WTC

Всё вращается благодаря трибологии

Спонсорская поддержка SKF в организации 5-го Международного конгресса по трибологии, прошедшего в Турине, Италия, отражает важность этой науки для производства подшипников и систем, в основе работы которых используются принципы трения, смазывания и износа. На конгрессе в 2013 г. была отмечена совместная работа SKF с клиентами и университетами с целью повышения уровня знаний о подшипниках качения, которые могут помочь добиться более высокой производительности.

Авторы: Элейн Маккларенс и Вальтер Верхэрт, технические редакторы

Смазка Машины и оборудование Текущий ремонт Надежность Исследования и теория Подшипники качения

РЕЗЮМЕ

5-й Международный конгресс по трибологии при спонсорской поддержке SKF – мероприятие, на котором отмечается прогресс в науке и проектировании контактных поверхностей для условий относительного перемещения. Ведущие исследователи обсудили вопросы, которые влияют на нашу повседневную жизнь, поскольку они касаются автомобилей, которыми мы управляем, транспорта, которым мы пользуемся, техники и оборудования, которые делают возможным наш быт. Подшипники имеют широкое применение, а ужесточение требований промышленности имеет свои последствия. Более высокие скорости, более высокие температуры, увеличивающиеся мощности, сниженное потребление смазочных материалов, увеличение габаритов подшипников, более агрессивные условия среды или присадки и более высокий уровень вибрации – всё это значит, что инженерам нужны новые знания в области трибологии.

ССЫЛКИ НА ТУ ЖЕ ТЕМУ

WTC

SKF Beast

INSA LYON

Imperial College London

На Международном конгрессе по трибологии были представлены доклады о практических и эмпирических исследованиях, которыми занимается SKF.

Внимание к проблемам клиентов
Доклад Моделирование факторов, влияющих на условия смазывания подшипника качения, установленного в газовой турбине (1) является примером исследования, инициированного клиентом. Научные сотрудники SKF разработали имитационный метод для анализа влияния геометрии поверхности на толщину смазочной плёнки в подшипниках качения. Моделирование и оценка факторов влияния макро- и микроконфигурации компонентов, таких как волнис­тость, круглость, неровность и геометрия реальной поверхнос­ти, на трибологические свойс­тва подшипника были проведены с помощью инструмента для динамического моделирования подшипников BEAST (Bearing Simulation Tool, см. стр. 21). Были созданы точные многокомпонентные модели для оценки воздействия, вызываемого изменением характеристик подшипников, с учётом заданных ограничений. Влияние геометрии реальной поверхности было задано в виде переменного, зависящего от локальных условий контакта, с присвоением интерференционных измерений на поверхности соответствующим элементам модели.

В результате данных исследований, конструкторы теперь могут учитывать свойства поверхнос­ти в начале проектирования новых исполнений подшипников. Автор доклада заявляет: «Свойства поверхности могут считаться ключевым фактором уже на ранней стадии процесса проектирования, а подбор оптимального сочетания проанализированных параметров может иметь положительный эффект на производительность инженерных систем».

Ещё об одном исследовательском проекте, ориентированном на потребности клиентов, говорится в докладе Смазывание пластичной смазкой прецизионных подшипников, работающих с высокими частотами вращения (2), в котором авторы описывают свою работу над проектом в области смазывания подшипников, работающих с высокими частотами вращения, в целях продления срока службы смазки в данных условиях эксплуатации. Несмотря на то, что пластичные смазки являются наиболее распространённым материалом для применения с прецизионными подшипниками шпинделей механических станков, их использование ограничено коротким сроком службы, когда значения параметра быстроходности приближаются к n x dm, равной 2 миллионам. Если найти возможность увеличить срок службы пластичной смазки на таких высоких частотах вращения, можно было бы избежать более сложных конструкций шпинделей и необходимых расходов на системы масловоздушного смазывания.

Сотрудничество с университетами
Имперский колледж Лондона и Национальный институт прикладных наук INSA в Лионе, Франция, имеют богатую историю сотрудничества с SKF (доклады (3), (4) и (5) об этом сотрудничестве).

Исследования, описываемые в докладе Задиры в подшипниках качения (3), досконально изучают проблему задиров, которые могут возникнуть в подшипниках качения, если скорость элементов качения при эксплуатации подшипника отличается от расчётной. Начальную стадию возникновения задиров предсказать очень сложно, поскольку точный механизм до конца не известен. Поэтому целью данного доклада было как можно подробнее рассмотреть основные действующие механизмы возникновения задиров. Экспериментальные данные были получены с использованием уникальной установки, которая воспроизводит возникновение задиров в контролируемых условиях, а затем объединены с результатами динамической модели с таким же типом контакта. Динамическая модель полной испытательной установки была создана с помощью инструмента BEAST (см. стр. 21). По словам авторов, экспериментальные данные в сочетании с соответствующими прогнозируемыми значениями позволяют провести точный анализ условий, приводящих к начальной стадии возникновения задиров, и, следовательно, позволяют делать предположения относительно потенциальных причин возникновения задиров, наблюдаемого опытным путём.

В докладе Многомасштабное моделирование контактов, покрытых смазкой: изучение предельных показаний скорости при взаимодействии твёрдой поверхности с жидкостями (4) исследователи объясняют, как был разработан подход многомасштабного моделирования для интегрирования явления нанометрового масштаба в макроскопические модели системы смазывания. В частности, предельные условия проскальзывания, возникающие при очень тонком слое смазочной плёнки, описываются с помощью молекулярно-динамического моделирования. Их увеличение в условиях эксплуатации и в зависимости от материала поверх­ности можно описать с помощью полуаналитических зависимос­тей. Эти зависимости используются в изменённом равенстве чисел Рейнольдса, включающем эффекты от скольжения на твёрдых поверхностях. Нано-модель эластичной гидродинамической смазки показывает, что в центре толщина слоя значительно уменьшается, чтобы компенсировать ускорение потока смазки, вызываемого скольжением на твёрдых поверхностях на молекулярном уровне.

Доклад Моделирование развития усталостных трещин при качении в условиях смазывания (5) относится к проблеме , характерной для многих областей промышленности. Контактная усталость при качении влияет на срок службы большого количества компонентов: от редукторов, подшипников качения и роликов, используемых при производстве стали, до железнодорожных колёс и рельсов. Она может возникнуть как на контактных поверхностях, покрытых смазочным материалом, так и на сухих поверхностях, подверженных воздействию жидкостей.

Предполагается, что трещины от контактной усталости при качении развиваются под действием механизма усталости, вызываемого циклическими напряжениями от многократных контактных нагрузок в связи с качением и скольжением. Точный механизм этого процесса в настоящее время изучается.

Авторы представляют исследование линейной модели, которая объединяет деформацию поверхности, поведение смазки, как в поверхностном слое, так и в трещинах, а также механизмы развития трещин, находящихся в области подповерхностного напряжения. Исследователи предполагают, что связь слоя жидкости на поверхности со слоем жидкости в трещине является важной для понимания действительного физического поведения трещины от контактной усталости при качении. Поэтому любая модель, используемая при анализе трещин вызванных контактной усталостью в контактах с эластичной гидродинамичес­кой смазкой, должна учитывать это поведение, иначе это приведёт к большим ошибкам при прогнозировании конечной поверхностной усталости на вершинах трещин. Эти ошибки становятся ещё более значительными, если в расчёт берётся развитие трещин, где учёт влияния давления смазки является очень важным при прогнозировании скорос­ти развития трещин в условиях контактной усталости при качении. Данная работа представляет собой одну из первых попыток создания единой жидкостно-твёрдой модели, включая обус­ловленное развитие трещин.

В центре внимания – наука
Третий тип исследований, представленных SKF и её партнёрами, – это чисто научные изыскания по вопросам трибологии. В докладе Точно воссозданные контакты в динамическом моделировании – Противоречие? (6) речь идёт о динамическом моделировании подшипников качения, которое является мощным инструментом для изучения разнообразных процессов, связанных с эксплуатацией и сроком их службы. Однако природа динамического моделирования, т.е. большое количество интервалов времени, которые необходимо рассчитать, препятствует использованию слишком сложных физических моделей. Например, точно созданные модели условий контактов предоставляют ценную возможность подробно рассмотреть критические ситуации, связанные со сроком службы подшипника. В докладе представлен способ объединения динамического моделирования и точные модели контактов в удобном для использования виде.

Доклад Прогнозирование микровыкрашивания в связи с воздействием масел/присадок на контактах качения и скольжения (7) посвящён разработке модели, которая может описать связь между трением, износом и микровыкрашиванием (разрушение поверхности). Авторы работы продолжили разработку недавно созданной модели по микровыкрашиванию, которая учитывает условия эксплуатации, неровность поверхности и свойства материалов поверхности контактов, действие которой показало, что износ и микровыкрашивание являются двумя тесно взаимодействующими процессами, происходящими на смазанных поверхностях. Целью было получить возможность прогнозировать степень микровыкрашивания после определённого количества циклов работы различных масел/присадок и при различной относительной влажности окружающей среды. Предполагается, что конечные трибохимические воздействия присадок и/или воды в масле проявляются механическим образом, и они были смоделированы с помощью использования измеренных коэффициентов износа и граничного трения в качестве исходных данных для модели. Была проведена серия испытаний по микровыкрашиванию с использованием различных масел/присадок и при различной относительной влажности воздуха. Модель показала хорошее соответствие результатам эксперимента.

Конференция Tribo-Lyon
2013 год стал особенно важным для трибологии, так как в этом году помимо проведения конгресса WTC была организована дополнительная конференция Tribo-Lyon 2013.

Заключение
В 2012 г. SKF инвестировала 180 млн. евро в научные исследования и разработки, что составляет 2,5 % от ежегодного оборота. В 2012 г. было представлено 660 изобретений и 421 новый патент. Благодаря работе SKF в области трибологии появились энергосберегающие подшипники SKF, износостойкое покрытие NoWear, гибридные подшипники, латунные и полимерные сепараторы, прецизионные подшипники для специального применения, текстурирование поверхности, подробные спецификации смазочных материалов и уплотнения с низким коэффициентом трения.

В Имперском колледже Лондона располагается один из Университетских технологичес­ких центров SKF, открытый в январе 2010 г., в центре внимания которого – моделирование трибологических систем. Профессор Хью Спайкс (Evolution 2-2013, стр. 18) возглавляет команду этого центра, в которую входят три аспиранта и два научных сотрудника с докторской степенью. Спайкс опуб­ликовал более 200 научных статей по трибологии и получил несколько патентов в этой сфере. Плодотворное сотрудничество SKF с университетом продолжается уже более 30 лет.

SKF и Национальный институт прикладных наук INSA в Лионе открыли кафедру SKF, которая будет работать над многофункциональным исследованием о поведении смазочных материалов в экстремальных условиях.

Знания по трибологии также собраны во многих инструментах и программах SKF (инструмент BEAST, программа SKF Bearing Beacon, а также печатный и интерактивный каталоги). Можно упомянуть особенные модели: модель трения SKF для подшипников качения, модель ресурса подшипника SKF (особенно учитываются факторы смазывания и загрязнения), модель срока службы смазки SKF и модель разрушения поверхности SKF, каждая из которых является важным инструментом в разработке инноваций и при прогнозировании эксплуатации подшипника в условиях, при которых поверхность играет важную роль.

 

Список литературы
[1] F. Mandrile, G. Moschetto, S. Vasconi and F. Caprioli, Simulation analysis of the factors influencing the lubrication conditions in a rolling element bearing set for a gas turbine starter motor.
[2] F.Greco, J. Wangand, A. van den Kommer, Grease lubrication in super-precision bearings operating at high speed.
[3] M.T. Fowell, A. Kadiric, G. Morales-Espejel, L-E. Stacke and S. Ioannides, Smearing damage in rolling element bearings.
[4] D. Savio, N. Fillot, P. Vergne, R. Pasaribuand, G. Morales-Espejel, Multi-scale modelling of lubricated contacts: a study on the velocity boundary condition at the wall-fluid interface.
[5] R. Balcombe, M.T. Fowell, A. Kadiric, D. Dini, A.V. Olver, Modelling the propagation of rolling contact fatigue (RCF) cracks in the presence of lubricant.
[6] L-E. Stacke, D. Fritzson, G. Morales-Espejel, Detailed contacts in dynamic simulations – A contradiction?
[7] V. Brizmer, H.R.Pasaribu, G. Morales-Espejel, Prediction of micropitting ­performance of oil/additive solutions in rolling and sliding contacts.

Другие доклады Международной конференции по трибологии, описывающие деятельность SKF и её университетских партнёров:
• A. Hajishafiee, D. Dini, A. Kadiric, S. Ioannides, A fully-coupled finite volume solver for elasto-hydrodynamic lubrication problems with particular application to rolling element bearings.
• J. Guégan, A. Kadiric, T. Reddyhoff, G. Morales-Espejel, H. Spikes, Friction and lubrication of textured surfaces in elasto-hydrodynamic contacts.
• J. T. Nyqvist, A. Kadiric, R. S. Sayles and E. Ioannides, Three-dimensional analysis of multi-layered rough surface contacts.
• V. Brizmer, A. Rychahivskyy, B. Han, Study on anti-micropitting performance of black oxide coating.
• J. Wang, CFD analysis of drag loss in high-speed bearings.
• A. W. Awan, M. Hadfield, B. Thomas, C. Vieillard, R. Cundill, An experimental investigation of rolling contact failure within silicon nitride subject to micro surface defects.
• P. Tesini and T. Adane, Computing structural fatigue damage in rolling bearing cages.
• D. Fritzson, L-E. Stacke, Advances in Transient Rolling Bearing Simulation – BEAST

Доклад с конференции Tribo-Lyon-2013:
• G.E. Morales-Espejel, Surface roughness effects in elasto-hydrodynamic lubrication – A review with contributions.

 

Материалы по теме