Pomimo postępu w zakresie materiałów i projektów geometrii łożysk, które powinny zapewnić niemal nieskończoną żywotność, elementy obrotowe ulegają przedwczesnej awarii. Dzieje się tak z różnych powodów.
Kwestia uszkodzenia łożyska może dotyczyć zagadnień z dziedziny metalurgii, tribologii, a także środowiska pracy i dopasowania obciążenia. W niektórych przypadkach awarie są spowodowane jedną przyczyną, w innych wieloma (fot. 1). Przedwczesne uszkodzenia tych elementów mogą występować np. w efekcie błędnych decyzji, pracy maszyn w trudnych warunkach otoczenia, trudnych warunków pracy czy niedostatecznych czynności konserwacyjnych.
Prawidłowo, czyli jak?
Ze względu na wysoki koszt postoju produkcyjnego, a także ograniczenia czasowe stawiane działom utrzymania ruchu, oczekuje się, że proces rozwiązywania problemu będzie uproszczony i praktyczny. Słowa, które przypisuje się Albertowi Einsteinowi: „Wszystko powinno się konstruować w sposób możliwie najprostszy, ale nie uproszczony”, oddają istotę właściwej postawy przy określaniu przyczyny uszkodzenia łożyska.
Aby prawidłowo określić przyczynę uszkodzenia łożyska, należy zastosować systematyczny proces rozwiązywania problemu za pomocą analizy RCFA (Root Cause Failure Analysis – analizy podstawowej przyczyny błędu). RCFA jest metodą używaną do określenia przyczyny i oddzielenia jej od skutków, a także oddzielenia zakłóceń, które mogą uniemożliwić rozwiązanie problemu i zastosowanie odpowiednich działań korekcyjnych. Unikanie założeń i uprzedzeń w czasie tego procesu jest trudne, ale też konieczne, aby prawidłowo określić naturę problemu. Trzeba zagłębić się w temat, zadawać pytania, a także określić, wdrożyć i kontrolować działania korygujące i zapobiegawcze.
Patrzeć szerzej
Na pierwszy rzut oka uszkodzenie łożyska może być spowodowane za małą ilością smaru. Odpowiedź ta jednak jest zbyt dużym uproszczeniem. Prawdziwą przyczyną uszkodzenia może być niewłaściwa lepkość smaru, sposób smarowania lub przerwy w smarowaniu. Jeśli zespół nie będzie tracił czasu na dyskusje wynikające z trwania przy błędnych, utartych przekonaniach i zagłębi się w temat, może odnaleźć pierwotną przyczynę awarii w postaci np. braku szkoleń w zakresie smarowania czy lekceważącego podejścia do tribologii.
Dla uproszczenia uszkodzenia łożysk zakwalifikujemy do sześciu kategorii: zmęczenie materiału, przechowywanie/montaż, przyczyny związane z działaniem, środowiskowe, związane ze smarowaniem i wady. Choć istnieje mnóstwo często mylących określeń używanych do opisywania uszkodzeń łożysk i wizualnych efektów na nich widocznych, tych sześciu typów będziemy używać do kategoryzowania typowych uszkodzeń występujących w przemyśle.
Zmęczenie materiału
Obciążenie trwające dłuższy czas, czyli zmęczenie materiału, jest częstą przyczyną uszkodzenia łożyska. Jest to inny rodzaj uszkodzenia niż zużycie. Uszkodzenie spowodowane zmęczeniem materiału to skutek obciążenia, któremu łożysko jest poddawane na przestrzeni czasu. W łożyskach najczęściej występuje pod powierzchnią i z czasem pojawia się na powierzchni w formie odprysku (fot. 2).
Uszkodzenie spowodowane zmęczeniem materiału jest powiązane częściowo z czystością i jakością stali. Dzięki postępowi w produkcji stali w ostatnich dekadach zanieczyszczenie stali łożyskowej mikrowtrąceniami jest minimalne. Obliczając żywotność łożyska, bierzemy pod uwagę obciążenie, prędkość i liczbę cykli lub czas. Dobierając łożyska, inżynierowie wykorzystują trwałość L10, ograniczenia wymiarowe, a także projekt łożyska. Trwałość nominalna L10 jest obliczana na podstawie 90% identycznych łożysk używanych, montowanych, smarowanych i obsługiwanych w tych samych warunkach pracy i środowiskowych. Takie podejście tworzy jednak przestrzeń do wystąpienia błędów i późniejszych uszkodzeń.
Przechowywanie/montaż
Złe warunki przechowywania oraz niewłaściwy montaż są często przyczyną uszkodzenia łożyska, jeszcze zanim zacznie ono pracować. Przechowywanie w wilgotnym lub zanieczyszczonym środowisku znacząco skraca żywotność tego elementu. Łożyska należy przechowywać uporządkowane, na płaskiej powierzchni, w suchym i czystym środowisku. W otoczeniu nie powinny występować duże wahania temperatur w różnych porach roku. Wilgoć również nie wpływa korzystnie na żywotność łożyska (fot. 3). Przechowywanie powinno się odbywać w miejscu o ograniczonym dostępie, aby uniknąć niepotrzebnego otwierania i przenoszenia.
Jeśli łożyska są przechowywane lub maszyna nie pracuje przez dłuższy czas, smar może wyciec z łożyska i zebrać się pomiędzy rolkami, powodując trawienie powierzchni kwasem.
Jeśli dopasowanie tłoku i wewnętrznego pierścienia lub obudowy i zewnętrznego pierścienia jest niezgodne ze specyfikacją dla danego zastosowania, na powierzchni pojawi się korozja ornamentowa. Jest to inny rodzaj korozji niż ten spowodowany przez wodę i tlen. Korozja ornamentowa pojawia się, jeśli zachodzi ruch pomiędzy łożyskiem a tłokiem lub obudową ze względu na zbyt ścisłe dopasowanie. Mikroskopijne cząsteczki stali odłamują się w wyniku ruchu i utleniają. Będzie to widoczne jako obszary korozji na powierzchni pierścieni. W ekstremalnych przypadkach niewłaściwego dopasowania zewnętrzny lub wewnętrzny pierścień może się obracać albo pełzać, powodując ścieranie powierzchni. Rozwiązaniem tego problemu jest pomiar wszystkich współpracujących elementów przed instalacją i upewnienie się, że są one zgodne z zaleceniami. Jeśli nie, czas na nowy tłok lub obudowę.
Należy zminimalizować drgania otoczenia w czasie składowania, a łożyska nigdy nie powinny być składowane w pozycji pionowej. Fałszywe odciski Brinella na powierzchni metalu są spowodowane kontaktem między rolką a pierścieniem i trwającymi wibracjami, które powodują ścieranie metalu.
Jeśli łożysko zostanie upuszczone, pojawi się uszkodzenie mechaniczne zwane prawdziwymi odciskami Brinella. Takie wgniecenie materiału w miejscu styku rolek i pierścieni zewnętrznych może się pojawić, jeśli łożysko będzie montowane z użyciem dużej siły (fot. 4) lub niewłaściwego narzędzia, np. młotka. Uderzanie stalowego łożyska młotkiem może być niebezpieczne i spowodować wybuch łożyska. Ważną negatywną rolę odgrywa tutaj nieostrożność i pośpiech.
Przyczyny związane z działaniem
Ta kategoria zawiera niekorzystne warunki pracy, poza warunkami związanymi ze środowiskiem. Nadmierne obciążenia wzdłużne, niewspółosiowość, duże wibracje lub przechodzący przez łożysko prąd błądzący, zwany erozją elektryczną, to kilka głównych niekorzystnych zjawisk, które mogą występować i powodować uszkodzenia, gdy łożysko pracuje. Skutki wielu z nich są widoczne na pierścieniu zewnętrznym łożyska, w którym poruszają się rolki lub kulki, szczególnie w strefie obciążenia.
Jeżeli występuje duża niewspółosiowość, szlak poruszania się rolek będzie wydawał się przekrzywiony z jednej strony na drugą. Ustawienie współosiowości jest kluczowym czynnikiem wydłużającym żywotność elementów obrotowych.
Nadmierne obciążenie wzdłużne będzie widoczne jako ścieżka poruszania się rolek przesunięta w stosunku do środka. W przypadku łożysk kulkowych nieproporcjonalne obciążenie wzdłużne będzie powodować bieg kulek przesunięty w stosunku do bieżni, nie na dole zakrzywienia. Łożyska stożkowe ustawione niewspółosiowo będą powodować obciążenie krawędzi i miejscowe odpryski rolek i bieżni.
Nadmierne wibracje urządzenia spowodowane nieidealnie okrągłymi elementami obrotowymi wywołują odbijanie się lub ślizganie rolek albo kulek, gdy te tracą i odzyskują kontakt ze strefą obciążenia. Ten falisty wzór nazywany jest fałszywymi odciskami Brinella. Należy pamiętać, że statyczne fałszywe odciski Brinella mogą się pojawić, gdy łożysko jest w stanie spoczynku (fot. 5). Dynamiczny wzór fałszywych odcisków Brinella jest zazwyczaj bardziej wyraźny niż ten, który pojawia się, gdy łożysko jest w stanie spoczynku.
W związku z coraz częstszym zastosowaniem napędów o zmiennej częstotliwości częściej pojawiają się też uszkodzenia łożyska związane z erozją elektryczną. Erozja elektryczna pojawia się, gdy wystąpi niewłaściwe uziemienie lub problemy z silnikiem, które pozwolą na przechodzenie prądu przez bieżnię łożyska do elementów tocznych, tworząc wżery. Pierwszym etapem są mikrowżery, często niewidoczne gołym okiem. One szybko przekształcają się w pofalowany wzór (fot. 6). Można temu zapobiec, doposażając silnik w boczniki lub stosując kulki ceramiczne albo pierścienie zewnętrzne pokryte ceramiką.
Przyczyny środowiskowe
Warunki środowiska mają olbrzymi wpływ na żywotność łożyska. Zanieczyszczenie uniemożliwia właściwe pokrycie elementów warstwą smaru. Należy podjąć wszystkie racjonalne środki, aby ochronić łożysko przed wilgocią, wysoką temperaturą i zanieczyszczeniami. W wielu przypadkach jest to trudne, np. w hucie wypełnionej skwarem i piaskiem lub w zakładzie przetwórstwa żywności, gdzie maszyny są co noc myte wodą pod wysokim ciśnieniem. Narażenie na wilgoć, chemikalia, drobny pył, duże cząsteczki zanieczyszczeń i wysoką temperaturę spowodują skrócenie żywotności. Żywotność łożyska można znacznie wydłużyć dzięki zastosowaniu zwykłej osłony i dobrej jakości uszczelki.
Zanieczyszczenia przerywają warstwę tak ważnego smaru i powodują kontakt metal-metal, a w związku z tym zużywanie się i chwilowe zespolenie elementu tocznego z powierzchnią pierścienia. Cząsteczki ciał obcych w połączeniu z cząsteczkami stali mogą powodować wgniecenia i karby na powierzchni kontaktowej łożyska (fot. 7). Drobne cząsteczki zanieczyszczeń uwięzione i zawieszone w smarze będą działały jak środek cierny – będzie on ścierał powierzchnię stali i pozostałych materiałów, powodując zużycie abrazyjne. Większe cząsteczki powodują wgniecenia powierzchni. Tego typu zanieczyszczenie można łatwo ustalić dzięki obecności cząsteczek w smarze, zmianie koloru smaru lub jego analizie.
Łożyska zanieczyszczone wodą rdzewieją i korodują. Nawet 1% objętości lub zanieczyszczenie smaru mniej niż 500 ppm znacznie skróci żywotność łożyska. Nie tylko korozja niszczy łożyska. Woda wypycha niezbędną warstwę smaru, a także utlenia smar i tworzy kwas. Jednocześnie w niektórych skrajnych warunkach może się pojawić kruchość wodorowa lub pęcherze. Z tych powodów warto inwestować w urządzenia i metody chroniące przed zanieczyszczeniami.
Smarowanie
Problemy ze smarowaniem są jedną z głównych przyczyn uszkodzeń łożysk. Poprawne smarowanie łożysk powinno się znajdować w centrum zainteresowań działu utrzymania ruchu. Odpowiednie składowanie, obsługa i utylizacja połączone z nauką i analizą powinny być uwzględnione w celach działu utrzymania ruchu. Odpowiedni rodzaj, ilość, częstotliwość podawania, sposób aplikacji, lepkość i czystość oleju lub smaru w połączeniu z kompatybilnością będą miały podstawowy wpływ na żywotność łożyska.
Bieżnie łożysk z niedostatecznym smarowaniem będą wydawały się szkliste lub oszronione. Szklisty wygląd powstaje, gdy metal odrywany jest z powierzchni po chwilowym zespoleniu. Przez to powierzchnia staje się szorstka. Jeśli warstwa smaru jest niewystarczająca, gdy element toczny dociera do miejsca obciążenia, będzie on prześlizgiwał się, tworząc zatarcia (fot. 8). Zbyt twardy, zbyt lepki smar lub jego nadmiar spowoduje zatarcia na bieżni łożyska w miejscu obciążenia.
W skrajnych przypadkach niedostatecznego smarowania temperatura będzie rosnąć, powodując dalsze pogarszanie się smarowania i zmiany metalurgiczne widoczne w zmianie koloru pierścieni.
Smar o zapachu spalenizny lub wyglądający na osmolony nie nadaje się do użytku. Olej o mlecznym wyglądzie jest zanieczyszczony wodą.
Ważną kwestią w przypadku nowoczesnych smarów jest kompatybilność. Biorąc pod uwagę skomplikowane składy smarów, ich mieszanie również może doprowadzić do awarii.
Należy wdrożyć kompleksowy program smarowania, który będzie prowadzony przez wykwalifikowanego, certyfikowanego technika, którego pasją będą zagadnienia związane ze smarowaniem. Taki program powinien obejmować oznaczenia kolorystyczne, odpowiednie składowanie i obsługę oraz czystość.
Wady
Dzięki obecnym precyzyjnym procedurom pracy, wysokiej jakości stali, kontrolom wymiarowym wdrożonym w procesie produkcji wadliwe łożyska niemal nie występują. Dotyczy to wszystkich szanowanych producentów. Należy więc unikać przecenionych, czarnorynkowych lub podrobionych produktów.
Odpowiednio przeprowadzona analiza łożyska po awarii lub analiza retrospektywna łożyska może pomóc zaoszczędzić czas, pieniądze i zapobiec zatrzymaniu produkcji. Unikanie przedwczesnych uszkodzeń to cel, który zapewni niezawodność zakładu.
Warto pamiętać, że to nie łożyska zazwyczaj nas zawodzą – to my zawodzimy je.
*****
Pierwotna przyczyna uszkodzeń łożysk
Aby ustalić pierwotną przyczynę uszkodzenia łożyska i zapobiec jej powtórzeniu, należy:
-> zachować uszkodzone elementy i oznaczyć je (data, czas, kierunek, lokalizacja itd.);
-> uporządkować analizę; użyć systemu rozwiązywania problemów, np. 5-Why z analizy RFCA;
-> zastosować zdywersyfikowane podejście do monitorowania warunków, włączając w nie analizę drgań, termografię, próbki smaru i dane z badania ultradźwiękowego;
-> robić zdjęcia i dokumentować;
-> analizować zebrane dane;
-> oddzielić przyczynę i skutek;
-> zaangażować zespół pracowników i specjalistów z branży i wdrożyć rekomendacje zespołu;
-> unikać zrzucania winy na innych;
-> odejść od strategii eksploatacji elementu aż do wystąpienia uszkodzenia (run to failure);
-> regularnie przeprowadzać szkolenia;
-> sprawdzać efektywność działań;
-> rozwijać i przekazywać innym udane rozwiązania.
*****
Autor: Richard R. Knotek jest specjalistą ds. szkoleń w Motion Institute, oddziale firmy Motion Industries.
Tekst pochodzi z nr 4/2017 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
