Prawidłowo dobrane, zainstalowane i utrzymywane łożyska kulkowe są bardzo trwałe. Mogą jednak ulegać przedwczesnym uszkodzeniom wskutek złej praktyki konserwacyjnej i niekorzystnych warunków pracy (np. w wyniku występowania zanieczyszczeń czy wilgoci).
Przyczynę awarii łożyska można zidentyfikować, badając specyfikę uszkodzenia. Stosowanie tej metody może być jednak nieco utrudnione, ponieważ pojawienie się jednego rodzaju uszkodzeń często prowadzi do powstania kolejnych.
W przypadku korozji bieżni zużycie powierzchni następuje z powodu obecności materiału ściernego, jakim jest rdza. To z kolei prowadzi do zwiększenia luzu promieniowego lub utraty napięcia wstępnego. Jeżeli łożysko smarowane jest smarem, opiłki powstałe na skutek zużycia powierzchni mogą pogarszać parametry smarowania. Z czasem pojawiają się problemy z przegrzewaniem i smarowaniem.
Istnieje kilka sposobów identyfikacji głównych przyczyn występowania awarii łożyska kulkowego. Zostaną one opisane w artykule, wraz z omówieniem środków zaradczych w odniesieniu do każdego problemu.
Przegrzewanie
Oznaką przegrzania może być zmiana koloru bieżni, kulek, a nawet koszyka, który zmienia wówczas barwę ze złotej na niebieskawą.
Działanie temperatury przekraczającej 200°C powoduje odpuszczanie materiału kulek i bieżni. Proces ten prowadzi do obniżenia twardości materiału i utraty nośności łożyska. W razie braku reakcji na przegrzewanie się łożyska może wystąpić jego awaria. W ekstremalnych przypadkach może dojść do odkształcenia koszyka i kulek. W wyniku podwyższonej temperatury może również nastąpić uszkodzenie/degradacja środka smarnego.
Częste przyczyny przegrzewania:
-> niewystarczające odprowadzenie ciepła,
-> niewłaściwe smarowanie i chłodzenie,
-> duże obciążenie elektryczne.
Brak właściwego smarowania przy podwyższonych prędkościach obrotowych i obciążeniach działa negatywnie na trwałość łożyska.
Czynności zapobiegawcze: należy sprawdzić, czy jest zapewnione odpowiednie odprowadzenie ciepła z łożyska, dostateczne chłodzenie oraz kontrola przeciążenia i temperatury.
Zbyt duże obciążenie
Jednym z najczęstszych powodów występowania przedwczesnego zużycia jest zbyt duże obciążenie. Istnieją jednak inne czynniki sprzyjające przyspieszonemu zużyciu, takie jak niewłaściwe napięcie wstępne, występowanie licznych wgnieceń na powierzchni bieżni (brinelling) oraz zbyt ciasne pasowanie. Mimo że przedwczesne zużycie łożyska ma takie same symptomy jak normalne zużycie, sygnałami świadczącymi o zbyt krótkiej trwałości łożyska są:
-> zaawansowane ubytki materiału na powierzchni bieżni,
-> przegrzewanie się łożyska,
-> oznaki zużycia na kulkach łożyska.
Czynności zapobiegawcze: należy ograniczyć obciążenie łożyska. Pomocna może być zmiana założeń konstrukcyjnych i użycie łożyska o większej nośności.
Prawdziwe odciski Brinella
Jeżeli obciążenie w łożysku powoduje przekroczenie zakresu odkształceń plastycznych, pojawia się zjawisko zwane brinellingiem – powstawanie prawdziwych odcisków Brinella. Objawia się ono wgnieceniami na powierzchni bieżni, po-
wodującymi zwiększone wibracje łożyska.
Odciski Brinella powstają często z powodu obciążeń udarowych lub statycznego przeciążenia łożyska. Z powodu możliwości ich wystąpienia należy unikać następujących zachowań:
-> uderzeń i upuszczania sprzętu,
-> stosowania dużej siły oddziałującej na bieżnię zewnętrzną w momencie montażu łożyska na wałku,
-> instalacji i demontażu łożysk za pomocą młotka.
Przedwczesne zużycie łożyska występuje, gdy na powierzchni bieżni znajdują się wgniecenia.
Czynności zapobiegawcze: z uwagi na trwałość łożyska należy unikać przykładania siły do bieżni zewnętrznej przy montażu łożyska na wałku. Zaleca się również stosowanie odpowiedniej siły w stosunku do pierścienia wewnętrznego pasowanego na wcisk podczas instalacji łożyska.
Fałszywe odciski Brinella
Określenie to odnosi się do uszkodzeń w kształcie elipsy skierowanych w kierunku osiowym, zlokalizowanych w okolicy każdej kulki w łożysku. Ten typ uszkodzeń cechuje się ostrymi krawędziami i jasną powierzchnią. Widoczny jest również pierścień zabarwionych na brązowo opiłków otaczających uszkodzone miejsce. W większości wypadków zjawisko to powstaje na skutek dużej ilości wibracji pochodzących od źródeł zewnętrznych.
Wibracje wstępują również w przypadku łożysk kulkowych niewykonujących ruchu obrotowego. Jeżeli łożysko nie obraca się, uniemożliwia to tworzenie się filmu smarnego, co powoduje dalsze zużycie bieżni. Opiłki zbierające się w tym miejscu przyczyniają się do przyspieszenia zużycia.
Czynności zapobiegawcze: jako zasadę należy przyjąć stosowanie smarów zawierających dwusiarczek molibdenu lub inne dodatki zapobiegające przywieraniu. Oddzielają one łożysko od zewnętrznych wibracji. Wskazane jest używanie tych smarów w silnikach siłowników, które gwałtownie zmieniają kierunek pracy lub wykonują nagłe ruchy oscylacyjne.
Obciążenie w przeciwnym kierunku
Łożyska skośne mogą przenosić obciążenie osiowe tylko w jednym kierunku. Obciążenie w kierunku przeciwnym powoduje powstanie ograniczonego eliptycznego pola kontaktu na zewnętrznej bieżni przy niższym ramieniu.
Oprócz podwyższonej temperatury i zwiększonego nacisku należy zwrócić również uwagę na wcześnie występujące nieprawidłowości w pracy łożyska i zwiększone wibracje. Ten typ uszkodzeń przypomina zbyt ciasne pasowanie, a kulki łożyska mają zużycie w kształcie pierścienia, powstałe na skutek obracania się kulki po krawędzi zewnętrznej bieżni.
Czynności zapobiegawcze: najlepszym sposobem na poradzenie sobie z opisanym problemem jest właściwa instalacja łożyska. Należy mianowicie zainstalować łożysko skośne w taki sposób, aby strona obciążana była właściwie skierowana; dotyczy to również przeciwległej powierzchni bieżni wewnętrznej.
Zużycie łożyska
Spalling – łuszczenie czy też awaria na skutek zużycia, oznacza zużycie współpracujących powierzchni, a także odrywanie się niewielkich części materiału od powierzchni.
Kulki, bieżnia zewnętrzna i bieżnia wewnętrzna są wrażliwe na występowanie zjawiska spallingu. Z czasem staje się ono coraz poważniejsze. Spalling powoduje znaczny wzrost poziomu wibracji, co należy traktować jako objaw uszkodzenia.
Czynności zapobiegawcze: po zaobserwowaniu takiego zjawiska w łożysku należy bezzwłocznie je wymienić. Innym rozwiązaniem jest zmiana konstrukcyjna pozwalająca na użycie łożyska o określonej trwałości.
Zbyt ciasne pasowanie elementów łożyska
Łatwo rozpoznać zbyt ciasno spasowane łożysko – na podstawie śladów zużycia pochodzących od kulek znajdujących się na dolnej części bieżni. Ślady zużycia występują dookoła obwodu zewnętrznego i wewnętrznego pierścienia. Zbyt duże obciążenie kulek jest skutkiem ciasnego pasowania spowodowanego rozszerzalnością cieplną w temperaturze pracy. A zatem występuje wzrost temperatury wraz ze zwiększonymi oporami ruchu (momentem obrotowym). Przy dalszym użytkowaniu takiego łożyska nastąpi szybkie jego zużycie.
Czynności zapobiegawcze: należy ograniczyć przenikanie wymiarów poprzez odpowiedni dobór łożysk do otworu w obudowie oraz wałka.
Pasowanie zbyt luźne
Ruch pomiędzy współpracującymi częściami może występować z powodu zastosowania luźnych pasowań. Skutkiem ruchu względem siebie dwóch komponentów łożyska jest fretting – ślady zatarcia. Niewielkie cząstki metalu powstają na skutek korozji powierzchni (fretting). Materiał ten wpływa na powiększanie się luzu między częściami łożyska z powodu swojej charakterystyki ściernej.
Gdy luz osiągnie zbyt wysoką wartość, następują zwiększone ruchy wewnętrznej lub zewnętrznej bieżni. Wówczas współpracujące powierzchnie w krótkim czasie ulegają zniszczeniu spowodowanemu wysoką temperaturą pracy, co prowadzi do powstania bicia promieniowego i hałasu.
Zanieczyszczenie
Awaria łożyska może również nastąpić na skutek obecności zanieczyszczeń. Niektóre z objawów zanieczyszczenia łożyska to duże wibracje i problemy związane ze zużyciem kulek oraz wgłębienia w bieżni. Gdy substancje powodujące ścieranie, np. brud lub kurz, dostaną się do wewnątrz łożyska, pojawiają się usterki związane z zanieczyszczeniem łożyska. Jest to częsty problem, którego przyczyną mogą być:
-> zanieczyszczone miejsce pracy,
-> ciała obce pochodzące od środków czyszczących,
-> zanieczyszczone środki smarne, wykonywanie prac przez serwisanta mającego brudne dłonie lub przy użyciu brudnych narzędzi.
Czynności zapobiegawcze: wykonywanie prac czystymi dłońmi i przy użyciu czystych narzędzi oraz zapewnienie wolnego od zanieczyszczeń miejsca pracy, wykonywanie operacji szlifowania i frezowania z dala od miejsca montażu łożyska, a także przechowywanie łożyska w oryginalnym opakowaniu i wyjęcie go tylko w przypadku montażu.
Korozja
Symptomy korozji to czerwone lub brązowe obszary na pierścieniu łożyska, bieżni, kulkach i koszyku. Łożysko wystawione na działanie czynników powodujących korozję jest podatne na takie uszkodzenia. Z czasem powodują one wzrost wibracji łożyska, jego zużycie, utratę napięcia wstępnego i powiększenie się luzów promieniowych. Wczesne zużycie łożyska może być skutkiem zaawansowanej korozji.
Czynności zapobiegawcze: stosowanie łożysk wykonanych ze stali nierdzewnej, a także uszczelnień wewnętrznych i zewnętrznych, stosowanie tych metod zwłaszcza w agresywnych środowiskach pracy, trzymanie płynów powodujących korozję z dala od łożyska.
Uszkodzenie spowodowane środkiem smarnym
Uszkodzenie takie objawia się jako brązowawe lub niebieskawe przebarwienie na kulkach i bieżni. Jeśli pojawi się takie uszkodzenie, powoduje ono podwyższone zużycie koszyka, bieżni i kulek. Niedostateczne smarowanie prowadzi do przegrzewania się łożyska i jego awarii.
Czynności zapobiegawcze: ponieważ praca łożyska kulkowego zależy od odpowiedniego smarowania elementów krytycznych, takich jak powierzchnia bieżni, kulek i koszyka, bardzo ważne jest dokła-dne smarowanie tych elementów. Podwyższone temperatury oraz blokady przepływu środka smarnego wpływają negatywnie na właściwości środka smarnego.
Brak osiowości
Jeśli został zauważony ślad na nieobracającej się bieżni powstały od kontaktu z kulkami, oznacza on nieosiowe zamocowanie łożyska. Ślad ten nie jest wówczas równoległy do krawędzi bieżni.
Nadmierny wzrost temperatury występuje wtedy, gdy łożysko zainstalowane jest niewspółosiowo o wartość większą lub równą 0,025 mm/mm. Ten niewielki brak współosiowości oddziałuje destrukcyjnie na łożysko oraz jego obudowę. Czynniki przyczyniające się do braku osiowości to m.in.:
-> zanieczyszczenia w obudowie i na wałku,
-> gwint wałka nieprostopadły w stosunku do gniazda,
-> skrzywiony wał.
Dopuszczalna odchyłka współosiowości różni się w zależności od zastosowania.
Czynności zapobiegawcze: dokonanie inspekcji obudowy i wałka pod względem odchyłek kształtu powierzchni montażowych łożyska, stosowanie precyzyjnych nakrętek ustalających, stosowanie narzędzia jednoostrzowego do obróbki skrawaniem wałka niehartowanego, wykorzystanie gwintów wewnętrznych dla wałków hartowanych.
Podsumowanie
Obserwacja symptomów awarii łożyska jest niezbędna dla efektywnej pracy zakładu. 51% wszystkich awarii silników elektrycznych jest spowodowanych awarią łożysk.
Opisane zagadnienia to najczęściej występujące problemy związane z eksploatacją łożysk. Aby ich uniknąć, należy wdrożyć program konserwacji polegający na przewidywaniu awarii.
David Manney jest administratorem ds. marketingu w firmie L&S Electric.
