Slijtage en oppervlaktemoeheid in rollagers

- May 27, 2020-

Slijtage en oppervlaktemoeheid in rollagers


In sommige toepassingen kunnen rollagers een aanzienlijk verlies van materiaal (slijtage) lijden als gevolg van gebrek aan smering, de aanwezigheid van schurende deeltjes, corrosie, oscillerende rotatie en andere oorzaken. Dergelijke slijtage kan op zijn beurt een nadelig effect hebben op de werking van het lager, van de vermindering van voorbelasting tot potentieel catastrofale effecten. Een gemeenschappelijk en misschien onverwacht gevolg van ongelijke slijtage in de lagerbanen is de toenemende mogelijkheid van oppervlaktemoeheid. In sommige toepassingen is het niet ongewoon om banden van oppervlaktenood of oppervlaktespalling langs de renbanen te zien. Dit wordt geassocieerd met de mogelijkheid van raceway profiel wijziging van ongelijke slijtage, die kan leiden tot stress concentratie in de lijnen van hoge druk en lagere filmdikte.

Figuur 1: Voorbeeld van schurende slijtage in een binnenste ring van een bolvormig rollager veroorzaakt door slechte smeringomstandigheden en de aanwezigheid van schurende deeltjes

Rollagers die onder slechte smeringsomstandigheden werken in situaties van ongelijke glijden of met de aanwezigheid van schurende deeltjes of verontreiniging door vloeistoffen kunnen aanzienlijke wijzigingen ondergaan in de racebaanprofielen (fig. 1). Na verloop van tijd kunnen deze wijzigingen stressconcentraties ontwikkelen in de meest beladen gebieden (fig. 2), wat mogelijk kan leiden tot een toename van gelokaliseerde oppervlaktemoeheid, waardoor banden van microspalling of spalling langs de renbanen op het gebied van hogere stress (fig. 3) ontstaan. Deze mogelijke schademodus kan elk rollager beïnvloeden, maar toepassingen met zware verontreiniging, corrosie, slechte smering en ongelijke glijdende of variabele belasting zullen het meest worden beïnvloed. Voorbeelden zijn meestal te vinden in de mijnbouw, pulp en papier, windtoepassingen en andere gebieden.

Figuur 2: Voorbeeld van een rollend lager raceway profiel en 3D ruwheid gewijzigd na ongelijke slijtage.

 

Figuur 3: Voorbeeld van oppervlaktenood: spall banden langs de raceway, veroorzaakt door ongelijke slijtage in een cilindrische rollager binnenring.

Slijtage in rollende lagers is een niet-lineair fenomeen, en zelfs waarnemingen en meting van rollagerslijtage in regelmatige intervallen tonen aan dat eenvoudige intuïtie niet voldoende is om te voorspellen hoe slijtage in de tijd zal evolueren. Dit is te wijten aan een verscheidenheid van redenen; slijtage hangt voornamelijk af van lokale glijden en lokale belasting, en slijtage zelf wijzigt deze twee factoren, dus eenvoudige extrapo-lation is niet mogelijk. Een strengere analyse is dan noodzakelijk, en daarom heeft SKF zich gericht op het onderzoek naar glijden en slijtage in rollagers en de effecten daarvan op het dragen van het leven [1].

Elk rollend lager heeft een zekere mate van glijden; Dit is normaal. Het wordt geproduceerd door de lager interne geometrie en/of de ladingsvoorwaarden. Bijvoorbeeld, een radiale bal of rollager, perfect radiaal geladen, zal ook glijden (Heathcote slip) als gevolg van het rollende element / ring contact geometrie en elastische vervorming van de belasting (vijgen. 4a en 4b). Aangezien slijtage afhankelijk is van glijden, in de tijd (als de omstandigheden goed worden gegeven) zou worden verwacht dat de zuivere rollende banden (A en A1) zullen de enige zones zijn waar slijtage niet zal plaatsvinden en daarom de enige zones die alle lading in het contact zullen dragen.

Figuur 4a: Rollend element raceway contact met een gebogen contactoppervlak en de invloed van elastische vervorming. Dit laat zien hoe glijden wordt geproduceerd.
Figuur 4b: Invloed van elastische vervorming op de binnenste ring van een diepe groef kogellager.

Gelukkig kan dit alleen gebeuren in situaties van zware slijtage, zoals de aanwezigheid van schurende deeltjes, zware corrosie of abnormaal glijden als gevolg van ongepaste belasting of montage van het lager. In de meeste gevallen werken de lagers goed, en dit glijden zal de normale werkomgeving zijn van een rollager zonder problemen.

Het huidige papier zal gaan een beetje dieper in de belangrijkste mechanismen van de potentiële slijtage-vermoeidheid combinatie schade modus. De modellering en de experimenten werden uitgevoerd om het beter te begrijpen en om enig licht te werpen op manieren van preventie.

Modellering

Modelleringsslijtage
In [2] worden verschillende slijtagemodellen onder gesmeerde omstandigheden besproken en wordt geconcludeerd dat ze in alle gevallen kunnen worden vertegenwoordigd door een Archard-model [3], soms met een geavanceerd slijtagecoëfficiëntmodel. In de meeste gevallen is de slijtcoëfficiënt een empirische factor op basis van experimenten. Dus, de meest algemene slijtage vergelijking is:

Formule 1

Waar:
V= slijtagevolume [m3] in een bepaalde tijd,
k= dimensieloze Archard slijtingscoëfficiënt [-],
F= contactkracht [N],
H= huidige oppervlaktemateriaalhardheid [Pa],
S= glijdende afstand [m] in een bepaalde tijd.

Het slijtagevolume kan worden uitgedrukt als:

Formule 2

Waar:
H= verwijderde oppervlaktelaagdikte [m] in een bepaalde tijd,
AS= schuifgebied [m2] in een bepaalde tijd.

Zo, vervangen (2) in (1) en gezien het feit dat het contact gemiddelde drukp=F/A

Formule 3 rij 1
Formule 3 rij 2

Nu, gezien de totale contacttijd t per belastingscyclus, die de tijd van passage van beide glijdende oppervlakken in de contactzone met de glijdende snelheid vertegenwoordigt, dan is het glijdende gebied gewoon het contactgebied, dusAS= A. De verwijderde laagdikte per aantal overrollen (N) kan worden berekend door [2] te volgen als:

Formule 4

Waar:
US= de lokale schuifsnelheid [m/s]
U1= de gemiddelde snelheid van het geanalyseerde oppervlak [m/s]
L= de contactlengte langs de schuifrichting [m].

Merk op dat bijna alle hoeveelheden lokaal zijn (x,y.) Hier ook zal de hardheid van het staal in de renbanen en de rollende elementen als constant worden verondersteld. Vergelijking (4) geeft de lokale dikte van de versleten laag verwijderd bij elke overrollen in een lager contact.

Modellering van de interactie slijtage-vermoeidheid

Om de interactieslijtage/vermoeidheid in lagers te modelleren, moet een rollend contactmoeheidsmodel (RCF) worden toegepast bij elke overrol van de rijbaan met een eerder gewijzigd profiel (op beide oppervlakken) als gevolg van slijtage; op deze manier lopen beide verschijnselen (slijtage en vermoeidheid) samen. Elke keer dat de slijtage het profiel wijzigt, moet een nieuwe drukverdeling in het contact worden berekend voor het vermoeidheidsmodel. Dit proces weerspiegelt wat er gebeurt in het echte leven. Het is echter zeer kostbaar computa­tionally sprekend, gezien het feit dat typische RCF-levens miljoenen overrollen kunnen dekken. Er zijn dus vereenvoudigingen die de rekenkosten aanzienlijk verlagen:

  1. Een droge contactberekening wordt toegepast in plaats van een volledige elastohydrodische smering (EHL) oplossing, waarbij in dit geval de oplossing van het smeerprobleem wordt vermeden door simpelweg een (gemeten) vaste wrijvingscoëfficiënt te overwegen.

  2. Het bijwerken van het profiel als gevolg van slijtage elk bepaald aantal overrollen, in plaats van het bijwerken van het bij elke over-rolling.

  3. Puntnummer (2) heeft ook tot gevolg dat de update van de contactberekening en de schade (vermoeidheids)berekening ook tegelijk met de actualisering van het profiel door slijtage kunnen worden gedaan, in plaats van bij elke overrol.

Het stroomschema van fig. 5 toont een samenvatting van de berekeningsprocedure. Merk op dat in dit geval het vermoeidheidscriterium van Dang Van [4] wordt gebruikt en dat de schadeaccumulatie wordt gedaan via de lineaire wet van Palmgren-Miner [5,6]. Maar elk ander vermoeidheidscriterium en schadeaccumulatiebelasting had kunnen worden gebruikt, als de experimenten dat zouden suggereren.

Figuur 5: Rollend contactvermoeidheidsmodel met de mogelijkheid om slijtage op de racebaan op te nemen.


Experimenten

Om het vermoeidheidsmodel te valideren, werd een duurtest uitgevoerd met behulp van een cilindrische stuwkrachtrollager 81107 TN (fig. 6a), axiaal geladen met C/P = 6,5 en smeringomstandigheden gegeven door een k ∙ 0,5.

Voorafgaand aan het testen werd een kunstmatige profilering (fig. 6b) gemaakt in de nieuwe lagers, alsof ze onder zware slijtageomstandigheden hadden gelopen. Tijdens het testen faalden sommige lagers, voornamelijk als gevolg van rolschade (fig. 6c), zodat het levensmodel vergeleken kon worden met de resultaten van de korte test. Precies dezelfde versleten rollen en nieuwe ringen werden beschouwd in het model van fig. 5; de resultaten toonden een zeer goede overeenstemming met de ondergrens van de gemeten10leven, gezien de Weibull statistieken.

Figuur 6: a) Cilindrische stuwkrachtrollagerschema's b) Kunstmatig gewijzigd profiel van geteste lagers c) Beschadigd rolelement van een lager na de test.

Tegelijkertijd werden ook slijtagetesten en mea­surements in volle lagers uitgevoerd om de slijtagecoëfficiënt te berekenen en vervolgens het model te valideren met behulp van verschillende sets experimenten. De overeenkomst tussen model en experimenten was ook bevredigend.

Resultaten

In stuwkracht cilindrische rollagers varieert het glijden lineair (neemt af) van de twee randen van de roller naar de toonhoogtelijn, waar het glijden nul is (fig. 7). Naar de buitendiameter van het lager zal de roller het snelste oppervlak zijn, en naar de binnendiameter zal het de langzaamste zijn. Om de gelijktijdige effecten van slijtage en vermoeidheid in een rollend lager met variabele glijden over de rijbaan te illustreren, wordt een andere stuwkrachtrollerlagerbeslaggeval beschouwd met een groter lager (81212 TN), zoals beschreven in de gegevens van tabel 1.

Figuur 7: Schematische weergave van geometrische parameters voor glijdende berekening in een cilindrische stuwkrachtrollager. De straal P/2 vertegenwoordigt de locatie van de toonhoogtediameter waar het glijden nul is.
Tabel 1: Belangrijkste geometrieparameters van 81212 TN en toegepaste belasting.

Er werd een simulatie gelanceerd waarmee het model het profiel als gevolg van slijtage met een dimensionale slijtagecoëfficiënt (gedefinieerd alsFormula 6) met de in tabel 1 aangegeven belastingsvoorwaarden en de simulatie die nominaal 300 miljoen overrollen moet bereiken.

In plaats van het bijwerken van de profielen voor slijtage bij elke over-rolling, om rekentijd te besparen zonder verlies van nauwkeurigheid, bleek dat de updates kunnen worden gedaan om de 15,5 miljoen over-rollen op de roller. Voor de simulatie wordt hetzelfde model als in fig. 5 toegepast, inclusief het Archard-vergelijkingsmodel (4).

De resultaten van de simulatie worden weergegeven in fig. 8. De figuur geeft aan:

  1. de dimensieloze druk;

  2. von Mises shear benadrukt,

  3. de schadekaart,

  4. de originele rol- en wasmachineprofielen;

  5. de versleten rol- en wasmachineprofielen, die overeenkomen met de tijdsstap van het einde van de simulaties.

Er moet op worden gewezen dat de schadekaart een totale schadewaarde heeft bereikt die hoger is dan 1 (scheurinitiatiedrempel) na slechts 31 miljoen overrollen. De resultaten weergegeven in fig. 8 zijn gerelateerd aan de eerste en laatste simulatie stappen. De initiële druk (fig. 8a) in de eerste overrollen ziet er min of meer Hertzian, maar toont een aantal edge-stress effect sinds een eenvoudige rechte roller profiel werd gebruikt, in plaats van een goede geprofileerd roller die die rand spanningen vermijdt. Uit de resultaten blijkt dat het glijden nul is in de toonhoogte; ook geeft het Archard wear model deel van de simulatie nul slijtage op die locatie aan.

Slijtage is namelijk gekoppeld aan de slipverdeling over de racebaan. Zo zal slijtage plaatsvinden in een verhoogd tempo als men beweegt uit de buurt van de toonhoogte lijn van de renbaan. Merk op dat oorspronkelijk de contactdruk was bijna rechthoekig (fig. 8a), maar als materiaal wordt verwijderd uit de twee zijden van het rollende contact de druk wordt verminderd in de gebieden van hoge glijden en is sterk verhoogd en geconcentreerd in het gebied van nul glijden (toonhoogte lijn), (fig. 8b). Deze verhoogde druk produceert hoge spanningen en vermoeidheid in een sneller tempo totdat er in het midden van de roller defect ontstaat (fig. 8c). Het gelijktijdige en gelijktijdige effect van slijtage en vermoeidheid kan inderdaad het RCF-spalling van het contact versnellen. Deze versnelde vermoeidheid spalling is niet gerelateerd aan wrijvingsstress veroorzaakt door glijden, maar is het resultaat van de wijziging van het oorspronkelijke profiel van de rollende lichamen (vijgen. 8d en 8e) wat leidt tot een sterke stijging van de contactstress en gelokaliseerde lagere filmdikte.

Figuur 8: a) Initiële dimensieloze druk, benadrukt Von Mises
Figuur 8: b) Laatste dimensieloze druk, benadrukt Von Mises
Palmgren-Miner schadekaart na simulatie voor hetzelfde voorbeeld van tabel 1 met een slijtcoëfficiënt van =0,5×10-11 [s]
Figuur 8: d) Originele en versleten profielen voor de onderste wasmachine
Figuur 8: e) Originele en versleten profielen voor het einde van de levensduur na 31 miljoen overrollen met falen op de roller.


Conclusies

Uit de modellering van de gelijktijdige effecten van schurende slijtage en RCF, blijkt dat glijden een import-mier element zou kunnen worden in het verhogen van de vermoeidheidsschade van een lager. Dit vereist de aanwezigheid van schurende deeltjes en/of zeer slechte smeringomstandigheden in het lager. Niet-uniforme slipverdeling binnen het Hertzian-contact draagt ook bij aan de ontwikkeling van stress risers die de levensduur van de vermoeidheid van het lager aanzienlijk verkorten. Inderdaad, dit lijkt het belangrijkste mechanisme waarmee Hertzian glijden uiteindelijk zou kunnen verminderen de RCF levensduur van het lager.

Om dit risico te verminderen worden de volgende aanbevelingen gegeven:

  1. Zorg ervoor dat er altijd voldoende smering in het lager, vooral in grote afmetingen lagers met langzame rotatie of oscillerende snelheid, lagers in aanwezigheid van grote hoeveelheden schurende deeltjes of lagers blootgesteld aan corrosie.

  2. Oplossingen voor afdichting optimaliseren; gebruik uiteindelijk verzegelde/afgeschermde lagers.

  3. Verminder de vaste en vloeibare contam-inatie zoveel mogelijk.

  4. Vermijd schokbelastingen en trillingen die de nominale schuifomstandigheden in het lager aanzienlijk kunnen verhogen.

  5. In het geval van grote lagers kan remanufacture, indien ongelijke slijtage tijdig wordt gedetecteerd, een kostenreductieaspect zijn dat in aanmerking moet worden genomen.

  6. Voor meer informatie over onze producten en offerte, pls e-mail naar:info@jxtcbearing.com