Усталость при контакте качения

Механизм деформации

Обзор компонентов подшипника , включая элемент подшипника и внутреннее кольцо ^[1]

Усталость при качении ( RCF ) — это явление, которое возникает в механических компонентах, связанных с контактом качения/скольжения, таких как рельсы, шестерни и подшипники . ^[2] Это результат процесса усталости из-за контакта качения/скольжения. ^{[2] [3]} Процесс RCF начинается с циклической нагрузки материала, что приводит к усталостному повреждению, которое можно наблюдать в трещиноподобных дефектах, таких как белые трещины травления . ^[2] Эти дефекты могут перерасти в более крупные трещины при дальнейшей нагрузке, что потенциально приводит к изломам. ^{[2] [4]}

На железных дорогах, например, когда колесо поезда катится по рельсу, создавая небольшое пятно контакта, которое приводит к очень высокому контактному давлению между рельсом и колесом. ^[2] Со временем многократное прохождение колес с высоким контактным давлением может привести к образованию трещиноподобных дефектов, которые становятся небольшими трещинами. ^[2] Эти трещины могут расти и иногда объединяться, что приводит либо к отколу поверхности, либо к разрыву рельса, что может стать причиной серьезных аварий, включая сход с рельсов . ^{[2] [4]}

RCF является серьезной проблемой для железных дорог во всем мире и может принимать различные формы в зависимости от местоположения трещины и ее внешнего вида. ^[2] Это также существенная причина выхода из строя компонентов, подверженных катящимся или катящимся/скользящим контактам, таким как подшипники качения, шестерни и кулачковые/толкательные механизмы. ^[5] Переменное поле напряжений в RCF может привести к удалению материала, варьирующемуся от микро- и макропиттинга в обычных подшипниковых сталях до расслоения в гибридной керамике и накладных покрытиях. ^[5]

Основы

трение качения

В случае тел, способных катиться, существует особый тип трения, при котором явление скольжения, типичное для динамического трения, не возникает, но также существует сила, противодействующая движению, что также исключает случай статического трения. Этот тип трения называется трением качения. Теперь мы хотим подробно рассмотреть, что происходит с колесом, катящимся по горизонтальной плоскости. Первоначально колесо неподвижно, а действующими на него силами являются сила веса и нормальная сила, создаваемая реакцией на вес пола. ${\displaystyle m{\vec {g}}}$ ${\displaystyle {\vec {N}}}$

В этот момент колесо приходит в движение, вызывая смещение в точке приложения нормальной силы, которая теперь приложена перед центром колеса, на расстоянии b , которое равно значению коэффициента трения качения. Противодействие движению вызвано разделением нормальной силы и силы веса в тот самый момент, когда начинается качение, поэтому значение крутящего момента, создаваемого силой трения качения, равно То, что происходит подробно на микроскопическом уровне между колесом и опорной поверхностью, описано на рисунке, где можно наблюдать, как ведут себя силы реакции деформированной плоскости, действующие на неподвижное колесо. $${\displaystyle {{\vec {M}}_{r.f.}}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}}$$

Непрерывное вращение колеса вызывает незаметные деформации плоскости, и после перехода в следующую точку плоскость возвращается в исходное состояние. В фазе сжатия плоскость противодействует движению колеса, а в фазе декомпрессии она вносит положительный вклад в движение.

Сила трения качения зависит, таким образом, от малых деформаций, испытываемых опорной поверхностью и самим колесом, и может быть выражена как , где можно выразить b относительно коэффициента трения скольжения как , где r — радиус колеса. ${\displaystyle |{\vec {F}}_{r}|=b|{\vec {N}}|}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\textstyle b={\mu v \over r}}$

Тестирование

Тестирование на RCF включает несколько методов, каждый из которых разработан для имитации условий, вызывающих RCF в контролируемой среде. Вот некоторые из используемых методов:

• Стенды с двумя дисками: в этом методе используются два диска для моделирования износа, происходящего для рельсов и колес.
• Тесты масштабированной RCF: в этих тестах используются два диска разного диаметра. ^[6]
• Испытательная машина Three-Ball-on-Rod: Это экономичный концептуальный тест RCF. Он проводится для оценки влияния термической обработки, материала, смазки и покрытий на усталостную долговечность. ^[6]
• Теория Лундберга-Пальмгрена и метод, основанный на ISO 281: этот метод оценивает надежность RCF с учетом контактной нагрузки, геометрических параметров контактных пар, амплитуды колебаний, надежности RCF и свойств материала. ^[7]

Установка для испытания на усталость при контакте качения с тремя дисками (RCF) — это специализированное испытательное устройство, используемое в области трибологии и материаловедения для оценки усталостной прочности и долговечности материалов, подвергающихся контакту качения. ^[8] Эта установка предназначена для моделирования условий, встречающихся в различных механических системах, таких как подшипники качения, зубчатые передачи и другие компоненты, подвергающиеся повторяющимся движениям качения и скольжения. Установка обычно состоит из трех дисков или роликов, расположенных в определенной конфигурации. ^[9] Эти диски могут представлять взаимодействующие компоненты, представляющие интерес, такие как подшипник качения. Установка также позволяет точно контролировать условия нагрузки, включая величину нагрузки, контактное давление и геометрию контакта. ^{[10] [11]}

PCS Instruments Micro-pitting Rig (MPR) — специализированный испытательный инструмент, используемый в области трибологии и машиностроения для изучения микропиттинга , типа повреждения поверхности, которое происходит в смазанных системах качения и скольжения. MPR предназначен для имитации реальных условий эксплуатации путем подвергания испытательных образцов, часто шестерен или подшипников качения, контролируемому контакту качения и скольжения в условиях смазки. ^[12]

Смотрите также

• Контактная механика  – изучение деформации твердых тел, соприкасающихся друг с другом.
• Сход с рельсов  – форма инцидента с поездом
• Фреттинг  – износ или повреждение нагруженных поверхностей
• Механика фрикционного контакта  – изучение деформации тел при наличии эффектов трения.
• Трение  – сила, противодействующая скольжению.
• Износ  – повреждение, постепенное удаление или деформация материала на твердых поверхностях.
• Подшипник качения  – подшипник, несущий нагрузку с помощью тел качения, расположенных между двумя кольцами с канавками.
• Трибология  – наука и техника взаимодействующих поверхностей в относительном движении.
• Прокатка (металлообработка)  – процесс обработки металлов давлением
• Шероховатость поверхности  – мера качества поверхности или текстуры.
• Списки железнодорожных аварий

Ссылки

1. Курд, ME; Бернетт, TL; Феллоуз, Дж.; Донохью, Дж.; Ян, П.; Уизерс, П.Дж. (2019-08-01). «Гетерогенное распределение белого травильного вещества (WEM) вокруг подповерхностных трещин в подшипниковых сталях». Acta Materialia . 174 : 300–309. Bibcode : 2019AcMat.174..300C. doi : 10.1016/j.actamat.2019.05.052 . ISSN  1359-6454.
2. Капур, Аджай; Салехи, Иман; Асих, Анна Мария Шри (2013), «Усталость при контакте качения (RCF)», в Ван, К. Джейн ; Чунг, Ип-Ва (ред.), Энциклопедия трибологии , Бостон, Массачусетс: Springer US, стр. 2904–2910, doi :10.1007/978-0-387-92897-5_287, ISBN 978-0-387-92897-5, получено 2024-03-14
3. "Усталость при контакте качения – о трибологии" . Получено 14.03.2024 .
4. Kang, Young Sup (2013), «Усталость контакта подшипников качения», в Wang, Q. Jane ; Chung, Yip-Wah (ред.), Encyclopedia of Tribology , Бостон, MA: Springer US, стр. 2820–2824, doi :10.1007/978-0-387-92897-5_375, ISBN 978-0-387-92897-5, получено 2024-03-14
5. Ahmed, R. "Усталость при контакте качения" (PDF) . Университет Хериот-Уотт .
6. Шмах, Иржи; Халама, Радим; Марек, Мартин; Шофер, Михал; Коварж, Либор; Матушек, Петр (декабрь 2023 г.). «Два вклада в испытания на усталость при контакте качения с учетом разных диаметров рельсов и колесных дисков». Смазочные материалы . 11 (12): 504. doi : 10.3390/смазочные материалы11120504 . ISSN  2075-4442.
7. Хай, Гао Сюэ; Дяо, Хуан Сяо; Цзин, Хун Ронг; Хуа, Ван; Цзе, Чэнь (2012). «Метод оценки надежности усталости при контакте качения и его применение к поворотному подшипнику». Журнал трибологии . 134. doi :10.1115/1.4005770 . Получено 14.03.2024 .
8. Ruellan, Arnaud; Cavoret, Jérôme; Ville, Fabrice; Kleber, Xavier; Liatard, Bernard (февраль 2017 г.). «Понимание белых трещин травления в подшипниках качения: современное состояние и транспозиция нескольких драйверов на двухдисковой машине». Труды Института инженеров-механиков, часть J: Журнал инженерной трибологии . 231 (2): 203–220. doi :10.1177/1350650116648058. ISSN  1350-6501. S2CID  113573608.
9. Кунцельманн, Бьёрн; Рыцерц, Павел; Сюй, Илун; Аракере, Нагарадж К.; Кадирич, Амир (2023-03-01). «Прогнозирование распространения усталостных трещин при контактном качении в подшипниковых сталях с использованием экспериментальных данных о росте трещин и линейной упругой механики разрушения». Международный журнал усталости . 168 : 107449. doi : 10.1016/j.ijfatigue.2022.107449 . ISSN  0142-1123.
10. Ричардсон, А.Д.; Эванс, М.-Х.; Ванг, Л.; Вуд, Р.Дж.К.; Ингрэм, М.; Мейт, Б. (2017-11-27). "Эволюция белых трещин травления (WEC) в стали 100Cr6, испытанной на усталость при контактном качении". Tribology Letters . 66 (1): 6. doi :10.1007/s11249-017-0946-1. ISSN  1573-2711. PMC 6951819 . PMID  31983861. 
11. Manieri, Francesco; Stadler, Kenred; Morales-Espejel, Guillermo E.; Kadiric, Amir (2019-03-01). «Происхождение белых трещин травления и их значение для отказов подшипников качения». International Journal of Fatigue . 120 : 107–133. doi : 10.1016/j.ijfatigue.2018.10.023 . ISSN  0142-1123. S2CID  139339152.
12. Гулд, Бенджамин; Греко, Аарон (2015-10-17). «Влияние скольжения и интенсивности контакта на образование белых травильных трещин». Tribology Letters . 60 (2): 29. doi :10.1007/s11249-015-0602-6. ISSN  1573-2711. S2CID  138178455.