Montaż łożysk: pasowania, mocowanie i uszkodzenia, których nie widać

Najważniejsze wnioski

• Duża część przedwczesnych awarii łożysk tocznych powstaje w ciągu dziesięciu minut montażu: zanieczyszczenia, niewspółosiowość i przeniesienie sił przez powierzchnię elementów tocznych, co objawia się drganiami tygodnie później.
• Mierz, nigdy nie zakładaj: wał nominalnie 50 mm k5 może mieścić się w przedziale szerokości 11 mikrometrów dla tego rozmiaru, a w połączeniu z otworem łożyska o wymiarze nominalnym sam ten fakt powoduje, że interferencja waha się od około 2 do około 13 mikrometrów. Otwór ma własną tolerancję minusową, co jeszcze bardziej poszerza rozrzut.
• Interferencja "zjada" luz wewnętrzny. Około 80 procent interferencji przejawia się jako rozszerzenie pierścienia wewnętrznego na masywnym stalowym wale, i całe to rozszerzenie jest odejmowane od promieniowego luzu wewnętrznego, dlatego wybór pasowania i klasy luzu to jedna decyzja, a nie dwie.
• Montaż na gorąco ma jedną twardą granicę dla łożysk standardowych, 120°C, z 110°C jako celem roboczym: powyżej tej granicy ryzykuje się niestabilność wymiarową pierścieni, a płomień nigdy nie jest dopuszczalny przy żadnej temperaturze.
• Pierwsze 24 godziny to okno diagnostyczne: temperatura obudowy, która rośnie, osiąga szczyt, a następnie ustala się, oznacza przemieszczanie się smaru; jeżeli nadal rośnie po czterech godzinach, to problem z pasowaniem, luzem lub ilością smaru. Oceniaj plateau względem własnej bazy maszyny lub limitu producenta, ponieważ stały wzrost o 30 do 40 K ponad temperaturę otoczenia jest normalny dla wielu obudów silników i wentylatorów.

Dlaczego to podczas montażu łożyska "umierają"

Wyjmij z zakładu rok wadliwych łożysk i uderzy cię, że wiele z nich nosi ślady powstałe zanim maszyna się zaczęła kręcić, takie jak wgniecenia brinelling w rozstawie kulek na nieruchomym pierścieniu. Uszkodzenia powstały podczas montażu, potem pracowały "na pożyczonym czasie", aż wada rozwinęła się do odpadania materiału (spalling); defekt inicjujący jest niewidoczny w dniu montażu i nie wykrywalny przy sprawdzeniu przez ręczne obracanie.

Dlatego wymiana łożyska wymaga pisemnej metody z zapisanymi pomiarami: kroki montażowe w ramach usystematyzowanego planu konserwacji zapobiegawczej, z polami na zmierzony średnicę wału i temperaturę montażu, powinny być powtarzane w ten sam sposób.

Czystość i przygotowanie

Pracuj na czystym stole z chusteczkami bez włókien, nigdy nie przedmuchuj gniazda sprężonym powietrzem warsztatowym i trzymaj pudełko łożyska zamknięte aż do chwili, gdy wał będzie gotowy. Zanim je otworzysz:

• Skontroluj siedzisko wału i otwór obudowy pod kątem frettingu, korozji, wystających zadziorów i starego kleju: grzbiet, który wyczujesz paznokciem, wystarczy, by przekrzywić pierścień.
• Sprawdź, czy przylgi wału i obudowy są prostopadłe do ich siedzisk oraz czy promień zaokrąglenia jest mniejszy niż fazka łożyska, tak żeby czoło pierścienia opierało się na stopniu zamiast wjeżdżać na fazkę.
• Sprawdź oznaczenie na pudełku z rysunkiem: wariant uszczelniony lub osłonięty nie jest zamiennikiem dla określonego łożyska otwartego bez sprawdzenia konsekwencji dla ponownego smarowania i prędkości.
• Zmierz wał mikrometrem zewnętrznym w trzech pozycjach osiowych i w dwóch orientacjach w każdej, wyszukując stożkowość i owalność; otwór obudowy mierz przyrządem do pomiaru otworów (bore gauge) w ten sam sposób.
• Zanotuj wartości: rysunek podaje pasmo tolerancji, a nie to, gdzie w nim znajduje się ten wał.

Zakład pracujący według kodu czystości oleju ISO 4406 dla swoich układów obiegowych powinien utrzymywać stanowisko montażowe na tym samym poziomie.

Pasowania i jak interferencja zmniejsza luz

Pierścień, który obraca się względem kierunku obciążenia, potrzebuje pasowania wcisnęciowego; pierścień nieruchomy względem obciążenia może mieć luźniejsze pasowanie. Przy obracającym się wale i stacjonarnym obciążeniu promieniowym: interferencja na pierścieniu wewnętrznym, nieco luźniejsze do przejściowego pasowanie na pierścieniu zewnętrznym.

Typowe oznaczenia wałów to j6 dla lekkich obciążeń, k5 lub k6 dla typowej pracy przemysłowej oraz m5 lub m6 dla obciążeń udarowych lub ciężkich; obudowy zwykle są H7 lub J7 tam, gdzie pierścień zewnętrzny nie może migrować. Bardziej ciasne pasowanie przeciwdziała pełzaniu i frettingowi, ale zwiększa siły montażowe i redukuje luz.

Wciskanie pierścienia wewnętrznego na za duże siedzisko rozciąga go: otwór rośnie, bieżnia razem z nim, a przestrzeń dla elementów tocznych maleje. Około 80 procent interferencji objawia się jako utracony promieniowy luz wewnętrzny na masywnym stalowym wale, więc 25 mikrometrów interferencji zabiera mniej więcej 20 mikrometrów luzu zanim maszyna zacznie się obracać.

Wybór pasowania i klasy luzu to więc jedna decyzja: ciasne pasowanie z łożyskiem o standardowym luzie CN w aplikacji, gdzie jest ogrzewanie, może dać ujemny luz roboczy, czyli dociążenie, tarcie, ciepło i krótką żywotność. Wybór C3 lub C4 zamiast CN omówiony jest w towarzyszącym artykule o klasach luzu wewnętrznego łożysk.

Metody montażu i kiedy stosować którą

Montaż na zimno nadaje się do małych łożysk, mniej więcej do 60-70 mm otworu przy umiarkowanej interferencji. Użyj narzędzia montażowego, którego pierścień udarowy styka się tylko z pierścieniem, który jest montowany: przy pasowaniu na wał tylko z pierścieniem wewnętrznym. Tuleja obejmująca obydwa czoła pierścieni jest właściwa tylko tam, gdzie łożysko jest wciskane na wał i wprowadzane do obudowy w jednym uderzeniu, tak że każdy pierścień otrzymuje swoją własną siłę bezpośrednio. Wbijaj młotkiem bezodrzutowym lub, lepiej, użyj prasy, która daje sprzężenie zwrotne niedostępne dla młotka: jeżeli siła nadal rośnie po tym, jak pierścień powinien się osadzić, oznacza to złe ustawienie. Siła montażowa nigdy nie powinna być przekazywana przez elementy toczne.

Montaż na gorąco jest normalną praktyką od około 70 mm otworu w górę oraz poniżej tej wartości tam, gdzie interferencja przekracza możliwości prasy. Użyj podgrzewacza indukcyjnego z sondą temperatury lub termostatycznie kontrolowanej kąpieli olejowej. Podgrzej pierścień wewnętrzny o 80-90 K powyżej temperatury wału, co przy warsztacie o 20°C oznacza około 100-110°C. Łożyska standardowe są stabilne wymiarowo do 120°C, więc traktuj 120°C jako twardy limit, a 110°C jako cel roboczy: powyżej limitu ryzykujesz zmianę wymiarów pierścieni, a ciepło degraduje smar w jednostkach fabrycznie nasmarowanych dużo wcześniej. Nigdy nie używaj płomienia i nigdy nie podgrzewaj łożyska uszczelnionego lub nasmarowanego w kąpieli olejowej.

Stożkowe gniazda przyjmują tuleję adapterową na wał cylindryczny lub własny stożek wału, napieraną nakrętką blokującą lub nakrętką hydrauliczną; tuleja do wyciągania jest odpowiednikiem do demontażu, nie narzędziem montażowym. Zmienną kontrolną jest droga napierania lub zmniejszenie mierzonego luzu wewnętrznego, nigdy moment obrotowy: interferencja jest określana przez to, jak daleko pierścień wchodzi po stożku.

Smarowanie przy montażu i pierwsze kontrole

Przy montażu wypełnij komorę łożyska całkowicie, a wolną przestrzeń obudowy na około 30-50 procent dla normalnych prędkości. Przepełnienie łożyska wysokoprędkościowego jest klasyczną przyczyną skoku temperatury w pierwszym dniu, ponieważ mieszany smar generuje ciepło szybciej, niż można je odprowadzić. Zapisz ilość początkowego napełnienia, która nie jest ilością do późniejszego uzupełnienia. Interwały omówione są w wskazówkach dotyczących interwałów ponownego smarowania łożysk. Wykonanie należy umieścić na zaplanowanych trasach smarowania.

Po zamontowaniu obróć wał ręką, sprawdzając chropowatość lub cykliczne zacięcia, a następnie wykonaj pomiary bazowe drgań i temperatury w pierwszej godzinie, po czterech godzinach i po 24 godzinach. Wzrost w ciągu jednej do dwóch godzin, który osiąga szczyt i opada do stabilnego plateau, oznacza przemieszczanie się smaru. Jeżeli temperatura nadal rośnie po czterech godzinach lub w ogóle się nie stabilizuje, oznacza to niewystarczający luz roboczy, nadmiar smaru lub przekoszony pierścień: zatrzymaj i zdiagnozuj zamiast "dotrzeć". Oceniaj plateau względem bazy tej maszyny lub limitu producenta, gdyż wiele obudów silników i wentylatorów utrzymuje stały wzrost o 30-40 K ponad temperaturę otoczenia.

Fabrico to miejsce, gdzie taki zapis żyje: powtarzające się zadania PM zawierają listy kontrolne montażu i inspekcji, zmierzone wartości i wyniki są przechowywane przy danym aktywie, tak aby następny technik widział, co zmierzył wał poprzednim razem; każde aktywo ma własny rejestr dostępny dla audytora, niezaliczony punkt może uruchomić zadanie uzupełniające, a dane zatrzymania maszyny z PLC lub OEE mogą stać się zleceniem pracy. Aby zobaczyć to na swojej liście aktywów, zarezerwuj krótkie demo.

Przykład z konkretnymi liczbami

Zakład wymienia łożysko po stronie napędu w silniku wentylatora odśrodkowego o mocy 75 kW: łożysko kulkowe głębokożłobkowe 6312, otwór 60 mm, średnica zewnętrzna 130 mm, luz C3, na wale wyrysowanym jako 60 k5, pracując ciągle z pierścieniem wewnętrznym blisko 70°C i pierścieniem zewnętrznym blisko 50°C.

Krok 1, pomiar. Siedzisko wału mierzy średnią średnicę 60.014 mm w trzech pozycjach. Pasmo k5 dla tego rozmiaru to plus 2 do plus 15 mikrometrów: w tolerancji, ale blisko górnej granicy. Otwór łożyska mierzy 59.996 mm, czyli 4 mikrometry poniżej nominału, w granicach odchylenia średniego otworu klasy Normal od 0 do minus 15 mikrometrów dla otworu powyżej 50 do 80 mm (taka tolerancja dotyczy średnicy średniej otworu; owalność jest ograniczana osobno, dlatego otwór mierzy się w dwóch orientacjach).

Krok 2, rzeczywista interferencja. Interferencja równa jest średnicy wału minus średnica otworu, pomniejszona o spłaszczenie chropowatości powierzchni podczas montażu: 60.014 minus 59.996 daje 0.018 mm, to jest 18 mikrometrów zmierzonej interferencji, o mikrometr lub dwa mniej w efekcie na szlifowanym siedzisku, więcej na toczeniu. Wał na dolnej granicy pasma k5 przy otworze nominalnym dałby tylko 2 mikrometry, a wał na górze pasma przeciwko otworowi 15 mikrometrów poniżej nominału dałby 30: sam rysunek pozostawia piętnastokrotne niepewne rozstrzygnięcie.

Krok 3, luz utracony przez pasowanie. Stosując regułę 80 procent: 18 razy 0.8 równa się 14.4 mikrometra promieniowego luzu wewnętrznego utraconego przy montażu.

Krok 4, początkowy luz. To łożysko C3 ma 38 mikrometrów promieniowego luzu wewnętrznego przed montażem; po montażu 38 minus 14.4 daje 23.6 mikrometra.

Krok 5, efekt termiczny. Pierścień wewnętrzny pracuje o 20 K cieplej niż pierścień zewnętrzny. To różnica pierścień do pierścienia jest tym, czego potrzebuje wzór na zamknięcie; odczyt powierzchni obudowy jest niższy niż pierścień zewnętrzny za nią, więc nie używaj go bezpośrednio. Zamknięcie równa się średnicy średniej łożyska, 0.5 razy (60 plus 130) równa się 95 mm, razy współczynnik rozszerzalności razy różnica temperatur: 95 mm razy 0.0000115 na K razy 20 K, co daje 0.0219 mm. Promieniowy luz wewnętrzny jest wartością całkowitego luzu, więc całość tego różnicowego wzrostu jest utracona: w przybliżeniu 22 mikrometry.

Krok 6, werdykt. Luz roboczy wynosi w przybliżeniu 23.6 minus 22, czyli w przybliżeniu 2 mikrometry, dodatni, ale ledwie: wał na górze pasma k5, 60.015 mm, w zestawieniu z otworem łożyska na dole jego pasma Normal, 59.985 mm, dałby 30 mikrometrów interferencji, 24 mikrometry utracone przy montażu i luz roboczy 38 minus 24 minus 22, czyli -8 mikrometrów: dociążenie przed uruchomieniem maszyny. Decyzja: 2 mikrometry są mniejsze niż niepewność danych wejściowych, które je wygenerowały, więc traktuj je jako zero. Zarejestruj zmierzony 60.014 mm i załóż wariant C4: jednostka C4 mierząca 45 mikrometrów daje 45 minus 14.4 minus 22, około 9 mikrometrów luzu roboczego, czyli rzeczywisty zapas zamiast artefaktu zaokrąglenia. Zachowaj C3 tylko dla obciążenia, gdzie różnica pierścień-do-pierścienia jest zweryfikowana poniżej około 15 K. Podgrzej na podgrzewaczu indukcyjnym do 100°C: 60 mm razy 0.0000115 razy 80 K to w przybliżeniu 55 mikrometrów wzrostu otworu, wystarczająco, by wcisnąć pierścień do oporu. Gdyby wał miał standardowe łożysko CN mierzące 15 mikrometrów luzu, rachunek brzmiałby 15 minus 14.4 minus 22, głęboko ujemnie: silne dociążenie. Decyzja: nie montować; pozyskać wariant o większym luzie.

Częste błędy

• Odczytywanie średnicy wału z rysunku zamiast jej zmierzenia.
• Pomiary w jednym tylko punkcie, więc stożkowość rzędu 10 mikrometrów na siedzisku przechodzi niezauważona i pierścień osadza się przekoszony.
• Przenoszenie siły montażowej przez pierścień zewnętrzny, powodujące brinelling bieżni w rozstawie kulek.
• Podgrzewanie palnikiem lub w niekontrolowanym piecu, albo przekraczanie 120°C przy założeniu, że więcej ciepła jest nieszkodliwe.
• Smarowanie, gdy łożysko jest jeszcze gorące, co powoduje spływanie rozrzedzonego smaru z bieżni.
• Ponowny montaż łożyska, które już było wciśnięte z wału, pod pretekstem, że wyglądało na nienaruszone.
• Wybieranie klasy luzu według domyślnej pozycji z katalogu zamiast na podstawie pasowania i rzeczywistej różnicy temperatur pracy dla tej pozycji.

Najczęściej zadawane pytania

Czy w ogóle mogę używać młotka przy montażu łożyska?

Tak, przez narzędzie montażowe, tylko przy małych łożyskach i przy niewielkiej interferencji. Dla pasowania na wał narzędzie musi oddziaływać na sam pierścień wewnętrzny, ponieważ to on jest wciskany; tuleja obejmująca oba czoła pierścieni ma sens tylko w sytuacji, gdy łożysko wchodzi na wał i do obudowy w jednym ruchu. Nigdy nie uderzaj bezpośrednio w czoło pierścienia i nigdy nie uderzaj jednego pierścienia, podczas gdy drugi reaguje siłą, ten tor siły przechodzi przez elementy toczne i powoduje wgniecenia bieżni.

Do jakiej temperatury powinienem podgrzać łożysko?

Celuj w 80-90 K powyżej temperatury wału, co w warsztacie o temperaturze 20°C oznacza w przybliżeniu 100-110°C. Traktuj 120°C jako twardy limit dla łożysk standardowych: powyżej niego ryzykujesz niestabilność wymiarową pierścieni. Używaj podgrzewacza indukcyjnego z sondą lub termostatycznie kontrolowanej kąpieli olejowej i nigdy nie podgrzewaj łożyska uszczelnionego ani fabrycznie nasmarowanego w oleju.

Skąd wiem, czy interferencja zostawiła wystarczający luz?

Odjąć w przybliżeniu 80 procent zmierzonej interferencji od zmierzonego promieniowego luzu wewnętrznego łożyska, potem odjąć zamknięcie termiczne wynikające z faktu, że pierścień wewnętrzny pracuje cieplej niż zewnętrzny. Jeśli reszta zbliża się do zera lub przekracza je, potrzebna jest większa klasa luzu, a nie luźniejsze pasowanie.

Czy kiedykolwiek dopuszczalne jest ponowne użycie łożyska po jego demontażu?

W praktyce nie, dla żadnego łożyska, które było wciśnięte lub ściągnięte z wału: demontaż obciąża je w kierunku, do którego nie było zaprojektowane, a siedzisko interferencyjne jest już zużyte. Jedynym dopuszczalnym ponownym użyciem jest łożysko zdjęte nienaruszone z tulei adapterowej stożkowej za pomocą narzędzia hydraulicznego i ponownie zamontowane po świeżym pomiarze luzu.

Czy powinienem mierzyć luz przed montażem każdego łożyska?

Dla małych standardowych łożysk na dobrze kontrolowanych siedziskach zakres katalogowy zwykle wystarcza. Zmierz rzeczywisty luz, gdy łożysko jest duże, pasowanie ciasne, różnica temperatur znacząca lub poprzednia jednostka na tej samej pozycji zawiodła wcześnie: użyj listwy czujnikowej dla łożysk walcowych i sferycznych, miernika czujnikowego pod odwróconym obciążeniem dla łożysk kulkowych głębokożłobkowych tam, gdzie listwa nie może sięgnąć do punktu styku.