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皇家国际官网:散文获得金奖,轴承运维检查与

2019-11-02 13:10

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铁姆肯公司研发团队解决风机应用难题 论文获奖

分享QQ空间新浪微博腾讯微博QQ微信2015/07/09 15:51第一工程机械网

中国上海,2015年7月9日 - 由全球领先的轴承制造商铁姆肯公司(纽约证交所代码:TKR; www.timken.com.cn)取得的一项解决风机运营关键问题的研究成果日前获得美国摩擦学者与润滑工程师学会颁发的2015年Wilbur Deutsch纪念奖。该奖项是铁姆肯公司研发团队凭借雄厚的技术实力帮助客户解决难题的认可,同时也凸显了Timken® Wear-Resistant®抗磨粒轴承具有有效防止齿轮箱轴承打滑擦伤的特性。

由铁姆肯公司工程基础和实物测试部经理Ryan Evans博士带领的研究小组深入研究了不同厂商生产的风机齿轮箱轴承打滑擦伤的根本原因。研究发现,在风机齿轮箱内,高速轻载应用下的轴承(通常为圆柱滚子轴承)经常会在多个表面区域出现打滑擦伤现象,而这些擦伤区域可能在轴承使用过程中导致更严重的故障。

导致轴承打滑擦伤的动态特征尚不得而知,此前研究人员也无法在实验室中模拟出全尺寸圆柱滚子轴承的这种损坏形式。“我们花费数月时间,采用了许多创新实验方法和仪器,终于成功模拟出此类损伤。”Evans 博士说,“此外,我们也意识到对轴承保持架滑移等关键轴承组件的动态特征进行实时测量具有重要意义。 因此我们进一步利用铁姆肯公司的CAGEDYN动态模拟工具来模拟测试条件,从而得出一个可用于评估轴承在动态应用中打滑风险的‘擦伤标准’。”

铁姆肯公司研究团队的研究成果表明轴承承载区的不稳定性是导致打滑擦伤的原因之一。“这是我们能在实验室模拟出打滑擦伤现象的唯一方法,而铁姆肯公司以外的其他研究人员也开始认同这是导致打滑擦伤形成的有效机制,甚至可以解释其他类型的风机轴承损伤风险的成因。” Evans 博士补充道。

获奖论文《圆柱滚子轴承擦伤的预防措施》刊登于美国权威技术期刊《摩擦学汇刊》(Tribology Transactions)2013年第5期,由Evans 博士和其他三名铁姆肯公司研究人员共同撰写。他们分别为来自美国铁姆肯北坎顿总部的关键产品开发工程师Todd Barr、高级产品应用专家Steve Boyd以及来自法国科尔马分公司的资深科学家Luc Houpert。

“作为一家全球性的工业技术领导者,铁姆肯公司坚持潜心研究摩擦管理和动力传动技术,通过我们独到的知识和经验服务全球客户。”铁姆肯公司中国区总裁施博胜(Peter Sproson)表示,“在中国逐步成为全球最大风电市场的发展过程中,我们将世界级的技术带到中国,凭借我们的技术创新和优质产品帮助中国客户提升风机设备的可靠性和性能,以支持中国可再生能源事业的发展。”

(责任编辑:Eason)

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运转中的检查项目有轴承的滚动声、振动、温度、润滑的状态等,具体情况如下:

几年前,坐在 Ryan Evans 对面的汽车制造商客户提出了一个很不寻常的要求。“他想知道我们如何能够准确预测我们的轴承在他们的应用中的功耗。”Evans 说道。他目前负责铁姆肯公司的轴承研发工作。铁姆肯公司的 SYBER 轴承性能预测软件不仅可以用来进行轴承选型分析,还能用于估算扭矩和功耗,但对于该客户的应用,该客户似乎想要获得更可靠的预测结果。

一、轴承的滚动声采用测声器对运转中的轴承的滚动声的大小及音质进行检查,轴承即使有轻微的剥离等损伤,也会发出异常音和不规则音,用测声器能够分辨。二、轴承的振动轴承振动对轴承的损伤很敏感,例如剥落、压痕、锈蚀、裂纹、磨损等都会在轴承振动测量中反映出来,所以,通过采用特殊的轴承振动测量器可测量出振动的大小,通过频率分不可推断出异常的具体情况。测得的数值因轴承的使用条件或传感器安装位置等而不同,因此需要事先对每台机器{TodayHot}的测量值进行分析比较后确定判断标准。三、轴承的温度轴承的温度,一般有轴承室外面的温度就可推测出来,如果利用油孔能直接测量轴承外圈温度,则更位合适。通常,轴承的温度随着运转开始慢慢上升,1-2小时后达到稳定状态。轴承的正常温度因机器的热容量,散热量,转速及负载而不同。如果润滑、安装部合适,则轴承温都会急骤上升,会出现异常高温,这时必须停止运转,采取必要的防范措施。根据大量测试数据,表4-1列出了各种机械中轴承工作时外圈温度的平均值,以供参考。由于温度受润滑、转速、负荷、环境的影响,表中值只表示大致的温度范围。使用热感器可以随时监测轴承的工作温度,并实现温度超过规定值时自动报警户或停止防止燃轴事故发生。四、润滑轴承润滑的作用润滑对滚动轴承的疲劳寿命和摩擦、磨损、温升、振动等有重要影响,没有正常的润滑,轴承就不能工作。分析轴承损坏的原因表明,40%左右的轴承损坏都与润滑不良有关。因此,轴承的良好润滑是减小轴承摩擦和磨损的有效措施。除此之外,轴承的润滑还有散热,防锈、密封、缓和冲击等多种作用,轴承润滑的作用可以简要地说明如下:a.在相互接触的二滚动表面或滑动表面之间形成一层油膜把二表面隔开,减少接触表面的摩擦和磨损。b.采用油润滑时,特别是采用循环油润滑、油雾润滑和喷油润{HotTag}滑时,润滑油能带走轴承内部的大部分摩擦热,起到有效的散热作用。c.采用脂润滑时,可以防止外部的灰尘等异物进入轴承,起到封闭作用。d.润滑剂都有防止金属锈蚀的作用。e.延长轴承的疲劳寿命。脂润滑和油润滑的比较轴承的润滑方法大致分为脂润滑和油润滑两种。为了充分发挥轴承的功能,重要的是根据使用调减和使用目的,采用润滑方法。表4-2示出脂润滑和油润滑的优缺点。脂润滑润滑脂是由基础油,增稠剂及添加剂组成的润滑剂。当选择时,应选择非常适合于轴承使用条件的润油脂,由于商标不同,在性能上也将会有很大的差别,所以在选择的时候,必须注意。轴承常用的润滑脂有钙基润滑脂、钠基润滑脂、钙钠基润滑脂、锂基润滑脂、铝基润滑脂和二硫化钼润滑脂等。轴承中充填润滑脂的数量,以充满轴承内部空间的1/2-1/3为适宜。高速时应减少至1/3。过多的润滑脂使温度升高。润滑脂的选择按照工作温度选择润滑脂时,主要指标应是滴点,氧化安定性和低温性能,滴点一般可用来评价高温性能,轴承实际工作温度应低于滴点10-20℃。合成润滑脂的使用温度应低于滴点20-30℃。根据轴承负荷选择润滑脂时,对重负荷应选针入度小的润滑脂。在高压下工作时除针入度小外,还要有较高的油膜强度和极压性能。根据环境条件选择润滑脂时,钙基润滑脂不易溶于水,适于干燥和水分较少的环境。油润滑在高速、高温的条件下,脂润滑已不适应时可采用油润滑。通过润滑油的循环,可以带走大量热量。粘度是润滑油的重要特性,粘度的大小直接影响润滑油的流动性及摩擦面间形成的油膜厚度,轴承工作温度下润滑油的粘度一般是12-15cst。转速愈高应选较低的粘度,负荷愈重应选较高的粘度。常用的润滑油有机械油、高速机械油、汽轮机油、压缩机油、变压器油、气缸油等。油润滑方法包括:a.油浴润滑油浴润滑是较普通的润滑方法,适于低、中速轴承的润滑,轴承一部分浸在由槽中,润滑油由旋转的轴承零件带起,然后又流回油槽油面应稍低于较低滚动体的中心。b.滴油润滑滴油润滑适于需要定量供应润滑油得轴承部件,滴油量一般每3-8秒一滴为宜,过多的油量将引起轴承温度增高。c.循环油润滑用油泵将过滤的油输送到轴承部件中,通过轴承后的润滑油再过滤冷却后使用。由于循环油可带走一定的热量,使轴承降温,故此法适用于转速较高的轴承部件。d.喷雾润滑用干燥的压缩空气经喷雾器与润滑油混合形成油雾,喷射轴承中,气流可有效地使轴承降温并能防止杂质侵入。此法适于高速、高温轴承部件的润滑。e.喷射润滑用油泵将高压油经喷嘴射到轴承中,射入轴承中的油经轴承另一端流入油槽。在轴承高速旋转时,滚动体和保持架也以相当高的旋转速度使周围空气形成气流,用一般润滑方法很难将润滑油送到轴承中,这时必须用高压喷射的方法将润滑油喷至轴承中,喷嘴的位置应放在内圈和保持架中心之间。固体润滑在一些特殊使用条件下,将少量固体润滑剂加入润滑脂中,如加入3~5%的1号二硫化钼可减少磨损,提高抗压耐热能力,对于高温、高雅、高真空、耐腐蚀、抗辐射,以及极低温等特殊条件,把固体润滑剂加入工程塑料或粉末冶金材料中,可制成具有自润滑性能的轴承零件,如用粘结剂将固体润滑剂粘结在滚道、保持架和滚动体上,形成润滑薄膜,对减少摩擦和磨损有一定效果。润滑剂的补充与更换a.润滑脂的补充间隔时间由于机械作用,老化及污染的增加,轴承配置中所填的润滑基将逐渐失去其润滑性能。因此,对润滑秩需不断补充和更新。润滑剂补充的间隔时间会因轴承的形成、尺寸和转速等而不同,根据运转时间需要补充润滑脂的大致间隔时间。另外,当轴承温度超过70℃的情况下,轴承温度每上升15℃,就要使用润滑脂的补充间隔时间减少一半。双面封闭轴承在制造时已经装入脂,“HRB”在这些产品中使用的是标准润滑脂,共运行温度范围和其他性能适宜于所规定的场合,且填脂量也与轴承大小相应,脂的使用寿命一般可超过轴承寿命,除特殊场合,不需补充润滑脂。b.润滑油的更换周期润滑油的更换周期因使用条件和油量等不同,一般情况下,在运转温度为50℃以下,灰尘少的良好环境下使用时,一年更换一次,当油温达到100℃时,要3个月或更短时间更换一次。

轴承的功耗涉及许多学科 —— 从流体力学到固体力学、热力学和热传递等等。铁姆肯公司产品基础科学家 Bill Hannon 说道:“这要研究物质的性质在摩擦接触中遇到高压、高速和高温时会发生怎样的变化。”

例如,某个圆锥滚子轴承中可能包含 15 个滚子,这些滚子就是接触点。如需计算扭矩,您必须考虑所有这些不同的接触点会如何响应特定应用的载荷和速度 。例如,材料是否会在这些接触点下变弯曲,或者它们之间的润滑油是否会受到剪切效应。

“要考虑上述所有因素,进而得到轴承的总功耗或扭矩性能,将是一项让人望而生畏的工作。”Evans 说道。

超越轴承谈轴承效率

然而,类似的客户要求不断涌现。“我们的客户面临着提高燃油效率的压力。”Evans 说道。从拖拉机到送货卡车再到豪华轿车,各类制造商都开始转向电动汽车。为了最大限度地减少电池重量并最大限度地延长车辆的行驶里程,他们必须要将机器中每个点的摩擦降至最低。

轴承效率就是其中之一,而铁姆肯公司几十年前就开始设计节能轴承。1975 年美国企业平均燃油经济性 法规要求提高燃油效率标准,铁姆肯公司的节油轴承在传统和混合动力汽车设计中发挥了重要作用。

铁姆肯公司的高级产品开发工程师 Bob Sadinski 曾与客户就动力传动系统的设计展开直接合作,协助开发铁姆肯公司的节油轴承 。

他说道:“在铁姆肯公司,我们一直关注轴承转动过程中的摩擦情况和能量损失。为了进一步提高轴承效率,我们需要了解整个系统,包括客户的润滑系统。”

了解流体的性质

“客户希望使用重量更轻、粘度更低的润滑剂,但是这样会带来硬件上的问题。”Sadinski 说道。为了帮助客户优化轴承润滑剂组合,以实现最高的效率,铁姆肯公司团队需要将轴承技术与流变学研究结合起来。流变学是物理学中研究液体流动的一个分支。

皇家国际官网,Hannon 说道:“当我拿手沾上一些润滑油时,我可摩擦手指进行感受。我觉得它柔软而轻盈。但在轴承内,就完全不是这样。当滚动体与滚道相遇时,接触压力非常大,油膜很薄,润滑油几乎会变为固体。”

换句话说,随着接触点的作用压力、温度和剪切速率增加到极端水平,润滑油的粘度或流动阻力会发生奇怪的改变。更糟糕的是,石油化工在过去十年中发生了巨大变化。“以前只有少数几种粘度调节剂,而现在有数百种之多。”Hannon 说道。

要预测轴承效率,就要了解每种应用中确切液体、润滑油或润滑脂的性质。Hannon 表示,在一个理想的环境中,应用工程师能够测量三千兆帕或每平方英寸435,000 磅压力下的润滑剂性能。

他说道:“没有人能做到这一点。世界上很少有实验室可以测量大于一千兆帕的数值。”

此外,他表示,工程师还需要了解润滑油粘度是如何随着作用压力、温度和剪切力而变化的。“我们知道,世界上只有三个地方可以做到这一点。”Hannon 说道,即:佐治亚理工学院 ,位于法国里昂的法国国立应用科学学院 以及现在的铁姆肯公司。

一间可供科学家观察润滑脂的实验室

Hannon 表示,铁姆肯公司的流变学实验室所依据的理论是,让公司能够利用物理学原理来改进扭矩预测模型。为检验这一理论,研发团队要求 Georgia Tech 的研究人员测量两种油的粘度。随后,铁姆肯公司的研究人员将测量结果输入到他们的模型中,事实证明他们确实可以做出更精确的轴承效率预测。

“就在那一刻,我们决定进行投资。”Hannon 说道。如今,铁姆肯公司的流变学实验室配备了两台落体粘度计,可在各种压力和温度下测量粘度和密度。借助库艾特粘度计,我们的团队还能测量润滑剂对高剪切速率的反应。

Hannon 还表示,该实验室还拥有一些非常实用的设备,包括:一台傅里叶变换红外光谱仪,可帮助我们的团队识别未知流体;一台能量色散 X 射线光谱仪,可帮助我们的团队识别液体中对设备有磨损的成分;一台卡尔费休滴定装置,可检测油中的水分;以及其他一些“让我们能够分析润滑脂的设备”。

让理论推动模型

使用这些设备,Hannon 和 Sadinski 可以测量单个流体并使用数据建立新的数学模型,让他们能够预测多维空间内无限范围的条件。

“我们已经回归流体力学原理,因此是理论促成我们模型的建置。”Hannon 说道。从第一原理层面研究事物让我们的团队能够预测摩擦,而不仅仅是测量摩擦。与此同时,他认为:“借助流变学实验室,我们将能更接近现实,减少假设,进而便能让我们的模拟更接近实际应用条件。”

Evans 说道:“这些新的测量技术让我们能够以前所未有的方式进行润滑油测量。我们将这些数据插入到数学模型中,然后便能帮助我们预测轴承中的流体在高压和高剪切条件下的表现。这些信息使我们能够更好地预测整体扭矩或功耗性能。”

从实验室到客户设计表

在研发团队将新的数学模型添加到铁姆肯公司的 SYBER 系统后,世界各地的应用工程师都可进行更准确的功耗估算。“SYBER 帮助我们从实验室获取信息和知识,然后再传递给客户。”Evans 说道。

Hannon 和 Sadinski 一直与润滑剂制造商保持密切联系,而润滑剂制造商对各种流体的接受程度越来越高。Hannon 说道:“如此一来,日后或许能够做到润滑剂与轴承配对使用。在流变学实验室,我们确信可以做到这一点,所以现在我们所有人都在为此努力,包括润滑剂制造商、轴承制造商和客户。”

Sadinski 指出,铁姆肯公司的整个动力传动产品系列都将能受益于流变学实验室。“它开启了我们帮助客户应对整个系统的能力,而不仅仅只是为客户提供轴承解决方案。”

Hannon 也这样认为。他说道:“十年前,客户想购买的是一个轴承。而今天,他们想购买的是一套系统。他们想知道,您的轴承将如何配合这种润滑剂、这个密封件、这个齿轮?”借助流变学实验室的新模型和数据,工程师可以更好地了解各个部分将如何协同工作,然后与客户分享相关信息。

客户很高兴有机会能够进一步优化他们的设计。Evans 说道:“通过这些方法,我们在预测轴承性能时充满信心,并且信心远胜从前。几乎所有铁姆肯公司设计的轴承和机械动力传动产品都依靠润滑来实现良好的表现。我们所做的一切几乎都得益于这项工作。”

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