Новый подход к моделированию помогает инженерам понять истинные преимущества гибридных подшипников
Гётеборг, Швеция, 3 ноября 2020 г.
Инженеры SKF решили одну из самых серьёзных проблем по прогнозированию рабочих характеристик подшипников. Сейчас это решение применяется более 260 раз в день, помогая клиентам компании разрабатывать оборудование для сложнейших условий эксплуатации. Так в чём же заключается секрет? Почему гибридные подшипники так хорошо работают?
Уже более 50 лет гибридные подшипники с керамическими телами качения из нитрида кремния и кольцами из подшипниковой стали являются предпочтительным выбором для высокоскоростного и прецизионного оборудования, такого как шпиндельные узлы. Уникальная комбинация свойств гибридных подшипников, таких как малый вес, высокое электрическое сопротивление и хорошие эксплуатационные характеристики в сложных условиях недостаточного смазывания и высокой загрязнённости, расширяет спектр их применения во многих новых областях, от силовых агрегатов электромобилей до промышленных насосов и компрессоров.
Инженеры из собственного опыта знают, что гибридные подшипники могут очень хорошо работать в таких сферах применениях, часто отличаясь значительно большим сроком службы по сравнению с традиционными полностью стальными подшипниками. Однако до недавнего времени расчёты, применяемые к оценке срока службы подшипников, часто давали совершенно противоположные результаты.
Понимание проблемы
По словам Гильермо Моралеса-Эспехеля, главного научного сотрудника Научно-технического центра SKF, это обусловлено тем, что стандартные уравнения, которые инженеры используют для расчёта номинального ресурса подшипников, не отражают реальных условий их работы. «Классическая модель для расчёта ресурса подшипников опирается на понятие подповерхностных усталостных повреждений, — объясняет он. — Во время вращения компоненты подшипника постоянно нагружаются и разгружаются. Количество таких циклов достигает миллионов, в материале накапливается усталость, и, в конце концов, это приводит к отказу подшипника».
Поскольку процессы развития усталости материалов хорошо изучены, инженерам достаточно ввести в уравнение информацию о прогнозируемых нагрузках и рабочих частотах вращения и получить значение номинального ресурса того или иного типа подшипников. Номинальная динамическая грузоподъёмность C, приведённая в общем и онлайн-каталогах продукции SKF для всех подшипников, прежде всего количественно оценивает именно подповерхностные усталостные повреждения.
Эта классическая модель широко применима и интегрирована в международные стандарты, однако Моралес-Эспехель отмечает, что эта модель недооценивает качества гибридных подшипников: «Поскольку керамические тела качения жёстче стальных, они меньше деформируются под нагрузкой. То есть нагрузка концентрируется на меньшей площади, увеличивает контактное напряжение, а следовательно, и подповерхностную усталость».
Однако эмпирические данные не всегда коррелируют с выводами из этой классической модели. «Из опыта практического применения мы знаем, что большинство подшипников выходят из строя из-за дефектов поверхности, а не массива материала, — объясняет Моралес-Эспехель. — Неисправность обычно наступает вследствие плохого смазывания или загрязнения». С этим фактом никто не спорит, поэтому новые стандарты, такие как ISO 281, в попытке учесть влияние этих факторов вводят поправочные коэффициенты.
Новая модель
Упомянутые поправочные коэффициенты, применяемые к модели вычисления подповерхностных усталостных повреждений, никак не отражали реальные процессы, происходящие с подшипниками при эксплуатации. Однако ситуация изменилась в 2012 году, когда Моралес-Эспехель с коллегами из SKF решили это исправить. Для новой модели, предназначенной для расчёта ресурса подшипников, по его словам, им были нужны были три составляющих: «Во-первых, это модель вычисления подповерхностной усталости массы материала, которая уже существовала. Во-вторых, это модель возникновения дефектов поверхности. В-третьих, это данные ресурсных испытаний, которые мы могли применять для калибровки и проверки работоспособности модели».
Команда SKF работала над новой моделью два года, опираясь на десятилетия наработок в материаловедении и трибологии. Предложенный подход требовал глубокого понимания процессов, происходящих на контактных поверхностях подшипников: от характеристик трения до механизмов попадания частиц загрязнений под нагрузкой. Хотя первоначальная концептуальная модель была представлена как «обобщённая модель для расчёта ресурса подшипников» (GBLM) в 2015 году на торгово-промышленной выставке Hannover Messe, тогда она ещё не учитывала особенности гибридных подшипников.
«Для калибровки и проверки любой модели для расчёта ресурса подшипников требуются данные, и, чтобы собрать достаточное количество таких данных, не обойтись без тяжёлого труда, — объясняет Моралес-Эспехель. — Нам нужно было построить кривые, описывающие процессы в подшипниках в широком спектре нагрузок и с различными поверхностями. Для каждой точки этих кривых надо было протестировать около 30 подшипников, и так, чтобы несколько из них прогнозируемо вышли из строя».
Реалистичные модели
Что предлагает новая модель инженерам и разработчикам? «Нам уже было известно из практики, что гибридные подшипники имеют ряд преимуществ для многих областей применения, — объясняет Моралес-Эспехель. — Если подшипник работает в условиях тяжёлого нагружения, но при этом соблюдается чистота и режим полноценного смазывания, то чаще всего причиной отказа подшипника становятся подповерхностные усталостные повреждения. В таком случае стальные подшипники могут обеспечивать лучший результат, чем гибридные. Но большинство подшипников работают не с тяжёлыми нагрузками, а с увеличенными рисками ненадлежащего смазывания или загрязнения. Наша модель покажет, будет ли гибридный подшипник служить дольше в таких условиях применения, и позволит количественно вычислить эту разницу».
Чтобы показать, насколько большой может быть эта разница, Моралес-Эспехель с коллегами запустил вычисления для ряда репрезентативных условий применения. У подшипников насосов, работающих в условиях смазывания масляной ванной и в разреженном масле, что приводит к ненадлежащему смазыванию, номинальный ресурс гибридного подшипника оказался в восемь раз больше по сравнению со стальным аналогом. А у подшипника винтового компрессора, работающего с загрязнённым смазочным материалом, гибридная технология обеспечивает номинальный ресурс в сто раз больше, чем у обычного стального подшипника.
Своевременность
После того, как инженеры SKF завершили множество лабораторных испытаний, модель GBLM для гибридных подшипников стала стандартной частью инструментальных сервисов поддержки клиентов компании, что произошло очень вовремя. Развитие технологий производства повысило доступность гибридных подшипников и уменьшило ценовую разницу между стандартными и гибридными конструкциями. Одновременно лавинообразно увеличивается спектр областей применения, где гибридные решения могут показать свои преимущества.
«Промышленность существенно сдвинулась в сторону применения смазочных материалов с меньшей вязкостью и к минимизации смазывания в целом, — объясняет Моралес-Эспехель. — Всё это из-за тенденции к энергосбережению и ужесточения норм по защите окружающей среды». Только гибридные подшипники могут обеспечить нужную комбинацию низкого уровня потребления энергии и высокой надёжности при указанных выше условиях в спектре применения от железных дорог и автопрома до промышленных насосов.
Электротранспорт — это ещё одна чрезвычайно важная отрасль. В силовых агрегатах легкового и грузового электротранспорта и электрических поездов требуется использование подшипников, которые могут выдерживать высокие частоты вращения, ускорения и температуры при минимальном смазывании. Кроме того, такие подшипники должны быть устойчивы к прохождению паразитных электрических токов, которые могут «выжигать» смазывающую плёнку и повреждать поверхности тел качения. В сочетании с другими преимуществами исключительные электроизоляционные свойства гибридных подшипников делают их идеальным решением для таких областей применения