Повреди и дълготрайност на търкалящи лагери

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2013

Търкалящите лагери са сред най-използваните машинни елементи с общо предназначение. Според посоката на възприеманото натоварване те биват радиални, аксиални и радиално-аксиални (комбинирани), а според формата на търкалящите тела – сачмени, ролкови и иглени. Обикновено сачмените лагери се препоръчват при работа с ниски и средни натоварвания, а ролковите - при тежки натоварвания. При зададени експлоатационни условия изборът на неподходящ лагер е причина за намаляване на неговата дълготрайност, а от там – и на работоспособността на машината. При повреди на лагерите се получават аварийни престои на машините, което води до намаляване на производителността им и до големи загуби, особено в енергетиката и непрекъснатите производства.

В поредица от статии в списание Инженеринг ревю подробно са разглеждани диагностиката на демонтирани търкалящи лагери и анализът на повредите, които се наблюдават върху контактните повърхности на търкалящите тела и лагерните гривни (т. нар. „пътища на търкаляне”) върху самите търкалящи тела и лагерни гривни и върху сепаратора както при нормална, така и при неправилна експлоатация на лагера. В настоящия брой ще се спрем на влиянието на условията на работа и повредите на лагерите, върху тяхната дълготрайност. Добре е да се има предвид, че високото качество на лагерите не е гаранция за надеждната им работа. При избора на лагер е необходимо да бъдат отчетени и други фактори като доброто мазане, влиянието на околната среда, качеството на монтажа и правилното техническо обслужване.

Качество на лагерите
Търкалящите лагери са масово изделие, като фирмите производителки гарантират тяхното качество чрез избор на подходящ материал за лагерните гривни и търкалящите тела, технология на изработване, точност на елементите, монтаж и контрол на готовите изделия.

За изработване на лагерните гривни и търкалящите тела се използват предимно специални лагерни високовъглеродни хромови стомани с висока якост, а също и цементуеми легирани стомани, които се подлагат на термична обработка до голяма твърдост обикновено в диапазона HRC = 61 до 66.

За гривните на хибридните лагери се използват конвенционални лагерни стомани, от вакуумно обезгазена хромова стомана 100Cr6 или от стомана CHROMEX40, която позволява работа при температури до 260 °С. За търкалящите тела от керамика се използва специално създаден за лагери силициев нитрид (Si3N4). Тези лагери имат по-висока дълготрайност на износване и по-голяма устойчивост срещу корозия.

Сепараторите се щамповат от нисковъглеродна листова стомана, но в специални случаи се изработват масивни от месинг, бронз, леки сплави или от пластмаси. Всички тези особености се кодират в условното означение на лагерите, показано във фирмените каталози.

Повреди при търкалящи лагери
В зависимост от натоварването и условията на работа търкалящите лагери получават най-различни повреди, които в стандартите, във фирмената и техническата литература са описани и се дават във вид на таблици или фотоси, като се определят и евентуалните причини за възникването им. Основни причини за загубване на работоспособността на търкалящите лагери са:
Умора. При въртенето на лагерните гривни материалът на пътищата на търкаляне и на търкалящите тела е подложен на продължително пулсиращо натоварване, което довежда до появата на умора. Това е причината в тези елементи да се получават и повреди вследствие умората на материала. Тези повреди могат да се проявят като обемни - това са разрушения от умора, като в елементите на лагера се получават откъртвания, пукнатини и счупвания. Добре е да се има предвид, че пукнатини и счупвания, освен от умора, могат да се получат и от ударно претоварване, от дефекти на материала, от нанасяне на силни удари при монтаж непосредствено върху гривните, при недопустима овалност на шийката на вала, при което гривната не контактува по цялата си повърхност.

В повечето случаи обаче повредите от умора на материала, които се проявяват върху търкалящите тела или пътищата на търкаляне на гривните, са в резултат на повърхностна умора. Това са повреди от вида: лющене, питинг, отслояване, микропитинг и др.

Питингът е основна повреда на търкалящите лагери. Той възниква само при обилно мазане от действието на циклични контактни напрежения и се проявява като малки разпръснати ямички (шупли, вдлъбнатини) с тъмно дъно върху работната повърхност. Възниква след продължителна работа при нормални условия и причинява повишен шум и вибрации в лагера, с което го прави неработоспособен.

Абразивно износване - наблюдава се при недобра защита от абразивни частици (прах) поради лошо уплътнение на лагерния възел. Най-честа повреда на лагерите на автомобили, трактори, строителни, минни и др. подобни машини.

Разрушаване на сепаратора - често срещана повреда, особено за лагери с висока честота на въртене.

Пластична деформация на пътищата на търкаляне на гривните или търкалящите тела във вид на ямички. Възниква при тежки ударни натоварвания на лагера, при статично претоварване или при силни вибрации, когато лагерът не се върти, при монтаж на лагера и набиване на гривните с много голяма стегнатост. Ямички, които са равномерно разположени по пътищата на търкаляне, се получават при преминаване на постоянен електрически ток през лагера (електрически машини, букси на електролокомотиви и трамваи).

Задиране по работните повърхнини - получава се при тежко натоварени лагери и недостатъчно мазане, както и при много малки хлабини вследствие на неправилен монтаж или при попадане на чужди тела в лагера.

Пукнатини на гривните и търкалящите тела - получават се при ударни и вибрационни претоварвания, неправилен монтаж, който предизвиква несъосност и заклинване на гривните, а също и при силни удари, както и при дефекти в материала на елементите.

Дълготрайност на търкалящи лагери
Общоприетият термин дълготрайност на търкалящите лагери (bearing life), съгласно стандартите на ISO, DIN и БДС може да се определи като брой на завъртанията (оборотите) на вътрешната гривна (при условие, че външната гривна на лагера е приета за стационарна), или брой часове при стандартна ъглова скорост до първата проява на повърхностна умора. При идеални условия повърхностната умора представлява питинг по контактните повърхнини, чрез които се предава натоварването на лагера.

Като надеждност за група еднакви търкалящи лагери, работещи в еднакви условия, се определя процентът на лагерите от дадената група, за които се предполага достигане или превишаване на определена дълготрайност.

За отделен търкалящ лагер това е вероятността лагерът да достигне или превиши определена дълготрайност.

Терминът основна дълготрайност (basic rating life) се използва от повечето производители и е стандартизиран от ISO и БДС ISO 281. Определя се за група идентични лагери от най-често използваните лагерни стомани и качество на изработка и при нормални работни условия и се дефинира като дълготрайност в милиони обороти (или часове при постоянна скорост), при което 90% от лагерите в групата достигат или превишават дълготрайността без видима проява на контактна умора. За критерий е приет питинг с размер на ямичките не повече от 0,01 in2 или 0,025 mm2 . Основната дълготрайност по ISO 281 се означава с L10 .

Критерии за работоспособност
Лагерът се счита за работоспособен до появата на първата повреда. Тя може да настъпи за кратко време на експлоатация вследствие претоварване, неправилен монтаж, лошо мазане и т. н., но обикновено настъпва след определен брой завъртания при зададени работни условия (динамично натоварване). В резултат на разгледаните по-горе причини могат да настъпят повреди (обикновено пластична деформация) и да излязат от строя и лагери, работещи при много ниски скорости на относително завъртане на гривните (статично натоварване). Съвременната методика за избор на търкалящи лагери се базира на два основни критерия: изчисляване на статичната товароносимост и изчисляване на дълготрайността на лагера (динамичната товароносимост). Съответно, при конструиране търкалящите лагери се избират по каталог и изчислението им се свежда до избор на стандартен лагер с дадена статична товароносимост и дълготрайност при зададени условия на работа.

Лагерът се избира само по статична товароносимост, когато не се върти или се върти много бавно с честота n = 1min-1. Такива случаи се срещат при крикове, кранове и други нискоскоростни механизми. Работоспособността на лагера се определя от допустимата статична товароносимост, която се изчислява по БДС ISO 76-1996. Необходимо е статичната товароносимост да бъде отчетена и когато въртящият се (динамично натоварен) лагер е подложен и на кратковременни ударни претоварвания.

Като основна статична (радиална или аксиална) товароносимост Со се определя статичното (радиално или аксиално) натоварване, което съответства на определено контактно напрежение (по Herz) в центъра на най-натоварената зона на контакт между търкалящото тяло и пътя на търкаляне от:
- 4600 МРа за сферични сачмени лагери;
- 4200 МРа за всички други видове радиални и радиално-аксиални, както и за аксиалните и аксиално-радиалните сачмени лагери;
- 4000 МРа за аксиални и аксиално-радиални ролкови лагери.

При тези контактни напрежения общата остатъчна деформация в търкалящото тяло и пътя на търкаляне е приблизително 0,0001 от диаметъра на това тяло, което се приема като допустимо за нормалната работа на лагера.

Стойностите на СO (в N или kN) за всеки конкретен типоразмер търкалящ лагер могат да се определят по формули, дадени в БДС ISO 76, като същите са дадени и в продуктовите каталози (СO кат).

Изборът на търкалящ лагер по статична товароносимост се извършва по зависимостта СO = SOPO = СO кат, където SO е статичният коефициент на сигурност, въз основа на експлоатационен опит се приема SO =1 до 2,5, а PO е еквивалентното статично натоварване.

За радиални и радиално-аксиални сачмени лагери PO е по-голямата от двете стойности, изчислени по формулите: PO = Fr и PO = XOFr + YOFa , където Fr и Fa са зададените (изчислени) стойности на радиалното и аксиалното натоварване; XO и YO са коефициентите на радиално и на аксиално натоварване, чиито стойности са дадени в цитирания по-горе стандарт и в каталозите (например за едноредни и двуредни сачмени лагери XO = 0,6; YO = 0,5).

За аксиални сачмени лагери еквивалентното статично аксиално натоварване е PO = Fа.
По динамична товароносимост лагерите се избират съгласно БДС ISO 281 - 1999 по зададена дълготрайност, когато подвижната лагерна гривна се върти с честота n >10 min-1. В този случай се взимат предвид основната динамична (радиална или аксиална) товароносимост Сr или Ca (в N или kN), която е постоянното по големина и посока (радиално или аксиално) натоварване, което търкалящият лагер може теоретично да поеме при основна дълготрайност, равна на един милион завъртания (обороти), т. е. L10 = 1. Стойностите на Сr или Ca са дадени в каталозите (Cкат) за всеки вид и типоразмер лагер.

Друг основен параметър е еквивалентното динамично (радиално или аксиално) натоварване Р, което е постоянното по големина и посока (радиално или аксиално) натоварване, под действието на което търкалящият лагер трябва да има такава дълготрайност, каквато той достига в условията на действителното натоварване.

Еквивалентното динамично радиално натоварване Pr за радиални и радиално-аксиални сачмени лагери се определя от зависимостта Pr = XFr + YFa, където Х и Y са коефициентите на динамично радиално и аксиално натоварване. Те зависят от типа на лагера и отношението Fa /Fr на аксиалното към радиалното натоварване. Избират се от таблици в стандарта или каталозите.

Еквивалентното динамично аксиално натоварване за аксиални лагери е Pa = Fa.

Основните зависимости, които свързват горните параметри, са вследствие на продължителни експерименти и се дават с формулите:
- за радиални и радиално-аксиални сачмени лагери L10 = (Cr/Pr)3
- за радиални и радиално-аксиални ролкови лагери L10 = (Cr/Pr)10/3
- за аксиални и аксиално-радиални ролкови лагери L10 = (Ca/Pa)10/3 .

Горните зависимости представляват уравнението на наклонената част на кривата на умора за материала на лагерните елементи, като се отчитат и други фактори, например нормални условия на мазане (с разпръскване на масло или с грес).

Добре е да се има предвид, че изчисляването по основна дълготрайност е вероятностно и гарантира работа без повреди на 90% от всички изпитвани лагери (най-малко 30 броя от даден типоразмер), т. е. 10% от лагерите могат да получат повреди преди необходимата (изчислената) дълготрайност. Действителната средна дълготрайност е 3 до 5 пъти по-голяма от изчислителната, така че по-голямата част от лагерите имат значително по-голям ресурс от гарантирания. Фактът, че 10% от лагерите могат да се повредят преди гарантирания срок на работа, не е от съществено значение за общото машиностроене.

При определен тип на лагера, неговия типоразмер по динамична товароносимост се избира при изчисление на С с използване на горните зависимости и спазване на условието: С (по изчисление) Ј Скат (номинално, по каталог).

Възможно е и предварително, например по конструктивни или други съображения, да се избере видът и типоразмерът на лагера (т. е. известни са Р и Скат ) и се изчисли L10, като получената стойност се сравнява с необходимия ресурс на лагера.

Коригирана дълготрайност
Ако условията на работа на лагера се различават от нормалните или 90-процентната му надеждност не е приемлива (енергетика, летателни апарати и др.) в ISO и БДС ISO и други стандарти (AFBMA, ГОСТ) понятието основна дълготрайност се разширява, като за избор на лагера се използва коригираната основна дълготрайност.

Като коригирана основна дълготрайност Lna се определя дълготрайността, получена чрез коригиране на основната дълготрайност при зададена надеждност с отчитане на специални характеристики на лагера и специфични работни условия. Изчислява се по ISO, като индексът n представлява разликата между изчислителната и стопроцентовата надеждност: Lna = a1a2a3L10 , където: a1 е коефициентът за надеждността; a2 - поправъчен коефициент за материала; a3 - поправъчен коефициент за условията на работа.

 При конвенционален материал, за елементите на лагера и нормални условия на работа, дълготрайността му зависи от необходимата надеждност, като стойностите на коефициента a1 могат да се отчетат от таблица 1. Вижда се, че ако се избира лагер с 99% надеждност, основната му дълготрайност намалява почти 5 пъти.

Стандартите дават право на производителя да специфицира коефициентите а2 и а3. Някои фирми въвеждат комбиниран коефициент  а23 = а2а3. В научни публикации и фирмени каталози се предлага коригираната дълготрайност на всеки отделен лагер да зависи от множество влияещи фактори като работната температура, вид и дълготрайност на смазката, околна среда и ниво на замърсяване, точност на монтаж, зона на натоварване, продължителност на работа при ниско натоварване на лагера и други. Тези фактори се отчитат с редица коефициенти, които оказват допълнително влияние върху коригираната дълготрайност.

Например, при повишаване на работната температура динамичната товароносимост С на лагера намалява, което се отчита чрез умножаване на номиналната стойност Скат с температурния коефициент kT. По фирмени данни стойностите му могат да се отчетат от таблица 2.

Наличието на частици (замърсяване) в смазката намалява дълготрайността на контактуващите повърхнини, тъй като създават условия за концентрация на напреженията, когато търкалящите тела преминават през зоната на натоварване. Стандартите на ISO препоръчват този коефициент да бъде равен на 1, когато големината на частиците е по-малка от 40 mm и замърсеността е приблизително 15/12 по ISO.

Натоварването на елементите на лагера, а оттам и възникването на повреди, зависи също и от хлабината при монтажа на лагера. Доказано е, че при лагери, монтирани към вала с по-голяма хлабина, натоварването на външната гривна и на търкалящите се тела е по-голямо от това на подобни лагери, монтирани без хлабина.

При работата на лагера при ниско натоварване изследванията на повечето производители показват, че дълготрайността на умора на лагера се увеличава значително при намаляване на натоварването. За определянето на влиянието на този фактор различните производители предлагат използването на компютърни програми или графики.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top