Контактная усталость при качении

Усталость при контакте качения ( RCF ) — это явление, которое возникает в механических компонентах, связанных с контактом качения/скольжения, таких как железные дороги, зубчатые колеса и подшипники . ^[2] Это результат процесса усталости вследствие контакта качения/скольжения. ^[2]^[3] Процесс RCF начинается с циклического нагружения материала, что приводит к усталостным повреждениям, которые можно наблюдать в виде трещинообразных дефектов, таких как белые трещины травления . ^[2] Эти дефекты могут перерасти в более крупные трещины при дальнейшей нагрузке, что потенциально может привести к трещинам. ^[2]^[4]

Например, на железных дорогах, когда колесо поезда катится по рельсу, создается небольшое пятно контакта, что приводит к очень высокому контактному давлению между рельсом и колесом. ^[2] Со временем многократное прохождение колес с высокими контактными давлениями может вызвать образование трещинообразных изъянов, которые становятся мелкими трещинами. ^[2] Эти трещины могут расти, а иногда и соединяться, что приводит либо к отколам поверхности, либо к разрыву рельсов, что может привести к серьезным авариям, включая сходы с рельсов . ^[2]^[4]

RCF представляет собой серьезную проблему для железных дорог во всем мире и может принимать различные формы в зависимости от местоположения трещины и ее внешнего вида. ^[2] Это также является серьезной причиной выхода из строя компонентов, подвергающихся качению или качению/скользящему контакту, таких как подшипники качения, шестерни и кулачковые/кулачковые механизмы. ^[5] Поле переменных 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

В случае тел, способных катиться, существует особый вид трения, при котором не возникает явления скольжения, характерного для динамического трения, но существует также сила, противодействующая движению, что исключает также случай статического трения. трение. Этот вид трения называется трением качения. Теперь мы хотим подробно наблюдать, что происходит с колесом, катящимся по горизонтальной плоскости. Первоначально колесо неподвижно и на него действуют силы веса. $m{\vec {g}}$ и нормальная сила ${\vec {N}}$ определяется реакцией на вес пола.

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

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

Таким образом, сила трения качения зависит от малых деформаций, которым подвергается опорная поверхность и само колесо, и может быть выражена как

|{\vec {F}}_{r}|=b|{\vec {N}}|

, где можно выразить b через коэффициент трения скольжения

\mu

как

{\textstyle b={\mu v \over r}}

, где r — радиус колеса.

Тестирование

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

Двухдисковые стенды: в этом методе используются два диска для имитации износа рельсов и колес.
Масштабированные тесты RCF. В этих тестах используются два диска разного диаметра. ^[6]
Тестер с тремя шариками на стержне: это экономичное испытание RCF для проверки концепции. Его выполняют для оценки влияния термообработки, материала, смазки и покрытий на усталостную долговечность. ^[6]
Теория Лундберга-Пальмгрена и метод, основанный на стандарте ISO 281. Этот метод оценивает надежность RCF с учетом контактной нагрузки, геометрических параметров контактных пар, амплитуды колебаний, надежности RCF и свойств материала. ^[7]

Трехдисковая установка для контактной усталости при качении (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, возникающих в различных механических системах, таких как подшипники качения, шестерни 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 собой интересующие взаимодействующие компоненты, например 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 прибор, используемый в области трибологии и машиностроения для изучения микропиттинга — типа повреждения поверхности, возникающего в смазанных системах качения и скольжения. MPR предназначен для моделирования реальных условий эксплуатации путем подвергания испытательных образцов, часто шестерен или подшипников качения, контролируемому контакту качения и скольжения в условиях смазки. ^[12]

См. также

Контактная механика - Исследование деформации твердых тел, соприкасающихся друг с другом.
Сход с рельсов - форма происшествия в поезде
Фреттинг – износ или повреждение нагруженных поверхностей.
Механика фрикционного контакта - Исследование деформирования тел при наличии эффектов трения.
Трение – сила, противодействующая скольжению.
Износ – повреждение, постепенное удаление или деформация материала на твердых поверхностях.
Подшипник качения - подшипник, который несет нагрузку с телами качения, расположенными между двумя кольцами с канавками.
Трибология - наука и техника взаимодействующих поверхностей в относительном движении.
Прокатка (металлообработка) – процесс обработки металлов давлением.
Шероховатость поверхности – мера шероховатости или текстуры поверхности.
Списки железнодорожных происшествий

Ссылки

^ Творог, МЭ; Бернетт, ТЛ; Феллоуз, Дж.; Донохью, Дж.; Ян, П.; Уизерс, Пи Джей (01 августа 2019 г.). «Неоднородное распределение белого травильного вещества (WEM) вокруг подповерхностных трещин в подшипниковых сталях» . Акта Материалия . 174 : 300–309. Бибкод : 2019AcMat.174..300C . дои : 10.1016/j.actamat.2019.05.052 . ISSN 1359-6454 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Капур, Аджай; Салехи, Иман; Асих, Анна Мария Шри (2013), «Усталость при контакте при качении (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 14 марта 2024 г.
^ «Усталость от качения – о трибологии» . Проверено 14 марта 2024 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Канг, Янг Суп (2013), «Усталость от контакта с подшипниками качения» , в Ван, К. Джейн ; Чунг, Ип-Ва (ред.), Энциклопедия трибологии , Бостон, Массачусетс: Springer US, стр. 2820–2824, doi : 10.1007/978-0-387-92897-5_375 , ISBN 978-0-387-92897-5 , получено 14 марта 2024 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Ахмед, Р. «Усталость при контакте при качении» (PDF) . Университет Хериот-Ватт .
^ Перейти обратно: ^а ^б 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 материалы 11120504 . ISSN 2075-4442 .
^ Хай, Гао Сюэ; Дяо, Хуан Сяо; Цзин, Хун Жун; Хуа, Ван; Цзе, Чен (2012). «Метод оценки надежности контактной усталости качения и его применение к поворотному подшипнику» . Журнал трибологии . 134 . дои : 10.1115/1.4005770 . Проверено 14 марта 2024 г.
^ Руэллан, Арно; Каворе, Жером; Вилле, Фабрис; Клебер, Ксавье; Лиатар, Бернар (февраль 2017 г.). «Понимание белых трещин травления в подшипниках качения: современное состояние и перестановка нескольких приводов на двухдисковой машине» . Труды Института инженеров-механиков, Часть J: Журнал инженерной трибологии . 231 (2): 203–220. дои : 10.1177/1350650116648058 . ISSN 1350-6501 . S2CID 113573608 .
^ Кунцельманн, Бьорн; Рыцерц, Павел; Сюй, Илунь; Аракере, Нагарадж К.; Кадирич, Амир (01 марта 2023 г.). «Прогнозирование распространения контактно-усталостных трещин в подшипниковых сталях с использованием экспериментальных данных о росте трещин и линейной механики упругого разрушения» . Международный журнал усталости . 168 : 107449. doi : 10.1016/j.ijfatigue.2022.107449 . ISSN 0142-1123 .
^ Ричардсон, AD; Эванс, М.-Х.; Ван, Л.; Вуд, РДК; Ингрэм, М.; Мейт, Б. (27 ноября 2017 г.). «Эволюция белых трещин травления (WEC) в стали 100Cr6, проверенной на усталость при контакте с прокаткой» . Письма по трибологии . 66 (1): 6. дои : 10.1007/s11249-017-0946-1 . ISSN 1573-2711 . ПМЦ 6951819 . ПМИД 31983861 .
^ Маньери, Франческо; Стадлер, Кенред; Моралес-Эспехель, Гильермо Э.; Кадирич, Амир (01 марта 2019 г.). «Происхождение белых трещин травления и их значение для выхода из строя подшипников качения» . Международный журнал усталости . 120 : 107–133. дои : 10.1016/j.ijfatigue.2018.10.023 . ISSN 0142-1123 . S2CID 139339152 .
^ Гулд, Бенджамин; Греко, Аарон (17 октября 2015 г.). «Влияние скольжения и жесткости контакта на образование белых травильных трещин» . Письма по трибологии . 60 (2): 29. дои : 10.1007/s11249-015-0602-6 . ISSN 1573-2711 . S2CID 138178455 .

[1] Творог, МЭ; Бернетт, ТЛ; Феллоуз, Дж.; Донохью, Дж.; Ян, П.; Уизерс, Пи Джей (01 августа 2019 г.). «Неоднородное распределение белого травильного вещества (WEM) вокруг подповерхностных трещин в подшипниковых сталях» . Акта Материалия . 174 : 300–309. Бибкод : 2019AcMat.174..300C . дои : 10.1016/j.actamat.2019.05.052 . ISSN 1359-6454 .

[:0-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Капур, Аджай; Салехи, Иман; Асих, Анна Мария Шри (2013), «Усталость при контакте при качении (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 14 марта 2024 г.

[3] «Усталость от качения – о трибологии» . Проверено 14 марта 2024 г.

[:1-4] Перейти обратно: ^а ^б Канг, Янг Суп (2013), «Усталость от контакта с подшипниками качения» , в Ван, К. Джейн ; Чунг, Ип-Ва (ред.), Энциклопедия трибологии , Бостон, Массачусетс: Springer US, стр. 2820–2824, doi : 10.1007/978-0-387-92897-5_375 , ISBN 978-0-387-92897-5 , получено 14 марта 2024 г.

[:2-5] Перейти обратно: ^а ^б Ахмед, Р. «Усталость при контакте при качении» (PDF) . Университет Хериот-Ватт .

[:3-6] Перейти обратно: ^а ^б 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 материалы 11120504 . ISSN 2075-4442 .

[7] Хай, Гао Сюэ; Дяо, Хуан Сяо; Цзин, Хун Жун; Хуа, Ван; Цзе, Чен (2012). «Метод оценки надежности контактной усталости качения и его применение к поворотному подшипнику» . Журнал трибологии . 134 . дои : 10.1115/1.4005770 . Проверено 14 марта 2024 г.

[8] Руэллан, Арно; Каворе, Жером; Вилле, Фабрис; Клебер, Ксавье; Лиатар, Бернар (февраль 2017 г.). «Понимание белых трещин травления в подшипниках качения: современное состояние и перестановка нескольких приводов на двухдисковой машине» . Труды Института инженеров-механиков, Часть J: Журнал инженерной трибологии . 231 (2): 203–220. дои : 10.1177/1350650116648058 . ISSN 1350-6501 . S2CID 113573608 .

[9] Кунцельманн, Бьорн; Рыцерц, Павел; Сюй, Илунь; Аракере, Нагарадж К.; Кадирич, Амир (01 марта 2023 г.). «Прогнозирование распространения контактно-усталостных трещин в подшипниковых сталях с использованием экспериментальных данных о росте трещин и линейной механики упругого разрушения» . Международный журнал усталости . 168 : 107449. doi : 10.1016/j.ijfatigue.2022.107449 . ISSN 0142-1123 .

[White_etching_cracks_:15-10] Ричардсон, AD; Эванс, М.-Х.; Ван, Л.; Вуд, РДК; Ингрэм, М.; Мейт, Б. (27 ноября 2017 г.). «Эволюция белых трещин травления (WEC) в стали 100Cr6, проверенной на усталость при контакте с прокаткой» . Письма по трибологии . 66 (1): 6. дои : 10.1007/s11249-017-0946-1 . ISSN 1573-2711 . ПМЦ 6951819 . ПМИД 31983861 .

[White_etching_cracks_:2-11] Маньери, Франческо; Стадлер, Кенред; Моралес-Эспехель, Гильермо Э.; Кадирич, Амир (01 марта 2019 г.). «Происхождение белых трещин травления и их значение для выхода из строя подшипников качения» . Международный журнал усталости . 120 : 107–133. дои : 10.1016/j.ijfatigue.2018.10.023 . ISSN 0142-1123 . S2CID 139339152 .

[White_etching_cracks_:12-12] Гулд, Бенджамин; Греко, Аарон (17 октября 2015 г.). «Влияние скольжения и жесткости контакта на образование белых травильных трещин» . Письма по трибологии . 60 (2): 29. дои : 10.1007/s11249-015-0602-6 . ISSN 1573-2711 . S2CID 138178455 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]