Analysis of Ring Cracks in Ceramic Rolling Elements Using the Boundary Element Method

• Autorzy: Karaszewski Waldemar

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0013.5434

Warianty tytułu

PL

Analiza pęknięć kolistych w ceramicznych elementach tocznych metodą elementów brzegowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Ceramic materials have been increasingly used in bearing systems for over a dozen years. This is due to the specific properties of ceramic materials, such as high hardness, corrosion resistance, the possibility of use in aggressive chemical environments, as well as due to the lower specific weight as compared to steel materials. However, the use of ceramic materials imposes many limitations. The main disadvantages include surface cracks and a low fracture toughness value. The paper presents a numerical analysis of crack propagation in silicon nitride balls. The directions of propagation were analysed for the cracks that are most commonly found on the surface of the commercially available ceramic balls. The directions were analysed along the crack front and considering the location of the crack in relation to the contact point of the balls in the rolling contact. The numerical calculations are based on a three-dimensional model of the ring crack. Numerical calculations were carried out using the boundary element method. Numerical solutions were compared with the results of experimental research.

PL

Materiały ceramiczne od kilkunastu lat znajdują coraz większe zastosowanie w układach łożyskowych. Wynika to z charakterystycznych właściwości materiałów ceramicznych takich jak: duża twardość, odporność na korozję, możliwość stosowania w środowiskach agresywnie chemicznych, a także z uwagi na mniejszy ciężar właściwy w porównaniu z materiałami stalowymi. Stosowanie materiałów ceramicznych wiąże się jednak z wieloma ograniczeniami. Głównymi ich wadami są pęknięcia powierzchniowe oraz niska odporność na kruche pękanie. W pracy przedstawiono analizę numeryczną propagacji pęknięć w kulkach ceramicznych wykonanych z azotku krzemu. Analizowano kierunki propagacji dla pęknięć kolistych, które najczęściej spotykane są na powierzchni handlowych kulek ceramicznych. Kierunki pęknięć analizowano wzdłuż czoła pęknięcia oraz względem położenia pęknięcia w stosunku do punktu styku współpracujących kulek w styku tocznym. Obliczenia numeryczne oparte zostały na trójwymiarowym modelu pęknięcia kolistego. Obliczenia numeryczne analizowano metodą elementów brzegowych. Rozwiązania numeryczne porównano z wynikami badań eksperymentalnych.

Słowa kluczowe

EN

crack propagation; ceramic materials; ball bearings; numerical analysis

PL

propagacja pęknięć; materiały ceramiczne; łożyska toczne; analiza numeryczna

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 3
• Strony: 51--59
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Karaszewski Waldemar

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Narutowicza 11/12 Street, 80-233 Gdańsk, Poland

Bibliografia

• 1. Durazo-Cardenasa I., Starra A., Sousab R., Ferreirab J., Motab A., Kramc M., Hughesd G., Bytnard P., Bele F.: Towards health monitoring of hybrid ceramic bearings in aircraft starter/generators. Procedia Manufacturing, vol. 19, 2018, pp. 50–57.
• 2. Gabelli A., Morales-Espejel G. E.: A model for hybrid bearing life with surface and subsurface survival. Wear, vol. 422–423, 2019, pp. 223–234.
• 3. Karaszewski W.: Wytrzymałość zmęczeniowa materiałów ceramicznych – przegląd literatury. (Fatigue strength of ceramic materials – a literature overview.) Tribologia, No. 35(3), 2004, pp. 169–178.
• 4. Beasy, https://www.beasy.com/crack-growth-simulation.html, software developer website [access as of 2 June 2019].
• 5. Portela A., Aliabadi M., Rooke D.: Dual boundary element analysis of crack propoagation. Computers & Structures, vol. 2, no 46, 1993, pp. 237–247.
• 6. Karaszewski W.: Badanie wpływu wybranych czynników na trwałość ceramicznych elementów łożysk tocznych (Assessing the impact of selected factors on the life of ceramic rolling bearing elements.), Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej (Publishing Unit of the Gdańsk University of Technology), Gdańsk, 2013.
• 7. Karaszewski W.: The influence of oil additives on spread cracks in silicon nitride, Tribology International, vol. 41, issue 9–10, 2008, pp. 889–895.
• 8. Karaszewski W.: Analysis of Ceramic Elements with Ring-Crack Defects in Lubricated Rolling Contact, Solid State Phenomena, vol. 250, 2016, pp. 43–49.
• 9. Bar-On I., Beals J., Kitagawa H., Tanaka T.: Faitgue 90: Proceedings of 4th International Conference on Fatigue and Fatigue Thresholds. Honolulu, Hawai: Materials and Component Engineering Publications, Limited, vol. 2, 1990, pp. 793–798.
• 10. Karaszewski W.: Hertzian Crack Propagation in Ceramic Rolling Elements, Key Engineering Materials, vol. 598, 2014, pp. 92–98.
• 11. Bogdański S., Lewicki P., Szymaniak M.: Experimental and theoretical investigation of the phenomenon of filling the RCF crack with liquid. Wear, vol. 258, 2005, pp. 1280–1287.
• 12. Glodez S., Potocnik R., Flasker J., Zafosnik B.: Numerical modeling of crack path in the lubricated rolling-sliding contact problems. Engineering Fracture Mechanics, vol. 75, 2008, pp. 880–891.
• 13. Lewicki P., Bogdański S.: 3D model of liquid entrapment mechanism for rolling contact fatigue cracks in rails. Wear, vol. 265, 2008, pp. 1356–1362.
• 14. Wang Y., Hadfield M.: Failure modes of ceramic rolling elements with surface crack defects, Wear 256, 2004, pp. 208–219.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).