Prezicerea eficienței trenului de putere: Laboratorul de reologie Timken

Acum câțiva ani, Ryan Evans s-a trezit așezat vizavi de un client cu o cerere neobișnuită. „A vrut să știe cât de precis am putea prezice comportamentul de pierdere a puterii rulmenților noștri în aplicația lor”, spune Evans, care în prezent conduce cercetarea și dezvoltarea rulmenților (R&D) pentru The Timken Company.

Inginerii de aplicații folosesc software-ul de predicție a performanței rulmentului SYBER Timken pentru a modela diferite selecții de rulmenți. SYBER oferă estimări pentru cuplul și pierderea de putere, dar acest client părea să solicite un alt nivel de încredere în această predicție, așa cum s-a aplicat aplicației sale.

Știința pierderii de putere a lagărului acoperă o mulțime de teren – de la mecanica fluidelor la mecanica solidelor, termodinamica și transferul de căldură. „Include studiul modului în care proprietățile materiei, indiferent dacă sunt din oțel sau lichide, se schimbă atunci când sunt supuse fizicii presiunilor, vitezelor și temperaturilor ridicate în contactele tribologice”, spune Bill Hannon, om de știință al produselor de la Timken.

Un singur rulment conic, de exemplu, ar putea avea 15 role înglobate în inele sale, reprezentând multe puncte de contact diferite. Pentru a calcula cuplul, trebuie să țineți cont de modul în care toate acele puncte de contact diferite sunt susceptibile să răspundă la sarcinile și viteza unei anumite aplicații – dacă materialul s-ar putea flexa sub aceste puncte, de exemplu, sau dacă uleiul dintre ele este tuns.

„Adăugarea tuturor acestor lucruri într-un mod care vă oferă pierderea totală de putere sau performanța cuplului pentru un rulment poate fi descurajantă”, spune Evans.

Luând eficiența rulmentului dincolo de rulmenți

Cu toate acestea, cererile similare ale clienților au continuat să apară. „Există o presiune asupra clienților noștri pentru a îmbunătăți consumul de combustibil”, spune Evans. Producătorii dintr-o gamă largă de industrii – de la tractoare la camioane de livrare până la mașini de lux – răspund cu o mutare la Vehicule electrice . Pentru a minimiza greutatea bateriei și pentru a maximiza autonomia în aceste vehicule, acestea sunt sub presiune pentru a reduce frecarea în fiecare punct al unei mașini.

Eficiența rulmenților este unul dintre aceste puncte, dar nu este ca Timken să nu fi proiectat rulmenți cu consum redus de combustibil de zeci de ani. Rulmenții companiilor cu putere ridicată și eficiență a consumului de combustibil au jucat un rol în proiectarea vehiculelor convenționale și hibride, de când reglementările privind economia medie a combustibilului corporativ (CAFE) au început să ridice obiectivele de eficiență a consumului de combustibil în 1975.

Bob Sadinski, inginer senior în dezvoltarea produselor la Timken, a lucrat direct cu clienții la proiectele de trenuri electrice, ajutând la dezvoltarea lui Timken densitate de energie electrică, consum de combustibil (ePDFE) rulmenți cu role conice.

„La Timken, am fost întotdeauna îngrijorați de fricțiunea și energia pierdută care intră în filarea rulmenților noștri”, spune el. „Pentru a duce eficiența rulmentului și mai departe, a trebuit să înțelegem întregul sistem, inclusiv ceea ce utilizau clienții noștri pentru lubrifiere

Înțelegerea naturii fluidelor

„Clienții doresc să ruleze cu fluide mai ușoare și cu vâscozitate redusă, iar atunci când faceți acest lucru, există consecințe hardware”, spune Sadinski. Pentru a ajuta clienții să optimizeze combinațiile lagăr-lubrifiant pentru o eficiență maximă, echipa Timken a trebuit să se căsătorească cu tehnologia rulmentului cu studiul reologiei, ramura fizicii care se ocupă de fluxul lichidelor.

„Când ridic ulei și îl țin în mână, îl pot aluneca între degete. Este moale și grațios ”, spune Hannon. „Dar în interiorul unui rulment, nu asta se întâmplă. Când elementele rulante se întâlnesc cu pista de curse, presiunea de contact este uriașă, iar pelicula de ulei este subțire, uleiul devine aproape solid. ”

Cu alte cuvinte, vâscozitatea uleiului sau rezistența la curgere se pot schimba în moduri ciudate, deoarece presiunea de aplicare, temperatura și viteza de forfecare în punctele de contact cresc la niveluri extreme. Pentru a complica lucrurile, chimia petrolului s-a schimbat dramatic în ultimul deceniu. „Existau o mână de modificatori de vâscozitate, iar acum sunt sute”, spune Hannon.

Prezicerea eficienței rulmentului implică înțelegerea naturii lichidului, uleiului sau grăsimii exacte din fiecare aplicație. Într-o lume ideală, spune Hannon, inginerii de aplicații ar putea măsura comportamentul lubrifianților la trei gigapascali, sau 435.000 de lire sterline pe inch pătrat.

„Nimeni nu poate face asta”, spune el. „Foarte puține laboratoare din lume pot măsura peste un gigapascal.”

În plus, spune el, inginerii trebuie să înțeleagă cum se modifică vâscozitatea uleiului cu presiunea de aplicare, temperatura și forfecarea. „Știm că doar trei locuri din lume pot face acest lucru”, spune Hannon: Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), Institut National des Sciences Appliquées (INSA) din Lyon, Franța – și acum, Timken.

Un laborator în care oamenii de știință pot vedea grăsimea

Laboratorul de reologie Timken a început cu o teorie, spune Hannon, conform căreia compania ar putea folosi principiile fizicii pentru a-și îmbunătăți modelul de predicție a cuplului. Pentru a testa această teorie, echipa a cerut cercetătorilor de la Georgia Tech să măsoare vâscozitatea pentru două uleiuri. Cercetătorii Timken au introdus apoi aceste măsurători în modelele lor și au descoperit că ar putea face într-adevăr predicții de eficiență a rulmentului mult mai precise.

„Atunci am decis să investim”, spune Hannon. Astăzi, laboratorul de reologie Timken găzduiește două vâscozimetre care cad în corp, care măsoară vâscozitatea și densitatea la diferite presiuni și temperaturi. Un viscozimetru Couette permite echipei să măsoare, de asemenea, răspunsurile lubrifianților la rate de forfecare ridicate.

Laboratorul are, de asemenea, un spectrometru cu infraroșu transformat Fourier, care ajută echipa să identifice fluidele necunoscute; un spectrometru cu raze X cu dispersie energetică, care le spune ce componente de uzură ar putea fi în fluid; o unitate de titrare Karl Fischer, care poate detecta apa din ulei; și alte câteva „dispozitive care ne permit să batem grăsimea”, potrivit lui Hannon.

Lăsați teoria să conducă modelele

Folosind acel echipament, Hannon și Sadinski pot măsura fluidele individuale și pot folosi datele pentru a construi noi modele matematice care le permit să prezică o gamă infinită de condiții într-un spațiu multidimensional.

„Am luat-o înapoi la principiile mecanicii fluidelor, astfel încât teoria să conducă modelele noastre”, spune Hannon. Studierea lucrurilor la un nivel de prim-principiu permite echipei să prezică fricțiunea, mai degrabă decât să o măsoare. În același timp, spune el, „laboratorul de reologie ne duce cu un pas mai aproape de realitate, reducând numărul de presupuneri, astfel încât să ajungem mai aproape de a imita condițiile reale de aplicare”.

„Aceste noi tehnici de măsurare ne permit să măsurăm uleiurile în moduri pe care nu le-am reușit până acum”, spune Evans. „Conectăm aceste date la modele matematice care ne ajută să prezicem cum se va comporta un fluid în condiții de înaltă presiune și forfecare într-un rulment. Aceste informații ne permit să ne clarificăm predicțiile privind performanța totală a cuplului sau a pierderii de putere. ”

De la laborator la masa de proiectare a clienților

Pe măsură ce echipa de cercetare și dezvoltare adaugă noile modele matematice la sistemul SYBER Timken, inginerii de aplicații din întreaga lume au acces la estimări mai precise de pierdere de energie. „SYBER ne ajută să obținem informații și cunoștințe din laborator și în mâinile clienților noștri”, spune Evans.

Hannon și Sadinski rămân în strâns contact cu producătorii de lubrifianți, care deschid din ce în ce mai mult ușa către o gamă mai largă de fluide. „Viitorul acestui lucru este să puteți asocia lubrifiantul cu rulmentul dvs.”, spune Hannon. „În laboratorul de reologie, putem confirma această potrivire, așa că acum lucrăm împreună ca o singură echipă: producătorul de lubrifianți, producătorul rulmentului și clientul”.

Sadinski subliniază că beneficiile laboratorului de reologie se extind la întreaga linie a lui Timken produse de transmisie a puterii . „Ne deschide capacitatea de a ajuta clienții cu sisteme întregi, nu doar cu soluțiile lor de rulment.”

Hannon este de acord. „Acum zece ani, clienții cumpărau un rulment”, spune el. „Astăzi vor să cumpere un sistem. Vor să știe: „Cum funcționează rulmentul dvs. cu acest lubrifiant, această garnitură, acest angrenaj?” ” Cu noi modele și date de la laboratorul de reologie, inginerii pot înțelege mai bine cum funcționează totul împreună și pot împărtăși acest lucru cu clienții.

Clienții apreciază oportunitatea de a-și optimiza designul. „Cu aceste abordări, putem prezice performanța rulmentului cu mai multă încredere decât oricând”, spune Evans. „Aproape toate rulmenții tehnici și produsele de transmisie mecanică ale puterii Timken se bazează pe ungere pentru a funcționa bine. Aproape tot ceea ce facem aici beneficiază de această muncă. ”

Published: 2021/02/25