Přehled testovaných ložisek, detekce a charakter poškození 1 Valivá ložiska 1.1 Valivá ložení Rozdíl mezi kluzným a valivým uložením je lidstvu znám již po mnoho tisíc let. Příkladem může být vznik dávných staveb, skládajících se z ohromných bloků (nejčastěji kvádrů) kamene. Můžeme s určitou jistotou předpokládat, že ve většině případů byla doprava těžkých těles realizována prostřednictvím valivých elementů (např. kmeny stromů). Tímto způsobem se daly přemístit i několikatunová tělesa.
Obr. 1 Ukázka různých typů ložisek [1] Dnešní doba disponuje kompaktními ložiskovými systémy se značným množstvím požadovaných velikostí a únosností. Současné elementy používané ve valivých ložiscích se vyjadřují celou řadou různých tvarů (kuličky, válečky, soudečky, jehly, atd.) viz obr. 1. Nejen valivé elementy mohou být vyrobeny z tradičních i netradičních materiálů, ale i například klece viz obr. 2 (kovové, plastové) a díky novým druhům povlaků lze dosáhnout i vyšší odolnosti valivých povrchů.
Obr. 2 Ukázka ložiska s plastovou klecí [2] Obr. 3 Ukázka “pittingu“ na kuličce ložiska [3]
1
1.2 Opotřebení valivých ploch Nejčastějším opotřebením, které se vyskytuje u valivých ložisek, je tzv. pitting (obr 3). Takto nazvané opotřebení vzniká jako důsledek cyklického zpevňování materiálu pod zatížením (plastické deformace, zpevňování mikronerovností povrchu). Prvotním příznakem je vznik mikrotrhlin na povrchu a v malé hloubce pod povrchem cyklicky namáhaného materiálu. Větvením únavových trhlin a následným odlupováním povrchu vzniká dolíčkové opotřebení (pitting). Rozšiřováním poškození a odlupováním větších vrstev materiálu vzniká další stádium poškození nazvané termínem“spalling“ nebo “flaking“ (odpadávání, odlupování materiálu) viz obr. 4.
Obr. 4 Ukázka „sparingu“ (flakingu) na vnějším kroužku ložiska [4] 1.3 Testovací stanice a kuličková ložiska Testovací stanice SA67 (obr. 5), na které probíhá realizace tohoto projektu (FRVŠ – G1), je určena pro trvanlivostní zkoušky radiálních ložisek. V současné době jsou testována jednořadá kuličková ložiska, která jsou asi nejvíce rozšířena v průmyslu a běžných provozech. Hlavními důvody volby tohoto typu ložiska jsou tedy: použití v širokých průmyslových odvětvích, přijatelná cenová politika a možnost relativně snadné demontáže. Pro testování se používají jak zakrytovaná ložiska (s náplní maziva), tak i nezakrytovaná ložiska, ke kterým je možné nastavit intenzitu vnějšího přísunu maziva.
Obr. 5 Experimentální zkušební stanice SA67 pro trvanlivostní zkoušky ložisek [5]
2
Katalogy výrobců udávají jednotlivé typy a varianty normalizovaných ložisek. V našem případě je testované ložisko označeno jako 6204. První dvojčíslí označuje typ ložiska (62 – jednořadé kuličkové ložisko). Poslední dvojčíslí označuje normalizovaný průměr vnitřního kroužku ložiska pro nasazení na hřídel d (00 ⇒ d=10 mm, 01 ⇒ d=12 mm, 02 ⇒ d=15 mm, 03 ⇒ d=17 mm, 04 ⇒ d=20 mm). Od 04 je dvojčíslí násobeno pěti, až do průměru 495 mm. U rozměrů menších než 10 mm, nebo větších než 495 je místo dvojčíslí připojeno číslo vyjadřující vnitřní průměr v mm. 1.4 Charakteristické ložiskové frekvence Otáčkové frekvence jednotlivých částí ložiska jsou vypočteny z obvodových rychlostí spoluodvalujících se částí (vnitřní kroužek, střed kuličky, klec, vnější kroužek). Za předpokladu, že se vnější kroužek zpravidla neotáčí, je výpočet frekvencí poškození jednotlivých částí ložiska následující [6]:
fe =
n do f r 1 − cos α 2 ds
n do f r 1 + cos α 2 ds 2 d ds o fb = f r 1 − cos α 2d o d s 1 d f c = f r 1 + o cos α 2 ds
fi =
Obr. 6 Ukázka ložiska 6204 [7] kde: fe [Hz] fi [Hz] fb [Hz] fc [Hz] fr [Hz] n [-] ds [m] do [m] α [-]
- frekvence odpovídající závadě vnějšího kroužku - frekvence odpovídající závadě vnitřního kroužku - frekvence odpovídající závadě kuličky, nebo válečku - frekvence odpovídající závadě klece - frekvence daná relativními otáčkami vnitřního a vnějšího kroužku - počet kuliček, nebo válečků - roztečný průměr ložiska - průměr kuliček ložiska - stykový úhel
3
2 Vnitřní vůle ložiska 2.1 Malá vnitřní vůle ložiska Nedodržení určité velikosti vnitřní vůle ložiska může znamenat značné zatížení valivých elementů i bez působení vnějšího zatížení. Nalisování ložiska na hřídel, nebo ohřev vlivem provozních podmínek dokáže značně zmenšit radiální vůli. V případě ohřevu, kde zpravidla dochází k většímu zahřívání vnitřního ze dvou kroužků ložiska, může situace vyústit až k vytvoření negativní vůle. Velké přetížení kontaktními silami pak vede k rapidnímu zkrácení životnosti ložiska a případně k nečekané havárii. 2.2 Velká vnitřní vůle ložiska Příliš velká vůle obvykle způsobuje nerovnoměrné rozložení zatížení, tedy rozložení zatížení na menší počet elementů, a tím i k přetížení v lokálním místě ložiska.
3 Životnost ložiska Životností ložiska se rozumí jeho schopnost plnit požadované funkce, pro které bylo ložisko navrženo. Životnost ložiska je doba chodu až do jeho přerušení i vlivem jiných příčin, než je únava materiálů. Za uplynutí životnosti lze například považovat: roztržení klece, prasknutí valivého tělesa, nebo kroužku ložiska, zadření ložiska, překročení určité teploty, nebo požadované přesnosti ložiska [8] [9].
4 Trvanlivost ložiska Trvanlivost ložiska lze rozdělit na trvanlivost skutečnou a trvanlivost vypočtenou. 4.1 Trvanlivost skutečná je doba chodu ložiska až do vzniku dolíčkového opotřebení (pittingu) na některé z valivých ploch. Vyjadřuje se v počtu celkových otáček, nebo v počtu celkových hodin chodu při stanovené frekvenci otáčení. Vzhledem k velkému rozptylu skutečné trvanlivosti (až dvacetinásobné) slouží orientace dle vypočtené trvanlivosti. 4.2 Trvanlivost vypočtená (základní trvanlivost) se získává ze série experimentálních zkoušek provedených za stejných podmínek pro 20 až 30 ložisek. S trvanlivostní pravděpodobností 90 % se určila konstanta C (základní dynamická únosnost), která je uvedena v katalozích výrobců. Zatížení F lze doplnit násobením součiniteli (pravděpodobnosti havárie, použitého materiálu a provozními podmínkami). Podrobné informace lze nalézt například na www.zkl.cz – manuál konstruktéra. Existuje základní závislost mezi zatížením a trvanlivostí ložiska: m
F * L N = konst. 3
kde: C [N] F [N] m [-] LN [ot] Lh [h] n [min-1]
konst . = C .10 3
6
C LN = .10 6 F
C Lh = F
m
10 6 60.n
- dynamická únosnost kul. ložiska - zatížení kul. Ložiska ( - exponent charakterizující typ valivých elementů - celkový počet otáček (trvanlivost ložiska) - celkový počet hodin (trvanlivost ložiska) - otáčky hnacího ústrojí
Uvedené rovnice mají omezení pro extrémní (maximální a minimální) hodnoty zatížení, frekvenci otáčení, velikosti teploty, maziva a další [9].
4
5 Příčiny poruch ložisek Zde je obsažen pouze krátký výběr hlavních příčin poškození ložisek [8] a další příčiny je možné dostudovat z dostupných informačních zdrojů [10]. 5.1 Pitting - Nejčastější poruchou ložisek v provozu bývá vznik únavového opotřebení “pitting“ (obr. 3), které se rozvíjí do dalších stádií porušení povrchu „flaking“, „spalling“ (obr. 7). Materiál odpadávající z místa vzniku pittingu se dostává mezi valivé plochy a poškozuje ložisko s ještě větší rychlostí. Tam kde je to z konstrukčního hlediska možné, se využívá otěr valivých ploch pro odstranění nečistot ze soustavy. Rychlost vzniku únavového opotřebení valivých ploch je ovlivněna celou řadou faktorů, jedním z hlavních je přítomnost a druh maziva v místě kontaktu. Mezi další ovlivňující faktory patří například zatížení, provozní teplota a další. Ke zvýšené odolnosti vůči únavovému opotřebení lze dospět také zvolením vhodné technologie obrábění valivých ploch.
Obr. 7 „Flaking“ na vnitřním kroužku ložiska [10]
5.2 Místní trvalé deformace - vznikají v důsledku vlivů jako jsou (nesprávné nalisování ložiska, při přepravě velkých ložisek vlivem vibrací, nebo přítomností vniku cizího tvrdého tělesa do ložiska). Trvalé deformace vlivem nesprávného nalisování mohou vzniknout v případě, kdy je přenášena lisovací síla přes valivé elementy ložiska. Přeprava ložisek nadměrných velikostí může způsobit zatížení přes elementy a spolu s vibracemi dochází k takzvanému „false brinelling“ nesprávnému brinellování (obr. 8). Aby se zabránilo takto vzniklému poškození, jednotlivé části ložiska se vypodkládají (odlehčují). V případě průjezdu valivého elementu přes tvrdé cizí těleso se může také vytvořit trvalá místní deformace do dráhy ložiska.
Obr. 8 „False brinelling“ na vnitřním kroužku ložiska [10]
5.3 Nadměrný otěr - je nejčastějším projevem poškození u klecí ložisek, následkem je pak ztráta přesnosti, nebo zvětšení vůle ložiska. 5.4 Vnik rýh - ve valivých plochách v důsledku nedostatku maziva a velkého zatížení.
5
5.5 Trhliny a lomy - jsou nebezpečné z hlediska náhlého vzniku a tím i nebezpečí havárie. Praskliny v ložisku vznikají zpravidla nadměrným zatížením, deformacemi kroužků vlivem nalisování ložiska, nebo se mohou šířit od místa porušeného povrchu (spallingu, flakingu).
Obr. 9 Trhliny na vnitřním kroužku ložiska [10]
5.6 Ohřev a objemové popuštění - jsou způsobeny extrémními provozními podmínkami (nadměrné zatížení, nedostatek maziva, velké rychlosti otáčení, přívod tepla z vnějšku, atd.) Obecně platí, že se vnitřní kroužek ložiska vlivem své menší plochy zahřívá více (např. až o 30°) než kroužek vnější, ale v praxi spíše více záleží na samotné konstrukci uložení (odvodu tepla). 5.7 Průchodu elektrického proudu ložiskem - může způsobit jiskření mezi kontakty a poškození povrchu jak valivých elementů, tak i kroužků ložiska.
Obr. 10 „Electrical Corrosion“ na vnitřním kroužku ložiska [10]
5.8 Vnější poškození ložiska - souvisí s jeho uložením. Typickými ukazateli na vnější poškození jsou: uvolnění vnitřního kroužku ložiska z hřídele a následná styková koroze, zapříčiněná vlhkostí.
Obr. 11 „Fretting“ na vnitřním kroužku ložiska [10]
6
6. Použitá literatura a dostupné zdroje [1] THB Bearings Co., Ltd. Products, [online]. [cit. 2009-02-22]. URL:
[2] PEM Plant Engineering and Maintenance, [online], [cit. 2009-09-8]. URL: [3] CHALOUPKA, P. Procesy kontaktního poškození ložiskových materiálů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 36 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Filip Hort, [online], [cit. 2009-09-2]. URL: [4] Allied Bearings Supply Copany, [online], [cit. 2009-09-15]. URL: < http://www.alliedbearings.com/downloads/skf_bearing_failureandcauses.pdf> [5] SUCHANEK, D. Úprava zkušebního zařízení ložisek pro aplikaci metody akustické emise. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 68 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Pavel Mazal, CSc. [online], [cit. 2009-09-20]. URL: < http://dl.uk.fme.vutbr.cz/zobraz_soubor.php?id=881> [6] KREIDL, M., ŠMÍD, R.: TECHNICKÁ DIAGNOSTIKA, senzory – metody – analýza signálu. 1. vydání, BEN – technická literatura, Praha 2006, 408 stran, ISBN 80-7300-158-6. [7] SKF Ložiska, a.s., [online], [cit. 2009-10-15]. URL: [8] BOHÁČEK, F.: Části a mechanismy strojů II, Hřídele, tribologie, ložiska, PC-DIR spol. s.r.o. Nakladatelství Brno 1983, ISBN 80–214–0829-4. [9] ZKL, a. s., [online], [cit. 2009-09-15]. URL: [10] NSK Ltd., [online], [cit. 2009-09-15]. URL:
7
