Lager testmethoden en strategieën

- Dec 04, 2019-

Lager testmethoden en strategieën

Abstract

Als machine-elementen ontworpen voor meerdere toepassingen, wentellagers
kunnen worden blootgesteld aan zeer verschillende en ook uitdagende bedrijfsomstandigheden.
Aangezien lagers standaardonderdelen zijn, zijn leveranciers bovendien uitwisselbaar en
het is noodzakelijk om zowel de kwaliteit als de technische prestaties voortdurend te controleren.
Testen op testopstellingen is de meest betrouwbare methode voor productverificatie. Deze
publicatie geeft een overzicht van verschillende testmethoden, de benodigde apparatuur
en teststrategieën. De belangrijkste testmethoden zijn voor wrijvingskoppel of
temperatuur en voor uithoudingsvermogen. Beide hebben hun rechtvaardiging afhankelijk van wat is
meest kritisch in de bijbehorende toepassing. Wat betreft testapparatuur, twee
standaardopties van Elgeti Engineering GmbH worden besproken en
vergeleken met andere gangbare testopstellingconcepten die op de markt aanwezig zijn. Een bepaalde
referentiepunt is de FE8-testinstallatie die wordt beschreven in DIN 51819 [2] en is
zeer gebruikelijk voor onderzoek naar lagers in grote technische universiteiten. Tenslotte,
teststrategieën voor verschillende cases worden ontwikkeld en uitgelegd.

Motivatie

De belangrijkste redenen voor het testen van lagers zijn:

  • Technische validatie / goedkeuring van de leverancier

  • Vergelijkende beoordeling (van toepassing op verschillende leveranciers of op verschillende
    productie methodes

  • Continue kwaliteitscontrole voor inkomende of uitgaande inspecties

Vanwege de complexiteit van testen, geschikte benaderingen en strategieën
zijn essentieel voor het balanceren van tijd, kosten en voordelen.

Testmethoden

Bij de testmethoden moet eerst onderscheid worden gemaakt tussen testen op wrijvingskoppel of temperatuur en testen op uithoudingsvermogen. Wrijving- en temperatuurtests kunnen helpen het effect van verschillende bedrijfsomstandigheden op het wrijvingskoppel en de evenwichtstemperatuur te begrijpen. Dergelijke tests kunnen helpen om vermogensverliezen als gevolg van wrijving te evalueren die bijdragen aan de algehele systeemefficiëntie. Als voorbeeld kunnen de verliezen in individuele lagerelementen in de aandrijflijn van een auto en dus de totale efficiëntie van de aandrijflijn worden geëvalueerd. Deze testmethode kan ook worden gebruikt voor een snelle evaluatie van de kwaliteitsnormen voor regelmatige leveringen (inkomende inspecties) [1] en om prestatielimieten te identificeren. Ten slotte kan steady-state temperatuur een prestatiebeperkend criterium zijn voor vetgesmeerde lagers.

Duurzaamheidstesten worden gebruikt om de levensduur van de lager bij langdurig gebruik te evalueren. Testen kunnen worden gebruikt om te valideren of de prestaties van het lager en het smeermiddel voldoen aan de technische specificaties of verwachtingen. Wanneer u overschakelt naar of een nieuwe leverancier koopt, moet u er meestal voor zorgen dat de prestaties van het nieuwe product beter - of op zijn minst niet slechter - zijn dan de huidige leverancier. Een versnelde duurzaamheidstest kan een snelle vergelijkende beoordeling van verschillende leveranciers bieden en iemand helpen een weloverwogen beslissing te nemen. Een duurzaamheidstest die de theoretische levensduur overschrijdt, kan ook een snelle test voor inkomende inspectie bieden [1].

Door Elgeti Engineering aangeboden testopstellingen kunnen worden geclassificeerd als standaard en aangepast. Een standaardopstelling biedt de meest kosteneffectieve oplossing voor de evaluatie van lagerkwaliteit en prestaties. Deze opstellingen bieden de mogelijkheid om axiale, radiale of gecombineerde belastingen te simuleren, zoals getoond in respectievelijk figuur 1, 2 en 3. Het is belangrijk op te merken dat in het geval van gecombineerde belastingstoepassingen de axiale en radiale belastingen niet onafhankelijk van elkaar zijn vanwege de wrijving tussen het gereedschap en de behuizing. Daarom kan puur axiaal of puur radiaal testen de voorkeur hebben, zelfs als in de gerelateerde toepassing gecombineerde belastingen te verwachten zijn.

Figuur 1: Toepassing axiale belasting

Figuur 2: Toepassing radiale belasting

Figuur 3: Gecombineerde belastingstoepassing

In vergelijking met de standaard testopstellingen, maken aangepaste opstellingen door Elgeti Engineering een aangepaste toepassing van belastingen mogelijk waardoor realistischere testomstandigheden kunnen worden bereikt. Figuur 4 toont een meerassige testopstelling die belasting met drie vrijheidsgraden mogelijk maakt. Deze testopstelling is vooral relevant voor wiellagers, poelie- of planeetlagers van vrachtwagens, waarbij behalve axiale en radiale belastingen een kantelmoment moet worden gesimuleerd.

Afbeelding 4: Meerassige belastingstoepassing

Uitrusting testen

Standaard testopstellingen over de hele wereld gebruiken zeer vergelijkbare hoofdtestconcepten. Ze worden voornamelijk gedifferentieerd op basis van de methoden voor temperatuurregeling en belastingstoepassing en de mate van automatisering. Een compromis tussen kosten en de vereiste apparatuurprecisie evenals kosten en de vereiste statistische significantie is noodzakelijk. Nauwkeuriger controle en een hogere mate van automatisering gaan gepaard met een toename van de kosten. Daarom moet een test zo eenvoudig mogelijk zijn en zo complex als nodig is. Als testen met hoge precisie te duur is, zal men waarschijnlijk de service weigeren. In dergelijke gevallen zou onnauwkeurig testen nog steeds de betere optie zijn dan helemaal geen testen.

Er zijn drie belangrijke concepten voor temperatuurregeling. Geen enkele controle resulteert in de laagste kosten. In dit geval wordt verwacht dat de omgevingsomstandigheden constant zijn of ten minste herhaalbaar. De tweede methode om 4 een verwarmde behuizing te gebruiken, is gebruikelijk voor toepassingen met lage snelheid, zoals het testen van smeermiddelen in lagers met extreem gemengde wrijving met de FE8-testinstallatie volgens DIN 51819 [2].

De derde methode, die is geïmplementeerd op Elgeti Engineering-testplatforms, zoals weergegeven in figuur 5, biedt een volledige en nauwkeurige regeling van de mate van koeling en het oliedebiet en dus van de olietemperatuur. Een gesloten lusbesturingsschema is geïmplementeerd waarbij de rotatiesnelheid van de koelventilatormotor van de warmtewisselaar wordt geregeld op basis van de gemeten olietemperatuur (een gemiddelde van de inlaat- en uitlaatolietemperatuur bij de behuizing). Indien nodig kan het toerental van de pompmotor ook worden geregeld. Een optioneel verwarmingsapparaat kan in het smeeroliecircuit worden ingebracht als het in bedrijf is als een hogere temperatuur vereist is.

Figuur 5: Temperatuurregeling en smeersysteem

Er zijn vier belangrijke methoden voor het laden van toepassingen. Een toepassing met ruwe belasting kan worden bereikt door het gebruik van voorgespannen plaatveren met sluitringen, zoals het geval is in de standaard FE8-testinstallatie. Hoewel het een zeer goedkope oplossing is, biedt het een zeer lage precisie. Een andere methode bestaat uit een hydraulische krachtoverbrenging met behulp van gewichten. Dit biedt matige precisie in vergelijking met plaatveren tegen hogere kosten. Deze methode wordt gebruikt in de meeste lagertestinstallaties die vandaag beschikbaar zijn.

Tabel 1: Vergelijking van laadapplicatieconcepten

Een derde methode, die wordt geïmplementeerd in Elgeti Engineering-testopstellingen, maakt gebruik van hydraulische cilinders met een regeling van de hydraulische druk in een gesloten lus. Deze methode biedt ook matige precisie, maar tegen iets hogere kosten dan de vorige aanpak. Het grote voordeel ten opzichte van de eerder genoemde methoden is automatisering waarmee complexe laadcycli kunnen worden toegepast. Typische toepassingen zijn soepel inlopen en automatisch verhogen van de belasting als er binnen een bepaalde tijd geen storing is.

De vierde methode bereikt een hogere precisie door de belastingen rechtstreeks met loadcellen te meten in plaats van de hydraulische druk te meten. Elgeti Engineering-testplatforms zijn ook compatibel met deze aanpak, zoals weergegeven in figuur 6. De kenmerken van de verschillende methoden voor belastingstoepassing zijn samengevat in tabel 1.

Figuur 6: Belastingcontrole met behulp van een laadcel

Teststrategieën

Alvorens specifieke teststrategieën voor lagertests te ontwikkelen, moet eerst de algemene soorten tests worden weerspiegeld waarmee de lagerprestaties worden beoordeeld. Afhankelijk van het abstractieniveau kunnen tests worden geclassificeerd als veldtests, componenttests, deeltests en modeltests.

Veldtests omvatten het testen van complete systemen in echte toepassingen, bijvoorbeeld het testen van een auto op de openbare weg. Deze test wordt gebruikt om het productgedrag te verifiëren. Componenttests omvatten het testen van aggregaten op een testbank bij gedefinieerde bedrijfsomstandigheden om hun prestaties te beoordelen, bijvoorbeeld het testen van een versnellingsbak op een omhullingsbank. Onderdeeltests omvatten het testen van complete onderdelen onder gedefinieerde omstandigheden om de eigenschappen van het onderdeel te verifiëren, bijv. Het testen van lagers op een lagertestbank. Modeltests omvatten het testen van vereenvoudigde monsters onder gedefinieerde fysische en chemische invloeden, bijv. Een bal op een schijftribometer. Dit type test wordt voornamelijk gebruikt voor elementaire onderzoeksdoeleinden en productontwikkeling.

De parametertrends van de verschillende testtypen worden weergegeven in figuur 7. De veldtest vertegenwoordigt bijna nul abstractie, aangezien de test plaatsvindt in een echte toepassing. Deze test is ook zeer complex, tijdrovend en duur. De onderdelentest biedt een goed abstractieniveau voor een lagerduurzaamheid of wrijving en temperatuurtesten tegen een redelijke kostprijs en complexiteit. Deze test is ook nauwkeurig en heeft zeer herhaalbare testomstandigheden.

Voor duurzaamheidstests is statistische significantie een belangrijk onderwerp, aangezien de individuele testresultaten sterk kunnen variëren. Het bereiken van een voldoende niveau van statistische significantie is de belangrijkste reden waarom het uithoudingsvermogen van de lagers moet worden gemeten op een lagertestopstelling in plaats van een testopstelling van de versnellingsbak, ondanks het feit dat de laatste optie heel gebruikelijk is.

Figuur 8 toont het resultaat van tien levensduurtests met de cumulatieve faalfrequentie op de verticale as en de waargenomen levensduur in uren op de horizontale as. De vierkante vakken vertegenwoordigen de resultaten van individuele testruns. Om de levensduur van de populatie te evalueren, is een Weibull-verdeling met twee parameters op de grafiek aangebracht (de ononderbroken lijn in figuur 8). De parameter "a" wordt de schaalfactor genoemd die de karakteristieke levensduur vertegenwoordigt en de parameter "b" als de vormfactor. Deze parameters zijn ook onderhevig aan statistische variatie afhankelijk van de monsters.

Figuur 7: Trends met betrekking tot testtypen

Wanneer rekening wordt gehouden, resulteert deze variatie in extra plots, weergegeven als stippellijnen in figuur 8. Er kan worden geconcludeerd dat de experimentele L10-levensduur van de populatie, wanneer 10% van de lagers het eerste bewijs vertoont van vermoeidheidsproblemen, ligt binnen bepaalde limieten die worden bepaald door deze plots van variaties in parameters. Deze intervalgrootte kan worden verkleind door het aantal testmonsters te vergroten. Het is duidelijk dat tandwieltests in de meeste gevallen veel te duur zijn om een toereikende database te bieden.

Om de statistische significantie van testen te vergroten, moet men een afweging maken tussen het verhogen van het aantal testruns en de nauwkeurigheid van de testopstelling. De kosten voor het verhogen van het aantal testruns zijn duidelijk in termen van de toename van de testtijd, terwijl de kosten voor het verhogen van de nauwkeurigheid van de testopstelling duidelijk zijn in termen van apparatuurkosten. In sommige gevallen, met name in academische toepassingen, kan de hogere nauwkeurigheid van geavanceerde apparatuur onmisbaar zijn. Voor een standaardtest kan het kostenvoordeel van het kiezen van het aantal tests in plaats van het gebruik van dure apparatuur het nadeel van een langere testtijd compenseren.

Figuur 8: Cumulatieve waarschijnlijkheid Verdeling lagerlagers

De teststrategieën verschillen afhankelijk van de motivatie achter het uitvoeren van de test. Tests kunnen worden uitgevoerd voor goedkeuring door de leverancier of technische validatie, vergelijkende beoordeling van uithoudingsvermogen of regelmatige kwaliteitscontrole.

Goedkeuring van leveranciers kan nodig zijn om kosten te verlagen, levertijd te verkorten, kwaliteit te verbeteren en risico's te verminderen. Goedkeuring van leveranciers of technische validatie kan worden aangepakt door het wrijvingskoppelgedrag en de uithoudingsprestaties te valideren. Wrijvingstest- of temperatuurtests worden waargenomen als zeer herhaalbaar. Elke test duurt ongeveer een dag, inclusief de werktijd voor het opstellen van de monsters. In het geval van een duurtest voor technische validatie worden vaak vijf testruns uitgevoerd met de volgende aanpak. Om de volledige partij te kunnen goedkeuren, mag in deze monsters geen storing worden geconstateerd tot een testtijd van ten minste tweemaal L n, m (de gewijzigde testduur volgens ISO 281). In geval van een storing zijn verdere testruns nodig om tot een conclusie te komen. In het geval van twee storingen is de partij niet goedgekeurd.

Voor een vergelijkende beoordeling van het uithoudingsvermogen moeten testruns worden uitgevoerd tot ze mislukken. De standaardoptie omvat het uitvoeren van de test onder stabiele omstandigheden, bijvoorbeeld bij de helft van de dynamische belasting, gedurende een bepaalde tijd en vervolgens het verhogen van de belasting. Asbuigen moet worden vermeden terwijl de belasting toeneemt, omdat verschillend buigen zou leiden tot een ander contactspanningspatroon en daarom tot misleidende resultaten. Een enkele testrun duurt meestal tussen de twee en vier weken. Versnelde prestatietests bieden de mogelijkheid om de testtijd te verminderen tot ongeveer een week, terwijl nog steeds een redelijke vergelijkende beoordeling kan worden gemaakt. In deze tests wordt de belasting continu verhoogd terwijl het buigen van de as wordt vermeden. Deze continue toename van de belasting kan alleen worden bereikt met geautomatiseerde testinstallaties, zoals aangeboden door Elgeti Engineering.

Naast goedkeuring van leveranciers is het ook belangrijk om een continue kwaliteitscontrole van leveringen te waarborgen. De inkomende inspectie is essentieel voor de identificatie van niet-gekwalificeerde producten voordat ze worden gebruikt. Voor de leverancier kan een uitgaande inspectie voordelig zijn voor het handhaven van kwaliteitsnormen. In vergelijking met reguliere lagerinspectiemethoden op basis van uiterlijk, geometrie en materiaal, kan inspectie met testopstellingen voordelig zijn. In deze teststrategie worden vier willekeurig geselecteerde monsters van elke batch getest onder zware omstandigheden tot tweemaal L n, m (de gemodificeerde testlevensduur volgens ISO 281). Deze test kon binnen vijf dagen en tegen zeer beperkte kosten worden voltooid. Hoewel een dergelijke snelle test niet voldoende is voor een nauwkeurige evaluatie van de lagerprestaties, kunnen de meest voorkomende productie- en transportfouten die tot een storing kunnen leiden, gemakkelijk worden gedetecteerd. Sommige van de fouten die een grote waarschijnlijkheid hebben om te worden gedetecteerd, zijn onder andere slecht materiaal, geometrische afwijking (gedetecteerd tijdens montage op de testinstallatie), verhardende scheuren, slijpbrandwonden, één rollend element met een verkeerde diameter en mengen met neplagers van lage kwaliteit.

Conclusie

Standaard testopstellingen lijken erg op elkaar wat betreft hun basisconcepten; toch zijn er grote verschillen in hun benaderingen van temperatuurregeling en belastingintroductie. Aangezien testen altijd een compromis is tussen kosten en nauwkeurigheid, moet voor elk afzonderlijk geval een juiste balans worden gevonden - academisch onderzoek op hoog niveau moet duidelijk worden onderscheiden van de verificatie van matige lagerkwaliteit.

Hoewel het testen van temperatuur en wrijvingskoppel doorgaans herhaalbare resultaten oplevert, kunnen de testresultaten van levensduurtests aanzienlijk variëren. Daarom is er een wisselwerking tussen het aantal testruns dat kan worden geboden en de precisie van de apparatuur. Voor het testen van temperatuur en wrijvingsmomenten volstaan meestal drie testruns per populatie.

Voor duurtests is het volgende van toepassing op de meest voorkomende gevallen:

  • 5 test loopt tot twee keer de theoretische levensduur voor productvalidatie

  • 5 testruns tot falen per populatie voor vergelijkende tests (hier kan men stabiele omstandigheden of toenemende belastingen toepassen voor versnelde prestatietests)

  • 4 monsters (een of twee testruns) in zeer zware omstandigheden tot tweemaal theoretische levensduur voor continue kwaliteitscontrole.

De laatste optie is extreem krachtig omdat deze snel en betaalbaar is voor kleine lagers. Testen kan binnen een week worden uitgevoerd, wat leidt tot goedkeuring of afwijzing van een bepaalde batch, terwijl de behoefte aan een andere vorm van inkomende of uitgaande inspectie wordt verwijderd - elke grote fout die kon worden gedetecteerd door geometrische of materiaalinspectie, zou hoogstwaarschijnlijk leiden tot voortijdige uitval tijdens dergelijke testen.

Meer informatie over onze producten en offerte, stuur een e-mail naar: info@jxtcbearing.com