Co je příčinou nerovnoměrného opotřebení ložisek?

V některých aplikacích mohou valivá ložiska utrpět podstatnou ztrátu materiálu (opotřebení) v důsledku nedostatečného mazání, přítomnosti abrazivních částic, koroze, oscilační rotace a dalších příčin. Takové opotřebení může mít zase škodlivý vliv na provoz ložisek, od snížení předpětí až po potenciálně katastrofické účinky. Jedním z běžných a možná neočekávaných důsledků nerovnoměrného opotřebení oběžných drah ložisek je rostoucí možnost únavy povrchu. V některých aplikacích není neobvyklé vidět pásy povrchového napětí nebo odlupování povrchu podél oběžných drah. To je spojeno s možností modifikace profilu oběžné dráhy v důsledku nerovnoměrného opotřebení, které může způsobit koncentraci napětí v liniích vysokého tlaku a nižší tloušťky filmu.

Valivá ložiska pracující za špatných podmínek mazání v situacích nerovnoměrného klouzání nebo s přítomností abrazivních částic nebo znečištění kapalinami mohou utrpět podstatné změny v profilech oběžné dráhy (obr. 1). Časem mohou tyto modifikace vyvinout koncentrace napětí v nejvíce zatížených oblastech (obr. 2), což může potenciálně vést ke zvýšení lokalizované povrchové únavy, vytváření pásů mikroodlupování nebo odlupování podél oběžných drah v oblastech vyššího napětí ( obr. 3). Tento režim potenciálního poškození může ovlivnit jakékoli valivé ložisko, ale nejvíce budou postiženy aplikace s přítomností silného znečištění, koroze, špatného mazání a nerovnoměrného klouzání nebo proměnlivého zatížení. Typicky se příklady nacházejí v těžebním průmyslu, celulóze a papíru, větrných aplikacích a dalších oblastech.

Opotřebení valivých ložisek je nelineární jev a dokonce i pozorování a měření opotřebení valivých ložisek v pravidelných intervalech ukazují, že jednoduchá intuice nestačí k předpovědi, jak se opotřebení bude v čase vyvíjet. To je způsobeno různými důvody; opotřebení závisí hlavně na místním posuvu a místním zatížení a samotné opotřebení tyto dva faktory modifikuje, takže jednoduchá extrapolace není možná. Pak je nutná důkladnější analýza, a proto SKF věnuje úsilí výzkumu skluzu a opotřebení ve valivých ložiskách a jejich vlivu na životnost ložisek [1].

Každé valivé ložisko má určitý stupeň klouzání; to je normální. Je způsoben vnitřní geometrií ložiska a/nebo podmínkami zatížení. Například radiální kuličkové nebo válečkové ložisko, dokonale radiálně zatížené, bude mít také klouzání (Heathcote slip) v důsledku geometrie kontaktu valivého tělesa/kroužku a elastické deformace od zatížení (obr. 4a a 4b). Protože opotřebení závisí na klouzání, dalo by se časem (pokud jsou dány správné podmínky) očekávat, že čisté valivé pásy (A a A 1 ) budou jedinými zónami, kde nedojde k opotřebení, a tudíž jediné zóny, které ponesou všechny zatížení v kontaktu.

Naštěstí k tomu může dojít pouze v situacích silného opotřebení, jako je přítomnost abrazivních částic, silná koroze nebo abnormální klouzání v důsledku nevhodného zatížení nebo montáže ložiska. Ve většině případů ložiska fungují správně a toto klouzání bude normálním pracovním prostředím valivého ložiska bez problémů.

Tento dokument půjde trochu hlouběji do hlavních mechanismů potenciálního kombinovaného poškození opotřebením a únavou. Modelování a experimenty byly provedeny s cílem lépe porozumět a osvětlit způsoby prevence.

Modelování

Modelářské oblečení
V [2] jsou diskutovány různé modely opotřebení za podmínek mazání a dochází se k závěru, že ve všech případech mohou být reprezentovány Archardovým modelem [3], někdy se sofistikovaným modelem koeficientu opotřebení. Ve většině případů je koeficient opotřebení empirickým faktorem založeným na experimentech. Nejobecnější rovnice opotřebení je tedy:

Kde:
V = objem opotřebení [m 3 ] za určitou dobu,
= bezrozměrný Archardův koeficient opotřebení [-],
F = přítlačná síla [N],
H = aktuální tvrdost povrchového materiálu [Pa],
s = posuvná vzdálenost [m] za určitý čas.

Objem opotřebení lze vyjádřit jako:

Kde:
h = tloušťka odstraněné povrchové vrstvy [m] za určitou dobu,
A_s = skluzová plocha [m 2 ] za určitý čas.

Tedy dosazením (2) do (1) a uvážením, že kontaktní střední tlak

Nyní, vezmeme-li v úvahu celkovou dobu kontaktu t na zatěžovací cyklus, která představuje dobu průchodu obou kluzných ploch kontaktní zónou s kluznou rychlostí, je kluzná plocha jednoduše kontaktní plochou, takže A_s = A. Odebraná tloušťka vrstvy na počet převálcování (N) lze vypočítat následovně [2] jako:

Kde:
u_s = místní rychlost posuvu [m/s]
u₁ = střední rychlost analyzovaného povrchu [m/s]
l = kontaktní délka ve směru posuvu [m].

Všimněte si, že téměř všechna množství jsou místní (x, y.) I zde bude tvrdost oceli v oběžných drahách a valivých tělesech považována za konstantní. Rovnice (4) udává místní tloušťku opotřebované vrstvy odstraněné při každém převalování v kontaktu s ložiskem.

Modelování interakce opotřebení-únava

Pro modelování vzájemného opotřebení/únavy v ložiscích je třeba použít model únavy z valivého kontaktu (RCF) při každém převalování oběžné dráhy s předem upraveným profilem (na obou površích) v důsledku opotřebení; tímto způsobem se oba jevy (opotřebení a únava) vzájemně ovlivňují. Pokaždé, když toto opotřebení změní profil, je třeba pro model únavy vypočítat nové rozložení tlaku v kontaktu. Tento proces odráží to, co se děje v reálném životě. Je to však velmi nákladné výpočetně, vezmeme-li v úvahu, že typická životnost RCF může pokrýt miliony převalování. Existují tedy zjednodušení, která podstatně snižují výpočetní náklady:

1. Používá se spíše výpočet suchého kontaktu než řešení plného elastohydrodynamického mazání (EHL), čímž se v tomto případě vyhýbá řešení problému mazání pouhým zohledněním (naměřeného) pevného koeficientu tření.
2. Aktualizace profilu vyplývajícího z opotřebení při každém určitém počtu převalování namísto jeho aktualizace při každém jednotlivém převalování.
3. Bod číslo (2) má také za následek, že aktualizaci výpočtu kontaktu a výpočtu poškození (únavy) lze provádět také současně s aktualizací profilu opotřebením, namísto při každém jednotlivém převalování.

Vývojový diagram na Obr. 5 ukazuje shrnutí postupu výpočtu. Všimněte si, že v tomto případě je použito únavové kritérium Dang Van [4] a akumulace poškození se provádí pomocí lineárního Palmgren-Minerova zákona [5,6]. Ale mohlo být použito jakékoli jiné kritérium únavy a zatížení akumulace poškození, pokud by to experimenty naznačovaly.

Experimenty

Pro ověření únavového modelu byla provedena zkouška odolnosti s použitím válečkového axiálního válečkového ložiska 81107 TN (obr. 6a), axiálně zatíženého C/P = 6.5 a mazacími podmínkami danými k ≈ 0.5.

Před testováním bylo v nových ložiscích vytvořeno umělé profilování (obr. 6b), jako by běžela za podmínek silného opotřebení. Během testování některá ložiska selhala, především kvůli poškození válečků (obr. 6c), takže model životnosti mohl být porovnán s výsledky z krátkého testu. Přesně stejné opotřebované válce a nové podložky byly uvažovány v modelu na obr. 5; výsledky ukázaly velmi dobrou shodu s dolní mezí naměřené L₁₀ život, vezmeme-li v úvahu Weibullovu statistiku.

Paralelně byly také provedeny testy opotřebení a měření v plných ložiscích, aby se vypočítal koeficient opotřebení a následně byl model validován pomocí různých sad experimentů. Uspokojivá byla také shoda mezi modelem a experimenty.

výsledky

U axiálních válečkových ložisek se skluz lineárně mění (snižuje) od dvou okrajů válečku směrem k roztečné čáře, kde je skluz nulový (obr. 7). Směrem k vnějšímu průměru ložiska bude váleček nejrychlejším povrchem a směrem k vnitřnímu průměru bude povrchem nejpomalejším. Pro ilustraci souběžných účinků opotřebení a únavy ve valivém ložisku s proměnným klouzáním po oběžné dráze je uvažováno další pouzdro axiálního válečkového ložiska s větším ložiskem (81212 TN), jak je popsáno v údajích v tabulce 1.

Byla spuštěna simulace umožňující modelu modifikovat profil vzniklý opotřebením s rozměrovým koeficientem opotřebení (definovaným jako ) s podmínkami zatížení, jak je uvedeno v tabulce 1, a simulace zamýšlela dosáhnout nominálně 300 milionů převalování.

Místo aktualizace profilů opotřebení při každém převalování, aby se ušetřilo výpočetní čas bez ztráty přesnosti, bylo zjištěno, že aktualizace lze provádět každých 15.5 milionů převalování na válci. Pro simulaci byl použit stejný model jako na Obr. 5, včetně modelu opotřebení podle Archarda z rovnice (4).

Výsledky simulace jsou uvedeny na Obr. 8. Na obrázku se zobrazí:

1. bezrozměrné tlaky,
2. smyková napětí von Mises,
3. mapu poškození,
4. původní profily válce a podložky,
5. opotřebené profily válce a podložky, odpovídající časovému kroku konce simulací.

Je třeba poznamenat, že mapa poškození dosáhla hodnoty celkového poškození vyšší než 1 (prahová hodnota iniciace cracku) již po 31 milionech přetočení. Výsledky zobrazené na Obr. 8 se týkají počátečních a konečných kroků simulace. Počáteční tlak (obr. 8a) při prvním převalování vypadá víceméně Hertziánsky, ale vykazuje určitý efekt namáhání hran, protože byl použit jednoduchý rovný profil válečku místo řádného profilovaného válečku, který se vyhýbá namáhání hran. Z výsledků je patrné, že klouzání je nulové v rozteči; také část simulace s modelem opotřebení Archard ukazuje nulové opotřebení v tomto místě.

Opotřebení je skutečně spojeno s rozložením prokluzu po oběžné dráze. K opotřebení tedy bude docházet ve zvýšené míře, jak se člověk vzdaluje od roztečné čáry oběžné dráhy. Všimněte si, že původně byl kontaktní tlak téměř pravoúhlý (obr. 8a), ale jak se materiál odstraňuje ze dvou stran valivého kontaktu, tlak se snižuje v oblastech vysokého skluzu a je silně zvýšen a koncentrován v oblasti nuly. posuvné (čára rozteče), (obr. 8b). Tento zvýšený tlak způsobuje vysoké napětí a únavu rychlejším tempem, dokud nedojde k selhání uprostřed válce (obr. 8c). Současný a souběžný účinek opotřebení a únavy může skutečně urychlit odlupování RCF kontaktu. Toto zrychlené únavové odlupování nesouvisí s třecím napětím vyvolaným klouzáním, ale je spíše výsledkem modifikace původního profilu valivých těles (obr. 8d a 8e), což vede k prudkému nárůstu kontaktního napětí a lokalizované nižší tloušťce filmu. .

Závěry

Z modelování souběžných účinků abrazivního opotřebení a RCF bylo zjištěno, že skluz se může stát důležitým prvkem při zvyšování únavového poškození ložiska. To vyžaduje přítomnost abrazivních částic a/nebo velmi špatné podmínky mazání v ložisku. Nerovnoměrné rozložení skluzu v rámci Hertzova kontaktu také přispívá k rozvoji pnutí, které významně zkracují únavovou životnost ložiska. Ve skutečnosti se zdá, že toto je nejvýznamnější mechanismus, kterým by Hertzovo klouzání mohlo nakonec snížit životnost RCF ložiska.

Ke snížení tohoto rizika jsou uvedena následující doporučení:

1. Zajistěte vždy dostatečné mazání v ložisku, zejména u ložisek velkých rozměrů s nízkou rychlostí otáčení nebo kmitání, ložisek s velkým množstvím abrazivních částic nebo ložisek vystavených korozi.
2. Optimalizujte řešení těsnění; případně použijte utěsněná/stíněná ložiska.
3. Co nejvíce omezte kontaminaci pevnými a kapalnými látkami.
4. Vyvarujte se rázového zatížení a vibrací, které mohou podstatně zvýšit jmenovité kluzné podmínky v ložisku.
5. V případě velkorozměrových ložisek, pokud je včas zjištěno nerovnoměrné opotřebení, může být repasování aspektem snížení nákladů, který je třeba zvážit.

Autor chce poděkovat Ralphu Meeuwenoordovi za laskavou podporu v experimentální fázi tohoto projektu.

Poruchy ložisek mohou být velkým bolehlavem pro jakékoli zařízení, způsobovat zvýšené prostoje, vysoké náklady na údržbu, zmeškané dodávky, ztrátu příjmů a v některých extrémních případech mohou dokonce zranit pracovníky. Když ložisko selže, negativně to ovlivní vaše zařízení, vaši pověst a váš konečný výsledek. Proto je důležité přijmout preventivní opatření ke zvýšení životnosti vašich ložisek a zabránit jejich nesprávnému opotřebení.

Co je porucha ložiska?

Jednoduše řečeno, k selhání ložiska dochází vždy, když ložisko nesplňuje svou očekávanou životnost nebo vypočítanou výkonnost. Ložiska jsou často přehlíženou součástí procesu, přestože nesou tělesnou hmotnost a výrobní zátěž. Často zůstávají neviditelné, dokud nedojde k poruše ložiska v zařízení.

Poruchy ložisek jsou častější, než si myslíte, a dokonce i při pečlivém plánování a běžné údržbě mohou v aplikaci stále neočekávaně nebo předčasně selhat. Méně než 30 % ložisek vůbec splní svou stanovenou mez únavy a „opotřebuje se“ při své aplikaci. Vše začíná u správce originálního vybavení (OEM). OEM vybírá ložiska pro každou aplikaci ve spojení s výrobcem navrženou očekávanou životností na základě únavového selhání odlupování.

Proč selhávají ložiska?

Obecně existuje několik běžných důvodů, proč ložiska selhávají:

Nedostatečné nebo nesprávné mazání

Jedním z nejčastějších důvodů selhání ložisek je nedostatečné nebo nesprávné mazání. Mazání je nezbytné pro zajištění hladkého chodu ložisek a minimalizace opotřebení. Bez dostatečného mazání se mohou ložiska přehřívat, způsobit zvýšené tření a nakonec se porouchat.

Kontaminace

Dalším běžným důvodem selhání ložisek je kontaminace. Cizí částice, jako je prach nebo nečistoty, se mohou dostat do ložiska a způsobit poškození povrchu. To může vést k předčasnému opotřebení a nakonec k selhání.

Nesprávná manipulace a instalace

S ložisky je třeba zacházet a instalovat opatrně. Pokud se s nimi špatně zachází nebo jsou nesprávně instalovány, může dojít k poškození ložiska, které se může projevit až později. To může vést k předčasnému opotřebení a nakonec k selhání.

Přetížení

Ložiska jsou navržena tak, aby nesla určitou zátěž a při jejich přetížení může dojít k jejich předčasnému rozpadu. Přetížení může být způsobeno nesprávnou velikostí, nesprávnou aplikací nebo jednoduše přenášením příliš velké hmotnosti.

Nesoulad

Nesouosost může způsobit nerovnoměrné opotřebení ložiska, což může vést k předčasnému selhání. Ložiska musí být správně vyrovnána, aby bylo zajištěno, že budou fungovat hladce a opotřebení je minimalizováno.

Koroze

Dalším běžným důvodem selhání ložisek je koroze. Koroze může nastat v důsledku vystavení vlhkosti, vysokým teplotám nebo jiným faktorům prostředí. Může způsobit promáčknutí a poškození ložiska, což vede k předčasnému opotřebení.

Únava

Častým důvodem selhání ložisek je únava. Ložiska jsou navržena tak, aby vydržela určitý počet cyklů, a pokud jsou vystavena většímu počtu cyklů, než mohou zvládnout, nakonec selžou. To může být způsobeno nadměrnými vibracemi, vysokou rychlostí nebo jinými faktory.

Špatný design

A konečně, špatná konstrukce může také způsobit selhání ložiska. Pokud ložisko není správně navrženo, nemusí být schopno odolat zatížení a namáhání, kterému je vystaveno. To může vést k předčasnému opotřebení a nakonec k selhání.

Preventivní opatření ke snížení opotřebení ložisek

Správné mazání

Mazání je zásadní pro zajištění správné funkce ložisek. Správné mazání může prodloužit životnost ložisek, snížit opotřebení a zabránit přehřátí. Je důležité použít správný typ maziva pro ložisko a aplikaci. Přemazání může být stejně škodlivé jako nedostatečné mazání, proto je důležité dodržovat doporučení výrobce ohledně frekvence a množství mazání.

Pravidelná údržba

Pravidelná údržba je klíčem k zajištění správné funkce a dlouhé životnosti ložisek. Rutinní kontroly mohou identifikovat problémy dříve, než se stanou vážnými problémy. Správná údržba zahrnuje sledování úrovně mazání a čistoty, kontrolu známek opotřebení a zajištění správného vyrovnání.

Správný výběr ložiska

Výběr správného ložiska pro danou aplikaci je nezbytný pro zajištění správné funkce a dlouhé životnosti. Mezi faktory, které je třeba vzít v úvahu, patří nosnost, rychlost a požadavky na teplotu. Je důležité spolupracovat s erudovaným dodavatelem, který vám může pomoci vybrat správné ložisko pro vaši aplikaci.

Správná manipulace a instalace

Správná manipulace a instalace ložisek je nezbytná pro prevenci předčasného selhání. Zajistěte, aby byla ložiska skladována a přepravována v čistém, suchém prostředí bez vibrací. Během instalace se ujistěte, že jsou ložiska správně vyrovnána a že je správně aplikován krouticí moment.

Vzdělávání a vzdělávání

Školení a vzdělávání jsou nezbytné pro prevenci předčasného selhání ložisek. Zajistěte, aby byl váš tým proškolen o správné manipulaci a instalačních technikách, stejně jako o postupech mazání a údržby. Pravidelné školení může pomoci předejít běžným problémům a snížit prostoje.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Selhání ložisek může mít vážné důsledky pro vaše zařízení, včetně delších prostojů, vysokých nákladů na údržbu a ušlých výnosů. Pochopením běžných příčin selhání ložisek a zavedením preventivních opatření můžete snížit opotřebení ložisek a prodloužit jejich životnost. Správné mazání, pravidelná údržba, správný výběr ložisek, správná manipulace a instalace a školení a vzdělávání jsou klíčem k zajištění správné funkce a dlouhé životnosti ložisek. Proaktivním přístupem k údržbě ložisek můžete předejít nákladným poruchám a zajistit hladký provoz vašeho zařízení.

Vítejte v článku «Jak předejít selhání ložisek» na našem webu!