Modelling

Výzkum ložisek: přechod na atomární měřítko

Tento článek představuje čtyři hlavní oblasti výzkumu v SKF, které využívají modelování: ložisková ocel, mechanismus únavového poškození, navrhování polymerů a tribologie.

Autor: Sebastián Echeverri Restrepo, výzkumný pracovník, SKF Engineering & Research Centre (ERC), SKF B.V., Nieuwegein, Nizozemí

Další segment Další výrobky Výzkum a teorie

Souhrn

V průběhu několika uplynulých let se skupina SKF zaměřila na rozšiřování znalostí v oblasti simulačních nástrojů v atomárním měřítku, jako např. DFT, MD a DPD, aby dokázala pochopit, jak se chovají materiály jejích výrobků. To jí umožnilo a dále umožňuje inovovat a zvládat narůstající technické nároky tím, že zajistí, aby každý atom byl na místě, kam patří.

Představte si, že by se někdo dokázal zmenšit natolik, že by se mohl ponořit do pevných materiálů a spatřit strukturu atomů – jak atomy na sebe vzájemně působí, jak se pohybují, jak reagují na vnější sílu a jak vnější teplota ovlivňuje jejich vlastnosti a mění jejich strukturu. Pokud by to bylo možné, bylo by mnohem snadnější volit, zpracovávat a navrhovat materiály určené k výrobě produktů a strojů.

Ve vývojovém a výzkumném středisku SKF Engineering and Research Centre (ERC) v Nizozemí se provádí výzkum zaměřený doslova na ponoření se do materiálů výrobků SKF s cílem lépe pochopit chování těchto materiálů. To umožňuje společnosti SKF lépe reagovat na požadavky zákazníků a především pro své výrobky vyvíjet nové materiály, které zvýší jejich kvalitu, odolnost a další vlastnosti.

Ve většině případů postačují experimentální postupy k tomu, abychom získali dostatečnou představu, jak mohou vnější faktory ovlivnit materiály určené k výrobě produktů, a najít preventivní a nápravná opatření.

I když jsou používány nejmodernější experimentální postupy, není prostě vždy možné dostatečně pochopit vliv, jaký mohou mít určité jevy na materiály. Navíc v některých situacích, např. v případě nového materiálu nebo výrobku, který se nachází ve stádiu konstrukce, není využívání výhradně laboratorních zkušebních nástrojů vždy dostatečně časově efektivní nebo hospodárné. Z toho důvodu mají zásadní význam výpočetní metody.

Pokud se týká mechanických dílů, například ložisek, většinu konstrukčních problémů lze vyřešit simulačními postupy „ve velkém měřítku“, například velmi rozšířenou metodou konečných prvků (FEM). Některé speciální problémy však překračují možnosti tohoto nástroje a vyžadují alternativní mezoskopické a mikroskopické metody simulace.

Vědci v SKF neustále rozvíjejí své znalosti v oblasti využití a postupů víceměřítkové simulace, aby dokonale pochopili výrobky SKF a byli schopni řešit problémy, které mají počátek v určitých časových a délkových měřítkách. To znamená, že existují různé nástroje (představte si lupy s různým zvětšením), které umožňují lépe pochopit specifické jevy určující chování materiálu v podmínkách aplikace. Z toho důvodu SKF využívá různé modely od kvantově mechanického modelu až po model pro kontinuální simulaci (obr. 1).

Čím hlouběji se člověk ponoří do materiálu, tím větší nároky jsou kladeny na výpočetní výkon a čas simulací. Z toho důvodu SKF využívá vlastní vysokovýkonné počítačové klastry s 1536 procesory.

V současné době probíhá výzkum ve čtyřech hlavních oblastech, v nichž jsou využívány mezoskopické a mikroskopické metody.

Návrh oceli
První oblast výzkumu je součástí projektu “MultiHy” [1], což je zkratka Multiscale Modelling of Hydrogen Embrittlement – víceměřítkové modelování vodíkového křehnutí. Projekt je řízen konsorciem partnerů, kteří zastupují evropský průmysl a akademickou sféru, a je financován Evropskou Unií. Vycházel z požadavku na získání dodatečného počtu experimentálních důkazů [2], které by podpořily názor, že vodík zkracuje únavovou trvanlivost ložisek a únavovou životnost konstrukčních ocelí. Tento vliv vodíku je v technickém žargonu označován jako vodíkové křehnutí. Hlavním zájmem SKF v rámci projektu MultiHY je schopnost předvídat, jakým způsobem vodík difunduje do ložiskové oceli a – co je ještě důležitější – objevit, jak lze volný vodík zachytit a znehybnit, aby byl neutralizován vliv vodíkové křehkosti na provozní trvanlivost ložisek.

Tyto simulace mobility vodíku a jeho vlivu na únavovou trvanlivost jsou doplněny dalšími probíhajícími výzkumy zaměřenými na různé zdroje vodíku, například vlhké prostředí a možnou degradaci maziv.

Z atomárního hlediska jsou prováděny simulace pomocí kvantově mechanické metody modelování, která se nazývá teorie funkcionálu hustoty (density functional theory = DFT). Tato metoda se běžně používá pro zjištění elektronové struktury vícetělesových systémů (obr. 2). Lépe řečeno, simulace jsou používány k vyhodnocení mechanických vlastností a vlivu vodíku v nové experimentální ložiskové oceli s obsahem vanadu (obr. 3), v níž vodík může být zachycen, aby nedošlo ke křehnutí [3]. Výsledky projektu MultiHy mohou pomoci v závěrečné fázi vývoje této nové oceli, která může být vhodná pro takové aplikace, v nichž je požadována odolnost proti působení vodíku.

Mechanismus únavového poškození
Druhá oblast výzkumu se věnuje atomárnímu popisu mikrostruktury ložiskových ocelí a jejímu vlivu na chování materiálů při vzniku únavy v místě valivého styku.

Tento projekt využívá metodu molekulární dynamiky (MD) ke studiu pohybu atomů a jejich vzájemné interakce v případě vzniku trhliny a jejího šíření v ložiskové oceli (obr. 4). Pochopení tohoto jevu umožní SKF najít způsoby, jak prodloužit trvanlivost a celkovou výkonnost výrobků SKF.

Návrh polymerů
Třetí oblast výzkumu je zaměřena na studium plněných pryžových materiálů používaných k výrobě těsnění. Cílem výzkumu je identifikovat a kvantifikovat fyzikální jevy, které probíhají v různých měřítkách a ovlivňují kvazistatické a dynamické napěťově-deformační chování plněných pryží. Tento projekt SKF realizuje ve spolupráci s vědci z čínské univerzity Tsinghua a španělské barcelonské university.

V tomto případě se používá disipativní částicová dynamika (dissipative particle dynamics = DPD), mezoměřítkový simulační nástroj, který umožňuje analyzovat dynamické vlastnosti tekutin a polymerů (obr. 5) v měřítkách, s nimiž MD nemůže pracovat. Použití DPD umožňuje komplexně posoudit vliv různých faktorů, jako například interakce mezi částicemi plnicích materiálů a polymerových řetězců, a topologické změny v polymerové síti při statickém a dynamickém mechanickém chování materiálů těsnění.

Tribologie
Poslední oblast výzkumu je zaměřena na mazané místo styku mezi dvěma povrchy [4], jako například styk mezi valivým tělesem a oběžnou dráhou v hybridním ložisku. Při této práci je rovněž využívána metoda MD. Cílem je vysvětlit základní rozdíly ve tření a opotřebení v místě styku ocel-ocel a ocel-keramika, aby bylo možné zlepšit výkonnost hybridních ložisek. Také lze posoudit chemickou reakci mezi mazivem a povrchy.

Modelování zatím odhalilo zásadní rozdíly mezi stykem ocel na ocel a hybridním stykem z hlediska tření a opotřebení. Ještě důležitější je však skutečnost, že výsledky ukázaly, že hybridní kontakty se vyznačují nižším třením v místech styku než v případě ocel na ocel.

Literatura
[1] http://www.multihy.eu.
[2] R. A. Oriani, Annual Review of Mater-ials Science 8, 327 (1978).
[3] B. Szost, R. Vegter, and P. Rivera-Diaz-del Castillo, Materials & Design 43, 499 (2013).
[4] D. Savio, Nanoscale phenomena in lubrication: from atomistic simulations to their integration into continuous models, Ph.D. thesis, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Karlsruher Institut für Technologie (2013).

Obr. 1: Délková měřítka různých simulačních metod, které využívá SKF, tzn. teorie funkcionálu hustoty (DFT), metoda molekulární dynamiky (MD), disipativní částicová dynamika (DPD) a metoda konečných prvků (FEM). Obr. 4: Detail přední strany trhliny, která se šíří v železe. Barvy atomů představují deformaci atomů. Obrázek byl vytvořen softwarem AtomEye. Obr. 3: Atomy vodíku přítomné na rozhraní mezi železem a sraženinou složenou z vanadu a uhlíku. Obrázek byl vytvořen softwarem XCrySDen. Obr. 2: Struktura karbidu vanadia (VC) včetně dvourozměrných řezů hustoty náboje. Obrázek byl vytvořen softwarem XCrySDen. Obr. 5: Model využitý k simulaci polymeru metodou disipativní částicové dynamiky (DPD). Tmavomodré částice představují plnivo a purpurové částice polymerové řetězce. Obrázek byl vytvořen softwarem Ovito.

Související obsah