.XOXPLVPHNDQLVPLWMDQLLGHQPHUNLW\V YLHULQWlODDNHUHLGHQHOLQLlOOH

Transkriptio

1 .XOXPLVPHNDQLVPLWMDQLLGHQPHUNLW\V YLHULQWlODDNHUHLGHQHOLQLlOOH 5$32577,%9$/ 5LVWR3DULNND-XVVL/HKWRQHQ (VSRR

2 VALMISTUSTEKNIIKKA 1(26) Raportin nimi A Työraportti B Julkinen tutkimusraportti X Tutkimusraportti luottatamuksellinen saakka Kulumismekanismit ja niiden merkitys vierintälaakereiden eliniälle Toimeksiantaja/rahoittaja ja tilaus pvm/nro Raportin numero Tekes, teollisuus BVAL Projektin nimi Tehovoitelu Laatija(t) Suoritteen numero V9SU00345 Sivujen/liitesivujen lkm Risto Parikka, Jussi Lehtonen 25 Avainsanat vierintälaakerit, kuluminen, vauriomekanismit, elinikä Tiivistelmä Kulumisilmiöt ovat merkityksellisiä jo yksistään kansantaloudelliselta kannalta. Kulumista voi tapahtua monin eri tavoin erilaisissa olosuhteissa, joten sillä on lukuisia erilaisia ilmenemismuotoja ja syntymekanismeja. Koneenosien ja niissä käytettävien materiaalien kulumisen mekanismeja on luokiteltu erilaisilla perusteilla. Eräiden arvioiden mukaan kaikista vierintälaakerivaurioista yli puolet on johdettavissa virheelliseen voiteluun. Vaurioituminen tapahtuu usein monien vaurioitumismekanismien yhteisvaikutuksena. Vierintälaakerin kestoikä väsymisen suhteen on laakerien elinikälaskennan lähtökohtana. Ensimmäisten väsymismerkkien ilmaantuminen laakeriin riippuu laakerin pyörimien kierrosten määrän ohella monista voiteluaineeseen ja käyttöolosuhteisiin liittyvistä tekijöistä. Vierintälaakerien vaurioitumisen syitä ovat esimerkiksi asennusvirheet, vääränlainen laakereiden säilytys ja kuljetus, sähkövirran läpikulkeminen sekä esimerkiksi veden aiheuttama korroosio. Eri tekijät jättävät laakeriin oman tyyppisensä jäljen, joten laakeria tutkimalla on useimmiten mahdollista löytää vahingon syy. Apuna voidaan käyttää laakerivalmistajien julkaisemia valokuvakarttoja erilaisista laakerivaurioista. Laaja-alaisella laakerin vaurioanalyysillä voidaan päästä käsiksi vaurion perussyihin, jolloin vastaavien vaurioiden syntyminen voidaan jatkossa estää ja saavuttaa lisäksi merkittäviä taloudellisia säästöjä. Allekirjoitukset Espoossa Kenneth Holmberg Tutkimuspäällikkö Jakelu (asiakkaat ja VTT): Risto Parikka Tutkija Tarkastanut VTT VALMISTUSTEKNIIKKA Käyttötekniikka Metallimiehenkuja 6, Espoo PL VTT Puh.vaihde (09) 4561 Faksi (09) WWW:

3 $ONXVDQDW Tämä kirjallisuustutkimus on tehty projektiin Paperikonetelojen öljyvoideltujen vierintälaakereiden kustannusoptimoitu ja tehokas kunnonvalvonta. Haluamme tässä yhteydessä kiittää projektiin osallistuvia yrityksiä UPM-Kymmene Oyj:tä, Metsä-Serla Oyj:tä, Valmet Oy:tä, Fortum Oil and Gas Oy:tä ja Fag Sales Europe - Finland Oy:tä sekä Teknologian Kehittämiskeskusta Tekesiä projektille annetusta taloudellisesta ja teknisestä tuesta. Espoo, Tekijät 2

4 6LVlOO\VOXHWWHOR 1 Johdanto Kulumisen luokittelutavat Kulumismekanismit Adhesiivinen kuluminen Abrasiivinen kuluminen Väsymiskuluminen Eroosiokuluminen Fretting (värähtelykuluminen) Korroosiokuluminen ja eroosiokorroosio Kavitaatio Öljyvoideltujen vierintälaakerien kuluminen Voiteluaineen vaikutus Vierintäväsyminen vierintälaakereissa Mikrokuoppautuminen (micro-pitting) Adheesio vierintälaakereissa Abrasiivinen kuluminen vierintälaakereissa Korroosiovauriot Sähkövirran läpikulun aiheuttamat vauriot Virheellinen suunnittelu ja asennus Rullan- tai kuulanpitimen vaurioituminen Kuljetuksen ja seisokin aikana tapahtuva vaurioituminen Vierintälaakereiden kulumisvaurioiden analysointi Vierintälaakerien kulumisen seuranta Vaurioanalyysit Yhteenveto Lähdeluettelo

5 -RKGDQWR Kuluminen on toisiinsa nähden liikkeessä olevien pintojen toisilleen aiheuttama tribologinen ilmiö, joka aiheuttaa materiaalin irtoamista pinnasta ja siten kappaleen dimensioiden (toleranssien) muuttumista. Silloin, kun kuluminen on edennyt niin pitkälle, että se vaikuttaa haitallisesti komponentin toimintaan, puhutaan kulumisvauriosta. Kuluminen ei yleensä aiheuta komponentin nopeaa totaalista vaurioitumista. Kulumisen kehittymistä voidaan seurata ja ennakoida usein melko tarkasti. Kulumisen kansantaloudellinen merkitys on hyvin suuri, ja esimerkiksi Saksassa on arvioitu kitkan, kulumisen ja korroosion aiheuttamien vuotuisten kustannusten olevan 4,5 % bruttokansantuotteesta [1,2]. Erilaisissa koneissa kulumista esiintyy yleisimmin liukupinnoilla ja pyörivissä osissa, kuten laakerit, hammaspyörät, akselitiivisteet, männät ja ohjaimet. Kulumista voi tapahtua monin eri tavoin ja hyvin erilaisissa olosuhteissa, eli sillä on lukuisia erilaisia ilmenemismuotoja ja syntymekanismeja. Kulumista on pyritty luokittelemaan erilaisilla perusteilla. Koneenosien ja niissä käytettävien materiaalien osalta luokittelu voidaan suorittaa joko kulumista aiheuttavan suhteellisen liikkeen perusteella tai itse kulumismekanismin perusteella. Tässä selvityksessä keskitytään kulumismekanismin mukaiseen kulumisen luokitteluun ja esitellään tavallisimmat kulumismekanismit. Kulumista tarkastellaan erityisesti öljyvoideltujen vierintälaakereiden kannalta..xoxplvhqoxrnlwwhoxwdydw Suhteellisen liikkeen pohjalta suoritettavassa luokittelussa kulumista aiheuttavat liikkeet jaotellaan useimmiten kuuteen pääryhmään, jotka ovat liukuminen, vierintä, iskukuormitus, värähtely, nesteen tai kaasun virtaus ja kiinteitä partikkeleita sisältävä virtaus. Tämän jaottelu helpottaa kulumistarkastelujen kohdentamista tiettyihin koneenosiin ja laitteisiin. Jakotavan haittapuolena on kuitenkin perusilmiöiden ja materiaalikäyttäytymisen monimuotoisuus kunkin ryhmän sisällä ja samojen asioiden sisältyminen useisiin eri ryhmiin. Kulumismekanismiin perustuvassa jaottelussa on lukuisia luokitustapoja. Standardin DIN mukaisessa jaottelussa kuluminen on perusluonteensa mukaisesti jaettu neljään pääryhmään [3]: tartunta- eli adhesiivinen kuluminen hionta- eli abrasiivinen kuluminen väsymiskuluminen tribokemiallinen kuluminen. DIN-standardin mukainen jako on selkeä, ja sopii käytettäväksi varsinkin silloin, kun tarkastellaan kitkaa, voitelua ja korroosiota yhtenä kokonaisuutena. Usein on kuitenkin tarpeen käyttää yksityiskohtaisempaa luokittelua, josta tässä yhteydessä esitetään kaksi esimerkkiä. 4

6 Burwell ja Strang jakavat kulumisen perusmekanismit seuraaviin luokkiin [4]: adhesiivinen kuluminen abrasiivinen kuluminen korroosiokuluminen pintaväsyminen eroosio fretting kavitaatio. Jahanmir luokittelee kulumisen kymmeneen perusmekanismiin [5]: adheesio delaminaatio fretting abraasio eroosio iskukuluminen pintaväsyminen korroosiokuluminen diffuusiokuluminen sähkökontaktikuluminen. Kirjallisuudessa on esitetty monia muitakin luokittelutapoja, jotka ovat peruspiirteiltään hyvin samantapaisia edellä esitettyjen jakojen kanssa. Samoin kirjallisuudesta löytyy lukematon määrä nimiä erilaisille kulumismekanismeille, kuten pitting, scoring ja scuffing, jotka ovat joko perusmekanismeille rinnakkaisia nimityksiä tai jonkin eryisen kohteen tiettyjä kulumistapoja. Vaikka kulumismekanismit esitetään erillisinä, useissa käytännön kulumistilanteissa toiminnassa on monia mekanismeja peräkkäin, vuorotellen tai samanaikaisesti. Tämä seikka vaikeuttaa luotettavien kulumisennusteiden laatimista ja teoreettisten mallien kehittämistä. Eri kulumismekanismien yleisyydestä voidaan mainita Kivistön esittämä [2] yleistetty arvio, jonka mukaan DIN-standardin mukaista kulumismekanismiluokitusta käyttäen abrasiivinen kuluminen kattaa noin 55 %, adhesiivinen kuluminen noin 15 %, väsymiskuluminen noin 15 % ja tribokemiallinen kuluminen noin 15 % teollisuudessa esiintyvistä kulumisvaurioista. Kuvassa 1 esitetään kuluminen luokiteltuna kuluttavan rasituksen, kulumistyypin ja DIN-standardin mukaisen kulumismekanismin mukaan [3, 6, 7]. 5

7 .XYD.XOXPLQHQ OXRNLWHOWXQD NXOXWWDYDQ UDVLWXNVHQ NXOXPLVW\\SLQ MD NXOXPLVPHND 6

8 .XOXPLVPHNDQLVPLW Kuten edellä todettiin, kulumismekanismit voidaan luokitella usealla eri tavalla. Riippuu paljolti asiayhteydestä ja tarkasteluja suorittavasta henkilöstä, minkälaista jakoa kulloinkin käytetään. Koska sinänsä selkeä DIN-standardin mukainen jaottelu ei välttämättä anna riittävän yksityiskohtaista kuvaa eri mekanismeista, käytetään tässä yhteydessä hieman laajempaa, Burwell in ja Strangin luokittelusta modifioitua mekanismijaottelua [3]. 3.1 Adhesiivinen kuluminen Adhesiivisesta kulumisesta käytetään suomenkielisessä kirjallisuudessa rinnakkaisnimitystä tartuntakuluminen. Englanninkielisessä kirjallisuudessa käytetään joissakin yhteyksissä myös termejä scoring, scuffing, seizing ja galling. Adhesiivisesta liitoksesta käytetään toisinaan nimitystä kylmähitsautuminen. Adhesiivinen kuluminen perustuu atomi- ja kitkaliitosten sekä pinnankarheuden ulokkeiden leikkautumiseen. Kahden pinnan liukuessa toisiaan vasten pinnankarheuksien huiput tarttuvat toisiinsa kiinni atomisidosten ja kitkalämmön vaikutuksesta syntyvien kitkaliitosten avulla (kuva 2). Liitoksen revetessä kulumisen laajuus riippuu siitä, mistä kohtaa liitos repeää. Jos liitos repeää alkuperäisestä pintojen rajapinnasta, kulumispartikkelia ei synny. Jos liitos taas repeää jommankumman materiaalin puolella, siirtyy materiaalia pinnalta toiselle, jolloin kuluminen on todellista. Lopulta syntyy myös pintojen väliin irtonaisia kulumispartikkeleita, jotka kiihdyttävät kulumista muiden kulumismekanismien, kuten abrasiivisen kulumisen ja väsymisen, alkaessa vaikuttaa kokonaistapahtumaan. Puhdasta adheesiokulumista ei siis välttämättä esiinny käytännössä kovinkaan pitkää ajanjaksoa, vaan se toimii usein kokonaisvaltaisen kulumisen 7

9 Adhesiivisesti kuluneelle pinnalle tyypillisiä piirteitä ovat hioutuneiden ja muokkautuneiden alueiden esiintyminen, kuopat ja kohoumat, pinnalla olevat irtonaiset partikkelit sekä materiaalin siirtyminen komponentista toiseen. Adhesiivista kulumista ilmenee yleisesti aina, kun laitteesta puuttuu riittävä voitelu pintojen pitämiseksi toisistaan erossa. Kuorman kasvaessa tai helposti leikkautuvien kitkaa alentavien pintakalvojen puuttuessa koko pintakerros voi plastisoitua ja pinnat voivat tahmautua toisiinsa, jolloin kulumisnopeus kasvaa jyrkästi. Liikkeen pysähtyessä tahmaantumisen takia puhutaan kiinnileikkaantumisesta. Tätä vaaraa voidaan välttää oikealla materiaalinvalinnalla ja voitelulla. [2, 6, 8] 3.2 Abrasiivinen kuluminen Abrasiivinen kuluminen on vastinpinnan tai pintojen välissä olevan partikkelin tai pintojen topografian ulokkeiden aiheuttamaa naarmuuntumisen seurauksena syntyvää materiaalin poistumista kappaleen pinnasta. Abrasiivinen kuluminen, josta käytetään myös nimitystä hiontakuluminen, jaetaan kahteen erilaiseen tapaukseen, nimeltään kahden ja kolmen kappaleen abraasio. Kahden kappaleen abraasiossa kova pinta liikkuu toista pehmeämpää pintaa vasten, jolloin kovan materiaalin pinnankarheus kuluttaa toista pintaa (kuva 3). Kolmen kappaleen abraasiossa kahden pinnan välissä on kovia, teräviä partikkeleja, jotka materiaalien ominaisuuksista riippuen kuluttavat toista pintaa tai molempia pintoja (kuva 4). Käytännössä abrasiivinen kuluminen alkaa usein kahden kappaleen abraasiona kehittyen kolmen kappaleen abrasiiviseksi kulumiseksi, kun pintojen välissä olevat pinnoista irronneet kulumispartikkelit ovat muokkauslujittumisen seurauksena kovettuneet. Vierintälaakereissa vastaavanlaista kulumista aiheuttavat hyvin usein likaantuneessa öljyssä olevat 8

10 Koneenrakennuksessa kahden kappaleen abrasiivinen kuluminen pidetään hallinnassa komponenttien pinnankarheuksien hallinnan ja voiteluteknisen kunnossapidon avulla. Kolmen kappaleen abrasiivinen kuluminen on erittäin merkittävä kulumismekanismi erityisesti voidelluissa kohteissa. Tehokkain tapa sen välttämiseksi on luoda kohteisiin sellaiset olosuhteet, joissa toisiinsa nähden liikkuvien pintojen välille saadaan täydellinen voitelukalvo ja voiteluaineesta saadaan poistetuksi ylimääräiset partikkelit. Kunnollinen voiteluaineen kierto ja suodatus on ensiarvoisen tärkeää abrasiivisen kulumisen välttämiseksi. [2, 6, 8] 3.3 Väsymiskuluminen Erottamalla liuku- ja vierintäpinnat toisistaan voiteluainekalvolla ja estämällä abrasiivisten partikkelien pääsy pintojen väliin abraasion ja adheesion aiheuttama kuluminen voidaan eliminoida pyörivissä koneissa. Väsymiskuluminen on kuitenkin mahdollista ilman pintojen fyysistä kosketusta toisiinsa. Väsymiskuluminen edellyttää vaihtelevansuuruista tai -suuntaista pitkäaikaista mekaanista rasitusta. Pintaa kuormitettaessa materiaalin pinnassa vaikuttaa maksimipuristusjännitys ja hieman pinnan alapuolella maksimileikkausjännitys (kuva 5). Materiaalin ensimmäiset myötämisilmiöt tapahtuvat tästä syystä pinnan alapuolella, ja pinnan alle muodostuu toistuvien kuormitusten, plastisten deformaatioiden ja dislokaatioliikkeiden seurauksena säröjä (kuva 6). Särö etenee jokaisella kuormanvaihtoluvulla aikaansaaden lopulta kulumispartikkelin irtoamisen. Alkuun päästyään vaurioituminen jatkuu yleensä kiihtyvällä nopeudella pinnanlaadun huononemisen seurauksena. 9

11 Vierintäväsymistä esiintyy tyypillisesti useissa vierintäelimissä, kuten vierintälaakereissa, hammaspyörissä, rullaohjaimissa ja valssien teloissa. Väsymiskulumista voidaan vähentää kuormitusten pienentämisellä, materiaalien lämpökäsittelyllä, voiteluainevalinnoilla sekä pintojen viimeistelyllä. [6, 8].XYD9LHULQWlODDNHULQVLVlUHQNDDQYLHULQWlSLQQDVVDROHYDYLHULQWlYlV\PLVHVWlV\QW\ Q\WVlU SRLNNLOHLNNDXNVHQD.XYD9779DOPLVWXVWHNQLLNNDNHUWDLQHQVXXUHQQXV 10

12 3.4 Eroosiokuluminen Liikkuvassa nesteessä tai kaasussa olevat partikkelit aiheuttavat materiaalin irtoamista pinnasta, ja tätä kutsutaan eroosiokulumiseksi. Partikkelien törmäyskulma vaikuttaa kulumisen luonteeseen siten, että materiaali voi joutua joko iskevän, leikkaavan tai jauhavan kulutuksen kohteeksi. Lisäksi eroosion voimakkuuteen vaikuttavat virtausnopeus, partikkelien kovuus, koko ja muoto sekä materiaalin ominaisuudet. Materiaalin irtoaminen tapahtuu sitkeiden materiaalien osalta leikkautumalla, hauraiden osalta murtumalla ja molempien osalta lisäksi toistuvan plastisen deformaation ja tämän aiheuttaman väsymisen vaikutuksesta. Eroosiokulumisen tuloksena pinnoilla esiintyy usein aaltomaisia jälkiä. Kovien materiaalien pinta muodostuu useimmiten suomumaiseksi. Pehmeiden materiaalien pinnalla esiintyy selviä leikkaumajälkiä ja kuoppaantumista. Eroosiota voidaan ehkäistä pinnoittamalla kappale kulumista kestävällä materiaalilla tai suunnittelemalla rakenne siten, että partikkelien nopeus minimoidaan ja niiden tulokulma valitaan materiaalille sopivaksi. [2, 6] 3.5 Fretting (värähtelykuluminen) Fretting-kulumista (oksidoivaa värähtelykulumista) voi ilmetä silloin, kun vähintään kaksi metallipintaa liikkuu toisiaan vasten edestakaisin pienellä amplitudilla normaalikuormituksen alaisena. Sitä esiintyy tyypillisesti komponenteissa, jotka on tarkoitettu kiinteästi toisiinsa liitetyiksi tai joiden suhteellinen liike on hyvin pientä. Tällainen tilanne voi syntyä laitteessa käytön, kuljetuksen tai säilytyksen 11

13 Fretting-kulumisessa yhdistyy monta erillistä kulumisprosessia, jotka voivat vaikuttaa samanaikaisesti, peräkkäin tai vuorotellen, katso kuva 7. Ensisijainen prosessi on kulumishiukkasten muodostuminen adheesion, abraasion ja väsymisen ansiosta. Toistuvat kuormitukset voivat myös johtaa äkillisiin suurempiin vaurioihin. Fretting-kulumista voidaan ehkäistä pintojen oikealla voitelulla, jolloin ehkäistään adhesiivisten liitosten synty. Tyypilliset kohteet, joissa fretting-kulumista ilmenee, ovat mekaanisten kiinnitysten osat, kuten pulttien ja ruuvien kannat, sekä laakerirenkaiden asennuspinnat, kytkimet ja tiivisteet. [2, 6, 8] 3.6 Korroosiokuluminen ja eroosiokorroosio Korroosiokulumisessa materiaalin pinta on alttiina samanaikaisesti tai vuorottelevasti sekä korroosiolle että kulumiselle, joka voi tapahtua usealla eri mekanismilla. Nämä mekanismit määräävät korroosiokulumisen luonteen. Korroosiokuluminen voi alkaa puhtaasti kemiallisena tai sähkökemiallisena prosessina, mutta usein myös mekaanisena kulumisena, jolloin mekaanisesti irronneen pintakerroksen alta paljastuu uutta korroosiolle altista pintaa. Eroosiokorroosio on korroosiokulumisen muoto, jota esiintyy yleisesti prosessiteollisuudessa. Joissakin lähteissä eroosiokorroosiota pidetään erillisenä kulumismekanismina [2]. Eroosiokorroosio tapahtuu virtauksen myötävaikutuksella olosuhteissa, joissa korroosionopeus muutoin olisi tuntuvasti pienempi, ja sillä tarkoitetaan myös mekaanisen kulumisen ja kemiallisen ja sähkökemiallisen syöpymisen yhteisvaikutusta. Eroosiokorroosiota esiintyy kohteissa, joissa virtausnopeudet ja paineenvaihtelut ovat suuria. [2, 8] 3.7 Kavitaatio Kavitaatiokuluminen perustuu virtaavaan nesteeseen paikallisen paineen laskun vuoksi syntyvien kaasutäytteisten kuplien syntyyn ja tuhoutumiseen. Kaasukuplien luhistuminen saa aikaan voimakkaita materiaalin pintaan kohdistuvia alipaineiskuja, jotka taas aiheuttavat paikallista muodonmuutosta ja pistesyöpymiä materiaalin pinnalle. Kavitaatiokuopat kasvavat lopulta yhteen, jolloin seurauksena on pinnan yleistä epätasaisuutta. Kavitaatiokorroosion syntymismekanismi on esitetty kuvassa 8. Kavitaatiokulumisessa korkea paikallinen paine aiheuttaa sitkeiden materiaalien pintaan pieniä kraatereita pinnan plastisen deformoitumisen seurauksena. Hauraisiin materiaaleihen syntyy terävähköjä kuoppia. Kavitaation voimakkuus riippuu oleellisesti nesteen virtausnopeudesta eikä niinkään materiaalin kovuudesta. 12

14 Kavitaatiota esiintyy mm. laivojen potkureissa, hydraulilaitteissa, pumppujen siipipyörissä sekä laitteissa, joissa nesteen virtausnopeus on suuri ja joissa esiintyy paineenvaihteluita. Kavitaatiota voidaan estää pienentämällä nesteen pintavoimien vaikutusta. [6, 8, 11] gom\yrlghowxmhqylhulqwloddnhulhqnxox PLQHQ 4.1 Voiteluaineen vaikutus Eräiden arvioiden mukaan kaikista vierintälaakerivaurioista yli puolet on johdettavissa virheelliseen voiteluun [12]. Vaurioituminen tapahtuu usein monien vaurioitumismekanismien yhteisvaikutuksena, jolloin vaurioitumisen käynnistäneen syyn selvittäminen voi olla vaikeaa. Pääasialliset virheellisen voitelun aiheuttamien vaurioiden syyt ovat väärin valittu voiteluaine kiinteät tai nestemäiset epäpuhtaudet voiteluaineessa muutokset voiteluaineiden ominaisuuksissa voiteluaineen puute kosketusalueella ylivoitelu. Liian alhaisen viskositeetin omaavan voiteluaineen käyttö ja voiteluaineen puute aiheuttavat vierintäelinten ja vierintäpintojen väliin liian ohuen voiteluainekalvon. Tällä 13

15 on laakerin toimintaan lukuisia haitallisia vaikutuksia, esimerkiksi pinnankarheushuippujen kosketukset (ei-toivottu rajavoitelutilanne), epäpuhtaushiukkasten jääminen vierintäelinten ja vierintäpintojen väliin (abrasiivinen kuluminen) ja vierintäratoihin kohdistuvan pintapaineen kasvu (vierintäväsyminen). Tällöin kitka ja sitä kautta myös lämpötila edelleen kasvavat huonontaen voitelutilannetta entisestään, ja mikäli laakeri toimii jo alun alkaen voitelutilanteensa tai välystensä osalta ääriolosuhteissa, seurauksena voi olla laakerin täydellinen vaurioituminen. Liian alhainen viskositeetti voi johtua väärin valitusta voiteluaineesta, laakerin toimimisesta suunnitellun toimintalämpötilansa yläpuolella tai voiteluaineen kunnon heikkenemisestä esimerkiksi vieraiden aineiden, lisäaineiden kulumisen, voiteluainemäärän pienenemisen, hapettumisen tai muun vanhenemisen seurauksena. Voiteluaineen ominaisuuksissa tapahtuvat muutokset voidaan parhaiten välttää huomioimalla kaikki käyntiolosuhteet voiteluainetta valittaessa, jolloin haitallisia reaktioita voiteluaineen ja laakerimetallien välillä ei pääse tapahtumaan eikä voiteluaine pilaannu esimerkiksi liian korkean käyttölämpötilan seurauksena. Voiteluaine on lisäksi uusittava oikeaan aikaan. Oikea käyttötilanteen mukainen voiteluhuolto on tärkeää myös laakerin voiteluainemäärän pitämiseksi optimaalisena. Epäpuhtauksia voi päästä laakeriin mm. asennuksen yhteydessä, käynnin aikana laakerin vierintäelimien, laakerirenkaiden sekä pitimen kulumisen takia, tiivisteiden ja öljysäiliöiden kautta sekä huollon yhteydessä. Kiinteiden epäpuhtauksien haittavaikutukset riippuvat lähinnä niiden materiaalien laadusta ja kovuudesta, niiden määrästä voiteluaineessa sekä hiukkaskoosta. Materiaalihiukkasten tärkein kuluttava vaikutus on luonteeltaan abrasiivista aiheuttaen pintoihin uria ja painumia. Lisäksi hiukkaset aiheuttavat väsyttäviä lisäkuormituksia, sillä paikallisten pintoihin kohdistuvien jännityshuippujen vaihtelu kiihdyttää väsymistä. Jotkut kiinteät epäpuhtaudet ja monet nestemäiset epäpuhtaudet voivat aiheuttaa voiteluaineen vanhenemista ja ominaisuuksien heikkenemistä sekä korroosiovaaran. Vapaana esiintyvä puristumaton neste, esimerkiksi öljyssä esiintyvä vesi, voi myös käyttäytyä voiteluaineessa kiinteän epäpuhtauden tavoin. Toimenpiteinä vieraiden aineiden vähentämiseksi voidaan mainita öljyn suodattaminen, puhtaus asennuksessa, käyttöönotossa ja huollossa sekä laakeria ympäröivien osien huolellinen puhdistaminen. [6, 12] On syytä muistaa, että vaikka tässä yhteydessä keskitytään öljyvoideltuihin vierintälaakereihin, suurin osa maailman kaikista vierintälaakereista on rasvavoideltuja. Voiteluöljyllä voidelluissa vierintälaakereissa voitelukalvon muodostuksen voidaan olettaa olevan elastohydrodynaamisen (EHD) voiteluteorian mukaista [13]. Rasvavoidelluissa laakereissa voitelukalvon muodostus riippuu monista muistakin tekijöistä kuin perusöljyn viskositeetista. Tällaisia tekijöitä ovat esimerkiksi perusöljyn erottuminen rasvan paksunninrakenteesta ja paksunninkuidun mahdollinen osallistuminen voitelukalvon muodostumiseen. 14

16 4.2 Vierintäväsyminen vierintälaakereissa Jos laakerin kuormitus on väsymiskuormitusrajan yläpuolella, normaali metallin väsyminen alkaa ennemmin tai myöhemmin. Laakerikohtainen väsymiskuormitusraja saadaan valmistajien taulukoista; esimerkiksi SKF:llä se ilmoitetaan merkinnällä 3 X Ensimmäisten väsymismerkkien ilmaantuminen laakeriin riippuu laakerin pyörimien kierrosten määrän ohella monista voiteluaineeseen ja käyttöolosuhteisiin liittyvistä tekijöistä. Väsymiskestoikä on laskettavissa erilaisten kestoikämallien avulla. Mallit perustuvat A. Palmgrenin 1920-luvulla kehittämään teoriaan, jota A. Palmgren ja G. Lundberg kehittivät seuraavina vuosikymmeninä edelleen. Lundberg-Palmgrenin kaava on muotoa [14]: / &) S jossa L on laakerin elinikä miljoonina kierroksina, C laakerin dynaaminen kuormankantokerroin, F laakeriin vaikuttava kuorma ja p laakerityypistä riippuva vakio. Standardissa ISO 281:1990 [15] on kaavan (1) ympärille määritelty kolme lisäkerrointa, D, D jad, joilla voiteluaineen viskositeetti ja laakerimateriaalien ominaisuudet otetaan huomioon. Laakerivalmistajat, kuten FAG [12] ja SKF [16], ovat kukin ottaneet huomioon laakerin voiteluaineen ja viskositeetin vaikutuksen määrittelemällä näiden yhteistekijän D (eliniän mukautuskerroin D tai siitä edelleen kehitetty D 6.) ). Vierintäväsymisen perussyy on toistuva laakerin pintakerroksen lujuuteen nähden liian korkea jännitystila. Jännitys aiheutuu pääosin pintapaineen aiheuttamista jännityksistä ja vähäisemmässä määrin pintojen välisen kitkan aiheuttamasta komponentista. Leikkausjännityksen maksimikohta sijaitsee kuormituspinnan alapuolelle, johon riittävän monen kuormanvaihdon jälkeen syntyy särö, joka kasvaa jokaisella vierintäelimen ja vierintäpinnan kosketuksella aikaansaaden lopulta partikkelin irtoamisen (kuva 9). Kuoriutumaan lähtenyt kohta suurenee jatkuvasti ja johtaa lopulta laakerin täydelliseen särkymiseen. Väsymisvaurion eteneminen on yleensä melko pitkään kestävä tapahtuma, joka ilmenee lisääntyvänä laakerin värähtelynä. Liian korkea jännitystaso voi aiheutua useista eri tekijöistä. Laakeriin kohdistuva kuormitus voi olla arvioitua suurempi tai laakeri voi kuormittua paikallisesti liikaa esimerkiksi lämpölaajenemisesta, asennusvirheestä tai väärästä sovitteesta johtuen. Liian ohut voiteluainekalvo lisää materiaaliin kohdistuvaa jännitystä kitkakomponentin kasvun ja voiteluaineen antaman pintapaineen vaimennuskyvyn pienenemisen takia. Lisäksi laakerin vierintäradan pintakerroksen kovuus ja materiaalin myötö- ja väsymisrajat ovat voineet jäädä liian alhaiseksi esimerkiksi laakerimateriaalin virheellisen lämpökäsittelyn takia. [7, 3] 15

17 .XYD 9lV\PLVVlU Ml SDOORPDLVHQ UXOODODDNHULQ VLVlUHQNDDQ YLHULQWlSLQQDOOD NXYD 7RP(*XVWDIVVRQ9779DOPLVWXVWHNQLLNNDNHUWDLQHQVXXUHQQXV Mikrokuoppautuminen (micro-pitting) Mikrokuoppautumisella (micro-pitting) tarkoitetaan mikrotasolla tapahtuvaa metallisten pintojen vaurioitumista. Mikrokuoppautuminen tapahtuu enimmäkseen normaalin pintapaineen vaikutuksesta. Jos kuormitettujen ja voideltujen pintojen vierintäkosketuksessa niiden välissä olevan voiteluaineen muodostama kalvo ei ole riittävän paksu, voivat pintojen pinnankarheudet kohdata hetkellisesti. Tällöin voi syntyä huomattavan suuria paikallisia pintapaineita, jotka ylittävät selvästi laakerissa vallitsevan yleisen pintapaineen. Tämä johtaa mikroskooppisten kuoppien syntymiseen laakerin pinnalle. Pinnankarheuksien korkeus ja terävyys vaikuttaa myös mikrokuoppautumien syntyyn: mitä korkeampi ja terävämpi kohta, sen ohuempi voitelukalvo, joka johtaa paikallisen pintapaineen kasvuun. Lisäksi pintamateriaalin väsymislujuudella ja joidenkin voiteluaineiden huonolla rajavoitelukyvyllä on todettu olevan vaikutuksia mikrokuoppautumiseen. Vaurio muodostuu kolmessa vaiheessa: (a) pintojen kiillottuminen, (b) mikrosäröjen muodostuminen ja (c) varsinainen mikrokuoppautuminen. Mikrokuoppautunut pinta näyttää samealta. Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla tarkasteltaessa pinnalla näkyy pieniä säröpintaisia kuoppia. Mikrokuoppautuminen aiheuttaa jännityksen kasvua, joka voi johtaa pintasäröilyyn (spalling) ja laakerin vaurioitumiseen huomattavasti kaavassa (1) laskettua väsymiskestoikää aikaisemmin. Mikrokuoppautumista voidaan estää tai vähentää huolehtimalla laakerin riittävästä voitelusta. [22, 23] 16

18 4.3 Adheesio vierintälaakereissa Liukumisesta johtuva vierintäelinten ja vierintäratojen tahmaantuminen ilmenee naarmuuntuneina ja värjäytyneinä alueina vierintäratojen kuormitusalueiden alussa ja rullien pinnoilla. Liukumista tapahtuu silloin, kun välyksen alueella hidastuneet vierintäelimet pyrkivät nopeasti takaisin vierintänopeuteen kuormitusalueelle siirryttäessä. Tällöin öljykalvo pettää ja pinta vaurioituu. Riskitekijöinä tämäntyyppiselle vauriolle ovat erityisesti suuri pyörimisnopeus ja suuri välys, pieni kuorma ja massiivinen rulla tai kuula. Laakerivälyksen pienentämisellä ja sitkeämmän öljyn valitsemisella voidaan pienentää vaurioitumisriskiä. Poikittaissuuntaisen, vierintäelinten välein esiintyvän tahmaantumisen syynä on usein virheellinen asennus. Vaurion syynä voi lieriörullalaakereilla olla laakerin asentaminen vinoon. Pallomaisten rullalaakereiden tai kartiorullalaakerien kohdalla poikittaisia tahmaantumisjuovia voi syntyä, kun iskut kohdistuvat väärään renkaaseen. Ulkoisten pintojen tahmautumat ovat seurausta laakerirenkaan pyörimisestä suhteessa akseliin tai pesään. Konstruktiosta riippuen tahmautumaa voi ilmetä renkaan reiässä, vaippapinnassa tai sivupinnalla. Tämäntyyppinen kuluminen voidaan estää riittävän tiukalla sovitteella, joka estää renkaan liikkumisen [17]. 4.4 Abrasiivinen kuluminen vierintälaakereissa Kiinteät epäpuhtaudet ja hiovat hiukkaset aiheuttavat painumia ja naarmuuntumista vierintäratoihin ja vierintäelimiin. Kokeet ja käytäntö ovat osoittaneet, että voiteluaineessa olevat epäpuhtaudet voivat lyhentää laakerin eliniän murto-osaan perinteisellä käyttöikäkaavalla (1) lasketusta. Abrasiivista kulumista aiheuttavat epäpuhtaudet voivat tunkeutua laakeriin asennuksen aikana, voiteluaineen mukana, työympäristöstä tai laakerimetallista irtoamalla. Joskus kuulan- tai rullanpidin kuluu huomattavan paljon ja irtoava materiaali aiheuttaa voiteluaineen likaantumista [17 19]. 4.5 Korroosiovauriot Korroosiovauriot laakerin vierintäpinnoilla ilmenevät pieninä pistemäisinä syöpyminä tai yhtenäisinä vierintäelinten jakoa noudattavina tummina juovina. Yleisin tämäntyyppisten vaurioiden syy on veden pääseminen laakeriin. Tyypillisesti vaurio saa alkunsa seisokkien yhteydessä, kun laitteita pestäessä painetaan pesuvettä tiivisteiden kautta myös laakereihin tai kun seisokin aikana laakeriin kondensoituu vettä. Toisinaan syynä on laakerin huolimaton varastointi. Laakereissa ulkorenkaan ulkopinnalla tai sisärenkaan sisäpinnalla esiintyy joskus soviteruostetta, kun laakeri ja akseli/pesä liikkuvat toisiinsa nähden. Soviteruosteen syynä on liian löysä sovite tai laakeripesän tai akselin muotovirhe [19]. 17

19 4.6 Sähkövirran läpikulun aiheuttamat vauriot Sähkövirta voi aiheuttaa laakeriin vakavan vaurion, jos sähkövirran läpikulun seurauksena laakerin osien pinnat hitsautuvat kiinni toisiinsa. Vaurion tuntomerkkeinä ovat tummat, ruskehtavat tai mustanharmaat urat tai kraaterit vierintäradoissa ja -elimissä (kuva 10). Kuulalaakerissa vierintäelimet yleensä ainoastaan tummuvat. Kuulalaakereissa vierintäratoihin saattaa muodostua sik-sak-kuvion muotoinen palojälki. Sähkövirran aiheuttamaa vauriota voi olla vaikea erottaa värähtelyn aiheuttamista vaurioista, mutta värähtelyvauriossa rullissa tai kuulissa ei yleensä näy vaurion merkkejä. Sähkövirran aiheuttamia vaurioita voidaan ehkäistä eristämällä laakeri tai siirtämällä virta kulkemaan toista kautta [17, 19]..XYD (VLPHUNNL VlKN YLUUDQ DLKHXWWDPDVWD ODDNHULYDXULRVWD XONRUHQNDDQ VLVl 4.7 Virheellinen suunnittelu ja asennus Virheellinen asennus johtaa usein laakerin kuormittumiseen väärällä tavalla. Esimerkkinä suunnitteluvirheestä voidaan mainita liiallinen aksiaalikuormitus, joka aiheutuu kompensoimattoman lämpölaajenemisen synnyttämästä puristuksesta. Erilaisia virheellisestä asennuksesta tai suunnittelusta johtuneen ylikuormituksen aiheuttamia vaurioita ovat mm. [17] esijännityksen aiheuttama kuoriutuminen aksiaalikuormituksen aiheuttama kuoriutuminen yhdensuuntaiseron aiheuttama kuoriutuminen soikeuden aiheuttama kuoriutuminen asennusvoiman kohdistuminen laakerin väärään renkaaseen. 18

20 4.8 Rullan- tai kuulanpitimen vaurioituminen Pitimen vaurioitumisen syy on usein vaikea selvittää. Usein muut laakerinosat ovat vaurioituneet yhtä aikaa tai nopeasti pitimen vaurioitumisen seurauksena. Tyypillisiä pidinvaurioiden syitä ovat esimerkiksi tärinä laakerin liian suuri pyörimisnopeus riittämätön voitelu hiovat hiukkaset vierintäelimen pyörimisliikkeen estyminen (Kuva 11)..XYD5XOODQS\ Muovipitimien vaurioitumiseen on joissakin tapauksissa ollut syynä voiteluaineisiin sekoitetut kemikaalit. Muovipitimellisten laakerien käsittelyssä on myös tehty virheitä; esimerkkinä laakerin lämmitys liekillä [19]. 4.9 Kuljetuksen ja seisokin aikana tapahtuva vaurioituminen Monet vierintälaakerien vaurioitumissyyt liittyvät usein huolimattomaan käsittelyyn. Esimerkkinä voidaan mainita värähtelykuluminen vierintäelimien ja renkaiden välissä koneen seisonnan, laakerien kuljetuksen tai niiden varastoinnin aikana. Tällöin laakereihin kohdistuva tärinä, jota ei ole huomioitu niitä suunniteltaessa, aiheuttaa vierintäelimiin ja -ratoihin edestakaisesta liikkeestä johtuvia kuormituksia ja kuluttaa siten laakeria (kuva 12). Kuvassa 12 esitetty vaurio on vältettävissä huolellisella laakerin lukitse- 19