Kilka lat temu na targach Hannover Messe firma SKF ogłosiła wprowadzenie na rynek uniwersalnego modelu trwałości łożysk SKF, innowacyjnego modelu, który pomaga inżynierom obliczać trwałość znamionową łożysk w bardziej realistyczny sposób.
Model ten stanowi poważny przełom w branży łożyskowej, umożliwiając klientom i użytkownikom końcowym odgrywanie ważnej roli w lepszym dopasowaniu produktów łożyskowych do zastosowań, poprawiając w ten sposób żywotność sprzętu i zmniejszając koszty operacyjne.
Na targach Hannover Messe firma SKF zaprezentowała program wydajności EnCompass w terenie i wprowadziła model trwałości łożysk uniwersalnych SKF
W ramach programu badań terenowych SKF EnCompass opracowano tę teorię trwałości, która z powodzeniem oddzieliła model zmęczenia powierzchniowego od modelu zmęczenia podpowierzchniowego, wykorzystując istniejącą teorię trwałości łożysk (opracowaną przez SKF i szeroko stosowaną od ponad 30 lat ) i wprowadzenie większej liczby parametrów, aby zapewnić nowy wgląd w obliczanie trwałości znamionowej łożyska.
Promocja koncepcji Universal Life Calculation w Hanowerze obejmowała dwudniowe wywiady na żywo z ekspertami, demonstrację oprogramowania demonstrującego metodę obliczeń oraz indywidualne interakcje z klientami i dziennikarzami. Model koncepcyjny został dobrze przyjęty przez publiczność i klientów i ożywił zainteresowanie obliczeniami znamionowej trwałości łożysk.
Następnie w dwóch częściach przedstawimy zasady nowego modelu.
Siła trybologii
Do tej pory obliczenia trwałości łożysk tocznych opierały się na równoważnym modelu inżynierskim opartym na naprężeniach, który uwzględnia naprężenia równoważne powstające pod powierzchnią styku i przyłożone do objętości naprężenia styku tocznego.
Przez wiele lat uważano, że zmęczenie powierzchniowe jest spowodowane złym smarowaniem lub zanieczyszczeniem, a wpływ tego rodzaju awarii na trwałość badano poprzez dodanie współczynnika korygującego do całkowitego naprężenia równoważnego styku tocznego i włączenie go do wzór na obliczenie trwałości łożyska.
W tym artykule zajmujemy się problemem uszkodzeń zmęczeniowych powierzchni, opracowując uniwersalną metodę trwałości styków tocznych. W tej metodzie uszkodzenia powierzchniowe są wyraźnie określone w podstawowym wzorze na zmęczenie dla kontaktu tocznego. Ten nowy wzór lepiej odzwierciedla charakterystykę tribologiczną łożysk tocznych w obliczeniach trwałości znamionowej.
Ponadto zapewnia lepsze zrozumienie trwałości zmęczeniowej powierzchni, która odgrywa główną rolę w działaniu łożysk tocznych w terenie. Rolą tej uniwersalnej metody jest wyjaśnienie tarcia łożyska i omówienie sprzecznych mechanizmów zmęczeniowych zachodzących na powierzchni i pod powierzchnią łożyska tocznego.
Przy założeniu prawidłowego użytkowania i dobrego smarowania, łożyska toczne stają się coraz bardziej niezawodne. Dzieje się tak dzięki właściwym metodom praktyki oraz pomyślnemu zrozumieniu i zastosowaniu tradycyjnego mechanizmu zmęczenia tocznego.
Jednocześnie poprawa czystości stali i jakości przetwarzania w połączeniu z niezawodnymi metodami obliczania trwałości również stała się ważnym elementem poprawy niezawodności łożysk.
Jednakże tendencja do miniaturyzacji urządzeń przemysłowych i wyższe wymagania dotyczące wydajności pracy w terenie spowodowały, że warunki stosowania łożysk tocznych są bardziej wymagające, szczególnie na powierzchni styku, dlatego większość uszkodzeń łożysk jest związana ze zmęczeniem powierzchni [Odnośnik 1].
Aby łożyska nie stały się wąskim gardłem w dalszej poprawie wydajności nowoczesnego sprzętu, konieczna jest lepsza ocena wydajności tarcia powierzchniowego pod kątem wydajności łożyska. W ciągu ostatniej dekady SKF poczyniła znaczne postępy w dziedzinie modeli trwałości powierzchniowej [Źródła referencyjne 2-8).
Wreszcie, poprzez wprowadzenie uniwersalnego modelu trwałości łożysk SKF, oddzielono zmęczenie powierzchniowe od teorii trwałości zmęczenia podpowierzchniowego i wiedzę tę włączono do obliczeń trwałości znamionowej łożysk tocznych [Odnośnik 9].
W tym podejściu dla obu obszarów stosuje się różne modele fizyczne. Zmęczenie powierzchniowego kontaktu tocznego można obliczyć za pomocą klasycznej teorii obciążenia dynamicznego Lundberga i Palmgrena [10], ale w przypadku zmęczenia powierzchni potrzebne są bardziej zaawansowane modele tarcia, które uwzględniają bardziej złożone efekty fizyczne, takie jak smarowanie, tarcie, zużycie, zmęczenie lub docieranie w wyniku koncentracji naprężeń występujących na hertzańskiej powierzchni styku.
Umożliwia to SKF uwzględnianie w obliczeniach trwałości łożysk bardziej dostosowanych do indywidualnych potrzeb projektów ze specjalnymi cechami, które mogą mieć wpływ na działanie łożyska w zastosowaniach terenowych. Na przykład: specjalna obróbka cieplna łożyska, zaawansowana mikrogeometria, unikalna konstrukcja lub wyższa jakość.
Klienci mogą skorzystać z różnych unikalnych cech łożysk z katalogu produktów SKF i wykorzystać je przy obliczaniu trwałości znamionowej. Ostatecznie klienci nie muszą już po prostu stosować podstawowej nośności dynamicznej (C), która reprezentuje jedynie „zmęczenie powierzchniowe”, jak ma to miejsce obecnie, ale mogą lepiej wykorzystać unikalne cechy produktów SKF i wyższą jakość produktów.
Nowy model może w szczególności uwzględniać mechanizmy starzenia się łożysk, a podczas opracowywania produktów łożyskowych w tej bardziej zaawansowanej wersji ogólnego modelu trwałości łożysk tarcie na powierzchni bieżni będzie szerzej stosowane.
Inżynierowie SKF wykorzystają uniwersalny model trwałości łożysk do opracowania ulepszonych konstrukcji łożysk do zastosowań specjalnych lub specyficznych wymagań eksploatacyjnych w terenie. Podsumowując, uniwersalny model trwałości łożysk stanowi bardziej nowoczesne i elastyczne narzędzie oceny wydajności łożysk, które w miarę ewolucji może uwzględniać nową wiedzę i technologie.
Uniwersalne podejście do modelowania
W bieżącym modelu nadal będzie zachowana znormalizowana probabilistyczna metoda obliczania trwałości łożysk tocznych, która jest nadal w użyciu, oparta na dwuparametrowej teorii rozkładu Weibulla, jak omówiono w [12].
Varodi Weibull [13] wprowadził koncepcję losowości w określaniu wytrzymałości i pękania elementów konstrukcyjnych w swojej teorii najsłabszego ogniwa modelu łańcucha.
Jeżeli konstrukcja składa się z n elementów poddanych różnym stanom naprężenia, przy różnym prawdopodobieństwie trwałości S1, S2, ..., Sn, to zgodnie z prawem iloczynu niezawodności całkowite prawdopodobieństwo trwałości konstrukcji można obliczyć ze wzoru (1).
W swoim wczesnym klasycznym podstawowym wzorze nośności dynamicznej dla łożysk tocznych [Odnośnik 10], Lundberg i Palmgren zastąpili prawo iloczynu niezawodności Weibulla wzorem (1) i wyprowadzili wzór na funkcję trwałości (2) dla konstrukcji składającej się z n niezależnych elementów fizycznych, co obejmuje proces starzenia od 0 do N cykli obciążenia.
Biorąc pod uwagę, że G reprezentuje funkcję starzenia się materiału spowodowanego skumulowanym efektem cykli obciążenia (zmęczenia), parametr objętości V można podzielić na dwa lub więcej niezależnych czynników powodujących uszkodzenia konstrukcji.
Dlatego różne regiony można scharakteryzować różnymi funkcjami starzenia materiału, które opisują różne (lub pojedyncze) procesy starzenia materiału Gv.1, Gv.2, ..., Gv.n i ich łączny wpływ na żywotność całej konstrukcji można wyrazić wzorem (2). Jednakże biorąc pod uwagę, że istnieją tylko dwa obszary, jeden to podpowierzchnia (strefa v), a drugi to powierzchnia (strefa s), można wyprowadzić wzór (3).
Zgodnie z [Referencja 14] wzór całkowy na objętość uszkodzeń zmęczeniowych (4) można otrzymać wykorzystując amplitudę naprężenia σv generowaną w strefie naprężeń Hertza.
Gdzie c i h są wykładnikami, e oznacza nachylenie Weibulla podłoża, N jest trwałością styku pod liczbą cykli obciążenia, z oznacza głębokość podpowierzchni do analizy, Vv jest całką objętościową, σu.v jest granicą zmęczenia w tym wolumenie, a Ā jest stałą ustawienia.
W podobny sposób można przepisać funkcję uszkodzenia powierzchni. Podstawiając stałą ĥ do stałej prawdopodobieństwa uszkodzenia powierzchni B ̅, można otrzymać wzór (5).
Gdzie m to nachylenie Weibulla powierzchni, A to całka powierzchniowa, σu.s to granica zmęczenia powierzchni, a B ̅ to stała wiązania.
We wzorze na uszkodzenie powierzchni (5) naprężenie powierzchniowe σs należy wyznaczyć z rzeczywistego kształtu powierzchni i naprężenia tarcia powierzchni styku.
Teraz, łącząc wzory (4) i (5) ze wzorem (3), można otrzymać wzór na trwałość kontaktową dla odrębnych wyrazów powierzchniowych i podpowierzchniowych. Należy zauważyć, że trwałość w obrotach można powiązać z liczbą cykli obciążenia za pomocą L=N/u, gdzie u jest liczbą cykli obciążenia na obrót i biorąc pod uwagę podobieństwo dwóch współczynników Weibulla e=m, jest to odpowiedni model zmęczenia powierzchni w łożysku i ostatecznie uzyskuje równanie (6).
Stanowi to podstawę modelu trwałości łożyska, który wyraźnie oddziela warunki powierzchniowe od warunków podpowierzchniowych. Składniki podpowierzchniowe, reprezentowane przez całkę objętościową, można obliczyć zgodnie z tradycyjną metodą zmęczenia tocznego Hertza [14].
Terminy powierzchniowe, reprezentowane przez całkę powierzchniową, obejmują wiele zjawisk tarcia, które opisują trwałość powierzchni bieżni w sposób bardziej zgodny z nową teorią życia.
Oczywiście przy opracowywaniu nowego modelu potrzebne są bardziej zaawansowane modele danych. W rzeczywistości konieczne jest opisanie interakcji pomiędzy dwoma bardziej złożonymi i sprzecznymi mechanizmami starzenia.
Na przykład: i) zmęczenie powierzchni połączone z lekkim zużyciem, ii) rozwój uszkodzeń wgnieceń, iii) interakcje trybochemiczne i wiele innych czynników.
