Скорости и вибрации при търкалящи лагери

Съвременните високопроизводителни машини се характеризират с високи работни скорости, минимални като времетраене помощни цикли и големи външни натоварвания, което води до значително силово и кинематично натоварване на елементите на машините и респективно на възлите с търкалящи лагери. Високата степен на интензификация на работните процеси, комбинирана с широко разпространената във всички области на машиностроенето тенденция за олекотяване на конструкциите на машините, ги прави особено чувствителни към явления като удари, вибрации, резонанс и др. Свидетели сме на значителни инвестиции в теоретични и експериментални изследвания, а също така и в практически разработки, целящи намаляване на шума и вибрациите, възбуждани в машините от различни източници. Особено силно изразена е тази тенденция в автомобилната промишленост, където проблемът е от първостепенна важност и се е обособил в отделна дисциплина, наречена NVH (noise, vibration, harshness). Значителен принос за шума и вибрациите в машините могат да имат високата честота на въртене и вибрациите на търкалящите лагери и свързаните с тях елементи.

Като основен фактор, оказващ силно влияние върху шума, вибрациите и работоспособността на лагерите, може да бъде посочена честотата на въртене. Основни технически характеристики, които имат отношение към честотата на въртене на лагерите, са максимално допустимата честота на въртене и граничната честота на въртене. В особени случаи се налага ограничение и на минимално допустимата честота на въртене на лагерите.

Теоретично, максималната честота на въртене на търкалящите лагери не е ограничена от никакви фактори. На практика, обаче, фактори като количество отделена топлина и вид на системата за охлаждане, свойства на смазочните материали, поява на хлабини и повреди в търкалящия лагер, натоварвания, конструкция на лагера и на елементите му и др. налагат ограничения върху максимално допустимата честота на въртене на лагерите. Тя е параметър, който е необходимо да се отчита и спазва от всеки конструктор или специалист по поддръжката и ремонта. Спазването на приведените от производителя препоръки за максимално допустимата скорост на въртене гарантира поддържане на параметрите на лагера в диапазона от допустими стойности и запазване на работоспособността му. Този параметър има индивидуална стойност за всеки лагер (като размер и вид) и се дава в каталога с техническите характеристики на лагерите.

Отчитайки сложността на протичащите в лагера физически процеси, могат да бъдат дефинирани различни критерии, по които да се ограничи максимално допустимата честота на въртене, например от гледна точка на напрегнато-деформираното състояние на елементите, на възбужданите шум и вибрации и др. В практиката като ограничителен фактор за скоростта на въртене се е наложило количеството отделяна в лагера топлина. Определянето на максимално допустимата честота на въртене е стандартизирано от Международната организация по стандартизация ISO и представлява максималната честота на въртене, при която генериранoтo в лагера количество топлина e в равновесие с отдаденото към околната среда, и:

Стойностите на максимално допустимата честота на въртене при мазане с консистентна или течна смазка са различни, като обикновено при мазане с масло се допуска по-висока честота на въртене.

Реалните експлоатационните условия обикновено се отличават от стандартизираните условия, при които е извършено определянето на максимално допустимата честота на въртене. Различията произтичат най-вече от използваните мазилни вещества, работната температура и натоварването, поради което е необходимо максимално допустимата честота на въртене да се коригира по подходящ начин в зависимост от конкретните условия. Когато натоварването и кинематичният вискозитет на мазилното вещество са по-големи от тези, при които е извършено определянето на максимално допустимата честота на въртене, съпротивлението при движение е по-голямо. В този случай отделеното количество топлина е по-голямо и максимално допустимата честота на въртене ще бъде по-малка, освен ако не се допуска определено повишаване на температурата в лагерния възел.

В сила е и обратната зависимост - използването на смазочен материал с по-малък вискозитет ще доведе до по-висока максимално допустима честота на въртене. За извършване на корекции на приведената в каталога максимално допустима честота на въртене може да бъде използвана диаграмата на фиг. 1, която е валидна за радиални сачмени лагери, но подобни диаграми съществуват и за други видове лагери. Диаграмата може да се използва в случаите на мазане с масло и грес.

Експлоатацията на лагерите при честота на въртене по-висока от максимално допустимата не е невъзможна, но е необходимо да се има предвид, че повишеното отделяне на топлина се отразява неблагоприятно върху параметрите на лагерния възел. Нарушават се качествата на мазилното вещество, вследствие на температурните разширения се намалява работната хлабина и е възможно лагерът да заклини, масленият филм изтънява и преобладава сухо триене и др. За да се подобри работата на лагера в този случай е необходимо да се извършат определени мероприятия, както на конструктивния етап, така и в процеса на експлоатацията - да се подбере подходящ начин на охлаждане, да се предвидят ребра върху корпуса, да се използват търкалящи лагери с повишена хлабина, да се извършват редовно технически прегледи и диагностика на състоянието на лагерния възел и др.

Както вече бе казано, даваната от производителя максимално допустима честота на въртене е определена на база отделяното количество топлина и би могла да бъде превишавана в определени граници при провеждане на подходящи конструктивни мероприятия, а също така и коригирана в зависимост от конкретните експлоатационни условия. За всеки лагер, също така, е възможно да бъде определена и една гранична честота на въртене, превишаването на която води до необратими промени и неработоспособност на лагера. Тази скорост се определя на базата на критерии като непревишаване на допустимото напрежение в сепаратора и пръстените, ограничаване на центробежните и жироскопичните сили в търкалящите тела, поддържане на нивото на възбужданите шум и вибрации в допустими граници, нарушаване на уплътненията и прекомерно отделяне на топлина, поява на повреди по материала и др. Граничната скорост се определя експериментално и се дава от производителя в каталога на лагера.

В определени случаи e необходимо да бъде ограничена и минимално допустимата честота на въртене или максимално допустимата честота на въртене да бъде определена по други съображения, различни от вече изложените. Например:

Ниска работна честота на въртене. При ниски стойности на работната честота на въртене, масленият филм има малка носеща способност и се наблюдава директен контакт между търкалящите елементи. В този случай се препоръчва или да се използва мазилно вещество с добавки, които повишават носещата му способност, или честотата на въртене да бъде увеличена до определена стойност, която всъщност ще бъде минимално допустимата честота на въртене.

Осцилационни движения на единият от пръстените на лагера. За осцилационните движения е характерно, че единият от пръстените на лагера не извършва пълен оборот, а посоката на въртене се сменя във всеки осцилационен цикъл. В момента на смяна на посоката на движение, честотата на въртене е равна на нула и масленият филм се отличава с ниска носеща способност. В този случай се препоръчва да се използва мазилно вещество с добавки, които повишават носещата му способност, особено при големи натоварвания. Рязката смяна на посоката на движение е съпроводена с големи инерционни натоварвания на елементите на лагера, а също така и приплъзване на търкалящите тела спрямо каналите, в които се движат. В този случай критерият за количество генерирана топлина не е меродавен за определяне на максимално допустимата честота на въртене, която се определя от други съображения, включващи предимно ограничаване на големината на инерционните сили.

Честотата на въртене и възникващите в лагера вибрации са в определена степен взаимосвързани явления. Възникващите шум и вибрации се определят като вредни явления и в дадени случаи вибрациите биха могли да доведат до разрушаване на лагера и машината като цяло. Основните причини за възникване на шум и вибрации могат да се систематизират в следните групи:

Висока честота на въртене. Високата честота на въртене на лагерите води до появата на центробежни сили, големината на които, както е известно, е пропорционална на квадрата на ъгловата скорост на въртене. Появата на големи центробежни сили води до възникване на вибрации и резонансни явления в системата и генерира едно- или многочестотни звукови вибрации, а също така и на аеродинамичен шум;

Наличие на хлабини в лагера. Наличието на хлабини в лагерите, особено след определен период на работа, е причина за появата на ексцентрицитет и възникването на центробежни сили във въртящите се около оста на вала елементи. Смяната на посоката на движение води до удари между елементите на лагера и като резултат от това се появяват вибрации и шум. Големите центробежни сили водят до повишено натоварване на елементите на лагера и до интензивното им износване. В резултат на това се увеличава хлабината (респективно ексцентрицитетът и центробежните сили) и т.н.

Промяна на броя на натоварените търкалящи тела. При прилагане на радиални сили в лагера, броят на търкалящите тела, които понасят натоварването, се променя, например 2-3-2-3... . Това води до появата на радиални премествания и преразпределение на натоварването, в резултат на което се генерират шум и вибрации. За отстраняване на това явление се препоръчва да се прилага предварително аксиално натоварване с определена стойност.

Точност на изработката на елементите на лагера и вала. Въпреки че на шийките на валовете или на леглата в лагерните кутии винаги се предписва висока точност на отклонение от формата, при изработката им е напълно възможно да се получи значително отклонение от цилиндричната форма - например елипсовидна форма. Тъй като лагерните гривни са тънки, след монтажа те приемат форма, различна от цилиндричната, което е причина при движение по тях на търкалящите елементи да се генерират шум и вибрации. Подобен е и случаят с лагери с ниска точност на изработка на елементите им.

Наличие на локални повреди и външни замърсявания. Повредите и разрушаването на елементите на лагерите (питинг, износване, пукнатини и др.) са причина за генериране на шум и вибрации при претъркалването на елементите през тях. Подобно явление се получава и при попадане на външни замърсители, предимно твърди частици, между търкалящите тела.

Вибрациите могат да бъдат използвани за откриване на дефекти и диагностика на базата на честотен и времеви анализ на вибрационния сигнал. Спектърът и формата на вибрационния сигнал съдържат достатъчно информация за характерните дефекти в лагерите и тази информация има специфични особености, характерни за определения вид на дефекта. Търкалящите лагери се отличават с характерни честоти за различните дефекти, които се определят предимно от техническите им характеристики - геометрични размери, брой на търкалящите елементи, ъгъл на контакта и др. Ако тези параметри са известни, е напълно възможно да бъдат определени характерните честоти, генерирани от всеки от елементите на лагера. Тези характерни честоти ще се появят във вибрационния спектър само при наличието на дефект в съответния елемент. Обикновено в спектъра присъстват повече от една характерни честоти, тъй като повредата на един елемент от лагера обикновено е свързана с повреда и на други елементи. Обикновено, характерните честоти се определят чрез коефициенти, с които трябва да се умножи честотата на въртене на вала. Тези коефициенти са кратни на броя на ударите за един оборот на вала, вследствие на определен дефект.

Например, коефициентът за дефект на външната пътечка е 5.22, но при наличие на такъв дефект в спектъра на вибрацията могат да се наблюдават и хармоници, на които съответстват коефициенти 5.22, 10.44, 15.66 и т.н. Дефектите в лагерите, които могат да бъдат разпознати чрез вибрационен анализ, са - дефекти на външната и вътрешната пътечки, дефекти на търкалящите тела, дефекти на сепаратора, нарушаване на сглобките на лагера с другите елементи на конструкцията, увеличаване на хлабината, прекосяване на гривните и дефекти на мазилното вещество. Обикновено в практиката вибрационните спектри, характерни за лагера след определен период от работата му, се сравняват с вибрационни спектри, получени в началото на работата (еталонни спектри). Наличието на разлика във вибрационните спектри показва наличие на дефекти и откази, докато отсъствието на разлика свидетелства за несъществуването на повреди.

Дефектите могат да се локализират на основата на опита на оператора или чрез използването на библиотека на аномалиите, която е получена чрез експериментални изследвания и носи информация за характерните повреди. В последните години се разработват и автоматизирани вибродиагностични системи за мониторинг и оценка на състоянието на търкалящи лагери.