Jak diagnostikovat poruchy ložisek

Ohledejte místo činu, jen tak naleznete základní příčiny poruch ložisek.

Běžné heslo, které se používá v průmyslové hantýrce, kdy stroj musí být neplánovaně odstaven, zní „Ložisko prostě selhalo“. I když rotující součást selže v tom smyslu, že už neumožňuje otáčivý pohyb, ve většině případů by bylo přesnější říct, že v provozování daného ložiska selhal lidský faktor. Slyšel jsem od různých odborníků, kteří se věnují problematice spolehlivosti zařízení, takové tvrzení, že ložiska neselhávají, nýbrž jsou svými provozovateli přímo „vražděna“. Během své více než čtyřicetileté praxe v prodeji, navrhování, instalování, pozorování a analyzování porouchaných ložisek jsem zjistil, že jim musím dát za pravdu. Lidé každý den nalézají nové a stále kreativnější způsoby, jak zlikvidovat ložiska, která provozují.

 Vzhledem k výše uvedeným faktům a v zájmu diskuse si nyní pojďme položit otázku: „Proč se ložiska vlastně opotřebovávají, blokují a zadírají?“ Aby bylo možné odpovědět, musíme pochopit, že i když zlepšení v oblasti nauky o materiálech a geometrie konstrukce ložisek nabízejí potenciální projektovanou nekonečnou životnost, rotující komponenty předčasně selhávají z různých příčin. Nalezení základní příčiny selhání lze přirovnat ke kriminalistické praxi ohledání místa činu (Crime Scene Investigation – CSI).

Předmět výzkumu selhávání ložisek zahrnuje poznatky z metalurgie, tribologie a provozního prostředí, stejně jako úvahy o aplikovaných zatíženích. V některých případech i jediná událost může vyvolat poruchu. Jindy musí nastat souhra několika složitých událostí a okolností, navíc podpořená chybným lidským rozhodnutím, drsným okolním prostředím, náročnými provozními podmínkami a nesprávně prováděnou údržbou, aby k takové příhodě vůbec došlo. Toto vše přispívá k předčasnému selhání. V konečném důsledku to vede ke katastrofální poruše rotující součásti nebo součásti pohybující se vratným pohybem a k dalšímu poškození souvisejících mechanismů. Vzhledem k vysokým nákladům na výrobní ztráty a kvůli časovým omezením, kterými jsou servisní oddělení determinována, realita přikazuje, aby byl proces řešení problémů maximálně zjednodušen a zúčelněn. Neověřený citát, který je přičítán Albertu Einsteinovi, nám říká: „Všechno by mělo být co nejjednodušší, ale ne jednodušší.“ Lze tedy tvrdit, že při stanovení základní příčiny selhání ložiska bude užitečný způsob myšlení.

Aby bylo možné správně určit důvod, proč ložisko selhalo, je zapotřebí, aby se tým lidí, který má na starost spolehlivost provozovaných zařízení, věnoval systematickému způsobu řešení problému. Analýza kořenových příčin poruch (Root Cause Failure Analysis – RCFA) je metoda řešení problémů sloužící k určení příčiny události a odseparování od účinků, jakož i k odfiltrování neslyšitelného šumu, který může zabránit týmu vyřešit daný problém a provádět nezbytná nápravná opatření. Vyhnout se hypotézám a předsudkům v průběhu procesu je někdy obtížné, ale naprosto nezbytné pro správné definování povahy problému. Tým musí jít do hloubky, klást otázky sobě i ostatním a přistupovat k výzvě s mentalitou kriminalistů a samozřejmě určovat, realizovat a dodržovat nápravná opatření a protiopatření. 

Nezaměřujte se jen na to, co je očividné, ale pátrejte dál

Na první pohled se může zdát, že selhání ložiska může být způsobeno nedostatkem maziva. Ale taková odpověď je příliš zjednodušující a slouží jako pohodlná výmluva. Skutečné příčiny selhání ložiska mohou spočívat v tom, že mazivo nemělo správnou viskozitu, nebylo vhodným způsobem doplňováno anebo nebyly stanoveny správné intervaly doplňování.

Zřejmými účinky může být teplo, kouř, slyšitelný hluk a neplánované odstávky. Analytický šum v procesu řešení problémů je nadbytečný a bude bránit při určování základní příčiny a při provedení nápravných opatření. Neslyšitelný šum je vlastně vedlejší efekt. Jako příklady lze uvést stěžování si, nedostatečnou znalost interních předpisů a roztržitý způsob přemýšlení. V případě, že tým určený k řešení problémů se skutečně nenechá odradit a dál půjde až k podstatě, pak zjistí, že příčinou může být ve skutečnosti nedostatečné zaškolení pro oblast mazání a nastavení velmi liberální kultury v oblasti tribologie.

Pro zjednodušení si rozdělme příčiny selhání ložisek do šesti hlavních kategorií: únava materiálu, manipulace/instalace, provozní záležitosti, vlivy okolního prostředí, problematika mazání a vady. I když existuje celá plejáda častokrát matoucích pojmů používaných k popisu selhání ložisek a vizuálních efektů pozorovatelných na ložisku, bude diagnostikováno právě těchto šest typů poruch, které kategorizují typické závady, jež nastávají v průmyslových prostředích. Kategorizace není absolutní, je použita pouze v zájmu řešení problémů. 

  1. Únava materiálu

Namáhání v průběhu času, což je únavová porucha, je tím skutečným důvodem, proč by se ložiska nakonec měla přestat točit. Tato příčina selhání je jiná, než jak ji známe u opotřebení. Únavová porucha se vztahuje k namáhání, kterému je ložisko vystaveno v průběhu času. Únavové poruchy v ložiskách začínají typicky vznikat pod povrchem a nakonec se rozšíří až na povrch a časem se projeví ve formě tzv. vydrolování (spall) (viz obrázek 1).

Obrázek 1: Únavové drolení

 

Únavová porucha je částečně ve vzájemném vztahu s čistotou a kvalitou oceli. Díky pokroku v ocelářství v posledních několika desetiletích se mikroinkluzní nečistoty uvnitř ložiskové oceli nacházejí v minimálním množství. Při výpočtu únavové životnosti ložiska je zapotřebí brát v úvahu zatížení, rychlost otáčení, pracovní cykly nebo čas. Projektanti se při navrhování ložiskových systémů musejí ohlížet na rozměrová a konstrukční omezení ložisek a přitom aplikují základní trvanlivost ložiska L10. Trvanlivost ložiska L10 je způsob výpočtu, kdy je 90 % shodných ložisek manipulováno, instalováno, mazáno a provozováno za stejných provozních a environmentálních podmínek bez projevů únavy kovu. Toto představuje ideální důvod pro příčinu selhání ložisek. 

  1. Manipulace a instalace

Nesprávné postupy manipulace a instalace mají často ničivý efekt na ložisko ještě před tím, než bylo nainstalováno nebo než se začalo otáčet. Skladování ve vlhkém nebo silně znečištěném prostředí je škodlivé pro životnost daného ložiska. Ložiska by měla být skladována naplocho, a to v suchém a čistém prostředí. Teplota skladových prostor by se neměla značně lišit v létě a v zimě. Vlhká prostředí nejsou příznivá pro dosahování prodloužené životnosti ložiska. Přístup do skladu by měl být řízen tak, aby bylo zabráněno zbytečnému otevírání a manipulaci.

Pokud jsou ložiska skladována nebo je stroj v nečinnosti delší dobu, mazivo v ložisku má tendenci prosakovat na válečcích, což způsobuje naleptání povrchu kyselinou.

Obrázek 2: Vzájemná kombinace vody, kyslíku spolu se sloučeninami síry vytváří v mazivu kyseliny, které naleptávají povrch oceli

 

Pakliže se uložení mezi hřídelí a vnitřním kroužkem nebo pouzdrem a vnějším kroužkem nepohybuje v doporučených mezích pro danou aplikaci, můžeme si být jisti, že budeme svědky třecí/vibrační koroze. Jedná se o jiný druh koroze, než jaká je způsobena agresivní vodou a kyslíkem. Vibrační koroze nastane, když je umožněn pohyb mezi ložiskovým kroužkem a hřídelí nebo pouzdrem, protože uložení je příliš volné. Mikroskopické ocelové částice se odlamují následkem pohybu a oxidace. To je příčinou výskytu oblastí koroze na povrchu kroužků. V extrémních případech nevhodného uložení se může vnější nebo vnitřní kroužek protáčet či prokluzovat, což může způsobit zadírání ploch. Náprava tohoto typu problému spočívá v poměření všech styčných komponent před jejich instalací a v ujištění, že se jejich rozměry pohybují v doporučených mezích pro daný typ uložení. Pokud tomu tak není, nastal čas na výměnu nové hřídele nebo pouzdra.

Okolní vibrace v průběhu skladování by měly být minimalizovány a ložiska by nikdy neměla být skladována ve svislé poloze na polici. Falešné vytvrzení kovových povrchů je způsobováno, když je váleček s kroužkem ve vzájemném kontaktu a je vystaven vibracím v průběhu času, což vede k opotřebovávání kovu.

Upadlo-li ložisko během instalace na zem, dojde k mechanickému poškození, jemuž se říká „pravé vytvrzení“. Tento způsob vytlačení materiálu nebo vzniku důlku, kdy dochází ke vzájemnému kontaktu válečků a oběžného kroužku, může být způsoben použitím neúměrné síly při instalaci ložiska (viz obrázek 3) nebo při použití nevhodného montážního nástroje, například kladiva.

Obrázek 3: Pravé vytvrzení pramenící z příliš násilné instalace

 

Přímý úder kladivem na ocelové ložisko je nebezpečný počin a může mít za následek explozi ložiska. Během instalace ložisek až příliš často dochází k těmto neblahým jevům, a to kvůli lidské nepozornosti či nadměrnému spěchu.

Vzpomínám si na dobu, kdy jsem projížděl podnikem u jednoho zákazníka a všiml jsem si muže, jak přepravuje na vysokozdvižném vozíku nový motor, který měl být právě instalován. Když řidič zabočil za roh, kvůli příliš vysoké rychlosti mu motor sjel z palety a spadl na podlahu, přičemž hlavní náraz odnesla hřídel. Je zřejmé, že ložisko bylo „zavražděno“ ještě dříve, než dostalo šanci fungovat. 

  1. Provozní záležitosti

Do této kategorie patří nepříznivé provozní situace kromě těch, které souvisejí s podmínkami okolního prostředí. Nadměrná axiální zatížení, vyosení, extrémní vibrace nebo průchod bludných proudů v ložiskách, známý jako elektrická eroze, jsou některé ze závažných poruchových stavů, k nimž dochází, když je ložisko v provozu. Mnoho z těchto typů poruch je patrných při zkoumání kuličkové či válečkové dráhy na oběžné dráze povrchu, a to zejména v oblasti zatížení kroužků.

Je-li ložisko namontováno s nadměrným osovým přesazením, bude dráha válečků vykazovat zkosení z jedné strany na druhou. Dosažení náležité souososti je rozhodujícím faktorem pro prodloužení provozní životnosti otáčejících se součástí.

Extrémní axiální zatížení bude zřejmé tím, že vypozorujeme dráhu válečku posunutou mimo střed. V kuličkových ložiskách bude mít nepřiměřené axiální zatížení za následek posunutí dráhy válečku v oběžné dráze drážky, nikoli na spodní části oblouku. Kuželíková valivá ložiska, která jsou namontována s velkým přesazením, budou způsobovat hranové zatížení a místní vydrolování na koncích válečků i na styčné části oběžné dráhy.

Nadměrné vibrace v provozovaném stroji způsobené nekruhovitými rotačními součástmi zapříčiní, že ložiskové válečky nebo kuličky poskakují nebo se smýkají, jak na ně působí proměnlivé zatížení. Tento zvlněný nebo valchovitý obrazec rýh je označován jako falešné vytvrzení. Mějte na paměti, že statické falešné vytvrzení může nastat, když je ložisko v nečinnosti (viz obrázek 4). Charakteristický obrazec po dynamickém falešném vytvrzení je obvykle extrémnější než ten, který nastane, když je ložisko pouze ve statickém stavu.

Obrázek 4: Falešné vytvrzení

 

Se zvýšeným využitím frekvenčních měničů se poruchy ložisek přisuzované elektrické erozi staly běžnějším jevem. K elektrické erozi dochází, když je provedeno nesprávné uzemnění anebo když rotor umožňuje průchod proudu z oběžného kroužku na valivé prvky, což vede ke tvorbě pittingů od elektrického oblouku v oceli. V první fázi se jedná o mikrodůlky, z nichž některé nelze vidět lidským okem. Ty se brzy promění v charakteristický obrazec, který je označován jako žlábkování (viz obrázek 5). Těmto nežádoucím stavům lze obvykle zabránit dodatečnou instalací paralelních kartáčů na motor nebo instalací keramických kuliček či keramikou potažených vnějších kroužků. 

Obrázek 5: Žlábkování spojené s elektrickou erozí
  1. Vlivy okolního prostředí

Stav okolního prostředí má dramatický vliv na životnost ložiska. Kontaminace zabraňuje tvorbě náležitého mazacího filmu. Mělo by být vynaloženo veškeré racionální úsilí o udržení ložiska v suchém, chladném a čistém stavu. Dosáhnout toho je však v mnoha případech obtížné, jako například ve slévárně, kde se vyskytují vysoké teploty a všudypřítomný písek, nebo na druhé straně v továrně na potraviny, kde na každé noční směně probíhá čištění strojů pomocí vysokotlakých hadic. Ložiska jsou vystavena vlhkosti, chemikáliím, jemnému prachu, hrubým nečistotám a nadměrným teplotám, což má za následek zkrácení jejich životnosti. Je zapotřebí o něco zvýšit ochranu a aplikovat kvalitní utěsňovací prvky a ihned dosáhneme prodloužení provozuschopné životnosti ložiska.

Kontaminace částicemi přeruší nanejvýš důležitý mazací film a vyvolá kontakt kovu na kov, což má za následek opotřebení a chvilkové navařování rotační součásti k povrchu oběžného kroužku. Cizorodé částice spolu s ložiskovými ocelovými částicemi vytvářejí důlky a rýhy na dosedacích plochách ložiska (viz obrázek 6). Malé částice zachycené a suspendované v rámci maziva budou působit jako lapovací hmota, kvůli které se omílají povrchy ocelových a přídržných materiálů, což způsobuje abrazivní opotřebení. Větší částice zase mají tendenci promačkávat povrchy, což vede k fragmentovému promačkávání. Tento typ kontaminace lze obvykle snadno rozpoznat díky přítomnosti částic, změnou barvy maziva nebo prostřednictvím analýzy daného maziva.

Obrázek 6: Vznik rýh a důlků od působení velkých nečistot

 

Ložiska, která byla kontaminována vodou, budou zcela jistě rezavět a korodovat. Stačí jen 1 % z daného objemu anebo kontaminace maziva nižší než 500 ppm a životnost ložiska se rázem markantně sníží. Není to jen koroze, která doslova zabíjí ložisko, voda totiž nahradí potřebný mazací film a rovněž degraduje mazivo z důvodu oxidace a tvorby kyselin. Spolu s tím může v extrémních podmínkách docházet k vodíkovému křehnutí nebo puchýřkování.

Zařízení a strategie na vylučování kontaminantů představují vždy dobrou investici. Voda a nečistoty jsou hrozbou a nepřítelem valivých ložisek. 

  1. Problematika mazání

Záležitosti týkající se mazání jsou jednou z hlavních příčin selhávání ložisek. Problematika mazání ložisek by měla být prioritou číslo jedna pro každé oddělení údržby. Správné skladování, manipulace, dávkování a následná analýza spolu s náležitým výcvikem všech zúčastněných pracovníků musejí být součástí cílů oddělení údržby týkajících se spolehlivosti mazání. Správný typ, množství, časové intervaly mazání, způsoby aplikace, viskozita a čistota oleje nebo maziva spolu s problematikou kompatibility – to vše bude mít dramatický vliv na životnost ložiska.

Oběžné dráhy ložisek, které přijímají nedostatečné množství maziva, nabudou glazovaného nebo ojíněného vzhledu. Toto glazování vzniká tak, že kov je doslova vytažen z povrchu, a tak dochází ke krátkodobému vzájemnému svaření. Toto „vyškubávání“ zanechává hrubý povrch na stykových plochách. V případě, že mazací film není dostatečný, protože valivý prvek vstupuje do zóny zatížení, začne se smýkat či prokluzovat a vytváří šmouhy a skvrny (viz obrázek 7). Mazivo, které je příliš tuhé, viskózní nebo prořídlé, způsobí šmouhy (stěr) na površích oběžných kroužků v zóně zatížení.

Obrázek 7: Šmouhy (stěr) pocházející z nedostatečného mazání

 

V extrémních případech nedostatečného mazání bude teplota postupně stoupat, což vede k další degradaci maziva a k metalurgickým změnám, což se projeví zabarvením kroužků. Mazivo, které je cítit spáleninou či má spálený vzhled, je degradováno. Olej, který má mléčný vzhled, je plný vlhkosti.

Významný problém týkající se moderních maziv je kompatibilita. Kvůli složitým recepturám a speciálním přísadám je míchání různých typů maziv a značek receptem na dosažení neúspěchu.

Program mazání musí být implementován technikem, který je vyškolený, certifikovaný a plný nadšení, co se týče problematiky mazání. Program by měl zahrnovat barevné kódování, správný způsob skladování i manipulace a samozřejmě udržování náležité úrovně čistoty. 

  1. Vady ložisek

V dnešní době se s vadnými ložisky prakticky nesetkáváme, a to díky současným precizním pracovním postupům, výrobě z kvalitní oceli a obšírným kontrolám rozměrových tolerancí, což tvoří součást výrobního procesu. To platí pro všechny renomované výrobce. Dejte si pozor na zlevněné nebo padělané výrobky nabízené na černém trhu. Jen párkrát jsem se setkal s chybně vyrobenými ložisky, přičemž téměř všechna z nich pocházela od pochybných společností.

Řádný průběh vyšetřování prováděný po selhání ložiska nebo retrospektivní analýza ložisek vám mohou ušetřit čas, peníze a ztracenou produkci. Vyhnout se předčasnému selhání představuje cíl, který povede ke zvýšení spolehlivosti celého podniku. Nezapomínejte na to, že ložiska obvykle neselhávají z vlastních příčin. Jsme to právě my, kteří selháváme v přístupu k nim.

Richard R. Knotek je odborný instruktor pracující pro společnost Motion Institute, která je divizí Motion Industries. Ve svém oboru se pohybuje již 42 let.

 

Hlavní příčiny selhání ložiska: 12 jevů, na které je třeba se zaměřit v rámci provádění analýzy

Jak můžeme zjistit hlavní příčiny selhání ložiska a zabránit jeho opakování?

Zde je 12 klíčových bodů:

  1. Uložte porouchané díly a označte je (datum, čas, směr otáčení, umístění atd.).
  2. Objednejte provedení analýzy. Použijte systém řešení problémů, jako je „5 proč“ pro provedení analýzy kořenových příčin poruch – RCFA.
  3. Použijte mnohostranný přístup k monitorování provozních podmínek začleněním analýzy vibrací, termografie, odběru vzorků maziv a sběru dat z ultrazvukového měření.
  4. Pořiďte fotodokumentaci.
  5. Proveďte analýzu shromážděných dat. Sledujte trendy.
  6. Oddělte a rozlište příčinu, účinek a neslyšitelný šum. Určete základní příčinu selhání.
  7. Sestavte tým zaměstnanců a odborníků v oboru a realizujte jejich doporučení.
  8. Vyhněte se obviňování jednotlivců.
  9. Změňte koncepci, která je postavena na principu provozování zařízení tak dlouho, dokud nedojde k poruše.
  10. Pořádejte pravidelná školení; vzdělávání je důležité.
  11. Aplikujte následná opatření.
  12. Rozšiřujte a sdílejte úspěšná řešení s ostatními.
Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz