अल्ट्रासोनिक स्नेहन पर प्रयोग एक Piezoelectrically की मदद से Tribometer और ऑप्टिकल profilometer का उपयोग
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
घर्षण और पहनने इंजीनियर प्रणालियों के लिए हानिकारक हैं। दो रपट सतहों के बीच इंटरफेस ध्वनिक सीमा (20 किलो हर्ट्ज) के ऊपर एक आवृत्ति पर स्फूर्त है जब अल्ट्रासोनिक स्नेहन हासिल की है। पारंपरिक स्नेहक अव्यावहारिक या अवांछनीय हैं, जहां एक ठोस राज्य प्रौद्योगिकी के रूप में, अल्ट्रासोनिक स्नेहन के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। इसके अलावा, अल्ट्रासोनिक स्नेहन दो रपट सतहों के बीच प्रभावी घर्षण गुणांक के बिजली के मॉडुलन के लिए अनुमति देता है। यह संपत्ति उनकी घर्षण राज्य और परिचालन की स्थिति बदलने के रूप में जुड़े गतिशील प्रतिक्रिया को संशोधित कि अनुकूली सिस्टम सक्षम बनाता है। सतह पहनने भी अल्ट्रासोनिक स्नेहन के माध्यम से कम किया जा सकता है। हम घर्षण बल में कमी की निर्भरता की जांच और ultrasonically lubricated सतहों के बीच रैखिक रपट वेग पर कमी पहनने के लिए एक प्रोटोकॉल विकसित की है। एक पिन-ऑन-डिस्क tribometer एक पीजोइलेक्ट्रिक ढेर 22 पर पिन कंपन करने के लिए प्रयोग किया जाता है कि में वाणिज्यिक इकाइयों से अलग है जो बनाया गया थाघूर्णन डिस्क की सतह के लिए सामान्य किलोहर्ट्ज़। 20.3, 40.6, और 87 मिमी / सेकंड: प्रभावी घर्षण बल, मात्रा घटाने, और सतह खुरदरापन सहित घर्षण और पहनने मेट्रिक्स के बिना और 4 एमपीए और तीन अलग अलग रपट वेग के लिए 1 के एक लगातार दबाव में अल्ट्रासोनिक कंपन के साथ मापा जाता है। एक ऑप्टिकल profilometer पहनने सतहों को चिह्नित करने के लिए उपयोग किया जाता है। प्रभावी घर्षण बल 20.3 मिमी / सेकंड में 62% से कम है। लगातार अल्ट्रासोनिक स्नेहन के लिए मौजूदा सिद्धांतों के साथ, घर्षण बल में प्रतिशत की कटौती की 87 मिमी / सेकंड में नीचे 29% घर्षण बल में कमी करने के लिए, गति बढ़ाने के साथ घटता है। पहनें कमी माना तीन गति पर (49%) अनिवार्य रूप से स्थिर बनी हुई है।
Introduction
वे एक दूसरे से रोल रिश्तेदार स्लाइड या जब घर्षण दो से संपर्क सतहों के इंटरफेस में मौजूद है। घर्षण आमतौर पर घर्षण या चिपकने पहनने के साथ-साथ होता है। 1 Ultrasonics वह यह है कि उच्च आवृत्ति घटना के पीछे का विज्ञान है, लहरों ध्वनिक सीमा (20 किलो हर्ट्ज) के ऊपर आवृत्तियों पर यात्रा। ultrasonics के क्षेत्र में दो मौलिक रूप से अलग व्यवस्थाओं शामिल हैं। एक व्यवस्था ऐसी चिकित्सा अल्ट्रासाउंड या संरचनाओं की गैर विनाशकारी निरीक्षण के रूप में इमेजिंग प्रक्रियाओं में उपयोग उन लोगों की तरह कम तीव्रता तरंगों शामिल है। अन्य उच्च ऊर्जा तरंगों पर अमल या इस तरह के प्लास्टिक और धातु की वेल्डिंग के रूप में इंजीनियरिंग प्रक्रियाओं की सहायता के लिए उपयोग किया जाता है, जिसमें एक उच्च शक्ति शासन है। संपर्क रपट इंटरफेस में प्रभावी घर्षण बल को कम कर देता में यह दो सतहों के इंटरफेस में अल्ट्रासोनिक कंपन के उत्तरार्द्ध तरह का है कि आवेदन दिखाया गया है। इस घटना अल्ट्रासोनिक स्नेहन के रूप में जाना जाता है।
प्राप्त करने के लिएदो रपट वस्तुओं के बीच अल्ट्रासोनिक स्नेहन, अल्ट्रासोनिक आवृत्तियों पर रिश्तेदार कंपन उन दोनों के बीच स्थापित किया जाना चाहिए। कंपन आम तौर पर अनुदैर्ध्य, अनुप्रस्थ, या रपट वेग के सापेक्ष सीधा दिशा में, या तो दो वस्तुओं में से एक को लागू कर रहे हैं। इसकी टिप tribometer के घूर्णन डिस्क को सीधा दिशा में कंपन करती है, ताकि इस अध्ययन में, एक tribometer की पिन एक piezoelectric actuator के साथ फिट है। Piezoelectric सामग्री उत्तेजना क्षेत्र के रूप में एक ही आवृत्ति पर हिल, बिजली क्षेत्र के संपर्क में जब ख़राब है कि 'स्मार्ट' सामग्री के एक वर्ग के हैं। Piezoelectric सामग्री मेगाहर्ट्ज रेंज में अच्छी तरह से आवृत्तियों पर कांपना कर सकते हैं। स्थूल वेग के लिए आरोपित किया जा रहा है, अल्ट्रासोनिक कंपन तात्कालिक घर्षण बल की दिशा और संयोजन में प्रभावी घर्षण बल और सतह पहनने की कमी आती है जो सतहों के बीच संपर्क, बारी का प्रभाव है। </p>
अल्ट्रासोनिक घर्षण कमी व्यावहारिक विनिर्माण सिस्टम में प्रदर्शन किया गया है। उदाहरण के लिए, इस तकनीक के उपकरण और धातु मशीनिंग में काम टुकड़ा है और इस तरह से ड्रिलिंग, दबाव, चादर रोलिंग, और तार खींचने के रूप में प्रक्रियाओं के गठन के बीच बल को कम करने के लिए उपयोग किया गया है। लाभ सतह खत्म 2 और अंतिम उत्पाद से स्नेहक दूर करने के लिए महंगा है और पर्यावरण की दृष्टि से हानिकारक डिटर्जेंट के लिए एक कम आवश्यकता में सुधार शामिल हैं। संभावित अन्य क्षेत्रों में अल्ट्रासोनिक स्नेहन के अनुप्रयोगों के रूप में अच्छी तरह से कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, अल्ट्रासोनिक स्नेहन काफी स्नेहक या कोटिंग्स के लिए आवश्यकता को नष्ट करने से व्यक्तिगत स्वास्थ्य देखभाल उत्पादों में उपयोगकर्ता के अनुभव बढ़ा सकते हैं। वाहन सीटें और पटरियों के बीच घर्षण कम करने अन्यथा पारंपरिक घटकों और mechani के कब्जे में किया जाएगा कि सीट आंदोलन, अंतरिक्ष की बचत और जन की सुविधा है, जबकि ऑटोमोबाइल अनुप्रयोगों में, घर्षण मॉडुलन गेंद जोड़ों के प्रदर्शन में सुधार कर सकते हैंएसएमएस। अल्ट्रासोनिक स्नेहन भी पावरट्रेन और सस्पेंशन सिस्टम में घर्षण को कम करके ईंधन दक्षता में सुधार करने में मदद कर सकते हैं। 3 पारंपरिक स्नेहक इस्तेमाल नहीं किया जा सकता है, जहां अंतरिक्ष अनुप्रयोग, में, अल्ट्रासोनिक स्नेहन पहनने को कम करने और नाटकीय रूप से महत्वपूर्ण घटक के जीवन का विस्तार करने के लिए नियोजित किया जा सकता है।
अल्ट्रासोनिक स्नेहन के माध्यम से घर्षण कम करने की प्रयोगशाला प्रदर्शनों कई हैं। घर्षण कम करने अल्ट्रासोनिक स्नेहन और लागू अल्ट्रासोनिक कंपन के साथ घर्षण बल के बिना मापा घर्षण बल के बीच अंतर के रूप में मात्रा निर्धारित है। या तो मामले में, घर्षण बल सीधे बल सेंसर के साथ मापा जाता है। Littmann एट अल। 4-5 एक बल सेंसर और एक फ्रेम घर्षण बलों को मापने और सामान्य भार को लागू करने के लिए स्थापित किया गया है, जिस पर एक स्लाइडर, एक piezoelectrically संचालित क्रियाकारक जुड़ा हुआ है। एक वायवीय actuator एक गाइड रेल के साथ actuator के साथ एक साथ स्लाइडर पुश करने के लिए नियुक्त किया गया था। Ultrasoniसी कंपन अनुदैर्ध्य रपट वेग करने के लिए दिशा में लागू किया गया। भारद्वाज और Dapino 6-7 ढेर के दोनों छोर पर एक शंक्वाकार waveguide से जुड़ा एक पीजोइलेक्ट्रिक ढेर क्रियाकारक का उपयोग करते हुए इसी तरह के प्रयोगों का आयोजन किया। संपर्क शंकु की गोलाकार किनारों और गाइड रेल की सतह के बीच जगह ले ली। इस तरह के संपर्क कठोरता, सामान्य लोड, और वैश्विक कठोरता के रूप में प्रणाली मानकों के प्रभाव का अध्ययन किया गया। कुमार और हचइंग्स 8 एक अल्ट्रासोनिक transducer द्वारा सक्रिय किया गया था, जो एक sonotrode पर एक पिन स्थापित किया। अल्ट्रासोनिक कंपन उत्पन्न होता है और एक उपकरण स्टील सतह के साथ संपर्क में रखा गया था जो पिन, को प्रेषित किया गया। सामान्य बल एक वायवीय सिलेंडर से आवेदन किया है और एक लोड सेल द्वारा मापा गया था। पिन और डिस्क के बीच सापेक्ष गति एक घूमकर तालिका द्वारा बनाया गया था।
Pohlman और Lehfeldt 9 भी एक पिन-ऑन-डिस्क प्रयोग लागू किया है। अन्य अध्ययनों के विपरीत, वे एक magnetostrict कार्यरतअल्ट्रासोनिक कंपन उत्पन्न करने के लिए ट्रांसड्यूसर ive। अल्ट्रासोनिक घर्षण कम करने के लिए इष्टतम दिशा का अध्ययन करने के लिए, ट्रांसड्यूसर ध्यान से गठबंधन किया गया था इसलिए कंपन दिशा स्थूल वेग को, अनुदैर्ध्य अनुप्रस्थ, और ऊर्ध्वाधर था। वे सूखी और चिकनाई दोनों सतहों पर अल्ट्रासोनिक घर्षण कमी का अध्ययन किया। पोपोव एट अल। 10 शंक्वाकार waveguides के साथ एक actuator का उपयोग किया। क्रियाकारक एक घूर्णन बेस प्लेट के साथ संपर्क में रखा गया था। विभिन्न hardnesses के साथ नौ सामग्री से बना कोन अल्ट्रासोनिक घर्षण कम करने पर सामग्री कठोरता के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए अपनाया गया था। दांग और Dapino 11-13 पैदा करते हैं और गोल किनारों के साथ एक प्रिज्मीय waveguide के लिए अल्ट्रासोनिक कंपन संचारित करने के लिए एक पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर इस्तेमाल किया। अनुदैर्ध्य कंपन के कारण प्वासों प्रभाव के लिए खड़ी कंपन का कारण बनता है। एक घुमावदार शीर्ष के साथ एक स्लाइडर waveguide के तहत और संपर्क में रखा गया था। एक फ्रेम संपर्क इंटरफेस में सामान्य बलों लागू करने के लिए बनाया गया था। टीवह स्लाइडर waveguide के केंद्र क्षेत्र के आसपास मैन्युअल खींच लिया था; घर्षण बल स्लाइडर से जुड़ा था कि एक लोड सेल द्वारा मापा गया था।
Ultrasonically प्रेरित पहनने कमी भी जांच की और प्रदर्शन किया गया। मात्रा घटाने, वजन घटाने, और सतह खुरदरापन परिवर्तन wear.Chowdhury की गंभीरता को यों के लिए कार्यरत हैं और Helali 14 एक पिन-ऑन-डिस्क सेटअप में एक घूर्णन डिस्क स्फूर्त। कंपन घूर्णन डिस्क के अंतर्गत स्थित दो समानांतर प्लेटों की एक समर्थन संरचना द्वारा उत्पन्न किया गया। शीर्ष प्लेट नीचे प्लेट के ऊपर की सतह पर उत्कीर्ण किया गया था कि एक स्लॉट में स्लाइड जो बंद केंद्र नीचे की सतह पर स्थापित एक गोलाकार गेंद है। ऊपर थाली रोटेशन के दौरान खड़ी चलता है कि इतनी स्लॉट एक समय समय पर चर गहराई के साथ machined किया गया था। आवृत्तियों घूर्णन गति के अनुसार 100 हर्ट्ज के आसपास बताया गया।
ब्रायंट और न्यूयॉर्क 15-16 डब्ल्यू पर सूक्ष्म कंपन के प्रभाव का अध्ययनकान में कमी। एक छोर एक कताई इस्पात डिस्क और एक तार वसंत से जुड़ा दूसरे छोर पर विश्राम के साथ वे एक धारक के माध्यम से एक कार्बन सिलेंडर डाला। कंपन के लिए कोई जगह नहीं थी कि इतना एक मामले में, सिलेंडर सुखद धारक में लगाया गया था। अन्य मामलों में, मंजूरी सिलेंडर कताई डिस्क के साथ संपर्क में था, जबकि सिलेंडर की सूक्ष्म कंपन की अनुमति के लिए छोड़ दिया गया। सिलेंडर का वजन कम पहनने दर की गणना करने के लिए मापा गया था। यह स्वयं उत्पन्न सूक्ष्म कंपन करने के लिए 50% से पहनने को कम करने में मदद मिली है कि दिखाया गया था।
गोटो और Ashida 17-18 भी एक पिन-ऑन-डिस्क प्रयोग अपनाया। वे एक पतला शंकु और एक सींग के माध्यम से एक ट्रांसड्यूसर के साथ पिन नमूने जुड़ा हुआ है। पिन डिस्क की सतह के लिए सीधा दिशा में स्फूर्त। एक बड़े पैमाने पर सामान्य भार को लागू करने के लिए अपने शीर्ष पर ट्रांसड्यूसर से जुड़ा था। घर्षण बलों डिस्क को घुमाने के लिए लागू किया गया था कि टोक़ से अनुवाद किया गया। पहनें क्योंकि दोनों चिपकने के रूप में पहचान की गई थीपिन और डिस्क कार्बन स्टील के बने थे। पहनें दरों की मात्रा घटाने माप से गणना की गई।
यह रेखीय गति अल्ट्रासोनिक स्नेहन में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है कि दिखाया गया है। इस शोध के प्रयोगात्मक घटक रेखीय गति पर घर्षण और पहनने में कमी की निर्भरता पर केंद्रित है।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्रयोगों अल्ट्रासोनिक घर्षण और पहनने में कमी पर रेखीय गति के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए इस प्रोटोकॉल का उपयोग किया गया। माप अल्ट्रासोनिक कंपन को प्रभावी ढंग से घर्षण को कम करने और तीन रेखीय गति पर पह…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों योगदान उनकी तकनीकी सहायता के लिए और खास तरह का होंडा आर एंड डी से नासा ग्लेन और Duane Detwiler से टिम Krantz स्वीकार करना चाहते हैं। इस शोध के लिए वित्तीय सहायता स्मार्ट वाहन अवधारणाओं केंद्र (www.SmartVehicleCenter.org) के सदस्य संगठनों द्वारा प्रदान किया गया था, एक राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन उद्योग / विश्वविद्यालय सहकारी अनुसंधान केंद्र (मैं / UCRC)। एसडी एक स्मार्ट वाहन अवधारणाओं ग्रेजुएट फैलोशिप और ओहियो राज्य विश्वविद्यालय के ग्रेजुएट स्कूल से एक विश्वविद्यालय फैलोशिप द्वारा समर्थित है।
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
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