THE ROLLING CONTACT FATIGUE LIFE INVESTIGATION OF ROLLER BEARINGS ELEMENTS ON THE STBL-02 STAND

Transkrypt

1 Michał BAK, Michał LIBERA, Marian JÓSKO Politechnika Poznańska, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych ul. Piotrowo 3, Poznań marian.josko@ut.oznan.l THE ROLLING CONTACT FATIGUE LIFE INVESTIGATION OF ROLLER BEARINGS ELEMENTS ON THE STBL-02 STAND Summary Rolling contact fatigue (RCF) is characterized by large scatter, which is a roblem for designers and users of machine elements. The aer resents roblems concerning the rolling contact fatigue life namely, a descrition of the tribological tests executed on a STBL-02 stand, being the model of cylindrical roller bearings. This aer contains results of three grous of 60 rollers from NU309 cylindrical roller bearings. An investigation was carried out for different oerational factors (rotational seed, loading, lubrication condition). Key words: roller bearings; fatigue life; tribology; friction; wear; exerimentation BADANIA POWIERZCHNIOWEJ TRWAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ ELEMENTÓW ŁOŻYSK TOCZNYCH NA STANOWISKU STBL-02 Streszczenie Powierzchniowa trwałość zmęczeniowa charakteryzuje się ogromnym rozrzutem, który jest roblemem dla rojektantów i eksloatatorów maszyn i ojazdów. W artykule rzedstawiono roblematykę związaną z owierzchniową trwałością zmęczeniową. Praca rzedstawia ois badań tribologicznych wykonanych na stanowisku STBL-02, będącym modelem walcowego łożyska tocznego. W racy zawarto wyniki badań trzech gru o 20 wałeczków ochodzących z łożysk walcowych NU309, badanych w różnych warunkach tarcia. Słowa kluczowe: łożyska toczne; trwałość zmęczeniowa; tribologia; tarcie; zużycie; badania 1. Eksloatacyjne asekty uszkodzeń łożysk tocznych Łożyska toczne, odobnie jak i inne części maszyn, odlegają odczas racy rocesom zużycia rowadzącym do osiągnięcia stanu granicznego. Uszkodzenia wystęujące w eksloatowanych łożyskach mogą mieć różne rzyczyny, które można umownie odzielić na dwie gruy. Pierwszą z nich stanowią uszkodzenia sowodowane zmęczeniem owierzchniowym elementów łożysk, drugą gruę stanowią uszkodzenia wynikające z błędów konstrukcji węzłów łożyskowych, ich montażu lub eksloatacji. Podział ten rzyjęto ze względu na fakt, iż orawnie zarojektowane, zamontowane i eksloatowane łożyska toczne ulegają uszkodzeniu raktycznie jedynie na skutek zużycia rzez itting. Pozostałe formy uszkodzeń oisywane szerzej w wielu racach [1, 2, 3, 4, 5] nie są zaliczane do tzw. dominujących rocesów zużycia, wystęujących w łożyskach tocznych. Zużycie rzez itting wystęujące w łożyskach tocznych warunkuje owierzchniową trwałość zmęczeniową. Trwałość łożysk rzyjęło się zatem określać jako długość okresu racy do owstania na owierzchniach tocznych wykruszeń zmęczeniowych. Trwałość łożysk tocznych od momentu rozoczęcia ich masowej rodukcji w czasach rewolucji rzemysłowej do chwili obecnej ulegała ciągłemu zwiększaniu. Potrzeby rozwijającego się rzemysłu stymulowały rozwój konstrukcji łożysk i wrowadzanie do rodukcji nowych tyoszeregów. Ogólne tendencje w budowie maszyn, zmierzające do zwiększania obciążalności węzłów łożyskowych rzy jednoczesnym oszczędzaniu materiałów konstrukcyjnych dorowadziły do wzrostu nośności łożysk oraz zmniejszenia ich wymiarów (rys. 1). Rys. 1. Minimalizacja wymiarów, masy oraz momentu tarcia łożysk walcowych na rzestrzeni lat [6] Fig. 1. Minimizing of the size, weight and the friction of roller bearings for the years [6] Włynęło to m.in. na zmniejszanie wymiarów gabarytowych rzekładni zębatych oraz innych odzesołów maszyn (rys. 2). Szczególnie duży wływ na wzrost zaotrzebowania na łożyska toczne wywarł rozwój kolei oraz rozoczęcie masowej rodukcji samochodów. Prowadzone w tym okresie czasu obserwacje łożysk racujących w obiektach technicznych dorowadziły do wniosku, że rzewidywanie ich czasu racy do utraty zdatności jest raktycznie niemożli- 6

2 we. Rozrzut trwałości, jakim charakteryzowały się łożyska, był bardzo duży. Rys. 2. Rozwój konstrukcji łożysk tocznych i ich wływ na konstrukcję maszyn [4]: a) rozwój konstrukcji łożysk baryłkowych, b) zmniejszenie gabarytów rzekładni zębatych Fig. 2. Develoment of the construction of rolling bearings and their imact on the design of machines [4]: a) develoment of the construction of sherical roller bearings, b) reduction of dimensions of gear 2. Matematyczny ois rozrzutu trwałości łożysk tocznych Pierwszą róbę matematycznego oisu zagadnienia rozrzutu trwałości łożysk tocznych odjął w roku 1945 A. Palmgren. W racy [7] wskazał on, że: oszczególne łożyska, jednakowe od względem budowy oraz wielkości i racujące w tych samych warunkach, wykazują w raktyce ogromny rozrzut trwałości. Wyniki swoich rozważań zarezentował na wykresie rzedstawiającym trwałość łożysk, w wielokrotności trwałości rzeciętnej, w funkcji ilości łożysk, w odsetkach łącznej ilości badanych łożysk (rys. 3). Wykres na rys. 3 wskazuje, że największa trwałość łożysk rzadko rzekracza czterokrotną wartość trwałości rzeciętnej, rzy czym około 90% łożysk wykazuje trwałość większą od 1/5 wartości średniej. Rozważania Palmgrena stały się rzyczynkiem do rozoczęcia rac nad rozwiązaniem fundamentalnego dla łożysk tocznych roblemu związanego z rzyjęciem rocedury ich doboru takiej, aby łożysko zastosowane w danym węźle nie utraciło swej zdatności rzed wykonaniem określonej racy, czyli charakteryzowało się rzewidywalną trwałością. Jako rzewidywaną trwałość rzyjęto ilość racy łożyska, jaką bez uszkodzeń osiągnie 90% łożysk racujących w tych samych warunkach. Zarezentowany sosób rozumienia trwałości rzetrwał do czasów obecnych i został nazwany trwałością nominalną L 10. Badania rowadzone dla różnych rodzajów łożysk tocznych, wykazały ogólną zależność między trwałością a obciążeniem w ostaci [8]: L P 2 1 = L P, (1) 1 2 L 1 trwałość rzy obciążeniu P 1, L 2 trwałość rzy obciążeniu P 2. Sformułowano również wzór rzedstawiający zależność między trwałością L a dowolnym obciążeniem P [9]: C L =, (2) P L trwałość w milionach obrotów rzy obciążeniu P, C nośność dynamiczna łożyska (obciążenie, rzy którym trwałość nominalna łożyska równa się milionowi obrotów), P obciążenie łożyska. Wykładnik otęgowy w wyrażenieniu 2 wynosi odowiednio: 3 dla łożysk kulkowych oraz 10/3 dla łożysk walcowych. Pozostałe rodzaje łożysk wymagają stosowania wykładnika o wartości z rzedziału od 3 do 10/3. Wzór 2 nie uwzględniał jednak m.in. właściwości materiału oraz warunków eksloatacji, co owodowało generowanie ewnych błędów odczas obliczeń. W obowiązującej obecnie normie PN-ISO 281:1994 [10] zaroonowano stosowanie nastęującego wzoru na trwałość modyfikowaną łożysk tocznych: C Ln = a a a, (3) P L n trwałość nominalna modyfikowana, a 1 wsółczynnik trwałości modyfikowanej, odowiadającej wymaganej niezawodności, a 2 wsółczynnik uwzględniający właściwości materiału, a 3 wsółczynnik uwzględniający wływ warunków eksloatacji. Rys. 3. Rozrzut trwałości łożysk tocznych rzedstawiony na wykresie z roku 1945 [7] Fig. 3. Bearing life scatter shown on the chart of 1945 [7] Przedstawiony wzór 3 określa związek między obciążeniem a rawdoodobieństwem uszkodzenia łożyska, rzy czym indeks n oznacza oziom niezawodności (n. L 10 oznacza trwałość, rzy której niezawodność wynosi 90%). Przywołana owyżej norma wskazuje, że wartości wsółczynników a 1, a 2 i a 3 owinni określić roducenci dla swoich wyrobów. Firma SKF w katalogu głównym z 2007 r. [11] roonuje obok a 2 i a 3 uwzględnienie wsółczynnika modyfikacji trwałości a SKF wykorzystującego koncecję granicznego obciążenia zmęczeniowego. Ponadto wsółczynnik ten uwzględnia warunki smarowania i stoień zanieczyszczeń, które są odzwierciedleniem warunków racy łożyskowania. 7

3 Z owyższego wynika, że dobór łożysk tocznych od stworzenia odstaw metodyki w latach 40. XX wieku do dnia dzisiejszego jest dokonywany w oarciu o trwałość nominalną L 10. Fakt ten jest dowodem otwierdzającym, że od rozoczęcia masowej rodukcji łożysk tocznych, ich trwałość nadal charakteryzuje ogromny rozrzut. Literatura rzedmiotu zawiera informacje, że wartość rozrzutu (rozumianego jako stosunek trwałości łożyska najdłużej racującego do racującego najkrócej) dochodzi do 40, a w niektórych rzyadkach rzekracza tę wartość. 3. Technicznie ujęcie badań trwałości łożysk tocznych Tematyka związana z trwałością zmęczeniową części maszyn stanowi zagadnienie o dużym znaczeniu technicznym i ekonomicznym. Ciągłe unowocześnienia wrowadzane rzez branżę rodukującą łożyska toczne, w ołączeniu z rosnącymi wymaganiami dotyczącymi tzw. olityki zrównoważonego rozwoju, wymusiły na jednostkach naukowych oracowanie rozbudowanych metod badań, mających na celu identyfikację rzyczyn owstawania uszkodzeń. Celem tych działań jest oracowanie takich technologii, które zaewniłyby większą trwałość i jednorodność łożysk, a jednocześnie zmniejszone zaotrzebowanie na stal. W rzyadku łożysk tocznych można za Waligórą [9] wymienić cztery główne metody ich badań. Należą do nich: badania zachowania się łożysk w maszynach i urządzeniach eksloatowanych rzez użytkowników, badania komletnych łożysk, badania elementów składowych tych łożysk oraz badania laboratoryjne róbek, będących modelami łożysk tocznych. Podczas badań tribologicznych na modelach łożysk tocznych, metodę badawczą można uznać za orawną, jeżeli wyniki nie rzeczą wnioskom wynikającym z uznanych za słuszne modeli interretacyjnych. Warunki racy obserwowanego obiektu ustalić należy tak, aby można było orównywać uzyskiwane wyniki badań [12]. Tworzy się wówczas swoisty system badawczy, w którym wystęują elementy badań oraz relacje między nimi (rys. 4). Eksloatacyjne badania łożysk tocznych wiążą się w większości rzyadków z dużym kosztem oraz bardzo długim czasem trwania. Wyniki tych badań nie są łatwo dostęne, a ich interretacja jest stosunkowo trudna ze względu na fakt, iż zawierają one nie tylko informacje o jakości samych łożysk tocznych, lecz również maszyn, w których te łożyska wystęują. Badania laboratoryjne komletnych łożysk najczęściej rowadzi się w celu wyznaczenia jedynie ich owierzchniowej trwałości zmęczeniowej. Stanowiska badawcze skonstruowane są wówczas w sosób, który umożliwia rowadzenie jednoczesnej obserwacji kilku takich samych łożysk. Weryfikowane łożyska racują rzeważnie w warunkach stałego obciążenia, smarowania i rędkości obrotowej. Ten rodzaj badań, mimo że znacznie rostszy niż badania eksloatacyjne jest również czasochłonny, a zarazem kosztowny. W celu uniknięcia niedogodności związanych z badaniami eksloatacyjnymi i badaniami komletnych łożysk rowadzi się badania elementów łożysk. Pozwala to na znacznie zmniejszenie czaso- i kosztochłonności rocesu. Wyniki tych badań mimo ewnych ograniczeń ozwalają rzy odowiednich założeniach i warunkach brzegowych na wnioskowanie o zachowaniu się komletnych łożysk. Rys. 4. Klasyfikacja metod badania owierzchniowej trwałości zmęczeniowej łożysk tocznych, ich elementów i modeli łożysk [9] Fig. 4. Classification of test methods of fatigue life of rolling bearings, the bearing elements and models [9] Stanowiska badawcze w tym rzyadku cechują się rostszą budową i na ogół ozwalają sterować większą liczbą zmiennych, co umożliwia wytworzenie żądanych, secyficznych warunków racy (rys. 5), charakteryzujących się n. tarciem łynnym w badanym skojarzeniu. Badania róbek będących modelami łożysk tocznych są rzeważnie rowadzone w rzyadkach, gdy weryfikuje się wływ na owierzchniową trwałość zmęczeniową ojedynczych czynników, n. zawartości zanieczyszczeń w stali, ilości wtrąceń niemetalicznych, stanu warstwy wierzchniej o obróbce owierzchni, it. Stanowiska służące do badań róbek odwzorowują najczęściej jedynie styk skoncentrowany, wystęujący w rzeczywistym łożysku. Pozostałe warunki badań i wymuszenia można dowolnie modelować. 4. Badania owierzchniowej trwałości zmęczeniowej Przykładem stanowiska służącego do badań trwałości elementów łożysk tocznych jest STBL-02. Jego schemat rzedstawiono na rys. 5. Zasadniczym elementem stanowiska jest głowica łożyskowa, stanowiąca model walcowego łożyska orzecznego. W głowicy zamontowano trzy równolegle usytuowane wały, na których osadzone są ierścienie wewnętrzne łożyska walcowego. Wały te umiejscowione są w rzestrzeni w układzie trójkątnym, co umożliwia wsółrace z centralnie umieszczonym między nimi wałeczkiem. Podczas jednego cyklu badawczego możliwa jest jednoczesna weryfikacja trzech ierścieni wewnętrznych oraz jednego wałeczka ochodzącego z łożyska NU309. Stanowisko STBL-02 skonstruowane jest w sosób umożliwiający zmianę rędkości obrotowej wału naędzającego, obciążenia badanego wałeczka, rodzaju oleju smarującego oraz jego temeratury. Pozwala to na zaewnienie w obszarze styku badanych elementów łożyska warunków 8

4 tarcia łynnego oraz dodatkowo ich zmianę w kierunku ogorszenia smarowania. Możliwe jest zatem zasymulowanie tarcia mieszanego, a w skrajnych rzyadkach technicznie suchego. Wyniki badań rzedstawiono w formie wykresów słukowych na rys. 7, 8 oraz 9. Rys. 5. Stanowisko STBL-02 do badania elementów łożysk tocznych Fig. 5. Rolling contact fatigue life STBL-2 tester Powyższe właściwości stanowiska STBL-02 wykorzystano lanując ekseryment badawczy mający na celu określenie wływu warunków tarcia na trwałość wałeczków łożyskowych. Podczas rzygotowywania badań skomletowano 60 zestawów składających się z jednego wałeczka i trzech ierścieni wewnętrznych, ochodzących z łożysk NU309 i stanowiących badane skojarzenie. Badania emiryczne zalanowano tak, aby wałeczki wsółracowały z ierścieniami łożyskowymi rzy różnych wartościach wsółczynnika grubości filmu olejowego λ. Gruę 60 zestawów odzielono na trzy równoliczne odgruy o 20 sztuk każda, które nastęnie wykorzystano jako róbki w trzech seriach badawczych. Założono, że badania będą rzerowadzone rzy wartościach λ odowiednio: λ < 0,6; 0,6 λ 2,0; λ > 2,0. Warunki badań oraz nastawy stanowiska badawczego określono na odstawie wstęnych rób stanowiskowych. Badania rowadzono rzy obciążeniu skojarzenia wynoszącym 3500 N. W dwóch ierwszych seriach badawczych do smarowania róbek zastosowano olej Velol 9, w serii trzeciej natomiast olej Hiol GL-5 80W/140. Prędkość obrotowa wału naędzającego wynosiła od 500 do 2200 obr/min. Podczas realizacji badań rejestrowano czas racy do wystąienia uszkodzenia (rys. 6), który nastęnie rzeliczano na liczbę obrotów wałeczka, a w konsekwencji na liczbę cykli zmęczeniowych, którym oddano dany wałeczek. Rys. 7. Powierzchniowa trwałość zmęczeniowa wałeczków z I serii badawczej (λ < 0,6) Fig. 7. Rolling contact fatigue life of the first series of rollers Rys. 8. Powierzchniowa trwałość zmęczeniowa wałeczków z II serii badawczej (0,6 λ 2,0) Fig. 8. Rolling contact fatigue life of the second series of rollers Rys. 9. Powierzchniowa trwałość zmęczeniowa wałeczków z III serii badawczej (λ > 2,0) Fig. 9. Rolling contact fatigue life of the third series of rollers Rys. 6. Wykruszenie zmęczeniowe na owierzchni tocznej wałeczka łożyska NU309 Fig. 6. Pitting on the surface of roller bearings Po zakończeniu badań zasadniczych owierzchniowej trwałości zmęczeniowej wałeczków, ich wyniki oracowano od kątem weryfikacji mającej na celu stwierdzenie, czy odlegają one rozkładowi Weibull a. Trwałość łożysk tocznych, zgodnie z informacjami rzedstawianymi w literaturze rzedmiotu [13, 14] odlega bowiem temu rozkładowi. Podczas weryfikacji korzystano z systemu komuterowego ML Weibull 4.1 [15]. Wyniki rzerowadzonego wnioskowania rzedstawiono w formie wykresów na rys

5 F(t) 0,99 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Dystrybuanta rozkładu Weibulla 0, t-e Rys. 10. Dystrybuanty rozkładu Weibull a dla wyników badań owierzchniowej trwałości zmęczeniowej Fig. 10. Weibull distribution function for the test of rolling contact fatigue life Analiza danych zarezentowanych na rys ozwoliła stwierdzić, iż wyniki badań owierzchniowej trwałości zmęczeniowej wałeczków racujących we wszystkich rozatrywanych warunkach smarowania odlegały trójarametrowemu rozkładowi Weibull a. Dowodem rzemawiającym za owyższym stwierdzeniem był fakt, iż wyniki naniesione na siatkę funkcyjną rozkładu Weibull a układają się wzdłuż linii rostej (dystrybuanta jest zbliżona do rostej), a wartość wsółczynnika korelacji r xy między czasem racy t a wartością dystrybuanty F(t) była bliska jedności. Reasumując owyższe można stwierdzić, że uzyskane wyniki badań ekserymentalnych owierzchniowej trwałości zmęczeniowej, osiadały charakter odowiadający danym zamieszczanym w literaturze rzedmiotu. 5. Podsumowanie Wyniki uzyskane odczas badań na stanowisku STBL- 02 otwierdzają fakt wystęowania rozrzutu owierzchniowej trwałości zmęczeniowej łożysk tocznych. Wartość zaobserwowanego rozrzutu dla rzebadanych wałeczków rzyjęła stosunkowo dużą wartość i dla I serii badawczej wyniosła 1:31. Zestawiając dane trwałościowe z lat 50. XX wieku z otrzymanymi wynikami badań, można stwierdzić, że na rzestrzeni onad 60 lat rozrzut trwałości łożysk tocznych raktycznie nie uległ zmniejszeniu. Zmiany konstrukcyjne wrowadzone w łożyskach umożliwiły wrawdzie wzrost ich trwałości i obciążalności rzy jednoczesnym zachowaniu określonych wymiarów, jednak wływ tych zmian na zaobieżenie rozrzutowi trwałości można ocenić jako znikomy. Dodatkowym asektem rzerowadzonych rac było wykazanie rzydatności stanowiska STBL-02, jako narzędzia do badań trwałości elementów łożysk walcowych, oddawanych cyklicznie zmiennym obciążeniom. Stanowisko to umożliwia wytworzenie oczekiwanych warunków smarowania, mogących odzwierciedlać warunki zbliżone do rzeczywistych anujących odczas racy komletnego łożyska. Zatem zarezentowane w artykule stanowisko STBL-2 może być rzydatnym narzędziem na drodze do oznania istoty zjawiska zmęczenia owierzchniowego i determinant jego rozrzutu. 6. Bibliografia [1] Bak M., Libera M., Waligóra W.: Formy niszczenia łożysk tocznych w maszynach rolniczych. Journal of Research and Alications in Agricultural Engineering, 2008, Vol. 53(1), s [2] Bearing failures and their causes. Product information SKF PL 401 E, [3] Fernandes P.J.L.: Contact fatigue in rolling-element bearings. Engineering Failure Analysis, 1997, Vol. 4, s [4] Furmanek S., Kraszewski Z.: Niezawodność łożysk tocznych. Warszawa: Wydawnictwa Przemysłowe WEMA, [5] Maciejczyk A.: Wływ zanieczyszczeń na trwałość łożysk tocznych. Materiały XXII Jesiennej Szkoły Tribologicznej, Zużycie tribologiczne teoria, badania i roblemy utylitarne, Gliwice Ustroń, 1998, s [6] Weidinger A.: 100 years evolution of cylindrical roller bearings. Evolution, 2009, Vol. 4, s [7] Palmgren A.: Łożyska toczne. Warszawa: PWT, [8] Krzemiński-Freda H.: Łożyska toczne. Warszawa: PWN, [9] Waligóra W.: Rozrzut owierzchniowej trwałości zmęczeniowej łożysk tocznych. Poznań: WPP, [10] PN-ISO 281:1994 Łożyska toczne Nośność dynamiczna i trwałość. [11] Katalog główny SKF. Katalog 6000 PL [12] Leszek W.: Metodologiczne odstawy badań tribologicznych. Warszawa Poznań: PWN, [13] Libera M.: Mathematical model of surface fatigue life. Journal of Research and Alications in Agricultural Engineering, 2002, Vol. 47(4), s [14] Waligóra W., Libera M.: Wybrane roblemy trwałości zmęczeniowej łożysk tocznych. Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej, Budowa Maszyn i Zarządzanie, 2007, nr 6, s [15] Libera M., Waligóra W.: Surface fatigue life counting for bearings and their elements. Proceedings of the 2nd International Conference: Industrial Engineering Activities Targeted to SME, Tallinn (Estonia),