Какова основная причина выхода из строя подшипников?

Причина номер один подшипник Отказ связан со смазкой

Если хотите прямого ответа: Недостаточная или неправильная смазка является основной причиной выхода из строя подшипников, на которую приходится от 36% до 54% всех преждевременных выходов подшипников из строя. , в зависимости от отрасли и применения. Некоторые исследования, проведенные крупными производителями подшипников, включая SKF и NSK, показывают, что эта цифра еще выше, если принять во внимание случаи загрязнения, которые сами по себе связаны с сбоями в управлении смазкой.

Подшипники представляют собой прецизионные компоненты. Тела качения, дорожки качения и сепараторы работают под огромными нагрузками, часто при высоких скоростях и температурах. Без правильной смазочной пленки, разделяющей металлические поверхности, происходит прямой контакт, что приводит к быстрому износу, выделению тепла, поверхностной усталости и, в конечном итоге, к катастрофическому выходу из строя. Физика проста: металл о металл на скорости выделяет тепло, тепло разрушает материал, а разрушенный материал разрушается.

Тем не менее, выход из строя подшипников редко бывает вызван одним изолированным фактором. Проблемы со смазкой часто вызывают или ускоряют другие виды отказов. Понимание всего спектра причин и того, как они взаимодействуют, важно для любого, кто управляет вращающимся оборудованием, будь то производственное предприятие, ветряная турбина, автомобильная трансмиссия или линия пищевой промышленности.

Почему отказ смазки доминирует в статистике повреждений подшипников

Нарушение смазки – это не просто вопрос отсутствия смазки или масла. Он охватывает широкий спектр условий, которые мешают смазке выполнять свою работу. Каждое из этих условий приводит к различным повреждениям поверхностей подшипников.

Недостаточный объем смазки

Когда подшипник не получает достаточного количества смазки, эластогидродинамическая пленка, отделяющая тела качения от дорожек качения, становится слишком тонкой, чтобы предотвратить контакт металла с металлом. Это приводит к адгезионному износу, размазыванию и локальным перегревам. В электродвигателях, работающих со скоростью 1500 об/мин или выше, металлические поверхности могут достигать разрушительных температур в течение нескольких минут после смазочного голодания.

Неправильный тип или вязкость смазки.

Использование смазочного материала с неподходящим классом вязкости для скорости и температуры применения является одной из наиболее распространенных ошибок при техническом обслуживании. Слишком жидкая смазка не может сохранять адекватную пленку под нагрузкой; тот, который слишком толстый, выделяет чрезмерное тепло из-за взбалтывания и сопротивления. Например, для высокоскоростных подшипников шпинделя использование стандартной смазки NLGI 2 вместо маловязкого масла или смазки NLGI 1 резко повышает рабочую температуру и сокращает срок службы подшипников.

Чрезмерная смазка

Как ни странно, слишком много смазки также является серьезной проблемой. Подшипники с чрезмерным количеством смазки подвергаются повышенным внутренним температурам из-за сбивания, которое разрушает базовое масло и загуститель смазки, что приводит к утечкам и затвердеванию. Избыточная смазка является причиной значительной доли отказов подшипников в электродвигателях. , где технические специалисты часто наносят смазку, не удаляя старый материал, что со временем усугубляет проблему.

Деградация смазки

Смазка и масло имеют ограниченный срок службы. Циклическое нагревание, окисление, попадание воды и механический сдвиг – все это со временем ухудшает характеристики смазочного материала. Смазка, которая прошла отличные испытания при вводе в эксплуатацию, может потерять большую часть своих защитных свойств через 4000–8000 часов работы, в зависимости от условий эксплуатации. Многие интервалы технического обслуживания устанавливаются на основе календарного времени, а не фактического состояния, что приводит к тому, что подшипники работают на отработанной смазке, срок службы которой уже давно истек.

Полная разбивка: основные причины выхода из строя подшипников в процентах

Различные источники классифицируют причины выхода из строя подшипников несколько по-разному, но основные факторы, способствующие этому, совпадают во всех отраслевых исследованиях. В таблице ниже отражены данные, собранные на основе исследований, опубликованных производителями подшипников и организациями, занимающимися вопросами надежности.

Эти цифры варьируются в зависимости от сектора. На сталелитейных заводах и в горнодобывающей промышленности загрязнение играет большую роль из-за сурового воздействия окружающей среды. В фармацевтической и пищевой промышленности более заметным является попадание воды и агрессивные процессы очистки. В ветряных турбинах прохождение электрического тока через подшипники (вид отказа, уникальный для приводов с регулируемой скоростью) становится все более значимым. Понимание конкретных причин сбоев вашего приложения важнее, чем слепое следование среднеотраслевым рекомендациям.

Загрязнение: вторая наиболее разрушительная сила, действующая на подшипники

Загрязнение – это присутствие внутри подшипника посторонних материалов (твердых частиц, воды, технологических химикатов). Даже частицы, невидимые невооруженным глазом, могут нанести значительный ущерб. Стальная частица размером всего 10 микрон (меньше человеческого волоса (~70 микрон) достаточно велика, чтобы создать источник напряжения на поверхности дорожки качения при перекатывании шариком или роликом подшипника.

Загрязнение твердыми частицами

Грязь, металлический мусор и частицы механической обработки, попадающие в корпус подшипника, вызывают абразивный износ и точечную коррозию на поверхности. В гидравлических системах поддержание чистоты масла по стандарту ISO 4406, код 16/14/11 или выше, может продлить срок службы подшипников и компонентов в несколько раз по сравнению с работой по коду 20/18/15. Разница между чистой и загрязненной системой смазки зачастую равна разнице между сроком службы подшипника 20 000 часов и сроком службы 5 000 часов.

Загрязнение воды

Вода особенно разрушительна. Согласно исследованиям, опубликованным в литературе по трибологии, содержание воды в смазке подшипников всего лишь 0,1% может снизить усталостную долговечность подшипников на 48%. Вода вызывает водородное охрупчивание подшипниковой стали, способствует коррозии дорожек качения и тел качения, а также ухудшает пленкообразующую способность смазочного материала. Конденсат во время термоциклирования — оборудование, которое нагревается во время работы и остывает в течение ночи — является частым путем проникновения влаги в герметичные подшипники.

Химическое загрязнение

На предприятиях пищевой и химической промышленности агрессивные чистящие средства и технологические жидкости могут обходить уплотнения и напрямую воздействовать на подшипниковую сталь. Даже слабые кислоты или щелочные соединения изменяют химический состав поверхности дорожек качения, создавая микропиттинг, который перерастает в отслаивание. Выбор подшипников с соответствующими конструкциями уплотнений и химически совместимыми смазочными материалами имеет решающее значение в таких условиях.

Неправильная установка: причина поломки подшипника, которую можно полностью предотвратить

Ошибки монтажа составляют значительную долю преждевременных отказов подшипников — по оценкам, это составляет от 16% до 21% всех случаев. Что особенно расстраивает, так это то, что повреждение установки происходит до того, как подшипник совершит один оборот в эксплуатации. Правильно установленный подшипник с подходящей смазкой, работающий в хорошо отрегулированной системе, достигнет или превысит номинальный срок службы L10. Подшипник, который был забит на вал молотком, этого не сделает.

Сила, приложенная не через то кольцо

Одной из наиболее распространенных ошибок при установке является применение силы запрессовки через неправильное кольцо подшипника. При запрессовке радиального шарикоподшипника на вал усилие должно быть приложено только к внутреннему кольцу — кольцо запрессовывается. Движущая сила, действующая через шарики и наружное кольцо, вызывает бринеллирование: постоянные вмятины на дорожках качения в каждом положении шарика. Внешне подшипник может выглядеть неповрежденным, но его поверхности дорожек качения уже отмечены, и он будет издавать шум и преждевременно выходить из строя при первом же вращении.

Неправильная посадка вала и корпуса

Подшипники предназначены для установки на валах и в корпусах с особым натягом. Вал меньшего размера позволяет внутреннему кольцу подшипника ползать или вращаться — кольцо вращается относительно вала, выделяя интенсивное тепло трения и, в конечном итоге, приваривается или заедает. Слишком узкое отверстие корпуса может деформировать наружное кольцо, уменьшая внутренний зазор и вызывая перегрев подшипника и его предварительную нагрузку даже при комнатной температуре.

Несоосность во время монтажа

Угловое смещение между осевой линией вала и отверстием подшипника — даже на несколько десятых градуса, превышающее расчетный допуск на несоосность подшипника — создает неравномерное распределение нагрузки по телам качения. Цилиндрические и конические роликоподшипники особенно чувствительны к перекосу. Эксплуатация цилиндрического роликоподшипника с отклонением соосности всего на 0,05° за пределы допуска может сократить его расчетный срок службы на 50% и более.

Усталость при контакте качения: естественный конец срока службы подшипников

Усталость контакта качения — единственный вид отказа подшипника, который не вызван ошибками технического обслуживания или проектирования. Это ожидаемый механизм окончания срока службы подшипника, который был правильно установлен, правильно смазан и эксплуатировался в пределах номинальных параметров нагрузки и скорости. Стандартный показатель срока службы подшипников — срок службы L10 — определяется как количество оборотов (или часов работы на заданной скорости), которые совершают 90% группы идентичных подшипников до того, как у них разовьется усталостное растрескивание.

Усталостное повреждение начинается с появления подповерхностных трещин, возникающих из-за циклических сдвиговых напряжений ниже зоны контакта. За миллионы циклов напряжений эти трещины распространяются к поверхности и в конечном итоге приводят к отрыву материала — процесс, называемый растрескиванием. Расколотые дорожки качения имеют характерный шероховатый вид с четко очерченными краями. Правильно обслуживаемый подшипник, достигший усталости от растрескивания, на самом деле является успехом в обслуживании. — это означает, что подшипник достиг расчетного срока службы, а не вышел из строя раньше времени по устранимым причинам.

На практике доля подшипников, достигших истинного усталостного ресурса, относительно невелика. Большинство из них заменяются из-за шума, вибрации, повышения температуры или плановых интервалов технического обслуживания до начала растрескивания. Когда усталостное разрушение происходит преждевременно — до расчетного срока службы L10 — это часто является признаком перегрузки, дефектов материала или кумулятивного эффекта предельных условий смазки с течением времени.

Электрическая эрозия подшипников: растущая проблема современного оборудования

Электрическая эрозия, также называемая электроэрозионной или электроэрозионной обработкой (ЭЭО), значительно выросла как причина отказов с широким распространением частотно-регулируемых приводов (ЧРП) в электродвигателях. ЧРП создают высокочастотные импульсы напряжения, которые могут индуцировать токи на валу. Когда эти токи проходят через подшипник, они создают микроскопические дуговые кратеры на дорожках качения и поверхностях тел качения.

Характер повреждений характерен: дорожки качения имеют матовый или рифленый вид, с регулярными гофрами, идущими по окружности кольца. Этот рифленый рисунок является надежным диагностическим индикатором электрической эрозии. В двигателях с ЧРП без надлежащего заземления вала или изолированных подшипников электрическая эрозия может разрушить подшипник всего за 3–6 месяцев. , даже если смазка и установка идеальны.

Решения включают кольца заземления вала, изолированные корпуса подшипников или внутренние кольца или керамические гибридные подшипники с элементами качения из нитрида кремния, которые не проводят электричество. Выбор подходящей меры противодействия зависит от размера двигателя, конфигурации ЧРП и схемы заземления системы.

Как определить причину неисправности подшипника постфактум

На поверхности вышедших из строя подшипников имеются диагностические данные, если их тщательно осмотреть перед выбрасыванием. Анализ отказов подшипников — иногда называемый фрактографией при исследовании поверхностей излома металла — представляет собой структурированный процесс сопоставления наблюдаемых моделей повреждений с известными видами отказов. Большинство производителей подшипников предлагают для этой цели руководства по анализу неисправностей и лабораторные услуги.

• Полированный, гладкий износ тел качения и дорожек качения со смазыванием: смазочное голодание или неправильная вязкость
• Равномерно расположенные углубления на расстоянии между шариками или роликами: бринеллирование из-за неправильной установки или ударной нагрузки
• Шероховатая, изъеденная поверхность с вкрапленными частицами: абразивное загрязнение
• Красно-коричневое изменение цвета и точечная коррозия: Проникновение воды или коррозионное загрязнение
• Окружные гофры на дорожке качения: электрическая эрозия от токов вала
• Отколы с шероховатой, отслаивающейся поверхностью и четкими краями: Усталость при контакте качения (может быть вызвана обычным окончанием срока службы или вызвана перегрузкой)
• Схема односторонней нагрузки на дорожки качения: перекос или осевая нагрузка в радиальном подшипнике

Хранение вышедших из строя подшипников в запечатанных пластиковых пакетах сразу после снятия (перед очисткой) позволяет сохранить состояние смазки и остатки мусора, которые могут быть потеряны, если подшипник протереть или промыть. Фотографии положения установленного подшипника, маркировки вала и состояния отверстия корпуса перед снятием добавляют ценный контекст для анализа.

Практические шаги по предотвращению преждевременного выхода подшипника из строя

Учитывая, что большинство отказов подшипников можно предотвратить, структурированный подход к предотвращению нацелен на наиболее распространенные виды отказов в порядке их статистической вероятности.

Создайте программу управления смазочными материалами

Выбирайте смазочные материалы в зависимости от типа подшипника, коэффициента скорости (n × dm), диапазона рабочих температур и воздействия окружающей среды, а не на основе того, что уже имеется на складе. Задокументируйте правильный тип и количество смазки, а также интервал повторного смазывания для каждой точки смазки на предприятии. Используйте калиброванные шприцы для смазки, а не дозируйте ее на ощупь; Стандартный шприц со смазочным картриджем подает примерно 1,3 грамма за один ход, что является полезной отправной точкой для расчета объемов. Внедряйте интервалы повторного смазывания в зависимости от состояния, где это возможно, используя ультразвуковой контроль или отбор проб смазки для обнаружения деградации до того, как произойдет отказ.

Улучшите методы установки

Исключить ударную установку подшипников на валы. Используйте соответствующие монтажные инструменты: индукционные нагреватели для посадки внутренних колец с натягом (нагрева до 80–100°C обычно достаточно и не влияет на металлургию подшипниковой стали), гидравлические прессы с адаптерами, которые прикладывают усилие только к устанавливаемому кольцу, а также механические монтажные инструменты для подшипников среднего размера. Перед установкой проверьте размеры вала и корпуса с помощью калиброванного микрометра — 10-минутный шаг измерения предотвращает месяцы преждевременного расследования неисправности.

Контроль загрязнения в источнике

Храните сменные подшипники в оригинальной упаковке в чистом, сухом месте, вдали от экстремальных температур. Никогда не открывайте пакеты подшипников до момента установки. При раздаче храните контейнеры со смазкой запечатанными и отфильтрованными. Регулярно проверяйте и заменяйте уплотнения корпуса — изношенное манжетное уплотнение, замена которого стоит 2 доллара, может привести к загрязнению, которое в течение нескольких месяцев разрушает подшипник стоимостью 500 долларов. В средах с высоким уровнем воздействия твердых частиц рассмотрите возможность перехода от однокромочных уплотнений к двухкромочным или перехода на подшипниковые узлы с лабиринтными уплотнениями для обеспечения большей изоляции.

Внедрить мониторинг состояния

Анализ вибрации, мониторинг температуры, анализ масла и мониторинг ультразвуковой эмиссии позволяют получить различные сведения о состоянии подшипников. Хорошо реализованная программа вибрации с использованием анализа огибающей или методов высокочастотного резонанса может обнаружить дефекты подшипников за 4–8 недель до того, как отказ станет критическим, что позволяет плановую замену во время планового технического обслуживания, а не аварийное отключение. Повышение температуры выше нормального рабочего уровня является предупреждающим знаком поздней стадии: к тому времени, когда подшипник работает на 10–15 °C выше своего исторического базового уровня, уже может иметь место значительный ущерб.

Проверьте выравнивание после установки

Соосность валов следует проверять с помощью лазерного инструмента для выравнивания после каждой замены подшипников на подсоединенном оборудовании. Методы циферблатного индикатора приемлемы для небольших машин. Целевые допуски на соосность, которые больше, чем номинальная допустимая несоосность муфты — муфта компенсирует остаточное смещение при рабочем температурном росте, а не регулярное смещение из-за неточной установки. Комплект насос-двигатель, выровненный с точностью до 0,05 мм параллельного смещения и угловатости 0,05 мм/100 мм, всегда прослужит дольше, чем комплект, выровненный с точностью до 0,2 мм.

Ошибки при выборе подшипника, которые сокращают срок службы еще до установки подшипника

Иногда выход из строя подшипника не является проблемой технического обслуживания, а является проблемой проектирования или выбора. Выбор неправильного типа подшипника для условий нагрузки или занижение размера подшипника для приложенных нагрузок создает условия отказа, которые невозможно преодолеть с помощью хорошей практики технического обслуживания.

• Радиальные шарикоподшипники оптимизированы для радиальных нагрузок с умеренными осевыми компонентами. Использование их в приложениях с высокими осевыми нагрузками приводит к перегрузке шаров и быстрой усталости.
• Цилиндрические роликоподшипники эффективно выдерживают большие радиальные нагрузки, но не могут выдерживать значительные осевые нагрузки без фланцевого кольца, предназначенного для этой цели.
• Радиально-упорные шарикоподшипники предназначены для комбинированных радиальных и осевых нагрузок и для правильной работы должны монтироваться согласованными парами или комплектами — один радиально-упорный подшипник на валу, который воспринимает осевую нагрузку в обоих направлениях, выйдет из строя.
• Конические роликоподшипники для правильной работы требуется правильная осевая предварительная нагрузка — слишком малая и ролики скользят; слишком много, и подшипник перегревается и быстро устает.

Процесс выбора подшипника должен включать расчет эквивалентной динамической нагрузки, проверку коэффициента скорости относительно номинальной скорости подшипника и подтверждение того, что срок службы L10 соответствует требуемому интервалу обслуживания с достаточным запасом прочности — обычно коэффициентом от 3 до 5 для критического оборудования.

Реальная цена отказа подшипников в промышленных условиях

Стоимость замены подшипника почти никогда не равна реальной стоимости неисправности подшипника. На предприятиях непрерывного производства — бумажной фабрике, химическом заводе, линии по производству пищевых продуктов — незапланированный отказ подшипника, вызывающий даже один час простоя, может легко стоить производственных потерь от 10 000 до 100 000 долларов и более, в зависимости от пропускной способности оборудования. Вторичное повреждение соседних компонентов — уплотнений, валов, корпусов, муфт — часто увеличивает стоимость, которая затмевает сам подшипник.

Исследования, проведенные инженерными организациями по техническому обслуживанию, неизменно показывают, что расходы на реактивное обслуживание на один ремонт в 3–9 раз выше, чем на плановое обслуживание по состоянию. Подшипник стоимостью 200 долларов, который неожиданно выходит из строя и останавливает производственную линию на 4 часа, влечет за собой общие затраты, которые не может компенсировать никакая оптимизация цен на подшипники. Этот экономический пример лежит в основе движений в области технического обслуживания, ориентированного на надежность (RCM) и профилактического обслуживания (PdM). Цель состоит не в том, чтобы покупать более дешевые подшипники, а в том, чтобы гарантировать, что каждый подшипник достигнет своего расчетного срока службы.

Для менеджеров по техническому обслуживанию, разрабатывающих экономическое обоснование улучшенных программ смазки, контроля загрязнения или оборудования для мониторинга вибрации, расчет окупаемости инвестиций обычно прост: предотвращенный критический отказ часто окупает затраты на оборудование для мониторинга и реализацию программ во много раз.

Резюме: Устранение неисправностей подшипников начинается со смазки, а затем уже со всего остального.

Причина номер один выхода из строя подшипников — проблемы со смазкой — также является наиболее контролируемой. Правильный выбор смазочного материала, правильное количество, соответствующие интервалы повторного смазывания и предотвращение загрязнения устраняют самую крупную категорию предотвратимых отказов подшипников. После смазки внимание к методам установки, исключению загрязнения, проверке соосности и мониторингу состояния позволяет устранить оставшиеся основные виды отказов в порядке убывания статистического воздействия.

Подшипники не являются расходными материалами, которые просто изнашиваются. Это прецизионные детали, которые при правильных условиях эксплуатации надежно достигают номинального срока службы. Когда они выходят из строя рано и неоднократно, причина почти всегда кроется в конкретном, определяемом и исправимом дефекте в обслуживании или проектировании. Процесс анализа отказов — систематическая проверка каждого вышедшего из строя подшипника перед тем, как его выбросить — является наиболее малоиспользуемым инструментом в наборе инструментов промышленного технического обслуживания и тем, который со временем наиболее надежно замыкает цикл между возникновением отказа и устранением основной причины.