Fördelarna med hybridlager vid svåra driftförhållanden

Fördelarna med hybridlager vid svåra driftförhållanden

Hybridlager har visat goda resultat under förhållanden som kännetecknas av föroreningar och bristande smörjning, men förståelsen för de bidragande mekanismerna och deras inverkan på prestanda är inte komplett. SKF har utvecklat en djupare insikt i hybridlagrens tribologi genom specifika experiment och modellering.

Författare:
C. Vieillard, senior keramtekniker
V. Brizmer, senior forskare
Y. Kadin, senior forskare
G.E. Morales-Espejel, chefsforskare
A. Gabelli, senior forskare
Alla är verksamma vid SKF Engineering & Research Centre, Nieuwegein, Nederländerna.

Hybridlager Forskning & teori

Hybridlager, det vill säga lager med ringar av stål och ­rullkroppar av kiselnitrid (Si3N4), har blivit allt vanligare i applikationer för krävande miljöer [1-4], exempelvis högvarviga, oljefria luftkondi­tionerings- och ­kylkompressorer, allmän fluidteknik, elektriska maskiner och industriväxlar. I vissa av dessa applikationer ­påverkas lagerprestanda dels av gränsskikts- eller blandsmörjning, dels av föroreningar från fasta partiklar. I fallet med gränsskikts- eller blandsmörjning kan lagrens löpbanor ­drabbas av tidig ytutmattning och ytinitie­rade ­utmattningssprickor. Detta kan dels bero på ­driftförhållandena, dels på gränsfriktions­koefficienten och typen av förslitning på kontakt­ytorna [5,6]. Risken för haveri i löpbanorna styrs av ­acku­mulerade ­utmattningsskador. I fallet med en kontaminerad ­miljö och fasta partiklar inneslutna i en rullkontakt uppstår intryckningar med ­upphöjda kanter som kan bryta genom smörj­filmen, även om lagret arbetar under goda ­smörjförhållanden med fullfilmsbetingelser. Dessa ­större, men lokala, ­intryckningar i ytan leder till tidig ­ytutmattning [7,8]. Dedikerade ­experiment och modelleringsresultat visas i ­syfte att jämföra fysikaliska mekanis­mer och prestanda mellan hybrid­lager och helstålslager för ­typiska ­lagerytor. I det första fallet behandlas tunnfilmsförhållanden, i det andra större intryckningar.

Ytprestanda under bristan­de smörjförhållanden

Experiment visar att viktiga prestandafördelar kan erhållas med hybridlager under gränsskikts- eller blandsmörjning [1–4]. Bland fördelarna kan nämnas förbättrade ytutmattningsegenskaper [3]. Prestanda hos ­rullkontakter i hybridlager under bristande smörjning [6] granskas i detalj med hjälp av experiment på lager­utmattning och en modell för kombinerad ytutmattning och förslitning (beskrivs i [5]). Forskningen har även funnit att den stora förbättringen av ytutmattningshållfasthet i hybridkontakter inte kan förklaras enbart med de skillnader i vissa ytjämnhetsparametrar som normalt finns mellan helståls- och hybridkontakter. Det är nödvändigt att ta hänsyn till en avsevärd minskning (en faktor två) hos den effektiva gränsfriktionskoefficienten i hybridkontakten, i jämförelse med en helstålskontakt, vilket har observerats i särskilda tester [6].

Försäljning och råd

evolution@skf.com

Tabell 1: Lagertestrigg – testförhållanden.

Tabell 1: Lagertestrigg – testförhållanden.

Testerna utfördes på en ­vertikal friktionsrigg (fig. 1) under de testförhållanden som anges i tabell 1, med hjälp av cylindriska axial­rulllager med stålrullar (med högre rullhastighet och ­snabbare ­utveckling av ytutmattning än brickorna) och brickor av stål eller Si3N4 för att representera ­kontaktkonfiguration av helståls- eller hybridtyp. För att ­undvika förslitning under ­testet med en alltför grov ­keramisk plan bricka, valdes en polerad yta. ­Detta är acceptabelt ­eftersom den typiska ytan hos ­keramiska ­rullkroppar i ett hybridlager är ­mycket fin. Skillnaden i ytfinhet ­mellan ­stålbrickor och ­keramiska brickor beaktades i de ­numeri­ska simule­ringarna. Fyra tester för stålkontakt och fyra tester för hybridkontakt utfördes under totalt sex timmar (med mellanliggande stopp efter två och fyra timmar). ­Mätningar gjordes med optisk ­profilometer (WYKO) på de testade rullarna och internt utvecklad programvara användes för att kvantifiera ytutmattningsområdet. På grund av avsaknaden av tydliga ytskador på ­stålrullarna i hybridkontakterna efter sex timmars testtid, utfördes ett längre test under en period av 97 timmar (med mellanliggande stopp vid 37 och 60 timmar).

Fig. 1: Schematisk vy av lagertestriggen.

Fig. 1: Schematisk vy av lagertestriggen.

I fig. 2. visas det viktigaste resultatet av korrelationen mellan mätningarna och numerisk simulering (med den utmattningsbaserade modellen [6] och den kombinerade utmattnings-förslitningsmodellen [5]) av ytutmattningsområdet för hybrid- och ­helstålskontakter under ovan nämnda villkor. Man kan lätt konstatera en gradvis acku­mulering över tid av ­ytutmattning för helstålskontak­ten, medan hybridkontakten knappt ­uppvisar någon ytutmattning. Man kan också se att resultaten av den kombinerade ytutmattnings-/förslitningsmodellen med förslit­ningsdata som är typiska för hybridkontakter (blå kurvor) överensstämmer något bättre med experimentella data än med resultatet av modellen som inte antar någon förslitning (svarta kurvor).

Fig. 2: Experimentella data (fyrkantprickar) kontra numeriska simuleringar (heldragna kurvor) av ytutmattning som ackumuleras med ökande antal cykler, under de driftförhållanden som listas i tabell 1.

Fig. 2: Experimentella data (fyrkantprickar) kontra numeriska simuleringar (heldragna kurvor) av ytutmattning som ackumuleras med ökande antal cykler, under de driftförhållanden som listas i tabell 1.

Korrelationen mellan ­numerisk simulering och mätningar på områden med mikrogropar i hybrid- och helstålskontakter tyder på att det i genomsnitt råder ett förhållande på cirka 2 mellan friktionskoefficienterna i helstålskontakter och hybridkontakter. Detta förklarar delvis de senares bättre förmåga att hantera ytutmattning. Denna genomsnittliga kvot erhölls också i tidigare experiment [7, 8]. Förutom den ­lägre gränsskiktsfriktionen finns det andra orsaker till den ­bättre prestandan med ­avseende på ytutmattning i ­hybridkontakter. Här kan nämnas jämnare yta och mer negativ förskjutning av ojämn­heten (det vill säga djupa dalar förekommer oftare än höga ­toppar) på motgående ytor i Si3N4 än vad gäller stålytor.

Ytors självläkande egenskaper i en förorenad miljö

Även om mycket arbete har utförts på helstålslager är den slumpmässiga aspekten hos intryckningar en allvarlig komplikation i ­studiet av mekanismerna för skadeprogression och ytutmattning i samband med intryckningar. Att ­styra antal, geometri och placering av intryckningar är utmanande. Därför har man i många studier infört artificiella intryckningar. Dessa intryckningar, som produceras med hjälp av en Rockwell-kula på lagrens löpbanor, har använts för att studera ytutmattningslivslängdens minskning och skadeprocessen under rullnings-/­glidförhållanden för helstålslager. Begynnande skalning observerades vid bakkanterna av intryckningar, relativt rullningsriktningen. Ökad glidning eller hög ytfriktionsdragkraft skulle främja snabbare initiering av ytsprickor. Sprickorna drivs av maximal rätvinklig skjuvspänning som utvecklas nära ytan av bakkanterna [7, 8]. Storleken hos spänningarna beror på intryckningens geometri, smörjkvaliteten, nominellt kontakttryck och graden av rullning/glidning. Dessutom modellerades smörjfilmskollaps på framkanten av ­intryckningen, med förslitning och andra ytskador. Få studier har publicerats om prestanda hos hybrid­lager i förorenad miljö. Banbrytande arbete [3] har visat utmärkt förslitnings­beständighet under starkt förorenade oljesmörjningsförhållanden. En ”självläkande” mekanism relaterad till den högre Young-modulen och hårdheten hos Si3N4 föreslogs. Den genererade plastisk deformation av ­upphöjda kanter kring intryckningar på ­motgående stålytor, vilket reducerar ytutmatt­ning, skalning och destruktiv förslitning.

Fig. 3: Illustration av en artificiell intryckning på ett spårkullagers innerring, och geometri i tvärsnittet [9].

Fig. 3: Illustration av en artificiell intryckning på ett spårkullagers innerring, och geometri i tvärsnittet [9].

För ytterligare klargörande och kvantifiering gjordes en direkt jämförande studie i form av experiment och modellering av artificiella intryckningar på ­löpbanor av stål vid överrullning av rullkroppar i stål eller Si3N4 [9]. Sådana intryckningar skapades på innerringen till spårkullager av ­helståls- och hybridtyp (fig. 3). Lagren testades sedan under identiska driftförhållanden. Exemplet som visas i fig. 4 avsåg ett drifttillstånd med mycket god smörjning (fullfilm) och medelhögt kontakttryck. Med tanke på Young-modulen hos Si3N4-kulor innebär ­detta att hybridkontakten verkar med något högre nominellt kontakttryck (till exempel tabell 1). Regelbundna avbrott i testerna för inspektion och mätningar ­visade en märkbar skillnad mellan helståls- och hybridlager när det gäller ytbeteende och förändring av ­upphöjda kanter kring intryckningar (fig. 4a).

Fig. 4: a) Utveckling av artificiell intryckning under drift, b) i helstålslager med tillhörande mätningar av intryckningsprofil, c) i hybridlager med tillhörande mätningar av intryckningsprofil. Ytdetaljer av kanterna kring intryckningar vid fram- och bakkant för helstålslager, d) och e) respektive för hybridlager f) och g) [6].

Fig. 4: a) Utveckling av artificiell intryckning under drift, b) i helstålslager med tillhörande mätningar av intryckningsprofil, c) i hybridlager med tillhörande mätningar av intryckningsprofil. Ytdetaljer av kanterna kring intryckningar vid fram- och bakkant för helstålslager, d) och e) respektive för hybridlager f) och g) [6].

Helståls­lagret uppvisade begränsad plastisk deformation och formförändring av de upphöjda ­kanterna kring intryckningar (fig. 4b). Denna begränsade återanpass­ning upprätthåller en viss nivå av lokal tryckfördelning när den ­upphöjda kanten av ­intryckningen ­rullas över, så som visas i fig. 5b. Dessutom uppvisade löpbanorna tydliga ytskador. På intryckningens framkant (fig. 4d), där filmkollaps förväntas, kunde två mekanis­mer observeras: Ett visst mått av ytlig adhesiv förslitning och ­ytlig plastisk deformation genom mikrointryckningar från yttoppar, eftersom stålkulornas ytor ­också blir ojämnare när de rullar över intryckningen. Vid intryckningens bakkant, där större spänningskoncentration förväntas, uppvisade helstålslagret ytlig plastisk deformation av yttoppar, vilka orsakar mikrointryckningar i de ­upphöjda kanterna kring intryckningen. Under drift deformeras ­materialet och pressas ner i fördjupningen (fig. 4e). En liten ytspricka initieras och propagerar långsamt under fortsatt drift. Ytutmattnings­modellering [6, 7] indikerar en lokal ring av höga dragspänningar i ytan med därav följande utmattning (fig. 6a) och risk för sprickinitiering motsvarande den ­specifika platsen som observerats i tester (fig. 4b och fig. 4e).

I ett tidigt skede av driften utvecklade hybridlagret ­större och planare ­intryckningskanter (fig. 4a och fig. 4c). Mild ­förslitning som raderade finbearbetningsmärkena och upprätthöll en mycket slät yta (fig. 4f) ­observerades på framkanten redan från ­början. Si3N4-kulans yta förblev ­också i gott skick och behöll sin ursprungliga ytfinhet. Den tidigare ”shakedown”-effekten, det vill säga plastisk stabilisering där ­material pressades ner i fördjupningen förklarades med elastoplastiskt finit elementsimulering (fig. 5a). Den metoden visade högre spänningar och därmed högre lokal deformation för hybridkontakten. Efter ytterligare drifttid observerades mild förslitning (fig. 4g) även på bakkanten. Denna snabba, ­milda förslitning, som återanpassar intryckningens kanter och förändrar deras lutning (fig. 4a), stabiliseras under drift och intryckningens form utvecklas inte längre. Trycken reduceras tillräckligt för att stoppa den milda förslitnings­mekanismen.

Fig. 5: a) Elastoplastisk 2D-modell med torr kontakt och enkel spänning, med zon av höga von Mises-spänningar under de upphöjda kanterna. b) Jämförelse mellan lokal elastisk tryckfördelning över den upphöjda kanten under överrullning, för helståls- och hybridlager, mellan nyss bildad intryckning och intryckning efter en tids drift [6].

Fig. 5: a) Elastoplastisk 2D-modell med torr kontakt och enkel spänning, med zon av höga von Mises-spänningar under de upphöjda kanterna. b) Jämförelse mellan lokal elastisk tryckfördelning över den upphöjda kanten under överrullning, för helståls- och hybridlager, mellan nyss bildad intryckning och intryckning efter en tids drift [6].

Även om de lokala trycken till en början var högre för hybridlagret innebar ­återanpassningen av intryckningens form att det ­lokala trycket reducerades till en nivå liknande den för helståls­lager (fig. 5b) för detta ­testförhållande. Förutom denna minskning av lokalt tryck visade ytutmattnings­modellering [9, 10] en minskning av tryckgradienten vid intryckningens upphöjda kanter. Ännu viktigare, och i synnerhet med tanke på den lokala tunna smörjfilmen på intryckningens kanter, visar ytutmattnings­modelleringen ­lägre dragspänningar i ytan och lägre ackumulerad ytutmattning eller risk för sprickinitiering (fig. 6b). Detta beror på den lägre gränsfriktionskoefficienten i hybridkontakten [6].

Fig. 6: Ytutmattningsmodellering av ny intryckning och simulerad till 250 miljoner varv för ackumulerad utmattning. Framkanten är till höger i varje bild, bakkanten till vänster [6].

Fig. 6: Ytutmattningsmodellering av ny intryckning och simulerad till 250 miljoner varv för ackumulerad utmattning. Framkanten är till höger i varje bild, bakkanten till vänster [6].

En intryckningsrelaterad livslängd fastställdes under lika belastningsförhållanden för helståls- och hybridlager (fig. 3). Hybridlagret, som arbetar vid högre maximalt kontakttryck och med tunnare smörjfilm, gav fortfarande högre intryckningsrelate­rad livslängd än helstålslager som arbetar vid lägre maximalt kontakt­tryck och under fullfilmssmörjning (fig. 7).

Fig. 7: Relativ intryckningsrelaterad livslängd för helståls- och hybridlager under samma belastningsförhållanden, smörjkvalitet (kappa-förhållanden) var 4 för helståls- och 1 för hybridlager [6].

Fig. 7: Relativ intryckningsrelaterad livslängd för helståls- och hybridlager under samma belastningsförhållanden, smörjkvalitet (kappa-förhållanden) var 4 för helståls- och 1 för hybridlager [6].

Dessa resultat kan ses som kontraintuitiva, men de ­illustre­rar fördelarna med hybridlager i fall av bristande smörjning samt ­närvaro av yttoppar och ­friktionsspänningar – ­oberoende av om dessa omständigheter ­beror på intryckningar eller allmänt otillräcklig smörjning. De presenterade mekanismerna kommer att ­kompensera för eventuella ­djupare intryckningar i ­hybridkontakten under överrullning av partiklar, som har ­rappor-
terats för rena rullningsförhållanden [11]. Dessa fördelar uppväger med marginal nackdelarna med högre kontakttryck i hybridkontakterna inom ett visst intervall av belastningsförhållanden. Men i sällsynta fall, där mycket höga kontakttryck förekommer, kan denna positiva balans äventyras eller försämras.

Sammanfattning

Hybridlager är mycket mindre benägna att drabbas av ytutmatt­ning än helstålslager. Detta beror på lägre gränsfriktion och gynnsam yttopografi hos kiselnitrid i lager.

I ett hybridlager utsätts endast den motgående stålytan för mild förslitning, medan den keramiska komponenten förblir nästan oförändrad.

Vid drift under förorenade förhållanden bidrar mild förslitning, plastisk deformation och upprätthållande av släta ytor på intryckningskanterna i hybridlager till en minskning av lokala spänningar.

Hybridlager visar sig ha god beständighet mot ytutmattning och mot skador från kollapsande smörjfilm kring intryckningar under gränsskiktssmörjning. Detta ger längre intryckningsrelaterad livslängd för hybridlager.

 


Referenser

[1] Lewinschal, L., ”Bearings for high speed operation”, SKF Evolution, No. 2 1994, pp. 22-26. http://evolution.skf.com/bearings-for-high-speed-operations/
[2] Hultman, A., Weimarck, A.K., ”Hårda material för en hård verklighet”, SKF Evolution, nr 4 1998, sid. 25-26. http://evolution.skf.com/sv/harda-material-for-en-hard-verklighet/
[3] Gabelli, A., Kahlman, L., ”Nya självläkande lager”, SKF Evolution nr 3 1999, sid. 26-28.
http://evolution.skf.com/sv/nya-sjalvlakande-lager/
[4] Morales Espejel, G.E., Hauleitner, R., Wallin, H.H. ”Kylande smörjning”, SKF Evolution, nr 1 2017, sid. 26-30. http://evolution.skf.com/sv/ren-koeldmediumsmoerjning-i-oljefria-centrifugalkompressorer/
[5] Morales-Espejel, G.E., and Brizmer, V. (2011), ”Micropitting Modelling in Rolling-Sliding Contacts: Application to Rolling Bearings”, Tribol. Trans., 54(4), pp. 625-643.
[6] Brizmer, V., Gabelli, A., Vieillard, C., and Morales-Espejel, G.E. (2015), ”An Experimental and Theoretical Study of Hybrid Bearing Micropitting Performance under Reduced Lubrication”, Tribology Transactions, 58, pp. 829-835.
[7] Morales-Espejel, G.E., Gabelli, A., ”The behaviour of indentation marks in rolling-sliding elastohydrodynamically lubricated contacts”, Tribology Transactions, 54, pp. 589-606, 2011.
[8] Morales-Espejel, G.E., Gabelli, A., ”The progression of surface rolling contact fatigue damage of rolling bearing with artificial dents”, Tribology Transactions, 58, pp. 418-431, 2015.
[9] C. Vieillard, Y. Kadin, G.E. Morales-Espejel, A. Gabelli (2016), ”An experimental and theoretical study of surface rolling contact fatigue damage progression in hybrid bearings with artificial dents”, Wear, pp. 364-365, pp. 211-223.
[10] Morales-Espejel, GE, Brizmer, V., Stadler, K., ”Förstå och förebygg ytutmattning”, SKF Evolution, nr 4 2011, sid. 26-31. http://evolution.skf.com/sv/understanding-and-preventing-surface-distress/
[11] V. Strubel, N. Fillot, F. Ville, J. Cavoret, P. Vergne, A. Mondelin, Y. Maheo., ”Particle entrapment in hybrid lubricated point contacts”, Tribology Transactions 2016, VOL. 59, No. 4, pp. 768-779.

Relaterat innehåll