Моделирование неисправностей шарикоподшипников качения на примере двухрядного сферического подшипника (стр. 1 из 5)

Министерство образования и науки Украины

Государственное высшее учебное заведение

Донецкий Национальный Технический университет

Кафедра МОЗЧМ

Контрольная работа

по дисциплине "Моделирование неисправностей металлургического оборудования"

на тему "Моделирование неисправностей шарикоподшипников качения на примере двухрядного сферического подшипника".

Выполнил

ст. гр. Мех 08б-4

Ткачёв М.Ю.

Проверил

доц. Сидоров В.А.

Донецк-2010

Содержание

1. Введение

2. Цель и задачи

3. Рассмотрение видов повреждений элементов подшипников качения

4. Разработка причинно-следственных связей между видами и причинами повреждений

5. Типичные отказы подшипников качения и их причина

6. Влияние нагрузки и её направления на работу подшипников качения

7. Диагностика подшипников качения

8. Ресурс подшипника качения. Долговечность

9. Решение задачи о поломке сферического двухрядного шарикоподшипника

Выводы

Использованная литература

1. Введение

Прототипом радиального двухрядного шарикоподшипника является однорядный. Главная особенность конструкции - наличие сферической поверхности на внешнем кольце, что позволяет ликвидировать главный недостаток однорядного шарикового подшипника - невозможность работы при перекосе или изгибе валов. Наряду с этим данный вид подшипника может работать некоторое время без смазки. Этот тип широко применяется в сельхозтехнике и других отраслях промышленности, где применяются длинные и тонкие валы при небольших нагрузках. В 1907 году этот тип изобрел основатель шведской компании SKF Свен Вингквист. Подшипник назывался VOLVO (в то время это название принадлежало SKF). Этим изобретением Свен Вингквист разрешил проблему передачи мощности от одной паровой машины на ткацкие станки по всему цеху. В Украине этот тип ограниченных типоразмеров изготавливают на Харьковском подшипниковом заводе. Подшипники данного типа предназначены для восприятия радиальных и незначительных осевых нагрузок. Не рекомендуются для восприятия значительных осевых нагрузок, так как в этом случае нагружается один ряд подшипников и, следовательно, снижается грузоподъемность. При качательном движении эти подшипники работают лучше, чем радиальные однорядные шарикоподшипники. Подшипники данного типа фиксируют положение вала в осевом направлении в обе стороны. Конструктивно они состоят из двух рядов шариков, внутреннего кольца с двумя дорожками качения и наружного с одной сферической дорожкой качения, что позволяет внутреннему кольцу с комплектом шариков проворачиваться вокруг центра подшипника, т. е самоустанавливаться. Эта способность позволяет применять их при значительной несоосности посадочных мест и больших прогибов валов. Перекос осей может находится в пределах 2-3°. Сепараторы данных подшипников выполнены преимущественно выполнены из стали, но в подшипниках больших размеров применяются латунные сепараторы. Подшипники могут иметь цилиндрическое (рис.1) или коническое (рис.1) отверстие внутреннего кольца. Подшипники с коническими отверстиями, скомплектованные с закрепительными втулками, обеспечивают возможность их монтажа на гладкие валы без заплечиков.

Рис.1. Самоустанавливающиеся шарикоподшипники с цилиндрическим и коническим отверстиями.

2. Цель и задачи

Целью данной работы является: создание модели анализа причин неисправностей подшипников качения; рассмотрение всех возможных вариантов работы, отказов подшипников данного типа под воздействием тех или иных эксплуатационных факторов; классифицирование видов повреждений данного узла машин; рассмотрение понятия долговечности работы в процессе эксплуатации; проведение анализ влияния различных типов нагрузок и их направления на работу сферических шарикоподшипников, рассмотрение некоторых методов диагностики подшипников качения, как составляющей процесса эксплуатации.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

поиск, накопление и обработка существующей информации о возможных видах повреждения элементов подшипников качения;

поиск, накопление и обработка существующей информации о возможных видах силовых воздействий на шарикоподшипники;

разработка всеобъемлющей классификации причин повреждения данного типа подшипников;

разработка причинно-следственных связей между видами и причинами повреждений;

рассмотрение задачи по поломке двухрядного сферического шарикоподшипника.

3. Рассмотрение видов повреждений элементов подшипников качения

История развития механического оборудования неразрывно связана с распознаванием повреждений элементов механизмов. Возможные повреждения подшипников качения разделяются на следующие группы:

выкрашивание: на дорожках качения наружных колец в зоне контакта и в диаметрально противоположном секторе; на одной стороне кольца с линейной образующей дорожки качения или под одним рядом тел качения в двухрядном подшипнике; на весьма ограниченном участке местно нагруженного кольца в зоне контакта; по всей дорожке качения и проворачивание местно нагруженного кольца; на дорожках качения шариковых радиальных подшипников; на ограниченном участке длины дорожек качения вращающихся колец с линейным контактом;

повреждения сепараторов: деформация; износ; разрушение; разрыв штампованных сепараторов в двухрядных подшипниках;

повреждения колец: сколы бортов; вмятины от шариков на дорожках качения; износ посадочной поверхности внутреннего кольца, сопровождаемый нагревом всего подшипника и заклиниванием тел качения; вмятины на дорожках качения подшипников с шагом, равным расстоянию между телами качения; вмятины на дорожках качения двухрядных сферических, устанавливаемых в опоры универсальных шарниров; скалывание рабочих бортов внутренних колец радиальноупорных шарикоподшипников с углом контакта 300; глубокие вмятины в зоне контакта в одном ряду тел качения сферических двухрядных подшипников; трещины продольные сквозные на внутренних кольцах с коническим отверстием; увеличенные размеры посадочных поверхностей колец;

повышение температуры подшипников: нагрев подшипников до цветов побежалости; искажение распределения радиального зазора, сопровождаемое нагревом подшипника; нагрев подшипников из-за защемления тел качения вплоть до проворачивания циркуляционно нагруженных колец и сваривании их с валом; оплавление сопрягаемых торцов бортов и роликов;

повреждения тел качения: риски неопределенного направления на шариках радиальноупорных подшипников и матовый цвет шариков в ненагруженном ряду радиальноупорных подшипников;

искажение формы контакта: овальная форма следа контакта тел качения с вращающимся кольцом, пересекающего ось симметрии желоба; потеря точности вращения и дробление инструмента высокоточных и скоростных шпинделей;

износ тел и дорожек качения: абразивный; осповидный; окислительный.

С точки зрения изнашивания, все виды повреждений узлов подшипников можно подразделить на: усталостное изнашивание, абразивное изнашивание,

коррозионно-механическое изнашивание, водородное изнашивание.

4. Разработка причинно-следственных связей между видами и причинами повреждений

Вид классификации, основывающийся на причинно-следственных связях между видами и причинами повреждений, предполагает построение логических причинно-следственных цепочек на основе локализации и определении вида изнашивания. Для этого необходим комплексный подход к распознаванию вида повреждения подшипника качения, который изображен в виде схемы на рисунке 2.

Рис.2. Структурная схема процесса анализа дефекта.

Для определения причины отказа, необходимо идентифицировать силовое воздействие на подшипник. От вида силового воздействия и его направления будет зависеть характер изнашивания данного элемента металлургического оборудования. Вид поверхности отказавшей детали будет в свою очередь тесно связан с характером износа, проявившегося в дефектном узле. Классифицировать вид силового воздействия можно следующим образом: циркуляционная нагрузка; местная нагрузка; осевая нагрузка; нагрузка от перекоса составных частей узла подшипника и т.д.

5. Типичные отказы подшипников качения и их причина

Производство подшипников качения осуществляется в условиях жестких требований к их качеству. Это одни из наиболее точных устройств, выпускаемых в машиностроении. При идеальных рабочих условиях подшипники могут непрерывно эксплуатироваться в течение многих лет. Вследствие того, что рабочие условия редко бывают идеальными, подшипники никогда не реализуют своих потенциальных возможностей с точки зрения ресурса.

Срок службы подшипников качения зависит от условий их производства, хранения, обслуживания, установки, нагрузки и условий работы.

В таблице 1 даны некоторые типы неисправностей подшипников и причины их вызывающие.

Таблица 1. Различные виды повреждений подшипников.

Усталостные разрушения поверхности связаны с проблемами смазки, такими как неподходящая смазка, низкая ее вязкость и разрывы смазочной пленки. В начальной стадии развития дефекта поверхность выглядит как бы заиндевелой в некоторых местах, как показано на рис.3. При дальнейшем развитии дефекта поверхность дорожки начинает отслаиваться и растрескиваться (следует отметить, что это отслаивание не столь серьезно как сколы на дорожке). При накоплении усталости в материале дорожки ее поверхность становится шероховатой, подшипник начинает шуметь и излишне нагреваться. Постоянная перегрузка, плохо обработанные и загрязненные поверхности неизбежно ведут к усталостным явлениям. Этого можно избежать или существенно замедлить, если подшипник будет чистым и хорошо смазанным.	Рис.3. Усталость дорожки качения. Поверхность растрескивается и отслаивается.
Выкрашивание поверхности схоже с усталостью поверхности, но отличается от него более сильной степенью повреждения подшипника и может указывать на то, что подшипник исчерпал ресурс усталости. Рисунок 4 показывает, что растрескивание и сколы поверхностей характеризуются глубокими трещинами и расслаиванием. Это происходит, когда под поверхностные трещины, возникающие в местах дислокации неметаллических включений в стали подшипника, доходят до поверхности. Преждевременное растрескивание часто вызывается плохой посадкой вала, искривлениями корпуса и неправильной установкой, т.е. условиями, вызывающими слишком высокие циклические напряжения.	Рис.4. Выкрашивание поверхности. Глубокие трещины и расслаивание.
Абразивный износ: Абразивное истирание металла, показанное на рис.5, разрушает поверхности элементов подшипника. В зависимости от типа абразивного износа, поверхность приобретает или тусклый серый металлический цвет или же зеркально полируется. Иногда подшипник вследствие изменения его геометрии из-за износа резко выходит из строя. Мелкая абразивная пыль является обычной причиной такого отказа; эта пыль может попасть в подшипник при установке, через плохие уплотнения или с грязной смазкой. Поэтому при монтаже подшипника рекомендуется протирать каждый элемент чистой тканью перед смазкой и содержать в чистоте рабочие поверхности. Хорошие уплотнения, промываемые уплотнения и чистые смазочные материалы помогут предотвратить загрязнение после установки подшипника	Рис.5. Абразивный износ. Повреждение поверхности элементов качения
Атмосферная коррозия: Коррозия вызывается влагой, которая попадает в подшипник из атмосферы. Влажный воздух, попадая вовнутрь подшипника, при охлаждении окружающей среды конденсируется, разрывая смазочную пленку в местах контакта тел и дорожек качения. Атмосферную коррозию, показанную на Рис.6, можно предотвратить, используя хороший сальник, консистентную смазку и хорошо смазывая подшипник. В некоторых случаях могут оказаться необходимыми специальные уплотнения, чтобы исключить разбрызгивание смазки. Подшипник необходимо заполнять смазкой при каждой более-менее продолжительной остановке машины.	Рис.6. Атмосферная коррозия. Внешний вид коррозии
Фреттинг-коррозия: Как показано на рис.7, фреттинг-коррозия очень похожа на обычную коррозию. Она возникает на посадочных поверхностях подшипника на вал, а также и на других сопрягаемых поверхностях. Она вызывается незначительными (микроскопическими) нагрузками. Частицы, образующиеся в результате износа, имеют черный цвет при отсутствии воздуха и красные - в его отсутствие. Фреттинг-коррозия может вызвать как ослабление посадки внутреннего кольца на валу; так и его заклинивание, при котором его невозможно будет снять. Фреттинг-коррозия также привести к разламыванию кольца. Предотвратить можно, следуя рекомендациям производителя относительно допусков и убедившись, что элементы подогнаны наилучшим образом.	Рис.7. Фреттинг-коррозия на наружной стороне внешнего кольца
Бриннелирование: При бриннелировании на поверхности колец появляются регулярно следующие друг за другом выемки. Это является следствием пластических деформаций металла в местах выемок, которые возникают вследствие перенапряжения металла. Результат бриннелирования дорожек качения показан на рис.8. Бриннелирование является следствием высоких статических или ударных нагрузок, неправильной технологии установки подшипника, сильных механических ударов, возникающих, при падении машины. Бриннелирование можно предотвратить, используя при установки подшипника только давление вместо ударов. Если ударных нагрузок невозможно избежать как при установке, так и в процессе эксплуатации, тогда необходимо использовать подшипники, предназначенные для более высоких нагрузок.	Рис.8. Бриннелирование дорожек качения. Регулярные выемки на дорожках качения
Псевдобриннелирование: характеризуется выемками на дорожках качения. Однако в отличии от простого бриннелирования выемки характеризуются не только продавливаем металла в зонах пластических деформаций, но и его сдвигом, в результате этого места повреждения не видны даже при внимательном осмотре. На рис.9 показан результат псевдобриннелирования. Псевдобриннелирование, есть результат сильных вибраций машины в нерабочем состоянии. Иногда это происходит при транспортировке. Также на это влияет вибрации других, близко расположенных машин. Подобной проблемы можно избежать, обеспечивая правильное закрепление транспортируемых валов с подшипниками и изолируя машину от соседних вибрирующих агрегатов, используя для этого раздельные фундаменты.	Рис.9 Псевдобриннелирование. Выемки на дорожках качения за счет сдвига металла.
Электроповреждения. Точечный питтинг (сваривание) в результате электрического сваривания часто имеет регулярный характер на поверхностях элементов качения и на дорожке качения. Он возникает в результате прохождения через подшипник электрического тока. На рис.10 показаны дорожки подшипника. Электрический ток может вызвать также и случайное выкрашивание. Наиболее распространенными причинами электроповреждений является статическое электричество, создаваемое ремнями транспортера и токами сварочных аппаратов. Поэтому транспортеры должны быть снабжены заземляющими лентами, а сварочное оборудование необходимо заземлять.	Рис.10. Электроповреждения. Питтинг поверхности дорожек качения из-за прохождения сильного тока. Канавки на рабочих поверхностях сферического ролика, вызванные электротоком.
Натиры: натиры возникают в результате перемещения металла с одной поверхности на другую. Натиры в том виде, как они показаны на рис.11, вызваны проскальзыванием из-за перегрузки подшипника и недостаточной смазки. Натиры на торцах цилиндрических роликов могут возникать из-за нерасчетной осевой нагрузки на подшипник. Также это может быть следствием неправильной сборки подшипника или недостаточной смазки	Рис.11. Натиры на телах и дорожках качения из-за недостаточной смазки
Задиры на поверхности: являются следствием абразивного износа и проявляются в виде глубоких царапин на дорожках и телах качения. Общий вид сильно изодранной поверхности показан на рис.12. Отдельные задиры поверхности создают точки концентрации напряжения, в которых возможно проявление усталостных явлений. Задиры поверхности вызываются относительно большими частицами материала, которые попадают в подшипник и двигаются по дорожкам при движении тел качения. Как и другие проблемы, связанные с загрязнением, задиры поверхности можно предотвратить, используя хорошие уплотнения и чистую смазку подшипника.	Рис.12. Задиры поверхности дорожек и тел качения в виде глубоких царапин
Выбоины поверхности: пример показан на рис.13. Этот вид повреждения подшипников напоминает бриннелирование, т.к выбоины скорей являются результатом пластических деформаций, чем износа. Тем не менее, они возникают при повреждении поверхности (царапины, истирание мелкими посторонними частицами, которые являются результатом износа или попадают в подшипник при его работе). Тела качения при вращении захватывают посторонние частицы, попадающие в подшипник. Эти частицы, попав на дорожку качения, оставляют случайные насечки, в районе которых возникает концентрация напряжений и разрывы масляной пленки, что приводи к усталостному выкрашиванию металла и появлению выбоин. Вероятность возникновения выбоин уменьшается при использовании хороших уплотнений и частой смазки подшипников, которая вымывает различные посторонние частицы.	Рис.13. Выбоины, глубокие царапины, вызванные попаданием посторонних частиц в подшипник.
Повреждения при сборке: На рис.14 показан один из видов подобных повреждений. В этом примере внешнее кольцо было неправильно установлено; и когда подшипник был собран, ролики оставили вмятины на дорожках качения.	Рис.14. Повреждение подшипника при сборке из-за недостаточного опыта сборки.
Перегрев: На рис.15 представлен пример повреждения подшипника (изменение его геометрии) в результате перегрева и нагрузки. Обычно такие повреждения связаны с полным отказом подшипника. Перегрев часто обусловлен недостаточной смазкой, трением наружного кольца о вращающийся вал, излишним обжимом наружного кольца при установке в корпус машины или нерасчетной (высокой) частотой вращения вала. В отдельных случаях перегрев подшипника может быть обусловлен внешним источником, таким как термическая печь.	Рис.15. Обесцвечивание и повреждение металла, вызванное плохой смазкой и перегревом.
Несоосность колец: Основной причиной повреждения подшипника, показанного на рис.16 является несоосность колец, которая привела к фреттинг-коррозии и выкрашиванию. Несоосность ведет к высоким осевым нагрузкам, вызывающим усталостное разрушение и сильные сколы поверхности.	Рис.16. Повреждения подшипника из-за несоосности колец: a) несоосность внешнего кольца относительно вала; б) несоосность вала относительно корпуса подшипника.
Разрушение из-за дисбаланса: Дисбаланс ротора дает основную нагрузку на подшипник. Когда дисбаланс слишком велик, повреждения подшипника имеют вид, показанный на рис.17. Иногда такое повреждение можно обнаружить только в одном месте на внутреннем кольце. Для уменьшения дисбаланса минимально необходимым является балансировка отдельных частей ротора с максимально возможной точностью, особенно при работе на высоких скоростях.	Рис.17. Разрушение от избыточного дисбаланса ротора
Раскалывание, раздробление деталей: Причиной является большая перегрузка подшипника. На рис.18 показан типичный пример такого раскалывания. Как видно из рассмотрения рисунка, область усталостного выкрашивания на внутреннем кольце охватывает всю ширину кольца, а сепаратор разбит на кусочки из-за поперечных трещин в каждом гнезде шарика	Рис.18. Раскалывание.
Повреждение сепаратора: Повреждения сепаратора, подобные показанному на рис. 19, проявляются в образовании в нем трещин и его разрушении. Это в свою очередь ведет к быстрому выходу из строя подшипника, в целом при этом затушевывается тот факт, что первопричиной этого был сепаратор. Чаще всего причиной выхода из строя сепаратора является его изгиб, возникающий при движении шариков по взаимно пересекающимся путям из-за несоосности. Также повреждение сепаратора может быть вызвано неправильной сборкой, загрязнением или редким смазыванием подшипника.	Рис. 19. Повреждение сепаратора.

6. Влияние нагрузки и её направления на работу подшипников качения

Величина нагрузки - это один из факторов, который обычно обусловливает выбор размера используемого подшипника. В целом, роликоподшипники способны воспринимать более значительные нагрузки по сравнению с шарикоподшипниками того же размера, а подшипники с максимальным количеством тел качения (бессепараторные подшипники) способны нести более тяжелые нагрузки по сравнению с соответствующими подшипниками, снабженными сепараторами. Шарикоподшипники используются в основном для малых и средних нагрузок. Для тяжелых нагрузок и валов большого диаметра больше подходят роликоподшипники.