Înțelegerea defectelor elementelor rulante
Defecte ale elementelor de rulare sunt deteriorările, defectele sau imperfecțiunile bilelor sau rolelor unui rulment cu elemente de rulare. Acestea includ exfolierea suprafeței, fisuri, impurități încorporate, incluziuni de material, coroziune și imperfecțiuni geometrice. Atunci când o bilă sau o rolă deteriorată se rotește în interiorul rulmentului, aceasta lovește atât calea de rulare interioară, cât și cea exterioară, generând vibrații la frecvența de rotație a bilei (BSF) cu caracteristicile benzi laterale spaced at the cușcă sau frecvența fundamentală a trenului (FTF). Defectele elementelor de rulare reprezintă una dintre cele patru forme clasice de deteriorare localizată defecte ale rulmentului, alături de defectele de tip „inner-race”, „outer-race” și „cage”.
Acestea sunt mai puțin frecvente decât defectele de pe calea de rulare, reprezentând aproximativ 10–15 % din defectările rulmenților, dar, atunci când apar, produc o semnătură distinctivă, uneori greu de interpretat, și pot evolua rapid către defectarea completă a rulmentului. Deoarece defectul se rotește odată cu elementul, în loc să rămână fix în zona de încărcare, vibrația sa se comportă diferit față de un defect de cale de rulare — o particularitate care constituie atât un indiciu de diagnostic, cât și o adevărată bătaie de cap în ceea ce privește tendințele.
1. Definiție: Ce sunt defectele elementelor de rulare?
Un element de rulare — bila dintr-un rulment cu bile, cilindrul, acul sau rola conică dintr-un rulment cu role — este componenta care suportă efectiv sarcina între cele două piste în timpul rulării. Suprafața sa este o suprafață din oțel pentru rulmenți, finisată cu precizie și călită în profunzime, care trebuie să rămână perfectă din punct de vedere geometric pentru a se roti fără probleme. Orice defect al acestei suprafețe, fie că provine din fabrica de oțel, fie că apare în timpul utilizării, devine un factor de concentrare a tensiunilor și o sursă de impact.
De fiecare dată când defectul de pe element intră în contact cu o cale de rulare, acesta produce un impuls mic. Pe parcursul unei orbite complete a cuștii, elementul intră în contact o dată cu calea de rulare exterioară și o dată cu cea interioară, astfel încât un singur defect tinde să genereze două impacturi pe rotație a elementului — motiv pentru care a doua armonică, 2×BSF, este atât de proeminentă în spectru. Rata de repetiție a acestor impacturi este determinată de geometria rulmentului (diametrul bilei, diametrul de pas, unghiul de contact și numărul de elemente), conferind defectului o frecvență caracteristică calculabilă, care este în mod incontestabil diferită de viteză de funcționare or its armonice.
2. Tipuri de defecte ale elementelor de rulare
Surface spalls
Cel mai frecvent defect al elementelor de rulare. Oboseala prin contact de rulare determină desprinderea unei bucăți de material de pe suprafață, lăsând în urmă un crater sau o adâncitură. De obicei, fragmentele au un diametru inițial de 0,5–3 mm, dar se măresc pe măsură ce marginile ascuțite ale cavității lovesc căile de rulare și desprind și mai multe resturi. Fiecare trecere a fragmentului peste o cale de rulare produce un impact, generând vibrații la frecvența de bază (BSF) și, adesea, la o frecvență de 2×BSF. (Vezi exfoliere (pentru mecanismul care stă la baza oboselii.)
Fisuri
Fisurile apar ca urmare a suprasolicitării, a loviturilor sau a oboselii materialului și pot fi de suprafață sau sub suprafață. O fisură se propagă până când o bucată se desprinde — moment în care se transformă într-o așchie. Fisurile sunt greu de detectat înainte ca acest lucru să se întâmple, iar în cazurile grave, o bilă se poate fractura și fragmenta, provocând o cedare bruscă și catastrofală.
Incluziuni de material
Un defect de fabricație: prezența unor corpuri străine sau a unor goluri în oțelul pentru rulmenți. Inclusiunile generează o concentrare de tensiuni care duce la oboseală prematură, de obicei nedetectabilă până când apar fisuri în jurul incluziunii. Utilizarea unui oțel pentru rulmenți curat și de înaltă calitate reprezintă singura măsură de prevenire eficientă.
Contaminare încorporată
Particulele dure — murdărie, granule abrazive, așchii metalice — care se înfig în suprafața elementului formează o proeminență care lovește cu putere canalele de rulare la fiecare trecere. De asemenea, această adâncitură devine un punct de concentrare a tensiunilor care poate declanșa o fisură. Rezultatul este apariția vibrațiilor de impact la BSF, iar cauza principală este aproape întotdeauna o etanșare sau o filtrare inadecvată, același lanț de evenimente descris în lubrifierea rulmenților cleanliness.
Coroziune și deteriorări cauzate de umiditate
Pătrunderea apei sau condensul provoacă apariția petelor de rugină, ciupituriși rugozitatea suprafeței. Zonele corodate acționează ca puncte de inițiere a oboselii materialului. Etanșarea corespunzătoare și utilizarea lubrifianților cu proprietăți anticorozive previn acest fenomen.
Brinelling și îndoire
Solicitările de șoc — căderea rulmentului, loviturile în timpul manipulării sau suprasolicitarea statică — lasă urme permanente pe suprafața elementului. De asemenea, pot apărea urme de brinelling fals ca urmare a vibrațiilor în timp ce mașina este oprită. Aceste urme generează puncte de impact și concentrări de tensiune; soluția constă în manipularea cu grijă și montarea corectă.
3. Semnătura vibrațională
Componența spectrală
Defectele elementelor de rulare generează un model caracteristic în spectrul de vibrații:
- Frecvența principală: BSF, de obicei de 2–3 ori viteza de alergare.
- O armonică a doua puternică: 2×BSF este adesea mai mare decât frecvența fundamentală, deoarece defectul lovește ambele căi de rulare la fiecare rotație a elementului.
- Distanța dintre benzile laterale: Bande laterale FTF (frecvența cușcă) — nu 1× benzi laterale. Acesta este principalul element care o deosebește de o defecțiune de tip „inner-race”.
- Model: BSF ± FTF, BSF ± 2×FTF și așa mai departe, formând un “gard de uluci” din vârfuri distanțate la frecvența cuștii.
Deoarece impulsurile sunt scurte și de înaltă frecvență, ele sunt de obicei ascunse în spectrul brut și devin vizibile doar după demodulare. Analiza anvelopei rectifică și filtrează semnalul printr-un filtru bandă pentru a evidenția frecvența de repetiție, iar rezultatul spectrul anvelopei este locul în care familia BSF/FTF este cea mai vizibilă. Cele strâns înrudite frecvențele defectelor rulmenților pentru că inelul interior, inelul exterior și cușca completează setul de instrumente de diagnosticare.
Distingerea celor patru tipuri de defecte ale rulmenților
| Caracteristică | Inel exterior (BPFO) | Inel interior (BPFI) | Element rulant (BSF) |
|---|---|---|---|
| Frecvența principală | BPFO (3–5×) | BPFI (5–7×) | BSF (2–3×) |
| Distanța dintre benzile laterale | Niciunul sau minim | ±1× (turația arborelui) | ±FTF (viteza coliviei) |
| Stabilitatea amplitudinii | Relativ stabil | Stabil | Variabil (depinde de poziția bilei) |
| Apariție | Cel mai frecvent (~40%) | Comun (~35%) | Cele mai puțin frecvente (~10–15%) |
Variabilitatea amplitudinii
O caracteristică distinctivă a defectelor de bilă este faptul că amplitudinea măsurată variază de la o citire la alta:
- Când elementul defect trece prin zona de sarcină, loviturile sunt puternice, iar amplitudinea este mare.
- Când același element se află pe partea neîncărcată a rulmentului, contactul este ușor, iar amplitudinea scade.
- Această modulație este determinată de frecvența cuștii (de unde și benzile laterale FTF) și poate face ca tendințe neregulat — însă chiar faptul că nivelul oscilează în sus și în jos constituie în sine un indiciu al unei defecțiuni la elementele de rulare.
4. Evoluția și consecințele
Dezvoltarea defectelor
- Iniţiere: o mică fisură la suprafață sau o incluziune sub suprafață.
- Micro-spall: o bucățică mică de material se desprinde.
- Spall growth: impacturile la marginile exfolierii agravează deteriorarea.
- Exfolieri multiple: resturile care circulă zgârie suprafața și provoacă apariția altor defecte.
- Fragmentarea bilei: în cazurile grave, o bilă întreagă se fisurează și se sparge în bucăți.
- Eșec total: rulmentul își pierde capacitatea de susținere a sarcinii, blocându-se adesea.
Daune secundare
- Deteriorarea inelului: elementul defect zgârie atât inelul interior, cât și cel exterior.
- Circulația resturilor: materialul exfoliat provoacă abraziune în trei corpuri pe toată suprafața rulmentului.
- Deteriorarea coliviei: un element aspru uzează buzunarele coliviei.
- Deteriorare rapidă: Odată ce un element se defectează, celelalte urmează rapid, astfel încât intervalul de timp dintre detectarea unei defecțiuni și producerea unei avarii este foarte scurt.
5. Cauze frecvente
Defecte de fabricație și de material
- Incluziuni interne sau goluri în materialul elementului.
- Un tratament termic necorespunzător care duce la o duritate insuficientă sau inegală.
- Defecte ale finisajului suprafeței.
- Defectele geometrice, cum ar fi bilele care nu sunt rotunde.
Daune cauzate de instalare
- Efectele manipulării — căderea sau lovirea rulmentului.
- Brinelling cauzat de suprasolicitarea statică sau falsul brinelling provocat de vibrații în stare de repaus.
- Contaminarea apărută în timpul montării, prin încorporarea de particule în suprafață.
Condiții de funcționare
- Lubrifierea insuficientă provoacă deteriorarea suprafeței și micro-sudarea.
- Supraîncărcarea care accelerează oboseala prin contactul de rulare.
- Curentul electric parazit care trece prin rulment, provocând caneluri (fluting) și ciupituri (pitting).
- Mediile corozive care afectează suprafețele elementelor.
- Contaminarea cu particule dure care provoacă adâncituri.
6. Detectarea, diagnosticarea și măsurile corective
Analiza vibrațiilor
- Calculați BSF și FTF pentru geometria specifică a rulmentului — a Calculator de frecvență a defectelor lagărelor convertește direct turația arborelui și dimensiunile rulmentelor în BPFO, BPFI, BSF și FTF.
- Căutați vârful BSF în spectrul de anvelopă.
- Verificați configurația benzilor laterale FTF — cea mai fiabilă metodă de confirmare a unei defecțiuni la elementele de rulare.
- Verificați 2×BSF, care depășește adesea amplitudinea frecvenței fundamentale.
- Efectuați mai multe măsurători; variabilitatea amplitudinii așteptate constituie în sine o confirmare.
În teren, această secvență completă — măsurarea nivelului de bandă largă, captarea spectrului și efectuarea analizei de anvelopă — reprezintă exact genul de diagnosticare a rulmenților pentru care a fost conceput un analizor portabil cu două canale. Balanset-1A înregistrează spectrul FFT și forma de undă în timp de la carcasele rulmenților mașinii la viteza de funcționare, astfel încât un analist să poată identifica familia BSF și benzile laterale FTF ale acesteia direct la fața locului, fără a fi necesară demontarea mașinii, pentru a clasifica apoi defectul cu ajutorul unui instrument precum Clasificator al deteriorărilor rulmenților (ISO 15243). Același instrument vă permite, de asemenea, să vă asigurați că defectul rulmentului este real și nu doar un efect de măsurare, înainte de a decide înlocuirea acestuia.
Inspecție fizică
- Demontați rulmentul și verificați fiecare bilă sau rolă în parte.
- Căutați fisuri, crăpături, materiale încorporate, coroziune
- Simțiți rugozitatea suprafeței — elemente netede versus elemente aspre.
- Verificați precizia geometrică (deformarea).
- Fotografiați fiecare defect pentru dosarul de întreținere.
Măsuri corective și cauza principală
Răspunsul imediat constă în creșterea frecvenței monitorizării, în conformitate cu severitatea defectului, planificați înlocuirea rulmentului și verificați dacă inelele de rulment prezintă deteriorări secundare. Soluția durabilă constă în analiza cauzelor profunde: revizuiți alegerea și caracteristicile tehnice ale rulmentului, verificați dacă lubrifierea este adecvată, identificați sursele de contaminare, evaluați practicile de instalare și luați în considerare adoptarea unor rulmenți cu specificații îmbunătățite în cazul în care defectarea a survenit prematur. Integrarea acestor concluzii într-un sistem structurat monitorizarea stării programul este cel care transformă o defecțiune punctuală într-una prevenită.
Deși sunt mai puțin frecvente decât defectele căilor de rulare, defectele elementelor de rulare necesită o înțelegere clară a semnăturii lor specifice BSF, împreună cu benzile laterale FTF, pentru un diagnostic precis. Detectarea timpurie prin analiza anvelopei permite efectuarea întreținerii planificate cu mult înainte ca defectul să degenereze în avarii grave ale rulmentului și în posibile defecțiuni catastrofale.
