鐵姆肯公司Timken

　　一直以來（lái），由（yóu）於影（yǐng）響因素的複雜，滾動軸承的（de）壽命和性能分析都是研發和工程應用中的難題。以實證（zhèng）方式（shì）的物理測試可以得到確鑿（záo）的驗證結（jié）論，但這樣的測試等於3wolunj 是真操（cāo）實練的“用事實說話”，對開展條件、時效、成本都是巨大的（de）挑戰。在大型、特大型及複雜軸（zhóu）承的研製中更是如此（cǐ）。

       另（lìng）一方麵，滾動軸承從設計到安裝使用的全生命周期各階段相對（duì）孤立，工程師們很難在同一分析環境中同時對軸承的設計、工程進行量化（huà）分析和優化。

       結合超過120年滾動軸承設計製造所積累（lèi）的（de）豐富知識和經驗，鐵姆肯公司傑出科學家艾曉嵐博士發（fā）起並領導了（le）一項全方位軸承壽命虛擬測試建模項目，該模型具有一係列獨特分析功能，首次量化了多種複雜因素（sù）對軸承性能及壽命的影響。

      虛擬軸承壽命測（cè）試（Virtual Bearing Life Testing，VBLT）將雜（zá）質、載荷、應力、疲勞等十多個貫穿軸承全生命周期的影響因素在（zài）一個模型內進行動態的量化分析。憑借這一模型，無論是研發還是應用，軸承（chéng）的材（cái）料、設計、安裝、工況及潤滑等方麵的優化便有了量（liàng）化（huà）依據。這一強大的數（shù）字化分析工具讓鐵姆肯公司工程師可以隨時對軸承進行全（quán）麵的“體檢”，了解其自身的運行狀態以及過往的運轉情況，更重（chóng）要的是可以對之後的運行優化給予指引。次讓軸承的“過去，現在，將（jiāng）來”從微觀變（biàn）得具體（tǐ），從撲（pū）朔迷（mí）離變得清晰可見。

       近日（rì），艾博士接受了行（háng）業媒體的專訪，詳細介紹了此（cǐ）項研究如何賦予軸承壽命管理一個全新（xīn）的（de）模式（shì）。
　　艾曉嵐 – 人物簡介（jiè）

       艾曉嵐博士於1984年和1986年在清華大學獲得機械工程理工學士和理工碩士學位，又於1993年在美國伊利諾伊州埃文斯頓的西北大學獲得機械工程博士學位（wèi）。艾博士於1995年加入鐵姆肯公司擔任首席工程師，後來成為研究專家，再後來又成為高級產品開發專家。如今，他已（yǐ）是鐵姆肯公（gōng）司的科學家。

       艾曉嵐博（bó）士是一位成果豐（fēng）碩的（de）發明家，堪稱鐵姆肯公（gōng）司的全能專家。他的研究領域十分廣泛（fàn），包括軸承基礎知識、摩（mó）擦學、機電係統（tǒng）、傳動裝置以及動力傳動係統等。他在拓展和提升公司的工程分析（xī）水平方麵發揮了重要作（zuò）用。

       迄今為止，艾博士已發表過61篇（piān）學術論文以及書籍（jí）章節，持有60項（xiàng）專利，其中包括38項美國專利，並（bìng）有多（duō）項正在申請（qǐng）的專利。艾博士的發明涉及軸承、傳感器、刀具、牽引驅動、齒輪驅動（dòng）和電機驅動等領域。

      艾博士是美國機械工程師協會（ASME）會士。他於2012年至（zhì）2018年擔任該協會主辦的《摩擦學》期刊副編輯以及《摩擦學百科全（quán）書》滾動軸承（chéng）部分編輯。

艾曉嵐博士於研究實驗室的專利牆

　　TLT：為什麽建模在軸承使用壽命預測中是如此重要的（de）工具（jù），它又（yòu）是如何工作的？

       艾博士：滾動軸承（chéng）的損（sǔn）壞方式差異很大，這取決於軸承的（de）設計、製造、搬運、安裝、維護和工作條件。不過，在設計良好、質量良好、精心維護的滾動（dòng）軸承中，Z終的損傷模式就是疲（pí）勞損傷。

       在大多數應用中，滾動軸承是根（gēn）據其額定載（zǎi）荷來（lái）選擇的，這與疲勞壽命性能密切相關。因此，預測軸承疲勞壽命的能力至關重要。物理（lǐ）測試在確定軸承額定值方麵發揮（huī）了非常重要的作用，在產品質量保（bǎo）證方麵也同樣重要。

       由於其統計（jì）特（tè）性，軸承疲勞試驗是一（yī）項非常耗時和（hé）昂貴的工作（zuò）。它要求在相同（tóng）的負載（zǎi）、速度和潤滑條件下（xià）測試具（jù）有基本相（xiàng）同屬性的（de）多個軸承（通常為24個或更多）。測試（shì）可能會持續幾周甚至幾個月。隨著軸承尺寸的增加，物理測試的成（chéng）本迅速飆升。對於大型和超大型軸承，例如用於風（fēng）力發電機主軸的軸承，物理軸承（chéng）壽命測試通常成本高（gāo）昂。這就迫切需要開發一種方法來進行虛（xū）擬軸承壽命測試（Virtual Bearing Life Testing，VBLT）。圖1顯（xiǎn）示了一個（gè）VBLT模型的示例。它可以看作是實際物理測試的（de）數字表示（shì），軸承測（cè）試（shì）虛擬試驗台架（jià）通（tōng）過分層結構進行數字建模，以確保所需的分辨率和計算效率。該模型包含十幾個單獨的模（mó）塊來描述軸承性能屬性的各個方麵。

圖1. VBLT 模型結構和計（jì）算工作流程. （版權歸美國機械工程師協會所有：A Comprehensive Model for Assessing the Impact of Steel Cleanliness on BearingPerformance,” by Xiaolan Ai, Journal of Tribol. 2014; 137(1).）

　　VBLT從試驗台的（de）有限元（FE）建模開始，從中獲得作用於每個軸承的（de）載荷（圖1中的步（bù）驟a）。試驗軸承的詳細有限元模（mó）型是用更細的網格建立的，在網格中，估計了滾子和滾道之間接觸處的載荷分布（步驟a）。然後，將滾子載荷傳遞給接觸模塊，在接觸模（mó）塊中對每個接觸位置的表（biǎo）麵（miàn）和次表麵應力分布進行詳（xiáng）細的接觸分析（步驟c）。
　　該模型包括（kuò）熱處理模（mó）塊，用（yòng）於模擬材料（liào）對不同熱處理工藝的（de）響應。該模塊提（tí）供（gòng）軸承（chéng）部件內（nèi）的合成殘餘應力分布和硬度分布（步驟b）。然後，疲勞風險評估模塊將接觸應（yīng）力和殘餘應力（lì）結（jié）合起來，產生臨界應力，並將其與材料（liào）強度進行比較，以確定給定點（diǎn）的疲勞損傷風險。疲（pí）勞風險評（píng）估模塊進一步整合了所有軸承部件材料（liào）整個（gè）應力體積的疲（pí）勞（láo）風險，以基於三參數威布爾統計分布得出軸承壽命估（gū）計值（步驟（zhòu）d）。
　　為了考（kǎo）慮表麵粗糙（cāo）度對軸承疲勞壽命的影響，粗糙接觸模塊利（lì）用軸承滾道表（biǎo）麵（miàn）的三維測量表麵（miàn）形貌，計算給定（dìng）載荷水平下的接觸（chù）應力波動。根據Miner損傷累（lèi）積法則，利用所產生的應力波動，推導出一個有效（xiào）的（de）應力修正函（hán）數，並將其應用於同樣載荷水平下光滑表麵的接觸應（yīng）力。
　　為了計算軸承滾（gǔn）道上材料或表麵凹痕（hén）內的（de）雜（zá）質（zhì）引起（qǐ）的應力變化，該模型開發了額外的（de）模塊。夾雜物模塊讀取夾雜（zá）物信息，包括夾雜物尺寸、位（wèi）置、材料屬性和軸承組件內（nèi）發現的每個夾雜物的方向，並計（jì）算夾雜物周圍超級單元內的應力變化。

　　超級單（dān）元的（de）體積通常比其包裹的夾雜物大（dà）10倍，通過將超級單元替換到它們各自的位（wèi）置（zhì）來修改原始應力場（步驟e）。利用改進的應力（lì）場（chǎng）對軸承的疲勞壽命進行了重新評估。因此（cǐ），可以獲得相對於名（míng）義壽命的相對壽命（步驟（zhòu）f）。

　　一個類似的方法可（kě）以（yǐ）應用於表麵壓痕模塊，從中可以估計出凹痕軸承因表麵壓痕而（ér）產生（shēng）的壽命折減（jiǎn）係數。

　　通（tōng）過對試驗數據的仔細標定，VBLT作為基於性（xìng）原（yuán）理的模型，可以擴展到覆蓋不同的軸承尺寸和類型，快速、高保（bǎo）真地（dì）模擬不同的（de）試驗條件。它不僅為大型和超大（dà）型軸承試驗提供了一種（zhǒng）替代方（fāng）法（fǎ），而且是對（duì）傳統尺寸軸承進（jìn）行壽命試驗的一種經濟有（yǒu）效（xiào）的方法。

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　　TLT：虛擬（nǐ）軸承測試的主要優勢和麵臨的挑戰是什麽？

       艾博士：如前所述，主要優勢之一就是成本效益。虛擬軸承測試讓應用工程師（shī）可以在任何地方的各種應用場景下以Z低的成本快速進行軸承測試。此外，它讓（ràng）研究和設（shè）計工程師（shī）可以進行假（jiǎ）設性的研究，以更好（hǎo）地了解影響軸承壽命性能的各種因素。回過頭來，這可能引（yǐn）導軸承設計的改（gǎi）進，以實現（xiàn）應用目標。

       軸承疲勞壽命建（jiàn）模並非易（yì）事。軸承疲勞的統計性質表明，影（yǐng）響軸承壽命性能的變（biàn）量有很多，其（qí）中有些變量人們（men）還沒（méi）有完（wán）全理解或無法得（dé）到很好（hǎo）的控製。

       軸承疲勞建模的挑戰之（zhī）一是材料（liào）微觀結構對應力（lì）循環的響應。在一定程度上，我們目前的知（zhī）識仍（réng）然主要是基於實驗（yàn）和現象的。不（bú）同材料類型和微觀結構的統一損傷機理有待（dài）進一步探討。一個適用於（yú）所有（yǒu）軸承鋼材料的能夠進行有效計算的材料響（xiǎng）應模型尚未（wèi）建立並得到驗證（zhèng）。
　　TLT：您對未（wèi）來（lái）10-15年（nián）新興的（de）動力係統技術及其影（yǐng）響有何看法？

      艾博士：我們正處在一個快速變化（huà）的時（shí）代。當（dāng）前，我們正處於（yú）幾個大趨勢的匯合點（diǎn）。信息物理（lǐ）係統是（shì）許多行業的共同主題。他們要求（qiú）產品數字化、連通性、智能化和靈活的自動化。與此同時，汽車工業正在經曆電氣化的重大變革。這一技術（shù）趨勢Z初是由節（jiē）能和環境問題推動的（de），而Z近，自主和人工智能技術的迅速發展推動了這一趨勢。這個轉型過程預計（jì）將持續幾十年。這種（zhǒng）轉變也發生在其它交通運輸行（háng）業。

       由（yóu）於我們正（zhèng）在（zài）接受新的動力係統技術，並享受這些技術帶給社會和我們的諸多好（hǎo）處，因此（cǐ）我們還必須做好準備，應對它們對製造過程和零部件供應商造成的影響。對於軸承行業來說，這（zhè）不僅帶來了挑戰，也創造了新的機遇。電驅傳動係統中的軸（zhóu）承需要在（zài）更（gèng）高的速度和（hé）薄潤滑膜條件下運行，以減少摩擦（cā）和阻力損失。軸承座材料、潤滑方法和（hé）工作溫（wēn）度預計（jì）也會發生變化。係統（tǒng）噪聲、振動和粗糙度（NVH）以及熱管理變得至關重要。

       為了應對這（zhè）些挑（tiāo）戰，滾動軸（zhóu）承可能需要進行專門設計，以獲得精確、低噪和更高燃料效率的性能屬性（xìng），以支持傳動係統電氣化。製（zhì）造此類產品的設計選項包括軸承材（cái）料純淨度、軸承宏觀（guān）和微觀幾何形狀、表麵光潔度和製造工藝控製。軸承設計工程師可（kě）能需要突破界限，建立新的設計實踐，以提供具有（yǒu）成（chéng）本效益的解決方案和具有競爭力（lì）的（de）產品。
　　TLT：您目前的研究重點和興趣是什麽？

       艾博士：從（cóng）更高的角（jiǎo）度來看，虛擬軸承壽命測（cè）試是數字工程（chéng）生態係統的一部分。為（wéi）了支持全行業數字革命並做好應對的準備，我們目前正在考慮將虛擬軸承壽命測試的範圍（wéi）擴展到疲勞之外，建立一個（gè）完整的虛擬實驗室，包括所有性能屬性的虛擬測試，如動力學、噪聲（shēng）和振動，以及各種滾（gǔn）動軸承的表麵磨損（sǔn）、擦傷、扭（niǔ）矩和發熱。

       目（mù）前，我正與一群才華橫溢的同事們密切合作，以實現這一雄心勃勃的目標（biāo）。無論是一個（gè）軟件，一個產（chǎn）品還是一個工藝流程，創造有用的（de）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驗是未來先進製（zhì）造業發（fā）展的趨勢。如今，艾（ài）博（bó）士的研究成果已經廣泛應用在了鐵姆（mǔ）肯公司的產品開發與工程應用中，引領著120年的鐵姆肯公司在技術的道路上（shàng）不斷探索前行。
　　以（yǐ）上采訪內容（róng）轉（zhuǎn）載自www.stle.org，作者為其執行主編Rachel Fowler。