Güç Aktarma Sisteminin Verimliliğini Tahmin Etmek: Timken’in Reoloji Laboratuvarı

Birkaç yıl önce, Ryan Evans kendini alışılmadık bir taleple bir müşterinin karşısında otururken buldu. Timken Company için şu anda rulman araştırma ve geliştirme (Ar-Ge) yürüten Evans, “Rulmanlarımızın uygulamalarında güç kaybı davranışını ne kadar doğru tahmin edebileceğimizi bilmek istedi” diyor.

Uygulama mühendisleri, farklı rulman seçimlerini modellemek için Timken’in SYBER rulman performans tahmin yazılımını kullanır. SYBER, tork ve güç kaybı için tahminler sağlar, ancak bu müşteri, uygulamasına uygulandığı üzere, bu tahmin için başka bir güven düzeyi istiyor gibi görünüyordu.

Taşıyıcı güç kaybı bilimi, akışkanlar mekaniğinden katı mekanik, termodinamik ve ısı transferine kadar pek çok zemini kapsar. Timken’de ürün temelleri bilim insanı Bill Hannon, “Çelik veya sıvı olsun, maddenin özelliklerinin tribolojik temaslarda yüksek basınç, hız ve sıcaklık fiziğine maruz kaldığında nasıl değiştiğinin incelenmesini içeriyor” diyor.

Örneğin, tek bir konik makaralı rulmanın, birçok farklı temas noktasını temsil eden, halkalarına yerleştirilmiş 15 silindiri olabilir. Torku hesaplamak için, tüm bu farklı temas noktalarının belirli bir uygulamanın yüklerine ve hızlarına nasıl tepki vereceğini hesaba katmanız gerekir – örneğin, malzeme bu noktaların altında esneyebilir veya aralarındaki yağ kesilmiş.

Evans, “Tüm bunları, size bir rulman için toplam güç kaybını veya tork performansını sağlayacak şekilde eklemek göz korkutucu olabilir” diyor.

Rulman verimliliğini rulmanların ötesine taşımak

Yine de benzer müşteri talepleri gelmeye devam etti. Evans, “Yakıt verimliliğini artırmak için müşterilerimiz üzerinde baskı var” diyor. Traktörlerden teslimat kamyonlarına ve lüks arabalara kadar geniş bir sektör yelpazesindeki üreticiler, elektrikli araçlar . Bu araçlarda pil ağırlığını en aza indirmek ve menzili en üst düzeye çıkarmak için, bir makinenin her noktasında sürtünmeyi en aza indirmek için baskı altındadırlar.

Rulman verimliliği bu noktalardan biridir, ancak Timken’in onlarca yıldır yakıt açısından verimli rulmanlar tasarlamadığı gibi değil. Kurumsal Ortalama Yakıt Ekonomisi (CAFE) düzenlemeleri 1975’te yakıt verimliliği hedeflerini yükseltmeye başladığından beri şirketin güç yoğun, yakıt verimli rulmanları geleneksel ve hibrit araç tasarımında rol oynadı.

Timken’de kıdemli ürün geliştirme mühendisi olan Bob Sadinski, müşterilerle elektrikli güç aktarma sistemi tasarımlarında doğrudan çalışarak Timken’in geliştirilmesine yardımcı oldu. elektrik gücü yoğun, yakıt tasarruflu (ePDFE) Konik rulman yeri.

“Timken olarak, rulmanlarımızı döndürürken ortaya çıkan sürtünme ve enerji kaybından her zaman endişe duyduk” diyor. “Rulman verimliliğini daha da ileri götürmek için, müşterilerimizin yağlama için ne kullandıkları da dahil olmak üzere tüm sistemi anlamamız gerekiyordu

Sıvıların yapısını anlamak

Sadinski, “Müşteriler daha hafif, daha düşük viskoziteli sıvılarla çalışmak istiyor ve bunu yaptığınızda donanım sonuçları oluyor” diyor. Müşterilerin en yüksek verimlilik için rulman-yağlayıcı kombinasyonlarını optimize etmelerine yardımcı olmak için Timken ekibinin, sıvıların nasıl aktığı ile ilgilenen fizik dalı olan reoloji çalışmasıyla rulman teknolojisini bir araya getirmesi gerekiyordu.

“Biraz yağ alıp elimde tuttuğumda parmaklarımın arasında kaydırabiliyorum. Yumuşak ve zarif ”diyor Hannon. Ama bir yatağın içinde olan bu değil. Yuvarlanan elemanlar yuvarlanma yolu ile karşılaştığında, temas basıncı çok büyük ve yağ filmi ince, yağ neredeyse katı hale geliyor. ”

Başka bir deyişle, temas noktalarındaki uygulama basıncı, sıcaklık ve kesme hızı aşırı seviyelere çıktıkça yağ viskozitesi veya akışa karşı direnç garip şekillerde değişebilir. İşleri karmaşıklaştırmak için, petrol kimyası son on yılda çarpıcı bir şekilde değişti. Hannon, “Eskiden bir avuç viskozite değiştirici vardı ve şimdi yüzlerce var” diyor.

Rulman verimliliğini tahmin etmek, her uygulamada tam olarak sıvı, yağ veya gresin yapısını anlamayı içerir. Hannon, ideal bir dünyada, uygulama mühendislerinin yağlayıcı davranışını üç gigapaskal veya inç kare başına 435.000 pound olarak ölçebileceklerini söylüyor.

Bunu kimse yapamaz, dedi. “Dünyadaki çok az laboratuvar bir gigapaskalın üzerinde ölçüm yapabiliyor.”

Ek olarak, mühendislerin yağ viskozitesinin uygulama basıncı, sıcaklık ve kesme ile nasıl değiştiğini anlamaları gerektiğini söylüyor. Hannon, Lyon, Fransa’daki Institut National des Sciences Appliquées (INSA) ve şimdi de Timken, “Dünyada bunu yapabilecek yalnızca üç yerin olduğunu biliyoruz” diyor Hannon: Georgia Teknoloji Enstitüsü (Georgia Tech).

Bilim adamlarının gresi görebildiği bir laboratuvar

Timken’in reoloji laboratuvarının bir teori ile başladığını söylüyor Hannon, şirketin tork tahmin modelini iyileştirmek için fizik prensiplerini kullanabileceğini söylüyor. Ekip, bu teoriyi test etmek için Georgia Tech’teki araştırmacılardan iki yağ için viskoziteyi ölçmelerini istedi. Timken araştırmacıları daha sonra bu ölçümleri modellerine bağladılar ve gerçekten çok daha doğru rulman verimliliği tahminleri yapabileceklerini buldular.

Hannon, “İşte o zaman yatırım yapmaya karar verdik” diyor. Bugün, Timken’in reoloji laboratuvarı, çeşitli basınç ve sıcaklıklarda viskoziteyi ve yoğunluğu ölçen iki düşen vücut viskozimetresine ev sahipliği yapmaktadır. Bir Couette viskozimetre, ekibin yüksek kesme hızlarına karşı yağlayıcı tepkilerini de ölçmesine olanak tanır.

Laboratuar ayrıca ekibin bilinmeyen sıvıları tanımlamasına yardımcı olan bir Fourier dönüşümü kızılötesi spektrometresine sahiptir; akışkanda hangi aşınan bileşenlerin olabileceğini söyleyen enerji dağıtıcı bir X-ışını spektrometresi; yağdaki suyu tespit edebilen bir Karl Fischer titrasyon ünitesi; ve Hannon’a göre “gresi atmamızı sağlayan birkaç başka cihaz”.

Teorinin modelleri yönlendirmesine izin vermek

Bu ekipmanı kullanarak Hannon ve Sadinski, tek tek sıvıları ölçebilir ve verileri, çok boyutlu bir uzayda sonsuz bir koşul aralığını tahmin etmelerine olanak tanıyan yeni matematiksel modeller oluşturmak için kullanabilir.

Hannon, “Onu akışkanlar mekaniği ilkelerine geri götürdük, böylece teori modellerimizi yönlendiriyor” diyor. Bir şeyleri birinci prensip düzeyinde incelemek, ekibin sürtünmeyi ölçmek yerine, sürtünmeyi tahmin etmesine olanak tanır. Aynı zamanda, “reoloji laboratuvarı bizi gerçeğe bir adım daha yaklaştırarak varsayımların sayısını azaltarak gerçek uygulama koşullarını taklit etmeye yaklaşıyoruz” diyor.

Evans, “Bu yeni ölçüm teknikleri, yağları daha önce hiç yapamadığımız şekillerde ölçmemizi sağlıyor,” diyor. “Bu verileri, bir rulmandaki yüksek basınç ve kesme koşulları altında bir sıvının nasıl davranacağını tahmin etmemize yardımcı olan matematiksel modellere bağladık. Bu bilgi, genel tork veya güç kaybı performansıyla ilgili tahminlerimizi keskinleştirmemize olanak tanıyor. ”

Laboratuvardan müşteri tasarım tablosuna

Ar-Ge ekibi, Timken’in SYBER sistemine yeni matematiksel modeller ekledikçe, dünya çapındaki uygulama mühendisleri daha doğru güç kaybı tahminlerine erişim elde ediyor. Evans, “SYBER bilgi ve bilgiyi laboratuvardan müşterilerimize ulaştırmamıza yardımcı oluyor” diyor.

Hannon ve Sadinski, kapıyı giderek daha geniş bir sıvı yelpazesine açan madeni yağ üreticileriyle yakın temas halinde. Hannon, “Bunun geleceği, yağlayıcınızı yatağınızla eşleştirebilmektir” diyor. “Reoloji laboratuvarında, bu uygunluğu teyit edebiliyoruz, bu yüzden şimdi hepimiz tek bir ekip olarak çalışıyoruz: yağ üreticisi, rulman üreticisi ve müşteri.”

Sadinski, reoloji laboratuvarının faydalarının Timken’in tüm güç aktarım ürünleri . “Müşterilerimize yalnızca rulman çözümlerinde değil, tüm sistemlerde yardımcı olma becerimizi ortaya çıkarıyor.”

Hannon da aynı fikirde. “On yıl önce müşteriler bir rulman satın alırdı” diyor. “Bugün bir sistem satın almak istiyorlar. “Yatağınız bu yağlayıcıyla, bu keçeyle, bu dişliyle nasıl çalışır?” Reoloji laboratuvarından gelen yeni modeller ve verilerle, mühendisler her şeyin birlikte nasıl çalıştığını daha iyi anlayabilir ve bunu müşterilerle paylaşabilir.

Müşteriler, tasarımlarını daha da optimize etme fırsatını takdir ediyor. Evans, “Bu yaklaşımlarla, taşıma performansını her zamankinden daha fazla güvenle tahmin edebiliyoruz” diyor. “Timken’in mühendislik ürünü rulmanlarının ve mekanik güç aktarım ürünlerinin neredeyse tamamı, iyi performans için yağlamaya güveniyor. Burada yaptığımız neredeyse her şey bu çalışmadan yararlanıyor. “

Published: 2021/02/25