Thử nghiệm với những thách thức mới dẫn đến con đường mới

Xu hướng phổ quát áp dụng cho nhiều máy móc và nhiều ngành công nghiệp bao gồm cải thiện hiệu quả năng lượng và giảm chi phí, trong số những xu hướng khác, có thể đạt được bằng cách giảm kích thước máy, tăng tốc độ và tải. Kết quả là, máy móc ngày càng phải chịu mức độ căng thẳng cao hơn. Tất nhiên, vòng bi không nằm ngoài xu hướng này, đóng góp cao vào hiệu suất tổng thể của thiết bị.

Là một trong những chi tiết máy được sử dụng rộng rãi, ảnh hưởng của vòng bi đến hiệu suất chung của nhiều loại máy là khá lớn. Tuy nhiên, việc đáp ứng các ứng suất ngày càng cao đó trong khi đảm bảo mức độ tin cậy cao cũng là một nhiệm vụ đầy thách thức đối với vòng bi. SKF chấp nhận những thách thức này bằng cách thực hiện các hoạt động nghiên cứu và phát triển hiện đại nhằm giải quyết nhiều nhu cầu đa dạng trong các ngành công nghiệp chính như đường sắt, xe điện, máy công cụ, sản xuất kim loại và năng lượng gió.

Trung tâm R&D mới của SKF
Được thành lập tại Hà Lan vào năm 1972, cốt lõi chính của SKF R&D gần đây đã chuyển từ địa điểm lịch sử ở Nieuwegein đến thành phố đạp xe độc ​​đáo Houten. Đây là nơi mà các nhu cầu thách thức mới, được săn đón về vòng bi được nghiên cứu, giải quyết và chuyển đổi thành các giải pháp sáng tạo. Tiến bộ trong R & D tại SKF chủ yếu dựa vào các thí nghiệm, và các phòng thí nghiệm mới, tiên tiến ở Houten là một trung tâm sáng tạo thử nghiệm.

Bất chấp tính chất phức tạp và chiết trung của số lượng lớn các dự án đang được thực hiện trong các phòng thí nghiệm R&D, mục tiêu cuối cùng của nghiên cứu không ngừng này có thể được coi là chung cho tất cả các ngành mà SKF phục vụ: đảm bảo hiệu suất thiết bị đáng tin cậy. Để đạt được mục tiêu cuối cùng này, trung tâm R & D được cung cấp với sự lựa chọn toàn diện về các giàn khoan và công cụ cho phép nghiên cứu trong các lĩnh vực dầu nhờn, thép chịu lực, gốm sứ, lớp phủ, polyme, phớt chặn và cảm biến. Song song, chuyên môn của các nhà nghiên cứu làm việc tại đây bao gồm từ kỹ thuật đến khoa học vật liệu, từ hóa học đến vật lý. Mỗi tính năng đơn lẻ của một vòng bi, tức là vật liệu, thiết kế, đặc tính bề mặt và chất bôi trơn của nó, được phân tích thành các chi tiết nhỏ của nó và được thử nghiệm trong các điều kiện ứng dụng liên quan.

Tất cả những điều này làm cho trung tâm R & D ở Houten trở thành một lò luyện tập khoa học, nơi làm việc với sức mạnh tổng hợp và với tốc độ nhanh, các nhà nghiên cứu của SKF cùng tập trung nỗ lực để chống lại ma sát và mài mòn, dẫn đầu các dự án hướng đến khách hàng dẫn đến phát triển các sản phẩm mới và / hoặc nâng cao kiến ​​thức về các ứng dụng ngày càng khắt khe và các vấn đề liên quan.

Thép
Vì hầu hết các vòng chịu lực và các bộ phận cán đều được làm bằng thép, công việc trong phòng thí nghiệm rộng rãi được thực hiện để sàng lọc các loại thép khác nhau với nhiều phương pháp xử lý nhiệt bao gồm thông qua làm cứng, phủ cacbonit, mài mòn vỏ máy và làm cứng cảm ứng, để lựa chọn biến thể thép phù hợp cho ứng dụng đích.

Phép đo độ loãng được sử dụng để định lượng phản ứng của vật liệu đối với xử lý nhiệt, bằng cách đo những thay đổi về kích thước của thép như một hàm của nhiệt độ. Sự kết hợp của các kỹ thuật kiểm tra trực quan bao gồm kính hiển vi quang học, phép đo giao thoa và kính hiển vi điện tử quét (SEM), được sử dụng để điều tra các điều kiện bề mặt của vòng bi được thu thập từ hiện trường, cũng như để mô tả cấu trúc vi mô của thép đang nghiên cứu. Nhiễu xạ tia X, để đánh giá ứng suất dư và thành phần pha, có thể được sử dụng kết hợp với các phép đo độ cứng để tìm kiếm mối tương quan chi tiết giữa cấu trúc vi mô của thép và tính năng của nó, đồng thời chọn đúng thép và xử lý nhiệt cho ứng dụng khách hàng yêu cầu.

Phạm vi của các hoạt động này có thể rộng và thường nhằm mục đích cải thiện khả năng chống chịu của thép trước nhiều cơ chế hư hỏng tiềm ẩn thường thấy ở các ổ lăn. Đặc biệt, các giai đoạn bắt đầu và lan truyền hư hỏng liên quan, và ảnh hưởng tương đối của chúng đến tuổi thọ tổng thể của ổ lăn, là một trong những lĩnh vực quan tâm chính. Tuy nhiên, mỗi hoạt động được điều chỉnh cho ứng dụng cụ thể đang được nghiên cứu, có thể bao gồm từ việc kéo dài khoảng thời gian bảo dưỡng các vòng bi được sử dụng trong đường sắt đến phát triển các giải pháp đáng tin cậy cho các tuabin gió mạnh hơn.

Lớp phủ
Trong một số ứng dụng đòi hỏi khắt khe, các đặc tính bề mặt thép trần của vòng bi, dù được tối ưu hóa về độ cứng và kết cấu, vẫn không thể đáp ứng các yêu cầu cần thiết. Một giải pháp có khả năng cung cấp giá trị và lợi ích cho hiệu suất của vòng bi là lớp phủ, trang bị cho vòng bi SKF các đặc tính bề mặt cụ thể, nhắm mục tiêu ứng dụng mà nếu không chỉ bằng thép thì không thể đạt được.

Một lớp phủ chống ăn mòn có thể giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ vòng bi trong các vòng bi bị nhiễm nước, điều này có thể xảy ra trong môi trường công nghiệp như nhà máy thép. Việc sử dụng lớp phủ chống mài mòn mang lại tiềm năng to lớn trong các ứng dụng mà nó muốn giữ được tính chất chống mài mòn và mỏi bề mặt tối ưu đồng thời kéo dài tuổi thọ và nâng cao độ tin cậy, chẳng hạn như trong hộp số của tuabin gió.

Công việc thử nghiệm được thực hiện tại trung tâm R&D ở Houten tập trung vào việc tối ưu hóa các vật liệu phủ và kỹ thuật lắng đọng của chúng, cũng như thử nghiệm các giải pháp sơn phủ để đánh giá tính phù hợp của chúng đối với ứng dụng mục tiêu. Đặc điểm chi tiết của các lớp phủ và các lớp mỏng của chúng dựa vào việc sử dụng Quang phổ quang điện tử tia X (XPS) tiên tiến để đánh giá thành phần của chúng, kết hợp với kính hiển vi SEM để nghiên cứu độ dày của chúng, và thử nghiệm trượt qua lại và xước cổ điển để đánh giá độ bám dính và độ mòn của chúng tính chất.

Vòng bi tổ hợp
Mặc dù hầu hết các vòng bi đang hoạt động hiện nay đều được làm bằng thép duy nhất, nhưng các vòng bi tổ hợp vẫn tốt hơn chúng trong một loạt các ứng dụng. Sự lựa chọn vật liệu cho vòng bi tổ hợp, với vòng làm bằng thép nhưng các phần tử cán được làm bằng gốm silicon nitride, mang nhiều ưu điểm.

Trọng lượng nhẹ của chúng chắc chắn mang lại những lợi ích rõ ràng trong các ứng dụng mà hiệu suất bắt nhịp với tốc độ, chẳng hạn như trong đua xe thể thao. Với độ bền cao hơn trong điều kiện bôi trơn kém, chúng phù hợp với các yêu cầu an toàn nghiêm ngặt hiện nay trong hàng không vũ trụ. Nhờ độ cứng cao hơn nhiều, chúng đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng tốc độ cao, nơi cần phải có độ chính xác, như trong trục quay của máy công cụ. Hơn nữa, do được cách điện nên chúng miễn nhiễm với các hiện tượng xói mòn điện, thường thấy trong các loại xe điện và trong máy phát tua bin gió. Ưu điểm của vòng bi tổ hợp rõ ràng là vô tận.

Một lĩnh vực cơ hội cho vòng bi, bạc đạn SKF tổ hợp, và trọng tâm của nhiều hoạt động thử nghiệm được thực hiện tại các phòng thí nghiệm SKF R&D, là tăng khả năng chịu đựng của chúng đối với các khuyết tật trong vật liệu gốm, cũng như cải thiện dự đoán hiệu suất của chúng bằng cách đưa các khuyết tật tương tự vào tài khoản. Do đó, nhiều nỗ lực được dành để kiểm tra chất lượng của các phần tử cán gốm. Việc phát hiện các khuyết tật nhỏ, không thể nhìn thấy được dưới ánh sáng trắng tiêu chuẩn của kính hiển vi quang học, được thực hiện bằng cách sử dụng kiểm tra chất xâm nhập huỳnh quang trong phòng tối. Cấu trúc vi mô của vật liệu gốm tất nhiên cũng quan trọng không kém chất lượng bề mặt, do đó điều này được kiểm tra kỹ lưỡng bằng kính hiển vi. Ảnh hưởng của nó đến các tính chất cơ học của các phần tử cán gốm sau đó được đánh giá bằng cách thực hiện thử nghiệm độ cứng và độ bền,

Điểm nhấn lớn cũng được đưa vào các phương pháp mới, bao gồm trí tuệ nhân tạo, nhằm tạo ra kiến ​​thức về các sản phẩm hiện có, cũng như phát triển các vật liệu mới được tùy chỉnh cho các ứng dụng cụ thể.

Cái lồng
Một thành phần thường bị bỏ qua của vòng bi, nhưng thực sự là một thành phần có công việc rất khó khăn, đó là lồng. Chức năng chính của nó là hướng dẫn chuyển động quay của các phần tử lăn trong khi giữ khoảng cách xác định giữa chúng và ngăn cản sự tiếp xúc trực tiếp của chúng.

Các yêu cầu mới về tải trọng và tốc độ cao hơn trong nhiều ứng dụng thường là lý do đằng sau việc lựa chọn lồng làm bằng polyme, trong những điều kiện này thường cung cấp ma sát thấp hơn và dẫn hướng tốt hơn thép và các kim loại khác. Tuy nhiên, nhu cầu đòi hỏi cao hiện nay để chịu được tải trọng khắc nghiệt gặp phải trong các tuabin gió lớn hơn, mạnh hơn, cũng như nhiệt độ và tốc độ khắc nghiệt kết hợp được tìm thấy trong các loại xe điện mới nhất, cũng đặt ra những thách thức phi thường đối với lồng polyme. Do đó, điều cần thiết là phải thực hiện việc xác định đặc tính và thử nghiệm chuyên sâu và rộng rãi của các vật liệu polyme được thực hiện trong các phòng thí nghiệm SKF R&D.

Để hiểu rõ hơn về mức độ kết tinh của các polyme, phép đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) được thực hiện. Các thử nghiệm độ bền kéo, được tiến hành trong một buồng khí hậu cho phép nhiệt độ thử nghiệm nằm trong khoảng -70 đến 300 ˚C, cho phép tìm ra mối liên hệ giữa vi cấu trúc polyme và độ bền của nó. Kiến thức này được sử dụng để tạo đầu vào cho các công cụ mô phỏng được sử dụng để dự đoán hiệu suất lồng trong các ứng dụng đích. Ví dụ, bằng cách thực hiện các phép đo Phân tích nhiệt cơ động (DMTA), việc áp dụng nguyên tắc chồng chất thời gian – nhiệt độ giúp dự đoán độ ổn định của vật liệu polyme sẽ ổn định như thế nào trong một ứng dụng cụ thể và do đó lồng sẽ phản ứng như thế nào trong các điều kiện nhất định tốc độ vòng bi, nhiệt độ và tải trọng.

Dầu mỡ
Về mọi mặt, chất bôi trơn là một thành phần không thể thiếu của vòng bi, ảnh hưởng phần lớn đến hiệu suất của nó, đặc biệt là mô-men xoắn và tuổi thọ của nó. Mục đích chính của chất bôi trơn là tạo thành một lớp bôi trơn mỏng ngăn không cho bề mặt của các phần tử lăn và rãnh tiếp xúc trực tiếp, do đó giảm ma sát đồng thời ngăn ngừa hư hỏng.

Do khả năng giữ nguyên vị trí mà không bị rò rỉ, cũng như khả năng làm kín của nó, trong nhiều ứng dụng, mỡ là chất bôi trơn được lựa chọn cho các ổ lăn; trên thực tế, hơn 80% ổ lăn được bôi trơn bằng mỡ. Tuy nhiên, lựa chọn loại mỡ phù hợp cho ứng dụng cụ thể là một công việc phức tạp. Một phần là do sự lựa chọn đa dạng của các công thức có sẵn, số lượng lớn các thông số có thể được sử dụng để xác định các đặc tính của dầu mỡ cho thấy độ phức tạp lớn của nó.

Các loại thành phần cụ thể có trong mỡ, hàm lượng của chúng, cũng như cách thức sản xuất mỡ, xác định độ đặc của nó, chảy dầu, độ ổn định cơ học, điểm rơi, cũng như một số lượng lớn các đặc tính lưu biến ảnh hưởng đến cách mà dầu mỡ chảy. Các đặc tính này được nghiên cứu kỹ lưỡng bằng cách sử dụng cả các thử nghiệm tiêu chuẩn và tùy chỉnh, với mục đích xác định các yếu tố chính điều chỉnh hiệu suất tổng thể của mỡ trong các ứng dụng cụ thể. Cuối cùng, mục tiêu của các hoạt động này chuyển thành các câu hỏi cụ thể: “Điều gì làm cho dầu mỡ trở thành dầu mỡ tốc độ cao ? Hay dầu mỡ ở nhiệt độ cao ? Hay một loại dầu mỡ nặng ? Hay sự kết hợp của những yêu cầu này ”? Ví dụ, câu trả lời đúng cho những câu hỏi này sẽ

Phớt chặn
Ngoài các vòng đệm trục độc lập, vòng bi còn được trang bị các vòng đệm chuyên dụng được sử dụng để thu hẹp khoảng cách giữa vòng ngoài và vòng trong nhằm giữ lại dầu mỡ bên trong vòng bi và bảo vệ chống lại sự nhiễm bẩn từ bên ngoài. Bởi vì chúng thường cần phải thích ứng với sự sai lệch tĩnh và động trong ứng dụng, hầu hết các con dấu được làm bằng chất đàn hồi cao su dẻo. Thiết kế của con dấu có thể thay đổi rất nhiều tùy theo ứng dụng. Các vòng đệm quay chậm được yêu cầu trong các vòng bi quay chậm trong môi trường bị ô nhiễm cao, chẳng hạn như trong khai thác mỏ, trong khi vòng đệm không tiếp xúc có thể là giải pháp phù hợp trong các ứng dụng tốc độ rất cao, chẳng hạn như hộp số xe điện và trục quay máy công cụ.

Đối với vật liệu cụ thể của con dấu, điều này được lựa chọn một cách khôn ngoan theo phạm vi nhiệt độ hoạt động và tốc độ mà độ đàn hồi cần thiết, khả năng chống mài mòn và lão hóa có thể thay đổi đáng kể. Các phương pháp mô phỏng động tiên tiến được sử dụng để đáp ứng nhu cầu của khách hàng đối với nhiều điều kiện ứng dụng khác nhau. Đồng thời, các nhà nghiên cứu của SKF đã phát triển khả năng và phương pháp thử nghiệm để xác nhận các mô hình này và kiểm tra hiệu quả các khái niệm niêm phong mới. Hiệu suất làm kín, về khả năng giữ lại chất bôi trơn hoặc loại trừ chất gây ô nhiễm, kết hợp với phản ứng ma sát của các vòng đệm trong quá trình quay, có thể được kiểm tra với việc đưa vào các chuyển động ngang, lệch trục và trên một loạt các tốc độ, nhiệt độ và tải trọng. Với bản chất hướng đến ứng dụng của các hoạt động này,

Tổng quát
Rõ ràng là các tính năng riêng lẻ của vòng bi cần phải hoạt động tốt với nhau. Có thể ngay từ đầu, các vật liệu cần phải tương thích về mặt hóa học, chẳng hạn như lồng và vật liệu làm kín bằng mỡ bôi trơn.

Bộ tộc học, nghiên cứu về các bề mặt chuyển động tương đối, là lĩnh vực quan tâm chính trong các phòng thí nghiệm SKF R & D, vì nó bao gồm tất cả các khía cạnh cơ học và hóa học liên quan trong quá trình vận hành vòng bi. Sự tương tác giữa thép, lớp phủ, gốm sứ với chất bôi trơn được đánh giá bằng cách sử dụng các giàn mô phỏng các điều kiện của các tiếp điểm bôi trơn giữa các phần tử cán và rãnh.

Việc sử dụng các giàn đơn giản đó thay cho các vòng bi đầy đủ có thể tách rời một phần một số hiện tượng xảy ra đồng thời trong một vòng bi, nhờ đó kiến ​​thức liên quan có thể được phát triển để hiểu sâu các vấn đề phức tạp nhất và đạt được đầy đủ các thách thức mới. Kiến thức được tạo ra này cuối cùng được đánh giá ở mức độ phổ quát bằng cách đánh giá hiệu suất tổng thể của vòng bi nơi chúng thuộc về.

Các cơ sở nghiên cứu và phát triển được trang bị đầy đủ các giàn thử nghiệm vòng bi, được thiết kế đa năng để nghiên cứu các đối tượng đa dạng nhất: mômen xoắn vòng bi, tuổi thọ vòng bi và dầu mỡ, dòng dầu mỡ trong vòng bi cỡ lớn. Ở đây, các tác động của vật liệu, tính năng bề mặt và thiết kế của mương, bộ phận lăn, lồng, con dấu, loại mỡ và chất làm đầy của nó được nghiên cứu đồng thời. Nếu một liên kết yếu được xác định trong vòng bi, điều này sẽ được tiếp cận và điều tra chi tiết ở cấp độ cơ bản hơn, nhằm cố gắng tối ưu hóa các giải pháp theo cách lặp lại.

Khi nói đến vòng bi, nằm trong các chi tiết. Chúng có thể nhỏ bằng micrômet đối với lớp phủ, hoặc kích thước nanomet đối với độ nhám bề mặt và độ dày màng chất bôi trơn, nhưng có thể có tác động rất lớn đến hiệu suất của vòng bi. Là một phần tử máy móc phức tạp, việc phù hợp với ứng dụng cụ thể là đỉnh cao của nỗ lực của nhiều năng lực khác nhau. Tại các cơ sở R&D của SKF ở Houten, tất cả những thứ này đều kết hợp với nhau để đảm bảo hiệu suất thiết bị đáng tin cậy.