După mai bine de un deceniu de cercetare și dezvoltare au fost dezvoltate noi tehnologii de acoperire a suprafețelor care extind performanța elementelor de rulare ale rulmenților cu mult peste limitele anterioare. Acest articol descrie cum au evoluat aceste tehnologii și avantajele pe care le oferă în practică.
Cu câţiva ani în urmă, Timken și alte companii de rulmenţi au început să folosească straturi de acoperire a suprafeţelor pe rolele de rulmenţi pentru aplicaţii de nișă în care sunt folosiţi rulmenţi. Cel mai utilizat strat de acoperire pentru rolele de rulmenţi a fost o carbură de tungsten care conţinea o protecţie amorfă cu hidrocarburi denumită în mod obișnuit carbură de tungsten asemănătoare diamantului. Timken a început să efectueze teste extinse în aplicaţii folosind rulmenţii cu acest strat de acoperire, strat care era disponibil comercial de la mai multe surse diferite.
Am constatat că acest strat de acoperire a suprafeţelor nu era suficient de durabil pentru a oferi îmbunătăţiri de performanţă în multe aplicaţii pentru rulmenţi. Am încercat să aflăm cauza, așa că am efectuat o analiză aprofundată a stratului de acoperire și am identificat un defect care ar fi putut fi responsabil pentru durabilitatea limitată a acestui strat de acoperire. Un al doilea studiu s-a concentrat în mod special pe eliminarea acelui defect în timpul procesului de aplicare a stratului de acoperire și a fost creat un nou strat fără defectul respectiv.
Când am testat rulmenţii cu noul strat de acoperire pe suprafaţa rolelor, aceștia au funcţionat mult mai bine decât oricare dintre rulmenţii care au fost testaţi până atunci de Timken. De exemplu, am observat o creștere de 3.5 până la patru ori a durabilităţii rulmenţilor cu role premium Timken.
Funcţionalitatea stratului de acoperire a suprafeţelor la rulmenţii rezistenţi la uzură poate stabili o nouă paradigmă pentru înţelegerea straturilor de acoperire cu proprietăţi tribologice. Straturile de acoperire sunt de obicei gândite ca o măsură „defensivă”. Cu toate acestea, am observat că acest nou strat de acoperire funcţionează și ofensiv, prin îmbunătăţirea sau repararea suprafeţelor pe care lucrează. Acest lucru oferă o creștere semnificativă a durabilităţii în aplicaţiile cu coeficient lambda redus, un moment de rulare mai scăzut sau frecare mai redusă și o îmbunătăţire a atributelor de toleranţă la contaminarea cu impurităţi (aceste probleme sunt discutate în detaliu în secţiunea „Abordarea problemei de uzură a rulmenţilor”).
În timp ce această cercetare era în desfășurare, am identificat probleme la scară largă cu rulmenţii folosiţi în turbinele eoliene, în special cu rulmenţii radiali oscilanţi cu role butoi, montaţi pe arborele principal și rulmenţii radiali oscilanţi cu role butoi și rulmenţii radiali cu role cilindrice, montaţi în multiplicatoarele de turaţie. Deși rulmenţii aveau o durabilitate estimată la 30 de ani, experienţa operatorilor parcurilor eoliene arăta că aceasta era, în realitate, undeva în jurul a cinci ani, în cazurile fericite.
Moduri neprevăzute de uzură par a fi responsabile pentru durabilitatea limitată a multor rulmenţi montaţi pe arborele principal și în multiplicatoarele de turaţie. Aceste moduri de uzură predispun componentele de rulment la microcoroziune cu ciclu redus, patinare și exfoliere generată de incluziuni. Când am analizat cauzele principale ale defecţiunilor rulmenţilor de la turbinele eoliene, toate erau legate într-un fel sau altul de forţele de forfecare ridicate, create de alunecarea rolelor pe calea de rulare a inelului de rulment. Ceea ce am putut determina este că, prin reducerea forţelor de forfecare, aceste moduri de uzură ar putea fi inhibate sau eliminate.
Ca răspuns, Timken a lansat o linie de produse numită Rulmenţi rezistenţi la uzură, care folosește noul strat de acoperire a suprafeţelor și rezolvă în mod specific problemele de scădere a durabilităţii cu care se confruntă turbinele eoliene. Noii rulmenţi au un potenţial larg de utilizare și în alte pieţe.
Aplicaţii potenţiale
Durabilitatea stratului de acoperire a suprafeţelor și capacitatea sa de a oferi protecţie în perioadele de lubrifiere intermitentă au permis dezvoltarea unui nou motor cu turbină de înaltă eficienţă pentru aeronave comerciale.
Această tehnologie de acoperire a suprafeţelor poate fi utilizată și în alte componente industriale. De exemplu, dacă acest strat de acoperire este aplicat pe dantura angrenajelor, ar trebui să fie posibilă eliminarea aditivilor de extremă presiune (EP) din lubrifianţi. Acest lucru poate permite utilizarea coliviilor din polimer cu moment de rezistenţă la rotire redus la rulmenţii din cutiile de viteze, poate crește durata de viaţă a garniturilor din elastomer și poate oferi economii de costuri prin utilizarea unor lubrifianţi mai ieftini și mai ecologici.
Abordarea problemei de uzură a rulmenţilor
- FOTO. Rulmenții rezistenți la uzură au căile de rulare foarte netede deoarece straturile de acoperire de pe suprafețele rolelor le șlefuiesc în regim dinamic. © The Timken Company
Întrucât rulmenţii cu role nu funcţionează întotdeauna în medii complet lubrifiate, de multe ori aceștia nu rulează numărul de cicluri pentru care au fost proiectaţi. În situaţii cu coeficient lambda scăzut (raportul dintre grosimea stratului de lubrifiant și rugozitatea compozită a suprafeţelor), microasperităţile de pe role și căile de rulare intră în contact și, prin urmare, durata de viaţă a rulmentului este redusă. Stratul de acoperire de pe rolele rulmenţilor rezistenţi la uzură șlefuiește căile de rulare ale inelelor și reduce sau elimină interacţiunea între asperităţile celor două suprafeţe. Această șlefuire continuă, de obicei, până când contactul între suprafeţe este complet separat prin stratul de lubrifiant și rulmentul nu mai funcţionează într-o situaţie cu coeficient lambda scăzut.
Întreruperea alimentării cu lubrifiant către rulmenţi poate duce la uzura adezivă dintre role și dintre suprafeţele omonime de contact de pe inele. În funcţie de sarcini și viteze, viteza de uzură adezivă crește până la apariţia microexfolierii de suprafaţă. Stratul de acoperire de pe role nu va participa la uzura adezivă cu oţelul de pe suprafeţele căilor de rulare, dar, dacă sarcinile și viteza în zonele de contact sunt suficient de mari și întreruperea lubrifiantului este suficient de lungă, stratul de acoperire de pe role poate fi supus, la rândul său, uzurii. Odată ce stratul de acoperire este uzat, poate rezulta uzura adezivă între suprafeţele aflate în contact. Cu toate acestea, rulmentul poate rămâne operaţional în timp ce stratul de acoperire de suprafaţă se uzează.
Particulele de impurităţi care trec prin garniturile uzate și nu sunt îndepărtate după prelucrare sau sunt generate de uzura altor componente, cum ar fi angrenajele, pot deteriora suprafeţele de rulare ale rulmenţilor, dacă particulele sunt mai mari decât grosimea stratului de lubrifiant. În funcţie de duritatea și fragilitatea particulelor, acestea pot genera amprente pe calea de rulare și/sau corpul rolei. În timpul procesului de amprentare a suprafeţelor, materialul dislocat creează creste în jurul craterelor contaminanţilor. Când aceste creste intră în zona de contact a unui rulment, sunt generate tensiuni sub suprafaţă foarte mari, putând apărea fisuri de uzură la cicluri de tensiuni relativ scăzute. Deoarece stratul de acoperire de pe role este de două ori mai dur decât căile de rulare din oţel, acesta îndepărtează aceste creste de oţel, prin același tip de acţiune de șlefuire descrisă mai sus. Ca rezultat, concentratorii de tensiuni care pot provoca declanșarea timpurie a fisurilor de oboseală a materialului sunt îndepărtaţi, permiţând rulmentului să funcţioneze un timp mai îndelungat.
- FOTO. Comparație rulmenți standard versus rulmenți rezistenți la uzură. © The Timken Company
Când stratul de lubrifiant nu este suficient pentru a menţine separate suprafeţele din oţel, aflate sub încărcare și în mișcare relativă, se produce uzură adezivă și abrazivă. Dacă se aplică sarcini mari rolelor ce se află în mișcare de alunecare încălzirea prin frecare rezultată din interacţiunea asperităţilor care intră în contact poate crește temperatura în zona de contact până la punctul în care oţelul se topește. Acest proces de topire și de resolidificare ulterioară slăbește oţelul și creează un aspect de microsudură atunci când se întâmplă pe căile de rulare ale inelelor rulmenţilor. La Timken, nu a fost posibilă producerea efectului de microsudură la rulmenţii rezistenţi la uzură și atribuim acest lucru durabilităţii ridicate a stratului de acoperire de pe role și coeficientului redus de frecare a acestuia cu oţelul.
Tensiunile de forfecare cauzate de sarcinile moderate, aplicate rolelor aflate în mișcare de alunecare, pot produce o deteriorare a rulmenţilor cunoscută sub numele de microcoroziune cu ciclu redus. Pe de altă parte, sarcinile tranzitorii foarte mari aplicate rolelor aflate în mișcare de alunecare pot genera, de asemenea, tensiuni de forfecare ridicate acţionând asupra incluziunilor nemetalice din oţelul de rulmenţi, creând fisuri care se propagă și îndepărtează bucăţi subţiri din calea de rulare a inelelor de rulment. Acest tip de defectare este cunoscut sub denumirea de exfoliere fragilă. Stratul de acoperire de pe rolele rulmenţilor rezistenţi la uzură oferă o barieră împotriva capacităţii asperităţilor căilor de rulare de a se atașa de suprafeţele rolelor și reduce tensiunile de forfecare ale rolelor aflate în mișcare de alunecare, tensiuni care contribuie la aceste moduri de defectare a rulmentului.
Rulmenţii rezistenţi la uzură au căi de rulare foarte netede deoarece straturile de acoperire de pe role le șlefuiesc în regim dinamic. Această șlefuire merge dincolo de procesele tradiţionale de finisare a suprafeţelor și permite acestor rulmenţi să funcţioneze la coeficienţi lambda mai mari cu aceeași cantitate de lubrifiant. Rulmenţii rezistenţi la uzură pot atinge coeficienţi lambda de lubrifiere în funcţionare mici. În unele aplicaţii, poate fi utilizată mai multă lubrifiere pentru a crește numărătorul coeficientului lambda, dar acest lucru poate crea alte pierderi, asociate cu vâscozitatea fluidului. De asemenea, rulmenţii pot funcţiona cu fluide de vâscozitate redusă și pot obţine reduceri ale rezistenţei de frecare la rulare pe care le estimăm conservator la 5-15 %, procent destul de mare pentru unele aplicaţii.
IMAGINE PRINCIPALA. Printre aplicațiile vizate pentru rulmenții rezistenți la uzură se numără rulmenții montați pe arborele principal al turbinelor eoliene și în multiplicatoarele de turație. © The Timken Company
