1

ISPITIVANJE I ANALIZA UZROKA OŠTEĆENJA BOKOVA ZUBACA

REDUKTORSKOG ZUPČANIKA OD ČELIKA E335 PO BAS EN 10027-

1 (Č.0645)

Domuz Andreas, dipl. proizvodni inženjer

Mašinski Fakultet

Univerzitet u Zenici

ABSTRACT

Na reduktorskom zupčaniku nastala su oštećenja na bokovima zubaca. Oštećenja su bila

locirana na pojedinim zupcima. Radi se o reduktorskom zupčaniku kranske dizalice od čelika

E335 po BAS EN 10027-1 (Č.0645). U okviru izvedene analize tokom ovog rada izvršeno je

uzorkovanje na tri odabrana uzorka zuba zupčanika, od kojih su dva oštećena, a jedan je

neoštećeni zub zupčanika. Izvršena su metalografska i mehanička ispitivanja u cilju

nastojanja rješavanja na ukazanom problemu koji se javio na bokovima zubaca ovog

zupčanika. Dobiveni rezultati metalografskih i mehaničkih ispitivanja ukazuju na to da su

zupci zupčanika bili jako opterećeni, pri čemu je potom vršeno nepravilno navarivanje, što je

dovelo do nastanka progresivnih pukotina po cijelom obimu zubaca zupčanika.

Ključne riječi: zupčanici, metalografska ispitivanja, mehanička ispitivanja

1. UVOD

Predmet istraživanja u ovom radu odnosi se na zupce zupčanika jedne kranske dizalice, čiji

su zupci oštećeni tokom eksploatacije. Oštećeni pravi zupci cilindričnog evolventnog

zupčanika, koji se nalazi u reduktoru dizalice, su doveli do otkazivanja cijelog sistema

mašine. Za ovo je bilo potrebno provesti postupak uzorkovanja zuba zupčanika, potom

mehaničko i metalografsko ispitivanje, da bi se izveli konkretni zaključci, odnosno tačno

utvrdio uzrok oštećenja. Uzročnici grešaka nastali na zupčastim prenosnicima često dovode

do otkazivanja cijelog sistema mašine, a u nekim slučajevima time su direktno ugrožene

osobe koje se nađu u neposrednoj blizini. U reduktorima velikih mašina, kod npr. aviona,

automobila, transportnih žičara i sl., ukoliko se ne vodi redovno računa o stanju zupčanika

tokom eksploatacije, nakon određenog vremena dolazi do otkazivanja zupčanika. Uzroci ovih

oštećenja mogu biti pogrešan odabir materijala, nepravilna termička obrada, neadekvatno

podmazivanje.

2

Slika 1. Ispitivani reduktorski zupčanik E 335

2. UZORKOVANJE

Prilikom izvođenja analize i ispitivanja ovog reduktorskog zupčanika izvršena su dva oblika

razaranja. Prvo je izvršeno razaranje bez razaranja materijala pomoću 3D skenera

NextEngine, a potom razaranja materijala metalografskim i mehaničkim ispitivanjem.

Pomoću ove savremene metode analiziranja pokazalo se da su se oštećenja javila po

cijelom tijelu zupčanika, a također uočene su pukotine u predjelu korijena zuba kao što je

prikazano na slikama 2.,3.,4. Cilj ove analize bez razaranja materijala bio je da se procijeni

oštećenje na zupčaniku koje se inače ne vide golim okom.

Slika 2. Oštećena nastala po tijelu zupčanika (skenirano 3D NextEngine)

3

Slika 3. Oštećenja na boku zuba zupčanika(3D NextEngine)

Slika 4. Pukotine nastale u predjelu korijena zuba (uočeno pomoću 3D NextEngine) Nakon što su izvršena analiza ispitivanja pomoću 3D NextEngine, za dalja detaljnija ispitivanja odabrani su tri uzorka zuba zupčanika od kojih su dva oštećena i jedan neoštećeni zub zupčanika.

Neoštećeni zub Oštećeni zub 1 Oštećeni zub 2

4

3. METALOGRAFSKA MAKRO I MIKRO ISPITIVANJA

Metalografska makro i mikro ispitivanja reduktorskog zupčanika kranske dizalice izvršena su

u cilju ustanovljenja objašnjenja grešaka na bokovima zubaca od dva oštećena i jednog

neoštećenog zuba. Izvršeno je ispitivanje mikrostrukture (ASTM E 407), veličine austenitnog

zrna i veličine sekundarnog zrna (ASTM E 112) na optičkom mikroskopu Olympus PMG3 u

nenagriženom i nagriženom stanju pri različitim povećanjima.

3.1 Metalografska makro ispitivanja zuba zupčanika

2%HNO3 x36

Slika 5. Makrostruktura vrha neoštećenog zuba zupčanika E335 po BAS EN 10027 (Č.0645).

Struktura je ravnomjerna po cijelom presjeku zuba i sastoji se od ferita i perlita.

Slika 6. Slika 7.

Nenagriženo x36 2%HNO3 x36

Na slikama 6. i 7. prikazana je makrostruktura oštećenog dio boka zuba 1. Također na slici 6.

se jasno vidi udubljenje ispunjeno oksidom koji je djelimično otpao. Na slici 7. uočen je navar

i zona uticaja toplote (ZUT). Na slici 8. prikazana je makrostruktura, pri čemu se zapažaju

pukotine u nenagrižrnom stanju oštećenog zuba zupčanika 2, dok je na slici 9. prikazana

ZUT zona i navar, pri čemu se jasno zapaža livena dendritna usmjerena struktura navarenog

5

sloja. Također se vidi granica stapanja i zona uticaja toplote. U prelaznoj zoni se zapažaju

pojedinačna feritna zrna (svjetlo polje u lijevom uglu), slika 9.

Slika 8. Slika 9 .

Nenagriženo x72 2%HNO3 x36

3.2 Metalografska mikro ispitivanja zuba zupčanika

Sl.10 Mikrostruktura vrha neoštećenog zuba. Slika 11 . Mikrostruktura sredine ošt. .zuba

2%HNO3 x725 2%HNO3 x725

Slika 12. Mikrostruktura sredine oštećenog zuba zupčanika 2

2%HNO3 x145

6

Struktura sva tri uzorka (Slika br.10.,11.i 12. ) sastoji se od ravnomjerno raspoređenog ferita i

perlita. Rezultati ispitivanja makro i mikro analize pokazuju da rezultati neoštećenog zuba i

dva oštećena zuba zupčanika nemaju otvrdnutu površinu, ni cementaciju ni površinsko

kaljenje. Također izvršeno je ispitivanje veličine sekundarnog zrna po ASTM E112, pri čemu

je na sva tri uzorka veličina zrna iznosila između 5 i 6, što karakteriše povoljne mehaničke

osobine.

Slika 13. Veličina sekundarnog zrna je između 5 i 6

Za još potpuniju i detaljniju metalografsku analizu na neoštećenom zubu zupčanika izvršeno

je ispitivanje veličine austenitnog zrna pomoću dvije najčešće metode koje se koriste, a to

su ispitivanja veličine austenitnog zrna metodom cementacije i metodom oksidacije. Veličina

austenitnog zrna je jako značajna, jer što je manje zrno, to daje bolje mehaničke osobine,

dok veliko zrno prouzrokuje nastanak grubozrnaste i krte prelazne zone.

2%HNO3 x145

Slika 14. Veličina austenitnog zrna je između 5 i 6 (metodom cementacije)

7

Pikrinska kiselina x145

Slika 15. Veličina austenitnog zrna (metodom oksidacije)

Na slici 15.prikazana je mikrostruktura neoštećenog zuba zupčanika. Vidimo da je

mikrostruktura nehomogena i da je površina oksidirala. Veličina zrna neoštećenog zuba

zupčanika metodom oksidacije je između 5 i 6.

4. MEHANIČKO ISPITIVANJE

4.1 Ispitivanje mikrotvrdoće

Od mehaničkog ispitivanja izvršeno je ispitivanje mikrotvrdoće po Vikersu BAS EN ISO 6507-

1 na dva oštećena zuba i jednom neoštećenom zubu zupčanika. Na neoštećenom zubu

izmjerena je tvrdoća na 5 mjesta, dok je na dva oštećena zuba izmjerno 15 mjesta tvrdoće.

Korištena je sila utiskivanja HV10. Za ispitivanje mikrotvrdoće korišten je optički mikroskop

Olympus PMG3. Rezultati ispitivanja mikrotvrdoće prikazani su na dijagramima 16.,17. i 18.

Slika 16. Dijagram tvrdoće za uzorak 1

Na uzorku 1 prikazanom na slici 16. vidimo da je tvrdoća ravnomjerna po cijelom presjeku

zuba zupčanika i iznosi 164 HV 10. Pored dijagrama prikazano je mjesto gdje je izmjerena

tvrdoća.

8

Slika 17. Dijagram tvrdoće za uzorak 2

Na uzorku 2 prikazanom na slici 17. vidi se neravnomjeran tok tvrdoće po poprečnom

presjeku. Najveća tvrdoća je izmjerena na mjestima 8 i 11 u zoni uticaja toplote sa HV 413,

dok je na mjestima 9 i 10 izmjerena niža tvrdoća sa vrijednošću od HV 258. Kod navara

izmjerena su 3 mjesta, pri čemu je najniža vrijednost tvrdoće 312 HV10 na mjestu 13, a

najveća na mjestu 15 s 345 HV10. Prosječna tvrdoća navara iznosi 323 HV10.

Slika 18. Dijagram tvrdoće za uzorak 3

Na uzorku 3 prikazanom na slici 18. pokazuje da zona uticaja toplote i zona navara imaju

skoro istu tvrdoću, ali je povišena u odnosu na osnovni materijal. Zona maksimalne tvrdoće

je šira u odnosu na uzorak 2 i počinje na mjestu 6, a završava na mjestu 15. Mjesto mjerenja

13. pokazuje gdje je izmjerena tvrdoća u predjelu navara s 312 HV 10.

5. UZROK OŠTEĆENJA BOKOVA ZUBACA ZUPČANIKA

Ispitivanje metodom bez razaranja materijala 3D NextEngine pokazalo je da su površinska

oštećenja bila locirana i na tijelu zupčanika. Na jednoj čeonoj strani tijela zupčanika 3D

skeniranjem je uočeno znatno oštećenje - udubljenja materijala. Iz ovog dijela ispitivanja

možemo zaključiti da je cijeli zupčanik pretrpio udarno opterećenje nastalo tokom rada u

eksploataciji.

Metalografskim ispitivanjem razaranja materijala ustanovljeno je nepostojanje otvrdnute

površine, a na dva oštećena zuba zupčanika uočena je zona uticaja toplote i navar u predjelu

boka zuba.Također na oba ova dva oštećena zuba zupčanika primijećeno je udubljenje po

boku zuba koji je ispunjeno oksidom. Mikrostruktura na sva tri ispitana uzorka je pokazala

ravnomjernu feritno-perlitnu strukturu.Veličina sekundarnog zrna na sva tri odabrana uzorka

je 5 i 6. Za ocjenu veličine austenitnog zrna izvršeno je otkrivanje austenitnog zrna metodom

9

cementacije nagrizanjem u alkoholnom rastvoru HNO3 sa 2% i metodom oksidacije uz

nagrizanje pikrinskom kiselinom. Ispitivanje austenitnog zrna sva tri uzorka zuba zupčanika

je dobijeno zrno srednje veličine između 5 i 6, što garantuje povoljne mehaničke

karakteristike.

Ispitivanje mikrotvrdoće na neoštećenom zubu zupčanika je pokazalo da je prosječna

tvrdoća iznosila 164,8. Tvrdoća je bila ravnomjerna po cijelom presjeku zuba zupčanika. Na

oštećenom zubu zupčanika 1 tvrdoća je bila neravnomjerna po cijelom presjeku zuba.

Tvrdoća u zoni uticaja toplote i zoni navara je bila znatno veća u odnosu na osnovni

materijal, s tim što je u predjelu ZUT-a tvrdoća bila znatno neravnomjerna. Kod oštećenog

zuba zupčanika 2 ZUT i navar su bili povišene tvrdoće, ali bez naglih padova kao kod

oštećenog zuba zupčanika 1. Navarivanjem je oštećena makro i mikro struktura, što je

prouzrokovalo neravnomjernu tvrdoću po cijelom boku zuba. Na bokovima pojedinih zubaca

nastala su ponovo oštećenja zamora materijala u vidu početnog i progresivnog pitinga kao

posljedica neravnomjernog navarivanja. Također na nekim susjednim zubima su bili uočeni

znaci početnog pitinga, ali u znatno manjem obimu.

a) b) c)

Slika a) pokazuje progresivni piting i ostatak navarenog dijela,

Slika b) pokazuje oštećenje na boku zuba zupčanika

Slika c) Oštećenje na boku zuba, progresivni piting 6. ZAKLJUČAK Radni vijek ovog reduktorskog zupčanika E335 po BAS EN 10027-1 (Č. 0645) bi se znatno

produžio, kada bi bokovi zuba zupčanika bili površinski otvrdnuti ili cementirani ili pravilno

navareni. Na kraju treba reći da pažljivom i dobro organizovanom pripremom za navarivanje,

izborom adekvatnih dodatnih materijala i režima navarivanja, kao i tačno definisanim i

pažljivo izvedenim postupcima termičke obrade radnih površina zubaca zupčanika je

moguće ostvariti saniranje oštećenja zubi zupčanika Č.0645.

10

7. LITERATURA

[1] Haračić N.: Cementacija čelika za zupčanike mjenjača-Mikrostruktura cementiranog

sloja, Mašinski fakultet u Zenici, 2003

[2] Basan, R., Franulović, M., Lengauer, M., Križan, B.: Oštećenja bokova zuba zupčanika uzrokovana kotrljajno-klizno-kontaktnim zamorom materijala, http://hrcak.srce.hr/index.php?show=clanak&id_clanak_jezik=95446 (2011)

[3] Kosec, G., Kosec, B., Soković, M.: Analiza oštećenja pogonskog zupčanika mlina za cement, http://scindeks-clanci.nb.rs/data/pdf/1451-1975/2010/1451-19751004003K.pdf, (2011) [4] Atanasovska, I., Momčilović, D.: Uticaj otkaza zubaca na bezbednost mašina ispitivanje i analiza http://scindeks-clanci.nb.rs/data/pdf/1451-3749/2007/1451-37490701037A.pdf , (2011) [5] http://gearcutting.blogspot.com/2008_02_01_archive.html (2011)

[6] http://www.tribology.mfkg.kg.ac.rs/journals/1982/1982-2-spojen.pdf (2011)

[7] http://nptel.iitm.ac.in/courses/IIT-MADRAS/Machine_Design_II/pdf/2_6.pdf (2011)

[8] http://www.ttcautomotive.com/english/onlineorder/pdf/2373_142.pdf (2011)