Анализ отказов и повреждений подшипников качения

Эксплуатационные повреждения подшипников качения связаны с нарушением установленных режимов их работы и хранения, приводящие к превышению прочностных возможностей материала колец, тел качения и сепараторов. К таким нарушениям можно отнести:
- нарушение теплового режима работы;
- масляное голодание;
- воздействие вибрационных нагрузок;
- загрязнение подшипников;
- прохождение через подшипники электрического тока;
- коррозионное воздействие.
Работа подшипников при повышенной температуре приводит к искусственному отпуску металла деталей и снижению твёрдости. Обычно подшипники, применяемые, например, в газотурбинных установках, могут надёжно работать при температурах до 250° С.
При эксплуатации могут быть случаи, когда рабочая температура подшипников превышает допустимую. Это наблюдается при нарушении режима охлаждения после остановки, в случае ухудшения смазки подшипников по каким-либо причинам и при повышенном трении вследствие высоких контактных нагрузок.
О работе подшипника при повышенной температуре, превышающей температуру отпуска, внешне можно судить по наличию цветов побежалости. Как правило, подшипники с цветами побежалости ремонту и восстановлению не подлежат и заменяются.
Следствием перегрева подшипника является образование следов качения на беговых дорожках в виде тёмно-синих полос без выработки. Полосы образуются при пригорании масла в результате повышенной температуры из-за значительной нагрузки.
Подшипник, разрушившийся вследствие нарушений режима смазки, по внешнему виду отличается от подшипника, отказавшего по причине усталостных разрушений. Нарушение теплоотвода, прежде всего, отражается на телах качения, повышая их температуру. Они нагреваются быстрее колец, так как имеют меньшую массу, чем кольца, от которых достаточно интенсивно отводится тепло через посадочную поверхность. Нагрев тел качения вызывает рост их объёма, что приводит к появлению повышенного трения. По мере нагрева колец в точках контакта их с беговыми дорожками материал тел качения начинает оплавляться и налипать на береговых дорожках.
При разрушении подшипника сепаратор остаётся целым, так как заклинивание и разрушение всех тел качения происходят одновременно без повышенного давления на сепаратор. Однако при этом он сильно деформируется, его гнёзда под тела качения оплавляются и изнашиваются.
При масляном голодании подшипник разрушается вследствие нагрева тел качения и полной «выборки» зазоров между ними и кольцами. При этом его поврежденные детали имеют характерный вид: тела качения оплавлены и имеют следы сильного истирания, на кольцах беговых дорожек - слой наплавленного металла и следы истирания, а в случае длительной работы подшипника, в условиях масляного голодания, сепаратор может разрушиться на несколько кусков.
При работе в подшипники могут попадать твердые частицы, заносимые маслом. Частицы образуют на дорожках и телах качения концентрические риски. Наиболее опасными являются риски, образующиеся на шариках, так как при повороте последних их расположение может не совпасть с направлением деформирования шарика при качении. В роликовых подшипниках риски располагаются по направлению деформирования металла береговых дорожек и роликов.
Любые твёрдые частицы, попадающие в работающий подшипник, нарушают его нормальное состояние и, в конечном итоге, могут привести к преждевременному выходу его из строя.
Существенной особенностью, свойственной лишь подшипникам качения, является повышенная их чувствительность к прохождению электрического тока. Электрический ток, проходя через подшипник, пробивает плёнку смазки в местах контакта тел качения. Кратковременные и сильные разряды вызывают образование на поверхностях деталей качения небольших кратеров, похожих на кратеры, возникающие при дуговой сварке.
Для подшипников качения характерна их высокая чувствительность к вибрационным нагрузкам, что особенно вредно сказывается на подшипниках, которые подвергаются воздействию вибрации при неработающем механизме. Для снижения воздействия вибрационных нагрузок на подшипники бездействующие агрегаты должны периодически проворачиваться и через определённое время вводится в действие. Вибрационные нагрузки вызывают образование на дорожках качения участков выкрашивания, отличных от усталостных повреждений. Эти участки расположены один от другого на значительном расстоянии, равном шагу расположения тел качения в подшипнике.
Механизм образования участков выкрашивания можно объяснить следующим образом. Вибрация приводит к многократным нажатиям соединённых вместе участков, вследствие чего возникает коррозия сухого трения. При нарушении граничного слоя смазки происходит соприкосновение вершин микрошероховатостей, их диффузионное сцепление и разрушение. Процесс многократного сцепления микрошероховатостей приводит к образованию углублений, называемых «ложным бринеллированием», поскольку по внешнему виду они похожи на отпечатки, которые получаются при испытании твёрдости по Бринел-лю.
Воздействие вибрационных нагрузок в конечном итоге может привести к разрушению подшипника. Особенно сильное воздействие они оказывают на роликовые подшипники, а также на шариковые с большим внутренними зазорами.
Коррозионные повреждения подшипников являются весьма распространёнными дефектами, которые проявляются в образовании поверхностных налётов и раковин. При этом происходит изменение внешнего вида подшипника. Стальные детали покрываются коричневой ржавчиной, медные - зелёной плёнкой, алюминиевые сплавы -белым налётом. Коррозия может быть в виде сплошных или местных поражений. Обычно сплошная коррозия менее опасна, так как она, как правило, не вызывает глубоких повреждений металла и может быть удалена общеизвестным способом. Местные коррозионные поражения бывают в виде пятен одинаковой глубины и точек различной глубины.
Точечная коррозия в отдельных случаях может вызывать образование язвин и сквозных поражений.
Коррозионные повреждения снижают контактную выносливость и ухудшают качество вращения подшипников.