Experimenten op Ultrasoon smeren met behulp van een piëzo-elektrisch ondersteunde Tribometer en optische Profilometer
28 september 2015
We presenteren een protocol voor het gebruik van een piëzo-elektrisch geassisteerde tribometer en optisch profielmeter om de afhankelijkheid van ultrasoon slijtage en wrijvingsreductie op lineaire snelheid, contactdruk en oppervlakte-eigenschappen te onderzoeken.
Het algemene doel van het volgende experiment is om de afhankelijkheid van wrijving en slijtagereductie op lineaire snelheid in ultrasone smering te onderzoeken. Dit wordt bereikt door eerst tests uit te voeren op een gemodificeerde pin-on-disc TER terwijl de wrijvingskrachten in real-time worden geregistreerd tijdens de tests. Als tweede stap wordt een optisch profielmeter gebruikt om slijtage te karakteriseren, waarbij 2D- en 3D-profielen, oppervlakteruwheid en volumeverliezen in de groeven worden geleverd. Vervolgens wordt wrijving en slijtagereductie bij drie lineaire snelheden onderzocht.
Lineaire snelheden worden gekwantificeerd aan de hand van gemeten wrijvingskrachten en berekende slijtagepercentages. De resultaten tonen aan dat ultrasone smering de effectieve wrijvingskracht tot 62% en oppervlakteslijtage tot 49% vermindert. Wrijvingsreductie neemt af naarmate de lineaire snelheid toeneemt, terwijl slijtagereductie essentieel constant blijft bij de drie lineaire snelheden. Overwogen wordt dat ultrasone smering een goed gevestigde technologie is voor het verminderen en in feite het regelen van de effectieve wrijvingscoëfficiënt tussen glijdende objecten.
Het werkt door een of beide objecten te laten vibreren op ultrasone frequenties, dat wil zeggen frequenties boven de 20 kilohertz. Ultrasone smering is geïmplementeerd in productieprocessen zoals extrusie en draadtrekken als een solid-state smeringstechnologie. Het kan worden gebruikt in toepassingen waar traditionele smeermiddelen ongewenst zijn.
Bijvoorbeeld in de ruimte. Om de nodige TER te bouwen, monteer eerst het chuck motor subsysteem, voer deze montage uit op een isolatietafel. Eerste niveau, een DC-motor met shims en fixeer de positie met behulp van struts en bouten. Plaats vervolgens het ondersteuningsframe rond de motor.
Verbind vervolgens de spline-as met de motoras met behulp van een pasveer en schuif de ondersteuningsplaat op de spline-as. Plaats vervolgens het duwnaaldrollager op de ondersteuningsplaat. Smeer het lager indien nodig met snijvloeistoffen om de montage van het chuck-motor subsysteem af te ronden.
Verbind de chuck met een adapterplaat met behulp van drie bouten en draai de bouten vast. Plaats de chuck op de ondersteuningsplaat via het duwnaaldrollager. Plaats de cardanische ophanging met het ondersteuningsframe op zijn plaats.
Het heeft een horizontaal georienteerd belastingselement dat via een draad met de cardanaandrijving is verbonden om wrijving te meten. Monteer vervolgens de piso-elektrische actuator. Plaats eerst een draad met een lengte van drie inch door de piso-elektrische stapel.
Bevestig deze met onderleggertjes en moeren, waarbij ongeveer een achtste inch van de staaf aan één uiteinde beschikbaar blijft. Draai vervolgens de moeren vast om de stapel voor te spannen. Verbind vervolgens de lange zichtbare schroefdraad met de cardanaandrijving met behulp van moeren en onderleggertjes.
Schroef een eekhoornmoer op het andere uiteinde van de piso-actuator voor opzettaak, niet-testen. Plaats vervolgens de schijf in de chuck en pas de positie van de schijf aan zodat de eekhoornmoer contact maakt met de bovenkant van de schijf en de cardanaandrijving horizontaal is. Pas de positie van de cardanische ophanging aan zodat de moer op ongeveer 25 millimeter van het centrum van de schijf contact maakt.
Om af te ronden, draai alle bouten in de opzet vast en sluit de opzet aan op de computer. De testschijven en moeren moeten worden gereinigd met handschoenen. Gebruik ethanol om het oppervlak van de testplaat en de eekhoornmoer schoon te maken.
Verwijder nu de eekhoornmoer die voor de opzet is gebruikt. Schroef vervolgens de nieuwe schone moer vast en draai deze stevig vast. Controleer na het vastdraaien de uitlijning en draai de chuck zo vast dat de schijf stevig zit en zorg ervoor dat de eekhoornmoer stevig op de actuator is vastgedraaid.
Het is van cruciaal belang om de eekhoornmoer stevig op de epi-elektrische actuator te draaien, anders kan deze tijdens het testen losraken, waardoor de ultrasone trillingen niet worden overgedragen en dus niet effectief worden. Om de test op te zetten, brengt u een normale belasting aan tussen de testmoer en de schijf door een gewicht van twee newton op een haak te hangen die is verbonden met de cardanaandrijving. Hang vervolgens een ander gewicht van twee newton op de andere haak die is verbonden met de cardanaandrijving.
Dit zorgt voor een horizontale voorspanning van de belastingscel. Verbind vervolgens de actuator en de signaalgenerator met de versterker. Stel de signaalgenerator in om een continue sinusvormige signaal te leveren.
Gebruik een amplitude van drie volt en een frequentie van 22 kilohertz. De resonantiefrequentie van de piso-actuator omvat een gelijkspanningsoffset van drie volt om spanning in de pizo-actuator te voorkomen. Start nu met het verzamelen van gegevens om de verminderde wrijvingskracht te meten.
Zet de versterker aan en stel de versterking in op 15, wat overeenkomt met een werkelijke versterking van 4,67. Schakel vervolgens de motor in en stel de rotatiesnelheid in zoals nodig. Voer de test drie uur uit, zet vervolgens de motor en versterker uit en beëindig de gegevensverzameling.
Verwijder de eekhoornmoer en de testplaat en label de testplaat met de testvoorwaarden. Gebruik altijd een nieuwe moer en testoppervlak voor elke test. Om de intrinsieke wrijving te meten, gebruikt u dezelfde lineaire snelheid met de versterker en signaalgenerator uitgeschakeld.
Herhaal dezelfde test voor andere lineaire snelheden. Er zouden uiteindelijk zes slijtagegroeven moeten worden gemaakt. Voor de bereiding, reinig de testschijven onmiddellijk vóór metingen.
Zoals eerder vermeld, is het belangrijk om de monsterschijven te reinigen vóór de metingen, en hecht u de slijtagedeeltjes of vreemd materiaal losjes aan de slijtgroeven. De positie van de gemeten profielen en het volumeverlies werden aangetast. Maak vervolgens acht gelijkmatig verdeelde markeringen rond de rand van de schijf.
Open nu de profielmetersoftware met behulp van de software
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie onderzoekt de afhankelijkheid van wrijvings- en slijtagevermindering van de lineaire snelheid bij ultrasone smering. Met behulp van een aangepaste pin-op-schijf tribometer en een optische profilometer kwantificeert het onderzoek de wrijvingskrachten en slijtagekenmerken.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Tribologie
- Materiaalkunde
- Werktuigbouwkunde
Achtergrond
- Ultrasone smering is een techniek om de wrijving tussen glijdende oppervlakken te verminderen.
- Inzicht in de relatie tussen lineaire snelheid en wrijving kan smeringsstrategieën verbeteren.
- Slijtagekarakterisering is essentieel voor het evalueren van materiaalprestaties.
- Realtime meting van de wrijvingskracht verhoogt de nauwkeurigheid van de resultaten.
Doel van de studie
- Om te onderzoeken hoe de lineaire snelheid de wrijving en slijtage bij ultrasone smering beïnvloedt.
- Om de effectiviteit van ultrasone smering onder verschillende omstandigheden te kwantificeren.
- Om slijtage te karakteriseren met behulp van optische profilometrie.
Gebruikte methoden
- Gemodificeerde pin-on-disc tribometer voor wrijvingsonderzoek.
- Real-time registratie van wrijvingskrachten tijdens de tests.
- Optische profilometer voor slijtagekarakterisering.
- Analyse van 2D- en 3D-oppervlakteprofielen en ruwheid.
Belangrijkste resultaten
- Ultrasone smering vermindert de effectieve wrijvingskracht met maximaal 62%.
- Oppervlakteslijtage wordt met maximaal 49% verminderd.
- De wrijvingsreductie neemt af bij een toenemende lineaire snelheid.
- De slijtagereductie blijft relatief constant bij verschillende snelheden.
Conclusies
- Ultrasone smering is effectief voor het beheersen van wrijving en slijtage.
- De lineaire snelheid speelt een belangrijke rol bij de vermindering van wrijving.
- Verder onderzoek zou de parameters voor ultrasone smering kunnen optimaliseren.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de industrie
Ultrasone smering biedt een solid-state benadering voor de beheersing van wrijving en slijtage in situaties waarin conventionele smeermiddelen onpraktisch zijn, zoals in extreme omgevingen of bij gevoelige productieprocessen. De mogelijkheid om wrijving te moduleren via ultrasone vibraties maakt adaptieve systemen mogelijk die dynamisch reageren op veranderende operationele omstandigheden, wat bijdraagt aan voorspellend onderhoud en een verlengde levensduur van componenten. Deze technologie biedt mechanische risicoreductie voor tribologische toepassingen in de precisietechniek en geavanceerde productiecontexten.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek naar wrijvingsgedrag op materiaalgrensvlakken onder gecontroleerde vibratieomstandigheden mogelijk.
- Operationele waarde: Biedt een platform voor het evalueren van smeermiddelvrije systemen in microfluïdische omgevingen of cleanrooms.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Ondersteunt de ontwikkeling van gestandaardiseerde slijtage- en wrijvingsassays voor materiaalscreening.
- Operationele waarde: Faciliteert reproduceerbare kwantificering van oppervlaktedegradatie via optische profilometrie.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Maakt beoordeling van de duurzaamheid van materialen onder gesimuleerde fysiologische glijcondities mogelijk.
- Operationele waarde: Ondersteunt de preklinische evaluatie van de prestaties van de interface van implantaten of apparaten.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode kan worden geïntegreerd in discovery-workflows door een vroegtijdige tribologische beoordeling van materialen mogelijk te maken, nog voordat er wordt overgegaan tot lead-optimalisatie of preklinisch onderzoek.
- Discovery-biologie: Ondersteunt hypothese-testen met betrekking tot interface-stabiliteit en slijtagemechanismen bij interacties van biomaterialen.
- Screening: Levert kwantitatieve, reproduceerbare wrijving- en slijtagewaarden voor comparatieve materiaalevaluatie.
- Analytiek: Genereert meetbare resultaten, waaronder reductie van de wrijvingskracht, volumeverlies en oppervlakteruwheid voor datagestuurde beslissingen.
- Translationeel onderzoek: Verbindt in vitro slijtagedata met voorspellingen over de in vivo levensduur van apparaten.
- Bedrijfsmatige herbruikbaarheid: Vestigt een herbruikbaar tribologieplatform voor cross-project screening van materiaalkompatibiliteit.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellend vertrouwen bij materiaalselectie door gekwantificeerde modulatie van wrijving en slijtage.
- Operationele waarde: Gestandaardiseerde, trillingsgecontroleerde tests verminderen variabiliteit in tribologische beoordelingen.
- Strategische waarde: Informeert go/no-go-beslissingen over de geschiktheid van materialen voor dynamische mechanische toepassingen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van materialen mogelijk op basis van slijtvastheid onder operationele spanning.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in tribologie, piëzo-elektrische actuatie en precisie-mechanische assemblage.
- Necessiteert instrumentatie, waaronder een gemodificeerde pin-on-disc tribometer, een optische profilometer en apparatuur voor signaalgeneratie.
- Vereist standaardisatie van testcondities, zoals de normaalkracht, glijsnelheid en ultrasone frequentie, over teams heen.
- Houdt rekening met aanpassingen voor verschillende materiaappairs, oppervlaktegeometrieën en omgevingscondities.
- Beperkt door de noodzaak van nauwkeurige uitlijning en koppeling van ultrasone energie aan het glijdende grensvlak om een effectieve trillingsoverdracht te garanderen.
