolatura
- Comune: Quando i cambi restano inattivi in presenza di umidità
- Prevenzione: Sigillatura adeguata, inibitori di corrosione, protezione dello stoccaggio
Effetti dell'usura degli ingranaggi
Cambiamenti geometrici
- Modifica del profilo: Il profilo evolvente si degrada, influenzando l'azione coniugata
- Aumento del contraccolpo: La perdita di materiale aumenta la distanza tra i denti di accoppiamento
- Rapporto di contatto ridotto: Meno denti in contatto contemporaneamente
- Concentrazione del carico: Il materiale rimanente sopporta uno stress maggiore
Degrado delle prestazioni
- Vibrazione aumentata: Un contatto dentale scadente crea impatti e rigidità variabile della maglia
- Rumore: Rumori dovuti al gioco, lamenti dovuti alla rugosità della superficie
- Efficienza ridotta: Aumento delle perdite per attrito
- Perdita di precisione: L'aumento del gioco influisce sulla precisione del posizionamento
Deterioramento accelerato
- I denti usurati sopportano carichi maggiori (meno denti condividono il carico)
- Concentrazione dello stress nelle aree usurate
- Passaggio alla corrosione o alla rottura dei denti
- Genera detriti di usura che accelerano l'usura (feedback positivo)
Metodi di rilevamento
Analisi delle vibrazioni
- GMF Tendenze di ampiezza: L'aumento graduale indica un'usura progressiva
- Sviluppo armonico: Aspetto e crescita di 2×GMF, 3×GMF
- Bande laterali: Sviluppo di bande laterali di velocità dell'albero attorno al GMF
- Rumore a banda larga: Elevato contenuto di alta frequenza dovuto alla rugosità superficiale
- Forma d'onda temporale: Aumentando l'irregolarità e l'impatto
Analisi dell'olio
- Analisi delle particelle di usura: Concentrazione di ferro nei campioni di olio
- Ferrografia: Morfologia delle particelle (particelle da sfregamento vs. da taglio vs. da fatica)
- Analisi spettrografica: Composizione elementare che rivela metalli soggetti a usura
- Conteggio delle particelle: Concentrazione delle particelle e distribuzione dimensionale delle tendenze
- Rilevazione precoce: L'analisi dell'olio può rilevare l'usura prima che si manifestino i sintomi delle vibrazioni
Ispezione visiva
- Ispezione con boroscopio senza smontaggio
- Ispezione completa durante le revisioni
- Misurare lo spessore del dente sulla linea primitiva
- Controllare i modelli di contatto (trasferimento di rivestimento o brunitura)
- Fotografare i denti per un confronto storico
- Confronta con i limiti di usura del produttore
Monitoraggio del rumore
- Emissione acustica dai contatti dei denti
- Misurazioni ultrasoniche per le condizioni della superficie
- Cambiamenti di rumore udibili che indicano la progressione dell'usura
Prevenzione e prolungamento della vita
Lubrificazione corretta
- Viscosità del lubrificante corretta per carico e velocità
- Additivi EP (estrema pressione) per carichi elevati
- Quantità e flusso di lubrificazione adeguati
- Mantenere la pulizia dell'olio attraverso la filtrazione
- Cambi d'olio regolari secondo il programma del produttore
Controllo della contaminazione
- Sigillatura efficace per impedire l'ingresso di particelle
- Respiratori con filtri
- Pratiche di assemblaggio e manutenzione pulite
- Sistemi di filtrazione dell'olio (grado assoluto 10-25 µm)
Gestione del carico
- Operare entro i valori di carico di progetto
- Evitare carichi d'urto o improvvisi cambiamenti di carico
- Monitorare la coppia e la trasmissione di potenza
- Considerare l'aumento delle dimensioni del cambio se costantemente sovraccarico
Allineamento e installazione
- Assicurare il corretto allineamento degli ingranaggi (schema di contatto su tutta la larghezza della faccia)
- Correggere il disallineamento dell'albero che crea carico sul bordo
- Selezione e manutenzione adeguate dei cuscinetti
- Verificare il gioco entro le specifiche
Quando sostituire gli ingranaggi
Criteri di sostituzione
- Spessore del dente: Usura oltre i limiti specificati dal produttore (in genere perdita di materiale 10-20%)
- Livelli di vibrazione: Ampiezza GMF superiore ai limiti di allarme nonostante i miglioramenti della lubrificazione
- Estensione della corrosione: > 30% della superficie del dente che mostra una corrosione da moderata a grave
- Rigature/graffi: Qualsiasi punteggio da moderato a grave indica la necessità di sostituzione
- Rumore: Rumore eccessivo che indica un cattivo contatto dei denti
- Gioco: Superamento dei valori massimi specificati
Considerazioni sui tempi
- Pianificare la sostituzione durante le interruzioni programmate
- Sostituire le coppie di ingranaggi insieme (gli ingranaggi accoppiati si usurano insieme)
- Valutare la sostituzione completa del cambio rispetto alla sostituzione degli ingranaggi se l'alloggiamento è danneggiato
- Ordinare gli ingranaggi sostitutivi in anticipo (i tempi di consegna potrebbero essere lunghi)
L'usura degli ingranaggi è una conseguenza inevitabile della trasmissione di potenza, ma attraverso una corretta lubrificazione, il controllo della contaminazione e il monitoraggio delle condizioni, è possibile ridurre al minimo i tassi di usura e massimizzare la durata del riduttore. Il monitoraggio sistematico della frequenza di accoppiamento degli ingranaggi e delle relative bande laterali, combinato con l'analisi dell'olio, consente di rilevare tempestivamente un'usura anomala e di pianificare la sostituzione degli ingranaggi prima che si verifichino guasti catastrofici.
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