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轴承的“生命科学”

2019-09-03

铁姆肯公司Timken

　　一直以来，由于影响因素的复杂，滚动轴承的寿命和性能分析都是研发和工程应用中的难题。以实证方式的物理测试可以得到确凿的验证结论，但这样的测试等于3wolunj 是真操实练的“用事实说话”，对开展条件、时效、成本都是巨大的挑战。在大型、特大型及复杂轴承的研制中更是如此。

       另一方面，滚动轴承从设计到安装使用的全生命周期各阶段相对孤立，工程师们很难在同一分析环境中同时对轴承的设计、工程进行量化分析和优化。

       结合超过120年滚动轴承设计制造所积累的丰富知识和经验，铁姆肯公司杰出科学家艾晓岚博士发起并领导了一项全方位轴承寿命虚拟测试建模项目，该模型具有一系列独特分析功能，首次量化了多种复杂因素对轴承性能及寿命的影响。

      虚拟轴承寿命测试（Virtual Bearing Life Testing，VBLT）将杂质、载荷、应力、疲劳等十多个贯穿轴承全生命周期的影响因素在一个模型内进行动态的量化分析。凭借这一模型，无论是研发还是应用，轴承的材料、设计、安装、工况及润滑等方面的优化便有了量化依据。这一强大的数字化分析工具让铁姆肯公司工程师可以随时对轴承进行全面的“体检”，了解其自身的运行状态以及过往的运转情况，更重要的是可以对之后的运行优化给予指引。次让轴承的“过去，现在，将来”从微观变得具体，从扑朔迷离变得清晰可见。

       近日，艾博士接受了行业媒体的专访，详细介绍了此项研究如何赋予轴承寿命管理一个全新的模式。
　　艾晓岚 – 人物简介

       艾晓岚博士于1984年和1986年在清华大学获得机械工程理工学士和理工硕士学位，又于1993年在美国伊利诺伊州埃文斯顿的西北大学获得机械工程博士学位。艾博士于1995年加入铁姆肯公司担任首席工程师，后来成为研究专家，再后来又成为高级产品开发专家。如今，他已是铁姆肯公司的科学家。

       艾晓岚博士是一位成果丰硕的发明家，堪称铁姆肯公司的全能专家。他的研究领域十分广泛，包括轴承基础知识、摩擦学、机电系统、传动装置以及动力传动系统等。他在拓展和提升公司的工程分析水平方面发挥了重要作用。

       迄今为止，艾博士已发表过61篇学术论文以及书籍章节，持有60项专利，其中包括38项美国专利，并有多项正在申请的专利。艾博士的发明涉及轴承、传感器、刀具、牵引驱动、齿轮驱动和电机驱动等领域。

      艾博士是美国机械工程师协会（ASME）会士。他于2012年至2018年担任该协会主办的《摩擦学》期刊副编辑以及《摩擦学百科全书》滚动轴承部分编辑。

艾晓岚博士于研究实验室的专利墙

　　TLT：为什么建模在轴承使用寿命预测中是如此重要的工具，它又是如何工作的？

       艾博士：滚动轴承的损坏方式差异很大，这取决于轴承的设计、制造、搬运、安装、维护和工作条件。不过，在设计良好、质量良好、精心维护的滚动轴承中，Z终的损伤模式就是疲劳损伤。

       在大多数应用中，滚动轴承是根据其额定载荷来选择的，这与疲劳寿命性能密切相关。因此，预测轴承疲劳寿命的能力至关重要。物理测试在确定轴承额定值方面发挥了非常重要的作用，在产品质量保证方面也同样重要。

       由于其统计特性，轴承疲劳试验是一项非常耗时和昂贵的工作。它要求在相同的负载、速度和润滑条件下测试具有基本相同属性的多个轴承（通常为24个或更多）。测试可能会持续几周甚至几个月。随着轴承尺寸的增加，物理测试的成本迅速飙升。对于大型和超大型轴承，例如用于风力发电机主轴的轴承，物理轴承寿命测试通常成本高昂。这就迫切需要开发一种方法来进行虚拟轴承寿命测试（Virtual Bearing Life Testing，VBLT）。图1显示了一个VBLT模型的示例。它可以看作是实际物理测试的数字表示，轴承测试虚拟试验台架通过分层结构进行数字建模，以确保所需的分辨率和计算效率。该模型包含十几个单独的模块来描述轴承性能属性的各个方面。

图1. VBLT 模型结构和计算工作流程. （版权归美国机械工程师协会所有：A Comprehensive Model for Assessing the Impact of Steel Cleanliness on BearingPerformance,” by Xiaolan Ai, Journal of Tribol. 2014; 137(1).）

　　VBLT从试验台的有限元（FE）建模开始，从中获得作用于每个轴承的载荷（图1中的步骤a）。试验轴承的详细有限元模型是用更细的网格建立的，在网格中，估计了滚子和滚道之间接触处的载荷分布（步骤a）。然后，将滚子载荷传递给接触模块，在接触模块中对每个接触位置的表面和次表面应力分布进行详细的接触分析（步骤c）。
　　该模型包括热处理模块，用于模拟材料对不同热处理工艺的响应。该模块提供轴承部件内的合成残余应力分布和硬度分布（步骤b）。然后，疲劳风险评估模块将接触应力和残余应力结合起来，产生临界应力，并将其与材料强度进行比较，以确定给定点的疲劳损伤风险。疲劳风险评估模块进一步整合了所有轴承部件材料整个应力体积的疲劳风险，以基于三参数威布尔统计分布得出轴承寿命估计值（步骤d）。
　　为了考虑表面粗糙度对轴承疲劳寿命的影响，粗糙接触模块利用轴承滚道表面的三维测量表面形貌，计算给定载荷水平下的接触应力波动。根据Miner损伤累积法则，利用所产生的应力波动，推导出一个有效的应力修正函数，并将其应用于同样载荷水平下光滑表面的接触应力。
　　为了计算轴承滚道上材料或表面凹痕内的杂质引起的应力变化，该模型开发了额外的模块。夹杂物模块读取夹杂物信息，包括夹杂物尺寸、位置、材料属性和轴承组件内发现的每个夹杂物的方向，并计算夹杂物周围超级单元内的应力变化。

　　超级单元的体积通常比其包裹的夹杂物大10倍，通过将超级单元替换到它们各自的位置来修改原始应力场（步骤e）。利用改进的应力场对轴承的疲劳寿命进行了重新评估。因此，可以获得相对于名义寿命的相对寿命（步骤f）。

　　一个类似的方法可以应用于表面压痕模块，从中可以估计出凹痕轴承因表面压痕而产生的寿命折减系数。

　　通过对试验数据的仔细标定，VBLT作为基于性原理的模型，可以扩展到覆盖不同的轴承尺寸和类型，快速、高保真地模拟不同的试验条件。它不仅为大型和超大型轴承试验提供了一种替代方法，而且是对传统尺寸轴承进行寿命试验的一种经济有效的方法。

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　　TLT：虚拟轴承测试的主要优势和面临的挑战是什么？

       艾博士：如前所述，主要优势之一就是成本效益。虚拟轴承测试让应用工程师可以在任何地方的各种应用场景下以Z低的成本快速进行轴承测试。此外，它让研究和设计工程师可以进行假设性的研究，以更好地了解影响轴承寿命性能的各种因素。回过头来，这可能引导轴承设计的改进，以实现应用目标。

       轴承疲劳寿命建模并非易事。轴承疲劳的统计性质表明，影响轴承寿命性能的变量有很多，其中有些变量人们还没有完全理解或无法得到很好的控制。

       轴承疲劳建模的挑战之一是材料微观结构对应力循环的响应。在一定程度上，我们目前的知识仍然主要是基于实验和现象的。不同材料类型和微观结构的统一损伤机理有待进一步探讨。一个适用于所有轴承钢材料的能够进行有效计算的材料响应模型尚未建立并得到验证。
　　TLT：您对未来10-15年新兴的动力系统技术及其影响有何看法？

      艾博士：我们正处在一个快速变化的时代。当前，我们正处于几个大趋势的汇合点。信息物理系统是许多行业的共同主题。他们要求产品数字化、连通性、智能化和灵活的自动化。与此同时，汽车工业正在经历电气化的重大变革。这一技术趋势Z初是由节能和环境问题推动的，而Z近，自主和人工智能技术的迅速发展推动了这一趋势。这个转型过程预计将持续几十年。这种转变也发生在其它交通运输行业。

       由于我们正在接受新的动力系统技术，并享受这些技术带给社会和我们的诸多好处，因此我们还必须做好准备，应对它们对制造过程和零部件供应商造成的影响。对于轴承行业来说，这不仅带来了挑战，也创造了新的机遇。电驱传动系统中的轴承需要在更高的速度和薄润滑膜条件下运行，以减少摩擦和阻力损失。轴承座材料、润滑方法和工作温度预计也会发生变化。系统噪声、振动和粗糙度（NVH）以及热管理变得至关重要。

       为了应对这些挑战，滚动轴承可能需要进行专门设计，以获得精确、低噪和更高燃料效率的性能属性，以支持传动系统电气化。制造此类产品的设计选项包括轴承材料纯净度、轴承宏观和微观几何形状、表面光洁度和制造工艺控制。轴承设计工程师可能需要突破界限，建立新的设计实践，以提供具有成本效益的解决方案和具有竞争力的产品。
　　TLT：您目前的研究重点和兴趣是什么？

       艾博士：从更高的角度来看，虚拟轴承寿命测试是数字工程生态系统的一部分。为了支持全行业数字革命并做好应对的准备，我们目前正在考虑将虚拟轴承寿命测试的范围扩展到疲劳之外，建立一个完整的虚拟实验室，包括所有性能属性的虚拟测试，如动力学、噪声和振动，以及各种滚动轴承的表面磨损、擦伤、扭矩和发热。

       目前，我正与一群才华横溢的同事们密切合作，以实现这一雄心勃勃的目标。无论是一个软件，一个产品还是一个工艺流程，创造有用的新事物一直是我的激情所在。
　　大量的仿真模拟配合少量的实验是未来先进制造业发展的趋势。如今，艾博士的研究成果已经广泛应用在了铁姆肯公司的产品开发与工程应用中，引领着120年的铁姆肯公司在技术的道路上不断探索前行。
　　以上采访内容转载自www.stle.org，作者为其执行主编Rachel Fowler。