Métodos y estrategias de prueba de rodamientos

- Dec 09, 2019-

Teniendo métodos y estrategias de prueba

Resumen

Como elementos de máquina diseñados para múltiples aplicaciones, rodamientos de contacto
puede estar expuesto a condiciones de operación muy diferentes y desafiantes.
Además, dado que los rodamientos son piezas estándar, los proveedores son intercambiables y
Es necesario controlar constantemente tanto la calidad como el rendimiento técnico.
La prueba en plataformas de prueba es el método más confiable para la verificación del producto. Esta
La publicación ofrece una visión general de los diferentes métodos de prueba, el equipo requerido
y estrategias de prueba. Los principales métodos de prueba son para el par de fricción o
temperatura y resistencia. Ambos tienen su justificación dependiendo de lo que sea
más crítico en la aplicación asociada. En cuanto al equipo de prueba, dos
se discutirán las opciones estándar proporcionadas por Elgeti Engineering GmbH y
en comparación con otros conceptos comunes de equipos de prueba presentes en el mercado. Un particular
El punto de referencia es el equipo de prueba FE8 que se describe en DIN 51819 [2] y es
Muy común para la investigación sobre rodamientos en las principales universidades técnicas. Finalmente,
Se desarrollan y explican estrategias de prueba para varios casos.

Motivación

Las razones principales para la prueba de rodamientos son:

  • Validación técnica / aprobación del proveedor

  • Evaluación comparativa (se aplica a diferentes proveedores o a diferentes
    métodos de producción

  • Control de calidad continuo para inspecciones entrantes o salientes.

Debido a la complejidad asociada con las pruebas, enfoques y estrategias adecuados
son esenciales para equilibrar tiempo, gastos y beneficios.

Métodos de prueba

Entre los métodos de prueba, uno tiene que distinguir entre la prueba de par de fricción o temperatura y la prueba de resistencia. Las pruebas de fricción y temperatura pueden ayudar a comprender el efecto de varias condiciones de operación sobre el par de fricción y la temperatura de equilibrio. Tales pruebas pueden ayudar a evaluar las pérdidas de energía debido a la fricción que contribuyen a la eficiencia general del sistema. Como ejemplo, se pueden evaluar las pérdidas en los elementos de rodamiento individuales en la transmisión de un automóvil y, por lo tanto, la eficiencia total de la transmisión. Este método de prueba también se puede utilizar para proporcionar una evaluación rápida de los estándares de calidad de las entregas periódicas (inspecciones entrantes) [1] e identificar los límites de rendimiento. Finalmente, la temperatura de estado estable puede ser un criterio de limitación de rendimiento para rodamientos lubricados con grasa.

Las pruebas de resistencia se utilizan para evaluar la vida útil del rodamiento bajo un uso sostenido. Las pruebas se pueden utilizar para validar si el rendimiento del rodamiento y el lubricante cumplen con las especificaciones técnicas o expectativas. Cuando se cambia o adquiere un nuevo proveedor, generalmente es necesario asegurarse de que el rendimiento del nuevo producto sea mejor, o al menos no peor, que el proveedor actual. Una prueba de resistencia acelerada puede proporcionar una evaluación comparativa rápida de diferentes proveedores y ayudar a uno a tomar una decisión informada. Una prueba de resistencia que se extiende más allá de la calificación de vida teórica también puede proporcionar una prueba rápida para la inspección entrante [1].

Las configuraciones de plataformas de prueba ofrecidas por Elgeti Engineering se pueden clasificar como estándar y personalizadas. Una configuración estándar proporciona la solución más rentable para la evaluación de la calidad y el rendimiento de los rodamientos. Estas configuraciones brindan la posibilidad de simular cargas axiales, radiales o combinadas como se muestra en las figuras 1, 2 y 3, respectivamente. Es importante tener en cuenta que en el caso de aplicaciones de carga combinada, las cargas axiales y radiales no son independientes entre sí debido a la fricción entre las herramientas y la carcasa. Por lo tanto, las pruebas axiales puras o radiales puras pueden ser el enfoque preferido incluso si se esperaran cargas combinadas en la aplicación relacionada.

Figura 1: aplicación de carga axial

Figura 2: aplicación de carga radial

Figura 3: aplicación de carga combinada

En comparación con las configuraciones de prueba estándar, las configuraciones personalizadas de Elgeti Engineering permiten una aplicación personalizada de cargas mediante las cuales se pueden lograr condiciones de prueba más realistas. La Figura 4 muestra una plataforma de prueba multiaxial que permite la aplicación de carga con tres grados de libertad. Esta plataforma de prueba es especialmente relevante para los cojinetes de cubo de rueda de camión, polea o cojinetes planetarios, donde, aparte de las cargas axiales y radiales, se debe simular un momento de inclinación.

Figura 4: Aplicación de carga multiaxial

Equipo de pruebas

Las plataformas de prueba estándar en todo el mundo utilizan conceptos de prueba principales muy similares. Se diferencian principalmente en función de los métodos de control de temperatura y aplicación de carga, así como del grado de automatización. Es necesario un compromiso entre el costo y la precisión del equipo requerido, así como el costo y la significancia estadística requerida. Un control más preciso y un mayor grado de automatización van acompañados de un aumento en los costos. Por lo tanto, una prueba debe ser lo más simple posible y ser tan compleja como sea necesario. Si las pruebas de alta precisión son demasiado caras, es probable que se rechace el servicio. En tales casos, las pruebas imprecisas seguirían siendo la mejor opción que ninguna prueba.

Hay tres conceptos principales para el control de temperatura. Sin control en todos los resultados en el costo más bajo. En este caso, se espera que las condiciones ambientales sean constantes o al menos repetibles. El segundo método de usar 4 una carcasa calentada es común para aplicaciones de baja velocidad, como la prueba de lubricantes en rodamientos con fricción mixta extrema con el equipo de prueba FE8 según DIN 51819 [2].

El tercer método, que se implementa en las plataformas de prueba de Elgeti Engineering, como se muestra en la figura 5, proporciona un control completo y preciso del grado de enfriamiento y el caudal de aceite y, por lo tanto, de la temperatura del aceite. Se implementa un esquema de control de circuito cerrado mediante el cual la velocidad de rotación del motor del ventilador de enfriamiento del intercambiador de calor se controla de acuerdo con la temperatura de aceite medida (un promedio de temperatura de aceite de entrada y salida en la carcasa). Si es necesario, la velocidad de rotación del motor de la bomba también se puede controlar. Se puede introducir un dispositivo de calentamiento opcional en el circuito de aceite lubricante si funciona si se requiere una temperatura más alta.

Figura 5: Control de temperatura y sistema de lubricación.

Hay cuatro métodos principales para la aplicación de carga. Se puede lograr una aplicación de carga bruta utilizando resortes de placa precargados con arandelas, como es el caso en el equipo de prueba estándar FE8. Aunque es una solución de muy bajo costo, ofrece una precisión muy baja. Otro método consiste en una transmisión hidráulica de carga mediante el uso de pesas. Esto ofrece una precisión moderada en comparación con los resortes de placa a un costo mayor. Este método se utiliza en la mayoría de las plataformas de prueba de rodamientos disponibles en la actualidad.

Tabla 1: Comparación de conceptos de aplicación de carga

Un tercer método, que se implementa en las plataformas de prueba de Elgeti Engineering, utiliza cilindros hidráulicos con un control de circuito cerrado de la presión hidráulica. Este método también ofrece una precisión moderada pero a un costo ligeramente mayor que el enfoque anterior. La principal ventaja sobre los métodos mencionados anteriormente es la automatización que permite la aplicación de ciclos de carga complejos. Las aplicaciones típicas son un buen funcionamiento y un aumento automático de la carga si no hay una falla dentro de un tiempo específico.

El cuarto método logra una mayor precisión al medir las cargas directamente con celdas de carga en lugar de medir la presión hidráulica. Las plataformas de prueba de Elgeti Engineering también son compatibles con este enfoque, como se muestra en la figura 6. Las características de los diferentes métodos de aplicación de carga se resumen en la tabla 1.

Figura 6: Control de carga utilizando celda de carga

Estrategias de prueba

Antes de desarrollar estrategias de prueba particulares en las pruebas de rodamientos, primero se deben reflejar los tipos generales de pruebas mediante las cuales se evaluará el rendimiento de los rodamientos. Dependiendo del nivel de abstracción, las pruebas se pueden clasificar como pruebas de campo, pruebas de componentes, pruebas de piezas y pruebas de modelos.

Las pruebas de campo implican la prueba de sistemas completos en aplicaciones reales, por ejemplo, conducir un automóvil en una vía pública. Esta prueba se utiliza para verificar el comportamiento del producto. Las pruebas de componentes implican la prueba de agregados en un banco de pruebas en condiciones operativas definidas para evaluar su rendimiento, por ejemplo, probar una caja de cambios en un banco de acogida. Las pruebas de piezas incluyen pruebas de piezas completas en condiciones definidas para verificar las propiedades de la pieza, por ejemplo, probar rodamientos en un banco de pruebas de rodamientos. Las pruebas modelo implican la prueba de muestras simplificadas bajo influencias físicas y químicas definidas, por ejemplo, tribómetro de bola en disco. Este tipo de prueba se utiliza principalmente para fines de investigación básica y desarrollo de productos.

Las tendencias de los parámetros de los distintos tipos de prueba se muestran en la figura 7. La prueba de campo representa una abstracción cercana a cero ya que la prueba se lleva a cabo en una aplicación real. Esta prueba también es muy compleja, lenta y costosa. La prueba de piezas ofrece un buen nivel de abstracción para una resistencia de rodamientos o pruebas de fricción y temperatura a un costo y complejidad razonables. Esta prueba también es precisa y tiene condiciones de prueba altamente repetibles.

Para las pruebas de resistencia, la significación estadística es un tema importante ya que los resultados de las pruebas individuales pueden variar mucho. Lograr un nivel suficiente de significación estadística es la razón principal por la que la resistencia del rodamiento debe medirse en un equipo de prueba de rodamiento en lugar de un equipo de prueba de caja de cambios a pesar de que esta última opción es muy común.

La Figura 8 muestra el resultado de diez ejecuciones de prueba de por vida con la frecuencia acumulativa de falla en el eje vertical y la vida observada en horas en el eje horizontal. Los cuadros cuadrados representan los resultados de las pruebas individuales. Para evaluar la vida útil de la población, se ajusta una distribución de Weibull de dos parámetros a la gráfica (la línea continua en la figura 8). El parámetro "a" se conoce como el factor de escala que representa la vida característica y el parámetro "b" como el factor de forma. Estos parámetros también están sujetos a variaciones estadísticas dependiendo de las muestras.

Figura 7: Tendencias con respecto a los tipos de prueba

Cuando se tiene en cuenta, esta variación da como resultado gráficos adicionales, que se muestran como líneas de puntos en la figura 8. Se puede concluir que la vida experimental L 10 de la población, cuando el 10% de los rodamientos muestran la primera evidencia de falla por fatiga, se encuentra dentro de ciertos límites definidos por estos gráficos de variación de parámetros. Este tamaño de intervalo puede reducirse aumentando el número de muestras de prueba. Es obvio que en la mayoría de los casos, las pruebas de caja de cambios serán demasiado caras para proporcionar una base de datos suficiente.

Para aumentar la importancia estadística de las pruebas, uno debe considerar una compensación entre aumentar el número de ejecuciones de prueba y la precisión de la configuración de la prueba. El gasto para aumentar el número de pruebas es evidente en términos del aumento en el tiempo de prueba, mientras que el gasto para aumentar la precisión de la configuración de prueba es evidente en términos de costos de equipo. En algunos casos, particularmente en aplicaciones académicas, la mayor precisión que ofrecen los equipos avanzados puede ser indispensable. Para una prueba estándar, la ventaja de costo de elegir aumentar el número de pruebas en lugar de utilizar equipos costosos puede compensar la desventaja de un mayor tiempo de prueba.

Figura 8: Distribución de probabilidad acumulativa de falla del rodamiento

Las estrategias de prueba difieren dependiendo de la motivación detrás de la realización de la prueba. Se pueden realizar pruebas de aprobación del proveedor o validación técnica, evaluación comparativa de resistencia o control de calidad regular.

La aprobación del proveedor puede ser necesaria para reducir costos, acortar el tiempo de entrega, mejorar la calidad y reducir los riesgos. La aprobación del proveedor o la validación técnica pueden abordarse validando el comportamiento del par de fricción y el rendimiento de resistencia. Se observa que las pruebas de par de fricción o de temperatura son altamente repetibles. Cada prueba dura aproximadamente un día, incluido el tiempo de trabajo para configurar las muestras. En el caso de una prueba de resistencia para validación técnica, con frecuencia se realizan cinco ejecuciones de prueba con el siguiente enfoque. Para que se apruebe todo el lote, no se debe observar ninguna falla en estas muestras hasta un tiempo de prueba de al menos dos veces L n, m (la vida de prueba modificada de acuerdo con ISO 281). En caso de una falla, se requieren más pruebas para llegar a una conclusión. En el caso de dos fallas, el lote no está aprobado.

Para una evaluación comparativa de la resistencia, las pruebas deben realizarse hasta el fallo. La opción estándar implica realizar la prueba en condiciones de estado estable, por ejemplo a la mitad de la capacidad de carga dinámica, durante un tiempo determinado y luego aumentar la carga. Se debe evitar la flexión del eje al aumentar la carga, ya que una flexión diferente conduciría a un patrón de tensión de contacto diferente y, por lo tanto, a resultados engañosos. Una sola prueba generalmente dura entre dos y cuatro semanas. Las pruebas de rendimiento aceleradas brindan la posibilidad de reducir el tiempo de prueba a aproximadamente una semana y al mismo tiempo poder realizar una evaluación comparativa razonable. En estas pruebas, la carga aumenta continuamente mientras se evita la flexión del eje. Este aumento continuo de carga solo se puede lograr en equipos de prueba automatizados, como lo ofrece Elgeti Engineering.

Además de la aprobación del proveedor, también es importante garantizar un control continuo de la calidad de las entregas. La inspección entrante es esencial para la identificación de productos no calificados antes de usarlos. Para el proveedor, una inspección saliente puede resultar beneficiosa para mantener los estándares de calidad. En comparación con los métodos habituales de inspección de rodamientos por apariencia visual, geometría y material, la inspección con equipos de prueba puede resultar ventajosa. En esta estrategia de prueba, cuatro muestras seleccionadas al azar de cada lote se analizan en condiciones difíciles hasta dos veces L n, m (la vida de prueba modificada de acuerdo con ISO 281). Esta prueba podría completarse dentro de los cinco días y a costos muy limitados. Aunque una prueba tan rápida no es suficiente para una evaluación precisa del rendimiento de los rodamientos, las fallas más comunes de producción y transporte que pueden madurar hasta fallar se pueden detectar fácilmente. Algunos de los defectos que tienen una alta probabilidad de ser detectados incluyen material deficiente, desviación geométrica (detectada durante el montaje en la plataforma de prueba), endurecimiento de grietas, quemaduras de rectificado, un elemento rodante de diámetro incorrecto y mezcla con rodamientos falsos de baja calidad.

Conclusión

Las plataformas de prueba estándar son muy similares entre sí con respecto a sus conceptos básicos; Sin embargo, existen grandes diferencias en sus enfoques para el control de temperatura y la introducción de la carga. Dado que las pruebas siempre son un compromiso entre el costo y la precisión, uno debe encontrar un equilibrio adecuado para cada caso individual: la investigación académica de alto nivel debe distinguirse claramente de la verificación de la calidad moderada de los rodamientos.

Si bien las pruebas de temperatura y par de fricción generalmente producen resultados repetibles, los resultados de las pruebas de vida pueden variar considerablemente. Por lo tanto, existe una compensación entre la cantidad de pruebas que se pueden realizar y la precisión del equipo. Para la prueba de temperatura y par de fricción, generalmente son suficientes tres corridas de prueba por población.

Para las pruebas de resistencia, lo siguiente se aplica a los casos más comunes:

  • 5 ejecuciones de prueba hasta dos veces la vida teórica para la validación del producto

  • 5 ejecuciones de prueba hasta el fallo por población para pruebas comparativas (aquí, uno puede aplicar condiciones de estado estacionario o cargas crecientes para pruebas de rendimiento aceleradas)

  • 4 muestras (una o dos pruebas) en condiciones muy difíciles hasta el doble de la vida teórica para un control de calidad continuo.

La última opción es extremadamente potente, ya que es rápida y asequible para rodamientos de pequeño tamaño. Las pruebas se pueden realizar dentro de una semana, lo que lleva a la aprobación o el rechazo de un lote en particular, al tiempo que elimina la necesidad de cualquier otra forma de inspección entrante o saliente: cada falla importante que podría detectarse mediante inspección geométrica o de material probablemente conduciría a una falla prematura durante tales pruebas

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