Недостаточное смазывание и масляное голодание в подшипниках: как нехватка пластичной смазки приводит к трению, нагреву и раннему отказу — Reliability Solutions

Расследование отказов подшипников, как отмечается в статье, почти всегда начинается с вопроса о том, был ли подшипник смазан. Журналы обслуживания обычно отвечают утвердительно, однако повторное внесение смазки не равнозначно наличию достаточной смазочной плёнки в зоне контакта на всём межсервисном интервале. Голодание возможно и при наличии пластичной смазки в корпусе: если она утратила рабочие свойства, вязкость базового масла изначально не соответствовала условиям, забитая пресс-маслёнка не пропускала свежую смазку либо скорость работы подшипника истощала плёнку быстрее, чем запас смазки мог её пополнять. В публикации приводится оценка: неправильное смазывание лежит в основе приблизительно 43% механических отказов и до 70% отказов оборудования. При этом повреждения от избыточного смазывания — с нагревом, повреждением уплотнений и преждевременным отказом — могут выглядеть почти так же, как при голодании; поэтому различение причин важно для выбора корректирующих мер.

Работа подшипника качения обеспечивается не объёмом смазки в корпусе, а эластогидродинамической (EHD) плёнкой: тонким слоем находящейся под давлением смазки, который может иметь толщину всего в миллионные доли дюйма и разделяет тела качения и дорожку в зоне контакта. Эта плёнка формируется базовым маслом, выделяющимся из структуры пластичной смазки. Её достаточность характеризует коэффициент κ — отношение фактической вязкости базового масла при рабочей температуре к минимальной вязкости, требуемой для создания разделяющей плёнки при конкретных скорости и нагрузке. Авторы указывают, что при κ ниже 1 возникает недостаточная плёнка, контактируют микронеровности металла, развивается граничное трение, ускоренный износ, поверхностная усталость и нагрев. При κ от 1,0 до 2,0 предполагается полная EHD-плёнка — целевой диапазон для большинства применений; κ выше 2,0 даёт дополнительный запас и продлевает ресурс в чистых и правильно смазываемых условиях.

Голодание образует самоускоряющийся цикл. Нехватка плёнки вызывает контакт металла с металлом и дополнительное тепло; нагрев ускоряет окисление и испарение базового масла из запаса смазки. Потеря масла ещё сильнее истощает плёнку, а рост температуры снижает вязкость масла и дополнительно уменьшает κ. В подшипниках на пластичной смазке нагрев нагруженной зоны также ускоряет высыхание смазки. Поэтому состояние ухудшается с каждым оборотом, и прогрессировавшая проблема может закончиться внезапным и тяжёлым отказом.

В статье выделены семь первопричин голодания. Наиболее распространённой хронической причиной на промышленных предприятиях названы слишком длинные интервалы повторного смазывания, назначенные по календарю без учёта размера подшипника, скорости, температуры и загрязнения. Смазка может деградировать ещё до следующего обслуживания под действием тепла, загрязнений или механического сдвига: в корпусе она есть, но плёнку больше не формирует. Ещё одна причина — низкая для рабочих скорости и температуры вязкость базового масла; выбор по классу NLGI или названию продукта без проверки ISO VG и κ не решает эту задачу. Также материал перечисляет пропущенные операции смазывания из-за снятия оборудования с маршрута, отсутствия специалиста, утраты маршрутной карты или неудобного доступа.

К «тихим» причинам отнесены закупоренные пресс-маслёнки: техник работает шприцем, операция отмечается как выполненная, но затвердевшая смазка или загрязнение не пропускают её в подшипник. Такая ситуация характерна для редко обслуживаемых точек, где прежде имелось избыточное смазывание. Отдельно названы вибрации резервного неподвижного оборудования от соседних работающих агрегатов, а также конечный срок службы смазки в предварительно смазанных закрытых подшипниках. В последнем случае базовое масло истощается, однако проблему нередко ошибочно считают вопросом качества подшипника, а не ресурса смазки. По мнению автора, закрытые подшипники следует заменять до истечения срока службы смазки, а не только после отказа.

Повреждения при голодании можно использовать для анализа отказа. Матовая или «заиндевевшая» серая дорожка, гладкая в одном направлении качения и слегка шероховатая в обратном, появляется уже в первые часы недостаточного смазывания. Размазывание поверхности возникает при адгезионном износе, когда тела качения проскальзывают по дорожке; оно проявляется рваной, шероховатой поверхностью, следами переноса материала по направлению скольжения и иногда цветами побежалости. Поверхностное выкрашивание развивается постепенно — от недель до месяцев — когда контакты микронеровностей инициируют трещины; его признаки включают неровные ямки и кратеры, мелкозернистые частицы в смазке и рост вибрации до визуально заметного повреждения.

Сине-коричневое изменение цвета дорожек, тел качения или сепаратора означает значительный нагрев от трения при тяжёлом голодании; в зоне контакта также могут обнаруживаться сухие либо подгоревшие остатки смазки. Ложное бринеллирование проявляется неглубокими углублениями с красновато-коричневыми продуктами фреттинг-коррозии на шаге тел качения. Конечная стадия — заклинивание или разрушение сепаратора при полном разрушении плёнки: возможны сильно деформированный сепаратор, сваренные или задранные дорожки и чёрные обугленные остатки смазки.

Материал особо подчёркивает, что ложное бринеллирование не является перегрузкой: это голодание неподвижного подшипника. Под нагрузкой он получает вибрации от соседней машины, через пол либо во время транспортировки. Микроколебания тел качения слишком малы, чтобы между циклами в контакт поступила свежая смазка; плёнка вытесняется и не успевает восстановиться. Углубления равномерно располагаются с шагом тел качения и по расстоянию неотличимы от истинного бринеллирования, но отличаются красновато-коричневым фреттинг-налётом вместо чистых металлических отпечатков. Риск характерен для резервных насосов, вентиляторов и компрессоров рядом с работающими агрегатами, для перевозки и монтажа, а также для низкочастотных колебательных применений.

В качестве профилактики ложного бринеллирования предлагаются ежемесячный ручной проворот валов резервного оборудования в ходе PM-маршрута, фиксация валов при перевозке и использование смазок с противофреттинговыми присадками и хорошей способностью к пополнению плёнки. Для известных колебательных режимов упомянуты более низкий класс NLGI и хорошая скорость выделения масла; при сильной вибрации резервного оборудования предлагается рассмотреть большее заполнение корпуса или автоматическое устройство смазывания. Пример из практики описывает основные и резервные центробежные насосы на общей раме: резервный насос при соблюдении того же графика смазывания, что и основной, стабильно выходил из строя через 8–10 месяцев. Красновато-коричневые продукты фреттинга подтвердили ложное бринеллирование от вибрации через основание рамы. После введения ежемесячного проворота, перехода для подшипника резервного насоса с NLGI 2 на NLGI 1 и установки резиновой виброизолирующей прокладки между рамой и полом отказы прекратились.

Голодание из-за деградации смазки сложно выявить, поскольку внешне обслуживание выглядит выполненным: смазка есть, записи актуальны, но подшипник отказывает. Базовое масло стандартной минеральной смазки начинает окисляться при рабочих температурах примерно выше 71°C. Поэтому подшипник, работающий при 90°C на смазке с базовой температурой 70°C, может получить существенно деградировавшее масло задолго до планового повторного смазывания. Авторы указывают, что рабочую температуру необходимо измерять и включать в расчёт интервалов, а не принимать по предположению. Загуститель разрушается от нагрева, механического сдвига и загрязнений; тогда масло отделяется, стекает на дно корпуса или испаряется, оставляя в зоне контакта сухой крошащийся остаток. Вода, частицы и технологические химикаты дополнительно ускоряют старение; водосодержащая смазка становится молочной или мыльной и резко теряет способность формировать плёнку. Тёмная, сухая или затвердевшая смазка в недавно обслуженном подшипнике трактуется как признак деградационного голодания, требующий поиска температуры, загрязнения или отказа уплотнений, а не простого сокращения интервала.

Вязкостное голодание возникает, когда объём смазки достаточен и интервалы выбраны правильно, но вязкость базового масла мала для формирования EHD-плёнки при фактических скорости и температуре. При κ ниже 1,0 подшипник испытывает голодание независимо от количества смазки. В публикации предупреждают, что универсальные и многоцелевые смазки часто назначают без проверки соответствия ISO VG требуемому κ, а класс NLGI описывает консистенцию, а не вязкость. Перед выбором смазки предлагается определить средний диаметр dm = (d + D) / 2 в миллиметрах, рассчитать или взять из каталога минимальную вязкость v1 в cSt по dm и скорости в rpm, измерить температуру корпуса, найти по паспортной вязкостно-температурной диаграмме вязкость базового масла кандидата при этой температуре и вычислить κ как отношение фактической вязкости к v1. Для большинства применений целью назван κ 1,5–2,0. Если κ меньше 1,0, следует выбирать масло большей вязкости; если при росте вязкости требуется другой загуститель, необходимо проверить совместимость и особенности применения.

Для раннего выявления проблемы авторы рекомендуют контролировать температуру корпуса: устойчивое превышение ожидаемого уровня даже на 10–12°C должно стать поводом для проверки смазывания. Другие признаки во время работы — рост высокочастотной вибрации от контактов микронеровностей, необычный грубый или скрежещущий звук при малой нагрузке и небольшое, но измеримое увеличение тока двигателя вследствие роста момента трения. После снятия подшипника следует оценить смазку и поверхности: сухая либо затвердевшая смазка указывает на голодание или высокотемпературную деградацию, молочная — на воду, тёмная с металлическими частицами — на износ при загрязнении, а серо-чёрная металлическая — на электрическую эрозию. Матовая дорожка связывается с κ или ранним разрушением плёнки, размазывание — с граничным трением, равномерные ямки на шаге тел качения — с ложным бринеллированием, выкрашивание в зоне нагрузки — с усталостью от недостаточной плёнки. Забитая пресс-маслёнка означает, что при недавних операциях смазка не достигала подшипника; сухой корпус без остатков говорит о хроническом голодании, а свежая на вид смазка при отказе допускает вязкостную или механическую причину.

В заключительной части предлагается изменить программу смазывания. Каждый интервал повторного смазывания должен опираться на расчёт по размерам подшипника, скорости, измеренной температуре корпуса и уровню загрязнения. В статье приведён пример: подшипник, который предполагали эксплуатировать при 70°C, но который фактически работает при 95°C, требует смазывания в четыре раза чаще, чем следует из исходного допущения. В спецификации каждой смазки должны быть указаны не только название продукта и NLGI, но и ISO VG базового масла; перед заменой продукта нужно убедиться, что при рабочей температуре он обеспечивает κ выше 1,0, а также проверить совместимость загустителей. Осмотр и прочистка пресс-маслёнок должны стать частью каждого маршрута.

Для резервного оборудования статья советует не ограничиваться календарным графиком: в период простоя важнее управлять риском ложного бринеллирования — периодически проворачивать вал, подбирать смазку для колебательного контакта и, где это возможно, изолировать вибрации. Наконец, маршрутная карта должна фиксировать основу решения, а не только периодичность. Запись «смазывать каждые 60 дней» недостаточна; запись с параметрами 1 800 rpm, измеренной температурой корпуса 85°C, лёгким загрязнением, базовым маслом ISO VG 150 и κ = 1,6 при рабочей температуре можно проверять и пересматривать при изменении условий. Главный вопрос расследования, как формулирует материал, состоит не в том, «смазывали ли подшипник», а в том, имелась ли достаточная плёнка в зоне контакта на протяжении всего интервала службы. Для ответа нужны рассчитанные интервалы, подтверждённая вязкость, работоспособные пресс-маслёнки и оценка состояния смазки при каждом демонтаже подшипника.