Hibrid csapágyak felületi károsodással szembeni tűrőképességét vizsgálták, utat nyitva ezzel az alkalmazások szélesebb körében történő felhasználásukhoz.
Az edzett acél csapágygyűrűket és a nagy teljesítményű kerámiaanyagokból készült gördülőelemeket ötvöző hibrid csapágyak egyre népszerűbb megoldást jelentenek a nagy igénybevételnek kitett alkalmazások esetében. Az ilyen típusú csapágyak magas fordulatszám, magas hőmérséklet vagy elégtelen kenési körülmények között a hagyományos kiviteleknél jobb teljesítményt biztosítanak.
Ennek köszönhető a sugárhajtóművekben és más fontos repülőgép-berendezésekben való használatuk. A hibrid csapágyak jellemzői közé tartozik a kimagasló elektromos ellenállás is, ezért beépítésük hasznos lehet azokba az alkalmazásokba – például a villanymotorokba és a generátorokba -, ahol az elektromos kóboráramok károsíthatják az acél csapágyfelületeket.
A kerámiaanyagok számos olyan tulajdonsággal rendelkeznek, amelyeknek köszönhetően ideálisan használhatók a csapágyalkalmazásokban. A modern kerámiák – például a szilícium-nitrid – kemény, könnyű és rendkívül sima felületű anyagok. Azonban vannak hátrányaik is. A szilárdságuk javítására irányuló folyamatos erőfeszítések ellenére ezeknél az anyagoknál problémák jelentkezhetnek a felületi károsodással szembeni tűrőképesség tekintetében, mivel érzékenyek a már meglévő felületi- vagy anyaghibákra, amelyek potenciálisan veszélyeztethetik a hibrid csapágyakban használt kerámia gördülőelemek sérülésmentességét.
Az ilyen problémák üzem közbeni előfordulásának csökkentése érdekében a kerámia csapágyalkatrészeket rendkívül szigorú minőségellenőrzés mellett állítják elő, a gyártási és összeszerelési műveletek során gondosan kezelik, és a forgalomba hozatal előtt szigorú ellenőrzésnek vetik alá. Ennek a hozzáállásnak köszönhetően az előállított termékek működés közben nagyon jó teljesítményt nyújtanak. Azonban ez a megközelítés növeli a költségeket is, korlátozva ezzel a hibridcsapágy-technológia szélesebb körben történő alkalmazását.
A gyártók számára különösen nagy kihívást jelent, hogy a kerámiacsapágyak esetében a felületi hibákból fakadó károsodásokkal szembeni tűrőképesség meghatározására még nem állnak rendelkezésre a tapasztalatok alapján kidolgozott megfelelő modellek. Egyes felületi hibák annyira kis méretűek, hogy nem befolyásolják a csapágy teljesítményét vagy élettartamát, azonban az elfogadható határértékek ismerete nélkül a gyártóknak az óvatos megközelítést kell alkalmazniuk, kiselejtezve azokat az alkatrészeket is, amelyek esetleg tökéletesen működnének.
Az SKF kutatási és technológiai osztályának csapata Hollandiában most azon dolgozik, hogy segítséget nyújtson a kerámiából előállított termékek minőségellenőrzéséhez alkalmazott módszer meghatározásához. A csoport kifejlesztett egy új prediktív modellt a hibrid csapágyakban használt kerámia gördülőelemek felületi károsodással szembeni tűrőképességének meghatározására, lehetővé téve ezzel a gyártók számára annak a pontos küszöbértéknek a megállapítását, amelynél a mikroszkopikus méretű felületi hibák már gondot jelenthetnek.
A csapat a kutatások során számos vizsgálatot végzett olyan hibrid csapágyakon vagy alkatrészeken, amelyeknél a gördülőelemek felületén mesterségesen állítottak elő felületi hibákat. A projekt során számos, általánosan előforduló felületi hibát vizsgáltak. Ide tartoztak az érintkezés miatt kialakuló károsodások, például a polírozóműveletek során keletkező felületi karcok, az ütés hatására az alkatrészeken jelentkező gyűrű- vagy C-alakú repedések, valamint a kerámiaanyagok inhomogenitása miatt előforduló felületi mélyedések. A felületi hibák mesterséges létrehozására különböző módszereket alkalmaztak, például a repedéseket a kerámia gömbfelület szabályozott módon történő ütésével, a mélyedéseket pedig lézeres megmunkálással hozták létre a pontos méret és alak kialakítása érdekében.
Ezt követően a csapágyakat vagy kerámia-alkatrészeket számos különböző terhelési és kenési feltétel mellett meghibásodásig vagy meghatározott ideig tesztelték a gördülő érintkezés során fellépő anyagkifáradást vizsgáló berendezéssel. A csapat a vizsgálatokat többször is elvégezte különböző típusú és méretű felületi hibákkal. Néhány csapágyat egészen a meghibásodásig üzemeltettek, a többi esetében pedig még a meghibásodás előtt megszakították a vizsgálatot, és a csapat mikroszkóp segítségével tanulmányozta a repedések kialakulását és terjedését az anyagon.
Az SKF csapata az eredményeket felhasználta a kerámia gördülőelemek felületi károsodásokkal szembeni tűrőképességének előrejelzésére szolgáló, a törésmechanikai vizsgálatokon alapuló új modell kidolgozására.
„A munkánk során alapvetően a törésmechanikai vizsgálatokra támaszkodtunk, azonban kiegészítettük néhány olyan lényeges elemmel, amelyek figyelembe veszik a kerámiaanyagok egyedi tulajdonságait és hibamechanizmusait a hibrid csapágyak alkalmazási területein fennálló üzemi körülmények között. Az új modellünk például számításba veszi a csapágy anyaga és a kenőanyag közötti kölcsönhatásokat is. A csapágyakban lévő repedésbe vagy mélyedésbe jutó kenőanyag a csapágy terhelésekor nyomás alá kerül. Ez olyan húzófeszültséget eredményezhet, amelyet általában nem kívánatosnak tartanak az anyagok anyagkifáradással szembeni ellenállásának csökkentése szempontjából.”
– magyarázta Junbiao Lai, az SKF vezető kutatója.
Junbiao Lai és csapata bízik abban, hogy az új modell pontosan tükrözi a hibrid csapágyak valós üzemi körülmények között tanúsított viselkedését, és most közösen dolgoznak az SKF gyártástechnológia mérnökeivel a vizsgálat eredményeinek alkalmazásán.
„A modell lehetővé teszi számunkra annak előrejelzését, hogy egy felületi hiba mikor marad stabil, és mikor okoz olyan repedést, amely továbbterjedhet. Ez a tudás segítséget nyújthat a gyártás területén dolgozó kollégáinknak a gyártás során használt tűrések optimalizálásához, a felesleges selejt csökkentéséhez, valamint elősegítheti a gyártási, szerelési és kezelési eljárások finomítását.”
– mondta Junbiao Lai. Végső soron a munkánk célja az, hogy költséghatékonyabbá tegye a nagy teljesítményű hibrid csapágyakat, és ezáltal több alkalmazás részesülhessen az ilyen típusú csapágyak egyedülálló és hasznos tulajdonságai által nyújtott előnyökből.
További információ: www.skf.com
