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

Contaminarea lubrifiantului cu particule a fost identificată drept principala cauză a deteriorării premature a rulmenţilor şi a angrenajelor cu roți dințate, cu costurile aferente datorate timpului de oprire neprevăzută a echipamentului, acoperirii garanţiei şi pierderii de productivitate. Au fost dezvoltate diverse metode experimentale şi predictive pentru a sprijini inginerul proiectant în analiza şi conceperea unor utilaje care să fie mai puţin influențate de acest tip de contaminare. Acest articol prezintă o analiză şi informații noi privind compararea rezultatelor testelor de durabilitate a rulmenţilor cu metodele de analiză predictivă pentru rulmenţi cu role conice, care funcţionează în condiţii de contaminare cu particule.

Lucrările recente au perfecționat o metodă analitică (folosind o tehnică de caracterizare a suprafeței), au corelat această metodă cu testele de durabilitate a rulmenților în condițiile prezenței de particule contaminante și au propus modificări ale metodelor de proiectare și de fa bricare a rulmenților, pentru ca aceștia să aibă o durabilitate mai mare în medii contaminate cu particule.

Analiza gradului de contaminare

Inginerii proiectanți de echipamente dispunde multe instrumente de analiză a lubrifiantului contaminat, care îi ajută să evalueze efectele negativeale contaminării cu particule asupra uzurii utilajelor, iar prin utilizarea acestor instrumente se poate monitoriza reducerea corespunzătoare a performanțelor [1, 2, 3, 4].

Alte instrumente de analiză se ocupă de înțelegerea naturii și a caracteristicilor contaminării lubrifiantului [5]. Majoritatea instrumentelor de analiză menționate sunt folosite la monitorizarea și înțelegerea evoluției deteriorării echipamentului, precum și a nivelului de contaminare din lubrifiant, pentru scopul particular al întreținerii predictive și preventive.

Dar aceste instrumente de analiză ajută prea puțin la evaluarea impactului pe care îl au deteriorările datorate contaminării lubrifiantului cu particule asupra suprafețelor prelucrate ale angrenajelor cu roți dințate și rulmenților, precum și a influenței acestora asupra rezistenței la oboseală a materialelor din care sunt executate angrenajele și rulmenții.

Metoda de caracterizare a suprafeţei

Nixon și Cogdell au creat o metodă de evaluare a efectului negativ al mediilor de lubrifiere contaminate cu particule [6], numită adecvat Debris Signature Analysis SM. Următorul studiu de teren, realizat în cooperare cu un producător de utilaje, reprezintă un exemplu privind avantajul pe care l-ar putea oferi o astfel de metodă de caracterizare a suprafețelor, în evaluarea subansamblurilor funcționale ale unui utilaj. Metoda standard de determinare a distribuțiilor dimensionale a particulelor și a nivelurilor concentrațiilor de particule a fost folosită pentru a monitoriza nivelurile de contaminare într-o aplicație pe teren a unui client, în condiții reale.

Rulmenții din această aplicație au fost demontați după o perioadă de timp, deteriorările produse de contaminarea cu particule fiind analizate atât vizual, cât și prin metoda de caracterizare a suprafeței, pentru a cuantifica nivelurile de deteriorare.

În tabelul 1 sunt prezentate câteva distribuții tipice ale dimensiunilor particulelor și nivelurile de concentrații ale acestora, observate pe parcursul perioadei de funcționare, în funcție de echipament. În figura 1 este prezentat aspectul vizual tipic al unei suprafețe a rulmentului, supusă solicitărilor, după aceeași perioadă de funcționare.

TABELUL 1. Timp de prelevare a probelor – ore

FIGURA 1.Microfotografia unei suprafețe tipice a rulmentului, supusa solicitarilor, cu o amprentare extrem de mare

Chiar și din aceste comparații vizuale este evident că analiza lubrifiantului nu a pus în evidență nivelul de deteriorare a suprafeței, așa cum ar fi fost de așteptat. Prin compararea datelor din tabelul 1 cu deteriorările evidențiate de aspectarea vizuală a suprafeței supuse solicitărilor, este sigur că prelevarea probelor de lubrifiant nu a relevat particule cu dimensiuni mult mai mari de 300 μm.

Totuși, compararea vizuală a amprentelor, unele cu diametrul de 6 mm, indică prezența unor particule contaminante cu dimensiuni considerabile, de 100 ori mai mari decât dimensiunile de numai 300 μm ale particulelor descoperite în proba de lubrifiant.

A fost folosită metoda Debris Signature Analysis SM pentru a descrie mai exact deteriorarea suprafeței supuse solicitărilor, iar această metodă de analiză a indicat că se pronostichează o reducere a durabilității rulmentului cu 42%.

Acest exemplu servește la ilustrarea necesității utilizării metodei de caracterizare a suprafeței, prin stabilirea unei corelări a performanțelor rulmentului cu deteriorările provocate prin contaminarea cu particule a lubrifiantului.

Comparaţii ale performanţelor produselor

Ca parte a procesului de evaluare pentru estimarea și pronosticarea performanțelor rulmenților în condiții de contaminare cu particulea lubrifiantului, au fost efectuate numeroase teste de durabilitate a rulmenților, folosind o metodă standardizată de deteriorare prin contaminarea cu particule [7]

FIGURA 2. Comparaia testului de durabilitate, pentru rulmeni cu diametrul exterior de 73 mm

Rulmenții supuși testării au fost în prealabil amprentați pentru a simula contaminarea cu particule, iar pe parcursul testelor de durabilitate nu au fost adăugate particule contaminante suplimentare.

În figura 2 este prezentată comparația testului de durabilitate pentru cinci producători relevanți de rulmenți cu role conice. Rezultatele acestui test au fost deja publicate [8], iar testul a fost efectuat pe ceea ce este considerat un rulment standard, produs prin procesul de fabricație convențional, comun fiecărui producător testat.

Rezultatele din cadrul acestui grup au variat cu un factor de eroare de aproximativ trei, rulmentul A având cele mai înalte performanțe relative. La rulmentul B și la rulmentul E s-a folosit oțel și tratament termic de călire pătrunsă, iar ceilalți rulmenți, C și D, au fost fabricați parțial sau complet din oțel de cementare.

În scopuri ce țin strict de comparațiile statistice, rezultatele testării durabilității sunt prezentate ajustate cu un interval de încredere de 65%. Lățimea acestui interval este calculată în funcție de mărimea eșantionului și de dispersia rezultatelor de durabilitate a rulmenților testați și este o funcție de repartiție Weibull.

Atunci când aceste intervale se suprapun între diferitele eșantioane de rulmenți testate, nu se poate stabili nicio diferență statistică semnificativă de durabilitate, la gradul de încredere de 90%. (continuare în numărul următor)

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 wearing of mechanic components in relative motion produces metal particles that are transported by the lubricant throughout the entire mechanism. The environment, in its turn, may also introduce other contaminants in the mechanism. Regardless of origin, the contaminants cause early damaging of the bearings and gears.

The work is aimed at 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.

HARVEY NIXON,

THOMAS SPRINGER,

MICHAEL HOEPRICH,

DOUGLAS CLOUSE

The TIMKEN COMPANY