Эксперименты по ультразвуковой смазки Использование пьезоэлектрически содействии Tribometer и оптических профилометром
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
Трение и износ вредны для инженерных систем. Ультразвуковой смазки достигается, когда интерфейс между двумя скользящими поверхностями вибрирует на частоте выше акустическом диапазоне (20 кГц). В твердотельном технологии, ультразвуковой смазки может быть использован там, где обычные смазочные материалы невозможным или нежелательным. Кроме того, ультразвуковой смазки позволяет электрической модуляции эффективного коэффициента трения между двумя скользящими поверхностями. Это свойство позволяет адаптивных систем, которые изменяют их состояние трения и связанного динамический отклик как изменения условий эксплуатации. Поверхность износа может быть также снижена путем ультразвуковой смазки. Мы разработали протокол, чтобы исследовать зависимость снижения силы трения и износа снижение на линейной скорости скольжения между ультразвуковым смазанных поверхностей. Трибометр пин-на-диска был построен, которая отличается от коммерческих единиц, что пьезоэлектрический стек используется для вибрировать штифт на 22кГц нормали к вращающейся поверхности диска. Трение и износ метрики в том числе эффективной силы трения, потери объема и шероховатости поверхности измеряется без и с ультразвуковых колебаний при постоянном давлении от 1 до 4 МПа и трех различных скоростей скольжения: 20,3, 40,6, и 87 мм / сек. Оптический профилометр используется для характеристики износа поверхностей. Эффективное сила трения уменьшается на 62% при 20,3 мм / сек. Последовательно с существующими теориями для ультразвуковой смазки, снижение процентов силы трения уменьшается с увеличением скорости, вплоть до 29% снижения силы трения на 87 мм / сек. Снижение износа остается практически постоянной (49%) при трех скоростях рассмотренных.
Introduction
Трение существует в границе раздела двух контактирующих поверхностей, когда они скользят или рулона относительно друг друга. Трение обычно происходит вместе с абразивным износом или липкой. 1 Ультразвук является наука за высоких частот явлений, то есть волн, распространяющихся на частотах выше акустическом диапазоне (20 кГц). Поле ультразвука включает два принципиально различных режимов. Один режим включает в себя низкие интенсивности волны, подобные тем, используются в процессах обработки изображений, такие как УЗИ или медицинской неразрушающего контроля конструкций. Другой высокий режим питания, в котором высокоэнергетические волны используются для выполнения или оказания помощи технологических процессов, таких как сварка пластмасс и металлов. Было показано, что применение последнего вида ультразвуковых колебаний на границе раздела двух поверхностей в скользящем контакте уменьшает эффективную силу трения на поверхности раздела. Это явление известно как ультразвуковой смазки.
ДостигатьУльтразвуковой смазки между двумя скользящими объектов, относительные колебания в ультразвуковых частот должна быть установлена между ними. Вибрации, как правило, применяется к одному из двух объектов, либо в продольных, поперечных или перпендикулярном направлении по отношению к скорости скольжения. В этом исследовании ПИН трибометр в снабжен пьезоэлектрического привода так, чтобы его кончик вибрирует в направлении, перпендикулярном к вращающемуся диску Трибометр в. Пьезоэлектрические материалы представляют собой класс "интеллектуальных" материалов, которые искажают при воздействии электрического поля, вибрирует на той же частоте, что и поле возбуждения. Пьезоэлектрические материалы могут вибрировать на частотах хорошо в диапазоне МГц. Накладывается на макроскопической скорости, ультразвуковые колебания имеют эффект изменения направления мгновенной силы трения и контакта между поверхностями, которые в сочетании приводит к снижению эффективной силы трения и износа поверхности. </p>
Снижение трения Ультразвуковой была продемонстрирована в практических производственных систем. Например, эта технология была использована, чтобы уменьшить силу между инструментом и обрабатываемой деталью в механической обработке металлов и формирования процессов, таких как бурение, прессование, прокатка листа, и волочения проволоки. Преимущества включают улучшенную обработку поверхности 2 и уменьшение потребности в дорогих и экологически вредных моющих средств для удаления смазки из конечного продукта. Есть потенциальные применения ультразвуковой смазки и в других областях, а также. Например, ультразвуковой смазки может существенно повысить эффективность работы пользователей в личных медицинских изделий, устраняя необходимость смазки или покрытий. В автомобильных приложений, модуляция трение может повысить производительность шаровых шарниров в то время как снижение трения между сидений транспортных средств и рельсов облегчает движение сиденье, экономя пространство и массу, что в противном случае будет занято традиционных компонентов и mechaniSMS. Ультразвуковой смазки может также помочь улучшить топливную экономичность за счет снижения трения в трансмиссии и подвесок. 3 в пространстве приложений, где традиционные смазочные материалы не могут быть использованы, ультразвуковой смазки могут быть использованы для уменьшения износа и значительно продлить срок службы важнейших компонентов.
Лабораторные демонстрации уменьшения трения через ультразвуковой смазки многочисленны. Уменьшение трения количественно как разность между измеренной силы трения без смазки и ультразвуковой силы трения посредством ультразвуковых колебаний, применяемых. В любом случае, сила трения измеряется непосредственно с датчиков силы. Литтманн др. 4-5 подключен пьезоэлектрически-приводом привод на слайдер, на котором были установлены датчик силы и рамка для измерения силы трения и применения нормальных нагрузок. Пневматическим приводом была использована, чтобы подтолкнуть ползунок вместе с приводом вдоль направляющей. UltrasoniC колебания были применены в направлении продольной к скорости скольжения. Бхарадвадж и Dapino 6-7 проведены аналогичные эксперименты с использованием пьезоэлектрическое исполнительное устройство стека, соединенный с конической волновода на обоих концах стопки. Контакты проходила между сферическими краев конусов и поверхностью направляющего рельса. Эффекты параметров системы, таких как контактный жесткости, нормальной нагрузке, и глобальной жесткости были изучены. Кумар и Хатчинс 8 установлен штифт на сонотродом который был под напряжением с помощью ультразвукового датчика. Ультразвуковые колебания были получены и переданы штифта, который был помещен в контакте с инструментом стальной поверхности. Нормальное усилие наносили пневматическим цилиндром и измеряется датчиком нагрузки. Относительное движение между штифтом и диском был создан таблице возвратно-поступательного.
Полман и Lehfeldt 9 также реализован эксперимент пин-на-диска. В отличие от других исследований, они использовали magnetostrictив преобразователь, генерирующий ультразвуковые колебания. Для изучения оптимальное направление для уменьшения трения ультразвуковой преобразователь был тщательно выровнены так, что колебательная направление было продольная, поперечная, вертикальная и к макроскопической скорости. Они изучали сокращение ультразвуковой трения на сухой, так и смазанных поверхностей. Попов и др. 10 использовали привод с коническими волноводов. Привод был помещен в контакте с вращающейся опорной плите. Шишки из девяти материалов с различными твердости были приняты, чтобы изучить влияние твердости материала по сокращению ультразвуковой трения. Dong и Dapino 11-13 используется пьезоэлектрический преобразователь, чтобы генерировать и передавать ультразвуковые колебания призматического волновода с закругленными краями. Продольная вибрация вызывает вертикальной вибрации из-за эффекта Пуассона. Слайдер с изогнутой верхней был помещен под и в контакте волновода. Кадр был построен, чтобы применить нормальные силы на контактной границе. Тон вытащил слайдер вручную вокруг центральной области волновода; сила трения измеряют с помощью датчика нагрузки, которая была соединена с ползунком.
Ультразвуком, вызванной снижение износа, также была исследована и доказана. Объем потерь, потери веса, и шероховатость поверхности изменяется используются для оценки тяжести wear.Chowdhury и Helali 14 вибрирует вращающийся диск в установке пин-на-диска. Вибрации были получены с помощью опорной конструкции двумя параллельными пластинами, расположенными под вращающимся диском. Верхняя пластина имеет сферический шарик, установленный со смещением от центра на нижней поверхности, которая скользит в пазу, который был выгравированы на верхней поверхности нижней пластины. Слот был изготовлен с периодически изменяемой глубиной, так что верхняя пластина перемещается вертикально во время вращения. Частоты в диапазоне около 100 Гц в соответствии с частотой вращения.
Брайант и Йорк 15-16 изучали влияние микро-колебаний на жСнижение уха. Они вставили углерода цилиндр через держатель с одного конца опиралась на вращающийся стальной диск, а другой конец соединен с цилиндрической пружиной. В одном случае, цилиндр плотно установлены в держателе так, чтобы не было никакого места для вибрации. В других случаях, зазоры были оставлены, чтобы позволить микро-вибрации цилиндра, а цилиндр был в контакте с вращающегося диска. Потеря веса цилиндра, чтобы вычислить скорость износа. Было показано, что само генерируемые микро-вибрации помогло снизить износ до 50%.
Гото и Ashida 17-18 также приняла эксперимент пин-на-диска. Они соединены образцы контактов с преобразователем с помощью конической конуса и рога. Штифт вибрирует в направлении, перпендикулярном к поверхности диска. Масса была связана с преобразователя на его верхней части для применения нормальные нагрузки. Силы трения были переведены с момента, который был применен для вращения диска. Износ был идентифицирован как клей, так как обаконтактный и диск были изготовлены из углеродистой стали. Носить ставки рассчитываются из измерений потерь объем.
Было показано, что линейная скорость играет важную роль в ультразвуковой смазки. Экспериментальная составляющая этого исследования фокусируется на зависимости уменьшения трения и износа на линейной скорости.
Protocol
Representative Results
Discussion
Эксперименты проводились с использованием этого протокола, чтобы изучить влияние линейной скорости на ультразвуковой трения и снижение износа. Измерения показывают, что ультразвуковые колебания эффективно уменьшить трение и износ при трех линейных скоростях. В соответствии с преды?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы выразить признательность Тиму Кранца из NASA Glenn и Дуэйн Detwiler от Honda R & D за техническую поддержку и взносы натурой. Финансовая поддержка для этого исследования была предоставлена организаций-членов в Концепции Центра интеллектуального автомобиля (www.SmartVehicleCenter.org), Национальный научный фонд Промышленность / университет Совместный исследовательский центр (я / UCRC). SD поддерживается Концепции Смарт транспортных средств в аспирантуре и университет стипендий от штата Огайо университета Высшая школа.
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 |
Referências
- 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).
