ベアリングの故障の最大の原因は何ですか?

一番の原因は、 ベアリング 故障は潤滑に関係する

直接の答えが必要な場合: 不十分または不適切な潤滑はベアリング故障の主な原因であり、すべての早期ベアリング故障の推定 36% ～ 54% の原因となっています。 、業界やアプリケーションに応じて異なります。 SKFやNSKなどの大手ベアリングメーカーが実施したいくつかの研究では、潤滑管理の失敗に起因する汚染事例を考慮すると、この数値はさらに高くなります。

ベアリングは精密に設計された部品です。転動体、軌道、保持器は、多くの場合高速かつ高温で、多大な応力下で動作します。金属表面を分離する適切な潤滑膜がないと、直接接触が発生し、急速な摩耗、発熱、表面疲労、そして最終的には致命的な故障につながります。物理学は単純です。高速で金属と金属が接触すると熱が発生し、熱によって材料が劣化し、劣化した材料は故障します。

とはいえ、ベアリングの故障が単一の単独の要因によって引き起こされることはほとんどありません。潤滑の問題は、多くの場合、他の故障モードを引き起こしたり加速させたりします。製造工場、風力タービン、自動車のドライブトレイン、食品加工ラインなど、回転機器を管理するすべての人にとって、原因の全範囲とそれらの相互作用を理解することは不可欠です。

潤滑不良がベアリングの損傷統計を支配する理由

潤滑不良は、単にグリースやオイルの切れだけではありません。これには、潤滑剤の機能を妨げるさまざまな条件が含まれます。これらの各条件により、座面に異なる損傷パターンが生じます。

潤滑量不足

ベアリングに十分な潤滑剤が供給されていない場合、転動体を軌道から分離する弾性流体膜が薄くなりすぎて、金属間の接触が妨げられます。これにより、凝着摩耗、スミアリング、および局所的なヒートスパイクが発生します。 1,500 RPM 以上で動作する電気モーターでは、潤滑剤が枯渇すると金属表面が数分以内に破壊的な温度に達する可能性があります。

間違った潤滑剤の種類または粘度

塗布速度や温度に対して不適切な粘度グレードの潤滑剤を使用することは、最も一般的なメンテナンスミスの 1 つです。潤滑剤が薄すぎると、負荷がかかった状態で適切な膜を維持できません。厚すぎると、撹拌や抵抗によって過剰な熱が発生します。たとえば、高速スピンドル ベアリングの場合、低粘度オイルや NLGI 1 グリースの代わりに標準の NLGI 2 グリースを使用すると、動作温度が大幅に上昇し、ベアリングの寿命が短くなります。

グリースの過剰塗布

直感に反しますが、潤滑剤が多すぎることも重大な問題です。グリースを過剰に塗布したベアリングは、撹拌により内部温度が上昇し、グリースの基油と増粘剤が分解され、漏れや硬化が発生します。 過剰なグリース塗布は、電動モーターのベアリング故障のかなりの部分を占めます 技術者は古い材料を除去せずにグリースを塗布することが多く、時間の経過とともに問題が悪化します。

潤滑剤の劣化

グリースやオイルには寿命があります。熱サイクル、酸化、水の浸入、機械的せん断はすべて、時間の経過とともに潤滑剤の性能を低下させます。試運転時に完璧にテストされたグリースでも、動作条件によっては 4,000 ～ 8,000 時間の使用後に保護能力のほとんどが失われる可能性があります。多くのメンテナンス間隔は、実際の状態ではなく暦時間に基づいて設定されているため、ベアリングは有効寿命をはるかに過ぎた使用済みの潤滑油で稼働することになります。

完全な内訳: 割合別のベアリング故障の主な原因

ベアリングの故障原因は、情報源によって若干異なる方法で分類されていますが、主要な要因は業界の調査全体で一貫しています。以下の表は、軸受メーカーおよび信頼性エンジニアリング組織によって発表された研究からまとめられたデータを反映しています。

これらの数字は分野によって異なります。製鉄所や鉱山では、過酷な環境にさらされるため、汚染がより大きな役割を果たします。製薬および食品の加工では、水の浸入と強力な洗浄プロセスがより顕著になります。風力タービンでは、ベアリングを通る電流の通過 (可変速ドライブに特有の故障モード) がますます重要になっています。業界平均のガイダンスに盲目的に従うよりも、アプリケーションの特定の障害要因を理解することが重要です。

汚染: ベアリングに作用する 2 番目に破壊的な力

汚染とは、ベアリング内部に固体粒子、水、プロセス化学物質などの異物が存在することです。肉眼では見えない粒子であっても、重大な損傷を引き起こす可能性があります。わずか 10 ミクロンの鋼粒子 (約 70 ミクロンの人間の髪の毛よりも小さい) は、ベアリング ボールやローラーによって転がされると軌道表面に応力上昇を引き起こすのに十分な大きさです。

固体粒子の汚染

ベアリングハウジングに侵入した汚れ、金属の破片、および機械加工の粒子は、摩耗や表面の孔食を引き起こします。油圧システムでは、オイルの清浄度を ISO 4406 コード 16/14/11 以上に維持すると、コード 20/18/15 で動作する場合と比較して、ベアリングとコンポーネントの寿命を数倍に延ばすことができます。きれいな潤滑システムと汚染された潤滑システムの違いは、多くの場合、ベアリングの寿命が 20,000 時間であるか、ベアリングの寿命が 5,000 時間であるかの違いです。

水の汚染

水は特に破壊的です。トライボロジー文献に掲載された研究結果によると、ベアリング潤滑剤に含まれる水分がわずか 0.1% であると、ベアリングの疲労寿命が最大 48% 短縮される可能性があります。水分は軸受鋼の水素脆化を引き起こし、軌道面や転動体の腐食を促進し、潤滑剤の皮膜形成能力を低下させます。熱サイクル中の結露（動作中に加熱し、夜間に冷却する機器）は、密閉ベアリングへの湿気の侵入のよくある経路です。

化学物質による汚染

食品加工工場や化学工場では、強力な洗浄剤やプロセス流体がシールを迂回し、軸受鋼を直接攻撃する可能性があります。弱酸またはアルカリ性化合物であっても、軌道面の表面の化学的性質が変化し、微細な孔食が発生し、剥離に進行します。このような環境では、適切なシール設計と化学的に適合する潤滑剤を備えたベアリングを選択することが重要です。

不適切な取り付け: 完全に防止可能なベアリング故障の原因

ベアリングの早期故障のかなりの割合を占めるのは取り付けエラーです。推定では、全ケースの 16% ～ 21% とされています。これを特にイライラさせるのは、ベアリングが使用中に 1 回転する前に取り付け損傷が発生することです。適切な潤滑剤を使用して正しく取り付けられたベアリングは、適切に調整されたシステムで動作し、定格 L10 寿命に達するか、それを超えます。シャフトにハンマーで打ち込まれたベアリングはそうではありません。

間違ったリングを通して力が加えられる

最も一般的な取り付けミスの 1 つは、間違ったベアリング リングに圧入力を加えることです。深溝玉軸受を軸に圧入する際には、圧入される内輪のみに力を加える必要があります。ボールと外輪を通る駆動力によってブリネリングが発生します。ブリネリングとは、ボールの各位置で軌道に永久的なくぼみができることです。ベアリングは外観的には損傷していないように見えますが、軌道面にはすでにマークが付いており、最初の回転からノイズが発生し、早期に故障します。

シャフトとハウジングの適合が間違っている

ベアリングは、シャフトおよびハウジングに特定の締まりばめで取り付けられるように設計されています。シャフトのサイズが小さいと、ベアリングの内輪がクリープしたり空回りしたりする可能性があります。リングはシャフトに対して回転し、激しい摩擦熱を発生させ、最終的には溶接や焼き付きを引き起こします。ハウジングのボアが狭すぎると、外輪が歪んで内部すきまが減少し、室温でもベアリングが高温になり予圧がかかる可能性があります。

取付時のズレ

シャフトの中心線とベアリングの穴の間の角度のずれが、たとえベアリングの設計されたずれの許容値を数十分の 1 度超えていたとしても、転動体全体に不均一な荷重分布が生じます。円筒ころ軸受と円すいころ軸受は、特に位置ずれの影響を受けやすいです。許容誤差をわずか 0.05°超えた円筒ころ軸受を使用すると、計算上の耐用年数が 50% 以上減少する可能性があります。

転がり疲労: ベアリングの寿命は自然に終わります

転がり接触疲労は、メンテナンスや設計ミスによって引き起こされない唯一のベアリングの故障モードです。これは、正しく設置され、適切に潤滑され、定格荷重と速度パラメータ内で動作しているベアリングに予想される寿命終了のメカニズムです。ベアリング寿命の標準的な尺度である L10 寿命は、同一のベアリングのグループの 90% が疲労剥離を起こす前に完了する回転数 (または所定の速度での動作時間) として定義されます。

疲労損傷は、接触ゾーンの下で周期的なせん断応力によって引き起こされる表面下の亀裂として始まります。数百万回の応力サイクルを超えると、これらの亀裂は表面に向かって伝播し、最終的には材料の剥離を引き起こします。これは剥離と呼ばれるプロセスです。剥落した軌道は、特徴的な粗く剥げたような外観を持ち、エッジが明確に定義されています。 適切にメンテナンスされたベアリングが剥離疲労に達することは、実際にはメンテナンスの成功です。 - これは、ベアリングが回避可能な原因で早期に故障したのではなく、設計寿命を達成したことを意味します。

実際には、真の疲労寿命に達するベアリングの割合は比較的小さいです。ほとんどは、騒音、振動、温度上昇、または剥離が始まる前に計画されたメンテナンス間隔により交換されます。疲労破壊が早期に (計算された L10 寿命よりも前に) 発生する場合、それは多くの場合、過負荷、材料欠陥、または限界潤滑状態の時間の経過による累積的な影響の兆候です。

ベアリングの電食: 最新の機器で増大する問題

電気浸食 (電食または放電加工 (EDM) 損傷とも呼ばれます) は、電気モーターでの可変周波数ドライブ (VFD) の普及に伴い、故障の原因として大幅に増加しました。 VFD は、シャフト電流を誘導する可能性のある高周波電圧パルスを導入します。これらの電流が軸受を通って放電すると、軌道面や転動体の表面に微細な円弧状のクレーターが形成されます。

損傷パターンは独特です。軌道はつや消しまたは溝状の外観を呈し、リングの周囲に規則的な波形が走ります。この溝パターンは、電気的侵食の信頼できる診断指標となります。 適切なシャフト接地や絶縁ベアリングのない VFD によって駆動されるモーターでは、電食によってベアリングが 3 ～ 6 か月という短期間で破壊される可能性があります。 たとえ潤滑と取り付けが完璧であったとしても。

解決策には、シャフト接地リング、絶縁軸受ハウジングまたは内輪、または非導電性の窒化ケイ素転動体を備えたセラミックハイブリッド軸受が含まれます。適切な対策の選択は、モーターのサイズ、VFD 構成、およびシステムの接地配置によって異なります。

ベアリングの故障原因を事後的に特定する方法

故障したベアリングは、廃棄する前に注意深く検査すると、表面に診断の証拠が残ります。ベアリングの破損解析 (金属の破面を検査するときにフラクトグラフィーと呼ばれることもあります) は、観察された損傷パターンを既知の破損モードと照合する構造化されたプロセスです。ほとんどのベアリング メーカーは、この目的のために故障分析ガイドと実験室サービスを提供しています。

• 転動体と軌道面の磨耗が滑らかで、汚れが付着している場合: 潤滑油の枯渇または粘度が間違っている
• ボールまたはローラーのピッチ間隔で等間隔に配置されたくぼみ: 不適切な取り付けや衝撃荷重によるブリネリング
• 粒子が埋め込まれた粗くて穴のある表面: 研磨剤による汚染
• 赤茶色の変色と腐食孔： 水の浸入または腐食性汚染
• 軌道面の円周溝加工: シャフト電流による電気侵食
• 表面が粗く剥がれ落ち、エッジがはっきりしている剥離: 転がり接触疲労 (通常の寿命末期または過負荷によって引き起こされる可能性があります)
• 軌道面の片側荷重パターン: ラジアル専用ベアリングのミスアライメントまたはアキシアル荷重

故障したベアリングは、取り外した直後、つまり洗浄する前に密閉したビニール袋に入れておくと、潤滑状態や、ベアリングを拭いたり洗浄した場合に失われる可能性のある破片の痕跡が保存されます。取り外す前に、取り付けられたベアリングの位置、シャフトのマーキング、ハウジングのボアの状態の写真を撮影すると、分析のための貴重な情報が追加されます。

ベアリングの早期故障を防ぐための実践的な手順

ベアリングの故障の大部分は防止可能であることを考慮すると、構造化された防止アプローチは、統計的可能性の順に最も一般的な故障モードを対象とします。

潤滑管理プログラムの確立

潤滑剤は、すでに保管されているものではなく、軸受のタイプ、速度係数 (n × dm)、動作温度範囲、および環境への曝露に基づいて選択してください。プラント内のすべての潤滑ポイントの正しい潤滑剤の種類、量、および再潤滑間隔を文書化します。感触に基づいて塗布するのではなく、校正されたグリース ガンを使用してください。標準的なグリース カートリッジ ガンは 1 ストロークあたり約 1.3 グラムを供給します。これは、体積を計算するための有用なベースラインです。故障が発生する前に劣化を検出するために、超音波モニタリングまたはグリースのサンプリングを使用して、可能であれば状態に基づいた再潤滑間隔を実装します。

設置方法の改善

シャフトへのベアリングのハンマー取り付けを排除します。適切な取り付けツールを使用します。締まりばめ内輪用の誘導ヒーター (通常は 80°C ～ 100°C までの加熱で十分であり、軸受鋼の冶金学的性質には影響しません)、取り付けられるリングにのみ力を加えるアダプターを備えた油圧プレス、および中型軸受用の機械式取り付け工具です。設置前に校正済みのマイクロメーターを使用してシャフトとハウジングの寸法を確認します。10 分間の測定ステップにより、数か月にわたる早期故障調査が防止されます。

汚染源での制御

交換用ベアリングは、元のパッケージに入れて、極端な温度を避けた清潔で乾燥した場所に保管してください。取り付ける瞬間までベアリングのパッケージは絶対に開けないでください。塗布するときは、潤滑剤の容器を密閉し、濾過した状態に保ってください。ハウジングシールを定期的に検査して交換してください。交換に 2 ドルかかる摩耗したリップシールは、数か月以内に 500 ドルのベアリングを破壊する汚染を引き起こす可能性があります。微粒子への曝露量が多い環境では、シングルリップシールからダブルリップシールにアップグレードするか、優れた粒子排除効果を得るためにラビリンスシールを備えたベアリングユニットに切り替えることを検討してください。

状態監視の実装

振動分析、温度モニタリング、オイル分析、および超音波放射モニタリングはそれぞれ、ベアリングの状態を把握するためのさまざまなウィンドウを提供します。包絡線解析または高周波共振技術を使用して適切に実装された振動プログラムにより、故障が重大になる 4 ～ 8 週間前にベアリングの欠陥を検出できるため、緊急停止ではなく、計画されたメンテナンス期間中に計画的に交換することができます。通常の動作レベルを超える温度上昇は、後期段階の警告サインです。ベアリングが過去のベースラインを 10°C ～ 15°C 上回って動作する頃には、すでに重大な損傷が存在している可能性があります。

取り付け後の調整を確認する

連結された機器のベアリングを交換するたびに、レーザー位置合わせツールを使用してシャフトの位置合わせを確認する必要があります。ダイヤルインジケータ方式は小型の機械に使用できます。カップリングの定格ミスアライメント許容量よりも厳しいアライメント公差を目標にします。カップリングは、不正確な取り付けによる日常的なミスアライメントではなく、動作時の熱増加下での残留ミスアライメントに対応します。平行オフセットが 0.05 mm 以内、角度が 0.05 mm/100 mm 以内に調整されたポンプとモーターのセットは、0.2 mm 以内に調整されたものよりも一貫して長持ちします。

ベアリングを取り付ける前に耐用年数を縮めるベアリングの選択ミス

ベアリングの故障はメンテナンスの問題ではなく、設計または選択の問題である場合があります。荷重条件に対して間違ったベアリングのタイプを指定したり、適用される荷重に対してベアリングのサイズを小さくしたりすると、適切なメンテナンスを行っても克服できない故障状態が発生します。

• 深溝玉軸受 適度なアキシアル成分によるラジアル荷重に対して最適化されています。軸方向のスラスト荷重が高い用途で使用すると、ボールに過負荷がかかり、急速な疲労が発生します。
• 円筒ころ軸受 重いラジアル荷重を効率的に運ぶことができますが、この目的のために設計されたフランジ付きリングがなければ、重大なアキシアル荷重に耐えることができません。
• アンギュラ玉軸受 は、ラジアル荷重とアキシアル荷重の組み合わせに対応するように設計されており、正しく機能するには、一致するペアまたはセットで取り付ける必要があります。シャフト上の単一のアンギュラコンタクト ベアリングが両方向のアキシアル荷重を受けると故障します。
• 円すいころ軸受 適切に機能するには正しい軸方向の予圧が必要です。小さすぎるとローラーが滑ります。多すぎるとベアリングが熱くなり、早期に疲労します。

ベアリングの選択プロセスには、等価動的荷重の計算、ベアリングの定格速度に対する速度係数の検証、および L10 寿命が適切な安全マージン (重要な機器の場合は通常 3 ～ 5 の係数) を備えたアプリケーションの必要なサービス間隔を満たしていることの確認が含まれる必要があります。

産業運営におけるベアリング故障の実際のコスト

ベアリングの交換コストが、ベアリングの故障による実際のコストと一致することはほとんどありません。製紙工場、化学工場、食品生産ラインなどの連続プロセスプラントでは、たとえ 1 時間のダウンタイムを引き起こす予期せぬベアリングの故障により、装置のスループット値にもよりますが、生産損失として 10,000 ドルから 100,000 ドル、あるいはそれ以上の損害が発生する可能性があります。隣接するコンポーネント (シール、シャフト、ハウジング、カップリング) への二次的な損傷により、ベアリング自体が小さく見えるほどのコストがかかることがよくあります。

メンテナンス技術団体による調査では、事後対応メンテナンスは計画的な状態ベースのメンテナンスよりも修理イベントごとに 3 ～ 9 倍のコストがかかることが一貫して示されています。 200 ドルのベアリングが予期せず故障し、生産ラインが 4 時間停止すると、ベアリングの価格をいくら最適化しても補償できない総イベントコストが発生します。この経済学のケースは、信頼性中心保守 (RCM) および予知保全 (PdM) の動きの基礎です。目標は、より安価なベアリングを購入することではなく、すべてのベアリングが設計寿命に達することを保証することです。

潤滑プログラム、汚染制御、または振動監視装置の改善に関するビジネスケースを構築するメンテナンス管理者にとって、投資収益率の計算は通常簡単です。重大な障害を 1 回回避できれば、監視装置やプログラムの導入コストの何倍もの費用が支払われることがよくあります。

要約: ベアリングの故障への対処は潤滑から始まり、その後すべてが始まります

ベアリング故障の最大の原因である潤滑の問題は、最も制御可能なものでもあります。潤滑剤の正しい選択、適切な量、適切な再潤滑間隔、および汚染防止により、予防可能なベアリングの最大のカテゴリの故障を排除できます。潤滑後は、設置方法、汚染の排除、位置合わせの検証、および状態の監視に注意を払い、残りの主要な故障モードに統計的影響の降順に対処します。

ベアリングは単に摩耗する消耗品ではありません。適切な動作条件が与えられれば、定格耐用年数が確実に達成される精密部品です。早期に繰り返し障害が発生する場合、その原因はほとんどの場合、特定可能で修正可能なメンテナンスまたは設計のギャップに起因します。故障した各ベアリングを廃棄する前に体系的に検査する故障分析プロセスは、産業用メンテナンス ツールキットの中で最も活用されていないツールであり、時間の経過とともに、故障の発生と根本原因の除去の間のループを最も確実に閉じることができるツールです。