Khái niệm Mô hình vòng đời tổng quát (GBLM) cho vòng bi

Gần đây, SKF đã giới thiệu khái niệm Mô hình vòng đời tổng quát (GBLM) cho vòng bi. Kể từ đó, công việc đã tiếp tục tập trung vào vòng bi cho các ứng dụng cụ thể và xác nhận thử nghiệm mô hình. Một ứng dụng phù hợp của mô hình này là tính toán tuổi thọ của vòng bi tổ hợp. Vòng bi tổ hợp là vòng bi có vòng làm bằng thép và các yếu tố lăn làm từ silicon nitride gốm (Si 3 N 4 ).

Vòng bi tổ hợp được sử dụng trong các điều kiện ứng dụng khó khăn, ví dụ, bôi trơn kém và / hoặc mức độ ô nhiễm cao. Do độ cứng của vật liệu gốm cao hơn, diện tích tiếp xúc Hertzian nhỏ hơn một chút trong vòng bi tổ hợp, dẫn đến áp lực tiếp xúc và ứng suất dưới bề mặt cao hơn so với ổ trục bằng thép có hình học tương đương. Về nguyên tắc, điều này sẽ làm giảm tuổi thọ mỏi của ổ trục. Tuy nhiên, nó đã được quan sát thấy rằng trong các ứng dụng điển hình, vòng bi tổ hợp tồn tại lâu hơn. Làm thế nào để giải thích hành vi kỳ quặc này? Làm thế nào để mô hình hóa nó? Bài viết này giải quyết những câu hỏi này và cũng cho thấy GBLM có thể mô hình hóa và giải thích tốt các quan sát trong lĩnh vực này. SKF GBLM cho vòng bi tổ hợp hiện đang được phát hành.

Vòng bi tổ hợp có vòng làm bằng thép chịu lực và các yếu tố lăn làm từ silicon nitride cấp vòng bi (Si 3 N 4) (hình 1). Silicon nitride là vật liệu gốm (tức là phi kim loại) được đặc trưng bởi độ cứng cao, mô đun đàn hồi cao, khả năng chịu nhiệt độ cao và kháng hóa chất, mật độ thấp và độ dẫn và độ dẻo kém. Bởi vì vật liệu gốm silicon nitride là một chất cách điện tuyệt vời như vậy, vòng bi tổ hợp có thể được sử dụng để cách nhiệt hiệu quả vỏ khỏi trục trong cả động cơ AC và DC cũng như trong máy phát điện. Vòng bi tổ hợp hoạt động tốt trong điều kiện bôi trơn kém và ô nhiễm rắn so với vòng bi thép, mặc dù dưới tải trọng bằng nhau (do độ cứng cao hơn của các phần tử lăn gốm), ứng suất tiếp xúc cao hơn.

Ngoài ra, vòng bi tổ hợpcó khả năng tốc độ cao hơn và cung cấp trong hầu hết các trường hợp tuổi thọ vòng bi dài hơn trong cùng điều kiện hoạt động so với vòng bi bằng thép có cùng kích thước. Vòng bi tổ hợp cũng hoạt động rất tốt trong điều kiện gia tốc cao, dao động hoặc dao động. Đối với các ứng dụng tốc độ cao như trục chính máy công cụ và bộ tăng áp, có thể cần có hình học ổ trục đặc biệt, vật liệu và hệ thống bôi trơn. Kỳ vọng là xu hướng này sẽ tiếp tục, và nhiều ứng dụng công nghiệp hiện đại khác sẽ khám phá và tận dụng các khả năng độc đáo được cung cấp bởi vòng bi, bạc đạn tổ hợp.

Việc sử dụng gốm làm vật liệu vòng bi được đề xuất lần đầu tiên vào những năm 1960 cho vòng bi nhiệt độ cực cao cho các ứng dụng không gian và không gian. Bằng phương pháp kiểm tra độ mỏi tiếp xúc lăn thành phần, người ta đã xác định rằng silicon nitride ép nóng hoàn toàn đậm đặc có đặc tính mỏi tiếp xúc lăn (RCF) tốt nhất khi so sánh với các vật liệu gốm khác. Sự thay đổi đáng kể trong hiệu suất mỏi cũng được trải nghiệm từ các lô sản xuất bóng silicon nitride dường như giống hệt nhau. Trong những năm 1980 Lorösch et al. (1980) [4] đã thực hiện thử nghiệm tuổi thọ mỏi của vòng bi tiếp xúc góc tổ hợp. Sử dụng chất lượng tốt nhất của bóng silicon nitride, họ phát hiện ra rằng điện trở RCF của ổ trục tổ hợp có thể so sánh với một trong những ổ trục bằng thép được thử nghiệm dưới cùng tải – mặc dù áp suất tiếp xúc tăng 12% trong vòng bi tổ hợp. Tuy nhiên, một thử nghiệm bổ sung của một loạt bóng silicon nitride thứ hai tạo ra tuổi thọ mỏi kém, cho thấy mức độ quan trọng của chất lượng của các quả bóng gốm trong việc đạt được hiệu suất cuộc sống mỏi tốt.

Trong những năm qua, chất lượng và độ tin cậy của các yếu tố cán gốm đã tăng đáng kể. Sự ra đời của các phương pháp đánh giá không phá hủy (NDE) kết hợp với sự tiến bộ liên tục về độ tinh khiết của vật liệu silicon nitride và công nghệ thiêu kết cuối cùng đã cho phép các kỹ sư phát triển hiệu suất RCF đáng tin cậy và nhất quán của bóng silicon nitride, Galbato et al. Do đó, những năm 1990 đã chứng kiến ​​sự tăng trưởng đáng kể trong việc sử dụng vòng bi tổ hợp trong các trục máy công cụ tốc độ cao với lợi ích đáng kể cho khả năng tốc độ và độ chính xác của các thành phần cơ khí này, Cundill.

Mục tiêu của công việc hiện tại

Từ đánh giá về sự phát triển ổ trục tổ hợp, người ta thấy rằng độ bền mỏi của silicon nitride cấp mang đã có những bước tiến vượt bậc trong suốt 20 năm qua. Hiệu suất RCF của các quả bóng silicon nitride đã tăng lên hai bậc độ lớn kể từ đầu những năm 1980. Thử nghiệm tuổi thọ mỏi của vòng bi tổ hợp cũng cho thấy rõ ràng rằng phần tử lăn gốm là thành phần đáng tin cậy nhất trong hệ thống ổ trục. Tuy nhiên, tác động của việc tăng áp suất tiếp xúc 12% trong vòng bi tổ hợp là một đặc điểm có thể quan sát được trong điều kiện chạy khi mỏi tiếp xúc dưới bề mặt là cơ chế thiệt hại chủ yếu chi phối hiệu suất của ổ trục. Hình 3a cho thấy biểu đồ xác suất Weibull của các bài kiểm tra độ bền được thực hiện bởi Forster et al. [8] của vòng bi tổ hợp và thép hoàn toàn được thử nghiệm trong cùng điều kiện thử nghiệm. Biểu đồ cho thấy trong điều kiện tải nặng và điều kiện bôi trơn thuận lợi, độ mỏi dưới bề mặt chi phối hiệu suất mỏi mang. Do đó, vòng bi tổ hợp chịu áp lực tiếp xúc cao tạo ra xác suất thất bại cao hơn trong một thời gian chạy nhất định, so với biến thể dòng cơ sở hoàn toàn bằng thép đang chạy ở áp suất 3,1 GPa. (Lưu ý: điều này đạt được với ý nghĩa thống kê yếu, với mức độ chồng chéo của thanh tin cậy 90% như trong biểu đồ Weibull. 5 GPa) tạo ra xác suất thất bại cao hơn trong một thời gian chạy nhất định, so với biến thể dòng cơ sở hoàn toàn bằng thép đang chạy ở áp suất 3,1 GPa. (Lưu ý: điều này đạt được với ý nghĩa thống kê yếu, với mức độ chồng chéo của thanh tin cậy 90% như trong biểu đồ Weibull của hình 3a). 5 GPa) tạo ra xác suất thất bại cao hơn trong một thời gian chạy nhất định, so với biến thể dòng cơ sở hoàn toàn bằng thép đang chạy ở áp suất 3,1 GPa. (Lưu ý: điều này đạt được với ý nghĩa thống kê yếu, với mức độ chồng chéo của thanh tin cậy 90% như trong biểu đồ Weibull.

Phương pháp mô hình hóa tổng quát

Một phương trình cuộc sống tổng quát được thiết lập trong [1], với các thuật ngữ riêng cho bề mặt và bề mặt dưới (hình 4). Lưu ý rằng tuổi thọ L của ổ trục theo số vòng quay có thể liên quan đến số chu kỳ tải N theo mối quan hệ L = N / u , trong đó u là số chu kỳ tải diễn ra ở mỗi vòng quay.
Trong xếp hạng tuổi thọ, độ dốc chuẩn của số liệu thống kê Weibull được thông qua, chúng ta có thể đặt e. 10 là tuổi thọ vòng bi 10% ngụ ý 90% tỷ lệ sống của vòng bi S = 0,9 và phương trình vòng đời có thể được viết dưới dạng phương trình (1):

 

Phương trình (1) đại diện cho cơ sở của mô hình vòng đời chịu lực tổng quát, phân tách rõ ràng sự tích lũy thiệt hại bề mặt khỏi sự mệt mỏi dưới bề mặt. Thuật ngữ dưới bề mặt của phương trình (1), được biểu thị bằng tích phân thể tích, có thể được giải bằng cách sử dụng các phương pháp mỏi tiếp xúc lăn được thiết lập như được giải thích trong tài liệu tham khảo [1]. Tuy nhiên, thuật ngữ bề mặt được cho bởi tích phân diện tích của phương trình (1) phải được định lượng theo cách hoàn toàn khác. Đánh giá của nó đòi hỏi phải ước tính thiệt hại bắt nguồn từ các điều kiện ứng suất thực tế của bề mặt mương dưới nhiều điều kiện vận hành có thể xảy ra đối với ổ trục.
Nhiệm vụ này rất phức tạp, nhưng nó cung cấp khả năng xem xét nhất quán, trong ước tính tuổi thọ của vòng bi tổ hợp, hiện tượng hoạn nạn đặc trưng cho đặc tính hiệu suất và độ bền của tiếp xúc mương thép-gốm như mô tả trong [2].

Bề mặt tồn tại của giao diện gốm-thép

Phương trình (1) có thể được viết tổ hợp dưới dạng biểu thị rõ ràng sự tách biệt giữa sự đóng góp của bề mặt mương với tuổi thọ của ổ trục..

 

Đối với kích thước ổ trục nhất định và không bao gồm các điều khoản không đổi, thiệt hại mỏi bề mặt của phương trình (2) là hàm trực tiếp của các tác động kết hợp của các điều kiện ứng suất mà bề mặt mương trải qua trong quá trình lăn tiếp xúc.

 

Việc đánh giá tích phân thiệt hại bề mặt có thể được thực hiện bằng cách tích hợp các ứng suất bắt nguồn bề mặt của mương do nhiều điều kiện vận hành của ổ trục.
Trong công thức hiện tại, ứng suất bề mặt và tích lũy thiệt hại có thể được xử lý bằng cách sử dụng mô hình ứng suất bề mặt tiên tiến cho các tiếp xúc thô trượt trượt bôi trơn elastohydrodynamic, ví dụ, mô hình micro-EHL, Morales-Espejel et al. [10]. Cách tiếp cận này cũng có thể xử lý các điều kiện bôi trơn ranh giới và sự hiện diện của các vết lõm và yêu cầu sử dụng các mẫu khu vực 3D của độ nhám của mương (bao gồm cả vi phẫu thuật thụt đầu dòng) (hình 5).

Việc sử dụng các phân tích ứng suất bề mặt tiên tiến dựa trên Micro-EHL có thể tốn thời gian và không thực tế cho các tính toán tuổi thọ định mức mang chung. Do đó, một nghiên cứu tham số đã được thực hiện để rút ra phương trình phân tích đơn giản hóa để cho phép ước tính nhanh thiệt hại mỏi bề mặt của vòng bi tổ hợp trong điều kiện vận hành của ứng dụng ổ trục. Đối với nghiên cứu tham số này, một số địa hình bề mặt đã được thu thập bằng các phép đo giao thoa quang học 3D của mương mang (hình 5).

Đối với công việc này, khoảng 100 mẫu mương rãnh sâu, tiếp xúc góc và vòng bi vòng bi tổ hợp xuyên tâm được thu thập. Việc lấy mẫu bao gồm các mương mang được chạy trong các điều kiện môi trường khác nhau, nghĩa là, điều kiện bôi trơn sạch và bị ô nhiễm.
Từ các hình học vi mô bề mặt được thu thập, một số mô phỏng số của tích phân ứng suất mỏi bề mặt tiếp xúc đã được thực hiện. Ảnh hưởng của ô nhiễm dầu nhờn đã được đưa vào các mô phỏng bằng cách tính đến sự hiện diện của các địa hình nha khoa và các lực kéo bề mặt cục bộ. Trong các mô phỏng số, các điều kiện bôi trơn của ổ trục được mô hình hóa bằng cách thực hiện các mô phỏng Micro-EHL thoáng qua của tiếp xúc lăn cho các độ dày màng bôi trơn khác nhau.

Các kết quả bằng số của nghiên cứu tham số về tích phân ứng suất bề mặt đối với vòng bi tổ hợp cho thấy khả năng biểu diễn đại lượng này bằng cách sử dụng công thức phân tích. Nó đã được tìm thấy rằng tất cả các kết quả số có thể được xấp xỉ tốt bởi một hàm số mũ. Về cơ bản, chức năng này phụ thuộc vào hai tham số chính – tương tải   r = P / P u của sự tiếp xúc lăn và các yếu tố bôi trơn môi trường của các ứng dụng mang, η env = η lub ∙ η tiếp , phương trình (4): Các 1 ⋯ n

Xét về phương trình phụ thuộc vào các điều kiện môi trường của các ứng dụng ( η env ), có thể được lấy trực tiếp từ các dầu bôi trơn ( η lub ) và ô nhiễm ( η tiếp ) các yếu tố được sử dụng trong các ứng dụng mang.

Ứng dụng mô hình

Mô hình vòng đời mang tính tổng quát của phương trình có thể được áp dụng để biểu diễn dữ liệu kiểm tra độ bền của Forster [8] và Chiu [9] đã được thảo luận trước đó.

Các thử nghiệm đã được thực hiện trên vòng bi tiếp xúc góc 7208. Tổng cộng có 40 vòng bi tổ hợp đã được thử nghiệm, dẫn đến 12 lần hỏng hóc. Đối với biến thể hoàn toàn bằng thép, 32 vòng bi đã được thử nghiệm độ bền, dẫn đến 21 lần hỏng hóc. Chi tiết hình học của mẫu thử nghiệm và các điều kiện tải và ứng suất liên quan được sử dụng trong các thử nghiệm độ bền được thể hiện trong Bảng 1.

Một sự khác biệt lớn giữa hai thử nghiệm có liên quan đến điều kiện tải và môi trường bôi trơn trong đó các thử nghiệm được tiến hành. Trong trường hợp thử nghiệm độ bền của Forster, tải trọng nặng hơn, dẫn đến áp suất tiếp xúc Hertzian là 3,5 GPa cho biến thể vòng bi tổ hợp. Hệ thống lưu thông dầu được cung cấp lọc tốt. Hơn nữa, các điều kiện bôi trơn là tốt với giá trị kappa khoảng 2,5. Yếu tố môi trường GBLM do các điều kiện bôi trơn đã cho là η env= 0,85. Điều này dẫn đến một giá trị thấp trong chỉ số của ứng suất bề mặt. Thật vậy, trong các điều kiện vận hành nhất định, độ mỏi dưới bề mặt kiểm soát hiệu suất của tiếp điểm lăn. Do đó, các điều kiện vận hành thử nghiệm của Forster có lợi cho biến thể chịu lực bằng thép 7208, hoạt động ở mức áp suất Hertzian thấp hơn 3,1 GPa và do đó sẽ tạo ra thiệt hại mỏi thấp hơn cho mỗi chu kỳ cán quá mức.

Trong trường hợp thử nghiệm độ bền của Chiu, tải trọng áp dụng thấp hơn đáng kể, dẫn đến ứng suất Hertzian tối đa là 2,6 GPa cho biến thể vòng bi tổ hợp. Nhiệt độ chạy của các thử nghiệm cao hơn (150 o C), cung cấp các điều kiện bôi trơn ít thuận lợi hơn cho ổ trục. Hơn nữa, các thử nghiệm đã được tiến hành với các khuyết tật mương gây ra để tái tạo các điều kiện ô nhiễm điển hình gặp phải trong nhiều ứng dụng ổ trục. Điều này đạt được bằng cách chạy trong vòng bi trong 15 phút trong dầu có chứa các hạt oxit nhôm 2,5 ppm có kích thước 20 Thay đổi. Yếu tố môi trường GBLM kết quả đặc trưng cho các điều kiện hoạt động đã cho là, trong trường hợp này là thấp, tức là η env = 0,035.

Trong trường hợp thử nghiệm độ bền của Chiu, với điều kiện tải và môi trường nhất định, vai trò của độ bền mỏi bề mặt chi phối sự tồn tại của ổ trục. Nói cách khác, có một chỉ số cao về ứng suất bề mặt nên độ mỏi bề mặt sẽ kiểm soát hiệu suất mỏi của ổ trục. Chỉ số ứng suất bề mặt được phát triển riêng cho vòng bi tổ hợp sẽ đóng vai trò ở đây ủng hộ hiệu suất mỏi của vòng bi lai, bù cho ứng suất Hertzian cao hơn (2,6 GPa) có trong tiếp xúc với gốm-thép.

Các điều kiện chạy được thảo luận ở trên của thử nghiệm độ bền của vòng bi tổ hợp đã được đưa vào trong một mã tính toán tuổi thọ ổ trục ad hoc với việc thực hiện mô hình tuổi thọ ổ trục tổng quát theo phương trình (4). Hiệu suất cuộc sống của biến thể 7208, chịu lực bằng thép cũng được tính toán bằng phiên bản tương đương của GBLM như được thảo luận trong Morales-Espejel [1]. Các kết quả của tuổi thọ mỏi 10% được tính toán tương ứng với các biến thể thử nghiệm và ổ trục khác nhau được trình bày trong các lô của quả sung Weibull. 7a và 7b. Tuổi thọ của độ bền dự đoán, tính bằng hàng triệu vòng quay, được thể hiện trong các ô có các đường thẳng đứng mỏng được dán nhãn theo biến thể ổ trục tương ứng của phép tính.

Việc kiểm tra kết quả mô hình GBLM, liên quan đến kết quả kiểm tra của Forster, được trình bày trong hình. 7a. Cốt truyện cho thấy cuộc sống mệt mỏi được dự đoán cho các biến thể hybrid và toàn thép được đặt ở mức thấp hơn trong khoảng tin cậy 90% của xác suất thất bại 10% của kết quả kiểm tra độ bền. Điều này có nghĩa là các thử nghiệm độ bền của Forster xác nhận kết quả mô hình GBLM với mức độ có ý nghĩa thống kê cao.

Các kết quả mô hình liên quan đến các bài kiểm tra độ bền của Chiu được trình bày trong hình. 7b. Trong trường hợp này dự đoán có mức ý nghĩa thống kê thấp hơn. Điều này có thể là do số lượng thất bại thấp cho biến thể và một lỗi sớm ảnh hưởng đến kết quả của kết quả thử nghiệm toàn thép. Tuy nhiên, kết quả độ bền mang GBLM đều thấp hơn L 10,50 thử nghiệm và hoàn toàn phù hợp với các quan sát thử nghiệm. Thật vậy, mô hình cho thấy khả năng thể hiện tốt tuổi thọ mỏi tiếp xúc lăn dài hơn đáng kể của biến thể  mặc dù áp suất tiếp xúc cao hơn trong ổ trục này trong quá trình thử nghiệm.

Tóm tắt và kết luận

Những tiến bộ đáng kể trong việc cải thiện chất lượng gốm cho vòng bi SKF đã cho phép vòng bi trở nên đáng tin cậy và hoạt động, đặc biệt là trong điều kiện khắc nghiệt khó khăn (bôi trơn kém và / hoặc ô nhiễm cao). Do đó, tuổi thọ định mức cho các loại vòng bi này có thể được dự đoán một cách đáng tin cậy. Mô hình tuổi thọ vòng bi tổng quát SKF (GBLM) cho phép phân tách tỷ lệ sống bề mặt và bề mặt dưới bề mặt đã được áp dụng để tính tuổi thọ định mức của vòng bi tổ hợp SKF đã phát triển một mô hình và một công cụ máy tính cho tính toán này. Mô hình này đã được áp dụng cho mục đích trình diễn trong hai loạt thử nghiệm độ bền được công bố, cho thấy kết quả phản trực giác. Trong một trường hợp (được bôi trơn tốt, sạch và tải nặng), vòng bi tổ hợp cho thấy hiệu suất thấp hơn so với vòng bi bằng thép đối tác của nó, trong khi trong trường hợp khác (tải nhẹ hơn nhưng được bôi trơn kém và nhiễm bẩn nhiều hơn), vòng bi tổ hợp cho thấy hiệu suất vượt trội. Chỉ GBLM, một mô hình có thể phân tách sự sống sót bề mặt và dưới bề mặt, mới có thể tái tạo các kết quả này.

Các kết luận sau đây có thể được tóm tắt :

  1. Việc ước tính độ mỏi tiếp xúc lăn của vòng bi tổ hợp đòi hỏi phải tính toán độ mỏi dưới bề mặt, điều này ít thuận lợi hơn đối với vòng bi lai, và độ mỏi bề mặt, điều này thuận lợi hơn cho vòng bi tổ hợp.
  2. Bằng cách tách biệt sự sống sót bề mặt và bề mặt dưới, SKF GBLM có thể cân bằng hai cơ chế gây tổn thương mỏi và cung cấp một mô tả tốt về hành vi RCF của vòng bi tổ hợp.
  3. SKF đã phát triển và triển khai trong các công cụ máy tính tính toán tuổi thọ xếp hạng GBF của SKF cho vòng bi tổ hợp. Do đó, khách hàng giờ đây có thể tận dụng tối đa ứng dụng của vòng bi, bạc đạn SKF tổ hợp.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

error: Content is protected !!