Применительно к основной массе проектируемых машин, подшипники качения выступают компонентами, которые подвергаются наиболее высоким механическим и динамическим нагрузкам. Соответственно, основные функции машин часто зависят от надёжности работы подшипниковых узлов. Непрерывный прогресс технических разработок, экономической оптимизации, повышения производительности предъявляет высокие требования. В частности, относительно подшипников качения и концентрации нагрузки, которую необходимо выдерживать. Удовлетворяются требования благодаря технической смазке - как элементу конструкции. Рассмотрим зарубежную практику на механико-динамические испытания подшипников, как таковую.
Подшипники качения и функциональное поведение смазки
Выбор (разработка) оптимального смазочного материала под соответствующее применение возможен только в том случае, если смазочные материалы допустимо испытать в условиях, максимально близких к условиям практики. Так раскрываются характеристики, определяющие функционирование.
В отличие от чисто вещественных характеристик, которые определяются в лаборатории классической химии, функциональное поведение технической смазки внутри подшипника качения пока что возможно исследовать только непосредственно при работе подшипника качения.
Здесь механико-динамические испытания не являются имитацией реального применения. Вместо этого механико-динамические испытания подшипников представляют модель отдельных функций смазки. Например, способность смазочного материала противостоять износу подшипника.
Таким образом, механико-динамические тесты видятся основой для оценки характеристик технических масел и смазок, в частности, для зарубежной практики. Тесты выполняются применительно к разным типам подшипников в условиях, где отражаются пределы фактического применения, связанные с отказом работы.
Ускоренный метод испытаний + элементные испытания + трибометр
С точки зрения идеального варианта испытаний, механико-динамические тесты дают быстрые по времени результаты при относительно небольших затратах на проведение. Как показывает зарубежная практика, к такому оборудованию испытаний подшипников относят следующие установки:
- Испытательная машина Shell (VKA).
- Устройство «штифт на диске».
- Тест-машина Альмена-Виланда.
- Испытательная машина СРВ.
- Двухдисковый испытательный стенд.
Некоторые из перечисленных аппаратов также используются при разработке смазочных материалов. Цель очевидна - обеспечить быстрое и экономичное определение изменений характеристик между отдельными моделями разработки или этапами разработки. Однако корреляции методов испытаний с реальным применением недостаточно для полной оценки эффективности смазочных материалов подшипников качения.
Стенды под испытания подшипников качения
За рубежом разработано большое количество устройств под испытания подшипников качения, предназначенных для тестирования в определённых условиях. Цель здесь всегда предполагает выбор условий тестирования, которые позволяют сделать вывод о работе подшипникового узла.
В рамках тестов ведётся мониторинг с целью недопущения условий, когда смазка подвергается чрезмерной нагрузке, что может исказить результат испытания. Для трибологической оценки смазочных материалов подшипников качения некоторые зарубежные методы оказались особенно подходящими.
Для случаев испытаний на стендах «FE8» и «FE9», западную методику стандартизировали в соответствии с «DIN» стандартом. Сегодня упомянутые выше машины используются по всему миру для оценки смазочных материалов. Тот же испытательный стенд «FE8», к примеру, применяется для определения свойств смазочных материалов, способствующих снижению износа подшипника.
Стенд также допустимо использовать для тестирования технических масел и смазок. Конструкция стенда поддерживает подшипники с точечным или линейным контактом. Здесь допустимо испытывать:
- радиально-упорные шарикоподшипники,
- конические роликоподшипники,
- упорные цилиндрические роликоподшипники.
Упорный цилиндрический роликоподшипник подходит только для испытаний масла, в то время как подшипники других типов могут использоваться для испытаний, как технической смазки, так и масла.
Диапазон нагрузки испытательного стенда «FE8»
В зависимости от требований применения могут применяться осевые нагрузки от 5 кН до 100 кН. Диапазон скоростей простирается от 7,5 мин–1 до 4500 мин–1 (в специальной версии до 6000 мин–1). Однако не все рабочие циклы нагрузки/скорости допускают запуск в тесте. Существуют подходящие рабочие циклы нагрузка/скорость, для которых представлены сравнительные результаты.
Этой методикой испытаний поддерживается широкий диапазон режимов смазки в одних и тех же условиях, от экстремального смешанного трения через умеренное смешанное трение, до режима полностью несущего смазочную плёнку.
Посредством осевого цилиндрического роликоподшипника допустимо создавать экстремальное смешанное трение и скольжение. Специальная версия оборудования включает контейнер предварительного нагрева.
Такое дополнение позволяет проводить специальные испытания бумагоделательного оборудования и редукторов ветроэнергетики. Масло обрабатывается дистиллированной водой или технологической водой перед подачей в ёмкость предварительного нагрева. Далее проходит через ёмкость в каскадном устройстве из листового металла и только затем достигает испытательной головки.
Масляные отложения могут образовываться внутри ёмкости предварительного подогрева (в зависимости от вида испытаний, при температурах +100 / +120°С). Помимо защиты маслом против износа, оцениваются также отмеченные отложения и качество фильтрации технического масла.
Испытательный стенд «FE9»
Испытательный стенд «FE9» западные инженеры применяют для определения пригодности смазок к высоким температурам подшипников качения, рис. 2. В каждом отдельном случае радиально-упорный шарикоподшипник заполняется определённым объёмом смазки, подвергается осевой нагрузке и работает с заданной скоростью. В зависимости от загустителя и базового масла, испытание проводят при температурах от +100°C до +250°С.
Здесь допустимо проводить испытания на открытых подшипниках (метод А), но также могут применяться случаи с уплотнительными шайбами с обеих сторон или с резервуаром для смазки. Обычным тестом, стандартизированным в «DIN 51821-2», является тест «A/1500/6000». В этом случае испытания проводят на открытом подшипнике осевой нагрузкой 1500 Н при частоте вращения 6000 мин–1.
До пяти тестов одновременно доступно выполнять на пяти тестовых головках испытательного стенда «FE9». Процессом определяется время работы до отказа по причинам повышенного трения. Основанная на пяти временах отказа, оценка Вейбулла используется для определения времени выполнения статистического теста «B10» и «B50». Стандарт «DIN 51825» определяет также время работы при определённых температурах.
Например, стандарт «DIN 51825» указывает, что минимальное время работы (B50) следует устанавливать на 100 часов и более. Если это значение достигнуто, температура испытания указывается как верхний предел рабочей температуры.
Испытательный стенд «A2»
Этот испытательный стенд используется для определения защиты техническими маслами от износа, включая износ упорного цилиндрического роликоподшипника. Конструкция аналогична испытательному стенду «FE8». Основное отличие здесь - испытания проводятся с применением маслоотстойника. По этой причине требуется небольшое количество технического масла.
Кроме того, результат в отношении адгезионной способности или транспортных характеристик масла находится под влиянием транспортной прокатки. Это очевидно, так как тела качения погружены в масляный картер, что требует транспортировки масла почти по всей окружности. Испытание проходит на скорости 11 мин–1 при осевой нагрузке 51,5 кН. Возможны температуры до +160 °C.
Испытательный стенд «LFT»
Очередной испытательный «LEF» применяют для оценки защиты маслами против износа и образования смазочной плёнки. Используемый испытательный подшипник - упорный цилиндрический роликоподшипник с пластмассовым сепаратором. Испытание отличается применением конструкции с вертикальным валом.
Испытываемый подшипник частично погружается вместе с телами качения в масло. Измеряется износ и контактное напряжение, которые используются в качестве индикаторов образования смазочной плёнки. Возможны скорости от 10 мин–1 до 4 000 мин–1 при осевой нагрузке от 0,5 кН до 100 кН.
Испытательный стенд «АН42»
Технические смазки способны размягчаться в процессе эксплуатации. Так, смазки, подвергающиеся особому риску, включают смазки подшипников колёсных пар рельсовых транспортных средств. Всякий раз, когда удары и высокочастотные вибрации воздействуют на техническую смазку в течение длительного времени, следует ожидать изменения состояния консистенции.
Для этого и предназначен стенд «AH42», действующий в условиях, близких к практическим условиям, с поддержкой метода «вибрационного сита». Здесь рабочий вал формирует дисбаланс для создания вибрации. Тест выполняется на скоростях от 1000 мин–1 до 2 000 мин–1 при ускорении до 15g. Изменение консистенции смазки в испытуемом подшипнике измеряют после 96 часов тестирования.
Испытательная установка «WS22»
Технические смазки под высокие скорости предъявляют особые требования к системам загустителей и базовым маслам. Пригодность таких смазок проверяется на специально разработанных высокоскоростных испытательных стендах. Испытательная установка «WS22» (под испытания шпинделя) предназначена для этого.
Здесь два высокоточных подшипника шпинделя при малой осевой и радиальной нагрузках вращаются на скорости до 60000 мин–1. Это значение соответствует параметру скорости 2 000 000 мин–1 · мм. Испытание проводят с вращающимся внутренним кольцом. Определяют температуру на неподвижном наружном кольце и наработку до разрушения.
Испытательная установка «WS10»
При использовании подшипников с вращающимся наружным кольцом, (особенно в подшипниковых узлах) работающих на высоких скоростях, к технической смазке предъявляются дополнительные требования. Для определения соответствия этим требованиям разработана испытательная установка «WS10».
Система привода осуществляется посредством ремня, приводящего в движение корпус подшипника. Радиальная нагрузка создается натяжением ремня и силой веса. Осевая нагрузка передаётся с помощью тарельчатых пружин. Максимальная скорость наружного кольца составляет 4000 мин–1. Возможны скоростные параметры до 650 000 мин–1·мм.
Специальные тесты для конкретных приложений
Тестирование бумагоделательного оборудования моделирует условия окружающей среды в сухой части бумагоделательной машины. Метод основан на испытательном стенде «FE8» в специальном исполнении, дополненным контейнером предварительного нагрева.
Для испытания выбраны условия эксплуатации, близкие к практическим условиям. Применительно к тесту бумагоделательного оборудования это:
- скорость 750 мин–1,
- осевая нагрузка 20 кН,
- температура 140°C на выходе из подогревателя,
- наработка 500 часов,
- добавление синтетической технологической воды.
4-этапный тест для систем энергии ветра
4-этапный тест энергии ветра - методика испытаний, где предпринята попытка смоделировать все механизмы повреждения, известные для практики применения редукторов установок ветроэнергетики. Цель состоит в том, чтобы определить неподходящие смазочные материалы на ранней стадии с помощью четырёх тестов.
Этап 1 - защита от износа при экстремальном смешанном трении
Тестирование основано на требованиях, аналогичных требованиям к трансмиссионным маслам типа «CLP» в соответствии с «DIN 51517» на испытательном стенде «FE8». Разница лишь в том, что используется более высокая осевая нагрузка 100 кН вместо 80 кН.
Это испытание проводится в диапазоне экстремальных значений смешанного трения и учитывает не только требования к износу тел качения, но также возникновение волнистости и других повреждений поверхности. Условия испытаний:
- скорость 7,5 мин–1,
- осевая нагрузка 100 кН,
- температура +80°C,
- время работы 80 часов.
Этап 2 - усталость при умеренном смешанном трении
Испытания проводятся на том же стенде «FE8» в условиях умеренного смешанного трения. Применяются испытательные подшипники «F-562831» с пластмассовым сепаратором. Сепаратор отличается от ранее использовавшегося свинченного пластикового сепаратора тем, что здесь на два кармана меньше.
Поэтому испытательная нагрузка снижена от 100 кН до 90 кН. После 800 часов тестирования не должно отмечаться волнистости или точечной коррозии. Условия испытаний:
- скорость 75 мин–1
- осевая нагрузка 90 Кн,
- температура +70 °C,
- наработка 800 часов.
Этап 3 - аддитивные реакции в условиях ЭГД
Испытания проводятся в условиях ЭГД (Электрогидродинамика) на стенде «L11». Проверяется агрессивность добавок. После наработки 700 часов, испытательные подшипники 6206 не должны демонстрировать отказов, вызванных присадками.
Поскольку требуемое время пробной эксплуатации кратно расчетному сроку службы подшипника, остаётся вероятность возникновения отказов, не вызванных смазкой. Условия испытаний:
- скорость 9000 мин–1,
- радиальная нагрузка 8,5 кН,
- наработка 700 часов.
Этап 4 - поведение технического масла
Нередко редукторы подвергаются воздействию влаги по причинам условий окружающей среды или когда внутри редуктора образуется конденсат. Образовавшаяся влага способна привести к аддитивным реакциям, которые в сочетании с высокими температурами способны вызвать появление отложений, что создаёт проблемы фильтрации.
Одновременно влага негативно влияет на смазочную плёнку, а реакции осаждения присадок могут привести к неблагоприятным реакционным слоям внутри подшипника. На этапе 4 теста делается попытка смоделировать эти аспекты в одном тесте. Здесь используется испытательный стенд «FE8» с контейнером предварительного нагрева.
Условия испытаний:
- скорость 750 мин–1,
- осевая нагрузка 60 кН,
- температура +100°C на выходе из подогревателя,
- наработка 600 часов.
Оценка проводится при достижении наработки 600 часов без выхода подшипников из строя, образования нагара, засорения фильтра или износа тел качения.
