Трение качения меньше, чем трение скольжения – эта истина предопределила создание аналогов подшипника качения еще во времена Древней Греции и Древнего Рима. Первое изображение подшипника качения в современном понимании находим в работах Леонардо да Винчи в 1498 году (рис. 1а-б).
Здесь без труда узнаются внутреннее и внешнее кольцо, тела качения, только материалом было дерево. Первый металлический подшипник качения, состоявший из двух литых чугунных дорожек качения, между которыми находилось 40 чугунных шаров, был установлен в опоре ветряка, построенного в Англии в 1780 г. Однако наиболее эффектную демонстрацию преимущества трения качения наблюдаем при перемещении Гром-камня весом 1600 т в 1769-1770 гг. (рис. 1в). Перемещение осуществлялось с помощью двух кабестанов, которые тащили камень по двум желобам, внутри которых лежали 30 медных шаров.
Эти и последующие эксперименты показали, что коэффициент трения качения сильно зависит от качества изготовления, точности, шероховатости, твердости тел качения и беговых дорожек. Массовый выпуск подшипников качения стал возможен после изобретения станковавтоматов, обеспечивающих заданную форму и размеры. Появились шариковые и роликовые, однорядные и двухрядные подшипники. Одновременно появились и потребители данной продукции – автомобили, электрические двигатели, редукторы и др. С начала XX века и по сей день подшипники качения являются изделием с одним из самых массовых производств, по количеству обогнавшим число жителей планеты. Развитие технологий в 20-70-х гг. прошлого столетия находилось в мире примерно на одинаковом уровне. Различия в качестве изготовления советских и зарубежных подшипников сравнивать непросто. Однако технологии, использовавшиеся в СССР, позволяли на одном и том же заводе одновременно выпускать подшипники для сельского хозяйства, автомобильной и оборонной отраслей. При этом их характеристики обеспечивались отлаженной системой качества. Поэтому подшипники, изготовленные еще в Советском Союзе, нередко устанавливались в начале XXI века с предпочтением по отношению к остальным.
Элементом системы обеспечения качества подшипников стали выборочные испытания из каждой выпускаемой партии и эталонные образы при вибрационном диагностировании. На предприятиях-изготовителях подшипниковой продукции устанавливались стенды для контактно-усталостных, ускоренных, климатических и других видов испытаний. Диагностическими параметрами были шумность, коэффициент сопротивления, визуальный осмотр. Одновременно в 1970-х гг. развитие методов вибрационного диагностирования позволило получать эталонные картины распределения вибрации по среднегеометрическим частотам октавных и третьоктавных фильтров. И это в дополнение к эффективно действующей системе отделов технического контроля, качеству исходных материалов и выпускаемой продукции.
Тем не менее подшипники качения могут иметь различное качество. Даже качество подшипников традиционных поставщиков снизилось. Появились подшипники, изготавливаемые кустарным способом, восстановленные подшипники, подшипники с нарушениями технологии изготовления. Эти нарушения выявлялись при входном контроле или на этапе эксплуатации. Срок службы подшипников снизился, их расход увеличился. Однако появились фирмы, предложившие качественную продукцию за более высокую цену.
Так, например, сравнительно недавно на подшипник 7330 поступили предложения поставки в диапазоне от 85 до 185 тысяч рублей за штуку при самой низкой цене на рынке 24 тысячи рублей. Проблема выбора состоит в получении качественного изделия за определенную цену. Эта задача наиболее эффективно решается при наличии испытательного стенда.
Наличие входного контроля подшипников качения, который позволяет определять их качество, повышает долговечность механического оборудования, уменьшает расходы на техническое обслуживание и ремонт. Снижение качества изготавливаемых подшипников, распространение контрафактной продукции, проведение тендерных закупок по минимальным ценам, появление восстановленных подшипников на рынке – все это требует организации входного контроля подшипников качения на промышленном предприятии.
Входной контроль начинается с изучения документации на подшипник, что в настоящее время, при широком развитии компьютерных технологий, становится актуальной задачей. Далее проводится визуальный осмотр: сверяются обозначения на упаковочных коробках и на подшипниках, выполняется проверка маркировки подшипника, определяется отсутствие видимых повреждений при освещенности не менее 1000 лк (рис. 2).
Кроме того, проверяется легкость вращения и шумность подшипников малых и средних размеров вращением от руки одного из колец при неподвижном другом в горизонтальной плоскости или в вертикальной плоскости с периодическим проворачиванием другого кольца. При этом подшипники должны вращаться плавно, без существенного торможения. Исправный подшипник вращается легко, без заеданий, с глухим шипящим звуком. Но есть подшипники, которые практически не издают звуков при вращении.
Выполняется контроль габаритных размеров подшипника специальным или универсальным измерительным инструментом. Проводится измерение радиальных зазоров и осевой игры. Полученные значения должны соответствовать рекомендациям стандартов. При этом возражений против использования данных методов, несмотря на их субъективность и невозможность оценить геометрию и шероховатость поверхности, твердость и другие показатели, обычно не возникает.
В конце 90-х годов ХХ века для проверки качества на рынке вибродиагностической продукции появились стенды для входного контроля подшипников качения – от самых простых до станков высокого уровня обеспечения вспомогательными приспособлениями, измерительной аппаратурой и компьютерным оснащением (рис. 3). Нормативным документом, используемым при входном контроле, стал РД ВНИПП.038-04 и далее РД ВНИПП.038-08 «Подшипники качения. Нормы вибрации».
Одним из первых, получившим большую популярность, стал стенд вибрационного контроля СВК-А (рис. 4). Комплекс диагностических показателей, получаемых на данном стенде, является характерным:
- абсолютный радиальный зазор, мм;
- уровни виброскорости в полосах частот 10-1000 Гц, 50-10000 Гц, мм/с;
- уровни виброускорения в полосах частот 50-300 Гц, 300-1800 Гц, 1800-10000 Гц, 50-10000 Гц, дБ;
- состояние элементов подшипника: внутренняя и внешняя обойма, тела качения и сепаратор;
- общий (допустимый) коэффициент снижения качества подшипника.
Измерение виброскорости и виброускорения подшипников качения в дБ относительно нулевых уровней (5×10–8 м/с и 3×10–4 м/с2 ) усложняет процесс подготовки персонала и требует времени для адаптации к получаемым результатам. Время, необходимое на проведение диагностирования одного подшипника, без учета времени на установку и снятие, составляет от двух до десяти минут, но обычно увеличивается до 20-30 минут в случае проведения дополнительных циклов контроля.
Возможно, данный перечень диагностических параметров и является избыточным, дублирующим некоторые показатели, но нельзя отрицать необходимость и объем проведенных Всероссийским научно-исследовательским институтом подшипниковой промышленности исследований, позволивших сформировать РД ВНИПП.038-08 «Подшипники качения. Нормы вибрации» и методики МВИ ВНИПП.002-04.
Определение состояния подшипников осуществляется путем регистрации и анализа вибросигналов с датчиков, а программное обеспечение стенда выполняет формирование и хранение базы данных по подшипникам качения, подготовку и вывод на печать актов и протоколов аттестации подшипников качения. Программное обеспечение стенда СВК-А имеет базу данных по отечественным и зарубежным подшипникам (более 8000 типов) с возможностью дальнейшего пополнения. В программном обеспечении реализовано четыре метода диагностики подшипников.
Оценка уровней вибрации в полосах частот и фактического радиального зазора обеспечивают контроль подшипников в соответствии с требованиями нормативных документов. Оценка эксцесса виброускорения, анализ огибающей являются рекомендательными методами и позволяют получить более полную информацию о состоянии подшипников. По итогам работы диагностической программы контролируемый подшипник относится к одной из категорий: годен без ограничений, годен для тихоходного оборудования, не годен к использованию.
Тем не менее со временем появилось мнение о недостоверности информации, получаемой на стендах вибродиагностики подшипников. Существуют требования ГОСТ Р 52545.1-2006 (ИСО 15242-1:2004) «Подшипники качения. Методы измерения вибрации. Часть 1. Основные положения» и ГОСТ Р 52545.2-2012 (ИСО 15242-2:2004) «Подшипники качения. Методы измерения вибрации. Часть 2. Радиальные и радиально-упорные шариковые подшипники». Стандарты допускают применение других значений частотных диапазонов, осевых нагрузок и допусков по согласованию между изготовителем и потребителем. Однако, так или иначе, выпускаемая продукция должна соответствовать требованиям стандартов. Потребитель вправе оценить качество предлагаемых подшипников любыми методами в рамках инженерной компетенции и выбирать из предлагаемой продукции лучший вариант.
Поэтому согласованная проверка на стендах входного контроля должна стать вопросом престижа и гарантии качества для предприятия-изготовителя подшипников. Как показывает практика, при проверке подшипников ведущих производителей подтверждается качество продукции, хотя и не всегда с первой прокрутки. Это является следствием нарушения правил хранения и транспортирования.
В стандарте ГОСТ Р ИСО 9000-2015 качество рассматривается как «степень соответствия совокупности присущих продукции свойств и характеристик заявленным требованиям». Для подшипников заявлены следующие характеристики:
- геометрические параметры (размеры, тип тел качения, форма отверстия, угол контакта, отклонения, биения);
- грузоподъемность (статическая, динамическая, предельная по усталости);
- частота вращения (справочная, предельная);
- материал (колец, тел качения, сепаратора, уплотнений, смазки);
- дополнительные (термообработка, твердость).
В списке характеристик для неспециальных подшипников отсутствуют параметры шумности и вибрации. Однако этот комплексный показатель учитывает указанные свойства и качество смазывания. Безусловно, по показателям, полученным на стенде входного контроля, нельзя определить срок службы подшипника, на который влияет качество монтажа, уровень эксплуатационных нагрузок, количество запусков и другие факторы. Гарантируется, что будет установлен исправный подшипник, а это уже немало в производственных условиях.
Иногда приходится слышать возражение, что испытания, регламентированные российскими стандартами для российской подшипниковой продукции, не могут напрямую распространяться на зарубежные подшипники в силу существенных конструктивных различий. Из этого должно следовать, что качество таких подшипников не соответствует современному уровню развития российской техники и технологий. Однако с утверждением, что условия проведения указанных испытаний должны быть согласованы с производителем, можно согласиться.
Сравнительная оценка качества поступающих на предприятие подшипников показывает, что из 150 подшипников, проверяемых в среднем за месяц, 20 имеют низкий коэффициент снижения качества, 35 могут использоваться при ограничении частоты вращения.
Эффективность применения стендов входного контроля подшипников экономически оправдана тем, что установка неисправного подшипника на действующее оборудование приводит к остановке технологического процесса, что влечет значительные экономические потери. Обеспечение сохранности механизмов определяет получаемый экономический эффект, в том числе за счет:
- увеличения межремонтного интервала при эксплуатации;
- увеличения срока службы и сокращения затрат на обслуживание;
- исключения внеплановых остановок оборудования.
Журнал Prostoev.NET № 1(30) 2022
В.Н. РУЧКО, Донецкий металлургический завод
