Kljub idealnim delovnim pogojem, pravilni montaˇzi in vzdrˇzevanju, je veˇcina kotalnih leˇzajev podvrˇzena obrabi in poslediˇcno odpovedi. V mnogih primerih je izvajanje testiranj za doloˇcitev ˇzivljenjske dobe kotalnih leˇzajev nepraktiˇcna tako iz ˇcasovnega kot tudi ekonomskega vidika. V ta namen so se razvile razliˇcne metode doloˇcanja dobe trajanja kotalnih leˇzajev. V praksi je najpogosteje uporabljena metoda iz standarda ISO 281:2007, ki izhaja iz Palmgren-Lundbergove teorije. Standard doloˇca ˇstevilo ciklov ali obratovalnih ur, ki ga doseˇze ali preseˇze 90 % leˇzajev, ki obratujejo pod enakimi pogoji, pred pojavom prve poˇskodbe. Predpostavljeno je, da so elementi kotalnega leˇzaja izdelani iz jeklene zlitine AISI 52100 (100Cr6). Parametri enaˇcbe (2.1), ki doloˇca dobo trajanja v ˇstevilu ciklov, so dinamiˇcna ekvivalentna obremenitev leˇzaja P, dinamiˇcna nosilnost leˇzaja C in vrsta leˇzaja, ki definira eksponent p. Dinamiˇcna nosilnost leˇzaja je ponavadi podana s strani proizvajalca leˇzajev ali se jo doloˇci s preizkusi. Predstavlja tisto obremenitev leˇzaja, ki jo leˇzaj zdrˇzi najmanj milijon ciklov pred pojavom prve poˇskodbe. Za krogliˇcne leˇzaje je eksponent p enak 3, za vse ostale leˇzaje pa 10/3 [3–5].
Dinamiˇcna ekvivalenta obremenitev leˇzaja predstavlja tisto ekvivalentno obremenitev s konstantno magnitudo in smerjo, ki ima enak vpliv na dobo trajanja leˇzaja kot dejanske obremenitve, ki delujejo na leˇzaj. Doloˇcimo jo na podlagi enaˇcbe (2.2), kjer X in Y predstavljata koeficienta radialne oz. aksialne obremenitve, Fr radialno obremenitev inFa aksialno obremenitev leˇzaja [4].
P =X·Fr+Y ·Fa (2.2)
Ce je leˇˇ zaj samo radialno oz. aksialno obremenjen, je nadomestna dinamiˇcna obre-menitev enaka radialni oz. aksialni obremenitvi. Slika 2.4 prikazuje korelacije med veliˇcinami v enaˇcbi (2.1). Veˇcja kot bo dinamiˇcna ekvivalentna obremenitev leˇzaja, manjˇse ˇstevilo ciklov do pojava prve poˇskodbe bo leˇzaj dosegel. Ko bo dinamiˇcna ekvi-valentna obremenitev leˇzaja enaka dinamiˇcni nosilnosti leˇzaja, bo leˇzaj teoretiˇcno do-segel milijon ciklov do pojava prve poˇskodbe. Tukaj gre za teoretiˇcno oceno ˇzivljenjske dobe leˇzaja, saj ni upoˇstevanih obratovalnih pogojev, kot so pravilnost vgradnje, kva-liteta mazanja, obratovalna temperatura itn [4].
Dobo trajanja leˇzaja v obratovalnih urah lahko doloˇcimo s pomoˇcjo enaˇcbe (2.3), za kar moramo poznati vrtilno hitrost leˇzajan v obratih na minuto.
L10h = L10
60·n (2.3)
5
Teoretiˇcne osnove in pregled literature
Slika 2.4: Krivulja teoretiˇcne dobe trajanja kotalnih leˇzajev [4].
2.2.1 Razˇ sirjen izraˇ cun dobe trajanja
Za bolj natanˇcen izraˇcun dobe trajanja leˇzaja se uporablja razˇsirjena doba trajanja leˇzaja, ki zajema obratovalne pogoje, predvsem kvaliteto in ˇcistoˇco mazanja ter obra-tovalno temperaturo. Razˇsirjeno dobo trajanja doloˇcimo po enaˇcbi (2.4) [3–5].
Lna =a1·aISO·L10 (2.4)
Koeficient a1 predstavlja verjetnost trajanja leˇzaja med 1 in 0,25, kjer 1 znaˇsa 90%
verjetnost trajanja leˇzaja, 0,25 pa 99% verjetnost trajanja leˇzaja. Koeficient aISO zajema obratovalne pogoje leˇzaja, kot so razmerje med trajno dinamiˇcno nosilnostjo in dinamiˇcno ekvivalentno obremenitvijo leˇzaja, vpliv neˇcistoˇc v leˇzaju in mazalne lastnosti. V primerno ˇcistih obratovalnih pogojih in s pravilnim vzdrˇzevanjem se lahko ˇ
zivljenjska doba leˇzaja bistveno poveˇca. Veˇcina proizvajalcev leˇzajev ima aplikacije, s katerimi lahko na enostaven naˇcin z vnesenimi obratovalnimi pogoji in vrsto leˇzaja doloˇcimo razˇsirjeno dobo trajanja leˇzaja [3–5].
2.2.2 Vpliv temperature na dobo trajanja
Zaradi trenja med kotalnimi elementi, mazivom in obroˇcem leˇzaja se temperatura leˇzaja v zaˇcetni fazi zagona dviguje, dokler ne doseˇze delovne temperature, ki je viˇsja od temperature okolice. Po preteku zaˇcetne faze zagona delovna temperatura leˇzaja ostane pribliˇzno konstantna, ˇce se obratovalni pogoji ne spreminjajo. Delovna temperatura leˇzaja je odvisna od obremenitve leˇzaja, vrtilne hitrosti, kvalitete izdelave, kvalitete maziva, pravilnosti vgradnje itd [6].
R. Mitrovic s sodelavci je raziskoval vplive delovne temperature na temperaturni razte-zek radialnih krogliˇcnih leˇzajev. Za raziskavo so uporabili FEM analizo v programskem okolju Ansys 13.0 in radialni krogliˇcni leˇzaj z oznako 6310 proizvajalca SKF. V analizi so najprej ugotavljali, koliko ˇcasa je vsaka kroglica v kontaktu z obroˇcem leˇzaja pri pravilno vgrajenem leˇzaju, obremenjenem s silo 5 kN v radialni smeri. To je ˇcas od 6
Teoretiˇcne osnove in pregled literature trenutka (toˇcke), ko kroglica vstopi v kontakt, do trenutka (toˇcke), ko kroglica izstopi iz kontakta. V normalnih obratovalnih pogojih to znaˇsa manj kot polovico kroga oz.
manj kot 180°. Za obravnavani leˇzaj se je izkazalo, da ta kot znaˇsa 168°. Temperaturni raztezek leˇzaja so opazovali pri treh delovnih temperaturah, in sicer pri 50 °C, 80 °C in 120 °C. Pri delovni temperaturi 50 °C, je bila kroglica v kontaktu 174°, pri delovni temperaturi 80 °C 180° in pri delovni temperaturi 120 °C veˇc kot 180°. Na podlagi te ugotovitve je jasno, da obravnavan leˇzaj ne more pravilno obratovati pri delovni tem-peraturi viˇsji od 80 °C, zato ker je temperaturni raztezek leˇzaja tako velik, da izniˇci zaˇcetno obratovalno zraˇcnost leˇzaja, kar lahko privede do veˇcje obremenitve leˇzaja in poslediˇcno krajˇse ˇzivljenjske dobe [6].
Ugotovljeno je tudi, da se z viˇsanjem temperature leˇzaja trdnost materiala, iz katerega je izdelan leˇzaj, zmanjˇsuje, kar lahko privede do hitrejˇsega jamiˇcenja in poslediˇcno krajˇse ˇzivljenjske dobe leˇzaja. V preglednici 2.1 so prikazane lastnosti jeklene litine za leˇzaje 100Cr6 v odvisnosti od temperature [6].
Preglednica 2.1: Lastnosti jeklene litine 100Cr6 v odvisnosti od temperature [6].
Temperatura [°C] 20 200 400 600
Napetost teˇcenja [MPa] 1394 1161 908 414
Modul elastiˇcnosti [GPa] 208 163 154 113
Koeficient temperaturnega raztezka [K−1] 12,5 ·10−6 (20°C - 150°C)
Za leˇzaje, ki so izpostavljeni delovni temperaturi viˇsji od 150°C, se zaradi vplivov tem-perature na material leˇzaja dinamiˇcna nosilnost korigira s temperaturnim koeficientom ft. Nova dinamiˇcna nosilnost leˇzaja, ki je korigirana s temperaturnim koeficientom, se doloˇci po enaˇcbi (2.5). Z upoˇstevanjem tega koeficienta se ˇzivljenjska doba leˇzaja z viˇsanjem temperature zniˇzuje. V preglednici 2.2 je prikazana vrednost temperaturnega koeficienta v odvisnosti od temperature [7].
Ct =ft·C (2.5)
Preglednica 2.2: Temperaturni koeficient v odvisnosti od temperature [7].
Temperatura leˇzaja [°C] 125 150 175 200 250 Temperaturni koeficient ft 1 1 0,95 0,90 0,75
V leˇzajih, mazanih z mastjo, poviˇsana temperatura leˇzaja vpliva tudi na mazalne lastnosti in ˇzivljenjsko dobo masti. E. R. Bosser in M. M. Khonsari sta preuˇcevala ˇzivljenjsko dobo masti v krogliˇcnih leˇzajih v odvisnosti od temperature. ˇZivljenjsko dobo masti sta definirala kot ˇstevilo obratovalnih ur pred pojavom 10 % poˇskodbe v leˇzaju. Ugotovila sta, da je ˇzivljenjska doba masti odvisna od ˇstirih temperaturnih obmoˇcij, prikazanih na sliki 2.5 [8].
7
Teoretiˇcne osnove in pregled literature
Slika 2.5: ˇZivljenjska doba visokokvalitetne masti v odvisnosti od temperature [8].
V obmoˇcju nizkih delovnih temperatur (pod 40 °C) se viskoznost masti poveˇca, kar povzroˇci dva pojava:
1. mast postane bolj trda, kar zmanjˇsa uˇcinkovitost mazanja povrˇsine obroˇca leˇzaja, 2. manjˇse izloˇcanje olja iz masti (ang. oil bleeding), kar povzroˇci niˇzjo mobilnost
masti, ki ne doseˇze obremenjenih kontaktov med kroglico in obroˇcem leˇzaja.
Najbolj primerno temperaturno obmoˇcje za masti v leˇzajih je obmoˇcje med 40 in 70°C, v katerem deluje veˇcina sploˇsnih aplikacij. Veˇcina proizvajalcev leˇzajev, kot sta SKF in FAG, za leˇzaje, ki delujejo pri zmernih obremenitvah, vrtilnih hitrostih in v tem temperaturnem obmoˇcju, priporoˇca ponovno mazanje leˇzaja pri 40000 obratovalnih urah.
V obmoˇcju zmernih temperatur, t.j. med 70 in 160 °C, ponavadi pride do odpovedi masti, ko mast izgubi okrog 50 % olja zaradi izhlapevanja ali izloˇcanja olja iz masti.
Zivljenjska doba masti v tem temperaturnem obmoˇˇ cju pade za faktor 1,5 za vsakih 10
°C viˇsjo temperaturo.
V temperaturnem obmoˇcju nad 160°C ima oksidacija najveˇcji vpliv na ˇzivljenjsko dobo masti. Oksidacija povzroˇci strjevanje in izsuˇsevanje masti. Stopnja oksidacije se v tem temperaturnem obmoˇcju podvoji za vsakih 10 °C viˇsjo temperaturo [8].
8
Teoretiˇcne osnove in pregled literature