Nghiên cứu vòng bi : đi đến cấp độ phân tử

Hãy tưởng tượng nếu một người có thể trở nên nhỏ bé đến mức có thể lặn bên trong các vật liệu rắn và xem cấu trúc của các nguyên tử – cách chúng tương tác, di chuyển và phản ứng khi tác dụng của ngoại lực và nhiệt độ bên ngoài ảnh hưởng đến tính chất của chúng và thay đổi cấu trúc của chúng. Nếu điều này là có thể, người ta có thể lựa chọn tốt hơn, xử lý và thiết kế các vật liệu được sử dụng để sản xuất các sản phẩm và máy móc.

Tại Trung tâm nghiên cứu và kỹ thuật SKF (ERC) ở Hà Lan, nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu hầu như đi sâu vào các vật liệu tạo nên các sản phẩm của SKF để ​​hiểu rõ hơn về hành vi của họ. Điều này cho phép SKF đáp ứng các yêu cầu từ khách hàng và quan trọng hơn là phát triển các vật liệu mới cho các sản phẩm của mình nhằm tăng chất lượng, độ bền và các đặc tính cụ thể khác.

Trong hầu hết các trường hợp, việc sử dụng các phương pháp thử nghiệm là đủ để hiểu đủ về các ràng buộc bên ngoài có thể ảnh hưởng đến các vật liệu mà sản phẩm được tạo ra và tìm giải pháp phòng ngừa và phản tác dụng.

Tuy nhiên, ngay cả khi sử dụng các kỹ thuật thí nghiệm tiên tiến, đơn giản là không phải lúc nào cũng có thể có đủ sự hiểu biết về tác động mà một số hiện tượng nhất định có thể có trên các vật liệu. Ngoài ra, trong một số trường hợp như với một vật liệu hoặc sản phẩm mới đang trong giai đoạn thiết kế, việc giới hạn sử dụng các công cụ kiểm tra trong phòng thí nghiệm không phải lúc nào cũng hiệu quả về thời gian hay chi phí. Đây là lý do tại sao các phương pháp tính toán là cần thiết.

Khi nói đến các bộ phận cơ khí, ví dụ như vòng bi, hầu hết các vấn đề thiết kế có thể được giải quyết bằng cách sử dụng các kỹ thuật mô phỏng quy mô lớn, quy mô lớn, như phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng rộng rãi (FEM). Tuy nhiên, một số vấn đề đặc biệt vượt quá khả năng của công cụ mô hình hóa này và yêu cầu được xử lý bằng các phương pháp mô phỏng siêu âm và kính hiển vi thay thế.

Để hiểu rõ về các sản phẩm của SKF và có thể giải quyết các vấn đề có thể có nguồn gốc ở quy mô thời gian và độ dài cụ thể, các nhà khoa học tại SKF không ngừng phát triển bí quyết sử dụng và cải tiến phương pháp mô phỏng đa quy mô. Điều này có nghĩa là có các công cụ khác nhau (tưởng tượng kính lúp, tất cả đều có công suất phóng đại khác nhau) có thể được sử dụng để hiểu các hiện tượng cụ thể xác định hành vi của vật liệu trong điều kiện ứng dụng. Đây là lý do tại sao các mô hình được áp dụng ở phạm vi SKF từ cơ học lượng tử đến liên tục .

Càng đi sâu vào bên trong vật liệu, càng cần nhiều sức mạnh tính toán và thời gian để thực hiện mô phỏng. Vì lý do này, một cụm máy tính hiệu năng cao với 1.536 bộ xử lý đang được sử dụng trong các cơ sở SKF.

Hiện nay, có bốn dòng nghiên cứu chính mà phương pháp quy mô trung bình và vi mô được sử dụng.

Thiết kế thép
Dòng nghiên cứu đầu tiên là một phần của dự án Hồi MultiHy, [1], viết tắt của Mô hình đa biến về Ô nhiễm hydro. Dự án này được lãnh đạo bởi một tập đoàn được thành lập bởi nhiều đối tác công nghiệp và học thuật châu Âu và được tài trợ bởi Liên minh châu Âu. Động lực ban đầu cho dự án này là có nhiều bằng chứng thực nghiệm [2] hỗ trợ cho ý tưởng rằng hydro làm giảm tuổi thọ của vòng bi, bạc đạn và thép kết cấu. Tác dụng này của hydro được biết đến trong thuật ngữ kỹ thuật là sự hấp thụ hydro. Mối quan tâm chính của SKF đối với MultiHy là có thể dự đoán cách hydro khuếch tán vào và thông qua thép chịu lực và quan trọng hơn là khám phá làm thế nào hydro có thể bị giữ lại và bất động để vô hiệu hóa tác động của sự hấp thụ hydro đối với tuổi thọ của vòng bi.

Những mô phỏng như vậy về tính di động của hydro và ảnh hưởng của nó đối với cuộc sống mệt mỏi bổ sung cho nghiên cứu đang diễn ra khác liên quan đến các nguồn hydro khác nhau, ví dụ, môi trường ẩm ướt và sự xuống cấp của chất bôi trơn.

Từ quan điểm nguyên tử, các mô phỏng đang được thực hiện bằng phương pháp mô hình cơ học lượng tử tính toán gọi là lý thuyết hàm mật độ (DFT), thường được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc điện tử của các hệ thống nhiều cơ thể. Cụ thể hơn, các mô phỏng đang được thực hiện để đánh giá các tính chất cơ học và ảnh hưởng của hydro trong một loại thép chịu lực có chứa vanadi thử nghiệm mới trong đó hydro có thể bị giữ lại để tránh sự hấp thụ [3]. Các kết quả của dự án MultiHy có thể giúp phát triển loại thép mới này, do đó cuối cùng nó có thể được xem xét cho các ứng dụng cần kháng hydro.

Các cơ chế mỏi mỏi Dòng nghiên cứu thứ hai nhằm vào mô tả nguyên tử của cấu trúc vi mô của thép chịu lực và ảnh hưởng của nó đối với hoạt động của vật liệu khi bị mỏi tiếp xúc.

Đối với dự án này, phương pháp động lực phân tử (MD) đang được sử dụng để nghiên cứu cách các nguyên tử di chuyển và tương tác với nhau khi vết nứt bắt đầu và lan truyền qua thép chịu lực. Sự hiểu biết về hiện tượng này sẽ cho phép SKF tìm cách tăng tuổi thọ và tổng thể cho mỗi sản phẩm SKF.

Thiết kế polymer
Ứng dụng thứ ba liên quan đến việc nghiên cứu các vật liệu cao su được sử dụng trong sản xuất con dấu. Mục tiêu tổng thể là xác định và định lượng các hiện tượng vật lý đang diễn ra ở các quy mô khác nhau ảnh hưởng đến hành vi căng thẳng bán tĩnh và căng thẳng của cao su đầy. Dự án này đang được SKF thực hiện với sự hợp tác của các nhà khoa học từ Đại học Thanh Hoa ở Trung Quốc và từ Đại học Barcelona ở Tây Ban Nha.

Động lực hạt phân tán (DPD), một công cụ mô phỏng quy mô meso cho phép phân tích các tính chất động của chất lỏng và polyme ở các thang đo vượt ra ngoài các quy mô có thể được xử lý bằng MD, được sử dụng ở đây. Bằng cách sử dụng DPD, có thể xem xét đầy đủ ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau, chẳng hạn như sự tương tác giữa các hạt filler và chuỗi polymer và những thay đổi tôpô trong mạng polymer trong hành vi cơ học tĩnh và động của vật liệu bịt kín.

Ma sát học
Ứng dụng thức địa chỉ liên lạc bôi trơn giữa hai bề mặt [4], chẳng hạn như giữa một yếu tố cán và một mương trong một mang lai. Phương pháp được sử dụng cho công việc này cũng là MD. Mục đích là để giải thích sự khác biệt cơ bản về ma sát và mài mòn giữa bề mặt thép / thép và thép / gốm để cải thiện hiệu suất của vòng bi SKF tổ hợp. Ngoài ra, các phản ứng hóa học giữa chất bôi trơn và bề mặt có thể được xem xét.

Cho đến nay, mô hình đã tiết lộ rằng có những khác biệt cơ bản giữa thép / thép và các tiếp xúc lai liên quan đến ma sát và mài mòn. Quan trọng hơn, kết quả đã chỉ ra rằng các tiếp điểm lai có ma sát thấp hơn các tiếp xúc thép / thép.