Laagrite rikked

Laagrite rikked on kõige enam levinud elektrimasinate rikkepõhjus. Laagri vigastumisest annab märku müra ja vibratsiooni suurenemine. Tavaliselt annab see indikaator piisavalt aega laagri asendamiseks enne kui see lõplikult töökõlbmatuks muutub. Laagrite tõrke põhjuseid on mitmeid, näiteks ülekoormus, väsimus, halb määrimine, saastumine, ebaõige paigaldamine, laagrivoolud. Laagrid on pöörlevate võllide ja telgede toed, mis juhivad nende liikumist ja võtavad vastu neile mõjuvaid koormusi. Sel põhjusel on olnud laagrid paljude uuringute objektiks viimaste aastakümnete jooksul. SKF, maailma suurima laagrite müüja, sõnul tuleb laagri valimisel lähtuda sellistest parameetritest nagu koormuse suund ning olemus, laagri pöörlemiskiirus ja töökeskkond. Laagrite talitluse jälgimisel, müra ja vibratsiooni mõõtmisel ning perioodiliselt määrdeaine kvaliteedi analüüsimisel saab laagrite kahjustuste riski märkimisväärselt vähendada. Materjali väsimus on lokaalselt struktuuriline ja progresseeruv kahjustus. See tekib materjali korduval mehaanilisel pingestamisel. Tavaliselt põhjustavad materjali väsimust tsüklilised või muutuvad koormused . Tsükliline ja kauakestev koormus põhjustab materjali pinnale pragusid, mis pikapeale jõuavad pinnani välja. Alguses tekivad laagripinnal mikrolõhed. Väsimuse arenemisel hakkab laagripind pragunema ja kooruma. Lõpuks muutub laagri pind karedaks ja laager hakkab kuumenema ja tekitama müra . Kui selline pragunemine laieneb suuremale pinnale, siis muutub laager edasiseks tööks sobimatuks. Määrde ülesanne on vähendada hõõrdekadusid, detailide kulumist ja kuumenemist, kaitsta pindu korrosiooni eest, vähendada vibratsiooni ja müra, vältida tolmu ja mustuse sattumist masinasse . Halb määrimine võib seisneda nii määrde liiga väheses kui ka liiga rohkes kasutamises. Ebapiisav määre võib seisneda määrde liiga madalas viskoossuses või füüsiliselt liiga väikeses määrde koguses . Sel juhul tekivad hõõrdumise tõttu sarnaselt väsimusele praod ja murenemine. Liigrohke määrde või liiga kõrge viskoossusega määrde kasutamine võib viia võlli libisemiseni, mis samuti viib mikropragude tekkimiseni ja kiire progresseerumiseni. Määrdeaine valik sõltub laagri töötingimustest, eriti temperatuurivahemikust, kiirusest ja töökeskkonnast. Erinevad määrded on sageli omavahel sobimatud ja neid ei ole soovitav omavahel segada. Segatud määre on tavaliselt pehmem, mistõttu võib määrde leke viia laagri tõrkeni. Seepärast on tavaliselt mõistlik, kui määrde tüüp ei ole teada, kogu laager täielikult puhastada ja uuesti määrida. Vale määrdevalik soodustab määrdeaine saastumist. Määrdeainete tüüpide hulka kuuluvad plastsed määrded ja erinevad õlil põhinevad määrded. Igal määrimismeetodil on oma unikaalsed omadused. Seetõttu tuleb valida määrimismeetod, mis vastab kõige paremini määrimisnõuetele. Peamiselt määritakse laagreid plastsete määretega. Sellise määrde tüübi peamiseks eeliseks õlide ees on see, et plastne määre töötab hõõrdekohtades pikemat aega ja vähendab seega majanduskulutusi. Õlide oluline eelis määrde ees on täiustatud soojuse hajutamine. Kuid võrreldes plastse määrdega on õlide oluliseks puuduseks kõrge hind ja nende lekke oht. Määre võib saastuda, kui sinna satuvad vesi, keemiliselt aktiivsed ained või abrasiivsed võõrkehad. Need põhjustavad ajapikku laagri korrodeerumise, sest määrdeomadused halvenevad. Abrasiivsete osakeste poolt saastumisele viitavad laagri kulunud pinnad. Nende kahjustuste peamiseks põhjuseks on sageli valesti valitud laagri tihend, mis ei takista selliste osakeste sattumist laagrisse. Nende probleemide leevendamiseks võib ennetava meetmena kasutada korrosioonikindlaid määrdeaineid. Saastumine võib samuti juhtuda ka järgmistel põhjustel: Määre on olnud saastunud juba määrimise hetkel, Laager ei ole määrides olnud puhas, Määre on liiga madala viskoossusega, misse tõttu pääsevad laagrisse võõrkehad ja vedelikud. Laagri pinnal võivad tekitada mõlke ka näiteks paberiosakesed või tekstiilkiud. Oluline hoida laagri paigutusel puhtust ja mitte kasutada saastunud määrdeaineid ning hoiduda liigse jõu kasutamisest. Uitvoolude olemasolu elektrimasinates ning nendega kaasnevate probleemide olemust hakati uurima juba rohkem kui sada aastat tagasi. Teadaolevalt esimese klassikaliste uitvoolude teemalise uurimistöö pealkirjaga „Eine Erscheinung an Wechsel- und Drehstromgeneratoren“ avaldasid 1907 aastal Austrias tehnikaajakirjas „Elektrotechnik und Maschinenbau“ F. Punga ja dr. W. Hess. 1924 pidasid A.I.E.E. konverentsil P. Alger ja H. Samson aga esimese uitvoolude teemalise loengu pealkirjaga „Võlli voolud elektrimasinates“ („Shaft Currents in Electric Machines“). 1927 aastal jõudis C. Pearce ajakirjas "The Electric Journal" järeldusele: „Kui praktikas oleks võimalik luua täiuslikult balansseeritud ja sümmeetriline elektrimootor, ei saaks uitvoolud mootori laagrites eksisteerida“. Seega olid juba 20. sajandi esimeses pooles inseneridele hästi teada klassikaliste uitvoolude tekkepõhjused, mis ei ole seostatavad kaasaegse sagedusmuunduri ega mootori maandusprobleemidega, vaid tulenevad peamiselt elektrimasina ebasümmeetriast. Kõige lihtsam viis mootorite efektiivseks ja energiasäästlikuks juhtimiseks on sagedusmuunduri kasutamine, mille kasutamine maailmas hetkel sageneb. Kuigi mootorite ehitamise täpsus ning kasutatavate materjalide kvaliteet pidevalt paranevad, sagedusmuundurite kasutusega muutuvad aktuaalseks ka uitvoolud, nendega seotud probleemid ning lähtuvate probleemide vähendamise võimalused. Elektrimasina ebasümmeetriat peamiselt põhjustavad järgmised faktorid: Rootori staatiline ja dünaamiline ekstsentrilisus, Õhupilu ebaühtlus ja suurus (mida laiem pilu, seda suuremad on uitvoolud), Rootori uuretega kaasnev ebasümmeetria, Kiilusooned mootori võllil, Staator (eriti kui tegemist on puistemähisega ehk ümartraadist keritud mähisega), Ebasümmeetriline toitepinge, Laminatsiooni ühenduskohad, Rootori vigastused (nt. murdunud vardad). Uitvoolude tõttu laagri pindadele tekkivad defektid erinevad kõikidest teistest tüüpilistest laagri kahjustustest, mistõttu on neid väga lihtne visuaalsel vaatlusel tuvastada . Sel põhjusel on soovitav kahtlasena tunduvate laagriprobleemide puhul alati (eriti suuremate ja võimsamate sagedusmuunduritega juhitavate mootorite puhul) pärast laagrite demonteerimist need avada ning inspekteerida nii laagri veerekehasid kui ka veerepindasid. Uitvoolude poolt laagri pindadele tekkivate kahjustuste erinevused on peamiselt seotud mootorite töötingimustega. Kõige sagedamini matistuvad uitvoolude tõttu laagrite veerekehad ning samal aja tekivad laagri sise- ja välissaale pindadele rööpjooned ("fluting") . See ilmneb tavaliselt madalpingel ja kui mootor töötab suure osa tööajast ühtlasel kiirusel. Kui aga mootor töötab enamasti erinevatel kiirustel, matistuvad sarnaselt kuulidele ühtlaselt ka laagri veerepinnad ("frosting") . Mõnikord tekivad laagripindadel väikesed kraatrid ("pitting") . See ilmub siis, kui mootor töötab madalal kiirusel ja on olemas teatud kõrgepingeallikas. Esmase viite võimalikust uitvoolude probleemist annab mootori avamisel laagrite juures mustaks muutunud määrdeaine, mis sädelahenduste käigus oksüdeerub. Laagrite ootamatu rike võib tootmises kaasa tuua tõsiseid tagajärgi. Selle vältimiseks tuleb tagada pidev seisundiseire. Laagrite võimalikke tõrkesümptome (müra, vibratsioon) saavad jälgida hooldusmehaanik või masina operaator. Levinuim laagriseisundi hindamise viis on läbikuulamine. Korras laager töötab ühtlaselt ja vaikselt (väikse kuminaga). Kriuksumine ja muud kõrvalhelid viitavad sellele, et laager ei ole korras. Seda võib põhjustada ka puudulik määrimine või laagri saastumine. Katkendlik müra viitab tavaliselt veerekehade vigastusele. Kui vigastus juba kuuldav, siis laagrit tuleb asendada.  Pikemalt artiklis Elektrimasinate diagnostika Laager Elektrimasin Uitvool Sagedusmuundur K. Kudelina, B. Asad, T. Vaimann, A. Rassõlkin, A. Kallaste, H.V. Khang, H.V., Methods of Condition Monitoring and Fault Detection for Electrical Machines. Energies 2021, 14, 7459. https://doi.org/10.3390/en14227459 Gu, C.; Wang, M.; Bao, Y.; Wang, F.; Lian, J. Quantitative Analysis of Inclusion Engineering on the Fatigue Property Improvement of Bearing Steel. Metals 2019, 9, 476. Zhang, Y.; Zhang, M.; Wang, Y.; Xie, L. Fatigue Life Analysis of Ball Bearings and a Shaft System Considering the Combined Bearing Preload and Angular Misalignment. Aditya, M.; Amarnath, M.; Kankar, P. Failure Analysis of a Grease-Lubricated Cylindrical Roller Bearing. Procedia Technol. 2014, 14, 59–66. Fischer, D.; Mues, H.; Jacobs, G.; Stratmann, A. Effect of Over Rolling Frequency on the Film Formation in Grease Lubricated EHD Contacts under Starved Conditions. Lubricants 2019, 7, 19. NTN, “Technical Data: Lubrication of Bearings”, 2004. https://www.ntn.co.jp/jimtof2004/eng/pdf/PrecisionBrgs-e/PrecisionBrgs-e-039.pdf F. Punga and W. Hess (1907), "Eine Erscheinung an Wechsel- und Drehstromgeneratoren," Elektrotechnik und Maschinenbau, 25, pp. 615-618. P. L. Alger and H. W. Samson, Shaft Currents in Electric Machines, Midwinter Convention of the A.I.E.E. Philadelphia, Pa., pp. 235-245, Feb. 4-8, 1924. https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=5060981 C. Pearce, “Bearings Currents - Their Origin and Prevention,” The Electric Journal, August 1927. K. Kudelina, H. A. Raja, T. Vaimann, A. Kallaste, R. Pomarnacki and V. K. Hyunh, "Preliminary Analysis of Bearing Current Faults for Predictive Maintenance," 2023 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), San Francisco, CA, USA, 2023, pp. 1-5. https://doi.org/10.1109/IEMDC55163.2023.10238934. Berhausen, S.; Jarek, T. Method of Limiting Shaft Voltages in AC Electric Machines. Energies 2021, 14, 3326. Sar, M.Z.; Barella, S.; Gruttadauria, A.; Mombelli, D.; Mapelli, C. Impact of Warm Rolling Process Parameters on Crystallographic Textures, Microstructure and Mechanical Properties of Low-Carbon Boron-Bearing Steels. Metals 2018, 8, 927. Bishop, T. Dealing with Shaft and Bearing Currents. EASA Tech. Pap. 2017. http://www.kyservice.com Raadnui, S.; Kleesuwan, S. Electrical pitting of grease-lubricated rolling and sliding bearings: A comparative study. J. Phys. Conf. Ser. 2012, 364, 012041.