Στη σύγχρονη βιομηχανία, οι απαιτήσεις για αποδοτικότητα και ακρίβεια αυξάνονται διαρκώς, με τα ρουλεμάν να έχουν βασικό ρόλο στις νέες εφαρμογές. Αν και η τεχνολογία των ρουλεμάν έχει εξελιχθεί σε πολύ μεγάλο βαθμό, υπάρχουν ακόμα σημαντικά περιθώρια για περαιτέρω πρόοδο και καινοτομία.
Του κ. Άρη Κωνσταντινίδη*
Τα έδρανα κύλισης, ή αλλιώς ρουλεμάν, είναι από τα πλέον διαδεδομένα στοιχεία μηχανών για περισσότερους από δύο αιώνες, βρίσκοντας πληθώρα εφαρμογών της βιομηχανίας. Μπορεί η αρχή λειτουργίας τους να παραμένει σε μεγάλο βαθμό η ίδια και ο σχεδιασμός τους να μην έχει μεταβληθεί σημαντικά στο πέρασμα του χρόνου, ωστόσο η τεχνολογία και η έρευνα στον τομέα των εδράνων αναπτύσσεται διαρκώς, με στόχο να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις των σύγχρονων τεχνολογικών εφαρμογών.
Όπως είναι λογικό, τα συμβατικά έδρανα δεν είναι δυνατό να μεγιστοποιήσουν την απόδοση εξειδικευμένων εφαρμογών ή να υποστηρίξουν τις νέες εφαρμογές. Παρακάτω παρουσιάζονται συνοπτικά εφαρμογές ρουλεμάν σε ανεμογεννήτριες και ηλεκτροκίνηση, ενώ αναφέρονται και κάποιες από τις νέες τάσεις που κυριαρχούν στην κατασκευή και στο σχεδιασμό τους.
Αιολικά συστήματα
Οι ανεμογεννήτριες αποτελούν από τις πλέον απαιτητικές εφαρμογές όσον αφορά τα έδρανα κύλισης. Τα αιολικά συστήματα μεγάλης κλίμακας, και ιδιαίτερα τα υπεράκτια, βασίζονται σε μια σειρά από ρουλεμάν υψηλής απόδοσης για να διαχειριστούν απρόβλεπτα φορτία ανέμου και δυσμενείς συνθήκες, όπως είναι θερμοκρασιακές διακυμάνσεις και αυξημένη υγρασία.
Στην κύρια άτρακτο, τα έδρανα δέχονται τεράστια αξονικά και ακτινικά φορτία· στο κιβώτιο ταχυτήτων υπόκεινται σε μεταβαλλόμενη ροπή και κραδασμούς, ενώ στη γεννήτρια οφείλουν να συνδυάζουν υψηλές ταχύτητες περιστροφής και χαμηλά επίπεδα θορύβου και θερμότητας.
Σε τέτοια περιβάλλοντα, τα συμβατικά ρουλεμάν συχνά αδυνατούν να αποδώσουν ικανοποιητικά. Ως εκ τούτου έχουν αναπτυχθεί σύγχρονες λύσεις όπως είναι:
- Υβριδικά έδρανα με κεραμικά στοιχεία κύλισης, που μειώνουν τα δινορεύματα και τη φθορά.
- Έδρανα με επικάλυψη (κεραμική, πολυουρεθάνης ή άνθρακα), για αντοχή στη διάβρωση και στις καταπονήσεις, και για μειωμένη τριβή.
- Σφραγισμένα έδρανα με μόνιμη λίπανση, που ελαχιστοποιούν την ανάγκη για συντήρηση.
- Έξυπνα έδρανα με ενσωματωμένους αισθητήρες για τη μέτρηση της θερμοκρασίας, του επιπέδου κραδασμών και του φορτίου, επιτρέποντας προβλεπτική συντήρηση προς αποφυγή βλαβών. Το ζήτημα αυτό είναι ιδιαίτερα κρίσιμο σε εφαρμογές όπως οι ανεμογεννήτριες, όπου είναι τεράστιο το κόστος σε περίπτωση παραμονής τους εκτός λειτουργίας.
Ηλεκτροκίνηση
Η αυτοκινητοβιομηχανία τα τελευταία χρόνια μετασχηματίζεται ριζικά, με την ανάπτυξη των υβριδικών και ηλεκτρικών συστημάτων κίνησης. Ασφαλώς, τα έδρανα κύλισης διαδραματίζουν καίριο ρόλο και στις εφαρμογές αυτές, ως βασικά εξαρτήματα μετάδοσης κίνησης.
Οι κυριότερες προκλήσεις που σχετίζονται με τα έδρανα στις εν λόγω εφαρμογές είναι:
- Οι υψηλές ταχύτητες περιστροφής (συχνά μεγαλύτερες των 20.000 σ.α.λ. Στους ηλεκτρικούς κινητήρες).
- Η θερμική καταπόνηση λόγω περιορισμένου χώρου και συγχώνευσης κινητήρα – μετατροπέα.
- Η μείωση του βάρους.
- Η αύξηση της ενεργειακής απόδοσης.
- Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις που προκαλούν φθορά στα ρουλεμάν.
Για την αποτελεσματική κάλυψη των συγκεκριμένων αναγκών, έχουν αναπτυχθεί στα ρουλεμάν καινοτομίες όπως είναι:
- Λιπαντικά υψηλής απόδοσης και ελαστικά παρεμβύσματα χαμηλής τριβής, που βελτιώνουν την ενεργειακή απόδοση ελαχιστοποιώντας τις θερμικές απώλειες τριβής.
- Κλωβοί από πολυμερή και νέες γεωμετρίες στοιχείων κύλισης, που μειώνουν το θόρυβο και την παραγωγή θερμότητας.
- Μονωμένα και υβριδικά έδρανα, που αποτρέπουν τη φθορά από ηλεκτρικό ρεύμα.
Τα ρουλεμάν που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, σχεδιάζονται πλέον με αυστηρές προδιαγραφές για θόρυβο, δόνηση και τραχύτητα (Noise, Vibration, Harshness [NVH]), με σκοπό την αθόρυβη λειτουργία, τη βελτίωση της ποιότητας κύλισης και την αυξημένη διάρκεια ζωής.
Οι προδιαγραφές αυτές αφορούν μια πληθώρα εδράνων σε διάφορα εξαρτήματα του αυτοκινήτου, όπως είναι οι τροχοί, οι άξονες των μηχανικών μερών, αλλά και τα συστήματα ανάκτησης ενέργειας.
Παράλληλα, η περιβαλλοντική βιωσιμότητα είναι πλέον βασικό ζητούμενο, και επιτυγχάνεται με τη χρήση βιοδιασπώμενων λιπαντικών και ανακυκλώσιμων υλικών κατασκευής, αλλά και με τη μείωση του αποτυπώματος άνθρακα των σχετικών κατεργασιών.
Προοπτικές και προκλήσεις
Οι εξελίξεις στην τεχνολογία εδράνων τα τελευταία χρόνια ακολουθούν την πρόοδο της βιομηχανίας και έχουν ως στόχο να καλύψουν τις ανάγκες της. Κάποιες από τις σύγχρονες τεχνολογικές τάσεις είναι:
- Αυτολιπαινόμενα υλικά κατασκευής, όπως σύνθετα με βάση το γραφένιο, τα οποία μειώνουν την ανάγκη για εξωτερική λίπανση.
- Μαγνητικά ρουλεμάν χωρίς τριβή, που εξαλείφουν τη φθορά σε εφαρμογές όπου απαιτείται υψηλή ακρίβεια και μεγάλες ταχύτητες περιστροφής.
- Διαγνωστικά εργαλεία βασισμένα στην τεχνητή νοημοσύνη, με ενσωματωμένους αλγόριθμους που επιτρέπουν την παρακολούθηση της απόδοσης των εδράνων σε πραγματικό χρόνο, αλλά και την πρόβλεψη αστοχιών.
- Ανάπτυξη ψηφιακών διδύμων (digital twins) των συστημάτων μετάδοσης ισχύος, τα οποία ενσωματώνουν τη λειτουργία των ρουλεμάν ως μέρος μιας συνολικής, έξυπνης και αυτοματοποιημένης διαδικασίας παρακολούθησης και συντήρησης.
Παρά την ομολογουμένως εντυπωσιακή πρόοδο, παραμένουν αλλά και δημιουργούνται ορισμένες προκλήσεις. Η βασικότερη από αυτές αφορά το κόστος, καθώς τα έξυπνα, υβριδικά ή κεραμικά ρουλεμάν είναι ακόμη σημαντικά ακριβότερα από τα συμβατικά. Επιπλέον, οι αισθητήρες και τα δεδομένα λειτουργίας δεν είναι πλήρως εναρμονισμένα μεταξύ κατασκευαστών, γεγονός που εγείρει την ανάγκη τυποποίησης. Τέλος, η εξάρτηση από σπάνια υλικά (όπως είναι π.χ. το νιτρίδιο του πυριτίου ή ειδικές επιστρώσεις), μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα όσον αφορά τη διαθεσιμότητα και το κόστος.
Προηγμένα ρουλεμάν
Από τις ανεμογεννήτριες έως τους ηλεκτρικούς κινητήρες, τα σύγχρονα έδρανα κύλισης καλούνται να αποδώσουν υπό πίεση. Μέσω προηγμένων υλικών, καινοτομικής σχεδίασης και ψηφιακής ενσωμάτωσης, επιτυγχάνεται σημαντική πρόοδος στην απόδοση, στη βιωσιμότητα και στην αξιοπιστία των ρουλεμάν.
*Ο κ. Άρης Κωνσταντινίδης είναι διπλωματούχος μηχανολόγος μηχανικός του ΕΜΠ και υποψήφιος διδάκτορας στο King Abdullah University Of Science And Technology, στην Τζέντα της Σαουδικής Αραβίας.
