軸承的“生命科學(xué)”
一直以來，由于影響因素的復(fù)雜，滾動軸承的壽命和性能分析都是研發(fā)和工程應(yīng)用中的難題。以實(shí)證方式的物理測試可以得到確鑿的驗(yàn)證結(jié)論，但這樣的測試等于3wolunj 是真操實(shí)練的“用事實(shí)說話”，對開展條件、時效、成本都是巨大的挑戰(zhàn)。在大型、特大型及復(fù)雜軸承的研制中更是如此。
另一方面，滾動軸承從設(shè)計到安裝使用的全生命周期各階段相對孤立，工程師們很難在同一分析環(huán)境中同時對軸承的設(shè)計、工程進(jìn)行量化分析和優(yōu)化。
結(jié)合超過120年滾動軸承設(shè)計制造所積累的豐富知識和經(jīng)驗(yàn)，鐵姆肯公司杰出科學(xué)家艾曉嵐博士發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)了一項全方位軸承壽命虛擬測試建模項目，該模型具有一系列獨(dú)特分析功能，首次量化了多種復(fù)雜因素對軸承性能及壽命的影響。
虛擬軸承壽命測試（Virtual Bearing Life Testing，VBLT）將雜質(zhì)、載荷、應(yīng)力、疲勞等十多個貫穿軸承全生命周期的影響因素在一個模型內(nèi)進(jìn)行動態(tài)的量化分析。憑借這一模型，無論是研發(fā)還是應(yīng)用，軸承的材料、設(shè)計、安裝、工況及潤滑等方面的優(yōu)化便有了量化依據(jù)。這一強(qiáng)大的數(shù)字化分析工具讓鐵姆肯公司工程師可以隨時對軸承進(jìn)行全面的“體檢”，了解其自身的運(yùn)行狀態(tài)以及過往的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，更重要的是可以對之后的運(yùn)行優(yōu)化給予指引。第一次讓軸承的“過去，現(xiàn)在，將來”從微觀變得具體，從撲朔迷離變得清晰可見。
近日，艾博士接受了行業(yè)媒體的專訪，詳細(xì)介紹了此項研究如何賦予軸承壽命管理一個全新的模式。
艾曉嵐 – 人物簡介
艾曉嵐博士于1984年和1986年在清華大學(xué)獲得機(jī)械工程理工學(xué)士和理工碩士學(xué)位，又于1993年在美國伊利諾伊州埃文斯頓的西北大學(xué)獲得機(jī)械工程博士學(xué)位。艾博士于1995年加入鐵姆肯公司擔(dān)任首席工程師，后來成為研究專家，再后來又成為高級產(chǎn)品開發(fā)專家。如今，他已是鐵姆肯公司的科學(xué)家。
艾曉嵐博士是一位成果豐碩的發(fā)明家，堪稱鐵姆肯公司的全能專家。他的研究領(lǐng)域十分廣泛，包括軸承基礎(chǔ)知識、摩擦學(xué)、機(jī)電系統(tǒng)、傳動裝置以及動力傳動系統(tǒng)等。他在拓展和提升公司的工程分析水平方面發(fā)揮了重要作用。
迄今為止，艾博士已發(fā)表過61篇學(xué)術(shù)論文以及書籍章節(jié)，持有60項專利，其中包括38項美國專利，并有多項正在申請的專利。艾博士的發(fā)明涉及軸承、傳感器、刀具、牽引驅(qū)動、齒輪驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動等領(lǐng)域。
艾博士是美國機(jī)械工程師協(xié)會（ASME）會士。他于2012年至2018年擔(dān)任該協(xié)會主辦的《摩擦學(xué)》期刊副編輯以及《摩擦學(xué)百科全書》滾動軸承部分編輯。
艾曉嵐博士于研究實(shí)驗(yàn)室的專利墻
TLT：為什么建模在軸承使用壽命預(yù)測中是如此重要的工具，它又是如何工作的？
艾博士：滾動軸承的損壞方式差異很大，這取決于軸承的設(shè)計、制造、搬運(yùn)、安裝、維護(hù)和工作條件。不過，在設(shè)計良好、質(zhì)量良好、精心維護(hù)的滾動軸承中，最終的損傷模式就是疲勞損傷。
在大多數(shù)應(yīng)用中，滾動軸承是根據(jù)其額定載荷來選擇的，這與疲勞壽命性能密切相關(guān)。因此，預(yù)測軸承疲勞壽命的能力至關(guān)重要。物理測試在確定軸承額定值方面發(fā)揮了非常重要的作用，在產(chǎn)品質(zhì)量保證方面也同樣重要。
由于其統(tǒng)計特性，軸承疲勞試驗(yàn)是一項非常耗時和昂貴的工作。它要求在相同的負(fù)載、速度和潤滑條件下測試具有基本相同屬性的多個軸承（通常為24個或更多）。測試可能會持續(xù)幾周甚至幾個月。隨著軸承尺寸的增加，物理測試的成本迅速飆升。對于大型和超大型軸承，例如用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸的軸承，物理軸承壽命測試通常成本高昂。這就迫切需要開發(fā)一種方法來進(jìn)行虛擬軸承壽命測試（Virtual Bearing Life Testing，VBLT）。圖1顯示了一個VBLT模型的示例。它可以看作是實(shí)際物理測試的數(shù)字表示，軸承測試虛擬試驗(yàn)臺架通過分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字建模，以確保所需的分辨率和計算效率。該模型包含十幾個單獨(dú)的模塊來描述軸承性能屬性的各個方面。
圖1. VBLT 模型結(jié)構(gòu)和計算工作流程. （版權(quán)歸美國機(jī)械工程師協(xié)會所有：A Comprehensive Model for Assessing the Impact of Steel Cleanliness on BearingPerformance,” by Xiaolan Ai, Journal of Tribol. 2014; 137(1).）
VBLT從試驗(yàn)臺的有限元（FE）建模開始，從中獲得作用于每個軸承的載荷（圖1中的步驟a）。試驗(yàn)軸承的詳細(xì)有限元模型是用更細(xì)的網(wǎng)格建立的，在網(wǎng)格中，估計了滾子和滾道之間接觸處的載荷分布（步驟a）。然后，將滾子載荷傳遞給接觸模塊，在接觸模塊中對每個接觸位置的表面和次表面應(yīng)力分布進(jìn)行詳細(xì)的接觸分析（步驟c）。
該模型包括熱處理模塊，用于模擬材料對不同熱處理工藝的響應(yīng)。該模塊提供軸承部件內(nèi)的合成殘余應(yīng)力分布和硬度分布（步驟b）。然后，疲勞風(fēng)險評估模塊將接觸應(yīng)力和殘余應(yīng)力結(jié)合起來，產(chǎn)生臨界應(yīng)力，并將其與材料強(qiáng)度進(jìn)行比較，以確定給定點(diǎn)的疲勞損傷風(fēng)險。疲勞風(fēng)險評估模塊進(jìn)一步整合了所有軸承部件材料整個應(yīng)力體積的疲勞風(fēng)險，以基于三參數(shù)威布爾統(tǒng)計分布得出軸承壽命估計值（步驟d）。
為了考慮表面粗糙度對軸承疲勞壽命的影響，粗糙接觸模塊利用軸承滾道表面的三維測量表面形貌，計算給定載荷水平下的接觸應(yīng)力波動。根據(jù)Miner損傷累積法則，利用所產(chǎn)生的應(yīng)力波動，推導(dǎo)出一個有效的應(yīng)力修正函數(shù)，并將其應(yīng)用于同樣載荷水平下光滑表面的接觸應(yīng)力。
為了計算軸承滾道上材料或表面凹痕內(nèi)的雜質(zhì)引起的應(yīng)力變化，該模型開發(fā)了額外的模塊。夾雜物模塊讀取夾雜物信息，包括夾雜物尺寸、位置、材料屬性和軸承組件內(nèi)發(fā)現(xiàn)的每個夾雜物的方向，并計算夾雜物周圍超級單元內(nèi)的應(yīng)力變化。
超級單元的體積通常比其包裹的夾雜物大10倍，通過將超級單元替換到它們各自的位置來修改原始應(yīng)力場（步驟e）。利用改進(jìn)的應(yīng)力場對軸承的疲勞壽命進(jìn)行了重新評估。因此，可以獲得相對于名義壽命的相對壽命（步驟f）。
一個類似的方法可以應(yīng)用于表面壓痕模塊，從中可以估計出凹痕軸承因表面壓痕而產(chǎn)生的壽命折減系數(shù)。
通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的仔細(xì)標(biāo)定，VBLT作為基于第一性原理的模型，可以擴(kuò)展到覆蓋不同的軸承尺寸和類型，快速、高保真地模擬不同的試驗(yàn)條件。它不僅為大型和超大型軸承試驗(yàn)提供了一種替代方法，而且是對傳統(tǒng)尺寸軸承進(jìn)行壽命試驗(yàn)的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。
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TLT：虛擬軸承測試的主要優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)是什么？
艾博士：如前所述，主要優(yōu)勢之一就是成本效益。虛擬軸承測試讓應(yīng)用工程師可以在任何地方的各種應(yīng)用場景下以最低的成本快速進(jìn)行軸承測試。此外，它讓研究和設(shè)計工程師可以進(jìn)行假設(shè)性的研究，以更好地了解影響軸承壽命性能的各種因素。回過頭來，這可能引導(dǎo)軸承設(shè)計的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目標(biāo)。
軸承疲勞壽命建模并非易事。軸承疲勞的統(tǒng)計性質(zhì)表明，影響軸承壽命性能的變量有很多，其中有些變量人們還沒有完全理解或無法得到很好的控制。
軸承疲勞建模的挑戰(zhàn)之一是材料微觀結(jié)構(gòu)對應(yīng)力循環(huán)的響應(yīng)。在一定程度上，我們目前的知識仍然主要是基于實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)象的。不同材料類型和微觀結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一損傷機(jī)理有待進(jìn)一步探討。一個適用于所有軸承鋼材料的能夠進(jìn)行有效計算的材料響應(yīng)模型尚未建立并得到驗(yàn)證。
TLT：您對未來10-15年新興的動力系統(tǒng)技術(shù)及其影響有何看法？
艾博士：我們正處在一個快速變化的時代。當(dāng)前，我們正處于幾個大趨勢的匯合點(diǎn)。信息物理系統(tǒng)是許多行業(yè)的共同主題。他們要求產(chǎn)品數(shù)字化、連通性、智能化和靈活的自動化。與此同時，汽車工業(yè)正在經(jīng)歷電氣化的重大變革。這一技術(shù)趨勢最初是由節(jié)能和環(huán)境問題推動的，而最近，自主和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展推動了這一趨勢。這個轉(zhuǎn)型過程預(yù)計將持續(xù)幾十年。這種轉(zhuǎn)變也發(fā)生在其它交通運(yùn)輸行業(yè)。
由于我們正在接受新的動力系統(tǒng)技術(shù)，并享受這些技術(shù)帶給社會和我們的諸多好處，因此我們還必須做好準(zhǔn)備，應(yīng)對它們對制造過程和零部件供應(yīng)商造成的影響。對于軸承行業(yè)來說，這不僅帶來了挑戰(zhàn)，也創(chuàng)造了新的機(jī)遇。電驅(qū)傳動系統(tǒng)中的軸承需要在更高的速度和薄潤滑膜條件下運(yùn)行，以減少摩擦和阻力損失。軸承座材料、潤滑方法和工作溫度預(yù)計也會發(fā)生變化。系統(tǒng)噪聲、振動和粗糙度（NVH）以及熱管理變得至關(guān)重要。
為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，滾動軸承可能需要進(jìn)行專門設(shè)計，以獲得精確、低噪和更高燃料效率的性能屬性，以支持傳動系統(tǒng)電氣化。制造此類產(chǎn)品的設(shè)計選項包括軸承材料純凈度、軸承宏觀和微觀幾何形狀、表面光潔度和制造工藝控制。軸承設(shè)計工程師可能需要突破界限，建立新的設(shè)計實(shí)踐，以提供具有成本效益的解決方案和具有競爭力的產(chǎn)品。
TLT：您目前的研究重點(diǎn)和興趣是什么？
艾博士：從更高的角度來看，虛擬軸承壽命測試是數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)的一部分。為了支持全行業(yè)數(shù)字革命并做好應(yīng)對的準(zhǔn)備，我們目前正在考慮將虛擬軸承壽命測試的范圍擴(kuò)展到疲勞之外，建立一個完整的虛擬實(shí)驗(yàn)室，包括所有性能屬性的虛擬測試，如動力學(xué)、噪聲和振動，以及各種滾動軸承的表面磨損、擦傷、扭矩和發(fā)熱。
目前，我正與一群才華橫溢的同事們密切合作，以實(shí)現(xiàn)這一雄心勃勃的目標(biāo)。無論是一個軟件，一個產(chǎn)品還是一個工藝流程，創(chuàng)造有用的新事物一直是我的激情所在。
大量的仿真模擬配合少量的實(shí)驗(yàn)是未來先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的趨勢。如今，艾博士的研究成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了鐵姆肯公司的產(chǎn)品開發(fā)與工程應(yīng)用中，引領(lǐng)著120年的鐵姆肯公司在技術(shù)的道路上不斷探索前行。
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