Εκτίμηση διάρκειας ζωής υψηλώς φορτισμένων στοιχείων κύλισης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

Λόγω των πολύ χαμηλών απωλειών τριβής , στοιχεία κύλισης (rolling elementscontacts) χρησιμοποιούνται σε ένα πλήθος εφαρμογών, πχ. σε ρουλεμάν, τροχούς , επαφές κυλίνδρου έκκεντρου σε αντλίες Diesel υψηλής πίεσης κλπ. Εκτός από την τεχνολογική απαίτηση για αξιοπιστία ενός μηχανισμού ακόμη και σε συνθήκες μεγάλων φορτίων, η λίπανση με λιπαντικά χαμηλού ιξώδους π.χ. Diesel καύσιμα, αποτελεί μια σημαντική πρόκληση. Σε λειτουργία υπό τέτοιες συνθήκες λίπανσης, μόνο η δημιουργία ενός ανεπαρκούς οριακού λιπαντικού φιλμ είναι δυνατή. Για το λόγο αυτό, ανεξαρτήτως βαθμού επιφανειακής αποπεράτωσης, ο πλήρης διαχωρισμός των εφαπτόμενων στοιχείων δεν είναι δυνατός (μικτές συνθήκες - οριακή λίπανση). Κατά τη διάρκεια λειτουργίας κάτω από μικτές συνθήκες λίπανσης, οι μικρο-επαφές μεταξύ των επιφανειακών ανωμαλιών των τραχέων επιφανειών είναι υπεύθυνες για την ανάπτυξη υψηλών τοπικών τάσεων και δυνάμεων τριβής. Συνεπώς η μείωση της ολικής διάρκειας ζωής είναι αναμενόμενη. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ του λιπαντικού και του υλικού των στοιχείων, σε συνθήκες σύνθετης φόρτισης, ανοίγουν ένα ευρύ τομέα έρευνας. Στα υψηλώς φορτιζόμενα στοιχεία κύλισης η επιφανειακή κόπωση (rolling contact fatigue) είναι ένας αναπόφευκτος μηχανισμός περιορισμού της διάρκειας ζωής τους. Για την εκτίμησή της, πολλές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί στη βιβλιογραφία: Σύγκριση της μέγιστης ονομαστικής τάσης με το όριο αντοχής του υλικού, τοπικές και ολοκληρωτικές έννοιες, μέθοδοι μηχανικής θραύσης κλπ. Η παρούσα διπλωματική εξετάζει την προσαρμοστικότητα, στο εξεταζόμενο πρόβλημα, του εμπειρικού μοντέλου -βασισμένου στη θεωρία Weibull- πρόβλεψης διάρκειας ζωής εδράνων κυλίσεως Ioannides & Harris (ISO281) μέσω FEM. Συγκρίσεις μεταξύ τιμών αντοχής που αποκτήθηκαν από μια νέα πειραματική διάταξη δύο υψηλώς φορτιζόμενων δίσκων σε σχετική κύλιση και αποτελεσμάτων FEM προσομοίωσης αυτών, υποδεικνύουν τη δυνατότητα του μοντέλου να περιγράφει την επιρροή μηχανικώς προδιδόμενων παραμενουσών τάσεων, που προέρχονται από επιφανειακές κατεργασίες σκλήρυνσης, καθώς και διαφόρων προφίλ επιφανειακής τραχύτητας στη συνολική διάρκεια ζωής των δοκιμίων.

Due to low frictional losses rolling contacts are often used in various applications e.g. in bearings, gears, rail wheel contacts and in cam-roller contacts of high pressure pumps. Beside the technological demand of high reliability under high loads, the lubrication with low viscosity lubricants, e.g. Diesel fuels, is a great challenge. Under such lubrication, the creation of only a marginal insufficient film thickness is achieved. Therefore, even with good surface finishing, a complete separation of the contacting bodies is not possible. During operation under mixed lubrication, micro contacts between asperities of the contacting surfaces are responsible for high local stresses and friction forces. Consequently, a reduction of the overall lifetime is expected. Interactions between lubricant and material under complex loading condition open a wide research field. In highly loaded rolling contacts, surface fatigue is an unavoidable lifetime-limiting failure mechanism. For lifetime calculations many approaches are found in literature. Comparing stresses with material strength, local concepts and integral concepts that consider the whole stressed volume, fracture mechanics approaches etc. This work investigates the adaptability of the Weibull-statistics based rolling bearing fatigue life model according to Ioannides & Harris (ISO 281) through FEM simulations. Comparisons between experimental results obtained by a newly created test rig and simulations indicate the ability of the model to describe the influence of different mechanically introduced residual stresses and roughness profiles to the overall lifetime of highly loaded rolling contacts.