دلایل خرابی بیرینگ‌ها: تأثیر ابعاد و شکل شفت
بیرینگ‌ها از اجزای کلیدی و بسیار دقیق در سامانه‌های مکانیکی به شمار می‌روند که عملکرد صحیح آن‌ها به انطباق دقیق با شفت و رعایت ابعاد استاندارد وابسته است. هرگونه انحراف از ابعاد مجاز، به‌ویژه افزایش بیش از حد قطر شفت یا دایره‌ای نبودن مقطع آن، می‌تواند منجر به ایجاد تنش‌های موضعی، اختلال در توزیع یکنواخت بار و در نهایت خرابی بیرینگ‌ها شود. این مقاله به بررسی دقیق نقش ابعاد و هندسه شفت در عملکرد بیرینگ‌ها، مکانیزم‌های خرابی ناشی از ناهماهنگی ابعادی، و راهکارهای مؤثر جهت پیشگیری از این نوع خرابی‌ها می‌پردازد.
تأثیر ابعاد و دایره‌ای نبودن مقطع شفت بر عملکرد و خرابی بیرینگ‌ها
تناسب بیرینگ و شفت
یکی از عوامل مهم در عملکرد صحیح بیرینگ‌ها، تناسب درست آن‌ها با شفت است. بیرینگ‌ها نیاز دارند تا به درستی بر روی شفت نصب شوند تا بار به طور یکنواخت توزیع شود. فیت بیش از حد شفت با بیرینگ می‌تواند فشار زیادی به بیرینگ وارد کند و باعث خرابی آن شود.
- انطباق شل (Clearance Fit) : در این حالت بیرینگ به طور محکم روی شفت قرار نمی‌گیرد و ممکن است باعث سایش شود.
- انطباق محکم (Interference Fit) : در این حالت بیرینگ به طور محکم روی شفت قرار می‌گیرد که از لغزش آن جلوگیری می‌کند.
- انطباق بیش از حد محکم (Oversized Shaft): زمانی که قطر شفت بزرگ‌تر از حد استاندارد است، فشار زیادی به بیرینگ وارد می‌شود و می‌تواند باعث شکستگی آن شود.
شفت‌های با مقطع غیر دایره‌ای و تأثیر آن‌ها
شفت‌های غیر دایره‌ای (بیضی) موجب مشکلات متعددی در عملکرد بیرینگ‌ها می‌شوند:
- بارگذاری نابرابر در نقاط تماس مختلف بیرینگ
- افزایش احتمال شکستگی رینگ بیرینگ به دلیل فشارهای محلی زیاد
- مشکلات ارتعاشی به دلیل تغییرات غیریکنواخت کلیرنس در حین کار
مکانیزم‌های شکست بیرینگ‌ها در اثر شفت‌های بزرگ یا غیر دایره‌ای
آغاز شکست ناشی از فشارهای کششی بیش از حد
زمانی که قطر شفت از مقادیر مجاز فراتر رود، میزان تداخل بین شفت و رینگ داخلی بیرینگ از حد استاندارد تجاوز می‌کند. این افزایش تداخل منجر به اعمال تنش‌های کششی بالا بر رینگ داخلی می‌شود. در چنین شرایطی، ترک‌های میکروسکوپی ممکن است در سطح یا زیرسطح بیرینگ ایجاد شوند. این ترک‌ها در اثر بارگذاری چرخه‌ای (Fatigue Loading) گسترش یافته و در نهایت به شکست یا خرابی بیرینگ‌ها منجر می‌شوند.انواع شکست‌های مشاهده‌شده
شکست شعاعی رینگ داخلی: این نوع شکست به‌صورت گسیختگی مستقیم از سطح داخلی رینگ به سمت بیرون اتفاق می‌افتد.
ترک‌های خستگی زیرسطحی: این ترک‌ها در نتیجه تمرکز تنش‌های محلی و بارگذاری سیکلی ایجاد می‌شوند و معمولاً پیش از گسیختگی کامل، منجر به سایش شدید می‌گردند.
ترک‌های دایره‌ای: ناشی از تداخل بیش از حد بین شفت و بیرینگ، به‌ویژه در شرایطی که عملیات حرارتی به‌درستی کنترل نشده باشد.
انواع خرابی ناشی از شفت‌های غیر دایره‌ای
شفت‌های بیضی‌شکل: باعث تماس نابرابر با رینگ داخلی بیرینگ شده و در نتیجه تمرکز تنش در نقاط خاص ایجاد می‌گردد.
شفت‌های سه‌لوبی: این نوع اعوجاج هندسی منجر به بارگذاری نامتقارن و خستگی موضعی در سه ناحیه مجزا از رینگ داخلی می‌شود.
شفت‌های مخروطی یا دارای خمش: موجب ناهمراستایی محوری بین بیرینگ و شفت شده و احتمال بارگذاری لبه‌ای (Edge Loading) و شکست ناشی از آن را افزایش می‌دهد.
این مطلب را از دست ندهید: فالس برینلینگ (False Brinelling) در بیرینگ‌ها
سطح بیرونی رینگ خارجی بیرینگ بشکه‌ای: خزش (Creep) ناشی از انطباق نامناسب با هوزینگ
مطالعه موردی: شکست رینگ داخلی بیرینگ به دلیل بزرگ بودن قطر شفت
یک بیرینگ ساچمه‌ای (Deep Groove) مدل (6209) در سیستم نوار نقاله با سرعت بالا پس از تنها شش ماه کارکردن شکست. عمر استاندارد آن تحت شرایط عادی پنج سال بود.
- یافته‌های تحقیق
- قطر شفت 40.09 میلی‌متر اندازه‌گیری شد (مقدار تناسب مورد نیاز 39.98 میلی‌متر تا 40.00 میلی‌متر بود).
- قطر شفت بزرگ‌تر از حد استاندارد بوده و موجب تداخل بیش از حد شده است (90 میکرومتر به‌جای 25 میکرومتر توصیه شده).
- رینگ داخلی بیرینگ به دلیل فشار کششی زیاد دچار شکست شعاعی شد.
- علل اصلی
بزرگ بودن قطر شفت باعث ایجاد تنش‌هایی شد که از حد مقاومت فولاد بیرینگ فراتر رفت و منجر به شکست رینگ داخلی شد.
- اقدامات اصلاحی
- بازسازی مجدد شفت با قطر مناسب.
- استفاده از تکنیک‌های مناسب نصب بیرینگ برای جلوگیری از فشار زیاد.
- اطمینان از دایره‌ای بودن شفت در محدوده 3-5 میکرومتر برای جلوگیری از تمرکز تنش‌های موضعی.
اقدامات پیشگیرانه برای جلوگیری از شکست بیرینگ‌ها به دلیل مشکلات شفت
- دقت ابعادی شفت
استفاده از استانداردهای ISO برای انطباق مناسب محل نصب بیرینگ:
- بلبرینگ‌ها: دقت شفت h5، h6 یا j6 برای کاربردهای عمومی.
- بیرینگ‌های استوانه‌ای: m5،m6 یا k6 برای جلوگیری از حرکت نسبی.
- برای کاربریهای دقیق: IT5 یا بهتر.
- اندازه‌گیری دایره‌ای بودن شفت
- استفاده از دستگاه‌های تست مقطع دایره‌ای یا دایال اندیکاتورها برای بررسی انحرافات.
- حداکثر دایره‌ای نبودن مجاز: کمتر از 3-5 میکرومتر برای کاربریهای دقیق.
ساعت اندیکاتور جهت سنجش همراستایی شفت و کوپلینگ
این مطلب را از دست ندهید: عیب‌یابی به روش ارتعاش سنجی در بیرینگ‌ها
جلوگیری از تداخل بیش از حد
بررسی محاسبات تداخل برای اطمینان از اینکه تنش‌ها از حد مجاز تجاوز نمی‌کنند:
- 120 مگاپاسکال برای بلبرینگ‌ها (Deep Groove)
- 150 مگاپاسکال برای بیرینگ‌های استوانه‌ای.
- روش‌های مناسب نصب
- استفاده از گرمایش القایی به‌جای استفاده از نیروی مکانیکی برای جلوگیری از تنش‌های اضافی.
- استفاده از ابزارهای مخصوص نصب و بیرون آوردن بیرینگ.
نتیجه‌گیری
خرابی بیرینگ‌ها ناشی از شفت‌های بزرگ یا دارای شکل نامنظم، معمولاً نتیجه‌ی عدم رعایت تناسبات ابعادی و نارسایی در فرآیند ماشین‌کاری است. انتخاب صحیح تلرانس‌های انطباقی، اطمینان از دایره‌ای بودن مقطع شفت، و پیروی از استانداردهای بین‌المللی در مراحل ساخت، می‌تواند از بسیاری از این خرابی‌ها جلوگیری کند.
بازرسی‌های منظم ابعادی، انجام محاسبات دقیق میزان تداخل، و بهره‌گیری از ابزارهای کنترل کیفیت، نقش مهمی در پیشگیری از شکست‌های زودهنگام دارند. در نهایت، رعایت اصول مهندسی در طراحی و نصب بیرینگ‌ها، به افزایش عمر کاری، کاهش توقفات ناگهانی و ارتقای قابلیت اطمینان ماشین‌آلات کمک می‌کند.
دیدگاهتان را بنویسید