Az új kihívásokkal kapcsolatos kísérletezés a legjobb módszer az innováció felé vezető úton

2021. április 26., hétfő, 16:36

Címkék: csapágy hibrid csapágy kenés kenéstechnika kenőanyag SKF tömítés

Számos berendezés és iparág esetén megfigyelhető a megnövelt energiahatékonyságra és a költségcsökkentésre irányuló egyetemes törekvés, amelyet többek között a berendezések kompaktabb kialakításával, valamint a sebesség és a terhelés növelésével igyekeznek elérni. Ennek eredményeként a berendezések egyre nagyobb terhelésnek vannak kitéve. Ez a tendencia természetesen a berendezések általános teljesítményéhez nagymértékben hozzájáruló csapágyakat is érinti.

Az egyik legszélesebb körben használt gépelemként a csapágyak számos berendezésben meglehetősen jelentős hatást gyakorolnak az általános teljesítményre. Azonban az egyre nagyobb igénybevétel elviselése, és ezzel egy időben a magas szintű megbízhatóság biztosítása a csapágyak számára is kihívást jelent. Az SKF felvállalta ezeket a kihívásokat, és a legkorszerűbb kutatási és fejlesztési munkával keresi a megoldást a kulcsfontosságú iparágak - például a vasútipar, az elektromosjármű-gyártás, a szerszámgépipar, a fémgyártás és a szélenergia-ipar - különböző igényeire.

Az új SKF K+F központ

Az 1972-ben Hollandiában alapított SKF Kutatás és Fejlesztés fő központja nemrég a történelmi múltra visszatekintő nieuwegeini helyszínről az egyedülálló kerékpárbarát városba, Houtenbe költözött. Ez az a hely, ahol a gördülőcsapágyakkal kapcsolatos új, kihívást jelentő igényeket megvizsgálják, és kidolgozzák az innovatív megoldásokat. Az SKF-nél a kutatás-fejlesztés során nagymértékben támaszkodnak a kísérletekre, és a vadonatúj, élvonalbeli houteni laboratóriumok az innovációhoz szükséges kísérletek melegágyai.

A K+F laboratóriumokban végzett számos különböző projekt összetett és eklektikus jellege ellenére a folyamatos kutatás végső célja lényegében az SKF által kiszolgált összes iparág tekintetében azonos: a berendezések megbízható teljesítményének biztosítása. A végső célkitűzés elérése érdekében a K+F központban a tesztberendezések és eszközök széles választéka áll rendelkezésre, amelyek lehetővé teszik a kutatást a kenőanyagok, a csapágyacélok, a kerámia, a bevonatok, a polimerek, a tömítések és érzékelők területén. Ezzel párhuzamosan az itt dolgozó kutatók szakértelme a mérnöki munkától az anyagtudományon és a kémián át a fizikáig terjedő összes tudományágat felöleli. A kutatók a csapágy minden egyes jellemzőjét - azaz az anyagát, kivitelét, felületi tulajdonságait és kenőanyagát - a legapróbb részletekig kielemzik, és a megfelelő alkalmazási körülmények között tesztelik.

Mindez a houteni K+F központot a tudomány olvasztótégelyévé teszi, ahol az SKF kutatói együttműködve és gyors ütemben, közös erőfeszítéssel összpontosítanak a súrlódás és a kopás elleni küzdelemre, és olyan vevőközpontú projekteket vezetnek, amelyek új termékek kifejlesztését eredményezik és/vagy mélyebb ismereteket biztosítanak a nagy igénybevételnek kitett alkalmazásokról és az azokkal kapcsolatos problémákról.

Acél

Mivel a legtöbb csapágygyűrű és gördülőelem acélból készül, átfogó laboratóriumi vizsgálatokat végeznek a különböző acélminőségek átvilágításához különféle hőkezelési eljárásokkal - például edzéssel, karbonitrálással, a ház cementálásával és indukciós edzéssel - annak érdekében, hogy kiválasszák az acél célalkalmazáshoz leginkább megfelelő változatát.

A dilatometriát a hőkezelésekre adott anyagválasz számszerűsítésére használják, az acélnak a hőmérséklet függvényében bekövetkező méretváltozásainak mérésével. A vizuális vizsgálati módszerek kombinációja - amely magában foglalja például az optikai mikroszkópiát, az interferometriát és a pásztázó elektronmikroszkópiát (SEM) -, a terepről összegyűjtött csapágyak felületének állapotvizsgálatára, valamint a vizsgált acél mikrostruktúrájának jellemzésére szolgál. A röntgendiffrakció a maradék feszültség és a fázisösszetétel kiértékelésére alkalmazható, és a keménységmérésekkel együtt felhasználható az acél mikrostruktúrája és teljesítménye közötti részletes összefüggés keresésére, valamint az adott vevői alkalmazáshoz megfelelő típusú acél és hőkezelési módszer megbízható kiválasztására.

A számos különböző vizsgálati módszer általában mind arra irányul, hogy javítsa az acél ellenálló képességét a gördülőcsapágyakban jellemzően előforduló potenciális hibamechanizmusokkal szemben. Az egyik kiemelt érdeklődésre számot tartó terület kifejezetten a károsodás kezdeti szakasza és a terjedés fázisai, valamint ezek relatív hatása a gördülőcsapágyak teljes élettartamára. Emellett az összes tevékenységet a vizsgált konkrét alkalmazáshoz igazítják, amelybe a vasúti alkalmazásokban használt csapágyak karbantartási intervallumának meghosszabbításától kezdve a még nagyobb teljesítményű szélturbinák megbízható megoldásainak kifejlesztéséig sok minden beletartozik.

Bevonatok

Néhány nagy igénybevételnek kitett alkalmazás esetében a pusztán acélból készült csapágyfelületek tulajdonságai - bár a keménység és anyagösszetétel tekintetében optimalizáltak -, nem felelnek meg az elvárt követelményeknek. A csapágyteljesítmény szempontjából értéknövelő és előnyöket biztosító megoldást jelentenek a bevonatok, amelyek az SKF csapágyakat olyan speciális, az alkalmazáshoz kifejlesztett felületi tulajdonságokkal ruházzák fel, amelyeket kizárólag acéllal lehetetlen elérni.

A korróziógátló bevonat nagymértékben meghosszabbíthatja a nedves ipari környezetben, például az acélgyárakban működő csapágyak élettartamát, ahol a csapágyak folyamatosan vízzel érintkeznek. A kopásgátló bevonat alkalmazása óriási lehetőségeket kínál azokban az alkalmazásokban, ahol az optimális mértékű felületi kifáradás és kopásállóság megtartása mellett az élettartam meghosszabbítására és a megbízhatóság növelésére törekszenek - ilyen alkalmazás például egy szélturbina-hajtómű.

A houteni K+F központban végzett laboratóriumi kísérletek során a bevonatok anyagaira és azok felviteli technikáinak optimalizálására összpontosítanak, valamint tesztelik a bevonatokra kifejlesztett megoldásokat annak érdekében, hogy kiértékeljék a célalkalmazáshoz való megfelelőségüket. A bevonatok, valamint a bevonatok vékony rétegeinek részletes jellemzéséhez a korszerű röntgen fotoelektron spektroszkópiát (XPS) alkalmazzák, melynek segítségével kiértékelik az anyagösszetételt, és SEM-mikroszkóppal párosítva tanulmányozni tudják a vastagságokat, valamint a klasszikus karcolásos és oszcilláló vizsgálatokkal meghatározhatják a tapadási és kopási tulajdonságokat.

Hibrid csapágyak

Bár a jelenleg használt csapágyak többsége kizárólag acélból készül, a hibrid csapágyak teljesítménye számos alkalmazásban felülmúlja a hagyományos acélcsapágyakét. A hibrid csapágyak anyagválasztása - a gyűrűk acélból készülnek, a gördülőelemek pedig kerámia szilícium-nitridből - számos előnyt biztosít.

Kis tömegük egyértelmű előnyös azokban az alkalmazásokban, ahol a teljesítmény egyet jelent a sebességgel, például a motorsportban. Az űr- és repülőgépiparban alkalmazott szigorú biztonsági követelményeknek is megfelelnek, mivel elégtelen kenés mellett is hosszabb élettartammal rendelkeznek, mint a tisztán acélból készült társaik. A jelentősen nagyobb fokú merevség kifejezetten előnyt jelent a nagy pontosságot igénylő, magas fordulatszámmal üzemelő alkalmazásokban, például a szerszámgép-orsókban. Mivel elektromosan szigeteltek, ellenállnak az elektromos járműveknél és a szélturbina-generátoroknál előforduló elektromos eróziónak. A hibrid csapágyak egyértelműen végtelen sok előnnyel rendelkeznek.

A hibrid csapágyak fejlesztési lehetőségeivel kapcsolatban az SKF K+F laboratóriumaiban végzett számos kísérleti tevékenység középpontjában álló egyik terület a kerámiaanyag károsodása elleni tűrés növelése, valamint a teljesítmény-előrejelzések pontosítása az ilyen jellegű meghibásodások figyelembe vételével. Ebből kifolyólag jelentős erőfeszítést fordítanak a kerámia gördülőelemek minőségének vizsgálatára. Az optikai mikroszkóp szokásos fehér fényénél láthatatlan apró rendellenességeket egy sötét helyiségben mutatják ki, az ún. fluoreszcens behatolószerrel végzett penetrációs repedésvizsgálat alkalmazásával. A kerámia anyag mikrostruktúrája természetesen ugyanolyan fontos, mint a felületi minősége, ezért ezt a mikroszkóppal végzett vizsgálatok során alaposan tanulmányozzák. Ezt követően az anyagszerkezetnek a kerámia gördülőelemek mechanikai tulajdonságaira gyakorolt hatását keménység- és szilárdságellenőrző tesztek elvégzésével értékelik ki, amelybe beletartozik a kifejezetten a kerámia golyók tesztelésére kifejlesztett Bemetszett golyós teszt is.

A K+F központban nagy hangsúlyt fektetnek az új módszerekre, többek között a mesterséges intelligenciára, melyek célja a meglévő termékekről való ismeretszerzés, valamint az egyes alkalmazásokhoz testreszabott új anyagok kifejlesztése.

A kosár

A kosár a csapágy gyakran figyelmen kívül hagyott, de valójában nagyon kemény munkát végző alkatrésze. Elsődleges feladata, hogy irányítsa a gördülőelemek forgását, ugyanakkor tartsa a meghatározott távolságot közöttük, és megakadályozza a közvetlen érintkezésüket.

A polimer kosarat számos alkalmazáshoz gyakran a nagyobb terhelésre és sebességre vonatkozó új követelmények miatt választják, mivel a polimer kosár ilyen körülmények között legtöbbször alacsonyabb súrlódást és hatékonyabb megvezetést biztosít, mint az acélból és más fémekből készült kosarak. Azonban a szélsőséges terheléseknek való megfelelésre vonatkozó magas követelmények ma már magukban foglalják a nagyteljesítményű szélturbináknál tapasztalt szélsőséges terheléseket, valamint a legújabb elektromos járművekben fellépő extrém hőmérséklet és sebesség kombinációkat is, amelyek rendkívüli kihívást jelentenek még a polimer kosarak számára is. Ezért létfontosságú a polimer anyagok SKF K+F laboratóriumaiban végzett beható és mindenre kiterjedő tanulmányozása és tesztelése.

A polimerek kristályossági fokának mélyebb megismerése érdekében a vizsgálatok során differenciális pásztázó kalorimetriát (DSC) alkalmaznak. A -70 és 300˚C közötti vizsgálati hőmérsékletet biztosító klímakamrában végzett szakítóvizsgálatok segítségével meghatározható az összefüggés a polimer mikrostruktúrája és szilárdsága között. A vizsgálatok eredményeit felhasználják a kosarak célalkalmazásokban várható teljesítményének előrejelzésére szolgáló szimulációs eszközökbe bevitt adatok meghatározásához. Például a Dinamikus mechanikai hőelemzés (DMTA) mérések elvégzésével az idő – hőmérséklet szuperpozíció elv alkalmazása lehetővé teszi annak előrejelzését, hogy a polimer anyag mennyire lesz stabil egy adott alkalmazásban, és ebből következően hogyan reagál a kosár bizonyos körülmények között a csapágy-fordulatszámra, a hőmérsékletre és a terhelésre.

Kenőanyag

A kenőanyag minden szempontból a csapágy szerves része, amely nagyban befolyásolja annak teljesítményét, különösen a nyomatékát és az élettartamát. A kenőanyag alkalmazásának fő célja egy vékony kenőanyag-réteg kialakítása, amely megakadályozza a gördülőelemek és a futópályák felületeinek közvetlen érintkezését, ezáltal csökkenti a súrlódást és védelmet nyújt a károsodás ellen.

A gördülőcsapágyaknál a választott kenőanyag számos esetben a kenőzsír, mivel a csapágyzsír szivárgás nélkül képes a helyén maradni, valamint tömítési funkciót is ellát. Valójában a gördülőcsapágyak több mint 80%-a zsírkenésű. Az adott alkalmazáshoz megfelelő kenőzsír kiválasztása azonban bonyolult feladat. Ez egyrészt a rendelkezésre álló készítmények széles választékának köszönhető, másrészt a kenőzsír tulajdonságainak meghatározására használt paraméterek sokasága is nagymértékben megnehezíti a választást.

A csapágyzsírban található összetevők speciális típusai, a sűrítők, az alapolajok, valamint a kenőzsír előállításának módja meghatározza a zsír konzisztenciáját, olajszivárgását, mechanikai stabilitását, cseppenéspontját, valamint számos olyan reológiai tulajdonságot, amelyek befolyásolják a kenőzsír folyási tulajdonságait. Az SKF laboratóriumában ezeket a jellemzőket standard és egyedi tesztek segítségével alaposan tanulmányozzák annak érdekében, hogy beazonosítsák azokat a kulcsfontosságú tényezőket, amelyek befolyásolják a csapágyzsírok általános teljesítményét az egyes alkalmazásokban. Végső soron ezeknek a tevékenységeknek a célja lefordítható konkrét kérdésekre is: „Mitől válik egy kenőzsír magas fordulatszámon használható csapágyzsírrá? Mi teszi magas hőmérsékleteken alkalmazható kenőzsírrá? Vagy nagy teherbírású alkalmazásokhoz használhatóvá? Illetve ezen követelmények kombinációjához megfelelő-e? A fenti kérdésekre adott helyes válasz hozzájárulhat például a nagysebességű vasúti alkalmazások karbantartási intervallumának meghosszabbításához, a szélturbinák megbízhatóságának javításához, az elektromos járművek hosszú élettartamának biztosításához vagy az autóiparban az energiafogyasztás csökkentéséhez.

Tömítések

Az önálló tengelytömítéseken kívül a csapágyak külön tömítésekkel is rendelkeznek, amelyek a külső és a belső gyűrű közötti hézag lezárására szolgálnak annak érdekében, hogy megtartsák a csapágy belsejében lévő kenőzsírt és védelmet nyújtsanak a külső szennyeződések ellen. Mivel ezeknek a tömítéseknek gyakran alkalmazkodniuk kell az alkalmazás statikus és dinamikus eltéréseihez, a legtöbb tömítés rugalmas gumielasztomerből készül. A tömítések kialakítása az alkalmazástól függően nagymértékben változhat. Erősen szennyezett környezetben - például a bányaipari alkalmazásoknál - szorosan illesztett tömítésekre van szükség a lassan forgó csapágyakban, míg a nem súrlódó tömítések megfelelő megoldást jelenthetnek a nagyon magas fordulatszámú alkalmazásokban, például az elektromos járművek sebességváltóiban és a szerszámgéporsókban.

A tömítés anyagát alapos mérlegelést követően a sebesség- és az üzemi hőmérsékleti tartomány alapján választják ki, mivel ezektől függően jelentős változások léphetnek fel a rugalmasság, a kopásállóság és az öregedés tekintetében. A számos különböző alkalmazási feltételre vonatkozó vevői igény kielégítése érdekében a központban korszerű dinamikus szimulációs módszereket alkalmaznak. Ezzel párhuzamosan az SKF kutatói új tesztelési lehetőségeket és módszereket fejlesztettek ki ezeknek a modelleknek a validálására, valamint az új tömítési koncepciók hatékony vizsgálatára. A tömítési teljesítmény tekintetében különböző módszerekkel - például keresztirányú mozgások bevezetésével, egytengelyűségi hiba szimulációjával, illetve széles fordulatszám-, hőmérséklet- és terheléstartományban - tesztelik a kenőanyag-visszatartást, a szennyeződések kizárását, valamint a tömítések forgás közben tapasztalható súrlódási reakcióját. A vizsgálatok alkalmazás-specifikus jellegére tekintettel a tesztberendezéseket gyakran testreszabják az egyedi kihívásokra adott válasz megtalálása érdekében.

A csapágy

Nyilvánvaló, hogy a csapágy egyes jellemzőinek működés közben harmonizálniuk kell egymással. Az első helyen talán az áll, hogy az anyagoknak kémiailag kompatibilisnek kell lenniük - például a kosár és a tömítés anyagának a kenőzsírral.

A tribológia, a relatív mozgásban lévő felületek vizsgálata az SKF K+F laboratóriumainak fő érdeklődési területe, mivel felöleli a csapágy működése során felmerülő összes releváns mechanikai és kémiai szempontot. Az acél, a bevonatok, a kerámia és a kenőanyagok közötti kölcsönhatást olyan berendezések segítségével értékelik, amelyek szimulálják a kenéssel ellátott érintkezéseket a gördülőelemek és a futópályák között. Ezek lehetnek golyó-tárcsa, bot-tárcsa, gyűrű-lemez, gyűrű-görgő elven működő berendezések, amelyek a súrlódás és a kenőanyagfilm-vastagság vizsgálatára szolgálnak, valamint segítségükkel modellezni lehet számos felületi és felszín alatti károsodást a kopás (minden lehetséges formájában), a felületi kifáradás, a kipattogzódás és a bemélyedések kialakulási folyamatának alaposabb megismerése érdekében.

További előnyt jelent, hogy mivel a csapágyak helyett ezeket az egyszerű tesztberendezéseket használják a vizsgálatokhoz, így lehetőség nyílik a csapágyban egyidejűleg előforduló több jelenség közül néhány kiválasztására, és ezáltal releváns tudás szerezhető a legösszetettebb kérdések mélyebb megértéséhez és az új kihívások leküzdéséhez. Az így kapott ismereteket végül univerzális szinten kiértékelik a csapágy általános teljesítményének felmérésével.

A K+F létesítmények a csapágyak átfogó vizsgálatára alkalmas tesztberendezésekkel rendelkeznek, amelyek változatos kialakítása lehetőséget biztosít a legkülönfélébb témakörök - például a csapágy nyomatéka, a csapágyak és csapágyzsírok élettartama, a kenőzsír-folyás a nagyméretű csapágyakban stb. - tanulmányozására. A laboratóriumokban egyidejűleg vizsgálják a futópályák, a gördülőelemek, a kosár és a tömítések felületi jellemzőinek, anyagának és kialakításának, valamint a kenőzsír típusának és feltöltési módjának hatásait. Ha beazonosítanak egy gyenge láncszemet a csapágyban, akkor ezt az alapoktól kezdve részletesen kivizsgálják, és megkísérlik a megoldások iteratív módszerrel történő optimalizálását.

Ha a csapágyakról van szó, az ördög a részletekben rejlik. A hibák egészen aprók is lehetnek, például egy mikronnyi a bevonatok esetében, vagy nanométer méretűek a felületi érdesség és a kenőanyag-film vastagsága esetén, mégis óriási mértékben befolyásolhatják a csapágy teljesítményét. Összetett gépelemként az adott alkalmazáshoz megfelelő csapágy kifejlesztése számos különböző tudományágban dolgozó szakértő közös erőfeszítésének eredménye. Az SKF houteni K+F létesítményeiben mindez rendelkezésre áll a berendezések megbízható teljesítményének biztosítása érdekében.

www.skf.com

Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
ÉLELMISZER-BIZTONSÁG
Média Partnerek