ניסויים בUltrasonic שימון שימוש Tribometer סייע-Piezoelectrically וProfilometer האופטי
Summary
We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties.
Abstract
חיכוך ושחיקה פוגע מערכות מהונדסות. שימון Ultrasonic מושגת כאשר הממשק בין שני משטחי החלקה הוא רטט בתדר מעל טווח אקוסטי (20 קילוהרץ). כטכנולוגיה של מצב מוצק, ניתן להשתמש בו סיכה קולית חומרי סיכה רגילות הן ישימות או לא רצויים. יתר על כן, שימון קולי מאפשר לאפנון חשמלי של מקדם החיכוך היעיל בין שני משטחי החלקה. מאפיין זה מאפשר למערכות אדפטיבית המשנות מדינת החיכוך שלהם ותגובה דינמית הקשורים כשינוי תנאי הפעלה. ללבוש פני השטח גם יכול להיות מופחת באמצעות סיכה קולית. פיתחנו פרוטוקול לחקור את התלות של הפחתת כוח חיכוך ושחיקת הפחתה במהירות החלקה ליניארי בין משטחים משומנים ultrasonically. Tribometer פינים על-דיסק נבנה שונה מיחידות מסחריות שבמחסנית פיזואלקטריים משמשת לרטוט הסיכה ב 22kHz הרגיל אל פני השטח הדיסק מסתובב. חיכוך ומדדים ללבוש כוללים כוח חיכוך יעיל, אובדן נפח, וחספוס פני השטח נמדדים בלי ועם תנודות קולי בלחץ מתמיד של 1 עד 4 MPa ושלוש מהירויות גלישה שונות: 20.3, 40.6, ו -87 מ"מ / sec. Profilometer אופטי מנוצל כדי לאפיין את משטחי הבלאי. כוח החיכוך האפקטיבי הוא מופחת על ידי 62% ב20.3 מ"מ / sec. באופן עקבי עם תאוריות קיימות לשימון קולי, הפחתת אחוז בכוח החיכוך פוחתת עם העלייה במהירות, עד 29% הפחתת כוח החיכוך בגיל 87 מ"מ / sec. הפחתת בלאי נשארת למעשה קבועה (49%) בשלוש מהירויות נחשבות.
Introduction
חיכוך קיים בממשק של שני משטחי פנייה כשהם להחליק או רול יחסית זה לזה. החיכוך מתרחש בדרך כלל יחד עם בלאי שוחק או דבק. 1 אולטרסוניקה היא המדע שמאחורי תופעות תדר גבוהות, כלומר, גלים הנעים בתדרים מעל טווח אקוסטי (20 קילוהרץ). תחום אולטרסוניקה כולל שני משטרים שונים במהותו. משטר אחד כרוך גלים בעצימות נמוכים כמו אלה המשמשים בתהליכי הדמיה כגון אולטרסאונד הרפואי או בדיקה לא הרסנית של מבנים. האחרים הוא משטר מתח גבוה שבו גלי אנרגיה גבוהה משמשים לביצוע או לסייע בתהליכי הנדסה כגון ריתוך פלסטיק ומתכות. הוכח כי יישום של הסוג השני של תנודות קולי בממשק של שני משטחים במגע הזזה מפחיתה את כוח החיכוך היעיל בממשק. תופעה זו ידועה בשם שימון קולי.
להשיגשימון קולי בין שני אובייקטים זזים, רטט יחסי בתדרים קוליים יש לקבוע ביניהם. תנודות מיושמות בדרך כלל לאחת משני האובייקטים, או באורך, הרוחב, או הכיוון ניצבת ביחס למהירות הגלישה. במחקר זה, הסיכה של tribometer מצוידת בהינע פיזואלקטריים כך שהקצה שלה רוטט בכיוון מאונך לדיסק מסתובב של tribometer. חומרים פיזואלקטריים הם קבוצה של חומרים "חכמים" שלעוות בעת חשיפה לשדות חשמליים, רוטטת באותה התדירות כמו שדה העירור. חומרים פיזואלקטריים יכולים לרטוט בתדרים גם לטווח MHz. שגבי למהירות מקרוסקופית, יש תנודות קולי השפעה לסירוגין הכיוון של כוח החיכוך המיידי והמגע בין המשטחים, אשר בשילוב מוביל לירידה של כוח החיכוך ובלאי משטח היעיל. </p>
הפחתת חיכוך Ultrasonic הודגמה במערכות ייצור מעשיות. לדוגמא, טכנולוגיה זו נוצלה כדי להפחית את הכוח בין הכלי וחתיכת עבודה בעיבוד מתכת ויצירת תהליכים כגון קידוח, לחיצה, גלגול גיליון, וציור תיל. יתרונות כוללים שיפור משטח גימור 2 וצורך מופחת לחומרי ניקוי יקרים ומזיקים לסביבה כדי להסיר חומרי סיכה מהמוצר הסופי. ישנם יישומים פוטנציאליים של שימון קולי בתחומים אחרים גם כן. לדוגמא, שימון קולי יכול באופן משמעותי לשפר את חווית המשתמש במוצרי בריאות אישיות על ידי ביטול צורך חומרי סיכה או ציפוי. ביישומי רכב, אפנון חיכוך יכול לשפר את הביצועים של מפרקי כדור ואילו הפחתת חיכוך בין מושבי רכב ומסילות מאפשרת תנועת מושבים, חלל ומסת חיסכון שאחרת היה תפוסה על ידי רכיבים וmechani מסורתייםסמס. שימון קולי יכול גם לעזור כדי לשפר את יעילות דלק על ידי הפחתת חיכוך במערכות הינע והשעיה. 3 ביישומי חלל, שבו לא ניתן להשתמש בחומרי סיכה מסורתיות, שימון קולי יכול להיות מועסק על מנת להפחית באופן דרמטי ללבוש ולהאריך את חיי רכיבים קריטיים.
הפגנות מעבדה של הפחתת חיכוך באמצעות סיכה קולית הן רבות. הפחתת חיכוך היא לכמת כהפרש בין כוח החיכוך שנמדד ללא שימון קולי וכוח החיכוך עם תנודות קוליים מיושמות. בכל מקרה, כוח החיכוך נמדד ישירות עם חיישני כוח. ליטמן ואח '. 4-5 מחובר מפעיל piezoelectrically מונע למחוון, שבו חיישן כוח ומסגרת הותקנו למדידת כוחות החיכוך ויישום עומסים נורמלים. מפעיל פנאומטי הועסק לדחוף את המחוון יחד עם המפעיל לאורך מעקה מדריך. Ultrasoniתנודות ג יושמו בכיוון אורך למהירות הגלישה. Bharadwaj וDapino 6-7 ערכו ניסויים דומים באמצעות מפעיל ערימה פיזואלקטריים מחובר למוליך גל חרוטי בשני קצוות של המחסנית. מגעים התנהלו בין הקצוות כדוריים של קונוסים ופני השטח של מעקה המדריך. ההשפעות של פרמטרים מערכת כגון קשר נוקשות, עומס רגיל, וקשיחות הגלובלית נחקרו. קומאר וHutchings 8 מותקן סיכה על sonotrode שמופעל על ידי מתמר קולי. תנודות קוליות נוצרו ומועברות לפין, שהונח במגע עם משטח פלדת כלי. כוח נורמלי יושם על ידי צילינדרים פניאומטיים ונמדד על ידי תא עומס. התנועה היחסית בין הסיכה והדיסק נוצרה על ידי שולחן הדדיות.
Pohlman ו -9 Lehfeldt מיושמים גם ניסוי פינים על-דיסק. בניגוד למחקרים אחרים, הם מועסקים magnetostrictive מתמר ליצור תנודות קולית. כדי לחקור את הכיוון האופטימלי להפחתת חיכוך קולית, מתמר היה מיושר בזהירות כך שכיוון הרטט היה אורך, רוחב, ואנכי למהירות מקרוסקופית. הם למדו הפחתת חיכוך קולית על שני משטחים יבשים ומשומנים. פופוב et al. 10 מנוצל מפעיל עם גלבו חרוטי. המפעיל הושם במגע עם צלחת בסיס מסתובבת. קונוס עשוי תשעה חומרים עם קשיות שונות אומצו ללמוד את ההשפעה של קשיות מהותיות על הפחתת חיכוך קולית. דונג וDapino 11-13 משמשים מתמר פיזואלקטריים לייצר ולהעביר תנודות קולי למוליך גל מנסרתי עם קצוות מעוגלים. רטט האורך גורם רטט אנכי בשל ההשפעה של פואסון. מחוון עם ראש מעוגל הושם ובמגע מוליך גל. מסגרת נבנתה ליישם כוחות נורמלים בממשק המגע. Tהוא המחוון נשלף באופן ידני באזור מרכז מוליך גל; כוח החיכוך נמדד על ידי תא עומס שהיה קשור למחוון.
הפחתת בלאי ultrasonically-induced נחקרה גם והפגינה. אובדן נפח, ירידה במשקל, וחספוס פני השטח שינויים מועסקים לכמת את חומרת wear.Chowdhury ו -14 Helali רטט דיסק מסתובב בהתקנת סיכה על-דיסק. התנודות נוצרו על ידי מבנה תמיכה של שני לוחות מקבילים ממוקמים מתחת לדיסק מסתובב. יש הצלחת העליונה כדור כדורי המותקן מחוץ למרכז על המשטח התחתון, אשר מחליק בחריץ שנחקק על פני השטח העליונים של הצלחת התחתונה. החריץ היה במכונה עם עומק מעת לעת משתנה כך שהצלחת העליונה נעה אנכית במהלך סיבוב. התדרים נעו סביב 100 הרץ בהתאם למהירות הסיבוב.
בראיינט ויורק 15-16 בחנו את ההשפעה של מיקרו-תנודות בwהפחתת אוזן. הם הוכנסו גליל פחמן באמצעות בעל עם קצה אחד נח על דיסק פלדת ספינינג ואת הקצה השני מחובר לקפיץ סליל. במקרה אחד, הגליל היה מצויד צמוד בבעל כל כך שלא היה מקום לרעידות. במקרים אחרים, קרחות עזבו כדי לאפשר מיקרו-תנודות של הגליל תוך הגליל היה במגע עם הדיסק מסתובב. הירידה במשקל של הגליל נמדדה כדי לחשב את השיעור ללבוש. זה היה הראה כי מיקרו-התנודות העצמית שנוצר סייעו להפחית בלאי בשיעור של עד 50%.
גוטו וAshida 17-18 אימצו גם ניסוי פינים על-דיסק. הם מחוברים דגימות סיכה עם מתמר באמצעות חרוט מחודד וצופר. סיכת רטט בכיוון מאונך למשטח הדיסק. מסה הייתה קשורה למתמר על גבי להחלת עומסים נורמלים. כוחות החיכוך תורגמו מהמומנט שיושם כדי לסובב את הדיסק. תלבש זוהה כדבק כי שניהםסיכה ודיסק היו עשויים מפלדת פחמן. שיעורים תלבש חושבו מתוך מדידות אובדן נפח.
הוכח שמהירות ליניארי ממלאת תפקיד חשוב בויסות קולית. הרכיב הניסיוני של מחקר זה מתמקד בתלות של הפחתת חיכוך ובלאי במהירות ליניארי.
Protocol
Representative Results
Discussion
ניסויים שנערכו תוך שימוש בפרוטוקול זה כדי לחקור את ההשפעה של מהירות ליניארי על חיכוך קולי והפחתת בלאי. המדידות מראות כי תנודות קולי ביעילות להפחית חיכוך ושחיקה בשלוש מהירויות ליניארי. עולה בקנה אחד עם תצפיות מוקדמות, הסכום של הפחתת חיכוך יורד מ62.2% ב20.3 מ"מ / שנייה ל29…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להכיר טים קראנץ מנאס"א גלן ודוויין דטוויילר מהונדה מו"פ לתמיכה הטכנית שלהם ובסוג תרומה. תמיכה כספית למחקר זה סופקה על ידי ארגוני החברים של מרכז Smart רכב מושגים (www.SmartVehicleCenter.org), קרן המדע והתעשייה / אוניברסיטת מרכז מחקר שיתופי לאומי (I / UCRC). SD נתמך על ידי מושגים חכמים רכב בוגר מלגה ומלגת אוניברסיטה מבית הספר למוסמכי אוניברסיטת מדינת אוהיו.
Materials
| DC Motor | Minarik | SL14 |
| Electrical amplifier | AE Techron | LVC5050 |
| Signal conditioner | Vishay Measurements Group | 2310 |
| Signal generator | Agilent | 33120A |
| Piezoelectric stack | EDO corporation | EP200-62 |
| Load cell | Transducer Techniques | MLP-50 |
| Load sensor pad | FlexiForce | A201 |
| Laser meter | Keyence corporation | LK-G32 |
| Hall-effect probe and gaussmeter | Walker Scientific, Inc. | MG-4D |
| Data acquisition module | Data Physics | Quattro |
| Data acquisition software | Data Physics | SignalCalc Ace |
| Thermocouple reader | Omega | HH22 |
| Optical profilometer | Bruker | Contour GT |
| Profilometer operation software | Bruker | Vision 64 |
References
- Bhushan, B. . Introduction to tribology. , (2002).
- Severdenko, V., Klubovich, V., Stepanenko, A. . Ultrasonic rolling and drawing of metals. , (1972).
- Taylor, R., Coy, R. Improved fuel efficiency by lubricant design: a review. Proc. Instit. Mech. Eng., Part J: J Eng. Tribol. 214 (1), 1-15 (2000).
- Littmann, W., Storck, H., Wallaschek, J. Sliding friction in the presence of ultrasonic oscillations: superposition of longitudinal oscillations. Arch. Appl. Mech. 71 (8), 549-554 (2001).
- Littmann, W., Storck, H., Wallaschek, J. Reduction in friction using piezoelectrically excited ultrasonic vibrations. Proc. SPIE. 4331, (2001).
- Bharadwaj, S., Dapino, M. J. Friction control in automotive seat belt systems by piezoelectrically generated ultrasonic vibrations. Proc. SPIE. 7645, 7645E (2010).
- Bharadwaj, S., Dapino, M. J. Effect of load on active friction control using ultrasonic vibrations. Proc. SPIE. 7290, 7290G (2010).
- Kumar, V., Hutchings, I. Reduction of the sliding friction of metals by the application of longitudinal or transverse ultrasonic vibration. Tribol. Int. 37 (10), 833-840 (2004).
- Pohlman, R., Lehfeldt, E. Influence of ultrasonic vibration on metallic friction. Ultrasonics. 4 (4), 178-185 (1966).
- Popov, V., Starcevic, J., Filippov, A. Influence of Ultrasonic In-Plane Oscillations on Static and Sliding Friction and Intrinsic Length Scale of Dry Friction Processes. Tribol. Lett. 39 (1), 25-30 (2010).
- Dong, S., Dapino, M. J. Piezoelectrically-induced ultrasonic lubrication by way of Poisson effect. Proc. SPIE. 8343, 83430L (2012).
- Dong, S., Dapino, M. J. Elastic-plastic cube model for ultrasonic friction reduction via Poisson effect. Ultrasonics. 54 (1), 343-350 (2014).
- Dong, S., Dapino, M. J. Wear Reduction Through Piezoelectrically-Assisted Ultrasonic Lubrication. Smart. Mater. Struct. 23 (10), 104005 (2014).
- Chowdhury, M., Helali, M. The effect of frequency of vibration and humidity on the wear rate. Wear. 262 (1-2), 198-203 (2014).
- Bryant, M., Tewari, A., York, D. Effect of Micro (rocking) vibrations and surface waviness on wear and wear debris. Wear. 216 (1), 60-69 (1998).
- Bryant, M., York, D. Measurements and correlations of slider vibrations and wear. J. Tribol. 122 (1), 374-380 (2000).
- Goto, H., Ashida, M., Terauchi, Y. Effect of ultrasonic vibration on the wear characteristics of a carbon steel: analysis of the wear mechanism. Wear. 94, 13-27 (1984).
- Goto, H., Ashida, M., Terauchi, Y. Wear behaviour of a carbon steel subjected to an ultrasonic vibration effect superimposed on a static contact load. Wear. 110 (2), 169-181 (1986).
- Robinowicz, E. . The friction and wear of materials. , (1965).
- Bowden, F., Freitag, E. The friction of solids at very high speeds. Proc. R. Soc. A. 248 (1254), 350-367 (1985).
- Burwell, J., Rabinowicz, E. The nature of the coefficient of friction. J. Appl. Phys. 24 (2), 136-139 (1953).
- Cocks, M. Interaction of sliding metal surfaces. J. Appl. Phys. 33 (7), 2152-2161 (1962).
- Rusinko, A. . Ultrasound and Irrecoverable Deformation in Metals. , (2012).
