Przewidywanie sprawności układu napędowego: laboratorium reologiczne firmy Timken

Kilka lat temu Ryan Evans siedział naprzeciwko klienta z niezwykłą prośbą. „Chciał wiedzieć, jak dokładnie możemy przewidzieć utratę mocy naszych łożysk w ich zastosowaniu” – mówi Evans, który obecnie prowadzi badania i rozwój (R&D) łożysk dla firmy Timken.

Inżynierowie aplikacyjni wykorzystują oprogramowanie firmy Timken do prognozowania wydajności łożysk SYBER do modelowania różnych wyborów łożysk. SYBER podaje szacunki momentu obrotowego i utraty mocy, ale ten klient wydawał się prosić o inny poziom zaufania do tej prognozy, w odniesieniu do jego zastosowania.

Nauka o utracie mocy w łożyskach obejmuje wiele dziedzin – od mechaniki płynów po mechanikę ciała stałego, termodynamikę i wymianę ciepła. „Obejmuje badanie, jak właściwości materii, czy to stali, czy cieczy, zmieniają się pod wpływem fizyki wysokich ciśnień, prędkości i temperatur w kontaktach trybologicznych” – mówi Bill Hannon, naukowiec ds. Podstaw produktów w firmie Timken.

Na przykład pojedyncze łożysko stożkowe może mieć 15 rolek umieszczonych w swoich pierścieniach, reprezentujących wiele różnych punktów styku. Aby obliczyć moment obrotowy, należy wziąć pod uwagę, w jaki sposób wszystkie te różne punkty styku prawdopodobnie zareagują na obciążenia i prędkości konkretnego zastosowania – na przykład czy materiał może się zginać w tych punktach, czy też olej między nimi jest ścinany.

„Dodanie tego wszystkiego w sposób, który daje całkowitą utratę mocy lub moment obrotowy łożyska, może być zniechęcające” – mówi Evans.

Sprawność łożysk wykracza poza same łożyska

Niemniej jednak podobne prośby klientów wciąż przychodziły. „Naciskamy na naszych klientów, aby poprawiali efektywność paliwową” – mówi Evans. Producenci z wielu branż – od traktorów, przez samochody dostawcze po luksusowe samochody – reagują na to pojazdy elektryczne . Aby zminimalizować wagę akumulatora i zmaksymalizować zasięg w tych pojazdach, są one pod presją, aby zminimalizować tarcie w każdym punkcie maszyny.

Wydajność łożysk jest jednym z tych punktów, ale to nie tak, że firma Timken nie projektuje łożysk o niskim zużyciu paliwa od dziesięcioleci. Wydajne energetycznie i paliwooszczędne łożyska firmy odegrały rolę w projektowaniu pojazdów konwencjonalnych i hybrydowych od czasu, gdy przepisy korporacyjne dotyczące średniego zużycia paliwa (CAFE) zaczęły zwiększać cele w zakresie efektywności paliwowej w 1975 roku.

Bob Sadinski, starszy inżynier ds.rozwoju produktu w firmie Timken, pracował bezpośrednio z klientami nad projektami elektrycznych układów napędowych, pomagając rozwijać energooszczędny, oszczędny (ePDFE) łożyska stożkowe.

„W firmie Timken zawsze martwiliśmy się o tarcie i utratę energii, które powodują obracanie się łożysk” – mówi. „Aby jeszcze bardziej podnieść wydajność łożysk, musieliśmy zrozumieć cały system, w tym elementy, których nasi klienci używają do smarowania

Zrozumienie natury płynów

„Klienci chcą pracować z lżejszymi płynami o niższej lepkości, a kiedy to robisz, pociągają za sobą konsekwencje sprzętowe” – mówi Sadinski. Aby pomóc klientom zoptymalizować kombinacje łożysk i smarów w celu uzyskania najwyższej wydajności, zespół Timken musiał połączyć technologię łożysk z badaniami reologii, gałęzi fizyki zajmującej się przepływem cieczy.

„Kiedy biorę trochę oleju i trzymam go w dłoni, mogę wsunąć go między palce. Jest miękki i pełen wdzięku ”- mówi Hannon. „Ale wewnątrz łożyska tak się nie dzieje. Kiedy elementy toczne stykają się z bieżnią, nacisk na styk jest ogromny, a film olejowy jest cienki, olej staje się prawie stały ”.

Innymi słowy, lepkość oleju lub opór przepływu może zmieniać się w dziwny sposób, gdy ciśnienie aplikacji, temperatura i szybkość ścinania w punktach styku wzrastają do ekstremalnych poziomów. Żeby skomplikować sprawę, w ostatniej dekadzie radykalnie zmieniła się chemia naftowa. „Kiedyś istniało kilka modyfikatorów lepkości, a teraz są ich setki” – mówi Hannon.

Przewidywanie sprawności łożyska wymaga zrozumienia dokładnej natury cieczy, oleju lub smaru w każdym zastosowaniu. W idealnym świecie, mówi Hannon, inżynierowie ds. Zastosowań byliby w stanie zmierzyć zachowanie smaru przy trzech gigapaskalach, czyli 435 000 funtów na cal kwadratowy.

„Nikt nie może tego zrobić” – mówi. „Bardzo niewiele laboratoriów na świecie może mierzyć powyżej jednego gigapaskala”.

Ponadto, mówi, inżynierowie muszą zrozumieć, jak zmienia się lepkość oleju pod wpływem ciśnienia, temperatury i ścinania. „Wiemy, że tylko trzy miejsca na świecie mogą to zrobić” – mówi Hannon: Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), Institut National des Sciences Appliquées (INSA) w Lyonie we Francji, a teraz Timken.

Laboratorium, w którym naukowcy mogą zajrzeć do tłuszczu

Laboratorium reologiczne firmy Timken zaczęło od teorii, mówi Hannon, że firma mogłaby wykorzystać zasady fizyki do udoskonalenia modelu przewidywania momentu obrotowego. Aby przetestować tę teorię, zespół poprosił naukowców z Georgia Tech o zmierzenie lepkości dwóch olejów. Następnie badacze z firmy Timken włączyli te pomiary do swoich modeli i stwierdzili, że rzeczywiście mogą znacznie dokładniej przewidywać efektywność łożysk.

„Wtedy zdecydowaliśmy się zainwestować” – mówi Hannon. Obecnie w laboratorium reologii firmy Timken znajdują się dwa wiskozymetry do ciała opadającego, które mierzą lepkość i gęstość przy różnych ciśnieniach i temperaturach. Wiskozymetr Couette pozwala zespołowi mierzyć również reakcje smaru na wysokie szybkości ścinania.

Laboratorium może się również pochwalić spektrometrem podczerwieni z transformacją Fouriera, który pomaga zespołowi identyfikować nieznane płyny; spektrometr rentgenowski z dyspersją energii, który informuje, jakie składniki zużywające się mogą znajdować się w płynie; urządzenie do miareczkowania Karla Fischera, które może wykrywać wodę w oleju; i kilka innych „urządzeń, które pozwalają nam pobić tłuszcz”, twierdzi Hannon.

Niech teoria kieruje modelami

Korzystając z tego sprzętu, Hannon i Sadinski mogą mierzyć poszczególne płyny i wykorzystywać dane do tworzenia nowych modeli matematycznych, które pozwalają im przewidywać nieskończony zakres warunków w wielowymiarowej przestrzeni.

„Sprowadziliśmy to z powrotem do zasad mechaniki płynów, więc teoria napędza nasze modele” – mówi Hannon. Badanie rzeczy na poziomie pierwszej zasady pozwala zespołowi przewidywać tarcie, a nie tylko je mierzyć. Jednocześnie mówi, „laboratorium reologiczne przybliża nas o krok do rzeczywistości, zmniejszając liczbę założeń, dzięki czemu jesteśmy bliżej naśladowania rzeczywistych warunków aplikacji”.

„Te nowe techniki pomiarowe pozwalają nam mierzyć oleje w sposób, w jaki nigdy wcześniej nie byliśmy w stanie” – mówi Evans. „Łączymy te dane z modelami matematycznymi, które pomagają nam przewidzieć, jak płyn zachowa się w warunkach wysokiego ciśnienia i tarcia w łożysku. Te informacje pozwalają nam wyostrzyć nasze przewidywania dotyczące całkowitego momentu obrotowego lub wydajności utraty mocy. ”

Od laboratorium do stołu projektowego klienta

Gdy zespół badawczo-rozwojowy dodaje nowe modele matematyczne do systemu SYBER firmy Timken, inżynierowie aplikacji na całym świecie uzyskują dostęp do dokładniejszych szacunków strat mocy. „SYBER pomaga nam przenosić informacje i wiedzę z laboratorium do rąk naszych klientów” – mówi Evans.

Hannon i Sadinski pozostają w bliskim kontakcie z producentami smarów, którzy coraz częściej otwierają drzwi dla szerszej gamy płynów. „Przyszłością tego jest możliwość sparowania smaru z łożyskiem” – mówi Hannon. „W laboratorium reologicznym możemy potwierdzić to dopasowanie, więc teraz wszyscy pracujemy razem jako jeden zespół: producent smarów, producent łożysk i klient”.

Sadinski zwraca uwagę, że zalety laboratorium reologicznego obejmują całą linię produktów Timken produkty do przenoszenia mocy . „Otwiera to naszą możliwość pomagania klientom w zakresie całych systemów, a nie tylko rozwiązań w zakresie łożysk”.

Hannon zgadza się. „Dziesięć lat temu klienci kupowali łożysko” – mówi. „Dzisiaj chcą kupić system. Chcą wiedzieć: 'Jak działa twoje łożysko z tym smarem, tą uszczelką, tą przekładnią?’ ” Dzięki nowym modelom i danym z laboratorium reologicznego inżynierowie mogą lepiej zrozumieć, jak wszystko działa razem, i udostępniać to klientom.

Klienci doceniają możliwość dalszej optymalizacji swoich projektów. „Dzięki takim podejściom możemy przewidywać wydajność łożysk z większą pewnością niż kiedykolwiek wcześniej” – mówi Evans. „Prawie wszystkie łożyska inżynieryjne firmy Timken i produkty do mechanicznego przenoszenia mocy wymagają smarowania, aby zapewnić dobre działanie. Prawie wszystko, co tutaj robimy, korzysta z tej pracy ”.

Published: 2021/02/25