Tribotechnické listy

 

 

Vývoj únavového poškodenia povrchu ložísk v mieste valivého styku

Mechanizmus povrchovej únavy ložísk v mieste valivého styku je skúmaný špeciálne navrhnutými experimentmi a numerickými simuláciami vývoja poškodení.

 

Únava v mieste valivého styku (RCF) predstavuje typický spôsob zlyhania ložísk a porovnateľných súčastí strojov. Zásadný význam pre túto oblasť má práca Lundberga a Palmgrena. Lundbergova a Palmgrenova teoretická práca sa zamerala predovšetkým na únavu materiálu v podpovrchovej oblasti v mieste valivého styku. Vychádza z výpočtu Hertzovho napätia v ideálne hladkom mieste styku. Naproti tomu povrchová únava v mieste valivého styku (SRCF) pôsobí na oblasť v blízkosti povrchu v mieste styku (v hĺbke niekoľko mikrónov), ktorá je silne ovplyvnená lokálnym odvaľovaním na povrchu a napätiami vyvolanými geometrickými vlastnosťami povrchu, ako napr. drsnosťou, odchýlkami profilu, vtlačkami atď. Vzájomné ovplyvňovanie elektrohydrodynamického mazivového filmu (EHL) a skutočných vlastností, ktoré vytvárajú koncentrátory napätia na povrchu, je veľmi dôležité pre pochopenie javu povrchovej únavy valivých ložísk (Morales-Espejel a Gabelli).
Tento článok skúma vývoj povrchovej únavy v mieste valivého styku pomocou modelovania styku a vzájomného vplyvu odchýlok povrchovej mikrogeometrie, ktoré vyvolávajú koncentráciu napätia. Porovnanie numerických simulácií so súborom experimentálnych výsledkov vykazuje dobrú koreláciu, ktorá umožňuje formulovať hypotézu o základných mechanizmoch povrchovej únavy v mieste valivého styku, ako aj o jej počiatku a zväčšovaniu vo valivých ložiskách. Tieto nové poznatky sú plne v súlade so základnou myšlienkou, na ktorej je založený zovšeobecnený model SKF výpočtu trvanlivosti ložísk (GBLM), ktorý rozlišuje povrchové a podpovrchové príčiny únavového poškodenia.

Teoretické skúmanie vývoja poškodenia
Z únavového poškodenia v mieste valivého styku, ktoré vzniká v blízkosti mikrogeometrických vlastností, sa často vyvinie odlupovanie. Šírenie odlupovania v pokročilej forme je silno ovplyvnené makrogeometrickými vlastnosťami - napr. zmenou geometrie styku na obežnej dráhe a celkovým výsledným napäťovým poľom vo valivom ložisku. Niekoľko výskumných pracovníkov študovalo šírenie odlupovania v ložiskách v snahe nájsť mechanické vlastnosti, ktoré podporujú šírenie poškodenia. Nedávny výskum, ktorý vypracovali autori tohoto článku, sa zameral na šírenie únavového poškodenia materiálu na povrchu v mieste valivého styku vo valivých ložiskách, v ktorých boli predbežne vytvorené vtlačky, a to ako aj na modeli, tak aj experimentálne. Na základe tohoto výskumu došli k záveru, že v prípade guličkových ložísk je potrebné do mechanizmu zahrnúť podmienky mazania a vzájomné ovplyvňovanie napätia medzi povrchom a podpovrchovou oblasťou, aby sme pochopili vývoj typickej trhliny v tvare V pozdĺž obežnej dráhy. Tym sa líši od pôvodne priečneho šírenia poškodenia, pozorovaného v ložiskách s čiarovým stykom, ktorý je možné vysvetliť iba na základe predpokladu suchého miesta styku.

 


Experimentálne pozorovanie vývoja poškodenia
Snare vo svojej štatistickej analýze spoľahlivosti ložísk sledoval šírenie poškodenia odlupovaním vo valčekovom ložisku. Zistil zreteľný vývoj poškodenia naprieč cez obežnú dráhu skôr, ako  sa odlupovanie začne šíriť pozdĺž obežnej dráhy. Obr. 1 ukazuje Snareho experimentálne skúšky.

Súčasné chápanie
Teoretický výskum v literatúre a experimenty ukázali najmenej dve výrazné fázy šírenia odlupovania, ktoré sa vyvinulo z povrchovej vady. V prvej fáze rastie naprieč cez celú obežnú dráhu pomerne pomaly a v druhej fáze sa zväčšuje rýchlejšie v smere odvaľovania. Odlupovanie naprieč obežnou dráhou je v počiatočnej fáze podľa súčasných poznatkov spôsobené vysokými napätiami na protiľahlých hranách miesta poškodeného odlupovaním - tzn. v smere kolmom na smer odvaľovania - na rozdiel od napätia na prednom a zadnom okraji poškodeného miesta. Správanie na začiatku odlupovania a šírenie v ložisku s bodovým stykom (obr. 2) a v ložisku s čiarovým stykom (obr. 3) je neobyčajne odlišné. Odlupovanie, vznikajúce na povrchu obežnej dráhy ložiska s bodovým stykom, má na začiatku na zadnom okraji vtlačku charakteristický tvar písmena V. Rýchlo sa zväčšuje v smere odvaľovania a materiál obežnej dráhy sa oddeľuje z oblasti v tvare písmena V. Zväčšovanie plochy poškodenej odlupovaním, je viditeľné v smere odvaľovania, čo je smer opačný k smeru trenia a preklzovania, ku ktorým dochádza v tomto mieste (obr. 2). Odlupovanie vznikajúce na povrchu obežnej dráhy v ložisku s čiarovým stykom, sa spočiatku šíri v dvoch smeroch z pôvodného miesta vzniku a zväčšuje sa najskôr naprieč  cez obežnú dráhu a potom v smere odvaľovania (obr. 3). Cieľom tohto článku je podrobnejšie vysvetliť vývoj únavového poškodenia, vzniknutého na povrchu obežnej dráhy ložiska s čiarovým stykom. Na vysvetlenie je možné použiť model mechanizmu, ktorý podporuje šírenie poškodenia, ako ho je možné sledovať v experimentoch a v naväzujúcej práci autorov (3), ktorí popísali počiatočnú fázu poškodenia, ale momentálne sa zamerali na šírenie poškodenia.

 

Experimentálne práce
Experimenty boli vykonávané so štandardnými kuželíkovými ložiskami - viď tabuľka 1. Kuželíkové ložiská boli vybavené vtlačkami, vytlačenými guličkami z karbidu wolfrámu s priemerom 1mm a zaťaženými silou 1250 N. Pôsobením tohto zaťaženia vznikli vtlačky s priemerom 400 µm, s hĺbkou 30 µm s okrajmi vo výške 2 µm. Pre účely experimentu bolo rovnomerne rozmiestnených osem vtlačkov po obvode vnútorného krúžku kuželíkového ložiska. Vtlačky boli ďalej vytvorené naprieč cez obežnú dráhu. Vzdialenosť medzi vtlačkami a od hrany obežnej dráhy činila 0,5 mm. V tomto článku sa podrobne zameriame iba na vývoj poškodenia vtlačku, umiestneného uprostred obežnej dráhy. Pri prevádzkových podmienkach uvedených v tabuľke, vznikne pri pôsobení axiálneho zaťaženia Hertzov styk so šírkou cca 142 µm v smere odvaľovania. Táto šírka je podstatne užšia v porovnaní s priemerom vtlačku. Experimenty boli vykonávané pri rôznom počte otáčok, aby bolo možné sledovať vývoj únavového poškodenia, ktoré vzniklo vplyvom napätia a podmienok mazania vtlačku.

 

 

Obr. 4 ukazuje niektoré experimentálne výsledky vývoja odlupovania v mieste vtlačku v kuželíkovom ložisku pri zvyšujúcom sa počte otáčok. Odlupovanie vzniká na jednej strane vtlačku a následne postupuje k obom stranám vtlačku naprieč obežnou dráhou - to znamená kolmo na smer odvaľovania. Na obr.4 (b) bola nakreslená približná styková elipsa pre porovnanie s konečnou etapou odlupovania. Vnútorný krúžok každého ložiska bol pravidelne mikroskopicky kontrolovaný vždy po cca 5mil. otáčok, aby bolo možné zistiť začiatok a fázu šírenia odlupovania. Každý vtlačok bol mikroskopicky preskúmaný a vyfotografovaný v závislosti na počte otáčok vykonaných v rámci testu. Počiatočný vývoj a ďalšie zväčšovanie plochy, poškodenej odlupovaním v okolí styku boli zmerané technikou spracovávania digitálneho obrazu na uložených mikrofotografiách niekoľkých jednotlivých vtlačkov. Výsledky podrobného skúmania poskytli veľmi presné informácie o začiatočnom a postupnom zväčšovaní plochy poškodenej odlupovaním v závislosti na počte otáčok. Všetky údaje zhromaždené zo šiestich jednotlivých vtlačkov, z ktorých sa vyvinulo poškodenie odlupovaním, ukazuje obr. 5.

 

 

Podrobnejšie skúmanie priemerných skúšobných dát ukazuje, že vývoj poškodenia odlupovaním prebieha v troch etapách:
1.    Inkubačná doba 50 - 60 mil. otáčok, počas ich priebehu nie je viditeľné žiadne poškodenie na obežnej dráhe ložiska. Táto doba zodpovedá približne únavovej trvanlivosti ložiska.
2.    Etapa počiatočného vývoja poškodenia, ku ktorej dochádza medzi ďalšími 30 až 40 mil. otáčok. Podľa očakávania sa poškodená plocha zväčšuje exponenciálne.
3.    Zrýchlené zväčšovanie. Táto etapa sa prejaví, medzi ďaĺšími 20 až 25 mil. otáčok, v priebehu ktorých sa poškodená plocha zväčšuje rýchlejšie (viac ako dvojnásobne v porovaní s predchádzajúcou etapou).

Model šírenia poškodenia
Výpočet poškodenia v mieste valivého styku sa vykonáva najskôr modelovaním začiatočného vtlačku v obežnej dráhe. K tomu účelu je využitá parametrická analytická funkcia, ktorá podrobne reprodukuje tvar skutočného vtlačku. Geometria vtlačku je následne prevzatá do modelu prevaľovania miesta styku, aby bolo možné reprodukovať Hertzove cyklické namáhanie skutočného testovaného ložiska.Výpočet vývoja poškodenia sa vykonáva pomocou základného modelu povrchovej únavy a oddeľovania, ktorý už dávnejšie vyvinuli Morales-Espejel a Brizmer. Boli však vykonané niektoré modifikácie a úpravy. Napr. rutina pre výpočet opotrebenia, popísaná v, bola vypnutá kvôli zvýšeniu rýchlosti numerických simulácií. Rýchly model mazania bol taktiež vypnutý, a v simulácii bol použitý iba model suchého miesta styku pre prípady, kedy počiatočný vtlačok je širší než Hertzov styk v smere odvaľovania (čo je prípad simulovaného kuželíkového ložiska na obr. 4a). Tento model je následne použitý pre výpočet celkových tlakov a napätí. Táto aproximácia je platná, pretože v tomto prípade mazivo pravdepodobne unikne z vtlačku a miesta styku. Nepredpokladá sa vytvorenie hydrodynamického tlaku na okraji vtlačku a tlaky v tomto mieste môžu byť modelované na základe hypotézy suchého miesta styku (v prípade ložísk s bodovým stykom so širšou plochou Hertzovho styku nie je možné model mazania zanedbať). Akonáhle  sú vypočítané tlaky v mieste styku, históriu napätia je možné získať z rady časových krokov určených pre simuláciu priechodu vtlačku miestom valivého styku. Z tohoto viackrokového simulačného procesu je možné vypočítať históriu únavového napätia pre ďalšie spracovanie podľa kritéria únavy, aby bolo možné odhadnúť únavové poškodenie akumulované od začiatku do aktuálneho zaťažovacieho cyklu. Táto schéma spracováva dáta rovnakým spôsobom, aký zaviedli Morales-Espejel a Brizmer. Celkové poškodenie, akumulované až do aktuálneho zaťažovacieho cyklu sa vypočíta podľa Palmgren-Minerovho pravidla. Akonáhle únava dosiahne kritické hodnoty pre vznik poškodenia, je pravdepodobný vznik lomu materiálu. Súčasná schéma nezahŕňa podrobný model šírenia trhlín. Vývoj poškodenia je simulovaný jednoduchým odstránením unaveného materiálu. K tomuto účelu bol zavedený jednoduchý model oddeľovania materiálu, ktorý odoberie materiál s akumulovaným kritickým poškodením a materiál nad ním. Tento model obsahuje aj prahovú hĺbku (h) pod povrchom, pod ktorou sa nesmie oddeliť materiál s kritickým poškodením. Táto prahová hĺbka môže byť nastavená od h=0 do h=∞. V prípade voľby h≥0 sa môže materiál pod povrchom oddeliť. Súčasný model nedokáže podať presnú informáciu o raste poškodenia, pokiaľ parameter h nie je známy vopred alebo pokiaľ nie sú k dispozícii  aj niektoré experimentálne výsledky. Na druhej strane dokáže veľmi dobre popísať rozsahy zväčšovania poškodenia, ako je ukázané nižšie. Postup výpočtu sa opakuje pre daný počet záťažových cyklov (typicky až max.>109 prevaľovacích cyklov) a potom je zaznamenávaná história vývoja poškodenia.


Výsledky modelov
Skúšobné dáta sú uvedené v tabuľke 1. V tomto prípade sú vtlačky širšie (tzn. Priemer 400 µm) než Hertzov styk v smere odvaľovania (tzn 142 µm). Z toho dôvodu nemôže v priebehu odvaľovania vzniknúť potrebný elastohydrodynamický tlak mazacieho filmu nad vtlačkom. To spôsobí porušenie olejového filmu na hranách vtlačku. Pri takýchto podmienkach je možné vylúčiť vplyv olejového filmu z analýzy a vývoj poškodenia môže byť simulovaný jednoducho pomocou aproximácie suchého kontaktu.

 

Obr.6 ukazuje vývoj odlupovania od začiatočného vtlačku v závislosti na vzrastajúcom počte otáčok. Zachytáva aj progresívne zmeny Hertzovho tlaku a súvisiacich podpovrchových napätí. Výsledky numerických simulácií jasne ukazujú preferovaný smer vývoja plochy poškodenej odlupovaním. Poškodenie začína na priečnych hranách vtlačku a šíri sa v axiálnom smere naprieč obežnou dráhou, ako bolo v podstate pozorované v priebehu skúšok (viď obr.4). Výpočet plochy poškodenia a jej vývoj v závislosti na počte otáčok ložiska, umožňuje získať krivku vývoja plochy poškodenia v závislosti na počte otáčok ložísk. Výpočet bol vykonaný pre dve prahové hĺbky h (pre minimálnu  a maximálnu hodnotu), aby bolo možné charakterizovať rozsah modelovej simulácie (hmin sa práve dotýka plochy maximálne kolmého šmykového napätia v okolí vtlačku a hmax sa nachádza za ňou). Výsledné krivky vývoja poškodenia znázorňuje čiarkovaná čiara na obr. 5. Tenká čiarkovaná čiara je výsledkom najkonzervatívnejšieho nastavenia pre odhad mikroodlupovania, ktoré vzniká na povrchu - tzn. minimálna hodnota prahovej hĺbky. Z toho dôvodu simulované výsledky predstavujú bezpečnú medzu poškodenia, definujúcej podmienky pre maximálnu predpokladanú plochu poškodenia, ktoré vzniklo z akéhokoľvek odlupovania na povrchu. V prípade zavedenia maximálnej prahovej hodnoty hĺbky h vykazuje vývoj poškodenia (na obr.5 vyznačený hrubou čiarkovanou čiarou) realistickejšiu zhodu s experimentálnymi výsledkami. Pozoruhodný je počiatočný trend vypočítanej plochy poškodenia, ktorý predstavuje postupný vývoj. Jasne sa zhoduje s niektorými experimentálnymi meraniami. Trend vykazuje stabilnú rýchlosť rastu medzi 90 a 120mil. otáčok. Tento interval môže byť porovnaný so zmeranou začiatočnou fázou rastu poškodenia v mieste vtlačku, ako uvádza odsek „Experimentálna práca".
Obr.7 ukazuje rýchlosť rastu poškodenia pri experimentoch v porovnaní s rýchlosťou získanou numerickou simuláciou, ktorá činí 11,5mil. otáčok (134 mil. cyklov). Takáto dobrá korelácia medzi priemerom experimentálnych výsledkov a numerickými simuláciami ukazuje schopnosť výpočtu zachytiť niektoré dôležité efekty mechanizmu povrchovej únavy a počiatočného vývoja odlupovania. Okrem toho, experimentálne výsledky ukazujú na zrýchlený rast nad 100mil. otáčok, k nemu podľa výsledkov numerických simulácií nedochádza. Možné vysvetlenie je, že vznik plochy, poškodenej odlupovaním, zároveň vyvolá prídavné zaťaženia vplyvom dynamickej odozvy ložiska na poškodenie odlupovaním. V súčasnosti nie sú tieto prídavné zaťaženia zahrnuté do modelu. S numerickými simuláciami je možné zmysluplne porovnávať iba počiatočné poškodenie odlupovaním.
Výsledky simulácie mechanizmu vývoja poškodenia sú rovnako zaujímavé. Vzhľadom k tomu, že vtlačok je väčší než Hertzova šírka v smere odvaľovania, najzaťaženejšia zóna na obežnej dráhe je priečna plocha vtlačku, kde poškodenie skutočne vznikne a bude sa vyvíjať. Tento mechanizmus šírenia je možné nájsť aj v numerických simuláciách, ktoré ukazujú priečny okraj odlupovania, na ktorý pôsobia najväčšie povrchové tlaky a koncentrácia napätia v podpovrchovej oblasti (obr. 6). Tento typ vývoja odlupovania je podľa všetkého typický pre ložiská s čiarovým stykom.

Diskusia a závery
Experimenty boli vykonávané s kuželíkovými ložiskami. Obežné dráhy ložísk boli vybavené vopred definovanými vtlačkami. Tak bola vytvorená rada povrchových napätí, v ktorých vzniklo povrchové odlupovanie, a bolo možné uskutočniť podrobnú štúdiu ich vzniku a vývoja. Súčasný model mikrogeometrie únavy vznikajúcej na povrchu (Morales-Espejel a Brizmer; t.j. porušenie povrchu), bol prispôsobený pre účely štúdia procesu makro-odlupovania, vznikajúceho na povrchu.
Tento model bol využitý k lepšiemu pochopeniu vzniku a vývoju odlupovania v počiatočnej fáze. Z výsledkov výpočtov bolo zistené, že numerický model môže skutočne simulovať a dobre vysvetliť viacero experimentálnych pozorovaní. Experimentálne výsledky predovšetkým dokázali, že v prípade kuželíkového ložiska sa odlupovanie zo začiatku šíri naprieč obežnou dráhou - to znamená kolmo na smer odvaľovania. V ložiskách s čiarovým stykom sú v zásade napätia vyššie na priečnych hranách vtlačku. Tieto vyššie napätia podporujú rast odlupovania naprieč obežnou dráhou v počiatočnom štádiu zväčšovania odlupovania.

 

Na základe výsledkov opisovanej práce je možné usúdiť nasledujúce závery:
1. V ložiskách s čiarovým stykom, ktoré boli vopred opatrené vtlačkami, sa šíri odlupovanie na začiatku naprieč obežnými dráhami. Tento jav je podporovaný vyššími napätiami na hranách odlupovania kolmo v smere odvaľovania, ako už bolo skôr spomenuté v literatúre
2. Predstavený model dobre opisuje dva mechanizmy šírenia odlupovania. Predovšetkým v ložiskách s čiarovým stykom existuje dobrá korelácia medzi predpoveďou rýchlosti počiatočného rastu odlupovania na základe daného modelu a experimentálnymi výsledkami.

Poďakovanie
Tento projekt bol z časti financovaný z prostriedkov European Commission Marie Curie Industry-Academia Partnerships and Pathways (IAPP) - iBETTER Project.

 

 

Text: Guillermo E Morales-Espejel, riaditeľ pre vedu
Antonio Gabelli, vedúci vedecký pracovník, inžinierske a výskumné centrum SKF, Nieuwegein, Holandsko

 

SKF Slovensko

skf@skf.sk

www.skf.sk

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
6 + 6 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd