Phương pháp và chiến lược thử nghiệm vòng bi

Là các yếu tố máy được thiết kế cho nhiều ứng dụng, vòng bi tiếp xúc có thể tiếp xúc với các điều kiện hoạt động rất khác nhau và cũng đầy thách thức. Ngoài ra, vì vòng bi là bộ phận tiêu chuẩn, các nhà cung cấp có thể thay thế cho nhau và cần phải liên tục theo dõi cả chất lượng và hiệu suất kỹ thuật. Thử nghiệm trên các giàn thử nghiệm là phương pháp đáng tin cậy nhất để xác minh sản phẩm. Ấn phẩm này cung cấp một cái nhìn tổng quan về các phương pháp thử nghiệm khác nhau, các thiết bị cần thiết và các chiến lược thử nghiệm. Các phương pháp thử nghiệm chính là cho mô-men xoắn ma sát hoặc nhiệt độ và độ bền. Cả hai đều có sự biện minh của họ tùy thuộc vào những gì quan trọng nhất trong ứng dụng liên quan. Liên quan đến thiết bị kiểm tra, hai các tùy chọn tiêu chuẩn do Elgeti Engineering GmbH cung cấp sẽ được thảo luận và so sánh với các khái niệm giàn thử nghiệm phổ biến khác hiện có trên thị trường. Một điểm tham chiếu cụ thể là thiết bị thử nghiệm FE8 được mô tả trong DIN 51819 và rất phổ biến để nghiên cứu về vòng bi trong các trường đại học kỹ thuật lớn. Cuối cùng, các chiến lược thử nghiệm cho các trường hợp khác nhau được phát triển và giải thích.

Những lý do chính để thử nghiệm mang là: Xác nhận kỹ thuật / phê duyệt nhà cung cấp Đánh giá so sánh (áp dụng cho các nhà cung cấp khác nhau hoặc các phương pháp sản xuất khác nhau.
Kiểm soát chất lượng liên tục để kiểm tra đến hoặc đi. Do sự phức tạp liên quan đến thử nghiệm, các phương pháp và chiến lược phù hợp là rất cần thiết để cân bằng thời gian, chi phí và lợi ích.

Phương pháp kiểm tra
Trong số các phương pháp thử nghiệm, trước hết phải phân biệt giữa thử nghiệm cho mô men ma sát hoặc nhiệt độ và thử nghiệm độ bền. Kiểm tra ma sát và nhiệt độ có thể giúp hiểu được ảnh hưởng của các điều kiện vận hành khác nhau đến mô-men ma sát và nhiệt độ cân bằng. Các thử nghiệm như vậy có thể giúp đánh giá tổn thất điện năng do ma sát góp phần vào hiệu quả hệ thống tổng thể. Ví dụ, tổn thất trong các yếu tố mang riêng lẻ trong hệ thống truyền động của ô tô và do đó tổng hiệu quả của hệ thống truyền lực có thể được đánh giá. Phương pháp thử nghiệm này cũng có thể được sử dụng để cung cấp đánh giá nhanh về các tiêu chuẩn chất lượng của việc giao hàng thường xuyên (kiểm tra đến) và để xác định giới hạn hiệu suất. Cuối cùng, nhiệt độ trạng thái ổn định có thể là một tiêu chí giới hạn hiệu suất cho vòng bi bôi trơn bằng mỡ.

Kiểm tra độ bền được sử dụng để đánh giá tuổi thọ vòng bi, bạc đạn dưới sử dụng bền vững. Thử nghiệm có thể được sử dụng để xác nhận nếu hiệu suất của ổ trục và chất bôi trơn tuân thủ các thông số kỹ thuật hoặc mong đợi. Khi chuyển sang hoặc mua một nhà cung cấp mới, người ta thường cần đảm bảo rằng hiệu suất của sản phẩm mới tốt hơn – hoặc ít nhất là không tệ hơn – so với nhà cung cấp hiện tại. Một thử nghiệm độ bền tăng tốc có thể cung cấp một đánh giá so sánh nhanh chóng của các nhà cung cấp khác nhau và giúp một người đưa ra quyết định sáng suốt. Một bài kiểm tra độ bền vượt ra ngoài xếp hạng tuổi thọ lý thuyết cũng có thể cung cấp một bài kiểm tra nhanh để kiểm tra đến.

Thiết lập giàn khoan thử nghiệm được cung cấp bởi Elgeti Engineering có thể được phân loại là tiêu chuẩn và tùy chỉnh. Một thiết lập tiêu chuẩn cung cấp giải pháp hiệu quả nhất về chi phí để đánh giá chất lượng và hiệu suất ổ trục. Các thiết lập này cung cấp khả năng mô phỏng tải trọng dọc trục, hướng tâm hoặc kết hợp. Điều quan trọng cần lưu ý là trong trường hợp các ứng dụng tải kết hợp, tải trọng trục và hướng tâm không độc lập với nhau do ma sát giữa dụng cụ và vỏ. Do đó, thử nghiệm hướng trục hoặc hướng tâm thuần túy có thể là phương pháp ưa thích ngay cả khi tải kết hợp sẽ được dự kiến ​​trong ứng dụng liên quan.

So với các thiết lập thử nghiệm tiêu chuẩn, các thiết lập tùy chỉnh của Elgeti Engineering cho phép ứng dụng tùy chỉnh tải mà theo đó các điều kiện thử nghiệm thực tế hơn có thể đạt được. Thiết bị thử nghiệm này đặc biệt phù hợp với vòng bi trung tâm bánh xe tải, vòng bi ròng rọc hoặc hành tinh trong đó ngoài tải trọng trục và hướng tâm, một khoảnh khắc nghiêng phải được mô phỏng.

Kiểm tra thiết bị
Các giàn thử nghiệm tiêu chuẩn trên toàn thế giới sử dụng các khái niệm thử nghiệm chính rất giống nhau. Chúng được phân biệt chủ yếu dựa trên các phương pháp kiểm soát nhiệt độ và ứng dụng tải cũng như mức độ tự động hóa. Một sự thỏa hiệp giữa chi phí và độ chính xác của thiết bị cần thiết cũng như chi phí và ý nghĩa thống kê cần thiết là cần thiết. Kiểm soát chính xác hơn và mức độ tự động hóa cao hơn đi kèm với sự gia tăng chi phí. Do đó, một bài kiểm tra nên đơn giản nhất có thể trong khi càng phức tạp càng cần thiết. Nếu thử nghiệm độ chính xác cao là quá đắt, có khả năng người ta sẽ từ chối dịch vụ. Trong những trường hợp như vậy, thử nghiệm không chính xác vẫn sẽ là lựa chọn tốt hơn so với không thử nghiệm nào cả.

Có ba khái niệm chính để kiểm soát nhiệt độ. Không kiểm soát ở tất cả các kết quả trong chi phí thấp nhất. Trong trường hợp này, các điều kiện môi trường được dự kiến ​​là không đổi hoặc ít nhất là có thể lặp lại. Phương pháp thứ hai sử dụng 4 vỏ được gia nhiệt là phổ biến cho ứng dụng tốc độ thấp, chẳng hạn như thử nghiệm chất bôi trơn trong vòng bi ở ma sát hỗn hợp cực lớn với giàn thử FE8 theo DIN 51819.

Phương pháp thứ ba, được thực hiện trên các giàn thí nghiệm Elgeti Engineering, như trong Hình 5, cung cấp kiểm soát hoàn toàn và chính xác mức độ làm mát và tốc độ dòng dầu và do đó nhiệt độ dầu. Một sơ đồ điều khiển vòng kín được thực hiện theo đó tốc độ quay của động cơ quạt làm mát trao đổi nhiệt được điều khiển theo nhiệt độ dầu đo được (trung bình của nhiệt độ dầu đầu vào và đầu ra tại vỏ). Nếu cần thiết, tốc độ quay của động cơ bơm cũng có thể được kiểm soát. Một thiết bị sưởi ấm tùy chọn có thể được đưa vào mạch dầu bôi trơn nếu hoạt động nếu cần nhiệt độ cao hơn.

Có bốn phương pháp chính cho ứng dụng tải. Một ứng dụng tải thô có thể đạt được bằng cách sử dụng lò xo tấm tải sẵn với vòng đệm, như trường hợp trong giàn thử tiêu chuẩn FE8. Mặc dù nó là một giải pháp chi phí rất thấp, nhưng nó cung cấp độ chính xác rất thấp. Một phương pháp khác bao gồm truyền tải thủy lực bằng cách sử dụng trọng lượng. Điều này cung cấp độ chính xác vừa phải so với lò xo tấm với chi phí tăng. Phương pháp này được sử dụng trong phần lớn các giàn thí nghiệm chịu lực hiện nay.

Một phương pháp thứ ba, được thực hiện trong các giàn thí nghiệm Elgeti Engineering, sử dụng các xi lanh thủy lực với một vòng điều khiển khép kín của áp suất thủy lực. Phương pháp này cũng cung cấp độ chính xác vừa phải nhưng với chi phí tăng nhẹ so với phương pháp trước đó. Ưu điểm chính so với các phương pháp đã đề cập trước đó là tự động hóa cho phép áp dụng các chu kỳ tải phức tạp. Các ứng dụng điển hình là vận hành trơn tru và tự động tăng tải nếu không có lỗi trong một thời gian xác định.

Phương pháp thứ tư đạt được độ chính xác cao hơn bằng cách đo tải trực tiếp bằng các tế bào tải thay vì đo áp suất thủy lực. Các giàn thử nghiệm Elgeti Engineering cũng tương thích với phương pháp này như trong Hình 6. Các đặc điểm của các phương pháp ứng dụng tải khác nhau được tóm tắt trong bảng 1.

Trước khi phát triển các chiến lược thử nghiệm cụ thể về thử nghiệm ổ trục, trước tiên người ta phải phản ánh các loại thử nghiệm chung mà theo đó hiệu suất ổ trục sẽ được đánh giá. Tùy thuộc vào mức độ trừu tượng, các bài kiểm tra có thể được phân loại thành kiểm tra thực địa, kiểm tra thành phần, kiểm tra một phần và kiểm tra mô hình.

Kiểm tra thực địa liên quan đến việc kiểm tra các hệ thống hoàn chỉnh trong các ứng dụng thực tế, ví dụ kiểm tra lái xe ô tô trên đường công cộng. Thử nghiệm này được sử dụng để xác minh hành vi sản phẩm. Các thử nghiệm thành phần liên quan đến việc kiểm tra các cốt liệu trên băng ghế thử nghiệm ở các điều kiện vận hành xác định để đánh giá hiệu suất của chúng, ví dụ: thử nghiệm hộp số trên băng ghế ôm. Kiểm tra một phần bao gồm kiểm tra các bộ phận hoàn chỉnh ở các điều kiện xác định để xác minh tính chất của bộ phận, ví dụ: vòng bi NTN kiểm tra trên băng ghế thử nghiệm vòng bi. Các thử nghiệm mô hình liên quan đến việc thử nghiệm các mẫu vật được đơn giản hóa dưới các ảnh hưởng vật lý và hóa học được xác định, ví dụ như bóng trên máy đo đĩa. Loại thử nghiệm này chủ yếu được sử dụng cho mục đích nghiên cứu cơ bản và phát triển sản phẩm.

Xu hướng tham số của các loại thử nghiệm khác nhau được thể hiện trong hình 7. Thử nghiệm hiện trường đại diện cho độ trừu tượng gần bằng 0 do thử nghiệm diễn ra trong một ứng dụng thực tế. Thử nghiệm này cũng rất phức tạp, tốn thời gian và tốn kém. Thử nghiệm một phần cung cấp mức độ trừu tượng tốt cho độ bền chịu lực hoặc ma sát và kiểm tra nhiệt độ với chi phí hợp lý và phức tạp. Thử nghiệm này cũng chính xác và có các điều kiện thử nghiệm có tính lặp lại cao.

Đối với thử nghiệm độ bền, ý nghĩa thống kê là một chủ đề quan trọng vì kết quả thử nghiệm riêng lẻ có thể khác nhau rất nhiều. Đạt được một mức ý nghĩa thống kê đủ là lý do chính tại sao độ bền của vòng bi phải được đo trên thiết bị kiểm tra vòng bi thay vì thiết bị kiểm tra hộp số mặc dù thực tế là tùy chọn sau rất phổ biến.

Khi được tính đến, biến thể này dẫn đến các ô bổ sung, được hiển thị dưới dạng các đường chấm. Có thể kết luận rằng tuổi thọ L 10 thử nghiệm, khi 10% vòng bi, bạc đạn NTN cho thấy bằng chứng đầu tiên về sự thất bại mỏi, nằm trong một số giới hạn nhất định được xác định bởi các ô biến đổi tham số này. Kích thước khoảng này có thể được giảm bằng cách tăng số lượng mẫu thử. Rõ ràng là trong hầu hết các trường hợp, việc chạy thử hộp số sẽ quá tốn kém để cung cấp một cơ sở dữ liệu đầy đủ.

Để tăng ý nghĩa thống kê của thử nghiệm, người ta phải xem xét sự đánh đổi giữa việc tăng số lần chạy thử và độ chính xác của thiết lập thử nghiệm. Chi phí để tăng số lần chạy thử là rõ ràng về việc tăng thời gian thử nghiệm trong khi chi phí để tăng độ chính xác của thiết lập thử nghiệm là rõ ràng về chi phí thiết bị. Trong một số trường hợp, đặc biệt là trong các ứng dụng học thuật, độ chính xác cao hơn được cung cấp bởi các thiết bị tiên tiến có thể là không thể thiếu. Đối với thử nghiệm tiêu chuẩn, lợi thế chi phí của việc chọn tăng số lượng thử nghiệm thay vì sử dụng thiết bị đắt tiền có thể bù đắp cho nhược điểm của thời gian thử nghiệm tăng lên.

Các chiến lược thử nghiệm khác nhau tùy thuộc vào động lực đằng sau tiến hành thử nghiệm. Các thử nghiệm có thể được tiến hành để phê duyệt nhà cung cấp hoặc xác nhận kỹ thuật, đánh giá so sánh độ bền hoặc kiểm soát chất lượng thường xuyên.

Sự chấp thuận của nhà cung cấp có thể cần thiết để giảm chi phí, rút ​​ngắn thời gian giao hàng, cải thiện chất lượng và giảm rủi ro. Sự chấp thuận của nhà cung cấp hoặc xác nhận kỹ thuật có thể được giải quyết bằng cách xác nhận hành vi mô men ma sát và hiệu suất độ bền. Các thử nghiệm kiểm tra mô-men xoắn hoặc nhiệt độ ma sát được quan sát là có khả năng lặp lại cao. Mỗi thử nghiệm kéo dài khoảng một ngày bao gồm cả thời gian làm việc để thiết lập mẫu vật. Trong trường hợp kiểm tra độ bền để xác nhận kỹ thuật, thường xuyên năm lần chạy thử được thực hiện theo phương pháp sau. Để toàn bộ lô được phê duyệt, không được quan sát thấy sự cố trong các mẫu này cho đến khi thời gian thử nghiệm ít nhất hai lần L n, m(tuổi thọ thử nghiệm được sửa đổi theo ISO 281). Trong trường hợp có một lỗi, cần phải chạy thử thêm để có kết luận. Trong trường hợp hai thất bại, lô không được phê duyệt.

Để đánh giá so sánh độ bền, việc chạy thử phải được tiến hành cho đến khi thất bại. Tùy chọn tiêu chuẩn liên quan đến việc tiến hành thử nghiệm ở điều kiện trạng thái ổn định, ví dụ ở một nửa mức tải động, trong một thời gian nhất định và sau đó tăng tải. Nên tránh uốn trục trong khi tăng tải, vì uốn khác nhau sẽ dẫn đến mô hình ứng suất tiếp xúc khác nhau và do đó dẫn đến kết quả sai lệch. Một lần chạy thử thường kéo dài từ hai đến bốn tuần. Các thử nghiệm hiệu suất tăng tốc cung cấp khả năng giảm thời gian thử nghiệm xuống còn khoảng một tuần trong khi vẫn có thể đưa ra đánh giá so sánh hợp lý. Trong các thử nghiệm này, tải liên tục tăng trong khi tránh uốn trục. Sự gia tăng tải liên tục này chỉ có thể đạt được trên các giàn thử nghiệm tự động, như được cung cấp bởi Elgeti Engineering.

Ngoài sự chấp thuận của nhà cung cấp, điều quan trọng là phải đảm bảo kiểm soát chất lượng liên tục của việc giao hàng. Việc kiểm tra đến là rất cần thiết để xác định các sản phẩm không đủ điều kiện trước khi sử dụng chúng. Đối với nhà cung cấp, việc kiểm tra đi có thể chứng minh là có lợi cho việc duy trì các tiêu chuẩn chất lượng. So với các phương pháp kiểm tra ổ trục thông thường bằng hình thức trực quan, hình học và vật liệu, kiểm tra bằng cách sử dụng giàn thử có thể chứng minh được lợi thế. Trong chiến lược thử nghiệm này, bốn mẫu được chọn ngẫu nhiên từ mỗi lô được kiểm tra ở điều kiện khó khăn cho đến hai lần L n, m(tuổi thọ thử nghiệm được sửa đổi theo ISO 281). Thử nghiệm này có thể được hoàn thành trong vòng năm ngày và với chi phí rất hạn chế. Mặc dù thử nghiệm nhanh như vậy là không đủ để đánh giá chính xác hiệu suất ổ trục, nhưng hầu hết các lỗi sản xuất và vận chuyển phổ biến có thể trưởng thành đến thất bại có thể dễ dàng được phát hiện. Một số lỗ hổng có xác suất phát hiện cao bao gồm vật liệu kém, độ lệch hình học (được phát hiện trong quá trình lắp trên giàn thử), vết nứt cứng, vết bỏng, đường kính lăn sai và trộn với vòng bi giả chất lượng thấp.

Phần kết luận
Các giàn kiểm tra tiêu chuẩn rất giống nhau về các khái niệm cơ bản của chúng; Tuy nhiên, có những khác biệt lớn trong cách tiếp cận của họ để kiểm soát nhiệt độ và giới thiệu tải. Vì thử nghiệm luôn là một sự thỏa hiệp giữa chi phí và độ chính xác, người ta phải tìm một sự cân bằng phù hợp cho từng trường hợp riêng lẻ – nghiên cứu học thuật cấp cao phải được phân biệt rõ ràng với việc xác minh chất lượng chịu lực vừa phải.

Trong khi kiểm tra mô-men xoắn nhiệt độ và ma sát thường mang lại kết quả lặp lại, kết quả kiểm tra thử nghiệm cuộc sống có thể thay đổi đáng kể. Do đó, có một sự đánh đổi giữa số lần chạy thử có thể đủ khả năng và độ chính xác của thiết bị. Đối với thử nghiệm mô-men xoắn nhiệt độ và ma sát, thông thường ba lần chạy thử trên mỗi quần thể là đủ.

Tùy chọn cuối cùng là vô cùng mạnh mẽ vì nó nhanh chóng và giá cả phải chăng cho vòng bi kích thước nhỏ. Việc kiểm tra có thể được thực hiện trong vòng một tuần dẫn đến phê duyệt hoặc từ chối một lô cụ thể trong khi loại bỏ sự cần thiết của bất kỳ hình thức kiểm tra đến hoặc đi nào khác – mọi lỗ hổng lớn có thể được phát hiện bởi kiểm tra hình học hoặc vật liệu có thể sẽ dẫn đến thất bại sớm trong quá trình xét nghiệm như vậy.