Doświadczalne i analityczne metody oceny pracy łożyska w warunkach zanieczyszczenia środka smarnego cząstkami stałymi

Doświadczenia pokazują, iż zanieczyszczenie środka smarnego cząsteczkami stałymi stanowią główną przyczynę uszkodzeń łożysk i kół przekładni, a w konsekwencji kosztów spowodowanych przestojem w pracy urządzeń, naprawach gwarancyjnych i obniżeniem produktywności. Opracowano kilka doświadczalnych metod ułatwiających inżynierom-projektantom analizę oraz opracowanie urządzeń mniej wrażliwych na takie zanieczyszczenia. Dokument ten zawiera informacje porównujące wyniki testów trwałości łożysk oraz metody analizy predykcyjnej dla różnych typów łożysk stożkowych pracujących w warunkach zanieczyszczenia cząstkami stałymi. Najnowsze prace pozwoliły na opracowanie jednej metody analitycznej (wykorzystując metodę określania charakterystyki stanu powierzchni), powiązanie jej z testami trwałości łożysk w warunkach zanieczyszczenia cząstkami stałymi, a także określenie zmian w konstrukcji i sposobie projektowania łożysk, co umożliwiło na zwiększenie trwałości łożysk pracujących w środowiskach zanieczyszczonych cząstkami stałymi.

 

Charakterystyka zanieczyszczeń

Inżynierowie projektujący urządzenia, mają do dyspozycji różne narzędzia do analizy zanieczyszczonego środka smarnego ułatwiające ocenę niekorzystnego wpływu cząstek stałych na zużycie części, oraz monitorowanie ich negatywnego wpływu [1, 2, 3, 4]. Dostępne narzędzia umożliwiają zrozumienie składu materiału i charakterystyki zanieczyszczenia środka smarnego [5]. Większość z nich służy do monitorowania i analizy procesu zużywania się części, a także poziomu zanieczyszczenia środka smarnego dla celów obsługi konserwacyjnej. Nie są one jednak pomocne w ocenie wpływu zanieczyszczeń na uszkodzenia powierzchni zębów przekładni oraz bieżni łożysk, ponieważ jest to związane ze zmniejszeniem trwałości wywołanym zmęczeniem materiału.

 

Metoda określania charakterystyki stanu powierzchni

Nixon i Cogdell opracowałi metodę oceny negatywnego wpływu środka smarnego zanieczyszczonego cząstkami stałymi [6] nazywaną Debris Signature AnalysisSM. Wyniki badań przeprowadzonych we współpracy z producentem urządzeń, są przykładem korzyści płynacych z zastosowania tej metody dla oceny systemów urządzeń. Do oceny poziomu zanieczyszczeń w konkertnym zastosowaniu, wykorzystano standardową metodę określania rozkładu i koncentracji zanieczyszczeń. Łożyska pracujące w tych urządzeniach, po dłuższym czasie eksploatacji zostały wymontowane i sprawdzone pod kątem uszkodzeń przez cząstki stałe, zarówno wizualnie jak i za pomocą wspomnianej metody Debris Signature AnalysisSM. Tabela 1 przedstawia typowy rozkład wielkości cząstek i ich koncentrację w czasie eksploatacji urządzenia. Rys. 1 przedstawia typowy wygląd powierzchni bieżni łożyska przenoszącej obciążenie, po pewnym okresie eksploatacji.

 

Tabela 1

CZAS
PRÓBKOWANIA — GODZINY

LICZBA
CZĄSTEK > (na 100 ml)

KOD ISO

Środek
smarny

5 µm

15 µm

25 µm

50 µm

100 µm

300 µm

 

0 / 0

44718

7578

769

150

15

0

16 / 13

113 / 113

745800

98280

8820

300

90

30

20 / 17

446 / 446

679800

67500

14700

300

0

0

20 / 17

722 / 276

147990

10990

1400

30

0

0

18 / 14

1130 / 684

343260

36060

2460

60

0

0

19 / 16

 

Timken 1

Rys. 1. Zbliżenie powierzchni łożyska przenoszącej obciążenie z bardzo dużym wgnieceniem

 

Tylko na podstawie tych porównań wizualnych widać było, że analiza środka smarnego nie wskazywała na wielkość poziomu uszkodzenia powierzchni. Dzięki porównaniu danych w tabeli 1 z widocznym uszkodzeniem można z pewnością stwierdzić, że pobieranie próbek środka smarnego nie umożliwiło wykazanie obecności cząstek większych niż 300 µm. Jednakże wizualne porównanie wgnieceń, niektórych o średnicy 6 mm, wskazuje na obecność w próbce cząstek ponad 100 razy większych niż 300 µm. W celu dokładniejszego scharakteryzowania uszkodzenia powierzchni zastosowana została metoda Debris Signature AnalysisSM, która wykazała przewidywane skrócenie trwałości o 42%. Przykład ten ilustruje konieczność określania charakterystyki stanu powierzchni w celu powiązania efektywności pracy z uszkodzeniem wynikającym z zanieczyszczenia.

 

Porównanie efektywności pracy produktu

W procesie analizy, w celu oceny i przewidywania efektywności pracy łożyska w warunkach zanieczyszczenia cząstkami stałymi, przeprowadzono liczne testy trwałości łożysk gdzie wykorzystano standardową metodę powodowania uszkodzeń przez cząstki stałe [7]. Na powierzchni testowanych łożysk wykonano wgniecenia, a w trakcie testów nie dodawano kolejnych zanieczyszczeń.

Rys. 2 przedstawia porównanie efektywności pracy łożysk stożkowych pięciu największych producentów. Testy które zostały wcześniej opublikowane w raporcie [8] zostały przeprowadzone na standardowych produktach danego producenta. W grupie tej, skrajne wyniki różniły się między sobą nawet o 300%. Łożysko A miało najwyższy współczynnik efektywności. W łożysku B i E zastosowano stal hartowaną na wskroś a w łożyska C i D niektóre lub wszystkie komponenty były wykonane ze stali nawęglanej.

 

Rys. 2. Porównanie testu trwałości dla łożyska o średnicy zewnętrznej 73 mm

 

Dla celów porównania statystycznego, wyniki testu trwałości podano w zakresie rozrzutu wynoszącym 65%. Rozrzut ten obliczono na podstawie wielkości próbki i rozproszenia błędów testów i jest funkcją rozkładu Weibulla. Jeżeli rozrzuty te pokrywają się pomiędzy grupami testowymi, nie można określić statystycznie istotnej różnicy w trwałości przy poziomie rozrzutu wynoszącym 90%.

 

Badania łożysk standardowych i odpornych na zanieczyszczenia cząstkami stałymi

Przeprowadzono również badania standardowego produktu jednego z producentów (łożysko A) i specjalnych produktów „odpornych na zanieczyszczenia cząstkami stałymi” dwóch innych producentów. W tym przypadku produkty specjalne miały trwałość nawet dziesięciokrotnie większą w porównaniu do standardowych.

Rys. 3 przedstawia znormalizowane wyniki testów przy warunkach identycznych jak przedstawiono na rys. 2. W tym przypadku łożysko A uzyskało trwałość, która nieznacznie przekroczyła wyniki uzyskane dla łożyska specjalnego.

Timken 3

Rys. 3. Porównanie testu trwałości łożyska standardowego i „odpornego na zanieczyszczenia cząstkami stałymi” (średnica zewnętrzna: 83 mm)

 

Rys. 4 przedstawia znormalizowane wyniki testu trwałości w warunkach podobnych do przedstawionych na rys. 2, ale po zmianie rodzaju zanieczyszczeń. Doprowadziło to tylko do niewielkich uszkodzeń spowodowanych przez cząstki stałe. W tym przypadku metodę Debris Signature Analysis zastosowano do standardowego łożyska A i przewidziano tylko nieznaczne zmniejszenie trwałości spowodowane przez cząstki stałe. W tych warunkach łożysko A uzyskało wyniki trwałości równe wynikom łożyska specjalnego.

Timken 4

Rys. 4. Porównanie testu trwałości łożyska standardowego i „odpornego na zanieczyszczenia cząstkami stałymi” (średnica zewnętrzna: 68 mm)

 

Rys. 5 przedstawia znormalizowane wyniki dla większego łożyska o średnicy zewnętrznej 318 mm. Zmienione zostały warunki przeprowadzania testu (częściowo poprzez użycie większego łożyska), a także nowy rodzaj zanieczyszczeń i metodę ich wprowadzenia. Spowodowało to powstanie uszkodzeń od umiarkowanych do dużych. Metodę Debris Signature Analysis zastosowano do standardowego łożyska A oraz przewidziano nawet trzykrotne zmniejszenie trwałości. W tych warunkach łożysko A uzyskało wyniki testu trwałości, które znacznie przekroczyły wyniki uzyskane dla łożyska specjalnego.

Timken 5

Rys. 5. Porównanie testu trwałości łożyska standardowego i „odpornego na zanieczyszczenia cząstkami stałymi” (średnica zewnętrzna: 318 mm)

Jednym z wniosków wynikających z tego testu jest fakt, że różnice w procesie produkcji, materiałach i stosowanej obróbce pomiędzy producentami łożysk wpływają na trwałość zmęczeniową łożysk pracujących w środowiskach o wysokim zanieczyszczeniu cząstkami stałymi.

 

Zwiększanie poziomu efektywności pracy

Badając unikatową strukturę materiału i parametry procesu produkcji łożyska A, opracowano sposób pozwalający na zwiększenie odporności na działanie cząstek stałych. Za cel przyjęto poprawę charakterystyki mechanicznej łożyska dotyczącej wytrzymałości, plastyczności i twardości, szczególnie na powierzchniach kontaktu wałeczków z bieżnią. Oznaczało to również zmianę kluczowych parametrów konstrukcji i zaostrzenie limitów kontroli procesu dla wybranych parametrów, szczególnie podczas obróbki cieplnej. Opatentowana specyfikacja obejmuje wybrane parametry, w tym skład chemiczny stali, zawartość austenitu, mikrostrukturę i kontrolę właściwości warstwy powierzchniowej po obróbce cieplnej.

Wyniki efektywności pracy nowego łożyska odpornego na działanie cząstek stałych, wynikającej ze zmiany konstrukcji i procesu jego wytwarzania, przedstawia rys. 6. W rezultacie przeprowadzonych testów dwóch podstawowych grup łożysk, w których wgniecenia powstały w wyniku działania cząstek, ich trwałość była około 2 do 3 razy krótsza niż przewidywana trwałość łożysk bez wgnieceń. Zastosowana metoda Debris Signature Analysis przewidziała zmniejszenia trwałości łożysk w wyniku zanieczyszczeń o wartość współczynnika od 0,4 do 0,5.

Timken 6

Rys. 6. Porównanie testu trwałości łożyska specjalnego „odpornego na zanieczyszczenia cząstkami stałymi” i łożyska standardowego (średnica zewnętrzna: 248 mm)

 

Wykazano, że efektywność pracy łożyska odpornego na zanieczyszczenia cząstkami stałymi była znacznie wyższa niż w przypadku grup podstawowych, dla których górny zakres rozrzutu 65% przekroczył linię przewidywanej trwałości przy braku uszkodzeń przez cząstki stałe. Dlatego zastosowanie łożyska odpornego na zanieczyszczenia cząstkami stałymi zaprzeczyło negatywnemu wpływowi uszkodzeń powstałych przez cząstki stałe i zwiększyło średnią żywotność grupy łożysk o 2.3 raza względem dwóch grup łożysk wytworzonych w standardowym procesie produkcji. Obecnie, łożyska odporne na zanieczyszczenia cząstkami stałymi są oferowane jako produkt o nawet 2-krotnie dłuższej trwałości w środowiskach gdzie występują takie zanieczyszczenia.

 

Model predykcji trwałości

Teoretyczną podstawę dla oceny predykcji trwałości łożysk w środowiskach gdzie występują zanieczyszczenia cząstkami stałymi przedstawiono w modelu Ai [12], w którym określono wpływ wgnieceń na miejscowe obciążenia bieżni oraz trwałość. Model ten został zweryfikowany za pomocą testów z kontrolowanymi wgnieceniami w łożyskach z wykorzystaniem łożysk o charakterystyce efektywności pracy odpowiadającej łożysku A.

Ponieważ cząstki występujące w różnych zastosowaniach mają szeroki zakres rozmiarów, opracowano program określający efekt zanieczyszczenia środka smarnego uwzględniający realistyczny rozkład ich rozmiarów. Zastosowano dwie metody. W pierwszej metodzie symulowano rozkład rozmiarów cząstek stałych powiązany z ich rozkładem zgodnie z normą ISO 4406. Zmieszano cząsteczki stali 52100 odpowiadającej normom ISO 13/10, 15/12, 17/14, 18/16 i 21/18 ze środkiem smarnym i użyto ich do wytworzenia wgnieceń zgodnie z opisem w publikacji Nixon [7]. Jako przykład, rys. 7 przedstawia rozkład cząstek użytych dla poziomów czystości ISO 4406 21/18 i 15/12. Rozkłady te, opracowano na podstawie analizy i charakterystyki ISO 4406 używanego oleju zanieczyszczonego przez cząstki stałe. Wgniecione powierzchnie łożysk odwzorowano optycznie w celu uzyskania rozkładu wielkości wgnieceń i ich gęstości. Umożliwiło to uzyskanie profilu Debris Signature AnalysisSM dla każdego z tych warunków zanieczyszczenia. Dane odnośnie rozmiarów wgnieceń i ich gęstości na powierzchni zgromadzono do dalszego wykorzystania przez inżynierów ds. zastosowań w celu analizy trwałości łożysk, które mogą pracować w podobnych środowiskach.

Timken 7

Rys. 7. Rozkład wielkości cząstek dla dwóch określonych kodów ISO

 

Celem drugiej metody było uzyskanie łożysk pochodzących z rzeczywistych zastosowań oraz opracowanie charakterystyki optycznej rozmiarów wgnieceń i ich gęstości na powierzchni dla celów przyszłej analizy trwałości. Były to łożyska o większych gabarytach, które zwykle narażone są na pracę w środowiskach o większym zanieczyszczeniu, a których nie można prawidłowo opisać na podstawie normy ISO 4406. Na podstawie zdjęć pokazujących wgniecenia na powierzchni, inżynierowie mogą wybrać poziom uszkodzenia powierzchni występujący w ich zastosowaniu.

Analiza trwałości środka smarnego przeprowadzona na standardowych stanowiskach do wykonywania testów trwałości wykazała, że podstawowy poziom czystości jest zgodny z normą ISO 15/12. Na tym poziomie czystości wartość współczynnika trwałości po uszkodzeniu przez cząstki stałe wynosi 1,0. Użycie czystszego środka smarnego zwiększyłoby żywotność, a środka z większą ilością zanieczyszczeń — zmniejszyło ją.

Aby określić współczynnik zmniejszenia trwałości, dane z metody Debris Signature AnalysisSM są następnie używane w sposób opisany poniżej. W celu określenia naprężeń w miejscu styku i powierzchni kontaktu, dla danych warunków określa się obciążenia występujące w miejscu styku bieżni z elementem tocznym. Pozwala to określić wpływ wielkości i liczby wgnieceń na trwałość łożyska w tym środowisku. Rys. 8 przedstawia wykres zależności współczynników stopnia zanieczyszczeń (a3D) dla łożyska stożkowego o otworze 33 mm dla różnych poziomów czystości środka smarnego i obciążeń promieniowych wyrażonych jako wartość procentowa nośności C(90). Jak widać, przy dużych obciążeniach wpływ zmiany ilości cząstek na całkowite obciążenie jest mniejszy niż w przypadku niewielkich obciążeń.

Jak pokazano na rys. 2, w przypadku łożysk wykonanych ze stali hartowanej na wskroś prawdopodobieństwo powstania wgnieceń w wyniku zanieczyszczeń cząstkami stałymi może być większe niż w przypadku łożysk wykonanych ze stali nawęglanej. Jak pokazano na rys. 6, odporność łożysk ze stali nawęglanej można dodatkowo zwiększyć. Na rys. 9 przedstawiono różnice współczynników stopnia zanieczyszczeń związanych z zanieczyszczeniami dla łożysk wykonanych ze stali hartowanej na wskroś względem łożysk ze stali nawęglanej w umiarkowanie zanieczyszczonym środowisku. Łożyska wykonane ze stali hartowanej na wskroś będą miały nieco krótszą trwałość niż łożyska ze stali nawęglanej. Jak można oczekiwać, mikrostruktura łożyska odpornego na zanieczyszczenia cząstkami stałymi skuteczniej zwiększa trwałość łożyska w środowisku o wyższym poziomie zanieczyszczeń.

Timken 8

Rys. 8. Zmiana współczynnika stopnia zanieczyszczenia jako funkcja obciążenia i różnych kodów ISO

 Timken 9

Rys. 9. Względny współczynnik stopnia zanieczyszczeń dla różnych materiałów łożysk

 

Pod kątem trwałości przetestowano znaczną liczbę łożysk (w których cząstki stałe spowodowały wgniecenia) na maszynach do testowania trwałości, z których korzystali autorzy tej publikacji. Na rys.10 przedstawiono związek między eksperymentalnie określonym zmniejszeniem trwałości z powodu zanieczyszczeń a zmniejszeniem trwałości przewidywanym przez metodę Debris Signature AnalysisSM. [15] W przypadku łożyska zastosowanego przez autorów pokazano ten model w celu wykazania praktycznego związku między wgnieceniami spowodowanymi przez cząstki stałe a w konsekwencji powstania uszkodzenia.

Timken 10

Rys. 10. Porównanie wyników eksperymentu z przewidywaniami modelu

 

Wnioski

Poniższe wnioski i obserwacje podano jako wynik analizy i testów doświadczalnych.

1) W systemach o wysokim stopniu zanieczyszczenia zastosowanie tylko metod analizy środka smarnego może nie wystarczyć do powiązania uszkodzenia łożyska i rzeczywistej pracy łożyska.

2) Test trwałości zmęczeniowej łożysk w celu oceny podatności na uszkodzenia związane z zanieczyszczeniami cząstkami stałymi może stanowić przydatne narzędzie do różnicowania efektywności pracy łożysk.

3) Ustandaryzowane testy trwałości w warunkach zanieczyszczenia wykazały, że łożyska standardowe i odporne na zanieczyszczenia pochodzące od różnych producentów mają zupełnie inną trwałość. Różnice te należy uwzględnić w przypadku porównań odporności łożysk na zanieczyszczenie cząstkami i podczas stosowania narzędzi do przewidywania efektywnej trwałości.

4) Oczekuje się, że bezpośredni pomiar uszkodzeń zastosowany w metodzie Debris Signature AnalysisSM umożliwia uzyskanie bardziej precyzyjnych wyników niż inne metody obejmujące analizę zanieczyszczenia środka smarnego opisujących wielkość uszkodzenia.

5) Metoda Debris Signature AnalysisSM może stanowić narzędzie umożliwiające porównywanie pod względem ilościowym, środowisk o różnym stopniu zanieczyszczenia w kontekście urządzeń działających prawidłowo i tych, które nie działających prawidłowo.

6) Nowy model przewidywania trwałości umożliwia wykazanie praktycznego związku między wgnieceniami spowodowanymi przez cząstki stałe a powstaniem uszkodzenia.

 

autorzy: Harvey Nixon, Thomas Springer, Michael Hoeprich, Douglas Clouse, The Timken Company

 

Bibliografia 

1 Anderson, D. P., „Wear Particle Atlas (Revised)” Predict/DLI, Cleveland, OH, 1995.

2 Brak informacji o autorze, „Standard Test Method for Insoluble Contamination of Hydraulic Fluids by Gravimetric Analysis”, ASTM D4898-90, ASTM, W. Conshohocken, PA, 1996

3 Glaeser, W. A., „Use of Surface Analysis Techniques in the Study of Wear”, Wear, Vol. 100, No. 1-3, str. 477-487, grudzień 1984

4 Ives, L. K., „Electron Microscopy”, ASM Handbook, Vol. 18, Friction, Lubrication and Wear Technology, ASM International, 1995

5 Poley, J., „Oil Analysis for Monitoring Hydraulic Oil Systems, A Step-Stage Approach”, Lubrication Engineering, Vol. 46, No. 1, 1990 str. 41-47

6 Nixon, H.P., Cogdell, J. D., „Debris Signature AnalysisSM:

A Method for Assessing the Detrimental Effect of Specific Debris Contaminated Lubrication Environments”, SAE Paper 9814781998

7 Nixon, H.P., Zantopulos, H., Cogdell,J.D.,„A Standardized Method for Evaluating Debris Resistance of Rolling Element Bearings”, SAE Tech.

Paper Series 940728, (1994)

8 Nixon, H.P., Ai, Xiaolan, Cogdell, J.D., Fox, G.P., „Assessing and Predicting the Performance of Bearings in Debris Contaminated Lubrication Environment”, SAE Paper 1999-01-2791

9 Ai, Xiaolan and Nixon, Harvey P., „Fatigue Life Reduction of Roller Bearings Due to Debris Denting:

Part I – Theoretical Modeling”, Tribology Transactions, Vol. 43 (2000),2, str. 197-204

10 Ai, X., „Effects of Debris Contamination on the Fatigue Life of Roller Bearings”, 2001

 

Wszystkie zdjęcia: Własność firmy The Timken Company

 

Authors

Related posts

Góra
English