Eksperymenty nad smarowaniem ultradźwiękowym przy użyciu trybometru wspomaganego piezoelektrycznie i profilometru optycznego
28 września 2015
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.
Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest zbadanie zależności tarcia i redukcji zużycia od prędkości liniowej w smarowaniu ultradźwiękowym. Osiąga się to poprzez przeprowadzenie najpierw testów na zmodyfikowanym sworzniu na dysku TER, przy jednoczesnym rejestrowaniu sił tarcia w czasie rzeczywistym podczas testów, w drugim kroku wykorzystuje się profilometr optyczny do scharakteryzowania zużycia, zapewniając profile 2D i 3D, chropowatość powierzchni i straty objętości w rowkach. Następnie tarcie i redukcja zużycia na poziomie trzech.
Prędkości liniowe są określane ilościowo za pomocą zmierzonych sił tarcia i obliczonych wskaźników zużycia. Wyniki pokazują, że smarowanie ultradźwiękowe zmniejsza efektywną siłę tarcia nawet o 62%, a zużycie powierzchni nawet o 49%Redukcja tarcia zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości liniowej, podczas gdy redukcja zużycia pozostaje zasadniczo stała przy trzech prędkościach liniowych. Rozważane Smarowanie ultradźwiękowe jest dobrze znaną technologią zmniejszania, a w rzeczywistości kontrolowania efektywnego współczynnika tarcia między przesuwającymi się obiektami.
Działa poprzez wibrowanie jednego lub obu obiektów o częstotliwościach ultradźwiękowych, czyli o częstotliwościach powyżej 20 kiloherców. Smarowanie ultradźwiękowe zostało wdrożone w procesach produkcyjnych, takich jak wytłaczanie i ciągnienie drutu, będące technologią smarowania w stanie stałym. Może być stosowany w zastosowaniach, w których tradycyjne smary są niepożądane.
Na przykład w kosmosie Aby zbudować niezbędny TER, najpierw zmontuj podsystem silnika uchwytu, wykonaj ten montaż na stole izolacyjnym. Pierwszy poziom, silnik prądu stałego z podkładkami i ustaleniem jego pozycji za pomocą rozpórek i. Następnie umieść ramę nośną wokół silnika.
Następnie połącz wałek wielowypustu z wałem silnika za pomocą klucza, kontynuując wsuwanie płyty nośnej na wał wielowypustowy. Następnie umieść łożysko igiełkowe wzdłużne na płycie nośnej. W razie potrzeby nasmaruj łożysko płynami chłodząco-smarującymi, aby zakończyć montaż podsystemu silnika uchwytu.
Podłącz uchwyt do płyty adaptera za pomocą trzech i dokręć. Umieść uchwyt na płycie nośnej przez łożysko igiełkowe wzdłużne. Umieść zespół gimbala z ramą nośną na miejscu.
Posiada poziomo zorientowane ogniwo obciążnikowe połączone z ramieniem gimbala za pomocą drutu do pomiaru tarcia. Następnie zmontuj siłownik elektryczny piso. Najpierw włóż trzycalowy pręt gwintowany przez stos elektryczny Piso.
Zabezpiecz go podkładkami i nakrętkami, pozostawiając około jednej ósmej cala pręta dostępnego na jednym końcu. Następnie dokręć nakrętki, aby wstępnie obciążyć stos. Następnie połącz długie, odsłonięte gwinty z ramieniem gimbala za pomocą nakrętek i podkładek.
Nakręć nakrętkę żołędziową na drugi koniec siłownika piso w celach konfiguracyjnych, bez testowania. Następnie włóż tarczę do uchwytu i wyreguluj położenie tarczy tak, aby nakrętka żołędziowa stykała się z górną częścią tarczy, a ramię gimbala było wypoziomowane. Dostosuj położenie zespołu gimbala tak, aby nakrętka stykała się z dyskiem w odległości około 25 milimetrów od środka dysku.
Aby zakończyć, dokręć wszystkie w konfiguracji i przymocuj konfigurację do komputera. Krążki testowe i nakrętki należy czyścić w rękawicach. Użyj etanolu do oczyszczenia powierzchni tarczy testowej i nakrętki żołędziowej.
Teraz usuń nakrętkę żołędziową używaną do konfiguracji. Następnie nakręć nową czystą nakrętkę i mocno ją dokręc. Po dokręceniu sprawdź wyrównanie i dokręć uchwyt tak, aby tarcza była mocna i upewnij się, że nakrętka żołędziowa jest mocno dokręcona do siłownika.
Bardzo ważne jest, aby mocno dokręcić nakrętkę żołędziową do siłownika elektrycznego epi, w przeciwnym razie może się ona poluzować podczas testu, co spowoduje, że drgania ultradźwiękowe nie będą przenoszone, a tym samym staną się nieskuteczne. Aby skonfigurować test, zastosuj normalne obciążenie między nakrętką testową a dyskiem, zawieszając odważnik o wartości dwóch niutonów na jednym haku, który łączy się z ramieniem gimbala. Następnie zawieś kolejne dwa niutonowe ciężarki na drugim haku, który łączy się z ramieniem gimbala.
Zapewnia to poziome naprężenie wstępne czujnika wagowego. Następnie podłącz siłownik i generator sygnału do wzmacniacza. Ustaw generator sygnału tak, aby zapewniał ciągły sygnał sinusoidalny.
Użyj amplitudy trzech woltów i częstotliwości 22 kiloherców. Częstotliwość rezonansowa siłownika piso obejmuje przesunięcie prądu stałego o trzy wolty, aby zapobiec naprężeniu w siłowniku pizo. Teraz zacznij zbierać dane, aby zmierzyć zmniejszoną siłę tarcia.
Włącz amplifier i ustaw wzmocnienie na 15, co odpowiada rzeczywistemu wzmocnieniu 4,67. Następnie włącz silnik i ustaw prędkość obrotową zgodnie z potrzebami. Uruchom test na trzy godziny, a następnie wyłącz silnik i amplifier i zakończ akwizycję danych.
Usuń nakrętkę żołędziową i krążek testowy, a następnie oznacz dysk testowy warunkami testu. Zawsze używaj nowej nakrętki i powierzchni testowej do każdego testu. Aby zmierzyć tarcie wewnętrzne, użyj tej samej prędkości liniowej przy wyłączonym wzmacniaczu i generatorze sygnału.
Powtórz to samo badanie dla innych prędkości liniowych. Na końcu powinno zostać utworzonych sześć rowków ściernych. W ramach przygotowań wyczyść dyski testowe bezpośrednio przed pomiarami.
Tak jak poprzednio, ważne jest, aby oczyścić krążki z próbkami przed pomiarami perterowymi i luźno przymocować cząstki zużycia lub ciała obce do rowka ściernego. Zostały naruszone położenie mierzonych profili i utrata objętości. Następnie wykonaj osiem równomiernie rozmieszczonych znaków wokół krawędzi dysku.
Teraz otwórz oprogramowanie profilometru za pomocą oprogramowania. Podnieś soczewkę tak, aby był wystarczający odstęp między soczewką a sample platforma. Następnie wypoziomuj platformę próbki i umieść na niej kawałek chusteczki laboratoryjnej.
Delikatnie umieść próbkę na wierzchu tkanki tak, aby jeden z ośmiu znaków był skierowany do przodu barometru. Skonfiguruj parametry skanowania w oprogramowaniu. Zeskanuj rowek i zapisz zdjęcia profilowe oraz dane dotyczące chropowatości.
Następnie obróć próbkę w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aż następny znak będzie skierowany w stronę przodu profilometru i powtórz proces dla pozostałych znaków. Po zakończeniu z jednym krążkiem powtórz pomiary dla pozostałych pięciu krążków. Siłę tarcia próbkowano z częstotliwością 400 Hz przy użyciu dwóch sekundowych okien próbkowania, obliczono średnie wartości zmierzonego tarcia i wykreślono w stosunku do odległości, jaką pokonuje sworzeń.
Siły tarcia wewnętrznego są reprezentowane za pomocą kropek, podczas gdy siły tarcia z drganiami ultradźwiękowymi są pokazane. W przypadku xs siła tarcia pozostawała praktycznie stała po osiągnięciu pracy w stanie ustalonym. Następnie procent redukcji dla każdej prędkości liniowej został wykreślony w stosunku do odległości przebytej przez kołek.
Drgania ultradźwiękowe zmniejszały siłę tarcia w stanie ustalonym przy każdej badanej prędkości liniowej. Jednak korzyści zmniejszały się wraz ze wzrostem prędkości liniowej, gdzie porównywano rowki z drganiami ultradźwiękowymi i bez nich. Można zauważyć, że rowki wydają się bardziej nierówne i nie odbijają światła, gdy zastosowano wibracje ultradźwiękowe.
Profile 3D, wartości chropowatości powierzchni i ubytki objętościowe rowków uzyskano ze skanów profilometru. Rowki 3D z wibracjami ultradźwiękowymi były wąskie, szorstkie i płytkie w porównaniu z tymi bez wibracji ultradźwiękowych. Potwierdza to pogląd, że drgania ultradźwiękowe zmniejszają zużycie, wskaźniki zużycia i parametry chropowatości powierzchni były mniejsze, gdy obecne były drgania ultradźwiękowe, co jest również wskaźnikiem redukcji zużycia.
Procent redukcji zużycia pozostawał praktycznie stały wraz ze wzrostem prędkości. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak przeprowadzać ultradźwiękowe testy smarowania na zmodyfikowanym sworzniu na dysku i scharakteryzować, gdzie za pomocą profilaktyki optycznej Za pomocą tego tarcia ultradźwiękowego i redukcji zużycia można badać nie tylko prędkość liniową, ale także kluczowe parametry, takie jak naprężenie normalne, kombinacje materiałów, i pobór mocy ultradźwiękowej.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje zależność redukcji tarcia i zużycia od prędkości liniowej w smarowaniu ultradźwiękowym. Z wykorzystaniem zmodyfikowanego tribometru typu pin-on-disc oraz profilometru optycznego w pracy badawczej określono ilościowo siły tarcia oraz charakterystykę zużycia.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Trybologia
- Inżynieria materiałowa
- Inżynieria mechaniczna
Wstęp
- Smarowanie ultradźwiękowe jest techniką redukcji tarcia pomiędzy powierzchniami ślizgowymi.
- Zrozumienie zależności między prędkością liniową a tarciem może poprawić strategie smarowania.
- Charakterystyka zużycia jest niezbędna do oceny właściwości materiałów.
- Pomiar siły tarcia w czasie rzeczywistym zwiększa dokładność wyników.
Cel badania
- Zbadanie wpływu prędkości liniowej na tarcie i zużycie w smarowaniu ultradźwiękowym.
- Ilościowe określenie skuteczności smarowania ultradźwiękowego w zmiennych warunkach.
- Charakterystyka zużycia z wykorzystaniem profilometrii optycznej.
Zastosowane metody
- Zmodyfikowany tribometr typu pin-on-disc do badań tarcia.
- Rejestracja sił tarcia w czasie rzeczywistym podczas testów.
- Profilometr optyczny do charakteryzacji zużycia.
- Analiza 2D i 3D profili powierzchni oraz chropowatości.
Główne wyniki
- Smarowanie ultradźwiękowe redukuje efektywną siłę tarcia o maksymalnie 62%.
- Zużycie powierzchni jest zredukowane o maksymalnie 49%.
- Redukcja tarcia maleje wraz ze wzrostem prędkości liniowej.
- Redukcja zużycia pozostaje stosunkowo stała przy różnych prędkościach.
Wnioski
- Smarowanie ultradźwiękowe jest skuteczne w kontrolowaniu tarcia i zużycia.
- Prędkość liniowa odgrywa istotną rolę w redukcji tarcia.
- Dalsze badania mogłyby zoptymalizować parametry smarowania ultradźwiękowego.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Smarowanie ultradźwiękowe oferuje podejście w stanie stałym do kontroli tarcia i zużycia w sytuacjach, gdy konwencjonalne środki smarne są niepraktyczne, np. w ekstremalnych środowiskach lub w precyzyjnych procesach produkcyjnych. Zdolność do modulowania tarcia za pomocą wibracji ultradźwiękowych umożliwia tworzenie systemów adaptacyjnych, które dynamicznie reagują na zmieniające się warunki operacyjne, co wspiera konserwację predykcyjną i wydłuża żywotność komponentów. Technologia ta zapewnia redukcję ryzyka mechanistycznego w zastosowaniach tribologicznych w inżynierii precyzyjnej i zaawansowanych kontekstach produkcyjnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie zachowania tarcia na granicach międzyfazowych materiałów w kontrolowanych warunkach wibracyjnych.
- Wartość użytkowa: Zapewnia platformę do oceny systemów bezsmarowych w środowiskach mikrofluidycznych lub pomieszczeniach czystych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Wspiera opracowanie zestandaryzowanych testów zużycia i tarcia do screeningu materiałów.
- Wartość operacyjna: Ułatwia powtarzalną kwantyfikację degradacji powierzchni za pomocą profilometrii optycznej.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Umożliwia ocenę trwałości materiału w symulowanych fizjologicznych warunkach poślizgu.
- Wartość operacyjna: Wspiera przedkliniczną ewaluację wydajności interfejsu implantu lub urządzenia.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z procesami badawczymi, umożliwiając wczesną ocenę tribologiczną materiałów przed przejściem do etapu optymalizacji wiodących związków lub testów przedklinicznych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących stabilności interfejsu i mechanizmów zużycia w oddziaływaniach biomateriałów.
- Przesiewanie: Dostarcza ilościowych i powtarzalnych odczytów tarcia i zużycia do porównawczej oceny materiałów.
- Analityka: Generuje mierzalne wyniki, w tym redukcję siły tarcia, ubytek objętości oraz chropowatość powierzchni, umożliwiając podejmowanie decyzji w oparciu o dane.
- Badania translacyjne: Łączy dane o zużyciu in vitro z prognozami trwałości urządzeń in vivo.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy wielokrotnego użytku platformę tribologiczną do przesiewania kompatybilności materiałowej w różnych projektach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Pewność predykcyjna w doborze materiałów dzięki ilościowemu określeniu modulacji tarcia i zużycia.
- Wartość operacyjna: Standaryzowane testy z kontrolowanymi wibracjami ograniczają zmienność w ocenach tribologicznych.
- Wartość strategiczna: Dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o dopuszczalności materiałów w dynamicznych zastosowaniach mechanicznych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację materiałów z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o odporność na zużycie w warunkach naprężeń operacyjnych.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu trybologii, aktuacji piezoelektrycznej oraz precyzyjnego montażu mechanicznego.
- Wymaga zastosowania aparatury, w tym zmodyfikowanego tribometru typu pin-on-disc, profilometru optycznego oraz sprzętu do generowania sygnałów.
- Wymaga standaryzacji warunków testowych, takich jak obciążenie normalne, prędkość poślizgu i częstotliwość ultradźwiękowa, pomiędzy zespołami.
- Wiąże się z koniecznością dostosowania parametrów do różnych par materiałowych, geometrii powierzchni oraz warunków środowiskowych.
- Ograniczone potrzebą precyzyjnego wyrównania i sprzężenia energii ultradźwiękowej z interfejsem poślizgowym w celu zapewnienia efektywnej transmisji drgań.
