Fiabilitatea lagărelor cu rostogolire

Lagărele servesc la susţinerea arborilor, osiilor sau a altor organe de maşini cu mişcare de rotaţie şi sunt capabile să preia forţele care acţionează asupra acestora. Lagărele cu rostogolire sunt realizate cu ajutorul rulmenţilor şi se caracterizează prin existenţa frecării de rostogolire.

1. Generalităţi

Rulmenții sunt ansambluri independente (figura 1), formate din:

• inelul exterior 1;
• inelul interior 2 (ambele având căi de rulare);
• corpurile de rostogolire 3;
• colivia 4, care asigură dispunerea uniformă a corpurilor de rostogolire și împiedică contactul dintre acestea.

• Figura 1. Elementele componente ale rulmentului [1]

Avantajele lagărelor cu rulmenți constau în:

• pierderi prin frecare reduse; 
• gabarit axial redus;
• consum mic de lubrifiant;
• întreținere ușoară;
• standardizarea pe scară internațională a rulmenților, prin care se asigură interschimbabilitatea acestora.

Dezavantajele lagărelor cu rulmenți constau în:

• dimensiuni mari în direcție radială;
• durată de funcționare redusă în cazul vitezelor mari;
• comportare nesatisfăcătoare în cazul șocurilor și vibrațiilor;
• necesitatea unei precizii de execuție ridicate și a unor condiții severe de montaj.

Lagărele cu rulmenți constituie principalul tip de lagăr folosit în construcția de mașini. Nu se recomandă folosirea acestora la:

• turații foarte mari;
• în cazul sarcinilor dinamice;
• în cazul vibrațiilor;
• la lagărele foarte mari și care funcționează la turație joasă;
• la lagărele axiale greu încărcate etc.

2. Formele şi cauzele deteriorării rulmenţilor

La fel ca și alte componente mecanice, rulmenții pot fi supuși unor defecte premature, din varii motive. Trebuie să se facă diferența dintre durabilitatea determinată de oboseala de pe parcursul regimurilor de exploatare și durata de viață, care determină durata de exploatare până la care un rulment este înlocuit din diverse rațiuni.

Durabilitatea rulmenţilor este afectată, de factori precum: montajul impropriu, alegerea necorespunzătoare, erorile de fabricație, manipularea defectuoasă de către personal necalificat, pătrunderea în lagăre a unor factori contaminatori sau de ungerea improprie. În cazul în care rulmenții prezintă semne de deteriorare sau alte deficiențe, aceste cauze trebuie să fie determinate, pentru a se permite adoptarea unor măsuri care să prevină scoaterea din uz prematură a acestora.

Acest lucru implică adesea mai mult decât o simplă analiză, mai ales în cazul în care există mai mulți factori simultani sau în cazul în care prejudiciul este atât de extins încât momentul inițial de deteriorare nu poate fi stabilit. Dauna incipientă este de obicei recunoscută în timpul funcționării prin creșterea nivelului vibrațiilor, a temperaturii sau a zgomotului. Din acest motiv, sistemele mecanice care au în componență rulmenți, trebuie astfel proiectate și executate încât să existe posibilitatea monitorizării acestor semnale.

Principalele forme de deteriorare ale rulmenţilor sunt:

• formarea de adâncituri pe căile de rulare ale inelelor;
• apariția de ciupituri pe suprafețele funcționale;
• exfolieri ale suprafețelor de funcționare
• uzura abrazivă a inelelor și corpurilor de rostogolire;
• griparea;
• pătarea termică;
• distrugerea coliviei, a inelelor sau a corpurilor de rostogolire. 

Formarea de adâncituri pe căile de rulare ale inelelor este forma principală de deteriorare a rulmenților încărcați în stare de repaus, a rulmenților care funcționează la turații foarte mici (sub 10 rot/min) și la rulmenții care execută mișcări pendulatorii lente.

Adânciturile, care sunt deformații locale remanente, se datoresc depășirii locale a limitei de curgere a materialului.

Criteriul siguranței în exploatare a rulmenților cu n ≤ 10 rot/min este calculul după capacitatea statică de încărcare.

Apariţia de ciupituri pe suprafeţele funcţionale ale rulmentului este principala formă de deteriorare a rulmenților rotitori (n >10 rot/min), bine unși și bine etanșați.

Rularea corpurilor de rostogolire pe căile de rulare ale inelelor provoacă, în straturile superficiale, tensiuni de contact variabile în timp. Primele semne de oboseală apar sub forma unor microfisuri de suprafață, care se măresc în timp, iar pătrunderea uleiului sub presiune în acestea produce desprinderea unor particule de material.

Ciupiturile apar pe căile de rulare ale inelului interior, la majoritatea rulmenților, și ale inelului exterior, la rulmenții oscilanți. Prin apariția ciupiturilor, se mărește jocul în rulment și se înrăutățește funcționarea acestuia. Figura 2 exemplifică ciupituri care pot apare pe inelul interior, respectiv exterior al rulmentului.

• Figura 2. Exemple de ciupituri care apar pe inelul interior (a), Respectiv exterior al Rulmentului (b) [2]

Criteriul siguranței în funcționare a rulmenților rotitori (n>10 rot/min) este calculul după capacitatea de încărcare dinamică corespunzătoare.

Exfolierea este forma de deteriorare a rulmenților care poate apare atunci când rulmenții sunt suprasolicitați din punct de vedere termic. Figura 3 exemplifică două cazuri de exfolieri inacceptabile.

• Figura 3. Rulmenţi cu exfolier inacceptabile [2]

Uzarea abrazivă apare la rulmenții mașinilor de transport, agricole, de construcții etc. și poate fi limitată prin îmbunătățirea sistemelor de ungere și etanșare.Figura 4 exemplifică cazuri de uzură  abrazivă pe corpurile de rulare (a), respectiv inelul interior (b).

• Figura 4. Exemple de uzură abrazivă care apar pe corpurile de rulare (A), respectiv inelul interior al rulmentului (B) [2]
   

Griparea– sudarea locală între corpurile de rostogolire și inele sau colivie – apare la rulmenții care funcționează la temperaturi ridicate și încărcări mari, iar ungerea este insuficientă. Aceasta poate fi evitată printr-o ungere și răcire corespunzătoare. Figura 5 prezintă exemple de rulmenți cu gripaj.

• Figura 5. Semne de gripare la inelul interior (a), inelul exterior (b) şi corpurile de rulare (c) ale rulmenţilor [3]

• Figura 6. Inele interioare de rulment cu pătare termică [3]

Pătarea termică (figura 6) apare datorită funcționării rulmenților la temperatură excesiv de ridicată, cauza principală a acestui defect fiind ungerea necorespunzătoare.

Distrugerea coliviei, a inelelor sau a corpurilor de rostogolire,apare accidental, la o execuție, montare sau exploatare incorectă a rulmenților. Semnele exterioare ale ieșirii din funcțiune a rulmenților sunt pierderea preciziei la rotire, zgomot în funcționare și creșterea rezistenței la rotire. Figura 8 prezintă spre exemplificare colivii distruse de la diverse tipuri de rulmenți.

•         Figura 8. Exemple de colivii distruse (a – rulment radial cu bile, b - rulment cu role conice [3]

3. Ungerea rulmenţilor

Ungerea rulmenţilor are ca scop:

• micșorarea frecării;
• ușurarea deplasărilor axiale ale rulmenților;
• protejare contra coroziunii;
• evacuarea căldurii;
• rol de răcire;
• amortizarea vibrațiile și a șocurilor.

Ungerea se poate face cu:

• unsoare consistentă;
• ulei.

Ungerea cu unsoare se poate realiza manual și în carcasă.

Sistemele de ungere cu ulei pot fi:

• ungere prin barbotaj;
• ungere sub presiune;

4. Alegerea sistemului de ungere

Sistemul de ungere al rulmenților se alege în funcție de:

• viteză;
• temperatură;
• mediul ambiant;
• dimensiunea rulmenților; 
• încărcare.

4.1 Ungerea cu unsoare a rulmenţilor

Ungerea cu unsoare se aplică în cazurile prezentate în tabelul 1 sau atunci când, din motive constructive, rulmenții nu pot fi alimentați cu ulei (ex. arbori verticali, la care nu se poate asigura o bună etanșare).

• Tabelul 1. Alegerea sistemului de ungere
   

Din punct de vedere constructiv, se va asigura ca unsoarea să poată fi completată, respectiv schimbată, cât mai ușor posibil. Astfel, în locurile accesibile, se prevede posibilitatea demontării capacelor de închidere a lagărelor.

În locurile unde nu există acces, se prevăd racorduri pentru ungătoarele cu bilă. Canalele de ungere trebuie să asigure transportul unsorii cât mai aproape de calea de rulare a rulmentului.

Dat fiind că prin presiunea de gresare, unsoarea pătrunde prin secțiunile de minimă rezistență, trebuie luate măsuri de împiedicare a pătrunderii unsorii în zonele unse cu ulei, respectiv să se asigure posibilitatea ca unsoarea suplimentară să fie evacuată în exterior. Montarea unor șaibe de obturare, respectiv așezarea  garniturii de etanșare conform figurii 9 este o soluție de rezolvare.

• Figura 9. Soluţie constructivă la ungerea rulmenţilor cu unsoare [1]

4.2. Ungerea prin barbotare a rulmenţilor

Ungerea prin barbotare este aplicată în cazurile în care căldura rezultată se poate disipa în mod corespunzător, prin radiație.

În acest caz, colectarea uleiului și dirijarea lui spre rulmenți se face cu table și jgheaburi de colectare. Transportul uleiului prin efectul de pompare al angrenajelor cu dantură înclinată este condiționat de existența simultană a unor criterii favorizante, după cum rezultă din figura 10.În caz contrar, efectul de pompare nu are loc. Sistemul nu este aplicabil în cazul transmisiilor reversibile (care se rotesc în ambele sensuri).

• Figura 10. Transportul uleiului prin efectul de pompare al angrenajelor [1]
   

Pentru a sigura circulația uleiului prin lagăre, condiția inițială obligatorie este de a asigura un nivel de presiune hidrostatică cât mai ridicat posibil. În acest sens, în cazul reductoarelor, se preferă practicarea unor canale în carcasa superioară, care asigură o înălțime „h” a coloanei de ulei. Dacă acest lucru nu este posibil, se pot monta jgheaburi laterale în formă de V, care asigură o înălțime mai redusă „h”.

Pentru calculul debitului de ulei necesar ungerii lagărului se poate folosi relația empirică:

Q = (0,00003 ... 0,00005) · D · B [l/min]         (1)

unde:

D - diametrul exterior al rulmentului [mm];

B - lățimea rulmentului șmmț.

La reductoarele cu arbori orizontali situați unul sub altul, se pot aplica soluțiile de ungere prezentată în figurile 11 și 12.

• Figura 11. Asigurarea nivelului de presiune hidrostatică pentru ungerea lagărelor [1]

• Figura 12. Soluţie constructivă de ungere a rulmenţilor prin barbotare [1]

În cazul lagărelor inferioare de pe arborii verticali, care sunt imersate în baia de ulei, se va prevedea în mod obligatoriu posibilitatea ca uleiul să circule între cele două suprafețe frontale ale rulmentului (figura 13 și 14).În lipsa unui capac de închidere, canalul de golire va fi situat la nivelul fundului carcasei (figura 14).

• Figura 13. Soluţie constructivă de ungere a rulmenţilor prin barbotare [1]

• Figura 14. Soluţie constructivă de ungere a rulmenţilor prin barbotare [1]

În cazul reductoarelor unse prin barbotare, trebuie luat în considerare faptul că în faza de pornire, în special la temperaturi scăzute, barbotarea apare numai după ce uleiul s-a încălzit suficient pentru a putea fi transportat. De aceea, în faza de pornire, când uleiul este rece, lagărele nu pot fi alimentate cu ulei proaspăt. În acest scop, trebuie prevăzută o cantitate suficientă de ulei, care să fie „stocată” după ce utilajul a fost oprit.

• Figura 15. Soluţie constructivă de ungere a rulmenţilor prin barbotare [1]

Cantitatea de ulei necesară acestui scop se stabilește astfel încât să fie umplută zona lagărelor până la nivelul centrului corpurilor de rulare inferioare (figura 15).

Asigurarea unui nivel mai ridicat de ulei poa­te provoca încălziri suplimentare în timpul funcționării la regim cu ulei cald. De aceea, este indicat ca în amonte de rulment să se prevadă un orificiu de deversare care să nu permită ridicarea nivelului de ulei peste cel al pragului de reținere.

4.3. Ungerea sub presiune a rulmenţilor

Ungerea sub presiune se aplică atunci când unge­rea prin barbotare nu dă randament, atât din punctul de vedere al ungerii, cât și al răcirii rulmenților;

La ungerea sub presiune a rulmenților este preferabil ca uleiul să treacă dintr-o parte în alta a rulmentului. În acest scop, este necesară prevederea unor canale de golire suficient de mari, ca uleiul care a trecut prin rulment să poată fi golit.

Reținerea uleiului în zona de lucru a rulmentului provoacă frecări și barbotări inutile, care pot afecta calitatea uleiului.

• Figura 16. Soluţie constructivă de ungere a rulmenţilor cu ulei sub presiune [1

Este recomandabil ca jetul de ulei să fie dirijat spre calea de rulare a inelului interior. În asemenea cazuri, este preferabil utilizarea sistemului de ungere conform figurii 16, care permite ajustarea direcției de stropire la montaj.

În cazul rulmenților oscilanți mari sau a pachetelor de rulmenți, aceștia trebuie să fie unși între cele două rânduri de role, respectiv între cei doi rulmenți.

La utilajele prevăzute doar cu pompe antrenate mecanic de rotirea arborilor (pompe integrate), este necesar ca ungerea lagărelor cu ulei să fie asigurată încă de la primele rotiri, pânâ când uleiul debitat de pompă va ajunge la lagăre. În acest scop, se vor prevedea măsuri speciale de păstrare a unui nivel minim de ulei în starea de repaos, similare celor prezentate la ungerea prin barbotare.

În cazul utilajelor prevăzute cu pompe auxiliare de ungere, care pornesc înainte de punerea în funcțiune a utilajului, nu trebuie luate măsuri speciale de păstrare a uleiului în lagăre.

Bibliografie

1. Korka Z.,Fiabilitate şi diagnoză, Notiţe de curs, 2016.

2. NSK Motion & Control^TM - New Bearing Doctor. Maintenance of Bearings, BD/B/E/08.10/ 2009

3. ZKL- Bear defects and damage, disponibil pe: http://www.zkl.cz/en/for-designers/11-bearing-defects-and-damage

Zoltan Korka este dr. Inf=g. Lector Universitatea  „Eftimie Murgu” din Reşiţa