Расходы на предотвращение возможных неисправностей подшипников или их повторного возникновения многократно окупают затраты на новый подшипник, даже если он сделан из чистого золота.

Технология

Каждый год в мире производится более 10 млрд. подшипников качения. Большинство из них (приблизительно 90%) «переживают» оборудование, на котором они установлены. Некоторые подшипники заменяются до того, как они выйдут из строя (9,5%). Однако небольшая часть подшипников (0,5%) всё же выходит из строя, и это может иметь катастрофические последствия. Например, когда выходит из строя подшипник на какой-нибудь технологической линии большого завода, убытки могут составлять миллионы евро. Иногда причина выхода подшипника из строя оказывается совсем простой.

Возьмём железнодорожную аварию, случившуюся несколько лет назад. Произошел перегрев подшипника в буксовом узле (рис. 1), разрушение буксы, и, как следствие, – восемь вагонов товарного состава взлетели в воздух, сметая пути и подвески контактной сети. Общий ущерб составил несколько миллионов евро. К счастью, никто не пострадал. Причину аварии было сложно определить, поскольку почти всё было разрушено. Но в конце концов выяснилось, что при монтаже буксового узла было установлено дистанционное кольцо, имевшее недостаточную ширину. Вследствие этого в подшипнике не было достаточного осевого зазора, что вызвало перегрев, спровоцировавший в конце концов разрушение вала (и подшипников).

Анализ причин

Подшипники качения являются одними из основных компонентов большинства механизмов и транспортных средств. При выходе подшипника из строя происходит останов механизма или транспортного средства.

В процессе эксплуатации внешний вид большинства подшипников меняется. Эти изменения могут дать важную информацию об условиях эксплуатации и о том, что происходило на протяжении всего срока службы подшипника.

Чтобы надлежащим образом осмотреть повреждённый подшипник, оборудование необходимо своевременно остановить. Первоначальное повреждение подшипника будет развиваться до тех пор, пока подшипник окончательно не выйдет из строя, и все свидетельства о механизмах выхода из строя подшипника не будут уничтожены.

Пример показан на рис. 2. Инородные частицы загрязняющих веществ проникли в подшипник и были закатаны. Это привело к образованию лунок (загрязнения были вдавлены в дорожку качения), а также к поднятию материала вокруг лунок, с образованием «кратеров». Произошло локальное изменение геометрии дорожки качения, в результате чего в этой области масляная пленка, разделяющая контактирующие поверхности, отсутствовала. Результат – возникновение усталостной микротрещины, начавшееся на поверхности, с образованием трещин и растрескивания за пределами повреждённой области (рис. 2a).

В процессе эксплуатации растрескивание прогрессировало (рис. 2b и 2c). На более поздней стадии повреждённая область стала настолько большой, что начальная вмятина просто исчезла (рис. 2d), и осмотр повреждённого подшипника более не позволяет определить основную причину повреждения, т.е. проникновение внутрь подшипника загрязнений вследствие возможных проблем с уплотнением.

Сегодня существует общее мнение, что:

• причина выхода из строя приводит к возникновению определенных характеристик;
• механизм развития разрушения протекает характерно для определённой группы неисправностей;
• наблюдая повреждение, скорее всего можно определить его основную причину.

Международная организация стандартизации (ISO) проделала большую работу по определению различных видов повреждений и их классификации (рис. 3). Результатом этой работы стал выпуск стандарта ISO 15243, опубликованного в 2004 г. Исследуя вышедшие из строя подшипники, можно наблюдать шесть основных групп повреждений, которые можно в свою очередь разделить на несколько подгрупп.

В основе классификации лежат три основных фактора:

• повреждения и изменения, происшедшие в ходе эксплуатации (после того, как подшипник покинул завод-изготовитель);
• характерные формы изменения внешнего вида, которые можно связать с теми или иными конкретным причинам;
• классификация по видимым особенностям (включая обнаруженные при помощи увеличительных приборов, таких как микроскоп).

Рассмотрим различные виды неисправностей:Усталость материала

Усталость, возникающая под поверхностью, представляет собой ухудшение состояния материала. Она вызывается циклическими механическими напряжениями под поверхностью дорожки качения, и в конечном итоге приводит к ослаблению материала и растрескиванию (рис. 4).

Усталость, возникающая на поверхности, проявляется вследствие неправильного смазывания. При плохих условиях смазывания, например, вследствие загрязнения смазки или её есоответствующей вязкости возникает контакт металла с металлом. Микровыступы поверхности (пики) сталкиваются друг с другом, что приводит к возникновению на поверхности напряжений сдвига. Вследствие усталости материала появляются небольшие трещины, приводящие впоследствии к микрорастрескиванию (рис. 5).

Износ

Износ представляет собой явление, возникающее в зонах контакта движущихся частей. Часто износ является неизбежным. Однако некоторые условия могут вызывать износ на ранней стадии эксплуатации подшипника.

При этом может возникать износ двух типов: абразивный и адгезивный. Износ обоих видов возникает вследствие разности скоростей движения контактирующих друг с другом поверхностей. Причинами разности скоростей могут стать кинематическое проскальзывание, ускорение и/или замедление.

Абразивный износ возникает в результате присутствия в смазке твердых (абразивных) частиц, которые могут попадать в смазку как снаружи, так и изнутри – например, в виде частиц металла вследствие износа зубчатых колес. Обычно это проявляется в виде потускнения поверхностей (рис. 6). Однако если абразивные частицы очень мелкие и твёрдые, например, частицы цементной пыли, возможен эффект полировки, и поверхности наоборот становятся блестящими.

Часто причиной проникновения загрязнений в полость подшипника становятся повреждения уплотнений.

Адгезивный износ возникает в основном на контактных поверхностях, подвергающихся лёгким нагрузкам, при плохих условиях смазки и колебаниях скорости вызывающих проскальзывание элементов качения. Примером таких условий является прохождение элемента качения из ненагруженной зоны в нагруженную (рис. 7). В ненагруженной зоне элемент качения может терять скорость, а при возврате в нагруженную зону снова её увеличивать. Это может приводить к разрыву смазывающей плёнки, проскальзыванию, перегреву и, возможно, переносу материала с элемента качения на дорожку качения или наоборот.

Коррозия

Влажная коррозия может вызывать серьёзные повреждения подшипников. В отличие от других процессов коррозия может развиваться быстро и проникать в материал на большую глубину.

Коррозия возникает вследствие наличия воды, агрессивных жидкостей или влаги. К развитию коррозии этого типа может привести также высокая влажность воздуха и прикосновение пальцами к дорожкам качения. Коррозия часто возникает во время простоев оборудования и проявляется в виде следов ржавчины на элементах качения (рис. 8).

Фреттинг-коррозия возникает из-за микроскопических перемещений двух нагруженных поверхностей относительно друг друга. В основном этот вид коррозии возникает между наружной поверхностью подшипника и его корпусом, и/или между отверстием подшипника и валом. Микроперемещения в основном вызываются циклическими нагрузками, возникающими при движении элементов качения. Причинами развития и/или ускорения коррозии этого типа могут быть несоответствующие посадки, изгиб валов и/или шероховатость контактных поверхностей. В незащищённые поверхности может проникнуть воздух, что ускоряет развитие коррозии. Образующаяся при этом окись железа имеет больший объём, чем чистая сталь.

Это может привести к разрастанию материала и возникновению высоких механических напряжений, воздействующих на дорожку качения подшипника. В свою очередь это может привести к преждевременному развитию подповерхностной усталости. Фреттинг-коррозия лёгко может привести к растрескиванию кольца (рис. 9).

Ложное бринеллирование, так же как и фреттинг-коррозия, возникает в областях контакта между дорожкой качения и элементами качения вследствие микроскопических перемещений и упругого контакта под действием циклических вибраций. В зависимости от интенсивности вибрации, условий смазки и нагрузки происходит комбинация коррозии и износа с образованием мелких углублений на дорожке качения. Обычно вибрация вызывает локальное удаление смазки, контакт металла с металлом и абразивный износ. При этом поверхности обычно бывают тусклыми, часто обесцвеченными, но иногда отличаются красноватым цветом вследствие развития также и влажной коррозии. Ложное ринеллирование развивается в сферических полостях шариковых подшипников (рис. 10) и дорожках качения роликовых подшипников.

Электрическая эрозия

Любой ток, протекающий через подшипник, может быть вредным для него. Повреждения, вызванные высоким электрическим напряжением, могут произойти при протекании электрического тока через подшипник, т.е. с одного кольца на другое через элементы качения. На контактирующих поверхностях процесс аналогичен дуговой электросварке (высокая плотность тока, протекающего через малую поверхность контакта). Материал может нагреваться до температуры, лежащей в диапазоне от температуры отпуска до точки плавления. Это приводит к появлению обесцвеченных областей различного размера, в пределах которых материал может быть отпущен, закалён или расплавлен. В областях расплавления материала образуются кратеры (размером от 0,1 до 0,5 мм) (рис. 11).

Повреждения, вызванные утечками тока, возникают вследствие блуждающих электрических токов, протекающих через подшипник, часто вызываемых колебаниями частоты. Основными видимыми повреждениями являются бороздки, создающие вид «стиральной доски» (рис. 12).

Эти бороздки имеют форму контактных эллипсов на шариковых подшипниках и контактных линий на роликовых подшипниках. Элементы качения в большинстве случаев равномерно обесцвечены. По сравнению со случаями высокого напряжения здесь ток протекает через бoльшую площадь  в результате чего плотность тока становится меньше и температура нагрева также меньше. Поэтому основным видимым повреждением в этом случае является эффект отпуска т.е. размягчение стали.

Пластическая деформацияПластическая деформация возникает в случае превышения предела текучести материала. Высокие статические или ударные нагрузки вызывают перегрузку, приводящую к пластической деформации. Пластическую деформацию можно определить по наличию углублений на элементах качения.

Часто причиной пластической деформации становятся неправильные процедуры сборки, например, приложение усилия не к тому кольцу, что вызывает ударные нагрузки, воздействующие на элементы качения (рис. 13).

Вдавливание частиц инородных материалов происходит в результате проникновения в подшипник загрязняющих веществ, которые вдавливаются в дорожки качения элементами качения.

Размер и форма этих углублений зависят от природы частиц. В области вмятины происходит нарушение геометрии дорожки качения и нарушение смазывания. На поверхности возникают механические напряжения, приводящие к преждевременному растрескиванию поверхности (рис. 14).

Вмятины в результате неправильного обращения могут возникнуть в случае повреждения поверхностей подшипника твёрдыми острыми предметами или в результате падения, несмотря на то, что они изготавливаются из высококачественной стали. С подшипниками следует всегда обращаться с осторожностью.

Сколы и трещины

Разрыв (или растрескивание) возникает в случае превышения предела прочности материала на разрыв.

Вынужденное разрушение вызывается концентрацией напряжений, превышающих предел прочности материала на разрыв, причинами чего являются:

• Неправильное обращение (удары) при установке или снятии подшипника.
• Чрезмерно плотная посадка на коническое седло или втулку вызывает образование трещин во время введения подшипника в эксплуатацию (рис. 15).

Усталостное разрушение начинается в случае превышения предела усталости в результате изгиба. Возникает трещина, которая затем начинает разрастаться. В конце концов происходит растрескивание всего кольца или обоймы. Усталостное растрескивание может возникать при плотной посадке, вызывающей высокие окружные напряжения.

Температурное растрескивание может возникать, когда две поверхности с большим трением скользят друг по другу. Происходящий при этом фрикционный нагрев вызывает трещины, обычно направленные под прямым углом к направлению скольжения (рис. 16).

Заключение

В большинстве случаев выхода подшипников из строя можно было избежать. Глубокий анализ причин повреждений мог бы раскрыть их основные причины и позволил бы избежать их повторного возникновения за счёт принятия надлежащих профилактических мер.

Советы по техобслуживаниюЗа счёт соблюдения некоторых основных правил техобслуживания срок службы подшипников можно значительно увеличить.

• Соблюдайте технические требования: подшипник рассчитан на определённую нагрузку, скорость вращения и т.д.
• Не прилагайте к подшипнику слишком высокую (или низкую) нагрузку и не допускайте превышения допустимой частоты вращения. Важно правильно выбрать подшипник в соответствии с его оптимальной областью применения. Обеспечьте соблюдение всех допусков и посадок.
• При необходимости убедитесь в том, что несоосность находится в допустимых пределах.
• Чистота: при сборке чистота обеспечивает длительный срок службы подшипников.
• Инструменты: при установке или снятии подшипников всегда применяйте надлежащие инструменты.
• Уплотнение: убедитесь в том, что выбрано правильное уплотнение и оно эффективно работает.
• Смазка: Эффективная смазка подшипников крайне важна. Недостаточная или слишком обильная смазка может привести к повреждению подшипника. Убедитесь в том, что надлежащая смазка подаётся своевременно и в требуемом количестве.