Анализ повреждений подшипников согласно
стандарта ISO 15243-2017

Возможность выявлять виды повреждений и причины выхода из строя подшипников качения — первый шаг на пути к предотвращению повторных отказов и повышению надежности оборудования.

Международная организация по стандартизации (ISO) разработала стандарт ISO 15243, предоставляющий классификацию различных типов повреждений подшипников качения. Для каждого типа неисправности в стандарте описаны характеристики, внешние проявления и возможные причины. Последняя редакция стандарта опубликована в 2017 г.

Важно не только знать характеристики и внешние проявления типа повреждений, но также понимать причины их возникновения. Это позволяет использовать рекомендации по корректирующим мероприятиям, которые помогают избежать неисправностей в будущем. Если в процессе эксплуатации подшипника происходит полное разрушение его деталей, то выяснить тип и причины повреждений не представляется возможным.

Стандарт ISO 15243-2017, классифицирующий типы повреждений, которые могут возникнуть после монтажа подшипника в оборудование и во время его эксплуатации, выделяет шесть категорий:

1. Контактная усталость.
2. Износ.
3. Коррозия.
4. Электрический питтинг.
5. Пластическая деформация.
6. Трещины и сколы.

Для более точной классификации типов повреждений каждая из этих категорий включает несколько подкатегорий. Нумерация классификации основана на ISO 15243, глава 5 (например, 5.1.2).

Компания SKF проводит исследования подшипников и анализ их повреждений как для клиентов, так и в собственных целях. Вместе с оценкой других данных также отслеживают статистику признаков указывающих на неисправность подшипниковых узлов:

• Увеличение радиальных и осевых зазоров 1%.
• Повышение крутящего момента 2%.
• Сокращение срока службы 3%.
• Повторное возникновение проблем 4%.
• Появление трещин 9%.
• Повышение температуры 11%.
• Затруднения при техническом обслуживании 12%.
• Усиление шума 23%.
• Увеличение вибрации 32%.

Основные причины повреждений подшипников связаны со смазкой и загрязнениями. Причины, связанные со смазкой: недостаток смазки, неправильно выбранный смазочный материал, попадание влаги в смазку, расслоение смазки и др.

Причины, связанные с загрязнением: загрязнение частицами, попавшими внутрь при сборке или проведении техобслуживания, загрязнение частицами в результате износа компонентов оборудования (например, шестерни), неэффективное уплотнение, недостаточная фильтрация и др.

Повреждение подшипника также может быть связано с неправильным выбором подшипника, некачественным монтажом и несоблюдением правил эксплуатации подшипника.

Знание типовых неисправностей подшипников и причин их возникновения позволяет предпринять корректирующие действия для избежания повторения отказов. Такой подход помогает значительно уменьшить риск возникновения аварийных ситуаций и потенциально повысить надежность оборудования.

Контактная усталость (ISO 5.1)

Контактная усталость — процесс постепенного накопления повреждений в деталях подшипника под действием переменных (циклических) напряжений, приводящий к изменению свойств металла, образованию трещин, их развитию и разрушению материала деталей подшипника за определенное количество циклов нагружения.

Контактная усталость включает две подкатегории: подповерхностная и поверхностная усталость.

Подповерхностная контактная усталость (ISO 5.1.2) Причины — циклическая нагрузка контактных поверхностей, которая со временем вызывает изменение структуры материала, что ведет к образованию микротрещин. Микротрещины образуются под поверхностью, часто в посторонних включениях в металле, и выходят на поверхность в виде сколов.

На подповерхностную контактную усталость влияет качество стали деталей подшипников, прилагаемые нагрузки, смазка и загрязнения. Это также относится к расчетному сроку службы подшипника, L_10mh.

Если подшипник подвергается значительным нагрузкам, например, при временной перегрузке или из-за других факторов, которые приводят к ослаблению металла, его срок службы может сократиться примерно на 5–10% от L_10mh.

Поверхностная контактная усталость (ISO 5.1.3) Вид повреждения поверхности при перемещающемся контакте под действием переменных напряжений, превышающих предел усталости для данной марки стали.

Недостаточный слой смазки и сильное загрязнение ее твёрдыми частицами могут стать причиной соприкосновения металлических поверхностей деталей подшипника. Под воздействием переменных контактных напряжений это приведет к образованию микротрещин и микросколов и в итоге к поверхностным разрушениям.

Износ деталей подшипников (ISO 5.2)

В ISO износ разделяется на две подкатегории: абразивный и адгезионный износ.

Абразивный износ (ISO 5.2.2) представляет собой постепенный съем металла абразивным материалом. Недостаточный слой смазки и сильное загрязнение ее твёрдыми частицами могут стать причиной соприкосновения металлических поверхностей деталей подшипников. Абразивные частицы могут быстро изнашивать дорожки качения колец и тела качения, а также гнезда в сепараторах.

Как правило, абразивный износ характеризуется тусклым внешним видом поверхности. Абразивный износ — это процесс изменение размеров, формы и состояния поверхностей деталей подшипников.

Адгезионный износ (ISO 5.2.3) — это явление образования прочных соединении в зонах контакта трущихся тел, глубинного вырывания материала одного тела и переноса на поверхность трения другого, при недостаточной смазанных поверхностях деталей подшипников.

Это может привести к отпуску или повторной закалке материала. Адгезионный износ проявляется в виде заедания (проскальзывание, задирание) при малой нагрузке на подшипник, а также при использовании радиальных подшипников, где тело качения подвергается высокому ускорению при переходе в зону рабочей нагрузки подшипника.

На торцах цилиндрических и конических роликов, в зоне контакта с бортиком, адгезия возникает из-за повышенной осевой нагрузки на подшипник или недостаточной смазке.

Коррозия (ISO 5.3)

Коррозия, включает три категории: коррозия в результате воздействия влаги, фрикционная коррозия и ложное бриннелирование.

Коррозия в результате воздействия влаги (ISO 5.3.2), причина образования — это проникновение влаги внутрь подшипника. Легированный материал подшипников отличается низкой коррозионной стойкостью. Влага может стать причиной повреждения поверхности между телами качения, когда подшипник находится в неподвижном состоянии. Повреждение поверхности может вызывать поверхностную усталость при последующей работе. Влага препятствует образованию пленки смазочного материала в работающем подшипнике.

Фреттинг-коррозия (ISO 5.3.3) возникает из-за микроперемещений в местах контакта деталей в условиях воздействия коррозионной среды. Например, это может происходить между внутренним кольцом подшипника и валом, а также между наружным кольцом подшипника и корпусом.

Причиной может быть неправильная посадка подшипника на вал или в корпус в зависимости от прилагаемой нагрузки. Так, подшипник с вращающимся внутренним кольцом при равномерно прилагаемой нагрузке во избежание фреттинг-коррозии требует некоторой плотной посадки внутреннего кольца на вал. Аналогично подшипник с вращающимся внутренним кольцом и прилагаемой к этому кольцу нагрузкой во избежание фреттинг-коррозии требует плотной посадки наружного кольца подшипника в корпусе.

Фреттинг–коррозия нарушает посадку внутреннего кольца подшипника на валу и наружнего кольца в корпусе т.к. изменяются зазоры и натяги, предусмотренные конструкторской документацией. Это приводит к изменению зоны нагружения при работе подшипника и при дальнейшем развитии фреттинг–коррозии может служить причиной зарождения усталостных трещин.

Фреттинг-коррозия проявляется в виде красно-черно-коричневого окисления в месте сопряжения.

Ложное бриннелирование (ISO 5.3.4). Когда подшипник находится в нерабочем узле или механизме (без нагрузки), то пленка из смазочного материала между телами качения и дорожками качения не возникает. Между деталями узла появляется опасный для него металлический контакт. Если подшипник подвергается вибрации или колебаниям под собственным весом, его детали начинают двигаться с небольшой амплитудой. Это приводит к образованию следов или углублений в металле (лунок).

При износе нарушается исходная шероховатость поверхностей; на поверхности возможно образование красно-черных-коричневых следов окисления, аналогичных окислению при фреттинг-коррозии. Глубина износа зависит от интенсивности прилагаемой нагрузки, интенсивности колебаний и вибрации.

Электрическая эрозия (ISO 5.4)

Электрическая эрозия бывает двух типов: эрозия из-за высокого тока и эрозия из-за утечек тока.

Эрозия из-за высокого тока (ISO 5.4.2) происходит, когда ток проходит через одно кольцо подшипника, тела качения и другое кольцо подшипника.

На поверхностях контакта процесс подобен электродуговой сварке, высокая плотность тока на малой контактной поверхности.

Материал нагревается до температуры отпуска и далее до уровня плавления. Это ведет к появлению обесцвеченных областей различного размера, в которых произошел отпуск, повторная закалка или расплавление материала. В местах плавления материала и образуются кратеры с последующими сколами из-за вращения подшипника. Избыток материала истирается. Причиной эрозии из-за высокого тока могут неисправность оборудованию, сварочные работы с неправильным заземлением оборудования и др.

Эрозия из-за утечек тока (ISO 5.4.3) происходит, когда через подшипник проходит ток малой интенсивности. Повреждения обычно представляют собой маленькие, расположенные рядом друг с другом кратеры. С течением времени появляются серые участки изношенного материала. Тела качения становятся серыми и тусклыми, а смазка может обесцвечиваться. Степень повреждения зависит от интенсивности тока, продолжительности, нагрузки на подшипник, частоты его вращения и смазки.

Эрозия из-за утечек тока — обычное явление в электродвигателях с паразитными токами в случае, если вал неправильно заземлен и двигатель управляется с помощью частотно-регулируемого привода.

Пластическая деформация (ISO 5.5)

ISO подразделяет пластическую деформацию на две категории: деформация в результате перегрузки (бринеллирование) и вмятины от воздействия частиц.

Деформация в результате перегрузки (ISO 5.5.2) — механическая неисправность в результате статической перегрузки, например, при неправильном проведении погрузочно-разгрузочных работ (падение подшипников с высоты), неправильного монтажа (удары молотком по подшипнику), пиковые нагрузки при работе оборудования и др. Деформация может проявляться в виде вмятин на дорожках качения или бороздок на поверхности между телами качения, повреждений сепараторов, уплотнений и экранов и пр.

Вмятины от воздействия частиц (ISO 5.5.3) возникают, когда твердые частицы (в загрязнениях или в результате износа) перекатываются в контактной области качения подшипника, создавая тем самым вмятины (деформации) в дорожках и телах качения.

На объем повреждений влияют размер, тип и твердость частиц. Дальнейшее перекатывание частицы по вмятинам может привести к поверхностной усталости (ISO 5.1.3).

Трещины и сколы (ISO 5.6)

Эта категория включает три подкатегории: деформация в результате перегрузки, усталостное растрескивание и термическое растрескивание.

Деформация в результате перегрузки (ISO 5.6.2) возникает в случаях, когда нагрузки превышают предел прочности материала на разрыв.

Одной из причинами деформации является высокое центробежное растягивающее усилие, связанное с установкой подшипника на валу с избыточным натягом, что во время работы подшипника приводят к возникновению трещин на внутреннем кольце.

Усталостное растрескивание (ISO 5.6.3) – это процесс накопления повреждений и развития разрушений поверхностных слоев материала под действием переменных контактных напряжений, вызывающих образование трещин.

Такая ситуация возможна в подшипнике, если к нему прилагаются большая или ударная нагрузка, не предусмотренная условиями эксплуатации.

Термическое растрескивание (ISO 5.6.4) происходит, когда две поверхности подшипника скользят относительно друг друга, при недостаточном смазывании, в результате трения выделяется тепло.

В случае значительного скольжения локальная повторная закалка поверхностей в сочетании с созданием высоких остаточных растягивающих усилий вызывает образование трещин, которые обычно располагаются перпендикулярно направлению скольжения.

Термические трещины часто наблюдаются на поверхности цементированных или объемно–закаленных деталей, работающих при высоких контактных давлениях.