Co powoduje przegrzanie łożyska tocznego? Analiza przyczyn technicznych

Podstawowe przyczyny przegrzania łożysk tocznych

Przegrzanie rzadko wynika z pojedynczego, izolowanego czynnika. Częściej jest to wynikiem wzajemnie powiązanych warunków, które potęgują naprężenia termiczne. Poniższe kategorie przedstawiają najczęściej identyfikowane przyczyny pierwotne w zastosowaniach przemysłowych.

Błąd smarowania

Smarowanie jest podstawą każdego łożyska tocznego. Do jego podstawowych funkcji należy oddzielanie elementów tocznych od bieżni, odprowadzanie ciepła i zapobieganie korozji. Kiedy smarowanie zawodzi, tarcie wzrasta wykładniczo, generując nadmierne ciepło.

• Nieprawidłowy rodzaj lub lepkość środka smarnego: Stosowanie oleju lub smaru o lepkości zbyt dużej w stosunku do prędkości roboczej zwiększa opór i wytwarzanie ciepła. I odwrotnie, niska lepkość nie pozwala na utrzymanie wystarczającej warstwy elastohydrodynamicznej (EHD), co prowadzi do kontaktu metal-metal i nagrzewania spowodowanego tarciem.
• Degradacja smaru: Wystawienie na działanie wysokich temperatur, zanieczyszczeń lub utleniania powoduje rozkład olejów bazowych i zagęszczaczy, zmniejszając ich zdolność do tworzenia filmu. Zdegradowany smar może stwardnieć lub utracić zdolność oddzielania elementów tocznych.
• Nadmierne lub niedostateczne smarowanie: Nadmiar smaru wypełnia wnękę łożyska, powodując ubijanie i podwyższoną temperaturę pracy. Niewystarczająca ilość smaru prowadzi do głodu i warunków smarowania granicznego. Badania wskazują, że sztywniejsze smary (wyższe klasy NLGI) mogą działać lepiej w zastosowaniach wymagających dużych prędkości, ponieważ są odporne na opadanie z powrotem na ścieżkę toczenia, zmniejszając w ten sposób opór.
• Niekompatybilność: Mieszanie smarów o różnym składzie chemicznym (np. na bazie litu z polimocznikiem) może powodować zmiękczenie, twardnienie lub separację oleju, pogarszając stabilność termiczną.

Niewłaściwy montaż i dopasowanie

Zależność między łożyskiem tocznym a sąsiadującymi z nim elementami (wałem i obudową) określa luz wewnętrzny i rozkład obciążenia. Nieprawidłowy montaż bezpośrednio wpływa na wydajność cieplną.

• Nadmierne pasowanie wciskowe: Zbyt ciasne pasowanie na wale lub w oprawie ściska pierścienie łożyska, zmniejszając wewnętrzny luz promieniowy. Zmniejszenie to może wyeliminować luz roboczy, powodując uwięzienie elementów tocznych i wygenerowanie ekstremalnego tarcia.
• Niewystarczający luz: Nawet przy prawidłowym pasowaniu wybór łożyska z luzem początkowym, który jest zbyt mały w stosunku do oczekiwanej rozszerzalności cieplnej, może spowodować zatarcie w miarę nagrzewania się i rozszerzania łożyska.
• Niewspółosiowość: Niewspółosiowość kątowa pomiędzy wałem a obudową zmusza elementy toczne do poruszania się po skośnych ścieżkach, powodując nierówne naprężenia i miejscowe nagrzewanie. Jest to szczególnie szkodliwe dla łożysk walcowych i igiełkowych, które mają ograniczoną zdolność do niewspółosiowości.

Nadmierne obciążenie lub niezrównoważone obciążenie

Każde łożysko toczne jest przystosowane do określonej nośności dynamicznej i statycznej. Praca poza tymi granicami lub poddawanie łożyska nierównomiernemu rozkładowi obciążenia zwiększa naprężenia i tarcie.

• Przeciążenie: Przekroczenie obliczonej nośności łożyska zwiększa naprężenia kontaktowe na styku elementu tocznego z bieżnią. Wyższe naprężenia przekładają się na większe odkształcenie sprężyste i energię tarcia, objawiającą się ciepłem.
• Obciążenie osiowe w łożyskach jednokierunkowych: Przyłożenie obciążeń wzdłużnych do łożysk, które nie są zaprojektowane na znaczne siły osiowe (np. standardowe łożyska walcowe) powoduje obciążenie krawędzi i nadmierne wytwarzanie ciepła. Łożyska stożkowe lub łożyska kulkowe skośne są specjalnie zaprojektowane do przenoszenia kombinowanych obciążeń.
• Niewyważone elementy obrotowe: Niewyważony wał lub wirnik wprowadza cykliczne obciążenia, które przekraczają dynamikę znamionową łożyska, co prowadzi do wahań tarcia i skoków temperatury.

Zanieczyszczenia i cząstki obce

Cząsteczki takie jak brud, kurz, wióry metalowe lub zanieczyszczenia procesowe dostające się do łożyska mają ogromny wpływ na zachowanie termiczne.

• Uszkodzenie wgniecenia: Cząstki mogą być przetaczane przez elementy toczne, tworząc wgłębienia na bieżniach. Te ślady Brinella zwiększają chropowatość powierzchni i generują tarcie w miarę napotykania ich przez kolejne elementy toczne.
• Zużycie ścierne: Drobne, twarde cząstki zawieszone w smarze działają jak masa szlifierska, stopniowo usuwając materiał i zmieniając geometrię łożyska, co prowadzi do zwiększonego luzu roboczego i nadmiernego ciepła.
• Wnikanie wilgoci: Zanieczyszczenie wodą zmniejsza grubość filmu olejowego i sprzyja korozji, która powoduje szorstkość powierzchni i przyspiesza zużycie, zwiększając w ten sposób tarcie i temperaturę.

Nieodpowiednie chłodzenie lub wentylacja

Nawet przy normalnych obciążeniach roboczych łożyska toczne wytwarzają podstawową ilość ciepła, które należy odprowadzić. Niewystarczające chłodzenie może powodować stopniowe narastanie temperatury.

• Ograniczony przepływ powietrza: W maszynach z naturalnym chłodzeniem konwekcyjnym brak luzu wokół obudowy lub brudne żeberka chłodzące mogą powodować zatrzymanie ciepła.
• Awaria układu chłodzenia: W oprawach chłodzonych cieczą zablokowane kanały chłodziwa, niski poziom chłodziwa lub awarie pomp uniemożliwiają odprowadzanie ciepła z obszaru łożyska.
• Wysoka temperatura otoczenia: Praca w już ciepłym otoczeniu zmniejsza różnicę temperatur dostępną do rozpraszania ciepła.