Журнал Friction устроил настоящий пир духа для инженеров, интересующихся темой надежности подшипников. Команда авторов* из Испании и Португалии выкатила глобальный обзор подходов и расчетных моделей, на основании которых прогнозируется ресурс, подбирается подходящий подшипник и оцениваются условия его работы.
Таких моделей исследователи «обозрели» более 50, начиная с Эпохи Возрождения, и заканчивая самыми современными методами Искусственного Интеллекта и цифровыми двойниками. Как думаете, к какому выводу они пришли?
Пословица такая есть, «в России 13 морей, а нормальных два или три». Тут дело еще круче. Ученые утверждают: исчерпывающе-полноценно не работает ни одна из методик, нужно взять от каждой лучшее и создавать единый унифицированный подход, предусматривающий все переменные. Ну не будем «подглядывать в конец учебника», давайте выжмем главное из статьи. А желающие разобраться поглубже могут найти в открытом доступе оригинал публикации на английском языке.
Какие модели были изучены в этой работе
Авторы строго следуют хронологии разработки научной проблемы. Сначала они разбирают так называемые статические модели — то есть способы расчета, не учитывающие временной фактор. Основные результаты таких моделей: распределение нагрузки, напряжения и деформации, контактная механика, усталостный ресурс. Проблему разрабатывал еще великий Леонардо да Винчи в XVI веке. Ближе всего к современной инженерной мысли труды начала-середины XX столетия: исследование трения и грузоподъемности Рихардом Штрибеком; теория усталостного ресурса Лундберга и Пальмгрена; первая специализированная компьютерная программа моделирования подшипников Джонса и т.д.
Следом рассматриваются квази-статические модели. Грубо говоря, параметры высчитываются для нескольких отличных положений вала, а не для одного равновесного состояния. Инерция, проскальзывание, переходные состояния и другие важные переменные в таком случае не учитываются или учитываются приближенно.
Авторы упоминают работы Андерсона (1973, влияние перекоса в конических подшипниках), де Муля (1989, 5-DOF модель), Йоргенсена (1997, учёт теплового расширения), Чена (2012, модель дифференциального проскальзывания), Кабуса (2012–2014, учёт упругости опоры) и другие.
В динамическом моделировании, то есть моделировании движения, особо отмечается вклад Гупта (1979). Он был основоположником динамического моделирования, и в его модели учитываются все взаимодействия между элементами вращающегося подшипника. Всего же авторы взяли около 50 научных работ, сгруппировали их в 36 моделей и сравнили между собой.
Суть претензий
"The main findings reveal significant variability in the approaches used and highlight the lack of a standardized methodology for modelling these complex systems." — отмечают авторы. Или по-русски: «Основные результаты выявляют значительную вариативность используемых подходов и подчёркивают отсутствие стандартизированной методологии для моделирования этих сложных систем.»
Во-первых, отмечают исследователи, авторы моделей обычно фокусируются на определенном типе подшипника, не предлагая унифицированного подхода. 23 модели (64%) фокусируются на шарикоподшипниках (из них 13 — на радиально-упорных). 6 моделей — для цилиндрических роликоподшипников. И лишь 6 моделей заявлены как универсальные.
Во-вторых, около трети работ рассматривают сепаратор упрощенно, чтобы снизить вычислительные затраты.
Далее: только ⅔ работ прошли валидацию экспериментом, остальные — теория или компьютерная симуляция.
Также модели не рассматривают разные способы смазки. А некоторые работы смазкой в своих расчетах вообще пренебрегают. Кроме того даже собственно числовое представление трения как такового разнится: где-то коэффициент принят постоянным, в иных случаях аппроксимируются некие табличные или экспериментальные данные.
Какой напрашивается вывод?
Авторы статьи не ставят под сомнение достоверность рассмотренных моделей, их применимость и авторитетность. Но они утверждают: при таком многообразии подходов для получения практически значимых результатов пора бы уже выработать единую систему моделирования. Нет единого оптимального решения, которое подходило бы для всех сценариев. Каждая модель делает свои допущения, упрощения и акценты. Наблюдения авторов сведены в большую таблицу, так что выводы представлены весьма наглядно.
«Из проведённого анализа можно сделать вывод, что существует недостаток стандартной процедуры для описания этой сложной системы при независимом рассмотрении всех её компонентов», — отлично сказано, ни добавить, ни убавить!
Судя по всему, инженерам, почти как космологам, нужна «Теория всего», только не для Вселенной, а для подшипников. Мощности современных дата-центров могут сильно разгрузить инженеров в части сложных расчетов, но важно правильно описать ту самую «процедуру» для всех возможных состояний системы.
*Raúl Gismeros Moreno, Eduardo Corral Abad и Jesús Meneses Alonso, Filipe Marques, Paulo Flores.