Metode experimentale şi analitice pentru evaluarea performanţelor rulmenţilor în condiţii de lubrifiere contaminată cu particule (II)

Transmisii Mecanice

de Thomas Springer , Michael Hoeprich , Harvey Nixon , Douglas Clouse

Metode experimentale şi analitice pentru evaluarea performanţelor rulmenţilor în condiţii de lubrifiere contaminată cu particule (II)

Articolul continuă analiza rezultatelor obţinute prin teste de durabilitate, în comparaţie cu o metodă analitică, pentru a oferi metode de proiectare şi de fabricare a rulmenţilor, pentru a le mări durabilitatea, chiar în medii contaminante cu particule solide.

Testarea durabilităţii rulmenţilor obişnuiţi, comparativ cu cei speciali, rezistenţi la contaminarea cu particule a lubrifiantului

Testarea a fost efectuată atât pentru un rulment obișnuit, provenit de la unul dintre producători (Rulm A), cât și pentru rulmenții speciali „rezistenți la contaminarea cu particule” aparținând altor doi producători. Rulmenții speciali, rezistenți la contaminarea cu particule, erau prezentați ca având îmbunătățiri ale durabilității de până la zece ori față de rulmenții obișnuiți.

FIGURA 2. Comparaţia testului de durabilitate, pentru rulmenţi cu diametrul exterior de 73 mm

FIGURA 3. Comparația testului de durabilitate a rulmentului obișnuit faţă de cel special „rezistent la contaminarea cu particule a lubrifiantului” (diametrul exterior 83 mm)

În figura 3 sunt prezentate rezultatele nor- malizate ale testului de durabilitate pe rulmenți deteriorați datorită contaminării cu particule a lubrifiantului, în condiții identice cu cele din figura 2. Aici Rulm A - obișnuit a avut o durabilitate care a depășit ușor durabilitatea rulmentului special.

În figura 4 sunt prezentate rezultatele nor- malizate ale testului de durabilitate, în condiții similare cu cele din figura 2, cu deosebirea că au fost schimbate dimensiunile particulelor din mediul contaminat. Aceasta a avut ca rezultat producerea de amprentări ușoare pe suprafe- țele rulmenților datorate particulelor. În acest caz, metoda Debris Signature Analysis SM a fost aplicată rulmentului obișnuit - Rulm A, fiind pronosticată scăderea durabilității datorită efectului particulelor contaminante. În aceste condiții, Rulm A a obținut o durabilitate egală cu durabilitatea rulmentului special, rezistent la contaminarea cu particule a lubrifiantului.

FIGURA 4. Comparația testului testului de durabilitate a rulmentului obișnuit faţă de cel special „rezistent la contaminarea cu particule a lubrifiantului” (diametrul exterior 68 mm)

În figura 5 sunt prezentate rezultatele normalizate ale testului de durabilitate pentru un rulment cu diametrul exterior mare, de 318 mm. A fost utilizat un set diferit de condiții de testare a durabilității (ocazionat, parțial, de utilizarea pentru testare a unui rulment de dimensiuni mari), precum și un nou mediu de particule contaminante și o nouă metodă de contaminare a rulmentului cu particule.

Aceaste schimbări au avut ca rezultat obține- rea pe suprafețele rulmentului a unor deteriorări moderate spre severe datorate contaminării. Metoda Debris Signature Analysis SM a fost aplicată rulmentului obișnuit - Rulm A, fiind pronosticată o micșorare de până la de 3 ori a durabilității. În aceste condiții, Rulm A a obținut o durabilitate care o depășește semnificativ pe cea a rulmenților speciali, rezistenți la contaminarea cu particule.

FIGURA 5. Comparația testului de durabilitate a rulmentu­lui obișnuit faţă de cel special „rezistent la con­taminarea cu particule a lubrifiantului” (diametrul exterior 318 mm)

O concluzie a acestui test este că deosebirile din procesul de fabricație și cele privind oțelurile și tratamentele termice utilizate la rulmenții produși de diverși fabricanți influențează rezistența la oboseală a rulmenților care funcționează în medii cu un nivel înalt al contaminării cu particule.

Creşterea nivelului performanţelor

Prin studierea parametrilor procesului metalurgic și a tehnologiilor de fabricație unice folosite pentru producerea Rulm A, a fost dezvoltată o abordare îmbunătățită a proceselor de fabricație pentru obținerea de rulmenți rezistenți la con­taminarea cu particule. Scopul a fost îmbunătățirea proprietăților mecanice ale rulmentului - rezistența, ductibilitatea și tenacitatea - mai ales la nivelul suprafețelor de contact funcționale (căile de rulare). Această abordare a inclus modificarea unor specificații cheie ale soluției constructive și strângerea limitelor de toleranță pentru anumiți parametri specifici ai proceselor, cu precădere ai tratamentelor termice. Specificația de proces, confidențială, presupune selectarea unor anumiți parametri, printre care compoziția chimică a oțe-lului, procentul de austenită reziduală, micro­structura și metode speciale de inspectare după tratamentul termic ale stratului superficial al suprafețelor de contact.

FIGURA 6. Compararea testului de durabilitate a unui rulment „rezistent la contaminarea cu particule a lubrifiantu­lui” faţă de rulmentul obișnuit (diametrul exte­rior 248 mm)

Rezultatele performanțelor obținute prin această nouă abordare a proiectării constructive și a procesului de fabricație a rulmenților rezistenți la contaminarea cu particule sunt prezentate în figura 6. În această schemă de testare particu­lară, durabilitățile celor două grupuri de referință de rulmenți obișnuiți, cu amprentări ale căilor de rulare provocate de contaminarea cu particule au fost de aproximativ 2-3 ori mai mici decât dura­bilitatea pronosticată în absența amprentărilor. Pentru acești rulmenți din gama standard a fost aplicată metoda Debris Signature Analysis SM, prevăzându-se un factor de micșorare a dura­bilității datorat contaminării cu particule, cuprins între 0,4 și 0,5.

Performanțele rulmentului rezistent la con­taminarea cu particule a lubrifiantului s-au dovedit a fi mult mai ridicate decât cele ale grupurilor de referință alcătuite din rulmenți obișnuiți, banda sa superioară de 65% încredere intersectând linia durabilității pronosticate în absența contaminării cu particule a lubrifiantului. Astfel, noul rulment rezistent la contaminarea cu particule a lubrifiantului a neutralizat efectele respectivei deteriorări datorită contaminării cu particule a lubrifiantului și a mărit durabilitatea medie a populației de rulmenți de 2,3 ori față de cele două grupuri de referință compuse din rulmenți obișnuiți, fabricați prin procese conven-ționale. Acest rulment rezistent la contaminarea cu particule a lubrifiantului este considerat, la ora actuală, ca oferind o îmbunătățire a durabilității de până la 2 ori, în mediile de lubrifiere contami­nate cu particule.

Modelul de predicţie a durabilităţii

Baza teoretică pentru instrumentul de predicție a durabilității rulmentului a fost prezentată de Ai [12], fiind determinate efectele amprentărilor create de particulele contaminante asupra ten­siunilor de contact pe calea de rulare și asupra rezistenței la oboseală. Modelul de calcul a fost verificat prin teste efectuate pe rulmenți cu amprentări controlate, provocate de contaminanți, folosind rulmenți cu caracteristici ale performanțelor ilustrate de Rulm A.Întrucât, în aplicații, contaminanții presupun o gamă largă de dimensiuni ale particulelor, a fost creat un program pentru determinarea efectului contaminării lubrifiantului, compus din distribuț ii realiste ale dimensiunilor particulelor contaminante. Au fost folosite două abordări.

În prima abordare s-au simulat distribuții ale dimensiunilor particulelor de contaminant cla- sificate conform standardului ISO 4406. Particule de oțel marca 52100, dispuse în concentrații specifice pentru nivelurile de contaminare ISO 13/10, 15/12, 17/14, 18/16 și 21/18 au fost amestecate în lubrifiant și au fost folosite pentru a crea amprente pe suprafețele de rulare ale rulmenților, conform lui Nixon [7].

FIGURA 7. Distribuţiile dimensiunilor particule-lor pentru două nive-luri de contaminare ISO specifice)

Spre exemplu, în figura 7 sunt prezentate distribuțiile particulelor folosite pentru nivelurile de contaminare ISO 4406 21/18 și 15/12. Aceste distribuții au fost obținute din analiza și din încadrarea în ISO 4406 a particulelor care au contaminat uleiul de lubrifiere. A fost întocmită o hartă optică a suprafețelor amprentate ale rulmenților, pentru a obține distribuțiile dimensiunilor amprentelor și ale densității lor pe suprafețe. A fost obținut, astfel, un profil Debris Signature Analisys SM pentru fiecare dintre aceste distribuții specifice de particule contaminante. Fișierele de date care conțin dimensiunile amprentelor și densitatea acestora pe suprafațe au fost stocate, pentru a fi folosite de inginerii de aplicații la analiza durabilității rulmenților care ar putea funcționa în astfel de medii contaminate.

A doua abordare a constat în obținerea și inspectarea unor rulmenți din aplicații reale de pe teren și în realizarea hărții optice a dimensiunilor și densității pe suprafață a amprentărilor din acești rulmenți, pentru utilizarea în analize viitoare ale durabiltății. Aceștia rulmenți au fost rulmenți grei, care, în general, funcționează în condiții de contaminare mai puternică ce nu poate fi descrisă corespunzător de ISO 4406. Fotografiile acestor suprafețe amprentare pot fi folosite, apoi, de către ingineri, pentru a selecta un nivel al deteriorării suprafeței căilor de rulare similar cu cel existent tipic în aplicațiile respective. Analiza lubrifiantului folosit în mod tipic în testele de durabilitate, prelevat din utilajele standard de testare a durabilității, a arătat că nivelul de contaminare standard este ISO 15/12. Factorul de ajustare a durabilității datorată contaminării cu particule a lubrifiantului are valoarea 1,0 la acest nivel de contaminare. Lubrifiantul mai puțin contaminat va asigura o durabilitate mai bună, iar lubrifiantul mai contaminat va reduce durabilitatea.

Pentru a determina un factor de reducere a durabilității, fișierele de date ale amprentărilor obținute prin Debris Signature Analisys SM sunt folosite după cum urmează. Sarcinile de contact ale elementelor de rulare sunt determinate pentru condițiile date ale aplicației, pentru a afla tensiunile de contact și zona de contact. Apoi, se poate determina efectul dimensiunii și al numărului de amprente asupra durabilității rulmentului în acest mediu de contaminare particular. În figura 8 este arătată o reprezentare grafică a factorilor de ajustare a durabilității datorată contaminării cu particule a lubrifiantului (a3D) pentru un rulment cu role conice cu alezajul de 33 mm, pentru diverse niveluri de contaminare ale lubrifiantului și diverse valori ale sarcinii radiale, exprimate ca procent din valoarea sarcinii radiale de bază nominale C(90). Se poate observa că, la sarcini mari, efectul diverselor niveluri de contaminare este redus, deoarece efectul net al contaminării asupra nivelului general al tensiunilor de contact este redus, spre deosebire de efectul mai mare pe care contaminarea îl are asupra nivelului general al tensiunilor de contact la sarcini mici.

FIGURA 8. Ajustarea durabilității datorată contaminării cu particule în funcţie de sarcină pentru diferite niveluri de contaminare conform standardelor ISO

În figura 2 se arată că rulmenții fabricați din oțel de călire pătrunsă pot fi mai sensi-bili la amprentările produse de contaminarea cu particule decât cei din oțel cu strat superficial cementat. În figura 6 se arată că rulmenții din oțel cu strat superficial cementat pot fi fabricați astfel încât să fie și mai rezistenți la amprentările produse de contaminarea cu particule. În figura 9 sunt prezentate deosebirile dintre tiparele factorilor de ajustare a durabilității datorată contaminării cu particule a lubrifiantului, pentru rulmenții fabricați din oțel cu strat superficial cementat rezistent la contaminarea cu particule a lubrifiantului, față de rulmenții din oțel cu strat superficial cementat standard, pentru un mediu cu contaminare moderată cu particule. Rulmenții din oțel de călire pătrunsă vor avea o durabilitate oarecum mai scăzută decât cei fabricați din oțel cu strat superficial cementat. După cum este de așteptat, se observă că microstructura rulmenț ilor fabricați din oțel cu strat superficial cementat rezistent la contaminarea cu particule a lubrifiantului este mai eficientă în îmbunătățirea dura- bilității rulmentului, în mediile mai contaminate.

FIGURA 9. Factorul relativ de ajustare a durabilității datorată contaminării cu particule pentru diferite oțeluri de rulmenţi

În echipamentele de testare a durabilității, aparținând companiei unde autorul își desfășoară activitatea, au fost testați un număr substanțial de rulmenți cu amprentări datorate contaminării cu particule a lubrifiantului. Corelația dintre reducerea durabilității datorată contaminării cu particule a lubrifiantului determinată experimental și reducerea durabilității pronosticată prin abordarea Debris Signature Analysis SM este ilustrată în figura 10 [15]. Pentru rulmentul considerat de autor, s-a constatat că acest model de analiză asigură o legătură factuală între amprentările datorate contaminării cu particule a lubrifiantului și deteriorările ulterioare datorate oboselii materialului.

FIGURA 10. Compararea rezultate lor experimentale cu predicţiile modelului Debris Signature Analysis SM

Concluzii

Ca rezultat al experienței obținute din analiza modelului Debris Signature Analysis SM și al rezultatelor testelor experimentale, se pot trage următoarele concluzii și observații:

1.Pentru sistemele puternic contaminate, folosirea doar a unor metode de analiză a lubrifiantului s-ar putea să nu ofere un grad de încredere suficient pentru efectuarea corelării dintre deteriorarea rulmentului și durabilitatea aferentă.

 2.Testarea durabilității la oboseală a rulmenților, în vederea evaluării sensibilității la deteriorările produse de particule contaminante poate fi un instrument util pentru diferențierea performanțelor produselor.

3.Testarea standardizată a durabilității datorată contaminării cu particule a lubrifiantului a arătat că rulmenții obișnuiți și cei rezistenți la contaminarea cu particule, provenind de la diverși producători, prezintă performanțe de niveluri substanțial diferite. Aceste deosebiri trebuie avute în vedere atunci când se fac comparații privind ierarhia relativă a rezistenței la contaminarea cu particule a rulmenților și atunci când se folosesc instrumentele de pronosticare a performanțelor acestora.

4.În cuantificarea deosebirilor dintre deteriorări, este de așteptat ca metoda măsurării directe a mărimii deteriorărilor, folosită în Debris Signature Analysis SM, să asigure o precizie mai mare, față de alte abordări, precum cele care presupun analiza nivelului de contaminare a lubrifiantului.

5.Debris Signature Analysis SM reprezintă un instrument pentru compararea, în mod cuantificabil, a mediilor de contaminare cu performanțe reușite ale echipamentului cu cele ale mediilor de contaminare ale echipamentelor în care s-au înregistrat eșecuri.

6.Noul model de predicție a durabilității oferă o legătură practică între amprentările create de contaminarea cu particule a lubrifiantului și deteriorările ulterioare datorate oboselii materialului.


Bibliografie      

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

2 Anonim, “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, Nr. 1-3, pp. 477-487, Decembrie 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, Nr. 1, 1990 pp 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 şi Nixon, Harvey P., “Fatigue Life Reduction of Roller Bearings Due to Debris Denting: Partea I – Theoretical Modeling,” Tribology Transactions, Vol. 43 (2000),2, pp. 197-204

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


English summary

The article continues the reviewing the results of the endurance tests, as compared with the analytical method, in order to provide bearing design and manufacturing methods, and to increase their reliability even in solid particle-contaminated environments.



Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord