Schopnost předcházet selhání ložisek anebo
jejich opakovanému selhání může mít
větší cenu, než kdyby bylo celé ložisko
ze zlata. Technická oddělení a laboratoře
společnosti SKF o tomto faktu podávají na řadě
praktických příkladů četná svědectví.
Každý rok se na světě vyrobí přibližně 5 miliard
ložisek. Většina z nich „přežije“ zařízení,
do nichž jsou namontována (cca 90 %).
Některá ložiska jsou vyměněna dříve, než
selžou (9,5 %), avšak ložiska, která selžou
(0,5 %), mohou způsobit katastrofální škody.
Jestliže selže ložisko hlavní výrobní linky
velké továrny nebo kritického zařízení, výrobní
ztráty mohou dosáhnout mnoha milionů
eur. V některých případech může být příčina
velmi prostá.
Vezměme si např. nákladní vlak, který vykolejil
před několika lety. Ložisko v nápravové
skříni se přehřálo, náprava praskla a 8 vozů
vylétlo do vzduchu, přičemž došlo ke zničení
kolejí a řetězovek. Doprava byla přerušena na
mnoho hodin. Celková škoda se vyšplhala na
několik milionů eur. Naštěstí nebyl nikdo zraněn.
Jaká je prvotní příčina? Určovala se obtížně,
protože téměř vše bylo zničené, avšak
nakonec se zjistilo, že při generální opravě
byl namontován zcela obyčejný rozpěrný
kroužek, který však měl příliš malou tloušťku.
Ložiska se tedy mohla posouvat na hřídeli
a přitom docházelo k vývinu tepla. Nakonec
selhala hřídel (a ložiska).
Analýza prvotní příčiny
Valivá ložiska tvoří srdce většiny strojů
a vozidel. Pokud však ložisko selže, stroj nebo
vozidlo se zastaví. Příčinou může být často
něco, co se stalo v zařízení a co se projeví nesprávnou
funkcí ložiska. Ložisko je většinou
pouhou „obětí“. Z toho důvodu je důležité
zjistit prvotní příčinu, aby bylo možné zabránit
opakování závady. Pouhá výměna ložiska
problém nevyřeší.
Za provozu dochází postupně u většiny ložisek
ke změnám vzhledu. Tyto změny, nazývané
stopy, mohou poskytnout důležité informace
o provozních podmínkách a o vlivech působících
na ložisko v průběhu jeho provozní
trvanlivosti.
Pokud chceme pečlivě prohlédnout poškozené
ložisko, zařízení se musí včas zastavit.
Jakmile je totiž ložisko poškozeno, poškození
se postupně zvětší natolik, že je nepoužitelné
a veškeré důkazy o mechanismu selhání mohou
být zcela zničeny.
Cizí částice (nečistoty) pronikly do ložiska
a valivá tělesa se přes ně převalovala. Vzniklý
vtisk (částice je zalisována do oběžné dráhy)
připomíná mj. zvýšeným okrajem do určité
míry kráter. Dochází k místní změně geometrie
oběžné dráhy a mazivový film v tomto
místě nemá dostatečnou tloušťku, aby oddělil
stykové plochy. Výsledkem je povrchová únava
materiálu, následný vznik trhlin a nakonec
odlupování materiálu za poškozeným místem.
V průběhu provozu se odlupování materiálu
zvětšuje a v pozdějším stadiu je poškozená
plocha natolik velká, že vtisk zmizí a prohlídka
poškozeného ložiska nedokáže odhalit
prvotní příčinu, tzn., nečistoty, které pronikly
do ložiska z důvodů problémů s těsněním.
V současné době panuje všeobecná shoda, že:
? Příčina selhání má určité charakteristické
vlastnosti.
? Určitý mechanismus selhání souvisí s určitou
příčinou selhání (stopa).
? Na základě prohlídky poškození lze s určitou
pravděpodobností stanovit prvotní příčinu
selhání.
Organizace ISO vynaložila značné úsilí na
definování různých příčin selhání a jejich klasifikaci.
Na základě této práce vyšla v roce
2004 norma ISO 15243. Pokud se podrobněji
podíváme na selhání ložisek, lze stanovit
6 hlavních příčin selhání, které je možné dále
rozdělit na několik vedlejších příčin.
Rozdělení je založeno na třech hlavních
hlediscích:
? poškození a změny, k nimž dochází za
provozu (po expedování ložiska z výrobního
závodu)
? charakteristické formy změny vzhledu,
které souvisejí s určitými příčinami
? rozdělení podle viditelných vlastností
(včetně zvětšovacích přístrojů, jako např.
mikroskopů).
Vysvětleme si jednotlivé
příčiny selhání:
ÚNAVA MATERIÁLU
Únava vznikající pod povrchem představuje
zhoršení vlastností materiálu. Je způsobena
cyklickým namáháním materiálu bezprostředně
pod povrchem oběžné dráhy, které v konečném
důsledku vyvolalo rozpad materiálu. Pod
povrchem jsou vyvolávány a vzniknou trhliny,
šířící se směrem k povrchu, a dochází k odlupování
materiálu.
Únava vznikající na povrchu je způsobena
nedostatečným mazáním. Účelem maziva je
vytvořit mazivový film, který oddělí pohyblivé
díly. V případě nedostatečného mazání, např.
z důvodů znečištění nebo nesprávné viskozity,
dochází ke styku kov na kov. Nerovnosti
na povrchu (vrcholky) se vzájemně dotýkají/
/smý kají a vyvolávají na povrchu smykové napětí.
Únava materiálu podporuje vznik trhlin
a následné mikroodlupování. Zpočátku může
mít materiál lesklý povrch, protože je snížena
drsnost povrchu, ale s postupem tohoto procesu
získává povrch matnější vzhled a dochází
ke vzniku stále většího poškození.
OPOTŘEBENÍ
Opotřebení je typický jev, který se vyskytuje na
stykových plochách mezi pohybujícími se díly.
Většinou mu nelze zabránit. Provozní podmínky
však mohou vyvolat opotřebení již v počátečním
stadiu provozu ložiska. Opotřebení se rozděluje
na „abrazivní” a „adhezní” a je způsobeno rozdílem
otáček pracovních stykových ploch. Příčinou
rozdílných otáček může být kinematický smykový
pohyb, zrychlení a/nebo zpomalení.
Abrazivní opotřebení je způsobeno abrazivními
částicemi v mazivu. Mohou to být částice nečistot
z okolí nebo z uložení – např. částice oděru
z ozubených kol. Abrazivní částice způsobují
opotřebení povrchů oběžných drah a valivých
těles. Za běžných podmínek dochází ke vzniku
matných povrchů. Pokud jsou však abrazivní
částice velmi jemné a tvrdé, jako např. cementový
prach, mohou mít lešticí účinek a vytvoří
zrcadlově lesklé plochy. Jestliže je uložení utěsněno
nedostatečně, popř. není utěsněno vůbec,
částice nečistot proniknou do ložiska. Analýza
maziva může odhalit původ nečistot a pomoci
nalézt řešení problému.
Adhezní opotřebení se vyskytuje především
na stykových plochách, na něž působí malé
zatížení, které jsou nedostatečně mazané a na
nichž dochází k prokluzování valivých těles
při výrazných změnách rychlosti. Jako příklad
lze uvést přechod valivého tělesa z nezatížené
oblasti do zatížené. Valivé těleso může zpomalit
v nezatížené oblasti a zrychlit při návratu
do zatížené oblasti. Výsledkem je porušení mazivového
filmu, smykový pohyb, vývin tepla
a případně i přenos materiálu z valivého tělesa
na oběžnou dráhu a naopak. V počátečním stadiu
jsou povrchy lesklé, avšak rychle získávají
matný vzhled vlivem (většího či menšího) oděru
materiálu.
KOROZE
Koroze způsobená vlhkostí může být příčinou
vážného poškození ložiska. Na rozdíl
od ostatních druhů poškození vzniká koroze
rychle a proniká hluboko do materiálu. Její
vznik podporuje přítomnost vody, agresivních
kapalin nebo vlhkosti. Tento typ koroze může
vyvolat také vysoká vlhkost vzduchu nebo
dotek prstů na oběžné dráze. Z toho důvodu
je důležité zajistit dobrou ochranu ložiska.
Koroze často vzniká v nepohyblivém ložisku
a v takovém případě jsou patrné její stopy
v místech odpovídajících rozteči valivých těles.
Hloubková koroze vyvolá předčasné selhání
ložiska.
Styková koroze může být neobyčejně škodlivá.
Prvotní příčinou jsou mikropohyby
mezi dvěma zatíženými plochami. Styková
koroze nejčastěji vzniká mezi vnějším povrchem
ložiska a tělesem a/nebo mezi dírou
ložiska a hřídelí. Tyto mikropohyby jsou
většinou způsobeny cyklickým zatěžováním
při průchodu valivých těles. Příčinou může
být nevhodné uložení, průhyb hřídele a/nebo
vady stykových ploch. Tyto jevy mohou také
urychlit vznik stykové koroze. Pokud na
nechráněné povrchy působí vzduch, průběh
koroze tím může být urychlen. Vzniklý oxid
železa má větší objem než čistá ocel. Materiál
se tedy zvětšuje a vyvolává větší napětí, které
působí i na oběžné dráhy ložiska, a tedy dochází
k předčasné únavě materiálu pod povrchem.
Styková koroze může vyvolat prasknutí
kroužku.
K nepravému brinellování, neboli třecí korozi,
dochází v místě styku valivého tělesa
a oběžné dráhy vlivem mikropohybů a návratu
do původního tvaru v místě pružného styku při
působení cyklických vibrací. Tento typ poškození
vzniká, když se zatížené ložisko nepohybuje,
a proto se poškození nacházejí v místech
odpovídajících rozteči valivých těles. V závislosti
na intenzitě vibrací, stavu maziva a zatížení
může vzniknout kombinace koroze a opotřebení,
která způsobí mělké vtisky na oběžné
dráze. Za normálních podmínek vibrace poruší
(ochranný) mazivový film, a tedy dojde
ke styku kov na kov a abrazivnímu opotřebení.
Z toho důvodu mají plochy matný vzhled, jsou
často zbarvené a někdy načervenalé vlivem
koroze z vlhkosti. U některých ložisek mohou
být vtisky lesklé, protože mazivo zůstalo pravděpodobně
v místě styku, a tedy nedocházelo
k abrazivnímu opotřebení. Nepravé brinellování
způsobuje kulové vtisky v oběžných drahách
kuličkových ložisek a podlouhlé vtisky
u ložisek s čárovým stykem.
ELEKTRICKÁ EROZE
Jakýkoliv elektrický proud procházející ložiskem
může vyvolat jeho poškození.
K poškození způsobenému vysokým napětím
dochází při průchodu elektrického proudu
ložiskem, tzn. proud je veden valivými
tělesy z jednoho kroužku do druhého. V místě
styku dochází k jevu podobnému obloukovému
svařování (vysoká proudová hustota
na malé stykové ploše). Materiál je ohříván
na teplotu v rozsahu od popouštěcí teploty do
teploty tavení. Projevuje se to různě velkými
zabarvenými plochami, na nichž je materiál
popouštěn, opětovně zakalen nebo roztaven.
V místech, na nichž došlo k roztavení materiálu,
se vytvářejí krátery (o velikosti od cca
0,1 do 0,5 mm).
Poškožení ložiska může být kvalifikováno
podle 6 hlavních příčin selhání.
Příčinou poškození průchodem elektrického
proudu jsou bludné elektrické proudy, které
procházejí ložiskem a jsou často vyvolány kolísáním
frekvence. Hlavní viditelné poškození
představují drážky, kterým se říká zvlnění.
Tyto drážky mají tvar stykové elipsy v kuličkových
ložiscích a stykových čar v ložiscích
s čárovým stykem. Valivá tělesa jsou většinou
zabarvená rovnoměrně. Na rozdíl od poškození
vysokým napětím prochází proud větší
plochou, a tedy výsledná intenzita proudu
je menší a teplota je nižší. Z toho důvodu je
hlavním viditelným poškozením popouštění
tzn. změknutí ocele. Prohlídka při vysokém
zvětšení, popř. mikroskopem většinou prokáže
přítomnost kráterů.
PLASTICKÁ DEFORMACE
K trvalé deformaci dochází vždy při překročení
mezi průtažnosti materiálu.
Nadměrné zatížení je vyvoláno statickým
nebo rázovým zatížením a způsobuje plastickou
deformaci. Plastická deformace se může
projevovat vtisky v místech, jejichž vzdálenost
odpovídá rozteči valivých těles. Velmi
často jsou příčinou tohoto problému nesprávné
montážní postupy, např. působení montážní
síly na nesprávný kroužek, a tedy rázové zatížení
přenášejí valivá tělesa.
Vtisky způsobené cizími částicemi
jsou vyvolány cizími částicemi (nečistotami),
které pronikly do ložiska a jsou
zaválcovány do oběžných drah valivým
tělesem. Velikost a tvar vtisků závisí
na povaze částic. Geometrie oběžné dráhy
v místě vtisku je porušena a je zhoršena
kvalita mazání. Na povrchu vzrůstá
napětí a únava materiá lu způsobí předčasné
odlupování materiálu z povrchu.
Vtisky způsobené neopatrným zacházením
mohou vzniknout v případě, že
plochy ložiska jsou poškozeny tvrdým
ostrým předmětem. S ložisky je tedy
nutno vždy zacházet opatrně. Ačkoli
jsou vyrobena z nejkvalitnější ocele,
místní nadměrné zatížení, které vznikne
např. pádem ložiska, může způsobit
vtisk na povrchu a ložisko už nemusí být
provozuschopné.
LOM A TRHLINY
Lom (nebo trhlina) vznikne v případě,
že u materiálu je překročena pevnost
v tahu.
Lom způsobený vnějšími silami je vyvolán
koncentrací napětí, které je větší
než pevnost materiálu v tahu vlivem působení
nadměrného zatížení nebo napětí.
Následující dvě příčiny jsou nejběžnější:
? hrubé zacházení (úder) při montáži
nebo demontáži ložiska. Údery kladiva
vedené na kalený sekáč přiložený přímo
ke kroužku ložiska mohou způsobit
jemné trhliny a následné odlomení
části ložiska jakmile je ložisko uvedeno
do provozu
? nadměrné posunutí na kuželové
úložné ploše nebo pouzdru. Přitom
vzniknou vysoká tažná napětí (obručová
napětí), která vyvolají v kroužku trhliny
jakmile je ložisko uvedeno do provozu.
Únavový lom vznikne při překročení
únavové pevnosti při ohybu. Vzniklá trhlina
se šíří dál a nakonec praskne kroužek
nebo klec. K únavovému lomu dochází
v případě, je-li zvolen příliš velký přesah,
který vyvolá vysoká tažná/obručová
napětí. Kombinace Hertzova a tažného/
/obručového napětí může být příčinou
předčasné únavy materiálu a prasknutí
kroužku.
Tepelné trhliny mohou vzniknout při
smýkání dvou ploch po sobě. Třecí teplo,
které se přitom vyvíjí, vyvolává vznik
trhlin. Trhliny se v zásadě šíří ve směru
kolmém ke směru kluzného pohybu.
ZÁVĚR
Velkému procentu případů selhání
ložisek lze předejít. Důkladná analýza
selhání ložiska může odhalit prvotní
příčinu a přijetím odpovídajících opatření
je možné zabránit opakovanému
selhávání ložisek. SKF využívá více než
stoleté zkušenosti v oblasti inovace ložisek,
zkušenosti v oblasti aplikací ložisek
a odborné znalosti v mnoha technických
oblastech, které pomáhají zákazníkům
ke správné volbě ložisek dle jejich požadavků.
Technici a konzultanti ze společnosti
SKF vás na základě zjištěných
dat přesvědčí o vhodnosti použití daného
typu ložiska, jež zamezí vzniku jeho nečekaného
poškození.
Tipy pro údržbu
Podle odborníků SKF, ze společnosti
s více než stoletou zkušeností v oboru
výroby a expertizy ložisek, dodržování
některých základních pravidel údržby
může často přispět k prodloužení provozní
trvanlivosti ložiska.
? Řiďte se specifikací: ložisko je vyrobeno
pro určité zatížení, pro určité otáčky
atd.
? Na ložisko nesmí působit příliš
velké zatížení (ani příliš malé), ani se
nesmí otáčet s příliš vysokými otáčkami.
Nabídka obsahuje velké množství
ložisek. Je důležité vybrat takové ložisko,
které je vhodné pro příslušný způsob
použití. Přesvědčte se, zda jsou zvoleny
správné tolerance a uložení.
? Podle možností zkontrolujte, zda je
provedeno ustavení (nesouosost) s potřebnou
přesností.
? Čistota: čisté prostředí při montáži
představuje základní předpoklad dosažení
dlouhé provozní trvanlivosti ložiska.
? Nářadí: vždy používejte odpovídající
nástroje k montáži a demontáži.
Nevhodné nářadí může vyvolat předčasné
poškození ložisek.
? Utěsnění: přesvědčte se, zda bylo
zvoleno správné utěsnění a zda je zajištěna
řádná funkce těsnění.
? Mazání: účinné mazání má zásadní
důležitost. Příliš malé nebo naopak příliš
velké množství maziva či nesprávné
mazání může vyvolat předčasné selhání
ložiska. Přesvědčte se, zda je používáno
správné mazivo ve správnou dobu
a ve správném množství.
Pochopení prvotních příčin selhání ložisek
má vliv nejen na zajištění spolehlivého
chodu ložisek, ale může také zabránit
nákladným odstávkám. Ačkoli většina
ložisek pracuje v uložení velmi spolehlivě,
selhání zbývajících ložisek může
mít vážné následky. Příčiny poškození
ložisek jsou v současné době definovány
ISO. S využitím těchto informací lze
zajistit, aby ložisko pracovalo v příslušném
uložení bez problémů. Klasifikace
ISO zlepšuje komunikaci, tzn., zabraňuje
nedorozuměním. Správně označené poškození
pomáhá pochopit to, co se stalo,
najít prvotní příčinu a stanovit řešení
(zákazníkova) problému.
Více informací na www.skf.cz
Zdroj: SKF Ložiska, a. s.
