Uszkodzenia łożysk – przyczyny, tryb awarii i zapobieganie im

Łożyska toczne są solidnymi i niezawodnymi komponentami w inżynierii mechanicznej oraz konstrukcji maszyn niestandardowych. W pewnych warunkach może jednak dojść do uszkodzenia łożysk tych powszechnie stosowanych elementów maszyn, zwykle wynikającego z nietypowego zachowania podczas pracy. W najgorszym przypadku uszkodzenie łożyska może spowodować całkowitą awarię łożysk tocznych, co może skutkować niepożądanymi przestojami. Dlatego ważne jest wczesne wykrywanie pierwszych oznak uszkodzeń łożysk tocznych i usuwanie ich przyczyn. W tym artykule omawiamy objawy uszkodzenia łożyska, jego przyczyny i typowe tryby awarii.

W jaki sposób dochodzi do uszkodzenia łożyska?

Uszkodzenie łożyska może być spowodowane różnymi przyczynami, z których niektóre wynikają ze zużycia i nieprawidłowego montażu. Uszkodzenia łożysk często wynikają jednak z niewłaściwej konstrukcji w fazie projektowania, co może prowadzić do ich przeciążenia. Oprócz wadliwego montażu i przeciążenia, typowymi przyczynami awarii łożysk są zanieczyszczenia oraz niewystarczające smarowanie lub jego brak.

W każdym przypadku konieczna jest dogłębna analiza przyczyn w przypadku uszkodzenia łożyska w celu długiej żywotności i bezpieczeństwa stosowania. Uszkodzone łożyska nie powinny być sprawdzane w całkowitej izolacji. Zakłócone działanie łożyska może mieć negatywny wpływ na otaczające komponenty, a nawet może być uważane za potencjalną przyczynę uszkodzenia łożyska.

Na podstawie jakich objawów można zidentyfikować uszkodzenie łożyska?

Uszkodzenie łożyska można zazwyczaj rozpoznać po tym, że jego zachowanie podczas pracy stopniowo się zmienia. W zależności od środowiska pracy i zastosowania uszkodzenie łożyska może być zauważalne w postaci różnych objawów.

Bardzo często uszkodzenie łożyska można wykryć na podstawie nietypowych odgłosów pracy. Świst, wycie lub nierównomierne odgłosy są wyraźną oznaką uszkodzenia. Hałas łożysk jest często spowodowany niewystarczającym lub nieodpowiednim smarowaniem. Nadmierne obciążenia i błędy montażowe łożysk również mogą być przyczyną hałasu.

Jeśli łożyska są dostępne lub widoczne z zewnątrz, uszkodzenie można również wykryć poprzez nierównomierną pracę łożyska. Nierówne lub niedokładne działanie może być spowodowane wstrząsami, wibracjami, ale także brudem. Innym objawem uszkodzenia łożyska jest nadmierna temperatura. Nadmierne temperatury w łożysku można ogólnie przypisać zwiększonemu tarciu. Zbyt niska lub wysoka ilość smaru, przeciążenia lub błędy montażowe mogą jednak również zwiększyć temperaturę łożyska.

Zasadniczo łożyska powinny być kontrolowane pod kątem tych objawów podczas rutynowych przeglądów, aby uniknąć uszkodzenia łożysk tocznych i zapobiegawczo przeciwdziałać wszelkim wynikającym z tego przestojom w pracy.

Jakie są typowe tryby awarii?

Każdy rodzaj uszkodzenia ma swoje własne charakterystyczne cechy i tryby. Na podstawie trybów awarii można wyciągnąć wnioski na temat ich przyczyn, aby móc podjąć odpowiednie środki zaradcze. Typowe uszkodzenia łożysk obejmują na przykład zużycie, korozję, wgniecenia, wypolerowanie i przepływ prądu. Uszkodzone lub niesprawne łożyska często łączą w sobie różne uszkodzenia.

Niektóre z najczęstszych trybów awarii, ich charakterystyka i możliwe przyczyny zostały przeanalizowane bardziej szczegółowo i podkreślone przykładami poniżej.

Uszkodzenie łożyska w wyniku zużycia

Zużycie obejmuje między innymi uszkodzenia powierzchni spowodowane tarciem ślizgowym na korpusach rolek, powierzchniach czopów lub powierzchniach czołowych. W przypadku łożysk tocznych w normalnych warunkach zużycie jest prawie niezauważalne. Zużycie może jednak wystąpić, jeśli łożysko wejdzie w kontakt z ciałami obcymi lub smarowanie będzie niewystarczające. Wibracje łożysk stacjonarnych również mogą powodować ich zużycie.

Małe cząstki, takie jak ścinki metalu, mogą powodować zużycie bieżni, korpusów tocznych i koszyka łożyska, co z kolei powoduje matowienie powierzchni. Granulacja i rodzaj cząstek określają stopień zmatowienia. Na przykład zielonkawe przebarwienie smaru łożyskowego może wskazywać na ścieranie mosiężnego koszyka. Dodatkowymi oznakami zużycia mogą być niewielkie wgniecenia na bieżniach. Wynika to między innymi z braku czystości podczas instalacji, nieskutecznych uszczelek lub zanieczyszczonych smarów.

Jeśli smaru jest zbyt mało lub traci on swoją smarowność, nie może powstać wystarczająco wytrzymały film smarny. Prowadzi to do kontaktu metalu z metalem między korpusami tocznymi a bieżniami. Gdy smar zostanie całkowicie zużyty, temperatura znacznie wzrośnie. W rezultacie hartowana stal łożyska tocznego traci swoją twardość, a powierzchnie się odbarwiają. W skrajnych przypadkach temperatura może wzrosnąć tak wysoko, że łożysko ulegnie zatarciu. W przypadku braku warstwy smaru, co prowadzi do kontaktu metalu z metalem między korpusami tocznymi a bieżniami, wibracje mogą powodować niewielkie ruchy między korpusami tocznymi a pierścieniami bieżni. To z kolei może prowadzić do odrywania się małych cząstek od powierzchni. Z czasem tworzy to zagłębienia, w których często rozwija się rdza z powodu utleniania oderwanych cząstek.

Uszkodzenia łożysk spowodowane wgnieceniami w bieżniach

Wgłębienia lub wżery na powierzchniach łożysk powstają, gdy do łożyska stacjonarnego przykładane są duże obciążenia lub gdy do łożyska dostaną się ciała obce. Jednak przeciążenie spowodowane niewłaściwą instalacją może również powodować wgniecenia.

Jeśli ciała obce przedostaną się do łożyska i zostaną wtoczone do bieżni przez korpusy toczne, może dojść do wgnieceń. Ciała obce i inne cząstki brudu mogą pozostać w łożysku z powodu niewystarczającego czyszczenia wstępnego lub braku czyszczenia po procesach roboczych. Jeśli łożyska znajdują się pod obciążeniem i wibracjami przez dłuższy czas, mogą powstawać tzw. ślady jałowe. Typowe dla oznaczeń śladu jałowego są jednolite odciski rozmieszczone na bieżni w odległości ciał tocznych. Obciążenia szczytowe spowodowane wstrząsami lub przeciążeniem statycznym mogą również prowadzić do wgłębień w bieżniach, które objawiają się również jako wgniecenia na odcinku korpusów tocznych. Tryby awarii często wynikają z nadmiernej siły działającej na jeden z pierścieni bieżni podczas montażu i demontażu.

Ponieważ kontury wgłębień są narażone na duże naprężenia za każdym razem, gdy następuje przewrócenie po wciśnięciu ciał obcych, może dojść do pęknięć. Mogą one rozprzestrzeniać się po całej bieżni w kształcie litery V w kierunku toczenia. Im silniejsza definicja konturu odcisku (np. w przypadku twardych minerałów) i im większe obciążenie, tym większe prawdopodobieństwo dalszych pęknięć i awarii łożyska.

Uszkodzenie łożyska w wyniku korozji

Korozja jest jednym z najpoważniejszych trybów awarii łożyska. Występuje w warunkach pracy, w których wilgoć lub agresywne media wchodzą w kontakt z łożyskiem, a smar nie jest już w stanie chronić powierzchni łożyska.

Korozja spowodowana wilgocią (rdza) tworzy nierównomiernie rozłożone na łożysku blizny w kolorze brązowym. Wydłużony czas przestoju często skutkuje również rdzewieniem elementów tocznych. Uszkodzenia korozyjne spowodowane wilgocią występują z powodu niewłaściwego przechowywania, kondensacji spowodowanej wahaniami temperatury, ale także z powodu nieodpowiedniego uszczelnienia i wadliwych tarcz osłonowych.

Oprócz wilgoci, agresywne media mogą również powodować uszkodzenia korozyjne łożysk. Dlatego ważne jest, aby podczas projektowania wziąć pod uwagę materiały eksploatacyjne mające styczność z łożyskiem i przeprowadzać konserwację wyłącznie za pomocą zatwierdzonych środków czyszczących. Kolor uszkodzeń jest zwykle inny i są one spowodowane wadami uszczelnienia lub kontaktem z agresywnymi chemikaliami bądź nieodpowiednimi smarami.

Inne rodzaje uszkodzeń łożysk

W przypadku łożysk tocznych pracujących w środowiskach przewodzących prąd (np. w silnikach elektrycznych lub podczas spawania) przepływ prądu przez łożysko może prowadzić do termicznego uszkodzenia materiału. Takie rodzaje uszkodzeń zwykle objawiają się jako kratery lub ryflowania na łożysku i powstają w punktach styku elementów tocznych. Ta forma uszkodzenia łożyska może obejmować całą jego powierzchnię.

Uszkodzenie łożyska spowodowane niewłaściwym smarowaniem jest powszechnym problemem, który może w znacznym stopniu negatywnie wpłynąć na wydajność i żywotność łożyska. Zbyt duża ilość smaru może być równie szkodliwa jak jego niedobór. Przepełnienie prowadzi do zwiększonego oporu w łożysku, co z kolei prowadzi do nadmiernego wytwarzania ciepła. Ciepło to może negatywnie wpłynąć na skuteczność smaru i spowodować uszkodzenie elementów łożyska. Z kolei brak smaru prowadzi do zwiększonego tarcia między ruchomymi częściami łożyska. Powoduje to nadmierne zużycie, zwiększone wytwarzanie ciepła i ostatecznie przedwczesną awarię łożyska. Woda, kurz i inne zanieczyszczenia mogą zanieczyścić środki smarne i zmniejszyć ich smarowność. Ponadto smary z czasem tracą swoją skuteczność. Stare smary mogą tracić swoje właściwości smarne, co może prowadzić do zwiększonego zużycia i awarii łożysk.

Naprężenia w orientacji montażowej wpływają na bieżnię, ponieważ widoczne jest nierównomierne zużycie. Decydujący jest tu rodzaj występującego naprężenia. Naprężenia promieniowe w łożysku kulkowym, takie jak zbyt wąska szczelina łożyska, mogą objawiać się śladami obwodowymi na obu pierścieniach łożyska. Z drugiej strony, tryby uszkodzeń łożysk kulkowych spowodowane naprężeniami owalnymi można rozpoznać po większym zużyciu przeciwległych powierzchni bieżnych, podczas gdy części pomiędzy nimi mają znacznie mniejsze zużycie. Przykładem może być pierścień zewnętrzny obciążony promieniowymi obciążeniami ściskającymi. Przyczyny naprężeń często można znaleźć w odkształceniach łożysk lub otaczających je komponentów. Przyczyną naprężeń może być również nieodpowiedni dobór łożyska w odniesieniu do sił działających w danym zastosowaniu.

Jak zapobiegać uszkodzeniom łożysk?

Ogólnie rzecz biorąc, starannie dobrane łożyska toczne osiągają oczekiwaną żywotność. Niemniej jednak, często możliwe do uniknięcia błędy prowadzą do przedwczesnego zużycia tych łożysk. Te przedwczesne usterki zwykle nie wynikają ze zmęczenia materiału, ale są spowodowane szeregiem wad:

• Błąd montażu
• Wadliwa obsługa
• Niewystarczające smarowanie
• Wnikanie ciał obcych
• Nadmierne wydzielanie ciepła.

Aby podjąć skuteczne środki przeciwko takim awariom, wymagane jest dokładne zbadanie trybu awarii, rodzaju awarii i potencjalnych przyczyn. Wymaga to dokładnej znajomości wszystkich istotnych warunków przed i po awarii, w tym konkretnego zastosowania, warunków pracy i środowiska. Wdrożenie skutecznych środków zaradczych może w dużej mierze zapobiec podobnym problemom w przyszłości.

Dlatego też potencjalne ryzyko uszkodzenia i awarii łożysk powinno być brane pod uwagę już przy ich wyborze i określaniu ich specyfikacji. Na przykład, w razie wątpliwości, łożyska bezobsługowe (trwale nasmarowane) powinny być preferowane zamiast łożysk wymagających ponownego smarowania. Ponadto materiał łożyska i środek smarny powinny odpowiadać nośności łożyska, obciążeniom statycznym i dynamicznym, oczekiwanym temperaturom i czynnikom otoczenia stykającym się z łożyskiem.

MISUMI oferuje kompleksowy wybór wysokiej jakości, indywidualnie konfigurowalnych łożysk tocznych. Ponadto należy zawsze przestrzegać specyfikacji producenta łożyska i dostawcy środka smarnego. Prawidłowy montaż oraz regularne przeglądy i konserwacja pomagają w utrzymaniu łożysk tocznych w celu zapewnienia długiej żywotności i wysokiego poziomu bezpieczeństwa eksploatacji.

W nowoczesnym zarządzaniu produkcją monitorowanie lokalizacji łożysk może również odbywać się poprzez monitorowanie hałasu (mikrofon) oraz analizę częstotliwości lub drgań. Zasada działania opiera się na określeniu nadmiernej emisji dźwięku lub na badaniu częstotliwości uszkodzeń specyficznych dla łożysk kulkowych, które wskazują na uszkodzenie danych łożysk. Systemy te są dostępne dla specjalistów z tej dziedziny oraz są bezpośrednio zintegrowane z kontrolą produkcji. Możliwe jest jednak również stosowanie odpowiednich testów niezależnie od kontroli produkcji w ramach konserwacji lub konserwacji zapobiegawczej. MISUMI oferuje następujące przyrządy pomiarowe do monitorowania: Miernik wibracji i stroboskop przemysłowy (monitoruje wibracje podczas pracy).