تجارب على الموجات فوق الصوتية التزييت باستخدام Tribometer Piezoelectrically بمساعدة وProfilometer البصرية
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
الاحتكاك وارتداء ما يضر النظم الهندسية. ويتحقق تزييت بالموجات فوق الصوتية عند صدي واجهة بين سطحين ينزلق على تردد أعلى من المعدل الصوتية (20 كيلو هرتز). كتقنية الحالة الصلبة، تزييت بالموجات فوق الصوتية يمكن أن تستخدم فيها مواد التشحيم التقليدية هي غير مجد أو غير مرغوب فيها. وعلاوة على ذلك، تزييت بالموجات فوق الصوتية يسمح للتعديل الكهربائي للمعامل الاحتكاك الفعال بين سطحين انزلاق. هذه الخاصية تمكن الأنظمة التكيفية التي تعدل دولتهم الاحتكاك وما يرتبط بها من الاستجابة الديناميكية كما تغير ظروف التشغيل. ويمكن أيضا أن يتم تخفيض ارتداء السطح من خلال تزييت بالموجات فوق الصوتية. قمنا بتطوير بروتوكول للتحقيق الاعتماد للحد من قوة الاحتكاك وارتداء تخفيض على سرعة انزلاق خطية بين الأسطح مشحم بالموجات فوق الصوتية. بنيت tribometer دبوس على القرص الذي يختلف من الوحدات التجارية في هذا كومة كهرضغطية يستخدم ليهتز دبوس في 22كيلوهرتز الطبيعي أن سطح القرص الدورية. يتم قياس الاحتكاك وارتداء المقاييس بما في ذلك قوة فعالة الاحتكاك، وفقدان الصوت، وخشونة السطح دون ومع الاهتزازات فوق الصوتية في الضغط المستمر من 1-4 ميجا باسكال وثلاث سرعات انزلاق مختلفة: 20.3، 40.6، و 87 ملم / ثانية. ويستخدم لprofilometer بصري لتوصيف السطوح ارتداء. يتم تقليل قوة الاحتكاك فعالة بنسبة 62٪ في 20.3 ملم / ثانية. باستمرار مع النظريات القائمة لتزييت بالموجات فوق الصوتية، والحد في المئة في قوة الاحتكاك تقل مع تقدم زيادة السرعة، وصولا الى 29٪ تخفيض قوة الاحتكاك في 87 ملم / ثانية. لا يزال الحد من ارتداء ثابتة تقريبا (49٪) في سرعات ثلاثة النظر فيها.
Introduction
وجود الاحتكاك في واجهة من سطحين الاتصال عندما تنزلق أو لفة بالنسبة لبعضها البعض. الاحتكاك عادة ما تحدث جنبا إلى جنب مع جلخ أو لاصق ارتداء 1 الفوق هو العلم وراء الظواهر ذات تردد عال، وهذا هو، موجات السفر على ترددات أعلى من المعدل الصوتية (20 كيلو هرتز). مجال الموجات فوق الصوتية ويشمل نظامين مختلفين جذريا. ويشمل نظام واحد موجات كثافة منخفضة مثل تلك المستخدمة في عمليات التصوير مثل الموجات فوق الصوتية الطبية أو التفتيش غير مدمرة من الهياكل. والآخر هو نظام الطاقة العالية التي تستخدم موجات عالية الطاقة لتنفيذ أو المساعدة العمليات الهندسية مثل لحام البلاستيك والمعادن. وقد تبين أن تطبيق هذا النوع الأخير من الاهتزازات فوق الصوتية في واجهة من سطحين في انزلاق الاتصال يقلل من قوة الاحتكاك فعالة في الواجهة. وتعرف هذه الظاهرة باسم تزييت بالموجات فوق الصوتية.
لتحقيقتزييت بالموجات فوق الصوتية بين كائنين انزلاق، يجب وضع الاهتزاز النسبي على ترددات الموجات فوق الصوتية بينهما. يتم تطبيق الاهتزازات عادة إلى أحد الكائنات اثنين، إما في طولية، عرضية، أو اتجاه عمودي نسبة إلى سرعة انزلاق. في هذه الدراسة، تم تجهيز دبوس على tribometer لمع المحرك كهرضغطية بحيث يهتز طرفها في اتجاه عمودي على قرص دوار لtribometer ل. المواد كهرضغطية هي فئة من المواد "الذكية" التي تشوه عندما تتعرض للمجالات الكهربائية، وتهتز في نفس التردد كحقل الإثارة. يمكن للمواد كهرضغطية يهتز عند ترددات جيدا في نطاق ميغاهيرتز. يجري فرضه لسرعة العيانية، الاهتزازات فوق الصوتية لديها تأثير بالتناوب اتجاه قوة الاحتكاك لحظية والاتصال بين السطوح، وهذا الجمع يؤدي إلى الحد من قوة الاحتكاك وسطح ارتداء فعال. </p>
وقد ثبت للحد من الاحتكاك بالموجات فوق الصوتية في نظم التصنيع العملية. على سبيل المثال، تم استخدام هذه التكنولوجيا للحد من قوة بين أداة وقطعة العمل في تشكيل المعادن وتشكيل عمليات مثل الحفر، والضغط، ورقة المتداول، ووضع الأسلاك. وتشمل الفوائد تحسين الانتهاء من السطح (2) وتقليص الحاجة إلى المنظفات باهظة الثمن والضارة بيئيا لإزالة الشحوم من المنتج النهائي. هناك تطبيقات محتملة للتزييت بالموجات فوق الصوتية في مجالات أخرى كذلك. على سبيل المثال، يمكن تزييت بالموجات فوق الصوتية يعزز إلى حد كبير تجربة المستخدم في منتجات الرعاية الصحية الشخصية عن طريق القضاء على الحاجة للمواد التشحيم أو الطلاء. في تطبيقات السيارات، ويمكن تعديل الاحتكاك تحسين أداء المفاصل الكرة في حين أن الحد من الاحتكاك بين مقاعد السيارة والقضبان يسهل حركة مقعد، وتوفير مساحة والكتلة التي لولاها يكون محتلا من قبل عناصر وmechani التقليديةرسالة قصيرة. يمكن أن الموجات فوق الصوتية تزييت أيضا أن يساعد على تحسين كفاءة الوقود من خلال تقليل الاحتكاك في أنظمة توليد القوة وتعليق. 3 في التطبيقات الفضائية، حيث لا يمكن استخدام مواد التشحيم التقليدية، يمكن استخدامها تزييت بالموجات فوق الصوتية للحد من التآكل وبشكل كبير إطالة عمر مكونات أساسية.
مظاهرات مختبر للحد من الاحتكاك من خلال تزييت بالموجات فوق الصوتية عديدة. وكميا للحد من الاحتكاك بالفرق بين قوة الاحتكاك قياس دون تزييت بالموجات فوق الصوتية وقوة الاحتكاك مع الاهتزازات فوق الصوتية تطبيقها. في كلتا الحالتين، يتم قياس قوة الاحتكاك مباشرة مع أجهزة استشعار قوة. Littmann آخرون 4-5 توصيل المحرك مدفوعة piezoelectrically إلى المنزلق، الذي تم تركيب جهاز استشعار القوة وإطار لقياس قوى الاحتكاك وتطبيق الأحمال العادية. كان يعمل A المحرك بالهواء المضغوط لدفع المنزلق جنبا إلى جنب مع المحرك على طول السكك الحديدية دليل. Ultrasoniطبقت ج الاهتزازات في اتجاه طولية لسرعة انزلاق. أجريت Bharadwaj وDapino 6-7 تجارب مماثلة باستخدام المحرك مكدس كهرضغطية متصلة الدليل الموجي المخروطية إما في نهاية المكدس. جرت اتصالات تجري بين حواف كروية من المخاريط وسطح السكك الحديدية دليل. تمت دراسة آثار معلمات النظام مثل تصلب الاتصال، الحمل الطبيعي، وتصلب العالمية. كومار وهتشينجز 8 تثبيت دبوس على sonotrode الذي ينشط عن طريق محول بالموجات فوق الصوتية. وقد تم توليد ذبذبات الموجات فوق الصوتية ونقلها إلى دبوس، التي وضعت في اتصال مع سطح أداة الصلب. تم تطبيق القوة الطبيعية التي اسطوانة تعمل بالهواء المضغوط ويتم قياسها بواسطة خلية الحمل. تم إنشاء الحركة النسبية بين دبوس والقرص طاولة الترددية.
كما نفذت Pohlman وLehfeldt 9 تجربة دبوس على القرص. على عكس دراسات أخرى، انهم يعملون على magnetostrictإيف محول لتوليد الاهتزازات فوق الصوتية. لدراسة الاتجاه الأمثل للحد من الاحتكاك بالموجات فوق الصوتية، والانحياز بعناية محول بحيث الاتجاه الذبذبات كان طولية، عرضية، والرأسي لسرعة العيانية. درسوا تخفيض الاحتكاك بالموجات فوق الصوتية على حد سواء الأسطح الجافة ومشحم. بوبوف وآخرون. 10 الاستفادة من المحرك مع الدليل الموجي المخروطية. تم وضع المحرك في اتصال مع لوحة قاعدة التناوب. اعتمدت الأقماع المصنوعة من تسع مواد مع مختلف صلابة لدراسة تأثير صلابة المادة على الحد من الاحتكاك بالموجات فوق الصوتية. دونغ وDapino 11-13 استخدام محول كهربائي ضغطي لتوليد ونقل الاهتزازات فوق الصوتية إلى الدليل الموجي المنشورية مع حواف مدورة. الاهتزاز الطولي يسبب اهتزاز رأسي بسبب تأثير بواسون. تم وضع شريط التمرير مع كبار المنحني تحت والاتصال في الدليل الموجي. بنيت إطار لتطبيق قوى طبيعية في واجهة الاتصال. توقال انه تم سحب شريط التمرير يدويا في جميع أنحاء منطقة وسط الدليل الموجي. تم قياس قوة الاحتكاك من قبل خلية الحمل الذي كان متصلا إلى شريط التمرير.
تم التحقيق أيضا الحد من ارتداء يسببها بالموجات فوق الصوتية وتظاهر. ويعمل فقدان الصوت، وفقدان الوزن، وخشونة السطح التغييرات لقياس شدة wear.Chowdhury وهلالي 14 صدي قرص دوار في الإعداد دبوس على القرص. تم إنشاؤها الاهتزازات التي كتبها هيكل دعم لوحين متوازيين تقع تحت القرص الدورية. الصفيحة العلوية لديه الكرة كروية مثبتة خارج المركز على السطح السفلي، الذي ينزلق في الفتحة التي كانت محفورة على السطح العلوي من لوحة أسفل. تم تشكيله الفتحة مع عمق متغير بشكل دوري بحيث تتحرك الصفيحة العلوية عموديا أثناء الدوران. وتراوحت الترددات حوالي 100 هرتز وفقا لسرعة دوران.
درس براينت ونيويورك 15-16 تأثير الاهتزازات الصغيرة على ثتخفيض الأذن. أنها إدخال اسطوانة الكربون عن طريق حامل مع نهاية واحدة تقع على القرص الصلب الغزل والطرف الآخر متصلا اللولبية. في حالة واحدة، واسطوانة مزودة دافئ في حامل بحيث لم يكن هناك مساحة للاهتزاز. في حالات أخرى، تركت الموافقات للسماح الاهتزازات الصغيرة من اسطوانة في حين كانت الاسطوانة في اتصال مع القرص الغزل. تم قياس فقدان الوزن من اسطوانة لحساب معدل التآكل. تبين أن الاهتزازات الصغيرة المولدة ذاتيا تساعد على الحد من ارتداء بنسبة تصل إلى 50٪.
كما اعتمدت جوتو وأشيدا 17-18 تجربة دبوس على القرص. أنها مرتبطة عينات دبوس مع محول عبر مخروط مدبب وقرن. دبوس صدي في اتجاه عمودي على سطح القرص. كان متصلا كتلة لمحول على قمته لتطبيق الأحمال العادية. ترجمت قوى الاحتكاك من عزم الدوران الذي تم تطبيقه لتدوير القرص. وحددت ارتداء كما لاصقة لأن كلاوقدمت دبوس والقرص الصلب الكربون. تم حساب معدلات ارتداء من قياسات حجم الخسائر.
وقد تبين أن السرعة الخطية تلعب دورا هاما في تزييت بالموجات فوق الصوتية. العنصر التجريبي لهذا البحث يركز على الاعتماد للحد من الاحتكاك وارتداء على سرعة خطية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وأجريت التجارب باستخدام هذا البروتوكول لدراسة تأثير سرعة خطية على الاحتكاك بالموجات فوق الصوتية والحد من التآكل. أظهرت القياسات أن الاهتزازات فوق الصوتية تقلل بشكل فعال الاحتكاك وارتداء في ثلاث سرعات الخطية. وانسجاما مع الملاحظات السابقة، ومقدار الحد من الاحتكاك ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أن نعترف تيم كرانتز من وكالة ناسا جلين ودوان Detwiler من هوندا R & D للحصول على الدعم الفني والمساهمات العينية. وقدم الدعم المالي لهذا البحث من قبل المنظمات الأعضاء في مركز المفاهيم الذكية المركبات (www.SmartVehicleCenter.org)، والمركز الوطني للعلوم الصناعية مؤسسة / جامعة البحوث التعاونية (I / UCRC). ويدعم SD من المفاهيم الذكية سيارة الزمالة العليا وزمالة جامعة من كلية الدراسات العليا جامعة ولاية أوهايو.
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).
