Диагностика на търкалящи лагери

Върху контактните повърхнини на елементите на демонтирани търкалящи лагери често се наблюдават повреди, възникването на които се дължи на най-различни причини. Например, при замърсяване с голям брой твърди частици се получават многобройни малки вдлъбнатини, които са равномерно разпределени по обиколката на гривните. Резултатът е увеличена интензивност на абразивното износване на елементите на лагера. Този вид повреди са обект на анализа на следите от износване по пътищата на търкаляне на гривните и бяха описани в предишния брой на сп. Инженеринг ревю. В настоящата статия се разглеждат основно повреди, които са локализирани върху лагерните гривни и се дължат на умора на материала.

Видове повреди от умора на материала

При въртенето на лагера материалът, от който са изработени пътищата на търкаляне и търкалящите тела, е подложен на продължително пулсиращо натоварване, което води до появата на умора. Това е причината в тези елементи да се получават и повреди вследствие на умората на материала. Повредите биха могли да са с обемен характер - това са разрушения от умора, подобни на тези, които се получават при машинни части, подложени на променливи огъващи натоварвания (например валове и зъби на зъбни колела). В този случай върху елементите на лагера се наблюдават откъртвания, пукнатини и счупвания. Трябва 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 овалност на шийката на вала, в резултат на която гривната не контактува по цялата си повърхност.

В повечето случаи повредите вследствие на умора на материала при търкалящите лагери се проявяват успоредно на контактните повърхности и са в резултат от повърхностна умора. Това са повреди от вида лющене, питинг, отслояване, микропитинг и др. Следва да се има предвид, че питингът 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.

Повреди вследствие класическа умора

Дори и при най-благоприятни условия на работа на лагера, т.е. при наличието на хидродинамичен стабилен маслен филм, абсолютна чистота и оптимална температура, въртящите се елементи на лагера могат да получат повреди от умора, в зависимост от външното натоварване. Издръжливостта на лагера е гарантирана, ако статичният коефициент на сигурност fs отговаря на условието: fs =Co/Po = 8, където Cо е основна статична товароносимост на лагера по БДС ISO 76, а Ро е еквивалентното статично натоварване.

Когато натоварването е по-голямо, т.е. при по-малки стойности на fs, повреди от умора биха могли да се очакват след сравнително дълъг период на работа на лагера.

Повреди вследствие на класическа умора на материала с пукнатини, зараждащи се под повърхността, се наблюдават рядко. Значително по-често повредите от умора са в резултат на неправилно смазване или уплътняване на лагера. Те започват по повърхността на елементите, които контактуват при въртенето. Получаването на повърхностни повреди от умора, като лющене, питинг, отслояване, в ограничени зони от контактните повърхнини се дължат на умора на материала след нормалния срок на работа на лагера. Ако експлоатацията на такъв лагер своевременно не се преустанови, повредите бързо прогресират. В случай че тези повреди се намират в напреднал стадий, причините за тяхното възникване се определят много трудно.

Появата на локални пукнатини под повърхността на пътищата на търкаляне на гривните и на търкалящите тела, включително откъртване (отслояване) на материала, т.е. сравнително дълбок питинг, както и неповредени зони по тези повърхности са показател за правилна работа и добро смазване в ранния стадий на повредата. Увеличаването на броя на ямичките (вдлъбнатините) върху контактните повърхнини на елементите в течение на времето може да се види на фигури 1, 2 и 3, на които е показано развитието на уморната повреда върху пътя на търкаляне на вътрешната гривна.

Умора в резултат от замър-сяване с чужди частици

При голямо замърсяване на лагера с чужди частици, неговата дълготрайност би могла значително да се намали вследствие на умората на материала (фиг. 4). При определени условия на експлоатация, вредата от повредите, причинени от чужди частици, зависи от тяхната твърдост, размер и количество, а също и от размера на лагера. Замърсяванията оказват значително по-голямо влияние върху умората на сачмените лагери в сравнение с ролковите лагери. Също така, лагери с по-малки размери на търкалящите тела са по-чувствителни от тези с по-големи размери. Негативно влияние върху умората оказва натрупването на материал, особено в местата, в които са концентрирани вдлъбнатините от чуждите частици. Под действие на цикличното изменение на натоварването при въртене, именно в тези места се зараждат първите уморни пукнатини.

Повредите от умора в резултат от замърсяване с чужди частици се изразяват в отслояване на материала, V-образно разрастване зад вдлъбнатината от чуждата частица в посоката на въртене (става въпрос за т.нар. V- питинг, показан на фиг. 5.). Причините за появата на тази повреди са нарушената цялост на пътищата на търкаляне във вид на вдлъбнатини от твърди частици - замърсявания с леярски пясък, стружки, абразивни частици, които са особено опасни.

За предпазване от описаните повреди се препоръчва предприемането на следните мероприятия:

Умора вследствие на статично претоварване

При неправилен контакт между гривните и търкалящите тела, в определено сечение на гривните се получава високо статично претоварване и се образуват вдлъбнатини във вид на околовръстни канали. Ръбовете на тези канали се явяват концентратори на напреженията и при въртенето на лагера се получава умора на материала, по подобие с умората в резултат от замърсяване с чужди частици.

В началния стадий на повредата се наблюдават равномерни гладки вдлъбнатини (канали) върху гривните, като обикновено те са асиметрични спрямо центъра на пътищата на търкаляне. На това място могат да се очакват счупвания, често само по част от обиколката на канала, а понякога само върху едната гривна.

Причините за появата на тази повреда са концентрация на натоварването вследствие на неправилен контакт между елементите на лагера в съчетание с високо статично претоварване, ударно въздействие, неправилен монтаж със сила, приложена чрез търкалящите тела.

За предпазване от появата на описаните повреди се препоръчва изпълнението на следните мероприятия:

Умора при неправилен монтаж

На фиг. 6 може да се види повреда вследствие на умора, намираща се близо до тясната част на стъпалото на вътрешната гривна, извън пътя на търкаляне на сачмен лагер с ъглов контакт. Този тип радиално-аксиални лагери изискват субективно регулиране на осовата хлабина при монтаж.

Причините, водещи до появата на подобна повреда, са неправилно регулиране на осовата хлабина в лагерния възел - при монтаж и по време на експлоатация; неравномерно осово притискане на гривните поради неперпендикулярност на челото на капачката спрямо оста на лагера или неравномерно затягане на свързващите болтове, както и радиално претоварване.

За предотвратяване на подобни повреди се препоръчва да се осигури необходимата точност и коравина на елементите на лагерния възел и правилен монтаж на лагера.

Умора, дължаща се на несъ-осност на лагерните гривни

Поради неизбежни отклонения в съосността на лагерните отвори в корпуса или при наклон на еластичната линия на вала в мястото на опорите, вследствие на огъващите деформации на вала, лагерните гривни се наклоняват една спрямо друга. В резултат на това, елементите на лагера са подложени на натоварвания с момент. При сачмените лагери това води до по-високо триене в гнездата на сепаратора, до по-голямо приплъзване на сачмите по пътищата на търкаляне, както и до изместване на следата от триене към края на канала. При ролковите лагери пътищата на търкаляне се натоварват асиметрично и при значително (недопустимо) наклоняване на гривните една спрямо друга, натоварването, респективно напреженията, се концентрират в ръбовете на търкалящите тела и в единия край на пътя на търкаляне.

На фиг. 7 е показана повреда от умора в края, т.е. по ръба, на пътя на търкаляне на конусно-ролков лагер, а на фиг. 8 се виждат обиколни вдлъбнатини по цялата или по част от сачмената повърхност, които са причинени от пластична деформация. Поради тази причина следите имат гладки ръбове. В екстремни случаи в дъното на вдлъбнатините биха могли да се наблюдават и пукнатини.

За предпазване от такива повреди се препоръчва да се използват самонагаждащи (сферични) лагери, да се повиши точността на обработка на лагерните отвори в корпуса с цел постигане на минимални отклонения от съосност, да се вземат конструктивни мерки за увеличаване коравината на вала.

Умора поради лошо

смазване

Повреди от умора могат да настъпят и в резултат от лошо смазване на лагера. Ако натоварването на лагера е много малко в сравнение с неговата товароносимост, съществува значително приплъзване между елементите му и има опасност от разрушаване на техните повърхностни слоеве. В този случай възниква повредата микропитинг, която се наблюдава във вид на петно от сиви точици. На фиг. 9 е показан видът на подобно петно при неговото разрастване върху пътя на търкаляне.

При прекомерно високо натоварване, т.е. при претоварване на лагера и намалена дебелина на масления слой поради проникване на вода, се развива питинг с овална (мидообразна) форма (вж. фиг. 2 от Диагностика на търкалящи лагери – част IV), а пътищата на търкаляне са полирани под действие на високите контактни напрежения - фиг. 10. Също така, при прекомерно високо натоварване (претоварване) и недостатъчно смазване се образуват ясно отчетливи зони на нагряване, които са причина за възникване на начални пукнатини и по-нататъшното им развитие.

Причините за възникването на подобни повреди са лошо смазване, като резултат от недостатъчно количество или неправилна доставка на смазката; недопустимо висока работна температура; проникване на вода в лагера; увеличаване на триенето и напреженията в материала или приплъзване по контактните повърхнини на лагера.

За предпазване от подобни повреди се препоръчва да се подобри смазването чрез повишаване на количеството и качеството на смазката, както и посредством използване на масло с по-висок вискозитет или "по-меки" греси и да се предпази лагерът от проникване на вода.

Умора в резултат на износване

Повредите от умора в резултат на износване се проявяват като локални отслоявания (отлюспвания) в края на пътищата на търкаляне или по ръбовете на търкалящите тела. Подобни повреди са показани на фигури 11 и 12.

Причина за възникването им е промяна на геометрията (формата) на контактните повърхнини на търкалящия лагер в резултат от износване при замърсяване на смазката (например при проникване на чужди частици при нарушено уплътнение); от локално претоварване, както и вследствие на неправилна регулировка на осовата хлабина на конусните лагери.

За предпазване от подобни повреди се препоръчва да се подобри смазването чрез своевременна подмяна на смазката, филтриране на смазочното масло, подобряване на уплътняването, своевременна подмяна на износените уплътнители, по-висока твърдост на лагерните гривни и ролките.

Умора от разрушения в закаления слой на лагерните елементи

Повреди от умора могат да настъпят и в резултат от разрушаване на закаления слой на гривните или търкалящите тела. Те се проявяват във вид на локални отлюспвания (откъртване) на сравнително дебели люспи от пътищата на търкаляне в случай на цементовани (case-hardening) и повърхностно закалени лагерни елементи.

Причини за възникването им са разрушаване или отделяне на закаления слой; натоварване, което не е съобразено с характеристиките на избрания лагер; претоварване на лагера, както и прекалено тънък закален слой за зададеното натоварване.

С цел предпазване от възникването на описаните повреди се препоръчва да се избягва претоварването на лагера, както и дебелината на закаления слой да се съобрази с условията на натоварване.

Повреди в резултат на корозия

Подобни повреди възникват от корозия, появила са в резултат на наличието на влага или на агресивна околна среда.

Повредите на лагерите в резултат от корозия от влага се наблюдават във вид на кафеникаво обезцветяване по всички повърхности на лагера във формата на локализирани петна, които обикновено са разположени неравномерно (фиг. 13). В много случаи петна от корозия могат да се видят и по търкалящите тела (застойна корозия). Поради капилярния ефект, влагата се концентрира в местата на контакт между елементите на лагера, когато той не работи за дълъг период (фиг. 14). Ако в по-късен период лагерът работи, петната от корозия в тези места са причина за интензивно износване и преждевременна умора.

Причините за възникването на описаните повреди са неправилно съхранение на лагера (при относителна влажност във склада по-висока от 60%); големи изменения на температурата (образуване на влага от конденз); повреда на уплътнението (ускорено от абразивното влияние на замърсяването), както и недостатъчно количество на смазката.

Повредите от корозия, причинени от агресивна околна среда, обикновено се проявяват като черни разядени петна върху повърхността (фиг. 15). Сред причините за възникването им могат да се посочат неправилно съхранение в присъствието на агресивни химически вещества; повреда на уплътнението, както и недостатъчно количество на смазката.

За предпазване от възникването на подобни повреди е необходимо лагерите да се съхраняват според изискванията на фирмата-производител; да се подобри конструкцията на уплътнението (например използването на допълнително уплътнение); да се използва смазка с добавки срещу корозия. Друго мероприятие, което следва да се предприеме, е по-честа смяна на греста, особено когато се очаква дълъг престой на лагера.