Eksploatacja i diagnostyka łożysk tocznych w napędach elektrycznych – część I

 

Łożyska, w tym łożyska toczne, są wyrobem technicznym znormalizowanym międzynarodowo, produkowanym na masową skalę przez wyspecjalizowane fabryki. Łożyska toczne należą do tych nielicznych elementów maszyn, których konstruktor na ogół nie konstruuje tylko dobiera spośród dostępnych katalogowo.

 

Jednym z najczęściej stosowanych zespołów maszynowych w życiu codziennym oraz w przemyśle jest napęd elektryczny. We wszystkich silnikach elektrycznych ułożyskowanie jest jednym z elementów najważniejszych. Niekiedy jest nazywane sercem danej maszyny. Wśród statystyk przyczyn awarii maszyn elektrycznych na pierwszym miejscu, nie tylko w naszym kraju, ale praktycznie w całym uprzemysłowionym świecie, znajdują się uszkodzenia łożysk tocznych i izolacji uzwojeń. Skutkuje to poważnymi stratami ekonomicznymi i jest dotkliwe finansowo. Stan techniczny łożysk tocznych i izolacji uzwojeń to zagadnienia newralgiczne dla poprawnego funkcjonowania napędów elektrycznych [10, 11].

Udział łożysk w ogólnym koszcie maszyn jest najczęściej mały lub bardzo mały, jednak ze względu na funkcję, jaką spełniają oraz ze względu na statystyki uszkodzeń, eksploatacja, obsługa i diagnostyka stanu technicznego łożysk tocznych mają zasadnicze znaczenie w życiu codziennym i w praktyce przemysłowej. Konsekwencje uszkodzeń łożysk tocznych bywają bardzo poważne. Jak podają eksperci, prof. Stathis Ioannides, dyrektor Oddziału Badań i Rozwoju Produktów SKF i Bo Trygg, kierownik Oddziału Obsługi klientów SKF, „uszkodzenie łożyska za dziesięć dolarów może spowodować straty sięgające tysiące dolarów na godzinę, jeżeli łożysko ulegnie uszkodzeniu podczas pracy maszyny” (Evolution” 1997/7).

Z obserwacji i badań autora wynika, że w kraju zużycie łożysk tocznych jest zbyt duże w stosunku do zainstalowanych maszyn i urządzeń. W ocenie autora swoistym grzechem narodowym, brzemiennym w przykre skutki finansowe, jest nasze podejście do obsługi, serwisu i eksploatacji łożysk tocznych, „serca” większości maszyn i urządzeń. Konieczna zmiana złych nawyków, bardzo rozpowszechnionych, przejawiająca się w powiedzeniu fachowca „idę nabijać łożysko”, gdy w rzeczywistości chodzi o wymianę łożyska. Łożyskowa wiedza podstawowa przeciętnego użytkownika łożysk tocznych, czyli każdego z nas, w ujęciu globalnym jest niewystarczająca. Przemysł wytwarza na co dzień coraz to bardziej skomplikowane maszyny i urządzenia i przeciętny Kowalski korzysta z nich coraz intensywniej. Niewłaściwa eksploatacja, diagnostyka, obsługa i serwis łożysk tocznych generują codziennie niepotrzebne dodatkowe koszty.

 

Uwagi ogólne

Użytkownik maszyn powinien znać typy łożysk tocznych, warunki prawidłowego ich działania, zakres stosowania, warunki montażu i demontażu. W węzłach łożyskowych silników elektrycznych łożyska toczne (rys. 1) stosowane są tam, gdzie jest to tylko możliwe ze względów technicznych [4–8]. Ograniczenia w ich stosowaniu wynikają głównie z maksymalnych obciążeń oraz granicznych prędkości obrotowych [3]. W eksploatowanych na co dzień i w przemyśle silnikach zdecydowanie dominują łożyska toczne. Czynione są starania, aby łożyska toczne stosować w silnikach o coraz większych mocach.

Autor w oparciu o swoje doświadczenia z eksploatacji silników z łożyskami tocznymi i ślizgowymi stwierdza, że uszkodzenia silników spowodowane uszkodzeniami łożysk ślizgowych zdarzają się rzadko lub bardzo rzadko. Zupełnie inaczej przedstawia się to dla silników z łożyskami tocznymi. Uszkadzanie łożysk ślizgowych prawie zawsze przebiega powoli, natomiast uszkadzanie łożysk tocznych bardzo często jest gwałtowne.

Wirniki silników elektrycznych mają najczęściej jedno z następujących ułożyskowań [4, 6]:

  • na dwóch łożyskach kulkowych,
  • na jednym łożysku kulkowym i jednym walcowym,
  • na dwóch łożyskach walcowych,
  • na jednym łożysku baryłkowym i jednym walcowym,
  • na dwóch łożyskach baryłkowych,
  • na dwóch walcowych i jednym kulkowym.

Małe silniki mogą mieć po obu stronach łożyska kulkowe.

W silnikach średnich i większych mocy występuje układ łożysk, który dla właściwego podparcia i ustalenia położenia wału wymaga łożyska ustalającego i łożyska swobodnego [7]. Łożysko ustalające zapewnia promieniowe podparcie i osiowe ustawienie wirnika w obu kierunkach. Jako łożyska ustalające muszą być stosowane łożyska przenoszące obciążenia zarówno promieniowe, jak i osiowe. Są to najczęściej łożyska kulkowe zwykłe, łożyska baryłkowe, pary jednorzędowych łożysk kulkowych skośnych, niekiedy pary łożysk skośnych. Łożysko swobodne zapewnia tylko promieniowe podparcie wału i musi umożliwić przesuw poosiowy. Przemieszczenie osiowe może mieć miejsce w samym łożysku (np. w łożysku walcowym) lub pomiędzy pierścieniem łożyska i jego osadzeniem. Takie rozwiązanie umożliwia dostosowanie się do ruchów termicznych wirnika (wydłużenie i kurczenie się). Ze względu na występowanie znacznych różnic temperatur pomiędzy stojanem a wirnikiem oraz ze względu na znaczne prędkości obrotowe w większości silników stosuje się łożyska z luzem promieniowym większym od normalnego (C3). Unika się w ten sposób niebezpieczeństwa zatarcia łożysk wskutek zaniku luzu [3–7].

 

Łożyska toczne w silnikach

Rodzaj i wielkość zastosowanego łożyska zależą od działających sił zewnętrznych, oczekiwanego czasu eksploatacji i niezawodności. Wybór danego łożyska implikuje głównie kierunek i rodzaj obciążenia oraz przewidywana prędkość obrotowa maszyny. Uwzględnić należy również dostępną objętość do zabudowy, spodziewaną temperaturę pracy, możliwy montaż, rodzaj uszczelnienia i smarowania.

Rys. 1. Części składowe łożyska tocznego [4, 5]

 

Podział łożysk tocznych

Łożyska toczne można podzielić na (rys. 2) [4, 5]:

  1. a) poprzeczne,
  2. b) wzdłużne,
  3. c) skośne.

 

a)       b)      c) 

 

Rys. 2. Rodzaje łożysk ze względu na wartość nominalnego kąta działania łożyska: a) łożysko poprzeczne, b) łożysko wzdłużne, c) łożysko skośne [4, 5]

 

Łożyska toczne ze względu na kształt elementu tocznego dzielą się na (rys. 3) [4, 5]:

1) kulkowe,

2) wałeczkowe:

  1. a) walcowe,
  2. b) igiełkowe,
  3. c) stożkowe,
  4. d) baryłkowe.

 

a)      b)      c)     d)  

                      Rys. 3. Rodzaje elementów tocznych: a) walec, b) igiełka, c) stożek, d) baryłka [4, 5]

 

Łożyska toczne ze względu na możliwość wychyleń kątowych pierścienia wewnętrznego względem pierścienia zewnętrznego można podzieli na (rys. 4) [4, 5]:

  1. a) zwykłe,
  2. b) wahliwe,
  3. c) samonastawne.

 a)    b)    c)

Rys. 4. Rodzaje łożysk ze względu na możliwość wychyleń kątowych pierścienia wewnętrznego względem pierścienia zewnętrznego: a) zwykłe, b) wahliwe, c) samonastawne [4, 5]

 

Łożyska toczne ze względu na możliwość odłączenia elementów łożyska dzieli się na[4, 5]:

  1. nierozłączne,
  2. rozłączne.

 

Łożyska kulkowe w wykonaniu specjalnym

Elementy toczne łożysk kulkowych są w stanie przenosić zarówno obciążenia promieniowe, jak i osiowe. Dużą zaletą łożysk kulkowych jest możliwość pracy przy wysokich prędkościach obrotowych. Mają one ściśle określone wymiary, które są znormalizowane, a ich dane parametryczne są dostępne w katalogach firmowych firm zajmujących się ich produkcją [5, 7]. W zależności od zastosowania łożyska kulkowe mogą być dostarczone w różnych wykonaniach, najczęściej spotykane wykonania to: łożyska kulkowe zwykłe z luzami powiększonymi lub pomniejszonymi. Wykonania specjalne to np. łożyska o podwyższonej dokładności ponadto przystosowanych do pracy przy dużych prędkościach obrotowych przez zastosowanie specjalnych koszy. Wymienić należy również wykonania zamknięte: 2Z (zastosowanie blaszek ochronnych po obu stronach), 2RS (zastosowanie uszczelek gumowych po obu stronach łożyska) oraz wykonanie z rowkiem znajdującym się na pierścieniu zewnętrznym (oznaczenie N), mającym za zadanie ustalenie łożyska w tarczy łożyskowej lub w oprawie za pomocą metalowego pierścienia (oznaczenie R). Łożyska kulkowe w wykonaniu 2Z lub 2RS dostarczane są zazwyczaj przez producenta napełnione odpowiednim smarem, wystarczającym w większości przypadków na cały okres eksploatacji łożyska, zmniejszając w ten sposób do minimum problemy związane z jego obsługą i dosmarowywaniem w czasie eksploatacji. Temperatura pracy takich łożysk mieści się w granicach od –30°C do +100°C.

 

Łożyska ceramiczne i całoceramiczne

Łożyska ceramiczne to takie, w których bieżnie i kulki są ceramiczne, a koszyk wykonany jest z tworzywa sztucznego. Łożyska całoceramiczne (rys. 5) mają również elementy wykonane z ceramiki, ale nie mają koszyka. Materiałami najczęściej wykorzystywanymi do produkcji łożysk ceramicznych są dwutlenek cyrkonu, azotek krzemu i węglik krzemu. Materiały te charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami fizycznymi, które pozwalają na zastosowanie w wyjątkowo trudnych warunkach pracy, gdzie użytkowanie standardowych łożysk stalowych w znaczący sposób zmniejszyłoby trwałość węzłów łożyskowych. Łożyska te stosuje się w silnikach zasilanych z falowników, aby zapobiec uszkodzeniom łożysk przez prądy łożyskowe.

Najważniejsze właściwości łożysk ceramicznych [1, 2, 4–11]:

  • Odporność na korozję – tworzywa ceramiczne charakteryzują się bardzo dobrą odpornością chemiczną nawet w wysokich temperaturach, mogą np. pracować zanurzone w kwasie lub pracować w jego oparach.
  • Wysoką lub niską temperaturę – łożyska ceramiczne mogą pracować w zakresie temperatur od –50°C do +350°C. Ograniczeniem maksymalnej temperatury jest materiał, z jakiego wykonany jest koszyk łożyska (PA, PTFE lub PEEK). Łożyska całoceramiczne mogą pracować w znacznie wyższych temperaturach w zakresie od –50°Cdo + 1350°C. Brak koszyka daje możliwość pracy w najtrudniejszych warunkach.
  • Niemagnetyczność – tworzywa ceramiczne wykorzystywane do produkcji łożysk nie są magnetyczne i mogą bez zakłóceń pracować w polu magnetycznym.
  • Trwałość – dwutlenek cyrkonu, azotek krzemu oraz węglik krzemu są tworzywami o bardzo wysokiej twardości i bardzo dobrej odporności na ścieranie.
  • Samosmarowność – łożyska ceramiczne nie wymagają smarowania nawet podczas najtrudniejszych warunków pracy, tj. wysokiej temperatury, korozyjnego środowiska czy próżni.
  • Izolacyjność – dwutlenek cyrkonu i azotek krzemu są izolatorami.

Rys. 5. Łożysko całoceramiczne o rozmiarze 6204 obustronnie zamknięte

 

Łożyska hybrydowe

Łożyska kulkowe hybrydowe (rys. 6) należą do grupy łożysk tocznych o specjalnym wykonaniu konstrukcyjnym przeznaczonym do zastosowania w silnikach bądź maszynach narażonych na wpływ czynników zewnętrznych i wewnętrznych przyczyniających się do szybszej ich degradacji. W porównaniu ze standardowymi łożyskami stalowymi łożyska hybrydowe posiadają obie bieżnie wykonane z wysokogatunkowej stali nierdzewnej lub stali chromowej, natomiast elementy toczne wykonane są z ceramiki specjalnej. Głównym materiałem stosowanym do produkcji elementów tocznych jest azotek krzemu, rzadziej stosowany jest dwutlenek cyrkonu. Materiały te, podobnie jak w przypadku łożysk całoceramicznych, charakteryzują się bardzo dobrą odpornością na wpływ czynników chemicznych, jak również posiadają właściwości elektroizolacyjne. Oprócz doskonałych właściwości w zakresie izolacji elektrycznej łożyska hybrydowe cechuje wyższy zakres prędkości roboczych oraz większa trwałość w porównaniu z łożyskami wykonanymi wyłącznie ze stali w większości zastosowań. Najważniejsze właściwości łożysk hybrydowych to [1, 2, 4–11]:

  • Wydłużona żywotność – wytrzymują do 5 razy dłużej od łożysk stalowych.
  • Mała masa elementów tocznych – azotek krzemu jest trzykrotnie lżejszy od stali.
  • Bardzo niskie opory toczenia – nawet o 70% mniejsze opory toczenia.
  • Ceramiczne elementy toczne – nie korodują, nie są magnetyczne, są bardzo twarde i odporne na ścieranie.
  • Maksymalna prędkość obrotowa – do 400 000 obr./min.
  • Izolacyjność – elementy toczne izolują bieżnie względem siebie (nie dotyczy to łożysk
    z osłonami typu 2Z).

Rys. 6. Łożysko hybrydowe rozmiarze 6204 obustronnie zabudowane pierścieniem gumowym

 

Łożyska INSOCOAT®

Jest to grupa łożysk tocznych produkowanych przez firmę SKF (rys. 7) [5, 7]. W ich budowie zastosowano powlekanie pierścieni wewnętrznych i zewnętrznych związkiem tlenku glinu o grubości 100 μm, który jest odporny na napięcia prądu stałego do 1000 V. Poprzez powlekanie metodą napylania plazmowego uzyskuje się niezwykle spójne powłoki o jednolitej grubości, które następnie poddaje się dalszej obróbce w celu uodpornienia ich na wilgoć [5, 7]. Łożyska INSOCOAT® SKF są wytrzymałe i należy je obsługiwać w taki sam sposób jak normalne łożyska nieizolowane [5, 7]. Łożyska te stanowią bardzo oszczędne rozwiązanie w porównaniu z innymi metodami izolacji stosowanymi do ochrony łożysk przed prądami łożyskowymi.

Rys. 7. Łożyska INSOCOAT® produkcji firmy SKF [5, 7]

 

Łożyska INSOCOAT® z powlekanym pierścieniem zewnętrznym zapewniają izolację elektryczną na zewnętrznych powierzchniach pierścienia zewnętrznego i należą do najpowszechniejszych łożysk INSOCOAT [5, 7]. Łożyska INSOCOAT® z powlekanym pierścieniem wewnętrznym zapewniają izolację elektryczną na zewnętrznych powierzchniach pierścienia wewnętrznego, lepszą ochronę przed erozją elektryczną wskutek zwiększonej impedancji dzięki mniejszej powierzchni pokrywanej powłoką ochronną [5, 7]. Warstwa INSOCOAT zapewnia skuteczną ochronę przed prądem zmiennym i stałym. Minimalna rezystancja wynosi 50 MΩ przy przepływie prądu stałego wywołanym napięciem 1000 V. Próby przeprowadzone przez SKF wykazały, że przebicie elektryczne warstwy izolacyjnej następuje w przypadku oddziaływania napięcia stałego większego od 3000 V. Podczas montażu z łożyskami INSOCOAT należy się obchodzić w taki sam sposób jak z łożyskami standardowymi. Ważne jest zastosowanie właściwego smarowania, aby móc w pełni wykorzystać ich trwałość.

 

Uszkodzenia łożysk tocznych i ich przyczyny

W łożyskach tocznych występują dwa naturalne procesy zużycia [3, 10, 11]:

  • zużycie zmęczeniowe,
  • ścierne zużycie powierzchni roboczych.

Ścieranie się powierzchni łożysk narasta w miarę upływu czasu ich eksploatacji. Przetaczanie się części tocznych powoduje zmiany jakościowe w materiale. Zmęczenie powierzchni, których zewnętrznym objawem jest wykruszanie się fragmentów łożyska, występuje w końcowym okresie trwałości łożyska. Zjawisko to przebiega lawinowo i prowadzi do tzw. śmierci technicznej łożyska. Wystąpienie zmęczeniowego zużycia powierzchni zostało przyjęte za podstawę kryterium obliczania trwałości łożysk – L10 [4–8].

Obok trwałości nominalnej L10 w literaturze [4–8] spotyka się pojęcie „trwałości eksploatacyjnej łożysk tocznych” oraz „trwałości dokumentacyjnej łożysk tocznych”. Trwałość eksploatacyjna jest rzeczywistą trwałością osiągniętą przez dane łożysko, zanim stanie się ono niezdolne do użytku. Trwałość dokumentacyjna łożyska tocznego jest trwałością określoną przez konstruktora maszyny i opiera się na hipotetycznych danych dotyczących obciążenia i prędkości przyjętych przez konstruktora dla konkretnego przypadku [4–8].

Bardzo ważnym zagadnieniem jest statystyka uszkadzania się łożysk tocznych. Te kwestie są przedmiotem intensywnych badań czołowych producentów łożysk tocznych. SKF w publikacjach z lat 1999–2004 [4] podaje wyniki swoich badań w tym zakresie. Przedstawiono je poglądowo na rysunku 8. Analizując informacje zawarte na tym rysunku, podane w oparciu o dostępne wyniki badań, należy sformułować wniosek, że przedwczesnych jest aż 66% uszkodzeń łożysk tocznych (36% + 16% + 14%). Tylko 34% uszkodzeń wynika z naturalnego procesu zużycia. Analizując dalej wyniki badań, należy stwierdzić, że prowadząc właściwą eksploatację i diagnostykę maszyn, można zapobiec aż 66% uszkodzeniom łożysk tocznych. Kolejny ważny wniosek to stwierdzenie, że aż 50% przedwczesnych uszkodzeń łożysk tocznych jest spowodowane złym smarowaniem i zanieczyszczeniem smaru, 16% uszkodzeń to zły montaż. Aktualnych krajowych statystyk w zakresie przyczyn uszkodzeń łożysk tocznych w silnikach elektrycznych autor nie spotkał. Producenci silników indukcyjnych klatkowych wysokiego napięcia (WN) i maszyn elektrycznych będących podstawą napędów przemysłowych trwałość dokumentacyjną łożysk tocznych oceniają na 50 000–60 000 godzin [10, 11]. W silnikach niskich napięć trwałość dokumentacyjna jest szacowana na 20 000–30 000 godzin [10, 11]. W praktyce eksploatacyjnej ta trwałość, czyli trwałość eksploatacyjna, jest mniejsza. Przeciętnie czas życia łożysk tocznych w silnikach WN w warunkach krajowych jest mniejszy – ok. 20 000–45 000 godzin, zdarza się, że mniej niż 20 000 godzin. Dla silników niskich napięć ta relacja jest podobna [10, 11].

 

Rys. 8. Statystyka uszkodzeń łożysk tocznych wg SKF [4]

 

Systematyzując podawane w literaturze rodzaje uszkodzeń łożysk tocznych w silnikach [1–11] i konfrontując to z praktyką przemysłową, poniżej przedstawiono najtrafniejsze zdaniem autora ich wyszczególnienie [10, 11]:

  • łuszczenie (złuszczenie),
  • pęknięcia i wykruszenia,
  • zatarcia,
  • wgniecenia i nienormalne zużycie,
  • zakleszczanie,
  • uszkodzenia w wyniku przepływu prądu elektrycznego,

W literaturze można spotkać również inny podział rodzajów zużycia łożysk tocznych, np. wprowadzony przez Normę Międzynarodową ISO 15243. Rolling bearings – Damage and failures – Terms, characteristics and causes. Stosowny podział uszkodzeń przedstawia rysunek 9.

W ocenie autora na niezawodną pracę łożysk tocznych w napędach elektrycznych składa się szereg czynników, m.in:

  • dobry projekt węzła łożyskowego,
  • dobra jakość łożysk,
  • właściwy montaż łożysk, prawidłowe osiowanie napędu,
  • zapewnienie właściwych warunków i środowiska pracy,
  • prawidłowa eksploatacja i obsługa w tym właściwe smarowanie,
  • prawidłowa diagnostyka,
  • właściwy demontaż uszkodzonego łożyska, inspekcja uszkodzonego łożyska, określenie przyczyn uszkodzenia łożyska.

Rys. 9. Podział uszkodzeń łożysk tocznych według normy ISO 15243

 

Rys. 10. Cykl życia łożysk tocznych [4]

 

Wszystkie te elementy składają się na całościową koncepcję eksploatacji i obsługi łożysk tocznych w napędach elektrycznych. Łącząc je w jedną całość, tworzymy cykl życia łożyska tocznego (rys. 10). Doświadczenia i badania autora wskazują, że przyczyną nadmiernego zużycia łożysk tocznych w silnikach w warunkach krajowych jest przede wszystkim: zły montaż łożysk oraz złe smarowanie, połączone z podawaniem do komory łożyskowej zanieczyszczonego smaru [10, 11]. Bardzo często wymiany łożysk tocznych dokonuje się bez legalizacji tarcz łożyskowych. Nowe łożyska montuje się w tarcze, które mają nadmierny luz. Zamiast zastosować nowe tarcze łożyskowe, przeprowadza się najczęściej nieudaną regenerację tarcz przez ich tulejowanie lub montuje się łożyska, używając specjalistycznych klejów, napunktowując powierzchnię tarcz lub nawet samego wału (rys. 11a). Silnik taki po krótkim czasie ma łożyska do kolejnej wymiany. Radykalnym i pozytywnym w skutkach rozwiązaniem jest wymiana tarcz łożyskowych na nowe.

Uszkodzenie łożyska powoduje najczęściej zatarcie czopa łożyskowego na wale silnika (rys. 11b) towarzyszy temu wytarcie i zużycie powierzchni osadczej łożyska w gnieździe łożyskowym w tarczy silnika. W silnikach pionowych uszkodzeniu ulega najczęściej górne łożysko promieniowe i pod nim następuje zatarcie czopa łożyskowego. Najczęściej dochodzi do uszkodzenia łożyska po stronie napędowej. Może temu towarzyszyć pęknięcia wału w strefie czopa łożyskowego (rys. 12a) lub nawet urwanie końcówki wału. W ostatnim etapie awarii ma miejsce działanie momentów bezwładności urządzania napędzanego, następuje wtedy nagłe zahamowanie wirnika w wyniku jego tarcia o rdzeń stojana, powodując zatarcie blach stojana i wirnika (rys. 12b i c).

Uszkodzone czopy łożyskowe naprawia się w zakładach remontowych najczęściej poprzez napawanie i obróbkę skrawaniem. Nie jest to metoda pewna, szczególnie wtedy, gdy naprawiamy czop łożyskowy od strony napędowej silnika. Praktyka wskazuje, że w krótkim czasie może nastąpić kolejna awaria, w tym urwanie końcówki wału.

 

a)      b)   

Rys. 11.Wał silnika: a) wał napunktowany, b) zatarcie czopa łożyskowego, wytarcie i zużycie powierzchni osadczej łożyska w gnieździe łożyskowym

 

a)    b)    c) 

Rys. 12. Uszkodzenia silnika: a) pęknięcie czopa łożyskowego, b) zatarcie blach stojana, c) zatarcie blach wirnika

 

Uszkodzeniu łożyska towarzyszy wzrost temperatury węzła łożyskowego ponad wartość dopuszczalną dla normalnej pracy. Temperatura łożysk tocznych nie powinna przekraczać temperatury otoczenia o więcej niż 60oC [5, 6]. W przeciętnych warunkach eksploatacyjnych temperatura pracy łożysk nie przekracza 50–60oC. W trudniejszych warunkach eksploatacyjnych temperatura pracy łożysk jest wyższa, nie powinna jednak przekraczać 125oC. Przy wzroście temperatury w węźle łożyskowym następuje wytopienie smaru łożyskowego. Rozrzedzony smar wycieka ze strefy łożyskowej, co w krótkim czasie doprowadzi do zatarcia łożyska. W następstwie często występuje zniszczenie koszyczka. Skutkuje to nierównomiernym rozłożeniem elementów tocznych łożyska, a doprowadza to do intensywnego wycierania elementów tocznych. Intensywnie wzrasta temperatura i jest to ostatnia faza awarii łożyska. Ten stan nie powinien mieć miejsca. Wcześniej powinny zadziałać systemy zabezpieczające silnik, monitorujące temperaturę i drgania.

Jako jedną z przyczyn uszkadzania się łożysk należy wymienić wystąpienie poślizgu między elementami tocznymi łożyska i pierścieniami łożyska. Przypadek taki ma miejsce, gdy łożysko jest zbyt mało obciążone w stosunku do obciążeń nominalnych dla danego typu łożyska. Elementy toczne łożyska nie toczą się wówczas, tylko ślizgają. Towarzyszy temu wycieranie się elementów tocznych i bieżni w łożyskach. W następstwie w krótkim czasie może wystąpić trwałe uszkodzenie łożyska połączone z jego zatarciem. Problem ten występuje szczególnie w silnikach pionowych, w których w górnym węźle łożyskowym jest stosowane łożysko promieniowe (najczęściej wałeczkowe) oraz łożysko osiowe kulkowe. W tym rozwiązaniu łożysko osiowe jest obciążone siłami ciężkości wirnika i sprzęgła, a łożysko promieniowe jest obciążone jedynie siłami od nierównomiernego naciągu magnetycznego, którego wartość zależy w głównym stopniu od równomierności szczeliny powietrznej między wirnikiem i stojanem [10, 11]. Przypadek taki ma również miejsce, gdy podczas wymiany łożysk uszkodzonych w miejsce starego łożyska użyjemy nowego, nawet najnowszego, najnowocześniejszego (renomowanej firmy) o znacznie większej nośności. To nowe łożysko jest trwale niedociążone i na skutek ciągłego ślizgania ulega w krótkim czasie uszkodzeniu, ku zdziwieniu, a nawet irytacji użytkownika.

Odbieganie trwałości obliczeniowej łożysk tocznych w silnikach od trwałości faktycznej obok przyczyn już wymienionych może być spowodowane również: większym niż przewidywano obciążeniem, nieskutecznym uszczelnieniem, zbyt ciasnym pasowaniem, zbyt dużą aktywnością wibroakustyczną maszyny napędzanej przez silnik (niewywaga, niecentryczność) oraz niefachową obsługą napędów. Bardzo charakterystyczny jest błąd polegający na prowadzeniu prac spawalniczych w pobliżu węzła łożyskowego z masą usytuowaną daleko od miejsca spawania. Może to spowodować zamknięcie obwodu w trakcie spawania przez łożysko, a tym samym przepływ przez nie prądu (łuk elektryczny) i poważne uszkodzenie łożyska – ślady mikrospawania na bieżniach i elementach tocznych.

Na rysunku 13 przedstawiono przykładowe uszkodzenia łożysk tocznych w silnikach elektrycznych w napędach przemysłowych.

 

a)  b)  c) 

Rys. 13. Uszkodzenia łożysk tocznych w silnikach, przykłady: a) pęknięcia i wykruszenia, b) nienormalne zużycie, c) zatarcia, d) zakleszczanie

 

Literatura:

1.

Jones R. Hybrid ceramic bearings for machine tool applications. Application Note CM3056, SKF 2000.

2.

Kahlman L., Nilsson K., Preisinger G. Łożyska hybrydowe do maszyn elektrycznych. Evolution 2001, 3, s. 28–31.

3.

Krzeminski-Freda H. Łożyska toczne. PWN, Warszawa 1989.

4.

SKF: Katalog 2004.

5.

SKF: Rolling bearings in electric motors and generators. Publication 5230E, SKF 2004.

6.

SKF: Poradnik obsługi technicznej łożysk. Publikacja 4100 PL, SKF 1994.

7.

SKF: SKF bearing and seal replacements electric motors SKF 2004. Publication 5272, SKF 2002.

8.

SKF: Condition Monitoring: SKF SEE® Technology Background & Concept. SKF 1990.

9.

SKF Technology Conference: Beyond 16–19/05/2000.

10.

Szymaniec S. Diagnostyka stanu izolacji uzwojeń i stanu łożysk silników indukcyjnych klatkowych w warunkach przemysłowej eksploatacji. Studia i Monografie, z. 193. Wyd. Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej, Opole 2006.

11.

Szymaniec S. Badania, eksploatacja i diagnostyka zespołów maszynowych z silnikami indukcyjnymi klatkowymi. Studia i Monografie, z. 333. Wyd. Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej, Opole 2013.

 

prof. dr hab. inż. Sławomir Szymaniec

Politechnika Opolska

Oferta: automatyka magazynowa, case study, centrum logistyczne, dystrybucja, logistyka, magazyn, magazynier, operator logistyczny, palety, regały, studia przypadków, system wms, wózek widłowy, wózki widłowe

Background Image

Header Color

:

Content Color

:

Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług zgodnie z Polityką prywatności. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do cookie w Twojej przeglądarce lub w konfiguracji usługi. Polityka prywatności.