ISSN 1318-0010
KZLTET 32(2-4)265 (1998)
PRESKU [ANJE MATERIALOV NA ODPORNOST PROTI UTRUJANJU PRI KOTALJENJU
ROLLING CONTACT FATIGUE TESTING MITJAN KALIN, J. VI@INTIN
Fakulteta za strojni{tvo, Univerza v Ljubljani, Bogi{i~eva 8, 1000 Ljubljana
Prejem rokopisa - received: 1997-10-01; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-12-19
Naprave za presku{anje materialov na odpornost proti utrujanju pri kota[jenju lahko razdelimo na industrijska in modelna preizku{evali{~a. Zaradi rotacijskega gibanja, zahtevne kontaktne geometrije preizku{ancev in velikih hitrosti, ki zahtevajo ostre toleran~ne pogoje, sta obe vrsti preizku{evali{~ dragi. V prispevku je predstavljena nova naprava lastne konstrukcije, namenjena presku{anju materialov na odpornost proti utrujanju pri kotaljenju. V nasprotju z doslej znanimi podobnimi napravami se obremenitveni del naprave giblje izmeni~no linearno, tako da kotali kroglico po preizku{ancu v obliki plo{~ice. Zaradi bistveno enostavnej{e kontaktne geometrije in gibanj naprave ter standardnih in poceni preizku{ancev so naprava in preskusi znatno cenej{i od doslej znanih.
Klju~ne besede: kotaljenje, utrujanje, presku{anje, preizku{evali{~a
Rolling contact fatigue testers could be classified into bench and model devices. Due to rotational movement, complex contact geometry, high speeds, and high tolerances both types of devices are expensive. In this paper new own-designed RCF tester is presented. In contrast to most of today's similar devices, loading part in the new tester moves linearly reciprocatingly and rolls the ball over the flat specimen. Simple testing principle and specimens geometry make RCF testing with the new tester less expensive than with comparative devices. Key words: rolling, fatigue, testing, test devices
1 UVOD
Trajnost strojnih elementov ima v industriji izjemen pomen zaradi zanesljivosti obratovanja in ekono-mi~nosti. To velja tudi za kotalne le'aje, ki sodijo med najpogostej{e strojne elemente. Ob predpostavki, da so le'aji ustrezno mazani in za{~iteni pred vdorom ne-isto-ter da se torna toplota uspe{no odvaja, je njihova trajnost omejena predvsem s povr{inskimi utrujenostnimi po{kodbami jami-enja. Za zagotovitev potrebne zanesljivosti delovanja in drugih visokih zahtev sodobne tehnike so za le'aje klju-nega pomena nosilni kontakti, ki zmorejo delovati pri visokih hitrostih, v agresivnih okoljih, pri velikih obremenitvah na enoto povr{ine ter slabih razmerah mazanja1.
Med najbolj obetavne kombinacije materialov za kotalne le'aje sodijo keramika-keramika2, jeklo-keramika3 ter kombinacije razli-nih prevlek4. Uporaba novih, sodobnih materialov v prakti-nih aplikacijah je odvisna predvsem od na~ina po{kodbe5 ter zagotovitve dolo-ene kvalitete. Edini na-in za ugotovitev teh lastnosti pa so eksperimentalno pridobljeni rezultati.
Preizku{evali{- in naprav za presku{anje materialov na odpornost proti utrujanju pri kotaljenju je ve-. Razdelimo jih lahko na industrijska in modelna, njihova skupna zna-ilnost pa je, da vsaj del naprave, ki rabi hkrati kot preizku{anec ali protipreizku{anec, opravlja rotacijsko gibanje. Zaradi tega so toleran-ni pogoji same naprave in preizku{ancev zelo ostri, od tega pa je odvisna tudi njihova cena. Le-ta je visoka tudi zaradi posebnih oblik in velikosti prezku{ancev. Omenjena problematika pride do izraza {e posebej pri novih materi-
alih, npr. keramiki, pri katerih je cena mehanske obdelave izjemno visoka6, tako da so obse'ne raziskave in spoznanja omejeni v veliki meri prav s finan-nimi sredstvi.
V prispevku so predstavljene osnovne izvedbe ob-stoje-ih naprav za preizku{anje materialov na odpornost proti utrujanju pri kotaljenju ter nova naprava lastne konstrukcije7, ki zaradi bistveno enostavnej{e kontaktne geometrije in gibanj naprave ter standardnih in poceni preizku{ancev omogo-a znatno cenej{e presku{anje od doslej znanih.
2	INDUSTRIJSKA PREIZKU[EVALI[AA
Preizku{evali{-a za izdelke - le'aje, dajejo edina dokon-en odgovor in dokaz o presku{anem materialu. Tovrstna preizku{evali{-a uporabljajo vsi proizvajalci kotalnih le'ajev, pa tudi druge raziskovalne organizacije, posamezne izvedbe pa se razlikujejo glede na potrebe uporabnika. Njihova slabost je, da terja nakup preizku{evali{-a velika finan-na sredstva, poleg tega pa so draga tudi sama presku{anja in analize. Dodatna slabost je dolgotrajnost preskusov ter komplicirane analize, saj je priprava povr{in za analize zahtevnej{a zaradi kompleksnej{e geometrije le'aja. Zgled obremenitvene enote takega preizku{evali{-a8 prikazuje slika 1.
3	MODELNA PREIZKU[EVALI[AA
Modelna preizku{evali{-a temeljijo na kotalnem obremenjevanju v to-kovnih ali linijskih dotikih. Aeprav
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4
185
M. KALIN, J. VI@INTIN: PRESKU[ANJE MATERIALOV NA ODPORNOST
Slika 1: Obremenitvena enota preizku{evali{~a za kotalne leaje CTD-ML1
Figure 1: Loading unit of the rolling bearings test machine CTD-ML1
je razli~ic veliko, je pri vseh teh napravah zna~ilno, da vsaj del le-te, ki se rabi hkrati kot preizku{anec ali protipreizku{anec, opravlja rotacijsko gibanje. Zaradi dobro znanih te'av, ki spremljajo rotacijske naprave (uravnote'enost, vibracije), morajo biti toleran~ni pogoji vrte~ih se delov zelo ostri. Pri napravah z linijskim kontaktom nastopa {e dodatna te'ava zaradi to~nosti nale-ganja povr{in in zareznih u~inkov. Zna~ilnost preizkusov utrujanja materialov je veliko {tevilo obremenitvenih ciklov, ki so odvisni od dolgotrajnosti preskusov. Prav zato so vrtilne hitrosti pri teh napravah velike, s ~imer se trajanje preizkusov skraj{a. To {e dodatno pogojuje in zaostruje toleran~ne pogoje. V nadaljevanju so predstavljene nekatere najpogosteje uporabljane razli~ice.
3.1 Naprava "kroglice na valju"
Rotirajo~i preizku{anec v obliki valja je obremenjen preko treh kroglic, ki so medsebojno lo~ene s kletko, slika 2. Kroglice se prosto kotalijo med dvema te~inama sto'~astega le'aja, ki sta v aksialni smeri stisnjena eden proti drugemu s tremi vzmetmi. Na ta na~in se regulira silo, s katero kroglice obremenjujejo valj. Silo je potre-
Slika 2: Naprava "kroglice na valju" Figure 2: Ball-on-rod machine
Slika 3: Modificirana "{tirikrogli~na" naprava Figure 3: Modified four-ball machine
bno prera~unati glede na kot sto'~aste te~ine, dimenzije preizku{anca in kroglic ter karakteristike vzmeti. Kroglice so standardne iz jekla AISI 52100 s povr{insko obdelavo, bolj{o od 0,013 mm. Material testnega cilindra se seveda spreminja, geometrija pa mora zadostiti {e tolerancam kro'nosti (0,6 mm) in hrapavosti (N2-N4). Prav zahtevna in draga obdelava preizku{ancev pomeni eno glavnih slabosti te naprave. Podrobnosti o konstrukciji, tolerancah in presku{anju so opisane v literaturi9.
3.2 Modificirana "{tirikrogli~na " naprava
[tirikrogli~na naprava10, shemati~no prikazana na sliki 3, simulira razmere v krogli~nem le'aju z globokim utorom. Zgornja kroglica, vpeta v vreteno, predstavlja notranji obro~ le'aja. Pri tem kotali tri kroglice po kolutu z ' lebom, ki je enak te~ i n i v aksialnem krogli~nem le'aju z globokim utorom. Silo, ki jo dovedemo z ute'mi po vzvodu na kolut z ' lebom, je potrebno prera~unati glede na kot dotika in velikost kroglic, vendar se za dolo~eno konstrukcijo te naprave navadno uporablja dimenzijsko enake kroglice in te~ino koluta, tako da je sila podana kar tabelari~no. Preizku{anec v tej napravi je zgornja kroglica, ki je podvr'ena najve~jemu {tevilu obremenitvenih ciklov, s ~imer se skraj{a ~as preskusa. Princip delovanja zahteva zelo natan~no vodenje vretena, s tem pa se naprava podra' i.
3.3Naprava "diskna disku"
Naprava disk na disku, prikazana na sliki 4, nastopa podobno kot druge v ve~ razli~icah10. Je ena izmed najpogosteje uporabljanih preizku{evali{~ za presku{anje materialov na odpornost proti utrujanju pri kotaljenju. Njena najve~ja prednost je, da je mo'no kontrolirati razmerje med zdrsom in kotaljenjem. Sestavljena je iz dveh preskusnih diskov, ki sta lo~eno gnana z dvema elektromotorjema. Slabost tega preizku{evali{~a pa je predvsem te'ko doseganje soosnosti obeh diskov in s tem to~nost naleganja obeh povr{in v linijskem kontaktu. Dodatna te'ava je tudi velikost preizku{ancev ter
92
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 1-2
M. KALIN, J. VI@INTIN: PRESKU[ANJE MATERIALOV NA ODPORNOST
Slika 4: Naprava "disk na disku" Figure 4: Disc-on-disc machine
doseganje kro'nosti in drugih toleranc, kar podra'i izdelavo preizku{ancev ali pa poslab{a kvaliteto preizkušnja.
4 NAPRAVA Z LINEARNIM GIBANJEM OBREMENITVENE ENOTE CTD-ROL1
Napravo z lineranim gibanjem obremenitvene enote CTD-ROL1, prikazano na sliki 5, v osnovi sestavljajo obremenitvena enota, kroglica ter preizku{anec. Obremenitvena enota je z navojnim drogom povezana s pogonskim sklopom, ki izvaja izmeni~no linerano gibanje. Lahko je razli~nih izvedb, npr. ro~i~ni mehanizem. Enoto z vrha obremenimo z 'eleno silo preko jarma z ute'jo. Gibanje med jarmom in obremenitveno enoto omogo~a le'aj. Obremenitev se preko kroglice, ki se kotali pod vplivom gibanja in sile obremenitvene enote, prenese na preizku{anec. Obremenitvena enota ima na spodnji strani 'leb, ki zagotavlja, da se kroglica kotali vedno po istem tiru. Na ta na~in utrpi preizku{anec pri vsakem ciklu ro~i~nega mehanizma dva kotalna obremenitvena cikla. Za pravilno delovanje naprave je potrebno zagotoviti, da kroglica ne zdrsuje. Le-to se dose'e s primerno kombinacijo frekvence gibanja mehanizma in normalne sile ob upo{tevanju mehanskih lastnosti materialov v kontaktu.
Preizku{anci v obliki plo{~ic so lahko, glede na predmet raziskave, iz razli~nih materialov ter razli~no toplotno in mehansko obdelani. Najpomembnej{a prednost
i F
Slika 5: Naprava z linearnim gibanjem obremenitvene enote CTD-ROL1
Figure 5: Machine with linear movement of loading unit CTD-ROL1 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 1-2
take geometrjje je, da so preizku{anci majhni in je njihova izdelava enostavna. To je {e posebej pomembno pri preizku{anju materialov, ki jih te'ko mehansko obdelujemo ali pa je njihova cena zaradi tega visoka (keramika). Kroglice, ki se uporabljajo za prenos kotalne obremenitve, so standardne le'ajne in ne pomenijo velik stro{ek. Obremenitvena enota je sestavljena iz dveh delov, tako da se spodnji del, ki tudi utrpi kotal~no utrujanje, lahko po dolo~enem {tevilu obremenitev zamenja z novim, zgornji del pa ostane isti. Zaradi ' leba na spodnjem delu je povr{ina kontakta precej ve-ja kot na preizku{ancu, tako da so obremenitve 'leba manj{e, s tem pa tudi vplivi utrujanja in po{kodbe. Tako ni potrebno menjanje plo{~ice z ' lebom po vsakem preizkusu, zato se dodatno poceni preizku{anje, pa tudi sicerje cena plo{~ice nizka zaradi enostavne geometrjje.
5	SKLEP
Naprava z linearnim gibanjem obremenitvene enote CTD-ROL1 omogo~a nov na-in preizku{anja materialov na odpornost proti utrujanju pri kotaljenju. Glede na doslej znane naprave z enakim namenom ima prednost predvsem v enostavnosti principa gibanja, iz tega pa izhaja {e vrsta drugih prednosti. Predvsem se pocenijo preizku{anci zaradi velikosti, na-ina obdelave in -asa izdelave. Tudi drugi deli, ki so v kontaktu pri preizku{anju, so enostavni in poceni. Samo napravo je mo'no prigraditi na 'e obstoje-e stroje z ro-i-nim mehanizmom, kot je primer pri na{i napravi. To pomeni, da v nasprotju s podobnimi preizku{evali{-i ni potrebno posebej kupovati celotne naprave za kotal-no utrujanje, kar poceni preizku{anje tudi v smislu investicij v napravo. Iz doslej opravljenih preskusov je bilo ugotovljeno, da omogo-a predstavljena naprava zanesljivo in ponovljivo preizku{anje. [tevilo obremenitvenih ciklov v -asovni enoti pa je poleg frekvence gibanja ro-i-nega mehanizma odvisno predvsem od lastnosti preskusnih materialov in normalne sile. Teoreti-ni izra-un je pokazal, da bi lahko dosegali nekajkrat ve-je {tevilo obremenitvenih ciklov, kot pri drugih podobnih napravah, vendar zaradi postopnosti pri spoznavanju lastnosti same naprave tega {e nismo preverili.
6	LITERATURA
1 B. Bhushan, B. L. Sibley, Silicon nitride rolling bearings for extreme operating conditions, ASLE Transactions, 25 (1981) 4, 417-428 2J. F. Chudecki, Silicon Nitride for High - Performance Bearings, Cer. Bull, 69 (1990) 1113-1115 3 Y. P. Chiu, P. K. Pearson, M. Dezzani, H. Daveiro, Fatigue Life and Performance Testing of Hybrid Ceramic Ball Bearings, Lubrication Engineering, March 1996, 1978-204 4G. B. Hopple, J. E. Keem, S. H. Loewenthal, Development of fracture resistant, multilayer films for precision ball bearings, Wear, 162-164 (1993) 919-924
5 M. Hadfield, T. A. Stolarski, R. T. Cundil, S. Horton, Failure modes of ceramic in rolling contact, Proc. Roy. Soc. A., 443 (1993) 607-621
93
M. KALIN, J. VI@INTIN: PRESKU[ANJE MATERIALOV NA ODPORNOST
6 R. Allor, S. Jahanmir, Current problems and future directions for ceramic machining, American Ceramic Society Bulletin, 75 (1996) 4043
7J. Vi'intin, M. Kalin, Patentna prijava, P-9700054, 1997 8M. Kalin, J. Vi'intin, Preizku{evali{~e za kotalne le'aje in maziva, Strojni{ki vestnik, 43 (1997) 5-6, 239-247
9 D. Glover, A Ball-Rod Rolling Contact Fatigue Tester, ASTM STP 771, J. J.Hoo, Ed., American Society for Testing and Materials, 1982, 107-124
10 ASLE Friction and wear devices, 2nd ed., 1976
94
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 1-2