Ultrasonik Yağlama üzerinde deneyler bir piezoelektrik destekli tribometre ve Optik profilometre kullanma
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
Sürtünme ve aşınma mühendislik sistemlere zararlıdır. Iki kayar yüzeyleri arasındaki ara yüzey akustik aralığı (20 kHz) üzerindeki bir frekansta titreşime tâbi edildiğinde de ultrasonik yağlama elde edilir. Geleneksel yağlar olanaksız veya istenmeyen olduğu bir solid-state teknolojisi olarak, ultrasonik yağlama kullanılabilir. Ayrıca, ultrasonik yağlama iki kayar yüzeyler arasında etki eden sürtünme elektriksel modülasyonu sağlar. Bu özellik onların sürtünme devlet ve işletme koşulları değiştikçe ilişkili dinamik cevabı değiştirmek adaptif sistemlerin sağlar. Yüzey aşınması da ultrasonik yağlama yoluyla azaltılabilir. Biz sürtünme kuvveti azaltma bağımlılığını araştırmak ve ultrasonik yağlanan yüzeyler arasındaki doğrusal kayma hızına azaltma giymek için bir protokol geliştirmiştir. Bir pim-disk tribometre bir piezoelektrik istifin 22 pimi titreşmeye kullanıldığı ticari birimlerinden farklı olan inşadöner disk yüzeyine normal kHz. 20.3, 40,6 ve 87 mm / sn: Etkili sürtünme kuvveti, hacim kaybı ve yüzey pürüzlülüğü dahil Sürtünme ve aşınma ölçümleri olmadan ve 4 MPa ve üç farklı sürme hızları 1 sabit basınçta ultrasonik titreşimlerle ölçülür. Optik profilometre aşınma yüzeylerini tanımlamak için kullanılır. Etkili sürtünme kuvveti 20.3 mm / sn% 62 oranında azalır. Sürekli ultrasonik yağlama için mevcut teorilerle, sürtünme kuvveti yüzde azalma 87 mm / sn aşağı% 29 sürtünme kuvveti azalma, hızını artırma ile azalır. Aşınma azaltılması ele alınan üç hızlarda (% 49) esas itibariyle sabit kalır.
Introduction
Birbirlerine rulo akraba kaydırın veya Sürtünme iki temas yüzeylerinin arayüzünde bulunmaktadır. Sürtünme genellikle aşındırıcı veya yapışkan aşınma ile birlikte oluşur. 1 Ultrasonik yani yüksek frekanslı olayların ardındaki bilim, dalgalar, akustik aralıkta (20 kHz) üzerinde frekanslarda yolculuk. Ultrasonik alan temelde iki farklı rejimleri kapsar. Bir rejim, tıbbi ultrason ya da yapıların tahribatsız muayene gibi görüntüleme işlemlerinde kullanılan olduğu gibi düşük yoğunluklu dalgaları içerir. Diğer yüksek-enerjili dalgalar yürütmek veya plastik ve metallerin kaynak olarak mühendislik süreçlerini desteklemek için kullanılan hangi bir yüksek güç rejimidir. Kayar temas ara yüzeyde etkin sürtünme kuvveti azaltır bölgesindeki iki Yüzeylerin ara-yüzündeki ultrasonik titreşimlerin ikinci türden bu uygulama gösterilmiştir. Bu olgu ultrasonik yağlama olarak bilinir.
Elde etmek içinİki sürgülü nesneler arasındaki ultrasonik yağlama, ultrasonik frekanslarda göreceli titreşim aralarında kurulmalıdır. Titreşimler, tipik olarak boyuna, enine, veya kayma hızına göre dik yönde ya da iki nesne birine tatbik edilir. Ucu tribometre en döner bir diske dik yönde titreşecek şekilde, bu çalışmada, bir sürtünme ölçer pin Bir piezoelektrik aktüatörün ile donatılmıştır. Piezoelektrik malzemeler uyarma alanı olarak aynı frekansta titreşen elektrik alanlara maruz kaldığında deforme "akıllı" bir malzeme sınıfıdır. Piezoelektrik malzemeler MHz aralığı içine iyice frekanslarda titreşir olabilir. Makroskopik hızına üst üste olmak, ultrasonik titreşimlerin anlık sürtünme kuvveti yönü ve kombinasyon halinde etkili bir sürtünme kuvveti ve yüzey aşınma bir azalmaya yol açar yüzeyleri arasındaki teması, bir sıra etkisi vardır. </p>
Ultrasonik sürtünme azaltma pratik üretim sistemleri ortaya konmuştur. Örneğin, bu teknoloji bir araç ve metal işleme iş parçasının ve delme, presleme, haddeleme tabaka ve tel çekme olarak şekillendirme işlemleri arasındaki kuvveti azaltmak için kullanılmıştır. Faydaları yüzey 2 ve nihai üründen madeni yağ çıkarmak için pahalı ve çevreye zararlı deterjanlar için azaltılmış ihtiyacı geliştirilmiş içerir. Potansiyel diğer alanlarda ultrasonik yağlama uygulamaları da vardır. Örneğin, ultrasonik yağlama ölçüde madeni yağ veya kaplamalar ihtiyacını ortadan kaldırarak, kişisel sağlık bakım ürünleri kullanıcı deneyimini geliştirmek olabilir. Araç koltukları ve raylar arasındaki sürtünme azaltma, aksi takdirde geleneksel bileşenleri ve mekanizmal tarafından işgal olacağını koltuk hareketi, tasarruf alanı ve kitle kolaylaştırır oysa otomobil uygulamalarında, sürtünme modülasyon topu eklem performansını artırabilirsinizSMS. Ultrasonik yağlama ayrıca motor ve süspansiyon sistemlerinde sürtünmeyi azaltarak yakıt verimliliği artırmak için yardımcı olabilir. 3 Geleneksel yağlar kullanılamaz uzay uygulamalarında, ultrasonik yağlama aşınmayı azaltmak ve dramatik kritik bileşenlerin ömrünü uzatmak için kullanılabilir.
Ultrasonik yağlama sayesinde sürtünme azaltma Laboratuvar gösteriler çoktur. Sürtünme azaltma ultrasonik yağlama ve uygulanan ultrasonik titreşimlerle sürtünme kuvveti olmadan ölçülen sürtünme kuvveti arasındaki fark olarak ölçülür. Her iki durumda da, sürtünme kuvveti ile doğrudan kuvveti sensörü ile ölçülmektedir. Littmann ve ark., 4-5 bir kuvvet sensörü ve bir çerçeve sürtünme kuvvetlerini ölçmek ve normal yükler uygulamak için yüklü edildiği bir kaydırıcı, bir piezoelektrik odaklı çalıştırıcıyı bağladı. Bir pnömatik aktüatör bir kılavuz rayı boyunca aktüatör ile birlikte sürgüsünü için kullanılmıştır. Sesüstüc titreşimler uzunlamasına kayma hızına yönde uygulanmıştır. Bharadwaj ve DaPino 6-7 yığınının iki ucunda konik dalga kılavuzu bağlı bir piezoelektrik yığını çalıştırıcıyı kullanarak benzer deneyler yapılmıştır. İletişim koni küresel kenarları ve kılavuz rayın yüzeyinde arasında yer aldı. Gibi iletişim sertliği, normal yükü ve küresel sertliği gibi sistem parametrelerinin etkileri incelenmiştir. Kumar ve Hutchings 8 ultrasonik transdüser tarafından enerji bir Sonotrode üzerinde bir pin yüklü. Ultrasonik titreşimler oluşturulur ve takım çeliği yüzeyi ile temas içinde yerleştirilmiştir pim için iletilmiştir. Normal kuvvet, bir pnömatik silindir tarafından uygulanan ve bir yük hücresi tarafından ölçülmüştür. Pim ve disk arasındaki nispi hareketi ileri geri hareket tablosu tarafından oluşturuldu.
Pohlman ve Lehfeldt 9 da bir pin-on-disk deney uyguladı. Diğer çalışmalarda aksine, bir magnetostrict istihdamultrasonik titreşimler üretmek için dönüştürücüyü ive. Ultrasonik sürtünme azaltma için optimum yönünü incelemek için, dönüştürücü itinal bu yüzden titreşim yön makroskopik hızına, boyuna enine ve dikey olduğunu söyledi. Bunlar kuru ve yağlanmış yüzeylerde hem ultrasonik sürtünme azaltma okudu. Popov ve ark., 10 konik bir dalga kılavuzu ile birlikte bir aktüatör kullanılabilir. Aktüatör, bir döner taban plakası ile temas içinde yerleştirilmiştir. Çeşitli sertlikteki dokuz malzemelerden yapılmış Konileri ultrasonik sürtünme azaltma malzeme sertliğinin etkisini incelemek için kabul edildi. Dong ve DaPino 11-13 yaratmak ve yuvarlatılmış kenarları olan prizmatik bir dalga kılavuzu ultrasonik titreşimlerin iletimi için bir piezoelektrik transdüser kullanılabilir. Boyuna titreşim nedeniyle Poisson etkisi dikey titreşim neden olur. Kavisli bir üst ile bir kaydırıcı dalga kılavuzu altında temas edecek şekilde yerleştirilmiştir. Bir çerçeve temas arayüzünde normal kuvvetleri uygulamak için inşa edilmiştir. TO kaymak dalga kılavuzunun merkezi alanı çevresinde elle çekildi; Sürtünme kuvveti kayıcı parçaya bağlı olan bir yük ölçer ile ölçülmüştür.
Ultrasonik kaynaklı aşınma azaltılması da araştırılmış ve gösterilmiştir. Cilt kaybı, kilo kaybı ve yüzey pürüzlülük değişimleri wear.Chowdhury şiddetini ölçmek için kullanılır ve Helali 14 pin-on-disk kurulumunda dönen disk vibrasyonlu. Titreşimler dönen disk altında bulunan iki paralel plaka bir destek yapısına ile oluşturulmuştur. Üst plaka alt plakanın üst yüzeyinde gravür bir yuvaya slaytlar merkez dışı alt yüzeyine monte küresel bir topu, yer alır. Üst plaka dönüşü sırasında dikey hareket edecek şekilde yuva periyodik değişken derinlikte işlenmiş oldu. Frekansları dönme hızına göre 100 Hz civarında değişmektedir.
Bryant ve York 15-16 w mikro titreşimlerin etkisini okuduKulak küçültme. Bir ucu, bir iplik çelik disk ve bir helezoni yay bağlı diğer ucunda dinlenmiş ile Bir tutucu boyunca bir karbon silindir yerleştirilir. Titreşim için yer olduğunu bu yüzden bir durumda, silindir rahat tutucuya takıldı. Diğer durumlarda, açıklıklar silindir iplik diskine temas iken silindir mikro titreşimi sağlamak için bırakıldı. Silindirin ağırlık kaybı aşınma oranının hesaplanması için ölçülmüştür. Kendinden oluşturulan mikro titreşimler kadar% 50 oranında aşınmayı azaltmaya yardımcı olduğu gösterilmiştir.
Goto ve Ashida 17-18 de pin-on-disk deney benimsemiştir. Onlar konik koni ve boynuz üzerinden dönüştürücü ile pim örnekleri bağladı. Pimi disk yüzeyine dik yönde titreşim. Kitle, normal yük uygulamak için onun üstünde transdüktörüne bağlandı. Sürtünme kuvvetleri diski döndürmek için uygulanan tork tercüme edilmiştir. Aşınma hem çünkü yapıştırıcı olarak tespit edildipim ve disk karbon çeliğinden yapılmıştır. Aşınma oranları hacim kaybı ölçümlerinden hesaplandı.
Bu lineer hızı ultrasonik yağlama önemli bir rol oynadığı gösterilmiştir. Bu araştırmanın deneysel bileşeni lineer hız sürtünme ve aşınma azaltma bağımlılığı üzerinde duruluyor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deneyler ultrasonik sürtünme ve aşınma azaltma lineer hız etkisini araştırmak için bu protokolü kullanılarak yapılmıştır. Ölçümler ultrasonik titreşimler etkin bir şekilde sürtünmeyi azaltmak ve üç doğrusal hızlarda giymek olduğunu göstermektedir. Önceki gözlemlerle uyumlu olarak, sürtünme azaltma miktarı 87 mm / sn% 29.3 ile 20.3 mm / sn 62.2 den% azalır. Aşınma azaltma lineer hız (% 48.6 kadar% 45.8) değişen ihmal edilebilir düzeydedir.
Ultrasonik dal…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar katkıları teknik destek için ve ayni Honda R & D NASA Glenn ve Duane Detwiler Tim Krantz kabul etmek istiyorum. Bu araştırma için mali destek Akıllı Araç Kavramları Merkezi (www.SmartVehicleCenter.org) üyesi kuruluşlar tarafından sağlanan, Ulusal Bilim Vakfı Sanayi / Üniversite Kooperatif Araştırma Merkezi (I / UCRC). SD Akıllı Araç Kavramlar Yüksek Lisans Burs ve The Ohio State University Graduate School Üniversite Bursu tarafından desteklenmektedir.
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).
