Прогнозирование эффективности силовой передачи: лаборатория реологии Timken

Несколько лет назад Райан Эванс обнаружил, что сидит напротив покупателя с необычной просьбой. «Он хотел знать, насколько точно мы можем предсказать поведение наших подшипников при потере мощности в их применении», — говорит Эванс, который в настоящее время занимается исследованиями и разработками подшипников (НИОКР) для компании Timken.

Инженеры-прикладники используют программное обеспечение Timken SYBER для прогнозирования характеристик подшипников для моделирования различных выбранных подшипников. SYBER предоставляет оценки крутящего момента и потерь мощности, но этот заказчик, похоже, просил другого уровня уверенности в этом прогнозе применительно к его применению.

Наука о потерях мощности в подшипниках охватывает множество областей — от механики жидкости до механики твердого тела, термодинамики и теплопередачи. «Сюда входит изучение того, как свойства вещества, будь то сталь или жидкость, изменяются под воздействием физики высоких давлений, скоростей и температур в трибологических контактах», — говорит Билл Хэннон, специалист по основам продуктов в Timken.

Например, одиночный конический роликовый подшипник может иметь 15 роликов, заключенных в кольца, представляющие множество различных точек контакта. Чтобы рассчитать крутящий момент, вы должны принять во внимание, как все эти различные точки соприкосновения могут реагировать на нагрузки и скорости конкретного приложения — например, может ли материал изгибаться под этими точками или масло между ними стриженый.

«Сложить все это таким образом, чтобы получить общую потерю мощности или характеристики крутящего момента для подшипника, может быть непросто», — говорит Эванс.

Эффективность подшипников выходит за рамки подшипников

Тем не менее, подобные запросы клиентов продолжались. «На наших клиентов оказывается давление с целью повышения эффективности использования топлива», — говорит Эванс. Производители в самых разных отраслях — от тракторов до грузовиков и роскошных автомобилей — в ответ на это электрические транспортные средства . Чтобы свести к минимуму вес аккумулятора и увеличить запас хода в этих транспортных средствах, они испытывают давление, чтобы минимизировать трение в каждой точке машины.

Эффективность подшипников — один из таких моментов, но это не значит, что Timken десятилетиями не проектировал экономичные подшипники. Мощные и экономичные подшипники компании играют важную роль в конструкции обычных и гибридных автомобилей с тех пор, как в 1975 году нормативы корпоративной средней экономии топлива (CAFE) начали повышать целевые показатели эффективности использования топлива.

Боб Садински, старший инженер по разработке продукции в Timken, работал непосредственно с заказчиками над проектами электропоездов, помогая разрабатывать концепции Timken высокая энергоемкость, экономия топлива (ePDFE) конические роликовые подшипники.

«В Timken мы всегда беспокоились о трении и потерях энергии, которые идут на вращение наших подшипников», — говорит он. «Чтобы повысить эффективность подшипников, нам нужно было понять всю систему, в том числе то, что наши клиенты использовали для смазки.

Понимание природы жидкостей

«Заказчики хотят работать с более легкими жидкостями с меньшей вязкостью, и когда вы это делаете, возникают проблемы с оборудованием», — говорит Садински. Чтобы помочь клиентам оптимизировать комбинации подшипников и смазочных материалов для достижения максимальной эффективности, команде Timken потребовалось объединить подшипниковые технологии с изучением реологии, раздела физики, изучающего то, как текут жидкости.

«Когда я беру немного масла и держу его в руке, я могу пропустить его между пальцами. Он мягкий и изящный », — говорит Хэннон. «Но внутри подшипника этого не происходит. Когда тела качения встречаются с дорожкой качения, контактное давление велико, а масляная пленка тонкая, масло становится почти твердым ».

Другими словами, вязкость масла или сопротивление потоку могут изменяться странным образом, когда давление, температура и скорость сдвига в точках контакта возрастают до экстремальных значений. Дело усложняется тем, что за последнее десятилетие химия нефти резко изменилась. «Раньше было несколько модификаторов вязкости, а теперь их сотни», — говорит Хэннон.

Прогнозирование эффективности подшипников требует понимания природы конкретной жидкости, масла или смазки для каждого приложения. По словам Хэннона, в идеальном мире инженеры-прикладники могли бы измерить поведение смазочного материала на уровне трех гигапаскалей, или 435 000 фунтов на квадратный дюйм.

«Никто не может этого сделать», — говорит он. «Очень немногие лаборатории в мире могут измерять более одного гигапаскалей».

Кроме того, по его словам, инженеры должны понимать, как вязкость масла изменяется в зависимости от давления, температуры и сдвига. «Мы знаем, что только три места в мире могут это сделать», — говорит Хэннон: Технологический институт Джорджии (Технологический институт Джорджии), Национальный институт прикладных наук (INSA) в Лионе, Франция, а теперь и компания Timken.

Лаборатория, в которой ученые могут заглянуть в жир

По словам Хэннона, реологическая лаборатория Timken началась с теории, согласно которой компания может использовать принципы физики для улучшения своей модели прогнозирования крутящего момента. Чтобы проверить эту теорию, команда попросила исследователей из Технологического института Джорджии измерить вязкость двух масел. Затем исследователи Timken включили эти измерения в свои модели и обнаружили, что они действительно могут делать гораздо более точные прогнозы эффективности подшипников.

«Именно тогда мы решили инвестировать», — говорит Хэннон. Сегодня в реологической лаборатории Timken есть два вискозиметра с падающим телом, которые измеряют вязкость и плотность при различных давлениях и температурах. Вискозиметр Куэтта также позволяет группе измерять реакцию смазки на высокие скорости сдвига.

Лаборатория также может похвастаться инфракрасным спектрометром с преобразованием Фурье, который помогает группе идентифицировать неизвестные жидкости; энергодисперсионный рентгеновский спектрометр, который сообщает им, какие изнашиваемые компоненты могут быть в жидкости; блок титрования Карла Фишера, который может обнаруживать воду в масле; и несколько других «устройств, которые позволяют нам взбивать жир», по словам Хэннона.

Позволить теории управлять моделями

Используя это оборудование, Хэннон и Садински могут измерять отдельные жидкости и использовать данные для построения новых математических моделей, которые позволяют им предсказывать бесконечный диапазон условий в многомерном пространстве.

«Мы вернулись к принципам механики жидкости, так что теория управляет нашими моделями», — говорит Хэннон. Изучение вещей на уровне первых принципов позволяет команде предсказывать трение, а не просто измерять его. В то же время, по его словам, «реологическая лаборатория приближает нас на один шаг к реальности, сокращая количество предположений, так что мы приближаемся к имитации реальных условий применения».

«Эти новые методы измерения позволяют нам измерять масла так, как мы никогда раньше не могли», — говорит Эванс. «Мы вставляем эти данные в математические модели, которые помогают нам предсказать, как жидкость будет вести себя в условиях высокого давления и сдвига в подшипнике. Эта информация позволяет нам уточнить наши прогнозы общего крутящего момента или характеристик потерь мощности ».

От лаборатории до дизайнерского стола заказчика

По мере того как группа исследований и разработок добавляет новые математические модели в систему SYBER Timken, инженеры по всему миру получают доступ к более точным оценкам потерь мощности. «SYBER помогает нам получать информацию и знания из лаборатории в руки наших клиентов», — говорит Эванс.

Ханнон и Садински поддерживают тесный контакт с производителями смазочных материалов, которые все чаще открывают двери для более широкого спектра жидкостей. «Будущее этого — возможность сочетать смазку с подшипником», — говорит Хэннон. «В реологической лаборатории мы можем подтвердить это соответствие, поэтому теперь мы все работаем как одна команда: производитель смазочного материала, производитель подшипников и заказчик».

Садинский отмечает, что преимущества реологической лаборатории распространяются на всю линейку продуктов Timken. продукты передачи энергии . «Это открывает нам возможность помогать клиентам с целыми системами, а не только с их подшипниковыми решениями».

Хэннон соглашается. «Десять лет назад клиенты покупали подшипники», — говорит он. «Сегодня они хотят купить систему. Они хотят знать: «Как ваш подшипник работает с этой смазкой, этим уплотнением, этой шестерней?» » Благодаря новым моделям и данным из лаборатории реологии инженеры могут лучше понять, как все работает вместе, и поделиться этим с клиентами.

Клиенты ценят возможность дальнейшей оптимизации своих конструкций. «Благодаря этим подходам мы можем прогнозировать характеристики подшипников с большей уверенностью, чем когда-либо прежде», — говорит Эванс. «Почти все инженерные подшипники и продукты для передачи механической энергии Timken работают без смазки. Практически все, что мы здесь делаем, выигрывает от этой работы ».

Published: 2021/02/25