Diagnostyka uszkodzeń łożysk: nietypowe hałasy, nagrzewanie się i zużycie

Uszkodzenia łożysk w silnikach obrotowych hydraulicznych wiertnic górniczych rzadko objawiają się wyraźnym, nagłym zdarzeniem — katastrofalnym zaklinowaniem, które powoduje zatrzymanie wiertnicy; zwykle jest to końcowy etap procesu degradacji rozpoczętego tygodnie lub miesiące wcześniej. Wczesne sygnały są subtelne: lekka zmiana tonu dźwięku silnika obrotowego przy niskiej intensywności uderzeń, temperatura oleju odpływowego o 5 °C wyższa niż dotychczas, stopniowy wzrost liczby cząstek metalu w próbce oleju między kolejnymi interwałami serwisowymi. Gdy którykolwiek z tych objawów staje się na tyle wyraźny, by spowodować wezwanie serwisu, łożysko znajduje się zazwyczaj już poza punktem, w którym jego przebadanie i ponowne smarowanie mogłyby wydłużyć jego żywotność — jedyną możliwą czynnością jest wymiana.

Wykrywanie degradacji łożyska na wczesnym etapie, kiedy interwencja jest jeszcze opłacalna, wymaga znajomości znaczenia każdego sygnału oraz czasu jego pojawienia się w ciągu całego cyklu awarii — w szczególności, który objaw zwykle pojawia się jako pierwszy, a który sygnalizuje, że łożysko ulegnie zatarciu za kilka godzin.

Ciąg awarii: Które sygnały pojawiają się kiedy?

Awaria łożyska w silniku obrotowym wiertarki do skał przebiega zwykle w określonej kolejności. Najwcześniejszym wykrywalnym sygnałem — często pojawiającym się jeszcze przed jakimkolwiek hałasem odbieranym przez człowieka — jest wzrost amplitudy drgań na częstotliwościach charakterystycznych dla łożyska. W środowisku uderzeniowym, gdzie tło drgań generowanych przez mechanizm uderzeniowy jest bardzo intensywne, ta subprogowa zmiana drgań pozostaje skutecznie niewykrywalna bez analizy drgań opartej na danych z czujników. Większość operacji terenowych nie jest wyposażona w taką instrumentację specyficznie na silnik obrotowy, dlatego ten wczesny sygnał pozostaje niezauważony.

Następnym sygnałem, który zwykle pojawia się, jest zazwyczaj szum: zmiana charakterystycznego dźwięku silnika obrotowego – od stałego, niskiego brzęku do dźwięku o okresowym lub przerywanym charakterze – subtelny, metaliczny, cykliczny składnik powtarzający się z częstotliwością obiegu bieżni łożyska. Jest on słyszalny dla doświadczonego operatora uruchamiającego urządzenie przy wyłączonej funkcji uderzeń i działającym wyłącznie silniku obrotowym, przy niskim ciśnieniu obrotowym. Kluczowa metoda diagnostyczna: podczas cyklu pozycjonowania (przy wyłączonej funkcji uderzeń i obrotach na niskiej prędkości) należy specjalnie nasłuchiwać końca driftera z silnikiem obrotowym. Nowe łożyska są niemal całkowicie ciche przy niskiej prędkości obrotowej; łożyska uszkodzone w strefie bieżni wydają nieregularny brzęk lub słaby, cykliczny dźwięk skrzypienia, który nasila się wraz ze wzrostem prędkości obrotowej.

Ciepło zwykle towarzyszy hałasowi w większości sekwencji awarii. Temperatura łożyska w obudowie silnika obrotowego wzrasta w miarę jak uszkodzona powierzchnia bieżni zwiększa tarcie przy każdym obrocie. Akceptowalna temperatura pracy łożyska dla większości łożysk silników obrotowych wynosi 80 °C lub mniej na powierzchni obudowy. Sprawdzenie dotykiem ręki (zauważenie, że obudowa wydaje się gorąca w porównaniu do sąsiednich obszarów obwodu) lub pomiar temperatury za pomocą termometru podczerwonego na obudowie silnika pozwala zidentyfikować nadmiernie nagrzane łożysko jeszcze przed wystąpieniem zagrożenia zaklinowania. Nagły, a nie stopniowy wzrost temperatury sugeruje awarię smarowania, a nie postępujące zużycie bieżni — np. zanieczyszczona smarownica nagle traci lepkość lub linia smarująca jest zablokowana przez zanieczyszczenia.

Charakterystyka hałasu w zależności od typu awarii

Diagnostyka próbki oleju: wykrywanie zużycia łożysk przed pojawieniem się dźwięków

W procesach, w których przeprowadzana jest regularna analiza oleju hydraulicznego — obejmująca nie tylko obwód uderzeniowy, ale także olej odpływający z silnika obrotowego — wzrost liczby cząstek metalicznych w próbce odpływowej stanowi najwcześniejszy sygnał degradacji łożysk, który można praktycznie monitorować. Cząstki żelaza i stali pochodzące z zużycia bieżni i elementów tocznych pojawiają się w oleju jeszcze przed wystąpieniem wykrywalnego hałasu lub podwyższonej temperatury. Podwojenie liczby cząstek między kolejnymi próbkami pobranymi co 200 godzin (nawet jeśli bezwzględna liczba cząstek nadal mieści się w zakresie normalnym) wskazuje na przyspieszone zużycie w którymś miejscu obwodu smarowania. Źródło zużycia potwierdza się poprzez zestawienie wyników z pomiarami hałasu i temperatury.

Różne typy cząstek zużycia wskazują na różne tryby uszkodzenia: duże, nieregularne cząstki żelaza sugerują odpryskiwanie zmęczeniowe powierzchni bieżni; drobne żelazne 'wióry' bez cząstek odpryskanych wskazują na zużycie ścierne spowodowane zanieczyszczonym smarem; cząstki nieżelazne (miedź, cyna) sugerują materiał klatki lub separatora, co wskazuje na przeciążenie lub nieodpowiedni typ łożyska do warunków obciążenia udarowego. Te różnice są widoczne podczas prostej inspekcji magnetycznego korka — umieszczenia magnesu w linii odpływu — lub w analizie próbki laboratoryjnej.

Przyczyna pierwotna: Co faktycznie powoduje uszkodzenie łożysk silnika obrotowego

Awaria smarowania stanowi przyczynę większości wczesnych uszkodzeń łożysk w silnikach obrotowych wiertnic skalnych. Wyróżnia się dwa rodzaje takich awarii: zbyt mała ilość smaru (brak smaru spowodowany zablokowaną lub pustą linią smarującą uchwytu, która zasila również strefę łożysk silnika) oraz niewłaściwy rodzaj smaru (zastosowanie oleju hydraulicznego ogólnego przeznaczenia zamiast specjalistycznego oleju EP do wiertnic skalnych, gdy odpowiedni stopień oleju nie był dostępny). Oba przypadki powodują przyspieszone zużycie powierzchni w ciągu 50–100 godzin pracy oraz generują ciepło, które dodatkowo przyspiesza degradację oleju – tworząc cykl wzmacniający.

Zanieczyszczenie wodą płuczącą stanowi drugą główną przyczynę uszkodzeń. Gdy uszkodzą się uszczelki skrzynki płuczącej, woda stopniowo przenika w kierunku strefy silnika obrotowego. Obecność wody w smarze łożysk znacznie zwiększa szybkość zużycia ściernego, ponieważ woda nie tworzy podczas obciążenia ochronnej warstwy między powierzchniami metalowymi. Wtyczka magnetyczna wykazuje drobne metalowe opiłki (a nie duże odłamki) w przypadku zanieczyszczenia wodą – można je rozróżnić od uszkodzeń typu odpryskiwania na podstawie morfologii cząstek.

Przeciążenie spowodowane zużyciem tulei prowadzącej jest trzecią przyczyną. Zbyt duża luźność tulei prowadzącej powoduje boczne drgania trzpienia pod wpływem uderzeń, a te obciążenia boczne są częściowo przenoszone na łożysko silnika obrotowego poprzez zespół uchwytu. Łożysko przymuje obciążenia promieniowe, na które nie zostało zaprojektowane. Diagnostyka: jeśli łożyska ulegają awarii z dużą częstotliwością, a luźność tulei prowadzącej osiąga lub przekracza granicę wymiany, to tuleja jest pierwotną przyczyną awarii, nawet jeśli nie jest widocznym, bezpośrednim problemem.

Wymiana i ponowna instalacja: zapobieganie powtarzającym się awariom

Montaż nowego łożyska do tego samego korpusu, w którym niedawno doszło do uszkodzenia, bez wcześniejszej kontroli otworu korpusu i powierzchni ramy wału, jest najczęstszą przyczyną powtarzającej się wczesnej awarii łożyska. Elementy toczenia uszkodzonego łożyska zarysowują otwór korpusu; te zarysowania powodują skupienie naprężeń, które uszkadzają zewnętrzną pierścień nowego łożyska już w pierwszych godzinach pracy. Przed zamontowaniem nowych łożysk należy dokładnie oczyścić korpus, zmierzyć go, a w razie konieczności wykończyć (np. szlifować) lub wymienić.

Siła montażowa łożyska musi być przyłożona do odpowiedniego pierścienia – tego, który jest zabudowywany z naciągiem. Przykładanie siły montażowej przez element toczenia natychmiast uszkadza bieżnie, co prowadzi do awarii wyglądającej jak zużycie wczesne, ale w rzeczywistości stanowiącej uszkodzenie spowodowane nieprawidłowym montażem. HOVOO dostarcza zestawów uszczelek do silników obrotowych dla wszystkich głównych marek wiertarek udarowych. Pełne oznaczenia na stronie hovooseal.com.