Przedstawiamy protokół użycia trybometru wspomaganego piezoelektrycznie i profilometru optycznego do zbadania zależności zużycia ultradźwiękowego i redukcji tarcia od prędkości liniowej, nacisku kontaktowego i właściwości powierzchni.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiamy protokół użycia trybometru wspomaganego piezoelektrycznie i profilometru optycznego do zbadania zależności zużycia ultradźwiękowego i redukcji tarcia od prędkości liniowej, nacisku kontaktowego i właściwości powierzchni.
Tarcie i zużycie są szkodliwe dla systemów inżynieryjnych. Smarowanie ultradźwiękowe uzyskuje się, gdy powierzchnia styku między dwiema powierzchniami ślizgowymi jest wibrukowana z częstotliwością powyżej zakresu akustycznego (20 kHz). Jako technologia półprzewodnikowa, smarowanie ultradźwiękowe może być stosowane tam, gdzie konwencjonalne smary są niewykonalne lub niepożądane. Ponadto smarowanie ultradźwiękowe pozwala na elektryczną modulację efektywnego współczynnika tarcia między dwiema powierzchniami ślizgowymi. Ta właściwość umożliwia układom adaptacyjnym, które modyfikują swój stan tarcia i związaną z nim reakcję dynamiczną wraz ze zmianą warunków pracy. Zużycie powierzchni można również zmniejszyć poprzez smarowanie ultradźwiękowe. Opracowaliśmy protokół do zbadania zależności redukcji siły tarcia i redukcji zużycia od prędkości poślizgu liniowego między powierzchniami smarowanymi ultradźwiękowo. Zbudowano tribometr typu pin-on-disc, który różni się od jednostek komercyjnych tym, że stos piezoelektryczny jest używany do wibrowania pinu z częstotliwością 22 kHz normalną do obracającej się powierzchni dysku. Wskaźniki tarcia i zużycia, w tym efektywna siła tarcia, utrata objętości i chropowatość powierzchni, są mierzone bez i z drganiami ultradźwiękowymi przy stałym ciśnieniu od 1 do 4 MPa i trzech różnych prędkościach poślizgu: 20,3, 40,6 i 87 mm/s. Profilometr optyczny służy do charakteryzowania powierzchni zużywalnych. Efektywna siła tarcia jest zmniejszona o 62% przy 20,3 mm/s. Zgodnie z istniejącymi teoriami smarowania ultradźwiękowego, procentowa redukcja siły tarcia zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości, aż do 29% redukcji siły tarcia przy 87 mm/s. Redukcja zużycia pozostaje zasadniczo stała (49%) przy trzech rozpatrywanych prędkościach.
Tarcie występuje na styku dwóch stykających się powierzchni, gdy ślizgają się lub toczą względem siebie. Tarcie zwykle występuje wraz ze zużyciem ściernym lub adhezyjnym. 1 Ultradźwięki to nauka zajmująca się zjawiskami o wysokiej częstotliwości, czyli falami rozchodzącymi się z częstotliwościami powyżej zakresu akustycznego (20 kHz). Dziedzina ultradźwięków obejmuje dwa zasadniczo różne reżimy. Jeden reżim obejmuje fale o niskiej intensywności, takie jak te wykorzystywane w procesach obrazowania, takich jak ultradźwięki medyczne lub nieniszcząca inspekcja konstrukcji. Drugi to reżim dużej mocy, w którym fale o wysokiej energii są wykorzystywane do wykonywania lub wspomagania procesów inżynieryjnych, takich jak spawanie tworzyw sztucznych i metali. Wykazano, że zastosowanie tego ostatniego rodzaju drgań ultradźwiękowych na styku dwóch powierzchni w styku ślizgowym zmniejsza efektywną siłę tarcia na styku. Zjawisko to jest znane jako smarowanie ultradźwiękowe.
Aby uzyskać smarowanie ultradźwiękowe między dwoma przesuwającymi się obiektami, muszą być między nimi ustalone względne wibracje o częstotliwościach ultradźwiękowych. Drgania są zwykle przykładane do jednego z dwóch obiektów, w kierunku wzdłużnym, poprzecznym lub prostopadłym w stosunku do prędkości ślizgu. W tym badaniu trzpień trybometru jest wyposażony w siłownik piezoelektryczny, dzięki czemu jego końcówka wibruje w kierunku prostopadłym do obracającej się tarczy tribometru. Materiały piezoelektryczne to klasa "inteligentnych" materiałów, które odkształcają się pod wpływem pól elektrycznych, wibrując z tą samą częstotliwością co pole wzbudzenia. Materiały piezoelektryczne mogą wibrować z częstotliwościami mieszczącymi się w zakresie MHz. Nakładając się na prędkość makroskopową, drgania ultradźwiękowe powodują zmianę kierunku chwilowej siły tarcia i kontaktu między powierzchniami, co w połączeniu prowadzi do zmniejszenia efektywnej siły tarcia i zużycia powierzchni.
Ultradźwiękowa redukcja tarcia została zademonstrowana w praktycznych systemach produkcyjnych. Na przykład technologia ta została wykorzystana do zmniejszenia siły między narzędziem a obrabianym przedmiotem w procesach obróbki i formowania metali, takich jak wiercenie, prasowanie, walcowanie blach i ciągnienie drutu. Korzyści obejmują lepsze wykończenie powierzchni2 oraz zmniejszone zapotrzebowanie na drogie i szkodliwe dla środowiska detergenty do usuwania smarów z produktu końcowego. Istnieją również potencjalne zastosowania smarowania ultradźwiękowego w innych obszarach. Na przykład smarowanie ultradźwiękowe może znacznie poprawić wrażenia użytkownika w produktach do higieny osobistej, eliminując potrzebę stosowania smarów lub powłok. W zastosowaniach samochodowych modulacja tarcia może poprawić wydajność przegubów kulowych, podczas gdy redukcja tarcia między siedzeniami pojazdu a szynami ułatwia ruch siedzenia, oszczędzając przestrzeń i masę, które w przeciwnym razie byłyby zajmowane przez tradycyjne komponenty i mechanizmy. Smarowanie ultradźwiękowe może również przyczynić się do poprawy efektywności paliwowej poprzez zmniejszenie tarcia w układzie napędowym i zawieszeniu. 3 W zastosowaniach kosmicznych, w których nie można stosować tradycyjnych smarów, smarowanie ultradźwiękowe może być stosowane w celu zmniejszenia zużycia i znacznego wydłużenia żywotności krytycznych komponentów.
Laboratoryjne demonstracje redukcji tarcia za pomocą smarowania ultradźwiękowego są liczne. Redukcja tarcia jest określana ilościowo jako różnica między siłą tarcia mierzoną bez smarowania ultradźwiękowego a siłą tarcia przy zastosowanych drganiach ultradźwiękowych. W obu przypadkach siła tarcia jest mierzona bezpośrednio za pomocą czujników siły. Littmann i wsp. 4-5 połączyli siłownik napędzany piezoelektrycznie z suwakiem, na którym zainstalowano czujnik siły i ramę do pomiaru sił tarcia i przykładania normalnych obciążeń. Zastosowano siłownik pneumatyczny do przesuwania suwaka wraz z siłownikiem po szynie prowadzącej. Drgania ultradźwiękowe zastosowano w kierunku podłużnym do prędkości poślizgu. Bharadwaj i Dapino6-7 przeprowadzili podobne eksperymenty przy użyciu piezoelektrycznego siłownika kominowego podłączonego do stożkowego falowodu na obu końcach stosu. Kontakty odbywały się między sferycznymi krawędziami stożków a powierzchnią szyny prowadzącej. Zbadano wpływ parametrów systemu, takich jak sztywność styku, obciążenie normalne i sztywność globalna. Kumar i Hutchings8 zainstalowali szpilkę na sonotrodzie, która była zasilana przez przetwornik ultradźwiękowy. Generowane były drgania ultradźwiękowe, które przenoszono na sworzeń, który stykał się z powierzchnią ze stali narzędziowej. Normalna siła była przykładana przez siłownik pneumatyczny i mierzona przez ogniwo obciążnikowe. Ruch względny między sworzniem a tarczą został wytworzony przez stół posuwisto-zwrotny.
Pohlman i Lehfeldt9 również przeprowadzili eksperyment z przypinką na dysku. W przeciwieństwie do innych badań, wykorzystali przetwornik magnetostrykcyjny do generowania drgań ultradźwiękowych. Aby zbadać optymalny kierunek redukcji tarcia ultradźwiękowego, przetwornik został starannie ustawiony tak, aby kierunek drgań był wzdłużny, poprzeczny i pionowy do prędkości makroskopowej. Badali oni ultradźwiękową redukcję tarcia zarówno na suchych, jak i smarowanych powierzchniach. Popov i wsp.10 wykorzystali siłownik ze stożkowymi falowodami. Siłownik został umieszczony w kontakcie z obracającą się płytą podstawy. Stożki wykonane z dziewięciu materiałów o różnej twardości zostały przyjęte do badania wpływu twardości materiału na redukcję tarcia ultradźwiękowego. Dong i Dapino11-13 wykorzystali przetwornik piezoelektryczny do generowania i przesyłania drgań ultradźwiękowych do pryzmatycznego falowodu o zaokrąglonych krawędziach. Drgania wzdłużne powodują drgania pionowe z powodu efektu Poissona. Suwak z zakrzywionym wierzchołkiem został umieszczony pod falowodem i stykał się z nim. Zbudowano ramę, aby przyłożyć siły normalne na styku. Suwak został przeciągnięty ręcznie wokół środkowego obszaru falowodu; Siła tarcia była mierzona przez ogniwo obciążnikowe, które było połączone z suwakiem.
Redukcja zużycia wywołana ultradźwiękami została również zbadana i zademonstrowana. Utrata objętości, utrata masy i zmiany chropowatości powierzchni są wykorzystywane do ilościowego określenia stopnia zużycia. Chowdhury i Helali14 wprawiali w wibracje obracający się dysk w układzie kołek na dysku. Drgania były generowane przez konstrukcję nośną składającą się z dwóch równoległych płyt umieszczonych pod obracającą się tarczą. Górna płyta ma kulistą kulkę zainstalowaną poza środkiem na dolnej powierzchni, która wsuwa się w szczelinę, która została wygrawerowana na górnej powierzchni dolnej płyty. Rowek został obrobiony z okresowo zmienną głębokością, dzięki czemu górna płyta porusza się pionowo podczas obrotu. Częstotliwości wahały się w granicach 100 Hz w zależności od prędkości obrotowej.
Bryant i York15-16 badali wpływ mikrowibracji na redukcję zużycia. Umieścili oni cylinder węglowy przez uchwyt, którego jeden koniec spoczywał na obracającym się stalowym krążku, a drugi koniec był połączony ze sprężyną śrubową. W jednym przypadku cylinder był dobrze dopasowany do uchwytu, dzięki czemu nie było miejsca na wibracje. W innych przypadkach pozostawiono luzy, aby umożliwić mikrodrgania cylindra, gdy cylinder stykał się z obracającą się tarczą. Ubytek masy cylindra został zmierzony w celu obliczenia wskaźnika zużycia. Wykazano, że samodzielnie generowane mikrowibracje pomogły zmniejszyć zużycie nawet o 50%.
Goto i Ashida17-18 również przyjęły eksperyment z przypinką na dysku. Połączyli próbki pinów z przetwornikiem za pomocą stożkowego stożka i tuby. Kołek wibrował w kierunku prostopadłym do powierzchni tarczy. Masa została podłączona do przetwornika na jego górze w celu przyłożenia normalnych obciążeń. Siły tarcia zostały przeniesione z momentu obrotowego, który został przyłożony do obrócenia tarczy. Zużycie zostało zidentyfikowane jako adhezyjne, ponieważ zarówno sworzeń, jak i tarcza były wykonane ze stali węglowej. Wskaźniki zużycia obliczono na podstawie pomiarów utraty objętości.
Wykazano, że prędkość liniowa odgrywa ważną rolę w smarowaniu ultradźwiękowym. Eksperymentalny komponent tych badań koncentruje się na zależności tarcia i redukcji zużycia od prędkości liniowej.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Rozwój zmodyfikowanego trybometru
2. Przygotowanie do testu
3. Wykonaj testowanie
4. Pomiary profilometru optycznego
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Reprezentatywne pomiary przedstawione tutaj zostały uzyskane z zmodyfikowanego trybometru pokazanego na rysunku 1. Siłownik piezoelektryczny generuje drgania o amplitudzie 2,5 μm przy częstotliwości 22 kHz. Aby zbadać zależność tarcia i redukcji zużycia od prędkości liniowej, do tarczy zastosowano trzy różne prędkości (20,3, 40,6 i 87 mm/s) poprzez zmianę prędkości obrotowej silnika. Dla wszystkich trzech grup liczba obrotów tarczy i droga przesuwu sworznia zostały wybrane odpowiednio jako 1.600 i 292,5 ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Eksperymenty przeprowadzono przy użyciu tego protokołu w celu zbadania wpływu prędkości liniowej na tarcie ultradźwiękowe i redukcję zużycia. Pomiary pokazują, że drgania ultradźwiękowe skutecznie zmniejszają tarcie i zużycie przy trzech prędkościach liniowych. Zgodnie z wcześniejszymi obserwacjami, stopień redukcji tarcia zmniejsza się z 62,2% przy 20,3 mm/s do 29,3% przy 87 mm/s. Redukcja zużycia jest znikoma przy zmianie prędkości liniowej (od 45,8% do 48,6%).
Właściwości materiału, takie j...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy chcieliby podziękować Timowi Krantzowi z NASA, Glennowi i Duane'owi Detwilerowi z działu badań i rozwoju Hondy za ich wsparcie techniczne i wkład rzeczowy. Wsparcia finansowego dla tych badań udzieliły organizacje członkowskie Smart Vehicle Concepts Center (www.SmartVehicleCenter.org), National Science Foundation Industry/University Cooperative Research Center (I/UCRC). S.D. jest wspierany przez stypendium Smart Vehicle Concepts Graduate Fellowship oraz stypendium uniwersyteckie z The Ohio State University Graduate School.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Silnik prądu stałego | Minarik | SL14 | |
| Wzmacniacz elektryczny | AE Techron | LVC5050 | |
| Kondycjoner sygnału | Vishay Measurements Group | 2310 | |
| Generator sygnału | Agilent | 33120A | |
| Stos piezoelektryczny | EDO corporation | EP200-62 | |
| Techniki przetworników | ogniw obciążnikowych | MLP-50 | |
| Podkładka czujnika obciążenia | FlexiForce | A201 | |
| Miernik laserowy | Keyence corporation | LK-G32 | |
| Sonda Halla i gausmetr | Walker Scientific, Inc. | MG-4D | |
| Moduł akwizycji danych | Fizyka danych | Quattro | |
| Oprogramowanie do akwizycji danych | Fizyka danych | SignalCalc Ace | |
| Czytnik termopar | Omega | HH22 | |
| Profilometr optyczny | Oprogramowanie operacyjne Bruker | Contour GT | |
| Profilometr | Bruker | Wizja 64 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie