Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja pregled istraživanja

Uticaj kontaminirajudih čestica na
smanjenje radnog veka kotrljajnih
ležaja; pregled istraživanja
Ristid Marko1 91/09

Sažetak: Kontaminacija kontakata mašinskih elemenata od strane čvrstih čestica je ozbiljan
problem u svim industrijskim sektorima. Čestice čija se veličina krede od nekoliko nanometara
do nekoliko mikrometara su odgovorne za povedanje habanja i katastrofalne otkaze ležajeva,
zupčanika, bregastih mehanizama, semeringa, i mašina. Habanja koja mogu da prouzrokuju
takve kontaminacije su abrazija, površinski urezi, ljuspanje, zamor materijala, pa čak i
struganje u zavisnosti od operacionih uslova i mehaničkih karakteristika čestica.

Ulja i maziva često sadrže takve kontaminante, koji su ili generisani unutar mašine ili su uneti
iz spoljnjeg okruženja. Kontaminirajude čestice mogu biti unesene u kontakt između kotrljajnih
elemenata i oštetiti dodirne površine elemenata unutar ležaja. Veliki broj takvih pojedinačnih
oštedenja može naneti veliku štetu kotrljajnim elementima i ležaju.

Ključne reči: čestice, krhotine, kontaminacija, habanje, podmazivanje, kotrljajni ležajevi

1 UVOD

Poslednjih decenija, čestična kontaminacija se smatra jednim od glavnih inženjerskih problema koja utiče
na pouzdanost mehanizama i mašina od nano do makro razmera *1-3]. Ni jedan industrijski sector nije
imun na ovaj problem, a pogotovu oni sektori industrije koji zahtevaju čisto okruženje za neometan rad.
Primeri gde se zahteva veoma čisto okruženje su svi elementi koji se podmazuju i koji se nalaze
međusobno u relativnom kretanju (ležajevi, zupčanici, klipovi u motoru, semerinzi, itd), minijaturni uređaji
kao što su mikroelektromehanički sistemi, ventili, mehanizmi, mašine u prehambrenoj industriji, mašine u
farmaceutskoj industriji, elektronska industrija, aeronautička industrija, kao i mnoge druge inženjerske
primene.
Ulje u sistemu za podmazivanje uvek sadrži neki nivo čestične kontaminacije. Ulje može biti
kontaminirano još u početku. Čestice takođe u toku rada mogu udi u sistem kroz oduške. Osim toga,
čestice mogu biti generisane unutar mašinskog sistema habanjem ili korozionim procesom. Tokom
perioda uhodavanja kotrljajnih i kliznih komponenata, čestična generacija moše biti vrlo visoka čak i u
veoma čistom sistemu *4+. Zbog toga je važna efikasna filtracija tokom ovog perioda. Eksperimentalni
rezultati pokazuju da jedan sat filtracije sa filterom od 3 µm tokom uhodavanja kotrljajnih ležajeva može
smanjiti i habanje i količinu samogenerisanih čestica do 10 puta *5]. Ali takva filtracija je skupa i verovatno
nebi bila najbolje ekonomsko rešenje *6+. Ležajevi sa kotrljajnim elementima su pogotovo osetljivi na
oštedenja prouzrokovana krhotinama koje se nalaze u ulju. Ovo je zbog toga što se kotrljaju po glatkim

1
marko.a.ristic@gmail.com

Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja

površinama i potreban im je tanki razdvajajudi uljni film kako bi pravilno funkcionisali. Krhotine su obično
vede od debljine uljnog filma; pa kada budu uhvadene u kontakt ošteduju dodirne površine. Ovo dovodi do
inicijacije pukotina koje kasnije dovode do zamora materijala ili do intezivnog abrazivnog habanja.
Eksperimentalni rezultati Nilsson-a [7+ pokazuju da abrazivno habanje prouzrokovano tvrdim česticama
može znatno izmeniti površinski profil prstena i kotrljajnih elemenata u ležaju.
Čvrsti kontaminanti mogu poticati iz različitih izvora. Čestice mogu nastati u toku proizvodnih i
montažnih procesa, mogu biti generisane habanjem, unete iz spoljne sredine, unete tokom održavanja i
popravke. Nesredna je činjenica da se u svim kontaktima među mašinskim elementima neprekidno nalaze
na hiljade miliona kontaminirajudih čestica, koje smanjuju radni vek dotičnih komponenata, mehanizama i
mašina.
Problem kontaminacije čvrstim česticama je počeo da privlači pažnju poslednjih decenija, naročito
posle 1980-tih, što je dovelo do poboljšanja u čistodi i homogenosti čelika od kojih se izrađuju kotrljajni
ležajevi, povedanja njihove nosivosti, smanjenja širine tolerancijskih polja kao i celokupnu minijaturizaciju
uređaja. Prva činjenica se odnosi na to da je prerani otkaz ležajeva usled površinskih nesavršenosti i
mikropukotina na površinama delova ležajeva i nehomogenosti materijala ležajeva stvar prošlosti, što
dovodi u centar pažnje proučavanje drugih mehanizama otkaza kao što su oni koji su povezani sa
česticama nečistode. Druga činjenica (opteredenja i širina tolerancije) znači da se uljni filmovi u
koncentrisanim kontaktima kao što su između kuglice ležaja i kotrljajne staze generalno smanjeni, što čini
kontakte ranjivijim na oštedenja usled delovanja čvrstih čestica. Treda činjenica (minijaturizacija) znači da
male čestice sada imaju vedi uticaj zato što je njihov odnos veličine prema kontaktima uvedan.
Moderna inženjerska praksa i istraživanje su dokazali štetan uticaj čvrstih čestica veličine od 0,1 do
100 µm u tipičnim hidrodinamičkim ili gasnim uljnim filmovima veličine od nekoliko nanometara do
nekoliko mikrometara. Svaki put kada se čestica sabije u uzani procep između kontakata, ona napravi
lokalne brazde na kontaktnim površinama, koje su u najboljem slučaju elastične (povratne) a u najgorem
slučaju plastične (trajne). Svako oštedenje koje se napravi na površinama zavisi od veličine, tvrdode, i
krtosti čestice, tvrdode površine, koeficijenta trenja između kontaktnog para čestica/površina, brzine, i
tipa kontakta: kotrljanje, klizanje, obrtanje ili neka kombinacija od ovih. Do sada su identifikovani i različiti
oblici oštedenja: izdubljenje, abrazija, lokalno termičko oštedenje, ljuspanje, raspadanje i trošenje.
Površinsko izdubljenje je najčešda pojava koja se javlja usled dejstva čvrstih čestica *9-12] i
proučavana je eksperimentalno *11, 12+ i teorijski uz pomod naponskih analiza *9, 10] i preko analize
konačnih elemenata *13-15+. Površinska abrazija nastala od kontaminirajudih čestica je takođe veoma
česta i privukla je dosta pažnje u literaturi *8, 16-25+. Otkriveno je i da neka termalna oštedenja od
frikcionog zagrevanja, kao i izčezavanje uljnog filma u koncentrisanim kontaktima su takođe povezani sa
prisustvom kontaminirajudih čestica. Specifično, spekulisano je a i eksperimentalno demonstrirano da
akumulacija čestica na ulazu u kontakt koji se podmazuje može da smanji snabdevanje kontakta uljnim
mazivom, izčezavanje elastohidrodinamičkog filma pa čak i raspadanje i trošenje kontaktnih površina *1,
3, 26-31+. Tipičan primer ove pojave je gomilanje i blokiranje ulaza elastohidrodinamičkog filma od strane
čađi u dizel motorima *29-31] i motora koji koriste recirkulaciju izduvnih gasova. Osim toga kompresija i
plastično smicanje čestica u elastohidrodinamičkom kontaktu se smatra odgovornim za frikciono
zagrevanje i nastajanje termalnih brazdi [1, 3, 29, 30-37+, naročito kod kliznih kontakata. Frikciono
zagrevanje je intezivnije kada veoma tvrde čestice prenose velike kontaktne pritiske *32-34+, čak i kada su
čestice relativno male. Ipak, pokazano je teorijski da su metalne, elastične, meke čestice takođe opasne
zbog velike efektivne zone trenja tokom njihove plastične deformacije *3, 29, 35-37].
Pored direktnog brazdanja i termalnog efekta od strane kontaminanata, takođe je i hemijska
degradacija tečnih lubrikanata od strane čestica veoma važna. Ovo dovodi do promene u efektivnoj
viskoznosti i takođe do promena u frikcionim performansama *38-40], ubrzanu oksidaciju ulja, koroziju,
reakciju i neutralizaciju aditiva u lubrikantima kao što su ZDDP (Zn*(S2P(OEt)2]2) i drugi [31, 41-44].
Efekti kontaminacije na mehanizme mašina u smislu smanjenja radnog veka komponenata su
intenzivno proučavane eksperimentalno *45-57+, i matematički *58-61+. Literatura koja se bavi čestičnom
kontaminacijom je veoma velika, i najvedi deo istraživanja je obavljem nakon 1970-tih. Svaki pokušaj
prezentovanja dobre revizije tog rada u razumnoj količini prostora je veoma zahtevan zadatak. Ipak,
uprkos važnosti problema, ovakvih literalnih revizija ima veoma malo *1-3, 62-65].

Ponašanje materijala u eksploataciji
Ristid Marko 91/09 2


2 POREKLO ČESTIČNE KONTAMINACIJE

Čvrsti kontaminanti mogi poticati iz različitih internih ili eksternih izvora. Oni su obično sporedni proizvodi
različitih procesa uključujudi habanje čvrstih tela u različitim oblicima i pod različitim uslovima. Mogu se
navesti slededa četiri izvora kontaminanata (neke kategorije se preklapaju).

2.1 Unutrašnji izvori, izuzimajudi čestice nastale habanjem

Veliki broj čestičnih fragmenata svih veličina i oblika obično ostaju u novo proizvedenom i novo
sklopljenom sistemu mehaničkih komponenata, kao što je na primer motor sa unutrašnjim sagorevanjem.
Primeri uključuju sporedne proizvode proizvodnih procesa kao što su metalni opiljci i keramika poput
silicijum karbida od struganja ili izlivanja u peščanim kalupima, ljuspice farbe, rđa, i tako dalje *66]. Ove
čestice su naročito opasne zato što su one obično poprilično velike (do nekoliko milimetara u veličini).
Filtriranje ovakvih kontaminanata iz sistema je od velikog značaja, zbog čega na primer proizvođači
automobila preporučuju prvu zamenu ulja u motoru ved nakon 1000 km.
Nažalost ni nova ulja za podmazivanje nisu najbolji lek pošto i ona u sebi sadrže različite nečistode,
uključujudi prljavštinu, prašinu, vlakna, metalne opiljke, metalne okside, itd *41+. Ovo potiče od tipičnog
procesa proizvodnje ulja koje uključuje mešanje sirovih materijala od različitih dobavljača koji se
dopremaju u rezervoarima, istakanje u kontejnere, skladištenje, isporučivanje, itd. Najvedi proizvođač
kotrljajnih ležajeva SKF, je izjavio 1991. *67+ da tipični rezervoar od 200 litara novog ulja u sebi sadrži više
od 1,1 milijarde čestica vedih od 5 µm; što je koncentracija od 5,5 miliona čestica po litru ulja (pod
predpostavkom jednake preraspodele čestica u ulju). Šta više, po skorašnjem radu Dwyer Joyce-a [65],
industrijska ulja sadrže 0,1-1,0 g/l čestica.

Slika 1: Čestice u nekorišdenom motornom ulju (Kjer [68])

Problem kontaminacije novog ulja je primeden barem od 1980-tih. Na primer, 1981. Kjer [68] je izneo
rezultate ferografske analize novog motornog ulja gde se primeduje veliki broj metalnih i nemetalnih
čestica. To je uključivalo sferne čestice do 30 µm u veličini (slika 1(a)), metalne opiljke do 50 µm (slika
1(b)), i nemetalne čestice nepravilnog oblika do 100 µm (slika 1(c)). Jones [69+ je 1983. pronašao
gvozdene opiljke uz pomod ferografije u normalnim čistim lubrikantima za dizel motore i izneo da je
njihovo poreklo verovatno od katalizatora koji se koriste u procesu rafinacije, mada su slične čestice
ponovo dedektovane u ponovno prečišdenom ulju. Leng i Davies *70] 1988. su identifikovali više
varijanata opiljaka uz pomod ferografske i spektrometrijske analize korišdenog ulja iz dizel motora
proizvedenog i pakovanog u Južnoj Africi. Opiljci koji su pronađeni su bili od minerala kalcijuma veličine 30
µm (slika 2(a)), minerala silicijuma do 25 µm (slika 2(b)), čestice dobijene habanjem (slika 2 (c)), čestice na
bazi gvožđa 3-20 µm (slika 2 (d)), čestice od čistig hroma (slika (e)), veliki organski otpaci (slika 2 (f)), i
ostalo. Stachowiak je takođe u elaboratu *71+ 1991. opisao veliki broj raznovrsnih kontaminanata nađenih
u nekorišdenim uljima.



Slika 2: Čestice u nekorišdenom mazivnom ulju za
Dizel motore (Leng i Davies [70])

2.2 Unutrašnje generisane, čestice koje potiču od habanja

Unutrašnje generisane čestice koje potiču od habanja su nastale kao deo raznoraznih procesa habanja
[72-75+. To uključuje abraziju ( tvrde, grube i oštre čestice skidaju materijal sa mekše površine uz pomod
mehanizma koji uključuje brazdanje, sečenje, cepanje, istiskivanje, udubljivanje i ostalo), odvajanje delida
materijala sa površine uz pomod adhezije, erozija, površinski zamor kao kod ležajeva, piting kod zupčanika
i forme katastrofalnog raspadanja usled zaribavanja. Primeri ovih čestica i njihovih izvora uključuju čelične
čestice nastale od pužnog zupčanika, aluminijum, bronza i bakar nastalih od puža i kudišta reduktora;
silikati (prašina i pesak) nastali od livačkih kalupa itd.

2.3 Spoljni izvori

Velike čestice (do milimetra u veličini) često ulaze u mehanički sistem zbog neefikasnog zaptivanja između
mehaničkog sistema i spoljnjeg okruženja, na taj način u sistem ulaze vazduh, prašina, pesak, balast sa
železničkih šina, metalni opiljci, stakleni opiljci i drugo.

2.4 Čestice unete tokom popravke i održavanja sistema

Raznovrsne velike čestice ulaze u sistem tokom procesa popravke i održavanja kao što je na primer
zamena ulja, promena filtera, semeringa, itd.



3 TIPOVI KRHOTINA, MORFOLOGIJA I KLASIFIKACIJA

Veliki deo literature je posveden identifikaciji krhotina i čestica dobijenih habanjem radi svrhe pradenja
stanja i analize habanja. Za čestice iz spoljnjeg izvora, ovo pomaže radi predviđanja rizika od oštedenja kao
i donošenja mera radi prevencija otkaza. Za čestice dobijene habanjem, automatska klasifikacija u smislu
oblika, veličine, i površinske teksture može biti važna za pradenje stanja mašinskih elemenata, zakazivanja
remonta, dijagnozu problema. Klasifikacija čestica je uglavnom zasnovana na ferografiji [76] i
kompjuterski podržanoj vizualizaciji i indedifikaciji *77+ sa numeričkom karakterizacijom morfologije
čestica *71, 78].

Morfologija čestica može biti specifikovana u funkciji oblika čestica, veličine, površinske topografije, boje i
debljine [73+. Ovo obično zahteva skenirajudu elektronsku mikroskopiju (SEM) radi detaljne vizuelne
inspekcije. Korisni morfološki vodiči *79, 80+ mogu razvrstati sledede tipove čestica (pogledati takođe
tabelu 1): sferne, nepravilne glatke ovalne, zdepaste i pločaste, vijugaste, spiralne, rascepke, rolne, niti i
vlakna. Jednostavna klasifikacija u smislu oblika i detalja ivica je prezentovana od strane Roylance-a u
elaboratu [77] (slika 3).

Slika 3: Karakteristike oblika čestica i karakteristike
ivica čestica (Roylance *77])



Tabela 1 Oblici i moguda porekla čestica (Trevor *79], Knowandy [80])
Oblik čestice Tipičan naziv Neka moguda porekla

Loptaste Zamor, trošenje metala

Nepravilne glatke ovalne Atmosferska prašina

Zdepaste Metalni opiljci; delidi ležaja, krhotine kamena

Pločaste Metalni delidi; farba; bakar u mazivu

Vijugave Metalni opiljci dobijeni tokom rezanja na
visokim temperaturama u proizvodnji

Rolne Verovatno slično kao i pločaste samo u
rolovanoj formi

Niti i vlakna Polimeri, pamuk, vunena vlakna; povremeno
metal

SEM je nezavisni alat za ocenjivanje čestica i on je naporan, skup, nedosledan i zahteva ekspertsko
znanje. Ipak, SEM se obično kombinuje sa metodama numeričke karakterizacije, koje su bazirane na
protokolima za automatizaciju i kompjuterizaciju klasifikacije. Pogodni numerički opisi čestica koji se
odnose na veličinu (prividnu površinu, dužinu, perimetar, i ekvivalentan prečnik) i spoljni oblik (odnos
strana, faktor oblika, konveksnost, izduženje, uvijenost, hrapavost, itd.) *77-83]. Razvijeno je nekoliko
tehnika za analizu slika kao što je opis granica čestica sa fraktalnom topografijom *69, 78] radi
kvantifikacije važnih karakteristika čestica, i radi predviđanja njihovog potencijalnog uticaja kao što je na
primer abrazivnost. Ipak, preliminarna, empirijska ocena na osnovu porekla čestica može dati dovoljno
podataka za procenu njihove veličine i oblika.

Tabela 2 Tipovi čestica prema tvrdodi (dobijeno iz referenci [2], [67] iz tabele 6.1 iz [112])
Tip čestice Tvrdoda *HV+ Tip Izvor
Veoma Do 40 Plastika, papir, drvo, tekstil, Eksterni za nemetalne
meke biljna vlakna, čisti metali materijale; eksterni i
poput zlata, srebra, bakra, interni za metalne
olova, kalaja, aluminijuma, materijale
nikla
Meke, 55-280 Meki čelik, mesing, bronza, Kudišta, ležišne
metalne aluminijum, bakar posteljice
Tvrde, 700 Čelik (ležajevi i zupčanici); Otvrdnute površine
metalne liveno gvožđe
Tvrde, krte Obično do 1300 za Keramika (silicijum-karbid i Proizvodnja (pasta za
keramiku mada može biti i silicijum-nitrid) i korund lepovanje, tocila za
više brušenje, itd)

Karakterizacija čestica i pradenje stanja radi razumevanja generisanja čestica *84, 86] je dostiglo
zadovoljavajudi nivo. Razvijeni su automatizovani sistemi za prepoznavanje obrazaca korišdenjem
ekspertskih baza podataka. Ipak, to ne može biti potpuno tačno zbog sličnosti nekih čestica koje su


nastale u različitim procesima. Na primer, čestice sličnog izgleda mogu nastati pod uticajem različitih
adhezivnih procesa habanja [87+. Mada ipak, čestice se mogu povezati sa specifičnim procesima habanja,
ili zaptivnim neefikasnostima i pomodi u dijagnozi operacionih problema i prevenciji katastrofalnih
oštedenja *73+. Nekoliko primera uključuju (a) strugotina ili trakasti metalni otpadak koji može nastati u
procesu mašinske obrade povezan sa abrazivnim habanjem, koji može biti rezultat delovanja tvrdih grubih
oštrica i/ili tvrdih i oštrih otpadaka koji abrazivno deluju na mekšu površinu: (b) veliki, blokasti i nepravilni
delidi, koji nastaju usled trošenja materijala *73+ (tabele 1 i 2): i (c) sferni metalni delidi, koji su
karakteristika procesa mašinske obrade kao što su brušenje, mada takođe mogu nastati usled nekoliko
drugih različitih procesa kao što de biti objašnjeno.
Sferni delidi objašnjavaju nemogudnost automatskog sistema za prepoznavanje obrazaca da potpuno
zameni stručnog inženjera u toj oblasti. Specifično, nekoliko mehanizama je povezano sa nastajanjem
sfernih čestica nastalih habanjem *88-92+ uključujudi trošenje kotrljajnih kontakata *84, 93-95], abrazija
[91-96], habanje usled klizanja [97-99], kontaktna korozija [89, 100-102+, glačanje *103, 104], kavitaciona
erozija [105], erozija usled električnog pražnjenja *98], i hemijske reakcije ( na primer, glikol (sredstvo za
hlađenje) u reakciji sa aditivima u motornom ulju kao što su kalcijum-sulfat i ZDDP formira tvrde ‘uljane
lopte’ u dizel motorima *106, 107+). Vedina od ovih procesa imaju zajedničke elemente, kao što su klizanje
sa plastičnim deformacijama, frikciono zagrevanje pradeno naglim hlađenjem, velika brzina, oksidacija, i
drugi. Izgleda da sferične čestice obično nastaju od primarnih čestica nastalih habanjem, koje su postale
sferične usled termohemijskih akcija i/ili hemijskih reakcija. Uključujudi da su sferične čestice nosioci
upozorenja procesa trošenja i nadolazedih otkaza, njihova karakterizacija u procesu pradenja je veoma
važna. Ipak, kao što je predhodno objašnjeno, otkrivanje njihovog porekla zahteva više informacija osim
izgleda, boje ili teksture. Dodatne informacije koje su potrebne je vrsta materijala.
Različite metode *73, 75, 108+ se koriste za utvrđivanje materijala čestica uključujudi ferografiju [70,
76, 109-111], spektroskopiju sa disperzijom energije, analizu emisije infra-crvenim i X zracima, itd.
Morfologija čestica i indentifikacija materijala bi trebali, naravno da budu pradeni evaluacijom tvrdode
čestica, što je glavna komponenta potencijala čestica da nanesu štetu. Generalno sposobnost čestica da
nanesu štetu je analogna njihovoj tvrdodi. Odnosno, čestice mekše od 40 HV se smatraju bezopasnim u
mnogim aplikacijama [63+ (mada ne i uvek po iskustvu nekih istraživača, što de kasnije biti objašnjeno).
Korisna, generalna klasifikacija u pogledu tvrdode čestica je prikazana u Tabeli 2, koja je napravljena od
referenci [2] i [67] i Tabeli 6.1 reference [112].

4 ŠKODLJIVI UTICAJI ČVRSTIH KONTAMINANATA NA KONCENTRISANE KONTAKTE

Velika količina istraživačkog rada je opisala rizike kontaminacije čvrstim česticama u radu mašinskih
elemenata. Ovo je dovelo do usavršavanja standarda o čistodi ulja, koji se zasnivaju na količini čestica i
gravimetrijskim analizama kao i usavršavanje protokola za formalizovanje ispitnih procedura, kako bi se
izbegli otkazi hidrauličkih sistema pogotovo u avio industriji *113, 114+. Najvedi obim istraživanja su izvršili
inženjeri u industriji kotrljajnih ležaja, jer su kotrljajni ležajevi jedni od najoštedenijih elemenata zbog
kontaminacije ulja.
Istraživanje uticaja efekata čestica krhotina proteže se nekoliko decenija. Još 1927. godine, McKee
[115+ je izmerio povedanje trenja u hidrodinamičkim ležajevima koje prouzrokuje kontaminacija ulja. Kako
se trenje povedava tako se povedava i radna temperatura i habanje ležajeva, što su dokazali 1951. Roach
[116], 1952. Rylander [117], 1965. Broeder i Heijnekamp [118]. Hirano i Yamamoto [119+ su 1959. Izvršili
nekoliko testova sa kuglama i kontaminiranim uljem u kome su bile različite vrste mekih i tvrdih čestica.
Pronašli su da čestive povedavaju habanje i da meke čestice (kao što je metalni prah) povedavaju trošenje
tako što se nagomilavaju na ulazu u procep između kliznih ili kotrljajnih površina i blokiraju cirkulaciju i
zamenu ulja. U istraživanju obavljenom 1977, Fitzsimmons i Clevenger *120] su objavili da je habanje
koničnih kotrljajnih ležajeva u kontaminiranom ulju proporcionalno količini kantaminanata.
U nepogodnoj situaciji, čestice krhotina mogu da blokiraju ulaznu zonu kontakta i smanje doturanje
ulja kod kontakta kod koga se ostvaruje elastohidrodinamičko podmazivanje [121]. Kako se nedostatak
ulja kroz kontakt povedava tako se i pritisak povedava sve do maksimuma na izlaznoj zoni iz kontakta gde



je uljni film najtanji (slika 4), površina prenošenja opteredenja je manja što takođe utiče i na mogudnost
prenošenja opteredenja [122].

Slika 4 Kontaktni pritisak i debljina uljnog filma [123]

Problem habanja kotrljajnih ležajeva od strane delida krhotina je stavljen u inženjersko razmatranje u
automobilskoj industriji od strane General Motors-a 1971. sa slededom izjavom *2, 62, 124+: ‘Prisustvo
nečistoda u kotrljajnim ležajevima je odgovorno za više od 90% otkaza kod kotrljajnih ležajeva; tamo gde
se ležajevi održavaju čistim tokom montaže i podmazuju čistim uljem, gde su zaštideni preporučenim
zaptivnim elementima, nebi trebalo očekivati ovakve probleme’.
Avionska industrija je u još rizičnijoj situaciji. Wedeven *125] je u studiji 1979. godine izneo da je
čestična kontaminacija glavni uzrok otkaza komponenata kod propulzionih sistema. U studiji objavljenoj
1979. godine od strane Cunningham-a i Morgan-a [126+, iznešeno je da je uzročnik približno 20% svih
otkaza ležajeva kod avionskih motora, transmisije i pomodnih uređaja kontaminacija od čestičnih
krhotina.
SKF je 1991. godine izneo da je 14% svih otkaza kod ležajeva prouzrokovano kontaminacijom *67].
Jasna izjava o efektu kontaminacije ulja na smanjenje radnog veka ležaja je izneta na 64. strani SKF-ovog
generalnog kataloga: ‘Nekoliko kugličnih ležajeva 6305 sa i bez zaptivača je testirano u visoko
kontaminiranoj sredini (zupčasi prenosnik u kudištu sa pozamašnom količinom krhotina). Kod zaptivenih
ležajeva se nije javio otkaz, a testiranja su prekinuta iz praktičnih razloga nakon što su zaptiveni ležajevi
radili i do 30 puta duže nego li što je bio eksperimentalni radni vek nezaptivenih ležajeva. Radni vek
nezaptivenih ležajeva bio je 0,1 od izračunatog L10…’ Konačno 2001. godine objavljeni rad od strane Ai-a
[56+ uz pomod Timken Kompanije (USA), jednog od najvedih proizvođača kotrljajnih ležajeva, u kome je
izneto da je kontaminacija bila uzročnik otkaza u procenjenih 75% svih ležajeva koji su otkazali pre nego
što su dostigli svoj garantovani radni vek.



Slika 5 Šematski prikaz Stribekove krive i njena povezanost sa režimima podmazivanja,
vibracijama, i mehanizmina habanja; gornja slika: opisi vibracija i šeme, u kojima
isprekidana linija pokazuje rotacione vibracije ( npr. neravnoteža, savijeno vratilo,
odstupanje od saosnosti), puna linija pokazuje tranzitne vibracije (udari i rezonantni
talasi); sredina: šematski prikaz mehanizma habanja; dole: Stribekova kriva sa
koeficijentom trenja , brzina , viskoznost , opteredenje

Inzvarendni rezultati u vezi smanjenja radnog veka ležajeva i hidrauličnih sistema od strane
kontaminiranih mazivnih ulja su prezentovani u mnogim publikacijama – videti na primer slučajeve date
na stranama 76-77 reference [41+. Na primer eksperimenti koji je izvršio Okamoto u elaboratu [127] 1972.
godine pokazuju 80-90% smanjenja radnog veka kotrljajnih ležajeva kada se keramičke, silikonske i
gvozdene čestice konstantno dovode u sistem za podmazivanje ležajeva (brzinom od 12 mg/h).
Pozamašan rad je posveden istraživanju efekata kontaminirajudih čestica na habanje motora sa
unutrašnjim sagorevanjem, naročito uticajima koji imaju pesak i prašina usisani zajedno sa vazduhom na
klipne prstenove, košuljice cilindra, rukavce ležišta, i bregasta vratila *128, 129]. Rezultati pokazuju da
kontaminirajude čestice različitih veličina i oblika, unete kroz filtere za vazduh ili ulje, kao i one generisane
unutar motora usled habanja i sagorevanja su veoma odgovorne za habanje motora.
Takve studije su postavile još od 1960. godine u centar pažnje problem pravilne filtracije, kao glavni
način smanjenja kontaminacije od čvrstih čestica *130]. I zaista, benefiti pravilne filtracije ulja i vazduha su
neosporivi (mada postoje određeni problemi sa ultra-finom filtracijom zbog povečanja gubitka energije
prilikom pumpanja ulja i odstranjivanja nekih aditiva iz sintetičkih ulja). U eksperimentalnom istraživanju
objavljenom 1974. godine od strane Dalal-a u elaboratu [131] u saradnji sa SKF-om, pokazano je da se



radni vek kotrljajnih ležajeva povedao nekoliko puta prilikom prelaska sa 10 µm filtracije na ultračisti
sistem. Povedanje radnog veka korišdenjem ultra fine filtracije takođe su pokazali 1979. Loewenthal i
Moyer [46]; nekoliko godina kasnije (1982), Loewenthal je u elaboratu [48] koristio dvostepenu filtraciju
na grupe jednorednih kugličnih ležajeva i došao do slededih zaključka u vezi sa njihovim otkazom: ‘ Ultra
fina filtracija dovela je do dvostrukog povedanja radnog veka kotrljajnih ležajeva u odnosu kada je
korišdeno ulje filtrirano filtrima od 3 µm, i otprilike povedanje radnog veka tri puta nego li kada su
korišdeni filteri od 49 µm’.
Jasno je da prema istraživanjima filtracija igra glavnu ulogu u smanjenju habanja mašinskih delova od
strane kontaminirajudih čestica i krhotina, i izbegavanju preranih otkaza. Šta više filteri se mogu koristiti u
dijagnostičke svrhe i pradenju stanja mašine u realnom vremenu uz pomod analize krhotina, i pradenje
razlika pritiska [132+. Pad pritiska u filtru znači njegovo zapušenje od strane čvrstih kontaminanata; ovo je
obično 0,2 bara kod novog ulja i novog filtra, a može dostidi vrednosti od 2,5 bara pre nego što dođe do
neophodnosti promene filtra u hidrauličkom sistemu.
Odgovajajuda finoda filtra za određenu namenu je od velike važnosti. Česta greška u ovoj oblasti je
pogrešno razumevanje ocene efikasnosti filtera i njegove posledice na filtraciju. Prema ISO 4572
standardu, filtar se može rangirati prema slededem odnosu: , gde su i
brojevi čestica po jedinici zapremine (100 ml) fluida vedeg od µm u veličini koji ulaze i izlaze iz
filtera, respektivno. Očigledno, ovaj odnos se odnosi na specifičnu veličinu čestica u mikrometrima, što
je naglašeno u indeksu u . Na primer, filter karakteristike znači da za svakih 200 čestica
veličine 14 µm ( ) koje ulaze u filtar, očekuje se da od tih čestica samo jedna iz njega i izađe iz
filtera. Ono što se češde komercijalno primenjuje je efikasnost filtera (u procentima), koji se definiše kao
=(broj zadržanih čestica)/(broj čestica na ulazu) = . Na primer, efikasnost filtriranja za
predhodni primer od je =99,5%. Ovo nekome možda zvuči dosta dobro, ko može
predpostaviti da je efikasnost od 99,5%, što u nekom slučaju možda i nije potrebno. Ipak, koristedi
=99,9% i tražedi beta, dobija se , što je pet puta bolje (ekvivalentno pet puta čistijem mazivu)
nego li kod . Generalno korišdenjem date jednačine može se pokazati da filter sa efikasnošdu od
99,9% je deset puta efikasniji u nego li filtar sa 99,0% efikasnošdu. Zbog čega se mora biti obazriv jer mala
razlika u procentualnoj efikasnosti može značiti veliku razliku u kontaminaciji.
Kao rezultat mnogih sličnih istraživanja, ISO je razvio univerzalni standard za merenje i označavanje
nivoa kontaminacije u fluidima poznat kao ISO KOD čistode *137, 138], kao na primer kod 4406:99. Ovo na
merenje broja i veličine čestica u uzorku fluida, pradeno dodavanjem ISO koda tome iz tabele. Kod se
zatim upoređuje sa zadatim kodom za dati mehanički sistem, koji je određen na osnovu dozvoljenog
stebena habanja i optimalnog radnog veka [139].



5 FAZE HABANJA I VIBRACIJE TOKOM RADNOG VEKA KOTRLJAJNIH LE@AJEVA

Proces habanja i zamora materijala kod kotrljajnih kontakata u kotrljajnim ležajevima tokom različitih faza
radnog veka šematski je prikazan na slici 6.

Slika 6 Gornja slika: količina istrošenog materijala u ležaju počevši od faze
uhodavanja pa do otkaza prouzrokovanog prevelikim trošenjem ili zamorom
materijala. Donja slika: odgovarajuda evolucija rada ležaja počevši od
perioda uhodavanja pa do otkaza prouzrokovanog zamorom materijala na
kotrljajnim površinama i podpovršinama (fotografija: otkaz usled zamora
materijala)

5.1 Početak rada kotrljajnih ležajeva (uhodavanje)

Pod pogodnim uslovima tokom početka rada, dolazi do efekta kotrljajnog poliranja ležajeva, uglavnom uz
pomod plastične deformacije površinskih nepravilnosti. Efekat kotrljajnog poliranja se polako gubi kako se
smanjuje površinska hrapavost i dolazi do prelaska između mešovitog podmazivanja u
elastohidrodinamičko podmazivanje. Proces uhodavanja može se ponovo aktivirati promenom radnih



uslova [122, 140, 141, 142, 143+. Svaka deformacija neravnine u kotrljajnom ležaju tokom uhodavanja
predstavlja izvor vibracija.

Mikro-abrazivno i klizno habanje kod kotrljajnih kontakata su delom odgovorni za izmene na kontaktnim
površinama, za habanje kod kotrljajnih kontakata, i za formiranje čestičnih krhotina tokom uhodavanja
[144+. Plastična deformacija prouzrokovana abrazijom i mikropukotine prouzrokovane zamorom
materijala su slabi izvor vibracija.
Abrazivno habanje i površinska udubljenja prouzrokovani su česticama koje se nalaze u ulju tokom
perioda uhodavanja ležaja *145]. Abrazivno habanje od strane kontaminirajudih čestica tokom uhodavanja
obično dovodi do povedanja hrapavosti i proizvodi još vedu količinu čestica i zbog toga smanjuje
mogudnost za stabilan rad ležaja *140+. Lomljenje čestica, abrazija koju izazivaju čestice, i pogoršanje
kontaktne dinamike zbog povedanja hrapavost površina dovode do povedanja vibracija u kotrljajnom
kontaktu.
Tokom uhodavanja, naprezanja koja dovode do lokalnog trošenja u hrapavim oblastima, mogu dovesti
do pojave još vede hrapavosti. Mala dubina mikroudubljenja dovodi do malog zapreminskog gubitka
materijala, ali proizvode puno malih krhotina. Mikropiting povedava nivo vibracija u ležaju, preko
dinamike kontakta, zbog povedanja hrapavosti površina i povedanog sadržaja čestica u kontaktu.
U zavisnosti od uslova kotrljanja tokom uhodavanja početna glatkoda površina se može ili povedati ili
smanjiti.

5.2 Habanje i zamor materijala kod kotrljajnih ležajeva pod stabilnim uslovima rada

Vedi deo radnog veka ležaja bi trebao da traje tokom perioda njegovog stabilnog rada, nakon perioda
uhodavanja. Uhodane površine imaju najvedu glatkodu i vibracije su na svom najnižem nivou. Radni uslovi
tokom perioda stabilnog rada konačno de odrediti da li de ležaj doživeti samo habanje kotrljajnih
kontakata, ili de mehanizam habanja uznapredovati do zamora materijala (slika 6).
Kao i kod uhodavanja, mikro-klizanje kod kotrljajnog kontakta je odgovorno za deo abrazivnog
habanja i klizajudeg trošenja i odvajanja čestica materijala, kao i formiranje čestičnih krhotina tokom
perioda stabilnog rada [144].
Abrazivno habanje i površinska udubljenja mogu povedati hrapavost kotrljajnih površina i smanjiti
radni vek ležaja *121, 146-150]. Lomljenje čestica, abrazija koju izazivaju čestice i povedana dinamika
kontakta kao rezultat povedanja hrapavosti doprinose povedanju vibracija tokom perioda stabilnog rada.
Kada ležaj radi iznad graničnih uslova habanja, ležaj de doživeti zamor materijala, odnosno naglo
povedanje prskotina stvorenih od početnih mikropukotina. Dislokacija i formiranje pukotina kao i kasnije
relativno kretanje između naprslih površina dovode do povedanja vibracija.

5.3 Ubrzano habanje i povedanje pukotina kod kotrljajnog kontakta i otkaz rada kotrljajnog
ležaja

Choi i Liu [151] su podelili poslednju fazu procesa zamora materijala kod kotrljajnog kontakta na dva
perioda. Kod prvog perioda ne postoji značajan porast amplitude vibracija, kako se inicijacije pukotina i
njihovo širenje pojavljuju ispod površine. Drugi period pokazuje značajno povedanje amplitude vibracija,
zbog formiranja i napredovanja ljuštenja materijala sa površine.
Jednom iniciran i razvijen u lokalni otkaz usled pitinga, uslovi rada ležaja se pogoršavaju kroz formaciju
krhotina dobijenih habanjem, povedanje hrapavosti površina, povedanja dinamičkih opteredenja i dolazi
do faze progresivnog pitinga i razvoja otkaza. Proces ubrzanog pitinga je praden povedanjem nivoa
vibracija, povedanjem brzine stvaranja krhotina, i povedanjem veličine krhotina *152].


Povedanje hrapavosti povedava tangencijalne sile na kotrljajnim elementima u ležaju. Povedanje u
nivou vibracija, površinske hrapavosti, i tangencijalnih sila u ležaju mogu dovesti do sekundarnih
oštedenja kao što su pukotine kotrljajnih staza, koje obično potiču od vedih jama i udubljenja postepeno
dobijenih zbog zamora materijala, kao i lomove kaveza. U najgorem scenariju, lom kaveza dovodi do
blokade kretanja kotrljajnih elemenata.
Kotrljajni ležajevi koji rade u ulju kontaminiranom sa čvrstim česticama emituju šum i vibracije. Što
znači da se njihovo propadanje može akustički detektovati. Zapravo, analize vibracija se koriste kao alat za
pradenje i zakazivanje remonta kako bi se izbegli katastrofalni kvarovi. Tipični primeri vibracija koji se
javljaju kod ležajeva koji rade u kontaminiranom ulju i mazivu mogu se videti na slici 7, uzeto iz referenci
[133, 134].
Slični efekti zbog prisustva kontaminanata, kao što su povedano habanje i vibracije, pradeni su i kod
drugih mašinskih elemenata kao što su zupčanici *135]. Sari je u elaboratu [136] eksperimentisao sa
cilindričnim zupčanicima koji rade u kontaminiranom ulju sa veoma finim česticama prašine, simulirajudi
uslove koji postoje u pustinjama, kamenolomima i rudnicima. Ovi rezultati su pokazali povedano
abrazivno habanje i povedanje površinskih temperatura na bokovima zubaca, gde se javlja veliko klizanje
kao što je u blizini podnožja zubaca. Ovakvi efekti su posmatrani u različitim mašinskim elementima, i
pokazano je da je habanje vede ukoliko postoji klizanje.

Slika 7 (a) Vibracije kod ležajeva nakon 60 minuta rada sa: (a) novim uljem; (b)
ista kao (a) samo sa kontaminantnim česticama veličine 40 µm; (c)
amplituda akustičnih šumova sa kontaminiranom masdu koja sadrži 0,02
masenih procenata kvarcne prašine; (d) isto kao (c) osim sa 10 puta
vedom količinom prašine nego li u (c); (e) isto kao (c) osim sa 100 puta
više prašine u odnodsu na (c). Slučajevi (c) i (e) uzeti od Akagaki [133].
Slučajevi (c) do (e) uzeti od Miettnen i Andersson *134]



6 PONAŠANJE ČESTICA U KONCENTRISANIM KONTAKTIMA

Ponašanje kontaminirajudih čestica u
koncentrisanim kontaktima dosta zavisi od
njihove veličine i mehaničkih karakteristika,
uklučijudi njihovu tvrdodu i krtost. Takođe to
zavisi i od tvrdode dodirnih površina, njihovog
koeficijenta trenja, kinematskih uslova
kontakta (kotrljanje, klizanje, obrtanje ili
kombinacija ovih). Na primer, kod kontakta
kod koga dominira kotrljanje, izolirane čestice
se ponašaju kao na slici 8, prema
eksperimentalnom i teorijskom radu Dwyer-
Joyce [2], Sayles [64], Ville i Nelias-a [11]
između ostalih. Specifično, (a) elastične
čestice (slika 8 (a)) se deformišu i postaju
pljosnate njhova novodobijena debljina se
smanjuje dok se ne izjednače pritisne sile
deformanije i otpornosti materijala ( kod
kontakta koji se podmazuju, ta debljina je
obično ista kao i srednja vrednost debljine
uljnog filma neporemedenog kontakta, prema
eksperimentalnim rezultatima Wan-a i
Spikes-a [26+); (b) lomljive čestice male
tvrdode (slika 8 (b)) se rano lome još u zoni
zahvata i proizvode male fragmente, koji
mogu udubiti površine što zavisi od njihove
maksimalne veličine u odnosu na prosečnu
debljinu uljnog filma u tom kontaktu; (c) krte
čestice velike tvdode (slika 8 (c)) se mogu
slomiti kasnije u ulaznoj zoni i da proizvedu
velike fragmenta, koji mogu potom udubiti
kontaktne površine; i (d) male i tvrde (nekrte)
čestice se ponašaju kruto (slika 8 (d)),
Slika 8 Ponašanje čestica u kotrljajnim deformišudi elastično ili elastoplastično
kontaktima u zavisnosti od karakteristika kontaktne površine ukoliko su te čestice vede
materijala od kojih potiču (napravljeno iz od prosečne debljine uljnog filma u tom
referenci [2] i [64]) kontaktu.

6.1 Elastične čestice

Eksperimentalni rad na ponašanju elastičnih čestica u koncentrisanim kontaktima je fokusiran na
elastohidrodinamičke, kotrljajne i kotrljajno/klizne kontakte *2], [11], [12], [50+. Ponašanje elastičnih
čestica u dominirajude kotrljajnim kontaktima je predstavljeno na slici 9. Čestice malih modula elastičnosti
(meke) se izdužuju pod pritiskom, a rezultujude trenje sa kontaktom dovodi do povedanja kontaktnog
pritiska. To može dovesti do velikog, plitkog udubljenja čak i sa veoma mekim česticama, na primer sa
tvrdodom od samo 40 HV, u zavisnosti od konačne veličine zazora kod kontakta *64+. Drugačije, kontaktne
površine mogu primiti čestice elastično. Tvrde čestice, sa druge strane, obično de udubiti površine sa



kojima su u kontaktu (slika 9) sa ulegnudem koje se pojavljuje u oblasti gde je tvrdoda kontaktne površine
manja. Eksperimentalne dokaze spomenutih jamica dali su Ville i Nelias [11, 12+ čak i u kontaktu sa malim
kliznim kretanjem. U svakom slučaju, udubljenje prouzrokovano elastičnim česticama zavisi od odnosa
klizanje/kotrljanje u kontaktu, pri čemu se kod vedeg klizanja dobijaju i tanje čestice koje se deformišu.

Slika 9 Mehanizmi deformacija kontaktnih površina od
strane mekih elastičnih čestica (levo) i tvrdih
elastičnih čestica (desno) u kotrljajnim
kontaktima [2/2]

Detaljno analitičko modeliranje ponašanja elastičnih čestica u kotrljajnim kontaktima je dato u elaboratu
Hamer-a [9, 10] u drugoj polovini 1980-tih. Hamerov model je prosto i efikasno analizirao kompresiju
idealno plastičnog , kružnog diska (čestice) u elastičnom, asimetričnom, frikcionom kontaktu sa ravnim
površinama između kontaktnih delova i korišden je za predviđanje početka ulegnuda. Dobijena je
jednostavna jednačina, uz predpostavku nepokretnih kontaktnih površina, koja služi za procenu kritične
veličine čestice ili njene tvrdode, što bi dovelo do plastične deformacije kontaktnih površina delova *63]

( √ ) (1)

gde su i efektivni prečnik i debljina spljoštene čestice, je koeficijent trenja između čestice i
kontaktnih površina dela, je tvrdoda dela, je tvrdoda čestice. Jednačina (1) daje kritični odnos ⁄
čestice. Pored ovoga se mogu napraviti i mape bezbednih i nebezbednih područja rada – na primer, Sayles
u elaboratu [63+. Ova analiza je manje tačna za vede kritične odnose D/t. Sličnu jednačinu je dao i Ai *56],
ponovo uz predpostavku nepokretnih kontaktnih površina

( ) [ ( √ )] (2)



gde je donja granica prečnika čestice sa kojim se izbegava udubljenje a je debljina uljnog filma (slično
veličini u jednačini (1)). Poređenje rezultata jednačine (1) *63+ i jednačine (2) *56], i Harmera u elaboratu
[10+ izvršio je Underwood (slika 2.13 reference *153]), koji je otkrio da jednačina (1) precenjuje a
jednačina (2) potcenjuje kritično gledište odnosa u poređenju sa Hamerovim elastičnim modelom u
elaboratu [10+, očigledno zato što su prve dve bazirane na nepokretnim kontaktnim površinama.
Hamer-ov model je kasnije proširen kako bi pokrio plastične deformacije kontaktnih površina
kotrljajnih kontakta [154] uz primenu Johnson-ovog kavitacionog modela (videti sekciju 6.3 reference
[155+) kao i preko FEA analize. I ovaj prošireni model je ponovo korišden za konstruisanje mapa
bezbedne/nebezbedne zone rada sobzirom na zadatu maksimalnu tvrdodu čestica radi izbegavanja
oštedenja u odnosu na relativnu veličinu čestica (prečnik neformirane čestice podeljen sa debljinom
uljnog filma (slika 10)) [154].
Numeričko modeliranje ponašanja mekih čestica je znatno poboljšano korišdenjem FEA analize. Ovo je
učinjeno početkom 1990-tih od strane Hamer-a i Hutchinson-a [154] i Dwyer-Joyce-a [2]. Nekoliko godina
ranije, Ko i Ioannides [13+ su ved izvršili FEA analizu asimetričnog kontakta sfere (čestice) na ravnoj
površini a takođe i problem linijskog kontakta cilindra na ravnoj površini. Ipak, oni su koristili kontaktni
pritisak izračunat preko Hamer-ovog modela za zadato opteredenje umesto da preko FEA analize reše
distribuciju pritiska. Ipak njihovi izračunati profili udubljenja su se dobro podudarili sa izmerenim tokom
eksperimenta.

Slika 10 Tipična mapa bezbedne/nebezbedne zone rada za
elastične meke čestice u kontaktu sa
kotrljanjem/klizanjem [3], [36]

U drugoj polovini 1990-tih, Nikas [3+ je proširio teorijsko istraživanje Hamer-a, Dwyer-Joyce-a, Saayles-a, sa
novim analizama elastoplastičnih udubljenja sa sferičnim elastičnim česticama, u linijskim
elastohidrodinamičkim kontaktima kod kojih se javlja kotrljanje/klizanje. Uključeno je nekoliko novih
elemenata kao što su sile u fluidu koje deluju na čestice kao i prelazno frikciono zagrevanje kada se čestica
plastično deformiše između elastičnih površina koristedi teoriju termoelastičnosti i pomerajudi izvore toplote
[29, 35, 36]. Nikas-ov teorijski pristup analiza u vezi frikcionog zagrevanja elastičnih čestica u koncentrisanim
kontaktima potvrdio je teorijske rezultate Khonsari-a i Wang-a [33+, koji je izračunao temperaturne flaševe od
nekoliko stotina stepeni Celzijusa sa prostim modelom neelastičnih, abrazivnih čestica.



Prema teorijskim rezultatima
Nikas-a u elaboratu [3, 29, 35, 37],
kada sferična elastična čestica uđe
u elastohidrodinamički kontakt,
momentalno se lepi za površinu u
kontaktu koji ima vedi koeficijent
trenja. Statičke i dinamičke sile u
fluidu su dominantne od momenta
kada čestica uđe u zazor između
kontakta. Ipak, one brzo bivaju
savladane od strane normalnih i
frikcionih sila koje deluju na česticu
od strane kontaktnih površina
elemenata i čestica biva spljoštena.
Kako se čestica vuče prema
kontaktu, ona se praktično
kompresuje i izdužuje.
Deformisanje čestice dovodi do
frikcionog zagrevanja između
čestice i površina koncentrisanog
kontakta kao i unutar čestice. Ovo
lokalizovano zagrevanje se prenosi
na površine kontaktnih elemenata
kondukcijom i konvekcijom preko
okolnog fluida. Zatim se
maksimizira kako čestica ulazi u
Hercovu zonu kontakta, što je
takođe pradeno maksimizacijom
kontaktnog pritiska na česticu *3, Slika 11 Distrubucije temperaturnih fleševa na dodirnim
29, 35, 37]. Ova analiza pokazuje površinama, kontakta sa kotrljanjem/klizanjem,
da se toplota koja se prenosi na elastohidrodinamičkim kontaktom, 0,52
kontaktne površine rasipa u dubinu nakon hvatanja sferne meke elastične čestice
koja je jednaka radijusu izvučenog od 20 , tvrdode 100 HV. Čestica je osam puta
(finalnog) diska čestice i da je mekša od kontaktnih površina delova. Brzina
toplota koja se prenosi na fluid klizanja : 1 ; odnos klizanje/kotrljanje=1;
zanemarljiva, kao i toplota koja je debljina filma 0,7 . Čestica se lepi za
generisana unutar čestice od kontaktnu površinu 1, koja ima vedi koeficijent
strane plastičnog smicanja. U trenja, i klizi do površine 2. *3], [37]
tipičnom kontaktu sa klizanjem i
kotrljanjem koji se javlja među mašinskim elementima kao što su ležajevi i zupčanici, čestici je potreban
deo milisekunde do nekoliko milisekundi da prođe kroz kontakt. Prema tome, frikciono zagrevanje dovodi
naglih temperaturnih fleševa i kratkotrajnih termičkih napona. U matematički kompleksnom modelu koji
uključuje trodimenzionalan termoelastični, tranzitni prenos toplote, temperaturno zavisne mehaničke i
termičke osobine, i termička anizotropija, Nikas je u elaboratu [3, 37+ izračunao da temperaturni fleševi
od elastičnih čestica premašuju 1000°C dobijeni za vreme jedne polovine milisekunde (slika 11). Kao
rezultat toga dobijaju se vrela mesta, naročito na površinama na kojima se lepe čestice (grafik na slici 11),
što može dovesti do, po Nikas-ovom terminu ‘lokalnog struganja’ *35+. Takva vrela mesta, koja su pradena
sa plastičnim deformacijama, mogu izgledati kao glatka i sjajna (belo obojena) udubljenja, koja su tako
nastala zbog naglog zagrevanja do visokih temperatura što je pradeno naglim hlađenjem u kontaktu sa
uljem. Eksperimentalni dokazi ove pojave mogu se nadi u odeljku 12.4 (slučaj 4) Talliana *159], Ville-a i
Nelias-a [11, 12], i Ville-a u elaboratu [160] na izgledu udubljenja dobijenih od krhotina; eksperimentalni
rezultati Zantopulos-a [161+ o habanju koničnih valjčanih ležajeva imaju takođe sličnosti sa ovim.



Termička naprezanja dobijena kao rezultat frikcionog zagrevanja mogu oštetiti kontaktne površine i
mogu potpuno dominirati među ostalim mehaničkim naponima *3, 36, 37], u zavisnosti od radnih uslova.
Generalno, dominantnost termičkih napona nad mehaničkim naponima pokazana je u nekoliko studija, na
primer kao u referencama [162] i [163+. Kao što je predpostavljeno od strane Nikas-a u elaboratu [3, 37],
visoko frikciono zagrevanje od strane čestičnih krhotina može dovesti do strukturnih promena kao što je
transformacija martenzita u austenit na 700-800°C. Ovo u kombinaciji sa brzim hlađenjem u kontaktima
koji se podmazuju dovešde do zaostalih napona i mogudnosti da se na površini pojave termo-pukotine.
Površinske pukotine, kada se izlože tipičnom visokom pritisku elastohidrodinamičkih kontakta, mogu
naglo da napreduju. Zapravo, u analitičkoj analizi termo-mehaničkih efekata u kontaktima sa visokim
brzinama klizanja, Marscher [164+ je spekulisao da veliki pritisni termički naponi mogu objasniti pojavu
površinskih pukotina sa talozima, koje mogu dovesti do ubrzanog habanja i trošenja. Osim toga, termički
naponi od frikcionog zagrevanja dovode područje sa maksimalnim naponima bliže površini *165, 166+, što
dovodi do inicijacije termo-pukotina kao što su one koje su posmatrane na ostruganim površinama.

Nedavno je sproveden pokušaj eksperimentalne verifikacije rezultata koje je dobio Nikas u elaboratu
[3, 29, 35-37] od strane Underwood-a [153] i Ruddyhoff-a u elaboratu [167] u kolaboraciji sa Nikas-om.
Ispostavilo se da je zadatak veoma zahtevan, i pored napora i sredstava koji su uloženi. Razvijena je
aparatura za testiranje koja se sastojala od modifikovanog prstena u kome je ostvarivano
elastohidrodinamičko trenje, postavljenog na skupoj infracrvenoj kameri kako bi se pratilo zagrevanje
čestica. Nažalost, nisu mogli da se postignu potrebni uslovi tokom testiranja (čestice su bile isuviše tvrde,
brzine čestica tokom zahvata su bile previše male, razmak frejmova na kameri je bio previše dugačak (6
ms)). Ipak, zbog tehničkih razloga objašnjenih u referenci *153] (poglavlje 9) i [167] izmerene temperature
su bile osetno niže od onih predviđenih. I pored toga, dalja poboljšanja u tehničkoj opremi i uzorcima
čestica se priželjkuju kako bi se izvršila korektna komparacija između teorije i eksperimenata.

6.2 Tvrde čestice

Čestice čija je tvrdoda oko ili iznad tvrdode površina delova koji su u kontaktu se smatraju tvrdim. Takve
čestice su obično odgovorne za abrazivno habanje na površinama, koje se javlja tako što se čestice
urezuju, klizaju i izrezaju brazde u materijalu. Generalno, razlikuju se dva tipa abrazivnog habanja [168]:
habanje izbeđu dva i između tri tela. Kod abrazije između dva tela, čestice se utiskuju u mekšu površinu i
grebu tvrđu površinu u kontaktu. Čestice koje se kotrljaju ili se tumbaju u klizajudim kontaktima i izazivaju
seriju udubljenja su odgovorne za abraziju između tri tela.

Utvrđeno je u nekoliko eksperimentalnih studija [2, 8, 21, 22, 65] da u kontaktima sa jednom dodirnom
površinom koja je mekša od druge, tvrde čestice se uglavnom utiskuju u mekšu površinu; osim toga ako
postoji bilo kakvo klizanje između kontaktnih površina, utisnute čestice de ogrebati tvrđu površinu.
Ovakva posmatranja pomažu u predviđanju tipa habanja i utvrđivanju koja komponenta de biti pod vedim
rizikom da dođe do otkaza. Primer ovakvog habanja je abrazivno habanje železničkih šina: prema
dokazima koje je izneo Grieve [24+, čestice koje se utiskuju u mekše točkove i grebu tvrđu železničku šinu
su odgovorne za habanje šina koje je 2,5 puta brže nego li habanje točkova.
Ponašanje tvrdih (nekrtih) čestica u elastohidrodinamičkim kontaktima je generalno različito nego li
ponašanje elastičnih, zato što se tvrde čestice više opiru deformaciji. Pokazano je *2, 8+ da tvrde čestice
teže da se otkotrljaju u centralnu ravnu zonu elastohidrodinamičkog kontakta pravedi udubljenja a da se
zatim otkotrljaju do ivice kontakta pravedi brazde i ogrebotine (slika 12(b)). Oštedenje površine
prouzrokovano u ovom slučaju zavisi od odnosa prosečne veličine čestica i prosečne debljine uljnog filma;
prema Williams-u i Hyncica [21, 169], to kotrljanje se događa kada je pomenuti odnos manji od 2 (veličina
čestica mora biti manja od dvostruke debljine uljnog filma). Šta više, intenzitet kotrljanja i brazdanja kod
abrazije sa tri tela u kontaktu zavisi i od oblika čestica *170+, sa uticajnim parametrima kao što su odnos
stranica, oštrina, i ispupčenost *171+. Prirodno, oštrije čestice imaju vedu verovatnodu da zaseču površinu
delujudi kao rezni alat.



Mehanička akcija tvrdih čestica u
koncentrisanim kontaktima je jasna
za vizuelizaciju i shvatanje, ali
termički efekti prouzrokovani
njihovim frikcionim zagrevanjem,
slični onima opisanim u
predhodnom odeljku, nebi trebali
da budu zanemareni. Ovo je
podržano eksperimentalnim
dokazima [32, 34, 156-158] i
teorijskim izračunavanjima *1, 3, 29,
33-37+. Prema izračunavanjima
(referenca [37]), temperaturni
fleševi reda veličine nekoliko stotina
stepeni Celzijusa mogu se očekivati
u mnogim slučajevima veoma
opteredenih, kliznih kontakata kod
kojih se kotrljaju tvrde i čvrste
čestice.

Međutim, akcija tvrdih čestica nije
uvek škodljiva. Primer za to je
tipična pasta za zube, koja sadrži
abrazivne čestice kako bi se ostvario
bolji efekat čišdenja *172].
Literatura je puna studija o
abrazivnom habanju, jer ova tema
ima ozbiljne implikacije na
proučavanje pouzdanosti mašina.

Slika 12: Šema abrazivnog habanja u podmazanim kontaktima
prouzrokovana česticama krhotina. (a) Dužine
ogrebotina kod valjaka ležaja i spoljnjeg prstena *25].
(b) Vizuelizadija šeme abrazivnog habanja koje je
prouzrokovano od krhotina [2], [8+ uz pomod testova
kugle-na-disku koristedi abrazivni dijamantski prah
0,5-100 µm.

6.3 Krte čestice

Krte čestice male čvrstode kao što su kvarc, staklo, i čestice prašine se uglavnom raspadaju u početnoj
zoni zahvata koncentrisanog kontakta (slika 8 (b)) pre nego što kontaktne površine stupe u zahvat. Mali
fragmenti koji nastanu ulaze u kontakt, prouzrokujudi udubljenja, abraziju, a dešava se i da ne prouzrokuju
nikakvu štetu što zavisi od veličine *2, 173+. Ako dođe do nastanka štete, onda je ono obično u obliku
plitkih udubljenja sa stepenastim kosinama, koje su rezultat malih i oštrih fragmenata. Zbog plitkode i
male veličine takvih udubljenja, njihovi zaostali naponi bide lokalizovani blizu površine. Ipak, stepenaste
kosine mogu biti inicijalni početak prskotina zato što primaju koncentraciju napona prilikom kotrljanja.



Krte čestice velike čvrstode kao što su bor-karbid, aluminijumovi oksidi ili čestice silicijum-karbida razbijaju
se kasnije u zoni zahvata (slika 8(c)), proizvodedi vede fragmente koji mogu dovesti do vedih udubljenja ili
žlebova, u zavisnosti od minimalnog zazora u kontaktu i brzine površina delova u kontaktu *2, 173]. Krte
čestice velike čvrstode mogu plastično deformisati kontaktne površine pre nego što se raspadnu. Jednom
kada se desi inicijalna prskotina, fragmenti de udi u kontakt gde mogu da prouzrokuju još vede oštedenje
što zavisi i od njihove veličine, čvrstode lomljenja, i tvrdode kontaktnih površina.

Nažalost, velike količine krtih čestica, uglavnom keramičkih i silikatnih, pronađene su u uzorcima maziva iz
različitih mehaničkih sistema *63+. U praksi, skoro sve keramičke krhotine izazvade štetu otvrtnutom čeliku
[64+. Osim tvrdode čestica koje proizvode inicijalnu prskotinu na površini, dalja šteta zavisi od veličine
čestice.



7 ZAMOR MATERIJALA KOD POVRŠINA OŠTE]ENIH USLED DELOVANJA KRHOTINA

Površinska udubljenja i ogrebotine prouzrokovani usled delovanja čestičnih krhotina predstavljaju zone
plastične deformacije. Zbog toga su površinske ogrebotine okružene poljima sa zaostalim naponima sa
područjima koncentracije napona na ivicama tih udubljenja. Osim toga ogrebotine i udubljenja
predstavljaju geometrijske defekte, što znači da je njihova površina koja je pre toga bila glatka sada
poremedena. Kao rezultat toga, naponski maksimumi su daleko iznad normalnih maksimalnih napona koji
se javljaju na tim površinama. Ovo je pokazano u mnogim eksperimentalnim istraživanjima, kao na primer
Sayles i Loannides [62] 1980. godine.

Slika 13 pokazuje kontaktni pritisak i podpovršinski raspored smicajnih napona kada valjak prođe preko
udubljenja dubine 50 µm na suvom kontaktu. Maksimumi pritiska koji se javljaju na ramenima udubljenja
vidljivi su na gornjem grafiku, sa maksimalnom vrednošdu koja prelazi maksimalni Hercov pritisak na
glatkom kontaktu za otprilike 150%. Donji grafik na slici 13 pokazuje konture normalizovanog smicajnog
napona ispod kontaktne površine. Upoređujudi područje gde je kontaktni pritisak blizak kao
onom na glatkom kontaktu sa područjem gde je pritisak veoma drugačiji zbog postojanja
udubljenja, koncentracija smicajnog napona blizu površine i blizu ramena udubljenja je očigledna.
Posmatrana koncentracija smicajnog napona je u najčešdem broju slučajeva odgovorna za pojavu
inicijalnih površinskih pukotina i njihovo kasnije širenje nakon određenog broja ciklusa promene
naprezanja.

Slika 13 Teorijski pritisak kod suvog kontaktan (gornji grafik) i
odgovarajudi normalizovani napon smicanja u podpovršini
(konturne linije, donji grafik) kada valjak pređe preko
udubljenja od 50 µm u prečniku *62]



Lokacija maksimalnog smicajnog napona tokom kotrljanja iznad udubljenja zavisi od intenziteta i smera
trakcije (frikcije). Ville i Nelias [53+ eksperimentalno su otkrili da je kod klizajudih kontakta, maksimalni
smicajni napon je lociran ispred udubljenja gledano u odnosu na smer klizanja ukoliko je udubljenje na
sporijoj površini, a obrnuto ukoliko je udubljenje na bržoj površini. Slični rezultati su kasnije prezentovani
od strane Ville-a [160].

Efekat udubljenja na koncentraciju napona je velik ne samo kod suvih ili graničnih kontakata nego takođe
i kod elastohidrodinamičkih kontakata, uprkos prigušnom efektu od strane uljnog filma. Ova pojava je
analizirana u nekoliko numeričkih analiza i dobijeni su slični rezultati. Kod analize koju je sproveo Xu *58],
na primer, konačni elementi su korišdeni za analizu udubljivanja površine od strane sfere, rezultujude
topološke promene su zatim unete u numerički solver sa tranzitnom, termičkom, elastohidrodinamičkom
tačkastom kontaktu sa kotrljanjem/klizanjem, kome su dati kontaktni pritisak, debljina filma kako bi se
izračunali naponi tokom prelaska preko udubljenja. Rezultati su pokazali nagle skokove pritiska na
mestima gde se uljni film stanjuje odnosno na ivicama udubljenja. Veliki naponi ispod površinskog sloja su
uzrokovani zbog skokova pritiska, i maksimalni efektivni (Mises-ov) napon je približen površini, što je
očigledno povedalo rizik od ljuspanja i raspadanja i smanjenja očekivanog radnog veka pogođene
komponente. Osim toga, maksimalna temperatura izračunata u prisustvu udubljenja je bila nekoliko puta
veda od one izračunate na glatkoj površini.

Eksperimentalni dokazi ovakvih rezultata dati su od strane Nelias-a i Ville-a [55+. Interesantno, pronašli su
da se koncentracija pritiska u udubljenim, podmazanim površinama javlja na prvoj ivici udubljenja kod
gonjenih površina, a na zadnjoj ivici kod pogonskih površina. Uzimajudi obično veliki elastohidrodinamički
pritisak, naročito na krajevima udubljenja. Pod veoma visokim pritiscima, uljni filmovi su poznati po tome
da imaju veoma visoku viskoznost, ponašajudi se kao da su skoro u staklastom stanju, odnosno veoma
kruto. Zato u ovom slučaju uljni film ne može biti najbolji prigušivač.

Jednom kada se površinska
pukotina pojavi blizu udubljenja
kod podmazanog kontakta na
metalnoj površini, ona de se ili još
više otvoriti, ili de biti naterana da
se zatvori, što zavisi od smera
trakcije u kontaktu. Ako je trakcija
u istom smeru kao i kretanje
površine, pukotina se zatvara pre
nego se drugi deo u kontaktnom
paru prekotrlja preko nje. Ako je
trakcija u suprotnom smeru,
pukotina se još više otvara. U
ovom drugom slučaju ulje može
udi u pukotinu i dovesti do
Slika 14 Mehanizam otvaranja ili zatvaranja pukotine kapilarne akcije i prenošenja
kod kontakta sa kotrljanjem/klizanjem, u elastohidrodinamičkog pritiska
zavisnosti od površinske trakcije. Kada je trakcija unutar pukotine što još više
u istom smeru kao i smer kretanja kontakta dovodi do njenog širenja [174] do
(pogonska površina), pukotine se zatvaraju, u [178].
suprotnom (gonjena površina) pukotine se
otvaraju [176]



8 ABRAZIVNO HABANJE KOTRLJAJNIH LE@AJEVA OD STRANE KONTAMINIRAJU]IH ČESTICA
PRISUTNIH U ULJU ZA PODMAZIVANJE (EKSPERIMENTALNO ISPITIVANJE)

Modeliranje procesa abrazivnog habanja od strane tvrdih čestica je veoma kompleksno. Mora se uzeti u
obzir zarobljavanje čestica u kontaktu i kako one individualno i kolektivno uklanjaju materijal. Williams i
Hyncica [184+ razvili su geometrijski model čestice uhvadene između dve površine i pokazali kako se može
dobiti ravnotežna orijentacija čestice. Dwyer-Joyce [179+ je koristio sličan pristup za predviđanje čestične
abrazije kod kugličnih ležajeva koristedi seriju empirijskih faktora kako bi modelirao zarobljavanje čestica i
formiranje ogrebotina.

Ovaj rad uzima u obzir dva aspekta ovog problema. Prvo, izvršena je eksperimentalna studija korišdenjem
testiranja ležajeva pri dugotrajnom i kratkotrajnom radu. Testovi pri dugotrajnom radu su korišdeni za
dobijanje podataka o habanju; dok su testovi pri kratkotrajnom radu korišdeni za proučavanje mehanizma
hvatanja čestica, njihovo kretanje, i kako proizvode abrazivne ogrebotine. Drugo, model habajudih
procesa je razvijen na osnovama ove observacije.

8.1 EKSPERIMENTALNI PRISTUP

8.1.1 Uzorci za testiranje

Dva konična valjčana ležaja (SKF 29412 E) korišdeni su za proučavanje abrazivnog habanja (slika 15).
Kretanje kod ovog ležaja se velikim delom sastoji od klizanja, pa je veoma podložan na oštedenja i habanje
od strane čestica. Prvi ležaj je testiran pri dugotrajnom radu kako bi se dobila merljiva distribucija habanja
preko cele kontaktne površine. Drugi ležaj je testiran pri kratkotrajnom radu. Ovaj test je izveden radi
proučavanja mehanizma zarobljavanja čestica, prirode ponašanja zarobljenih čestica, i formacije
abrazivnih ogrebotina.

Slika 15 Valjčani kotrljajni ležajevi korišdeni u ispitivanju

Da bi se dobilo abrazivno habanje ulju za podmazivanje dodata je prašina od sintatičkih dijamanata. Ulje
je upumpavano prinudnom cirkulacijom u ležajeve. Veličina dijamantskih čestica bila je 6-8 µm sa
kockastim oblikom. Ovakve čestice su odabrane kao kontaminant iz dva razloga: prvo, zato što su



dostupne u fino granulisanim veličinama, opsegu i obliku i drugo, zato što se nedeformišu prilikom
prolaska kroz kontakt.

8.1.2 Procedura testiranja

Oba ležaja su testirana u režimu graničnog podmazivanja; aksijalno opteredenje je bilo 70 kN a rotaciona
brzina 5,4 min-1. Pre testiranja, ležajevi su očišdeni u ultrazvučnom kupatilu. Kao dodatak, ulje u
cirkulacionom sistemu je filtrirano filterom kapaciteta . Posle filtracije, filter je uklonjen i dodato
je 4 mg dijamantskih čestica po litru. Sistem je imao 6 litara ulja koje cirkuliše brzinom od 4 l/min.
Temperatura ulja je držana na 40°C. Crtež aparature za testiranje se može nadi u referenci *185].

Površine prstenova kod nekorišdenih ležajeva su relativno hrapave; nebi bilo mogude razlikovati abrazivne
ogrebotine od tragova dobijenih tokom mašinske obrade ležajeva. Zbog ovog razloga, testirani ležajevi su
prvo podvrgnuti kratkom periodu uhodavanja od 150h sa finom prašinom od 0-5 µm u količini od 4 µg/l
[187+. Ovo je omogudilo izglađivanje površina prstenova *186]. Ulje je zatim kontinualno filtrirano ostalih
50 sati rada. Procedura je prekidana radi merenja površinskih mikroneravnina i njihovih profila. Konačno,
ležaj je montiran na ispitni sto radi dodatnih 25 sati rada sa kontinualnom filtriranjem pre konkretnog
testa.

Testiranje pri dugotrajnom radu ležaja izvršeno je u 8 ciklusa koji su trajali po 23,5 sati. Testiranje pri
kratkotrajnom radu izvršeno je u jednom ciklusu koji je trajao 8 sati.

8.1.3 Metrologija uzorka

Pre i posle testa, izmeren je oblik dodirnih površina oba ležaja na istoj poziciji, kako bi mogla da se
izračuna dubina habanja. Skenirajudi elektronski mikroskop (SEM) je korišden nakon testa radi ispitivanja
kontaktnih površina na ležaju koji je podvrgnut kratkotrajnom radu. Ispitivanje je korišdeno za brojanje i
merenje dužina ogrebotina. Za merenje oblika individualnih ogrebotina korišden je AFM – Atomic Force
Microscope. Sva merenja i izračunavanja su izvršena u skladu sa slikom 16.

Slika 16 Koordinatni sistem i orijentacija
korišdena za merenje i računanje. Radi
izračunavanja, valjak i spoljnji prsten
su podeljeni na preseka upravno na
-osu



8.2 KINEMATIKA KOTRLJAJNIH LE@AJA

U slučaju kontakta valjak-spoljni prsten, izračunati su i klizanje i odvajanje materijala sa površina.
Olofsson-ova metoda [188+ korišdena je za izračunavanje raspodele normalnog opteredenja, analizu
tangencijalnog kontakta i tangencijalno pomeranje. Izračunata je minimalna debljina uljnog filma po
metodi Dowson i Higginson [189].

U oba kontakta valjak-spoljnji prsten i valjak-unutrašnji prsten, dolazi do klizanja. U kontaktu, postoje dve
tačke sa čistim kotrljanjem kao što je prikazano na slici 15. Ove tačke su locirane na kotrljajnom konusu
kotrljajnog valjka. Sa obe strane kotrljajnih tačaka, dodi de do klizanja u jednom pravcu dok de između
njih, dodi do klizanja u suprotnom pravcu.

Šematski prikaz hvatanja čestice kod kontakta između prstena i valjka prikazan je na slici 17. Čestica
veličine prvo biva uhvadena od strane kotrljajnih elemenata na polovini kontakta označenog sa .
Može se takođe videti na toj slici da zona hvatanja zavisi i od deformacija površina. Ako je čestica uvučena
u kontakt, doživede relativno klizanje i između prstena i valjka. Čestica de zbog toga klizati ili uz jednu ili uz
drugu površinu, respektivno. Veličina te klizajude distance zaviside od lateralne pozicije u kojoj je čestica
uhvadena.

Slika 17 Šematski diagram čestice koja je uhvadena u kontakt između
prstena i valjka, planski pogled (levo) i presek (desno)

Dužina klizanja na kontaktnoj površini izračunata je kao | |, gde je polovina širine kontakta i je
klizanje. Dužina klizanja uhvadene čestice, , izračunata je preko | |. Slika 18 pokazuje
izračunatu dužinu klizanja za kontakt spoljnji prsten-valjak kod SKF 29412 E ležaja. Dužina klizanja zavisi i
od toga na kojoj površini se lepi čestica. Ako se čestica zalepi na bržoj površini, provešde krade vreme u
kontaktu i zbog toga napraviti manju ogrebotinu na kontrapovršini. Maksimalna razlika u dužini klizanja
između valjka i spoljnjeg prstena je 7%, na unutrašnjim i spoljnjim ivicama zone hvatanja. Za poziciju
između njih, razlika je značajno manja. Zbog toga, prilikom izračunavanja u ovom istraživanju, iz razloga
što nije uvek jasno za koju površinu se lepi čestica, korišdena je samo dužina klizanja na spoljnjem prstenu.

Slika 18 Dužina klizanja i za zonu hvatanja i za zonu kontakta na
spoljnjem prstenu. Prilikom računanja zone hvatanja,
predpostavljeno je da je veličina čestica 7 µm u prečniku



Broj pojava kontakata po obrtaju vratila, , za svaki kotrljajni element određen je iz broja valjaka
( ), i radijusa na tačkama čistog kotrljanja( , , ; za unutrašnji prsten, valjak, i spoljašnji
prsten, respektivno) (slika 19). Ovi radijusi su dobijeni merenjem i dati u tabeli 3, zajedno sa rezultatima
ovih izračunavanja.

Tabela 3 Podaci i rezultati broja kontaktnih događaja
Komponenta Unutrašnji prsten Valjak Spoljnji prsten
Radius [mm] =37,6 =8,3 =48,2
Broj kontaktnih 8,4 5,1 6,6
događaja, [-]

Slika 19 Geometrija za izračunavanje
broja kontakta po obrtaju

Za unutrašnji prsten, valjak, i spoljnji prsten, respektivno, broj kontaktnih događaja je dat izrazima

( ) (3)

( ) (4)

( ) (5)

8.3 EKSPERIMENTALNI REZULTATI

8.3.1 Distribucija habanja

Uklanjanje materijala kod ležaja koji je podvrgnut dugotrajnom radu prikazano na slici 20. Na mestima
čistog kotrljanja, dubina habanja je mala, dok je kod područja sa maksimalnim klizanjem, habanje najvede.
Slične distribucije se vide kod sva tri elementa.



Slika 20 Dubina habanja na unutrašnjem prstenu, valjku, i
spoljnjem prstenu kod dugotrajnog testa

Profil habanja na valjku je neobičan. Iznenađujude je to što je habanje valjka na spoljnjoj strani kontakta
približno pet puta vede nego na unutrašnjoj (dok su očekivane dužine klizanja kod ta dva iste). Takođe
postoji znatno manje habanje spoljnjeg prstena na spoljnjoj strani kontakta. Ovo sugeriše da se vedi deo
abrazije odigrao na valjku. Kako grafici dužina ogrebotina opisanih kasnije (slika 25) pokazuju slične dužine
i na valjku i na spoljnjem prstenu, ovo onda verovatno zavisi od broja čestica koje ulaze u kontakt, koliko
materijala čestica odstranjuje, ili da li se čestica može utisnuti u suprotnu površinu.

Može se videti da spoljnja strana profila habanja spoljnjeg prstena u boljoj korelaciji sa kontaktnom
zonom nego li sa zonom hvatanja. Osim toga takođe se vidi da spoljnja strana profila habanja za
unutrašnji prsten u boljoj korelaciji sa profilom habanja valjka. Ovo indicira da čestice imaju tendenciju da
se utisnu na površinu spoljnjeg prstena i da zatim ogrebu valjak. U referenci *189], izneto je da se utisnute
čestice javljaju veoma proređeno na unutrašnjem prstenu a da se uopšte ne javljaju na valjcima. Utisnute
čestice na spoljnjem prstenu su mnogo češde, pogotovu na spoljnjoj strani izvan spoljnje tačke čistog
kotrljanja.

Slika 21 pokazuje dubinu habanja profila kod ležaja podvrgnutog kratkotrajnom radu. Svrha ovog testa je
brojanje i karakterizacija abrazionih ogrebotina. Prema tome je osmišljen da bude test kod koga površine
nisu okrnjene daljim habanjem. Slika pokazuje da je habanje minimalno na valjku i spoljnjem prstenu.
Habanje je relativno veliko na unutrašnjem prstenu. Zbog toga je za ovaj element nemogude koristiti
metod brojanja ogrebotina da bi se odredila količina čestica koje su učestvovale u habanju (zato što je
veliki broj ogrebotina ishaban nakon njihovog nastajanja).



Slika 21 Dubina habanja na unutrašnjem prstenu, valjku, i
spoljašnjem prstenu kod kratkotrajnog testa

8.3.2 Morfologija ogrebotina

Slika 22 pokazuje SEM slike izgrebane površine na tri lokacije na površini valjka kod ležaja podvrgnutog
dugotrajnom radu. Regije reaguju na različite nivoe klizanja unutar kontakta ležaja. U svakoj regiji, dužina
ogrebotina su skoro konstantne. Ovo je očekivano, pošto je odstupanje veličina čestica dijamanata uska.
Dužina ogrebotina uglavnom zavisi od pozicije na kojoj se čestica kliza u kontaktu (kao što je prikazano na
slici 18). Ipak na slici 23(c), vide se neke veoma dugačke ogrebotine. One su mnogo duže od izračunate
dužine klizanja. Ove ogrebotine mogu poticati od dijamantskih čestica koje su zarobljene između valjka i
kaveza ili od ponovljenih kontakata sa trajno utisnutim česticama na nekom od prstenova pod
predpostavkom da je valjak fiksiran u lateralnoj poziciji.

Slika 22 Slike dobijene SEM mikroskopom. Ogrebotine nastale usled abrazionog
habanja na površini valjka kod ležaja podvrgnutog dugotrajnom radu na tri
lateralne pozicije: (a) , (b) , (c)

Nekoliko ogrebotina na valjku i spoljnjem prstenu kod ležaja podvrgnutog kratkotrajnom radu izmereno je
sa AFM mikroskopom. Izabrane su one ogrebotine koje su izgledale najvede na toj lateralnoj lokaciji. Zbog
toga, one bi trebalo da budu napravljene od strane vedih diamantskih čestica, i takođe da ne budu
istrošene od naknadnog habanja nakon što su napravljene. Slike 23 i 24 pokazuju AFM slike za tri lokacije
na valjku i na spoljnjem prstenu respektivno.

Poprečni preseci svih ogrebotina su otprilike V oblika. Ogrebotine su dublje bliže kraju svog putovanja.
širina ogrebotina je otprilike polovine veličine dijamantskih čestica. U svim slučajevima žlebovi su plitki
(manje od 1 µm u dubini) što je iznenađujude sobzirom da su napravljeni od čestica veličine 6-8 µm.
Odnos između izmerenog poprečnog preseka i veličine čestica je dalje analiziran u odeljku 8.4.3. Veličina
ramena materijala sa obe strane ogrebotine je mala, najviše je 20% dubine žleba.


Slika 23 Slike dobijene AFM mikroskopom i profili (poprečni preseci) ogrebotina
dobijenih abrazivnim habanjem na tri različite pozicije valjka kod ležaja
podvrgnutog kratkotrajnom radu. Razmak između horizontalnih linija je 100
nm kod sve tri slike

Slika 24 Slike dobijene AFM mikroskopom i profili (poprečni preseci) ogrebotina
dobijenih abrazivnim habanjem na tri različite pozicije spoljnjeg prstena kod
ležaja podvrgnutog kratkotrajnom radu. Razmak između horizontalnih linija
je 50 nm za slike sa pozicijom profila na 66 i 68 mm. Za sliku sa pozicijom
profila na 74 mm razdaljina je 200 nm.



8.3.3 Transverzalna distribucija dužina ogrebotina

Na slici 25 je prikazan grafik dužina ogrebotina snimljen u oblasti transverzalnih pozicija valjka i prstenova.
Ovi rezultati su dobijeni korišdenjem slika dobijenih SEM mikroskopom. Merene su one ogrebotine koje su
izgledale neporemedene od naknadnog grebanja i habanja. Tipično, ovo je značilo snimanje dužih
ogrebotina sa naglašenim i čistim poprečnim presekom. Ogrebotine su takođe izabrane tako da budu
okružene ogrebotinama sličnih dužina, kako bi se izbegla greška selektovanja i merenja ogrebotina koje su
nastale usled dejstva ekstremnih čestica. U svim slučajevima, dužina ogrebotine je povezana sa količinom
klizanja na toj lokaciji. Kod linija čistog kotrljanja, ogrebotine su najkrade, krade čak i od veličine jedne
čestice. Ogrebotine se kod spoljnjeg prstena javljaju izvan zone kontakta i izvan zone hvatanja čestice.
Ovo se može objasniti dejstvom čestica vedih od 7 µm korišdenih za izračunavanje ulaza u kontaktu valjak-
spoljnji prsten. Ili alternativno, kontakt i izračunavanje klizanja odstupaju od realnog kontakta valjak-
prsten.
Ogrebotine se javljaju na sva tri elementa ležaja. Zbog toga, nije samo slučaj da se čestice lepe na jednu
površinu i grebu drugu (u situacijama habanja između tri tela, čestica se lepi za mekšu površinu i grebe
tvrđu).

Slika 25 Dužina ogrebotina na unutrašnjem prstenu, valjku, i
spoljnjem prstenu kod ležaja podvrgnutom kratkotrajnom
radu

8.3.4 Transverzalna distribucija broja ogrebotina

Slika 26 pokazuje grafike broja ogrebotina snimljenih na različitim transverzalnim lokacijama na valjku i
spoljnjem prstenu kod ležaja podvrgnutog kratkotrajnom radu. Cilj ovog merenja je odrediti da li
određena lokacija u ležaju favorizuje hvatanje čestica.

Podaci su korišdeni samo kao vodič mehanizma hvatanja pošto je mogude da su neke ogrebotine izlizane
ili narušene od naknadnih promena. Iz ovog razloga, brojanje nije izvršeno na unutrašnjem prstenu, pošto
se on istrošio na dubljem nivou od nivoa dubine pojedinačne ogrebotine (slika 20). Spoljni prsten je



takođe imao malo vede habanje tokom kratkotrajnog rada. Najbolje rezultate dao je valjak. Važno je
napomenuti da nije samo zona kontakta ta koja postaje ogrebana nego se šteta javlja takođe i u zoni
hvatanja čestice (slika 17). Interesantno je broj udubljenja na spoljnjem prstenu malo niži kod linija čistog
kotrljanja. Ovo je neobično zato što vedina očekuje da je kotrljajni kontakt skloniji hvatanju čestica *190,
191] nego li kontakt sa kotrljanjem i klizanjem.

Slika 26 Broj poprečnih ogrebotina na valjku i spoljnjem prstenu
kod kratkotrajnog rada

8.4 ANALIZE EKSPERIMENTALNIH REZULTATA

8.4.1 Hvatanje čestica

Poznati su, i koncentracija čestica i broj kontakata ostvaren u svakoj tački na površinama kotrljajnih
elemenata. U osnovama ovog i eksperimentalnih rezultata datih u sekciji 8.3.4, mogude je izračunati
visinu hvatanja, koja opisuje debljinu uljnog filma koji sadrži čestice koje su uvučene u kontakt. Ovo je
opisano u smislu odnosa hvatanja, . Ipak, sve čestice sadržane u sloju ulja debljine su uvučene u
kontakt (prikazano šematski na slici 27).

Slika 27 Visina hvatanja za valjak i prsten

Broj ogrebotina po jedinici oblasti, , je onda dat preko

(6)

Gde je broj čestica po jedinici zapremine i je ukupni broj doživljenih kontakata. Masa individualne
dijamantske čestice je određena uz pomod predpostavke da je čestica kubična sa dijagonalnom dužinom
. Onda



⁄ (7)
⁄

Gde je gustina dijamanta, je masena koncentracija čestica. Tokom jednog obrtaja vratila, sve
površine dožive broj kontaktnih događaja, rotaciona brzina, , i dužina trajanja ispitnog rada, .

Iz ovoga odnos hvatanja se može izračunati kao

⁄
( ) (8)

Korišdenjem jednačine (6) i izračunavanjem srednje vrednosti broja udubljenja po jedinici površine za
valjak i spoljnji prsten, na osnovama rezultata datim na slici 26, mogude je izračunati srednji odnos
hvatanja za svaku komponentu. Za valjak i spoljnji prsten, podaci i rezultati takvog izračunavanja dati su u
tabeli 4.

Tabela 4 Podaci i izračunavanja za srednji odnos hvatanja,
̅ , za valjak i spoljnji prsten (koristedi ,
⁄ , ,
, )
Komponenta ̅
Valjak 2876 5,1 1,8
Spoljnji prstem 414 6,6 0,2

Odnos hvatanja se uzima sa predpostavkom da sve čestice u nadolazedem uljnom sloju debljine bivaju
uhvadene u kontakt. Ovo pojednostavljuje zadatak pošto su ova merenja teška za ostvarivanje i mogu se
samo smatrati približnim.
Kako god, odnos hvatanja trebao bi da bude isti za obe komponente, kako de čestica koja ulazi u
kontakt napraviti udubljenje na obe komponente. Prilikom ovog računanja predpostavlja se da su uslovi
hvatanja isti za oba kontakta: valjak/unutrašnji prsten i valjak/spoljnji prsten. Pošto je spoljnji prsten više
istrošen od valjka (slika 21), verovatnije je da de se rezultat u realnosti bolje slagati sa valjkom nego li sa
spoljnjim prstenom.

Broj čestica po jedinici zapremine ulja u cirkulacionom sistemu je . Zona kontakta između
valjka i spoljnjeg prstena je , izračunato prema sekciji 8.2. Korišdenjem metoda računanja
opisanog u ovoj sekciji, broj uhvadenih čestica u bilo kom trenutku je poznat. Rezultati su dati u tabeli 5 za
odnose hvatanja, , od 1,0 i 1,8. Ako predpostavimo de se celokupno opteredenje ležaja prenosi preko
ovih zarobljenih čestica, onda bi normalni pritisak bio barem 10 TPa. Ovo je daleko više od tvrdode i
površinske otpornosti koju može preneti čelik od kog je naprevljen ležaj, što indicira da bi čestice bile
potpuno utisnute u metal. Prema tome pri ovim koncentracijama čestica skoro svo opteredenje se prenosi
preko uljnog filma i nije mogude da čestice izvrše promenu u debljini uljnog filma.

Tabela 5 Broj dijamantskih čestica prisutnih u svakom
trenutku u kontaktnom području i području
hvatanja za dva različita odnosa hvatanja
Broj čestica prisutnih u svakom trenutku

Zona kontakta 0,5 0,9
Zona hvatanja 4,0 7,2


Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja pregled istraživanja

Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja pregled istraživanja

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Empfohlen

Empfohlen (20)

Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja pregled istraživanja