Auf der Hannover Messe vor einigen Jahren kündigte SKF die Einführung des SKF Universal Bearing Life Model an, eines innovativen Modells, das Ingenieuren dabei hilft, die Lebensdauer von Lagern realistischer zu berechnen.
Das Modell stellt einen großen Durchbruch für die Lagerindustrie dar und ermöglicht es unterstützenden Kunden und Endbenutzern, eine wichtige Rolle bei der besseren Anpassung von Lagerprodukten an Anwendungen zu spielen und so die Lebensdauer der Geräte zu verbessern und die Betriebskosten zu senken.
Auf der Hannover Messe präsentierte SKF das Feldleistungsprogramm EnCompass und stellte das SKF Universal Bearing Life Model vor.
Im Rahmen des SKF EnCompass-Programms zur Leistungsfähigkeit im Feld konnte bei der Entwicklung dieser Lebensdauertheorie das Oberflächenermüdungsmodell erfolgreich vom Untergrundermüdungsmodell getrennt werden. Dabei wurde die vorhandene Lagerlebensdauertheorie (von SKF entwickelt und seit über 30 Jahren weit verbreitet) genutzt und es wurden weitere Parameter eingeführt, um neue Erkenntnisse für die Berechnung der Lagerlebensdauer zu gewinnen.
Die Präsentation des Universal Life Calculation-Konzepts in Hannover umfasste zwei Tage mit Live-Interviews mit Experten, Demo-Software zur Veranschaulichung der Berechnungsmethode sowie Einzelgespräche mit Kunden und Journalisten. Das Konzeptmodell wurde von Publikum und Kunden gut angenommen und hat das Interesse an der Berechnung der Lagerlebensdauer wiederbelebt.
Als nächstes stellen wir in zwei Teilen die Prinzipien des neuen Modells vor.
Die Kraft der Tribologie
Bislang basierte die Lebensdauerberechnung von Wälzlagern auf einem auf Vergleichsspannungen basierenden technischen Modell. Dieses berücksichtigt Vergleichsspannungen, die unterhalb der Kontaktfläche entstehen und auf das Spannungsvolumen des Wälzkontakts angewendet werden.
Viele Jahre lang ging man davon aus, dass Oberflächenermüdung auf mangelhafte Schmierung oder Verschmutzung zurückzuführen sei. Die Auswirkung dieser Ausfallart auf die Lebensdauer wurde dadurch berücksichtigt, dass man der gesamten äquivalenten Spannung des Wälzkontakts einen Korrekturfaktor hinzufügte und diesen in die Formel zur Berechnung der Lagerlebensdauer einbaute.
In diesem Artikel gehen wir dieses Problem des Oberflächenermüdungsversagens an, indem wir eine universelle Methode zur Berechnung der Lebensdauer von Wälzlagern entwickeln. Bei dieser Methode werden von der Oberfläche verursachte Schäden in der grundlegenden Ermüdungsformel für Wälzlager explizit angegeben. Diese neue Formel spiegelt die tribologischen Eigenschaften von Wälzlagern bei der Berechnung der Lebensdauer besser wider.
Darüber hinaus bietet es ein besseres Verständnis der Oberflächenermüdungslebensdauer, die eine wichtige Rolle bei der Leistung von Wälzlagern im Feld spielt. Die Rolle dieser universellen Methode besteht darin, die Reibung des Lagers zu erklären und die widersprüchlichen Ermüdungsmechanismen zu diskutieren, die an der Oberfläche und unter der Oberfläche des Wälzlagers auftreten.
Bei richtiger Verwendung und guter Schmierung werden Wälzlager immer zuverlässiger. Dies ist auf die richtigen Übungsmethoden und das erfolgreiche Verständnis und die Anwendung des traditionellen Rollkontakt-Ermüdungsmechanismus zurückzuführen.
Gleichzeitig ist die Verbesserung der Stahlreinheit und Verarbeitungsqualität, kombiniert mit zuverlässigen Methoden zur Lebensdauerberechnung, ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Lagerzuverlässigkeit geworden.
Der Trend zur Miniaturisierung von Industrieanlagen und die höheren Anforderungen an die Leistungsfähigkeit im Feld haben jedoch anspruchsvollere Einsatzbedingungen für Wälzlager mit sich gebracht, insbesondere an der Kontaktfläche, weshalb die meisten Lagerausfälle auf Oberflächenermüdung zurückzuführen sind [Referenz 1].
Damit Lager nicht zum Engpass bei der weiteren Verbesserung der Leistung moderner Geräte werden, ist eine bessere Bewertung der Oberflächenreibungsleistung im Hinblick auf die Lagerleistung erforderlich. Im letzten Jahrzehnt hat SKF im Bereich der Oberflächenlebensdauermodelle erhebliche Fortschritte gemacht [Referenzen 2-8].
Schließlich wurde mit der Einführung des universellen Lagerlebensdauermodells von SKF die Oberflächenermüdung von der Lebensdauertheorie der Oberflächenermüdung getrennt und dieses Wissen in die Berechnung der nominellen Wälzlagerlebensdauer integriert [Referenz 9].
Bei diesem Ansatz werden für die beiden Bereiche unterschiedliche physikalische Modelle verwendet. Die Ermüdung des Wälzkontakts unterhalb der Oberfläche kann mit der klassischen dynamischen Lasttheorie von Lundberg und Palmgren [10] berechnet werden. Für die Berechnung der Oberflächenermüdung sind jedoch komplexere Reibungsmodelle erforderlich, die komplexere physikalische Effekte wie Schmierung, Reibung, Verschleiß, Ermüdung oder Einlaufen aufgrund von Spannungskonzentrationen an der Hertzschen Kontaktfläche berücksichtigen.
Dadurch kann SKF mehr kundenspezifische Konstruktionen mit besonderen Merkmalen in die Berechnung der Lagerlebensdauer einbeziehen, die sich auf die Leistung des Lagers im Feldeinsatz auswirken können. Beispiele: spezielle Wärmebehandlung des Lagers, fortschrittliche Mikrogeometrie, einzigartiges Design oder höhere Qualität.
Kunden können verschiedene einzigartige Eigenschaften der Lager im SKF Produktkatalog nutzen und diese bei der Berechnung der Lebensdauer berücksichtigen. Letztendlich müssen Kunden nicht mehr einfach die dynamische Tragzahl (C) verwenden, die nur die „Ermüdung unter der Oberfläche“ abbildet, wie dies derzeit der Fall ist, sondern können die einzigartigen Eigenschaften der SKF Produkte und die höhere Produktqualität besser nutzen.
Das neue Modell kann sich speziell mit den Alterungsmechanismen von Lagern befassen, und bei der Entwicklung von Lagerprodukten wird die Reibung auf der Laufbahnoberfläche in dieser weiterentwickelten Version des allgemeinen Lagerlebensdauermodells stärker berücksichtigt.
SKF-Ingenieure verwenden das universelle Lagerlebensdauermodell, um verbesserte Lagerkonstruktionen für spezielle Anwendungen oder spezifische Leistungsanforderungen im Feld zu entwickeln. Zusammenfassend stellt das universelle Lagerlebensdauermodell ein moderneres und flexibleres Werkzeug zur Beurteilung der Lagerleistung dar, das im Laufe seiner Weiterentwicklung neue Erkenntnisse und Technologien integrieren kann.
Universeller Modellierungsansatz
Das aktuelle Modell behält die auch heute noch verwendete standardisierte Methode zur probabilistischen Berechnung der Wälzlagerlebensdauer bei, die auf der in [12] diskutierten Theorie der zweiparametrigen Weibull-Verteilung basiert.
Varodi Weibull [13] führte in seiner Theorie des schwächsten Glieds des Kettenmodells das Konzept des Zufalls bei der Bestimmung der Festigkeit und des Bruchs von Strukturelementen ein.
Wenn eine Struktur aus n Elementen besteht, die verschiedenen Spannungszuständen und unterschiedlichen Lebensdauerwahrscheinlichkeiten S1, S2, ..., Sn ausgesetzt sind, kann die Gesamtlebensdauerwahrscheinlichkeit der Struktur gemäß dem Zuverlässigkeitsproduktgesetz mit Formel (1) ermittelt werden.
In ihrer frühen klassischen Grundformel zur dynamischen Tragzahl von Wälzlagern [Referenz 10] setzten Lundberg und Palmgren das Weibull-Zuverlässigkeitsproduktgesetz in Formel (1) ein und leiteten daraus die Lebensdauerfunktionsformel (2) für eine Struktur aus n unabhängigen physikalischen Elementen ab, die den Alterungsprozess von 0 bis N Lastzyklen beinhaltet.
Wenn man berücksichtigt, dass G die Funktion der Materialalterung darstellt, die durch die kumulative Wirkung von Lastzyklen (Ermüdung) verursacht wird, kann der Volumenparameter V in zwei oder mehr unabhängige strukturelle Schadensursprungsfaktoren aufgeteilt werden.
Daher können verschiedene Bereiche durch verschiedene Materialalterungsfunktionen charakterisiert werden, die unterschiedliche (oder einzelne) Materialalterungsprozesse Gv.1, Gv.2, ..., Gv.n beschreiben, und ihre kombinierte Auswirkung auf die Lebensdauer der gesamten Struktur kann durch Formel (2) ausgedrückt werden. Wenn man jedoch berücksichtigt, dass es nur zwei Bereiche gibt, einen unter der Oberfläche (v-Zone) und einen an der Oberfläche (s-Zone), kann Formel (3) abgeleitet werden.
Gemäß [Referenz 14] kann die Formel (4) für das Volumenintegral der Ermüdungsschädigung unter Verwendung der in der Hertz-Spannungszone erzeugten Spannungsamplitude σv ermittelt werden.
Dabei sind c und h Exponenten, e stellt die Weibull-Neigung des Untergrunds dar, N ist die Kontaktlebensdauer unter der Anzahl der Lastzyklen, z stellt die zu analysierende Untergrundtiefe dar, Vv ist das Volumenintegral, σu.v ist die Ermüdungsgrenze für dieses Volumen und Ā ist eine Abbindekonstante.
Auf ähnliche Weise kann die Oberflächenschadensfunktion umgeschrieben werden. Wenn die Konstante ĥ in die Oberflächenschadenswahrscheinlichkeitskonstante B ̅ eingesetzt wird, erhält man Formel (5).
Dabei ist m die Weibull-Neigung der Oberfläche, A das Oberflächenintegral, σu.s die Ermüdungsgrenze der Oberfläche und B ̅ eine Erstarrungskonstante.
In der Formel (5) für Oberflächenschäden muss die Oberflächenspannung σs aus der tatsächlichen Oberflächenform und der Reibungsspannung der Kontaktfläche ermittelt werden.
Durch Kombination der Formeln (4) und (5) mit Formel (3) ist es nun möglich, die Formel für die Kontaktlebensdauer für die einzelnen Terme Oberfläche und Untergrund zu erhalten. Beachten Sie, dass die Lebensdauer in Umdrehungen mit der Anzahl der Lastzyklen durch L=N/u in Beziehung gesetzt werden kann, wobei u die Anzahl der Lastzyklen pro Umdrehung ist. Unter Berücksichtigung der großen Ähnlichkeit der beiden Weibull-Steigungen e=m ist dies das relevante Oberflächenermüdungsmodell im Lager und ergibt schließlich Gleichung (6).
Dies ist die Grundlage für ein Lagerlebensdauermodell, das die Oberflächenterme explizit von den Untergrundtermen trennt. Die Untergrundterme, dargestellt durch das Volumenintegral, können nach dem traditionellen Hertz-Verfahren zur Wälzkontaktermüdung aus [14] berechnet werden.
Die durch das Flächenintegral dargestellten Oberflächenterme umfassen viele Reibungsphänomene, die die Lebensdauer der Laufbahnoberfläche in der neuen Lebensdauertheorie auf kompatiblere Weise beschreiben.
Natürlich sind bei der Entwicklung des neuen Modells fortgeschrittenere Datenmodelle erforderlich. Tatsächlich ist es notwendig, die Interaktion zwischen zwei komplexeren und widersprüchlicheren Alterungsmechanismen zu beschreiben.
Zum Beispiel: i) Oberflächenermüdung in Kombination mit leichtem Verschleiß, ii) die Entwicklung von Eindruckschäden, iii) tribochemische Wechselwirkungen und viele andere Faktoren.
