Łożysko toczne ulega naturalnemu zjawisku zużycia, które polega na zmianie właściwości warstwy wierzchniej powierzchni tocznych bieżni i elementów tocznych. Podstawą długiej i bezawaryjnej pracy łożysk jest ich prawidłowy dobór, montaż i smarowanie. Uszkodzenia łożyska powstają najczęściej w wyniku większego niż założone obciążenia, nieskutecznych uszczelnień, złych pasowań i zbyt wysokiej temperatury.

Trwałość nominalna i eksploatacyjna

Nominalna trwałość łożyska jest definiowana jako określona liczba obrotów lub jako liczba godzin roboczych w określonych warunkach pracy (prędkość obrotowa), którą spełnia 90% łożysk z danego modelu. Dla większej prędkości wcześniej wystąpią objawy zmęczenia, takie jak łuszczenie i wykruszanie. Praktyka wykazała jednak, że nawet testowe łożyska tego samego modelu w takich samych warunkach pracy mogą uzyskiwać odmienne okresy trwałości, dlatego dane obliczeniowe czy katalogowe należy traktować jako bazowe, a nie ostateczne.

W zakresie trwałości łożysk wyróżnia się też trwałość eksploatacyjną, która uzależniona jest przede wszystkim od warunków pracy łożyska: przebiegu montażu lub demontażu, temperatury, agresywności środowiska czy smarowania. Zatem trwałość eksploatacyjna odpowiada trwałości rzeczywistej, w przypadku której w odpowiednim momencie łożyska uznaje się za niezdolne do dalszej pracy w wyniku zużycia, korozji lub zanieczyszczenia. Przyczyną może być uszkodzenie uszczelnienia i przedostanie się do wnętrza łożyska różnych cząstek, np. piasku czy wiórów. Gdy łożysko w konkretnym rozwiązaniu łożyskowania nie osiąga nominalnej trwałości, należy przeprowadzić szczegółowe badania zarówno samych łożysk, jak i obudowy, warunków pracy, a także prześledzić procedury montażu i działania eksploatacyjne.

Uszkodzenia łożysk

Łożysko w trakcie pracy powinno wydawać regularny i niski dźwięk (tzw. pomruk). Dźwięki przypominające gwizdy i piski mogą świadczyć o zbyt małych luzach roboczych lub niedostatecznym smarowaniu. Z kolei grzechotanie, nierównomierny szum czy dudnienie może oznaczać zbyt duży luz lub uszkodzenie bieżni i elementów tocznych.

Przyczynami uszkodzenia łożyska mogą być także nieskuteczne uszczelnienia, ponadnormatywne obciążenie lub zbyt ciasne pasowania. Każda z tych przyczyn zostawia specyficzny ślad na uszkodzonym łożysku (np. pęknięcia, złuszczenia, zatarcia, przebarwienia), co pozwala ją zidentyfikować. Badając i prowadząc szczegółowe oględziny uszkodzonego łożyska, można wyciągnąć wnioski co do przyczyny uszkodzenia i podjąć właściwe działania zapobiegawcze.

Niewłaściwy montaż łożyska można określić po rysach, zadarciach lub wgłębieniach na bieżni. Nienormalny ślad pracy na bieżni łożyska może wynikać ze zbyt ciasnych pasowań, z nadmiernego zacisku wzdłużnego, z powodu błędów kształtu czopa, niewspółosiowości czopów lub zbyt ciasnego osadzenia łożyska ruchomego. Wgłębienia na bieżniach od elementów tocznych spowodowane są także oddziaływaniem dynamicznym pracujących w sąsiedztwie maszyn na elementy toczne łożyska będącego w stanie spoczynku. Pęknięcia pierścienia łożyska najczęściej są spowodowane błędami konstrukcyjnymi – zbyt dużym dociskiem łożyska śrubą lub rowkiem konstrukcyjnym ułatwiającym osadzenie łożyska.

Korozję powoduje niewłaściwe przechowywanie lub złe uszczelnienie łożyska, czego następstwem może być wniknięcie wody lub oparów kwasów, a także zakwaszenie środków smarnych. Z kolei zanieczyszczenie łożyska może być wynikiem przedostania się piasku do oprawy, montażu brudnych części, niewłaściwego uszczelnienia lub brudnego smaru. Uszkodzenie łożyska można rozpoznać po takich symptomach jak przegrzanie łożyska, zbyt głośna praca, drgania, zmniejszona moc nominalna maszyny, zbyt duże luzy osadzenia łożyska, utrudnienia obrotów wału oraz skrócony okres trwałości eksploatacyjnej.

Sygnał uszkodzenia: drgania łożyska

Kluczowymi wskaźnikami działania łożyska podczas jego pracy są szum łożyska, drgania, temperatura i stan smaru. Do zbadania wielkości i charakterystyk szumu obrotowego łożyska podczas jego pracy można stosować urządzenia detekcji dźwięku, a nawet specjalny stetoskop – doświadczone osoby są w stanie za jego pomocą wykryć uszkodzenia, niestety najczęściej już dość zaawansowane.

Zazwyczaj samo łożysko toczne nie generuje hałasu. To, co uważa się za szum łożyska, jest w rzeczywistości efektem dźwiękowym drgań generowanych, w sposób bezpośredni lub pośredni, przez łożysko w otaczającej je konstrukcji. Z tego powodu problemy związane z hałasem można w większości uznać za problemy z drganiami dotyczące całej aplikacji, w której pracuje łożysko. Wśród wielu przyczyn powstawania drgań w łożysku najczęstsze to: drgania własne łożyska lub jego elementów, luz promieniowy lub osiowy łożyska, brak wyważenia koszyka utrzymującego elementy toczne, błędy wykonania łożyska.

Poziom sygnałów wibroakustycznych wzrasta w miarę wzrostu zużycia łożyska. Rozróżnia się trzy fazy degradacji łożyska: szumową, drganiową i termiczną. Nowe łożysko ma szerokopasmowy charakter przyspieszeń drgań (wartość szczytowa zawiera się w zakresie 0,98-1,96 m/s²). Faza szumowa rozpoczyna się w chwili powstania pierwszych mikrouszkodzeń – pasmo drgań zawęża się do 4-10 kHz, a na tle tego szumu pojawiają się wysokie impulsy o częstotliwości proporcjonalnej do liczby mikrouszkodzeń elementów łożyska. Pod koniec tej fazy przyspieszenie drgań obudowy łożyska może dochodzić do 40 m/s². Jest to sygnał do planowej wymiany łożyska podczas najbliższego postoju maszyny.

Jeżeli łożysko nie zostanie wymienione i nadal pracuje, pojawia się faza drganiowa – dochodzi do ubytków masy, co powoduje dalsze obniżenie średniej częstotliwości drgań. Skutkuje to znacznym wzrostem wartości szczytowej przyspieszenia drgań, a trwałość takiego łożyska może wynosić od kilku godzin do kilku tygodni. Na tym etapie następuje zwiększenie luzów łożyska i w rezultacie spadek wartości przyspieszenia i średniej częstotliwości drgań. Jeżeli łożysko nadal pracuje, w końcu następuje faza termiczna.

Praca łożyska w takim stanie technicznym prowadzi do deformacji jego elementów i dalszych ubytków masy powodujących wzrost oporów ruchu. W efekcie wzrastają siły tarcia, wydziela się ciepło, a więc i wzrasta temperatura łożyska, co obniża własności wytrzymałościowe i powoduje awarię.

Diagnostyka wibroakustyczna

Jak widać, sygnały drganiowe niosą wiele informacji o stanie technicznym maszyn, a ciągłe ich monitorowania można wykorzystać jako wskaźnik trendu stanu dynamicznego maszyny i wyznacznik potrzeby remontu. Stąd też jedną z najbardziej efektywnych metod badań stanu węzłów łożyskowych jest diagnostyka drganiowa.

Do metod pomiarowych drgań łożysk należy pomiar ogólnego poziomu drgań węzłów łożyskowych. Polega on na okresowych lub ciągłych pomiarach szerokopasmowych poziomów drgań (od 2 Hz do 10 kHz) i śledzeniu trendu zmian tych poziomów. Zmierzone poziomy drgań są porównywane z wartościami granicznymi podawanymi przez normy (np. ISO 10816). Pomiary takie powinny być wykonywane na obudowach łożysk, na tarczach łożyskowych lub na korpusie maszyny w trzech kierunkach: poziomym X, pionowym Y oraz osiowym Z.

Kolejna metoda wykorzystująca pomiar drgań do określenia stanu łożyska to pomiar współczynnika szczytu. Jest to stosunek wartości szczytowej do wartości skutecznej przebiegu sygnału drgań (RMS) w badanym przedziale częstotliwości drgań. Na podstawie wartości tego stosunku możliwe jest zlokalizowanie usterek łożyska. Metoda ta ma jednak istotne ograniczenia. Z badań wynika, że na początkowym etapie pracy łożyska (bez wad) stosunek ten wynosi 3:1. Wartość współczynnika szczytu wzrasta w początkowych stanach uszkodzenia łożyska przy wzroście wartości szczytowej – 10-15:1. Następnie maleje wraz ze wzrostem uszkodzenia łożyska przy wzroście wartości RMS i ponownie wynosi 3:1. Zatem niska wartość współczynnika szczytu oznacza zarówno stan prawidłowy łożyska, jak i stan bliski awarii.

Metoda pomiaru współczynnika szczytu diagnozuje stan łożyska, ale nie określa przyczyn jego zużycia. Wady tej pozbawiona jest analiza widmowa (częstotliwościowa) drgań, w której sygnał drganiowy rozkłada się na składowe harmoniczne, najczęściej za pomocą algorytmu FFT (ang. Fast Fourier Transform – szybka transformata Fouriera). Obserwacja trendu wzrostu wartości amplitud poszczególnych harmonicznych podczas kolejnych pomiarów dostarcza informacji o tym, które elementy łożyska lub maszyny ulegają zużyciu. W miarę powstawania mikrouszkodzeń łożyska pasmo drgań zawęża się w okolicy częstotliwości drgań elementów łożyska. Na tle tego szumu pasmowego pojawiają się wysokie impulsy. Pod koniec tej fazy szczytowe przyspieszenie drgań obudowy łożyska może sięgać 40 m/s² i powinno być sygnałem do planowej wymiany łożyska.

Inna metoda diagnozowania stanu łożysk ułatwiająca stwierdzenie przyczyny uszkodzenia to analiza obwiedni sygnałów. W metodzie tej sygnał drganiowy wychodzący z czujnika poddaje się filtracji, a następnie wyznaczane jest widmo powstałej obwiedni sygnału drganiowego. Uzyskane widmo może zawierać składowe o częstotliwości odpowiadającej defektom elementów łożyska.

Metoda impulsów udarowych

Jedną z najbardziej znanych i rozpowszechnionych metod w dziedzinie diagnostyki wibracyjnej jest metoda impulsów udarowych SPM (ang. Shock Pulse Method). Ocena stanu łożyska polega na porównaniu aktualnie zmierzonego poziomu prędkości uderzeń z poziomem określonym dla łożyska pracującego poprawnie. Metodę tę cechuje możliwość analizy trendu oraz wczesnego wykrywania uszkodzeń.

SPM polega na detekcji i pomiarze impulsów udarowych w obszarze rezonansowym czujnika drgań, w okolicy częstotliwości 32 kHz. Wraz ze zużywaniem się łożyska powstają uderzenia pomiędzy obciążonym elementem tocznym a bieżnią. Zadaniem przyrządu pomiarowego jest wykrycie tych uderzeń i zamiana ich na impulsy elektryczne. Ich wielkość jest proporcjonalna do energii uderzenia.

Impulsy uderzeniowe generowane w łożysku mają wiele źródeł pochodzenia i występują przy różnych częstotliwościach. Przypadkowe i rzadkie zderzenia między chropowatościami powierzchni w łożyskach tworzą impulsy uderzeniowe o niskim poziomie. Średnia wartość częstotliwości występowania impulsów jest rzędu kHz. Uderzenia wywołane tradycyjnymi drobinami (złuszczenie lub wykruszenie) wytwarzają przypadkowe, rzadkie impulsy uderzeniowe o większej wartości bezwzględnej i niższej częstotliwości. Rzadkie impulsy uderzeniowe występujące w nieregularnych odstępach powstają pod wpływem odcisków twardych drobin na obciążonych powierzchniach łożysk.

Wyraźne uszkodzenia łożysk generują początkowo impulsy uderzeniowe w regularnych odstępach. Wraz z narastaniem uszkodzenia regularność ta staje się coraz mniej wyraźna. Tego typu uszkodzenia wytwarzają impulsy o nieregularnych odstępach i zmiennych wartościach bezwzględnych. Mikroprocesor przyrządu do diagnostyki łożysk tocznych metodą SPM analizuje sygnał, a po wprowadzeniu danych wejściowych (typ łożyska, prędkość obrotowa) ocenia stan łożyska i opisuje wraz z podaniem stanu smarowania oraz zaawansowania ewentualnego uszkodzenia.

Wiarygodne wyniki pomiarów wibracji

Przedstawione metody diagnostyki stanu łożysk nie wyczerpują wszystkich stosowanych w praktyce sposobów diagnozowania. Jako metody wibroakustyczne należy wymienić jeszcze pomiar kurtozy i pomiar emitowanego hałasu. Również pomiar i późniejsza analiza ultradźwięków emitowanych przez łożyska umożliwiają ocenę ich stanu. Poza tym istnieją także metody prądowe diagnostyki łożysk, stosowane np. przy utrudnionym dostępie do maszyny, polegające na analizie widma prądu zasilającego maszynę.

Metodami rzadziej stosowanymi, ale również wartymi wymienienia, są metody diagnostyczne wykorzystujące algorytmy sztucznej inteligencji, takie jak logika rozmyta i sieci neuronowe oraz transformata falkowa. Sygnał wibracji zawiera szereg ważnych informacji o stanie technicznym silnika i jest najczęściej wykorzystywany w systemach diagnostyki łożysk. Z tego względu metody oparte na pomiarach wibracji są obecnie najlepiej dopracowane i umożliwiają uzyskanie wiarygodnych wyników.