Типичные повреждения подшипников и их причины
Производство подшипников качения осуществляется в условиях жестких требований к качеству подшипников. Это одни из наиболее высокоточных изделий, выпускаемых в машиностроении. При оптимальных рабочих условиях подшипники могут непрерывно эксплуатироваться в течение многих лет. Вследствие того, что рабочие условия редко бывают идеальными, подшипники редко реализуют свои потенциальные возможности с точки зрения ресурса.
Срок службы подшипников качения зависит от уровня технологии производства, условий хранения, правильного выбора и применения. Большое значение имеют также качественный монтаж, эффективное смазывание и уплотнение.
Усталостные разрушения поверхности связаны с проблемами смазки, такими как неподходящая смазка, низкая ее вязкость и разрывы смазочной пленки. В начальной стадии развития возникают подповерхностные микротрещины, затем поверхность становится как бы заиндевшей в некоторых местах, как показано на рис.1. При дальнейшем развитии повреждения данного вида поверхность дорожки начинает отслаиваться и растрескиваться (следует отметить, что это отслаивание не столь серьезно как сколы на дорожке). При накоплении усталости в материале дорожки ее поверхность становится шероховатой, подшипник начинает шуметь и излишне нагреваться. Постоянная перегрузка, плохо обработанные и загрязненные поверхности неизбежно ведут к усталостным явлениям. Этого можно избежать или существенно замедлить, если подшипник будет чистым и хорошо смазанным.
Усталость дорожки качения. Поверхность растрескивается и отслаивается.
Выкрашивание поверхности схоже с усталостью поверхности, но отличается от него более сильной степенью повреждения подшипника и может указывать на то, что подшипник исчерпал ресурс усталости. Рисунок 2 показывает, что растрескивание и сколы поверхностей характеризуются глубокими трещинами и расслаиванием. Это происходит, когда под поверхностные трещины, возникающие в местах дислокации неметаллических включений в стали подшипника, доходят до поверхности. Преждевременное растрескивание часто вызывается плохой посадкой вала, искривлениями корпуса и неправильной установкой, т.е. условиями, вызывающими слишком высокие кромочные напряжения.
Выкрашивание поверхности. Глубокие трещины и расслаивание.
Абразивный износ: Абразивное истирание металла, показанное на рис.3, разрушает поверхности элементов подшипника. В зависимости от типа абразивного износа, поверхность приобретает или тусклый серый металлический цвет или же зеркально полируется. Иногда подшипник вследствие изменения его геометрии из-за износа внезапно выходит из строя.Мелкая абразивная пыль является обычной причиной такого отказа; эта пыль может попасть в подшипник при установке, через плохие уплотнения или с грязной смазкой. Поэтому при монтаже подшипника рекомендуется протирать каждый элемент чистой тканью перед смазкой и содержать в чистоте рабочие поверхности. Хорошие уплотнения, промываемые уплотнения и чистые смазочные материалы помогут предотвратить загрязнение после установки подшипника
Абразивный износ. Повреждение поверхности качения
Атмосферная коррозия: Коррозия вызывается влагой, которая попадает в подшипник из атмосферы. Влажный воздух, попадая внутрь подшипника, при охлаждении окружающей среды конденсируется, разрывая смазочную пленку в местах контакта тел и дорожек качения. Атмосферную коррозию, показанную на рис.4, можно предотвратить, используя качественное уплотнение, эффективную пластичную смазку. В некоторых случаях могут оказаться необходимыми специальные уплотнения, чтобы исключить вытекание смазки. Подшипник необходимо заполнять смазкой при каждой более или менее продолжительной остановке машины.
Атмосферная коррозия. Внешний вид коррозии
Фреттинг-коррозия: Как показано на рис.5, фреттинг-коррозия очень похожа на обычную коррозию. Она возникает на посадочных поверхностях подшипника на вал, а также и на других сопрягаемых поверхностях. Она вызывается незначительными (микроскопическими) нагрузками. Частицы, образующиеся в результате износа имеют черный цвет в присутствии воздуха и красные — в его отсутствие. Фреттинг-коррозия может вызвать как ослабление посадки внутреннего кольца на валу; так и его заклинивание, при котором его невозможно будет снять. Фреттинг-коррозия также привести к разламыванию кольца.Предотвратить можно следуя рекомендациям производителя относительно допусков и убедившись, что элементы подогнаны наилучшим образом.
Фреттинг-коррозия на отверстии (посадочной поверхности) внутреннего кольца
Бринеллирование: При бринеллировании на поверхности колец появляются регулярно следующие друг за другом поперечные риски, развивающиеся в заметные отпечатки. Это является следствием пластических деформаций металла в местах контакта, которые возникают вследствие перенапряжения металла. Результат бринеллирования дорожек качения показан на рис.6. Бринеллирование является следствием высоких статических или ударных нагрузок, неправильной технологии установки подшипника, сильных механических ударов, возникающих, при падении машины. Бринеллирование можно предотвратить, исключив при монтаже подшипника передачу монтажного усилия через тела качения. Если ударных нагрузок невозможно избежать как при установки, так и в процессе эксплуатации, тогда необходимо использовать подшипники, предназначенные для более высоких нагрузок.
Бринеллирование дорожек качения. Регулярные выемки на дорожках качения
Ложное бринеллирование: как и просто бринеллирование характеризуется отпечатками на дорожках качения. Однако в отличие от «истинного» бринеллирования отпечатки характеризуются не только продавливаем металла в зонах пластических деформаций, но и его сдвигом, в результате этого места повреждения не видны даже при внимательном осмотре. На рис.7 показан ложного бринеллирования. Ложное бринеллирование, есть результат сильных вибраций машины в нерабочем состоянии. Иногда это происходит при транспортировке. Также на это влияет вибрации других, близко расположенных машин. Подобной проблемы можно избежать, обеспечивая правильное закрепление транспортируемых валов с подшипниками и изолируя машину от соседних вибрирующих агрегатов, используя для этого раздельные фундаменты или виброопоры.
Ложное бринеллирование. Отпечатки на дорожке качения за счет передачи монтажного усилия через тела качения.
Повреждения электротоком. Точечный питтинг (сваривание) в результате электрического сваривания часто имеет регулярный характер на поверхностях элементов качения и на дорожке качения. Он возникает в результате прохождения через подшипник электрического тока. На рис.8 показаны дорожки подшипника. Электрический ток может вызвать также и случайное выкрашивание.Наиболее распространенными причинами электроповреждений является статическое электричество, создаваемое ремнями транспортера и токами сварочных аппаратов. Поэтому транспортеры должны быть снабжены заземляющими лентами, а сварочное оборудование необходимо заземлять.
Питтинг поверхности дорожек качения из-за прохождения сильного тока. Кратеры на шариках вызванные электротоком.
Адгезивный износ: возникает в результате перемещения металла с одной поверхности на другую. Адгезия в том виде, как они показаны на рис.9, вызвана проскальзыванием из-за перегрузки подшипника и недостаточной смазки. Адгезия на торцах цилиндрических роликов может возникать из-за увеличенной осевой нагрузки на подшипник. Также это может быть следствием неправильной сборки подшипника или недостаточной смазки
Адгезия на телах и дорожках качения из-за недостаточной смазки.
Выбоины поверхности: пример показан на рис.10. Этот вид повреждения подшипников напоминает бринеллирование, т.к. выбоины скорей являются результатом пластических деформаций, чем износа. Тем не менее, они возникают при повреждении поверхности (царапины, истирание мелкими посторонними частицами, которые являются результатом износа или попадают в подшипник при его работе). Тела качения при вращении захватывают посторонние частицы, попадающие в подшипник. Эти частицы, попав на дорожку качения оставляют случайные насечки, в районе которых возникает концентрация напряжений и разрывы масляной пленки, что приводи к усталостному выкрашиванию металла и появлению выбоин.Вероятность возникновения выбоин уменьшается при использовании хороших уплотнений и частой смазки подшипников, которая вымывает различные посторонние частицы.
Выбоины, глубокие царапины, вызванные попаданием посторонних частиц в подшипник.
Повреждения при сборке: На рис.11 показан один из видов подобных повреждений. В этом примере наружное кольцо было неправильно установлено; и когда подшипник был собран, ролики оставили вмятины на дорожках качения.
Повреждение подшипника при сборке из-за недостаточного опыта сборки.
Перегрев: На рис.12 представлен пример повреждения подшипника (изменение его геометрии) в результате перегрева и нагрузки. Обычно такие повреждения связаны с полным отказом подшипника. Перегрев часто обусловлен недостаточной смазкой, трением наружного кольца о вращающийся вал, излишним обжимом наружного кольца при установки в корпус машины или слишком (высокой) частотой вращения вала. В отдельных случаях перегрев подшипника может быть обусловлен внешним источником, таким как термическая печь.
Обесцвечивание и повреждение металла, вызванное плохой смазкой и перегревом.
Несоосность колец: Основной причиной повреждения подшипника, показанного на рис.13 является несоосность колец, которая привела к фреттинг-коррозии и выкрашиванию. Несоосность ведет к высоким осевым нагрузкам, вызывающим усталостное разрушение и сильные сколы поверхности.
Повреждения подшипника из-за несоосности колец:
a) несоосность наружного кольца относительно вала;
б) несоосность вала относительно корпуса подшипника.
Разрушение из-за дисбаланса: Дисбаланс ротора дает значительную вибрационную нагрузку на подшипник. Когда дисбаланс слишком велик, повреждения подшипника имеют вид, показанный на рис.14. Иногда такое повреждение можно обнаружить только в одном месте на внутреннем кольце. Для уменьшения дисбаланса минимально необходимым является балансировка отдельных частей ротора с максимально возможной точностью, особенно при работе на высоких скоростях.
Повреждения дорожки качения от избыточного дисбаланса ротора
Раскалывание, раздробление деталей: Причиной является большая перегрузка подшипника. На рис.15 показан типичный пример такого раскалывания. Как видно из рассмотрения рисунка, область усталостного выкрашивания на внутреннем кольце охватывает всю ширину кольца, а сепаратор разбит на кусочки из-за поперечных трещин в каждом гнезде шарика.
Повреждение сепаратора: Повреждения сепаратора, подобные показанному на рис.16, проявляются в образовании в нем трещин и его разрушении. Это в свою очередь ведет к быстрому выходу из строя подшипника в целом при этом затушевывается тот факт, что первопричиной этого был сепаратор. Чаще всего причиной выхода из строя сепаратора является его изгиб, возникающий при движении шариков по взаимно пересекающимся путям из-за несоосности. Также повреждение сепаратора может быть вызвано неправильной сборкой, загрязнением или редким смазыванием подшипника.
Источник
Повреждения подшипников качения и их причины |Часть-2
Рисунки 1-4. Раковины усталости. Стадии развития
О чем говорят следы качения
У работающих под нагрузкой опорных узлов на дорожках присутствуют хорошо различимые матовые следы качения. Эти следы, показывающие, что изделие используется, не считаются у механиков следами износа, влияющими на эксплуатационные качества изделия. Матовая поверхность может иметь разную форму – это зависит от условий работы, направления нагрузки и ее величины. Исследование таких следов позволяет делать довольно точные выводы о том, в каких условиях использовался подшипник. Такой анализ выполняется с учетом накопленной годами информации о следах качения, оставленных в различных условиях эксплуатации.
Проблема подшипника может быть точно определена по состоянию следов качения. Осмотр поверхностей дорожек является важным этапом диагностики опорных элементов, поврежденных в процессе использования. Мы собрали данные о разных типах следов и описали причины, вызвавшие их образование. Анализ проводился на основе радиальных и упорных подшипников, но описанные ниже признаки являются общими и для других моделей и типов.
Виды повреждения подшипников
По картине характерных повреждений элементов подшипника специалист без особого труда определит причины их появления. Повреждения делятся на первичные, возникшие непосредственно под действием неблагоприятных факторов, и вторичные, являющиеся их следствием. К вторичным повреждениям, вызывающим выход опорных узлов из строя, относят раковины усталости или как их называют питтинг, а также трещины, непосредственно разрушающие подшипник. Но важно помнить, что и первичные повреждения могут приводить к поломке детали. В качестве примера можно назвать износ и, как следствие, слишком большой зазор, вызывающий вибрации и гул при работе узла вращения.
Чаще всего при исследовании неисправного подшипника обнаруживают комплекс первичных и вторичных дефектов. Классифицировать их принято следующим образом:
• Очаги коррозии;
• Следы износа;
• Задиры на рабочих поверхностях;
• Разрушения поверхностей;
• Вмятины и выбоины;
• Дефекты от электрических разрядов.
Список вторичных повреждений более скромен, но и дефекты в нем очень серьезные:
• Трещины;
• Раковины усталости материала.
Все эти проявления износа должны внимательно исследоваться при обслуживании механизма, а особенно при замене вышедшей из строя опорной детали.
Износ подшипника
Если подшипник качения работает в нормальном режиме, то такого явления как износ в нем не наблюдается. Это негативное явление характерно для случаев, когда в узле не хватает смазочного материала или если на рабочие поверхности попали инородные твердые частицы. Еще одна частая причина износа, о которой стоит упомянуть – это вибрации подшипника в нерабочем состоянии.
Абразивные частицы
Имеющие небольшой размер абразивные частицы, такие как продукты износа материала, находясь внутри опорного элемента повреждают все его детали: дорожки качения, расположенные на кольцах, тела качения и даже сепараторы. Определить негативное воздействие этих частиц на поверхность можно по ее матовому цвету. В том случае, если эти частицы являются продуктами разрушения латунного сепаратора, то они могут придать зеленый оттенок смазочному материалу.
Чем больше изнашиваются сепараторы и кольца, тем больше абразивных частиц находится в подшипнике. Процесс этот не прекращается и заканчивается, как правило, полным выходом узла из строя. При относительно небольшом износе применение деталей допускается нормами, но перед дальнейшей эксплуатацией их очищают от старой смазки, тщательно промывают и снова смазывают в соответствии с требованиями производителя.
Могут попасть в подшипник опасные для него частицы и извне. Обычно они проникают через некачественные или не соответствующие условиям эксплуатации уплотнения. Еще два пути для абразивов – загрязненная смазка или небрежность работников при сборке или установке узла.
Типичной картиной повреждения являются вмятины на дорожках и телах качения, а также матовая их поверхность. Часто пластичная смазка при этом приобретает темный цвет. Основными причинами такого состояния детали являются недостаточное соблюдение чистоты при монтаже и использование уплотнений с низкими защитными качествами.
Профилактика в этом случае очень проста и не требует приложения особых усилий. В первую очередь нужно содержать рабочее место и инструменты в чистоте. Вторым моментом является поддержание в чистом виде используемого смазочного материала. При возникновении сомнений в чистоте масла, рекомендуется выполнить его фильтрацию. Третье мероприятие, помогающее избежать таких повреждений подшипника – это проверка уплотнительных элементов и, при необходимости, их замена на новые.
Нехватка смазочного материала
Если смазки внутри подшипника недостаточно, то устойчивая пленка на поверхности образоваться не может. Второй причиной того, что смазка не выполняет свои функции, может быть утрата ею своих эксплуатационных характеристик. В этом случае часто возникает непосредственный контакт между металлическими поверхностями тел качения, дорожек и сепараторов. Начальная стадия может быть схожей с процессом притирания частей подшипника. Во время работы узла стираются и срезаются мелкие шероховатости. В это же время проявляется эффект прикатывания частей, из-за которого поверхность полируется и становится зеркальной.
После того как смазка полностью исчезает, в процессе работы узла повышается температура. Специальная сталь из которой изготовлен подшипник постепенно изменяет свои свойства, теряя твердость. На поверхности элементов в этом случае появляется «цвет побежалости», который, в зависимости от марки стали и температуры, может быть коричневым или голубым. Температура может повыситься настолько, что подшипник заклинивает и полностью перестает выполнять свои функции.
Чтобы избежать этой проблемы необходимо следить за подачей смазки в подшипник, если она автоматизирована или уменьшить интервалы между смазываниями, если внесение материала происходит вручную.
Износ из-за вибраций
Когда подшипник стоит, то пленка из смазочного материала между телами качения и дорожками не возникает. Между деталями узла появляется опасный для него металлический контакт. Если в этот момент на подшипник начинает действовать вибрация, то возникают перемещения элементов с небольшой амплитудой, со временем вызывающие появление в металле углублений. Эти повреждения имеют особое название у специалистов — «ложное бринеллирование» или проще — «стиральнаядоска». При этом повреждения в разных типах подшипников отличаются – шарики оставляют на дорожках вмятины, а ролики – борозды.
Часто такой тип износа сопровождается коррозией в местах повреждений, что связано с тем, что отделяемые при взаимодействии деталей частицы постепенно окисляются. Чаще всего при «ложномбринеллировании» сами тела качения не получают повреждений и остаются в отличном рабочем состоянии.
Размеры повреждений и скорость их появления при вибрациях напрямую зависят от энергии воздействия на подшипник, а также от времени негативного воздействия и размеров зазора в подшипнике. При этом частота колебаний не оказывает на этот процесс какого-либо влияния. Отдельно стоит отметить, что роликовые подшипники более чувствительны к вибрациям, чем шариковые, а самыми уязвимыми считаются цилиндрические роликовые узлы.
«Ложное бринеллирование» — это характерная черта подшипников, установленных в машинах, работающих с перерывами, но расположенными в зоне эксплуатации других машин и механизмов. Также это явление можно обнаружить на опорных узлах машин, перевозившихся железнодорожным транспортом. Если есть риск подобного воздействия на машину, то конструкторам рекомендуют снижать эффект от вибрационного воздействия, используя вместо роликовых, менее подверженные «ложному бринеллированию» шариковые детали.
Чтобы максимально снизить воздействие вибраций на неработающий шариковый подшипник, иногда создают в нем при помощи пружин предварительный натяг. Еще одной эффективной защитной мерой является погружение подшипников нагруженной зоной в ванну с маслом. Но наиболее доступным и поэтому самым популярным методом является применение специальных амортизирующих опор. При транспортировке иногда временно закрепляют валы, исключая их смещения на опорных узлах.
Вмятины
На дорожках колец и телах качения могут появляться вмятины. Обычно причина этих повреждений заключается в передаче усилий при монтаже через тела качения, непосредственно на дорожки колец. Еще одна причина – приложение значительной силы к подшипнику, находящемуся в состоянии покоя. Менее распространенный случай – это появление на поверхностях углублений, вызванных инородными частицами, попавшими в подшипник.
Обычно расстояние между двумя вмятинами, расположенными по соседству, равно расстоянию между соседствующими друг с другом шариками или роликами. Сферические подшипники чаще, чем опоры других типов, подвержены таким повреждениям в процессе монтажа. Первой стадией при воздействии нагрузки в неподвижном состоянии становятся задиры и лишь потом они развиваются в полноценные вмятины, если нагрузка продолжает усиливаться.
Подвержены появлению вмятин при монтаже и конические подшипники. Чтобы избежать повреждений, при монтаже их рекомендуют постоянно проворачивать. Чрезмерный натяг также может стать причиной повреждений, поэтому при установке упорных подшипников рекомендуется проявлять максимальную аккуратность. Если подшипник поставляется с документацией, как часто бывает с продукцией компании SKF, то соблюдение приведенных в ней рекомендаций по монтажу позволит избежать повреждений такого характера.
Вмятины, появляющиеся из-за посторонних частиц
Посторонние частицы, например металлические стружки, попав в подшипник, вызывают появление вмятин. Это происходит потому, что при работе узла тела качения «закатывают» стружку в поверхность дорожки качения. Наибольшую опасность представляют в этом плане твердые частицы, но опыт показывает, что и мягкими пренебрегать не стоит. Даже бумага и волокна ткани способны в некоторых случаях стать причинами появления вмятин. Узнать повреждения, полученные из-за проникновения в рабочую зону инородных частиц совсем несложно – они, как правило, относительно небольшие и равномерно распределены по всей площади дорожек качения.
Хороший способ избежать подобных неприятностей – это соблюдение чистоты при сборке и установке опорной детали. Кроме этого стоит обращать внимание на качество смазочного материала, а также на целостность и плотное прилегание уплотнений подшипника.
Задиры
Такие распространенные повреждения подшипников как задиры, являются следствием недостаточного смазывания поверхностей. При скольжении двух элементов относительно друг друга под нагрузкой и без смазки, неизбежно происходит перенос частиц материала с одной поверхности на другую. Именно это явление в механике и называют задирами. Поверхности при таком типе повреждений выглядят шершавыми. Но не это самое опасное в таком случае. Дело в том, что образование задир сопровождается повышением температуры материала, а этот процесс вызывает отпуск металла, который крайне нежелателен в случае с элементами подшипника. Местная концентрация напряжений при отпуске становится причиной образования трещин в материале.
Задиры на торцах роликовых тел качения и бортах
Подшипники цилиндрического и конического типа, а также сферические узлы, имеющие направляющие бортики, подвержены появлению задиров на торцах тел качения и на направляющих поверхностях. Обычно причиной повреждения является нехватка смазочного материала в местах контакта торцов и направляющих бортов. Но иногда роликоподшипник получает задиры и при особенно больших осевых нагрузках, что бывает, когда коническую опору монтируют с предварительным натягом особенно большой величины.
Гораздо меньше подвержены появлению задир опорные подшипники с осевой нагрузкой, изменяющей свое направление в ходе работы механизма. Это связано с тем, что при таком режиме работы детали на поверхность, которая оказалась без нагрузки, поступает смазочный материал.
Борьба с этим явлением заключается в правильном подборе смазки и контролем за ее количеством в работающем подшипнике.
Задиры на поверхностях роликов и дорожек
В некоторых случаях задиры могут возникать и на поверхностях качения роликов и дорожек колец. Это типичный случай для деталей цилиндрического и сферического типа. Появляются эти повреждения при торможении роликов в зоне, где отсутствует рабочая нагрузка. При этом возникают условия, при которых кольца не могут вести тела качения из-за отсутствия сил трения. Но при резком входе в нагруженную зону тела получают такое большое ускорение, что пробуксовывают на месте, порождая в местах контакта с кольцами зоны с задирами.
Такие задиры выглядят как шероховатые или неравномерно окрашенные зоны на поверхностях деталей подшипников. Избежать повреждений такого плана можно используя опорный узел с меньшим зазором и тщательно подбирая смазочные материалы в соответствии с условиями эксплуатации узла вращения.
Коррозия
Если на подшипник воздействует вода или агрессивная среда, то их основной защитой является слой смазки. Если материала на поверхности элементов изделия недостаточно, то на ней появляются очаги коррозии. Коррозия может быть глубокой – «щелевой», а также контактной, или как ее называют фреттинг-коррозия.
Глубокая коррозия
Глубокая коррозия вызывает разрушение материала подшипника, с постепенным образованием опасных для детали трещин. Особенно высокий уровень опасности для детали создают соляные растворы, в том числе морская вода.
Коррозия глубокого типа выглядит как серо-черные полоски, расположены поперек колец подшипника на его дорожках. Возможна также сквозная коррозия, которая типична для случаев, когда агрессивный фактор действует продолжительное время. Защитить от коррозии этого типа смогут эффективные уплотнения, а также специальные смазки с ярко выраженными антикоррозийными характеристиками.
Фреттинг-коррозия
Контактная, или фреттинг-коррозия – это повреждения, которые возникают из-за относительного движения деталей подшипника в местах контакта кольца с посадочным местом на валу или оси. При активном развитии такой коррозии она может очень глубоко проникнуть в материал кольца и вызвать его разрушение.
При контакте поверхностей отделяются мельчайшие частицы материала, интенсивно окисляющиеся под действием воздуха. В результате образуется слой контактной ржавчины, которая постепенно прогрессирует и портит поверхность. Фреттинг-коррозия нарушает плотное прилегание кольца к валу, что негативно действует на распределение сил внутри опорной детали при ее работе. Дополнительно эти мелкие частицы наносят повреждения поверхностям качения, действуя как абразивный материал.
Источник