Experimentos em Ultrasonic Lubrificação Usando um tribômetro piezoelectricamente-assistida e Profilometer Optical

Resumo

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.

Resumo

Atrito e desgaste são prejudiciais para sistemas de engenharia. Lubrificação ultra-som é conseguido quando a interface entre duas superfícies de deslizamento é feito vibrar a uma frequência acima da gama acústica (20 kHz). Como uma tecnologia de estado sólido, a lubrificação de ultra-sons podem ser utilizados onde os lubrificantes convencionais são impraticáveis ​​ou indesejável. Além disso, a lubrificação de ultra-sons permite a modulação eléctrica do coeficiente de atrito eficaz entre duas superfícies deslizantes. Esta propriedade permite que os sistemas adaptativos que modificam seu estado de atrito e resposta dinâmica associada como a mudança condições de funcionamento. Desgaste da superfície pode também ser reduzido através de lubrificação de ultra-som. Nós desenvolvemos um protocolo para investigar a dependência da redução da força de atrito e desgaste redução na velocidade de deslizamento linear entre superfícies ultra-som lubrificadas. Trib�etro pino-no-disco foi construído a partir de unidades que difere comerciais em que uma pilha piezoeléctrica é utilizado para vibrar o pino a 22kHz normal à superfície do disco rotativo. O atrito eo desgaste métricas incluindo a força efectiva de atrito, perda de volume, e a rugosidade da superfície são medidos com e sem vibrações ultra-sónicas a uma pressão constante de 1 a 4 MPa e três velocidades de deslizamento diferentes: 20.3, 40.6, e 87 mm / seg. Um perfilometria óptica é utilizada para caracterizar as superfícies de desgaste. A força de atrito eficaz é reduzida em 62% a 20,3 mm / seg. De forma consistente com as teorias existentes para lubrificação de ultra-som, a redução percentual na força de atrito diminui com o aumento da velocidade, até 29% de redução de força de atrito a 87 mm / sec. Redução do desgaste permanece essencialmente constante (49%) com as três velocidades consideradas.

Introdução

Existe atrito na interface de duas superfícies de contacto quando elas deslizam ou rolo em relação à outra. Friction geralmente ocorre junto com o desgaste abrasivo ou adesivo. ¹ Ultrasonics é a ciência por trás dos fenômenos de alta freqüência, ou seja, as ondas viajando em frequências superiores a faixa acústica (20 kHz). O campo de ultra-som abrange dois regimes fundamentalmente diferentes. Um regime envolve ondas de baixa intensidade, como os utilizados em processos de imagem, como ultra-som médico ou inspeção não destrutiva de estruturas. O outro é um regime de alta energia em que as ondas de alta energia são utilizados para executar ou auxiliar processos de engenharia, tais como solda de plásticos e metais. Tem sido demonstrado que a aplicação deste último tipo de vibrações ultra-sónicas na interface das duas superfícies em contacto deslizante reduz a força de atrito na interface eficaz. Este fenômeno é conhecido como lubrificação de ultra-som.

Alcançarlubrificação de ultra-som entre dois objetos de correr, de vibração em relação a freqüências ultra-sônicas deve ser estabelecida entre eles. As vibrações são tipicamente aplicados a um dos dois objectos, quer nas direcções longitudinal, transversal, ou direcção perpendicular em relação à velocidade de deslizamento. Neste estudo, um pino de tribômetro está equipado com um actuador piezoeléctrico, de modo que a sua ponta vibra na direcção perpendicular ao disco rotativo da tribômetro. Materiais piezoelétricos são uma classe de materiais "inteligentes" que deformam quando expostos a campos elétricos, vibrando na mesma freqüência que o campo de excitação. Materiais piezoelétricos podem vibrar em frequências bem para a faixa de MHz. Sendo sobreposta à velocidade macroscópica, vibrações ultra-sónicas têm o efeito de alternando o sentido da força de atrito e instantânea do contacto entre as superfícies que, em combinação conduz a uma redução da força de atrito e de desgaste de superfície efectiva.

Redução de atrito de ultra-sons tem sido demonstrada em sistemas de fabrico práticas. Por exemplo, esta tecnologia tem sido utilizada para diminuir a força entre a ferramenta ea peça de trabalho em metais e processos tais como a perfuração, prensagem, a folha de laminação, e de trefilação de arame de formação. Os benefícios incluem melhor acabamento de superfície ^{2 e uma} menor necessidade de detergentes caros e ambientalmente prejudiciais para remover lubrificantes a partir do produto final. Há potenciais aplicações de lubrificação de ultra-sons em outras áreas também. Por exemplo, lubrificação de ultra-som pode melhorar substancialmente a experiência do usuário em produtos de cuidados de saúde pessoais, eliminando a necessidade de lubrificantes ou revestimentos. Em aplicações automotivas, a modulação atrito pode melhorar o desempenho das juntas de bola que a redução de atrito entre assentos de veículos e trilhos facilita o movimento do assento, economizando espaço e massa que poderiam ser ocupados por componentes e meca tradicionaisSMS. Lubrificação ultra-som pode também ajudar a melhorar a eficiência do combustível, reduzindo o atrito no sistema de motorização e de suspensão. ³ em aplicações espaciais, onde os lubrificantes tradicionais não podem ser utilizados, de lubrificação de ultra-sons podem ser utilizados para reduzir o desgaste e dramaticamente prolongar a vida de componentes críticos.

Demonstrações laboratoriais de redução de atrito através de lubrificação de ultra-som são numerosos. Redução de atrito é quantificada como a diferença entre a força de atrito medido sem lubrificação de ultra-sons e a força de atrito, com vibraes ultra-sicas aplicadas. Em ambos os casos, a força de atrito é medido directamente com sensores de força. Littmann et al. ^4-5 ligado um atuador piezoelectricamente-driven a um slider, em que um sensor de força e um quadro foram instalados para medir forças de atrito e aplicação de cargas normais. Um actuador pneumático foi empregado para empurrar o cursor em conjunto com o actuador ao longo de um trilho de guia. Ultrasonaresvibrações c foram aplicada no sentido longitudinal para a velocidade de deslizamento. Bharadwaj Dapino ^6-7 e realizou experiências semelhantes usando um actuador piezoeléctrico pilha ligada a um guia de ondas cónica em cada extremidade da pilha. Contactos entre as extremidades esféricas dos cones e a superfície do carril de guia. Foram estudados os efeitos de parâmetros do sistema, tais como contato rigidez, carga normal, e rigidez global. Kumar e Hutchings ^{8 instalado} um pino em um sonotrode que foi energizado por um transdutor de ultra-som. Vibrações ultra-sónicas foram gerados e transmitidos para o pino, que foi colocado em contacto com uma superfície de aço da ferramenta. Força normal foi aplicada por um cilindro pneumático e medidos por uma célula de carga. O movimento relativo entre o pino e o disco foi criado por uma mesa de movimento alternativo.

Pohlman e Lehfeldt ^{9 também} implementou um experimento pin-on-disco. Ao contrário de outros estudos, empregaram um magnetostrictive transdutor para gerar vibrações ultra-sônicas. Para estudar a direcção óptima para redução de atrito de ultra-sons, o transdutor foi cuidadosamente alinhados de modo que a direcção de vibração foi longitudinal, transversal e vertical para a velocidade macroscópica. Eles estudaram redução de atrito ultra-som em ambas as superfícies secas e lubrificadas. Popov et al. ¹⁰ utilizaram um actuador com guias de onda cônicos. O actuador foi colocado em contacto com uma placa de base rotativa. Foram adotadas cones feitos de nove materiais com diferentes durezas para estudar a influência da dureza do material em redução de atrito ultra-sônica. Dong e Dapino ^11-13 utilizado um transdutor piezoeléctrico para gerar e transmitir vibrações ultra-sónicas a uma guia de onda prismático com bordos arredondados. A vibração longitudinal provoca vibração vertical devido ao efeito de Poisson. Um controle deslizante com um topo curvo foi colocado sob e em contacto guia de ondas. Um quadro foi construído para aplicar forças normais na interface de contato. Tele deslizante foi puxada manualmente em torno da área central da guia de onda; a força de atrito foi medido por uma célula de carga que foi conectado ao cursor.

Redução desgaste induzido por ultra-sons também foi investigado e demonstrado. Perda de volume, perda de peso, e a rugosidade da superfície mudanças são utilizadas para quantificar a gravidade da wear.Chowdhury e Helali ¹⁴ vibrado um disco rotativo numa configuração de pino-no-disco. As vibrações foram gerados por uma estrutura de suporte de duas placas paralelas localizadas sob o disco rotativo. A placa de topo tem uma bola esférica instalada fora do centro na superfície inferior, que desliza numa ranhura que foi gravada na superfície superior da placa de fundo. A ranhura foi maquinada com uma profundidade variável periodicamente de modo que a placa de topo move-se verticalmente durante a rotação. As freqüências variou em torno de 100 Hz de acordo com a velocidade de rotação.

Bryant e Iorque ^15-16 estudaram o efeito de micro-vibrações em wredução da orelha. Eles inserido um cilindro de carbono através de um suporte com uma extremidade repousava sobre um disco de aço de fiação e a outra extremidade ligada a uma mola em espiral. Em um caso, o cilindro foi confortável montado no suporte de modo que não há espaço para vibração. Em outros casos, as folgas foram deixados para permitir que as micro-vibrações do cilindro, enquanto o cilindro foi em contacto com o disco rotativo. A perda de peso do cilindro foi medida para calcular a taxa de desgaste. Foi demonstrado que as auto-gerado micro-vibrações ajudou a reduzir o desgaste em até 50%.

Goto e Ashida ^17-18 aprovou também um experimento de pin-on-disco. Eles conectado amostras pino com um transdutor através de um cone cônico e um chifre. O pino vibrado na direcção perpendicular à superfície do disco. A massa foi ligado ao transdutor na sua parte superior para a aplicação de cargas normais. Forças de fricção foram traduzidas a partir dos binários que foi aplicado para rodar o disco. Desgaste foi identificado como adesivo, porque ambospin e disco foram feitas de aço carbono. Taxas de desgaste foram calculados a partir de medições de perda de volume.

Demonstrou-se que a velocidade linear desempenha um papel importante na lubrificação de ultra-sons. O componente experimental desta pesquisa centra-se na dependência de redução de atrito e desgaste em velocidade linear.

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Protocolo

1. Desenvolvimento do tribômetro Modificado

1. Instale subsistema chuck-motor.
   1. Nível mesa de isolamento de vibração. Coloque motor DC sobre a mesa; nivelar o motor com calços e corrigi-lo com suportes e parafusos. Coloque estrutura de suporte em torno do motor.
   2. Conecte eixo estriado ao eixo do motor usando uma chave. Colocar a placa de suporte na estrutura com o eixo estriado indo através do orifício na placa. Set empurrou rolamento de agulha-rolo na placa de apoio e em torno do eixo estriado. Lubrificar o rolamento com fluidos de corte.
   3. Ligue o eixo estriado ao mandril por meio de uma placa de adaptação, que tem um eixo estriado de acoplamento de um lado e do padrão de parafuso do mandril, por outro lado. Neste ponto, o mandril é suportada pelo quadro através do rolamento de impulso e ligado ao motor através da placa de adaptador.
2. Instale o conjunto gymbal.
   1. Construir a estrutura de suporte usando struts U-canal, suportes, eparafusos. Use quatro struts longas como pilares, e utilizar três mais curtos como vigas transversais.
   2. Prenda os quatro pilares para a tabela de isolamento de vibração usando suportes e parafusos. Conecte o conjunto gymbal à travessa meio usando parafusos e porcas.
   3. Instalar uma célula de carga orientada a horizontalmente na montagem gymbal; rigidamente ligar um lado da célula de carga para a estrutura de montagem gymbal, quando se ligar o outro lado para o braço gymbal com um fio.
3. Monte o atuador piezoelétrico.
   1. Insira 3 em haste longa, totalmente-threaded através do furo da pilha piezoelétrico; colocar uma lavadora e uma porca em cada extremidade da pilha; deixar cerca de 1/8 de segmento em que sobressai da extremidade de uma porca.
   2. Apertar as porcas em ambas as extremidades para criar uma pré-carga na pilha. Ligue os longos, roscas expostas ao braço gymbal usando porcas e anilhas. Porca de bolota rosca na outra extremidade do disco piezo-actuador e inserção no mandril (esta porca bolotae disco são utilizados para fins de set-up, não para o teste).
   3. Ajustar a altura do conjunto gymbal de modo que a porca de bolota está em contacto com a parte superior do disco e o braço é gymbal nível.
   4. Ajustar a posição do conjunto gymbal de modo que o ponto de contacto entre a porca de bolota e o disco é cerca de 25 mm de distância do centro de rotação do disco. Aperte todos os parafusos no set-up para garantir a estabilidade.
4. Configure geração de sinal, amplificação de sinal, e os subsistemas de aquisição de dados.
   1. Conecte sistema de aquisição de dados para um computador do laboratório. Ligue a saída do gerador de sinal para a entrada de um amplificador eléctrico. Ligar a saída do amplificador de entrada com os fios de a pilha piezoeléctrica. Ligue os monitores amplificadores para o sistema de aquisição de dados.
   2. Conecte-se a célula de carga para um condicionador de sinal, e em seguida, conecte a saída do condicionador de sinal para o sistema de aquisição de dados.
5. Set-up adicional.
   1. Ligue a mangueira de ar do ar para fazer compras. Fixar a extremidade da mangueira para o quadro de tal modo que os seus pontos de saída do actuador piezo. Tape o ponta do termopar ao actuador piezo. Conecte os cabos de termopares para leitor; pendurar o leitor sobre o quadro.

2. Preparação de Pré-ensaio

1. Calibrar a velocidade de rotação do motor.
   1. Anexar íman para a borda do mandril. Lugar sonda de efeito Hall perto do chuck. Ligue a saída da sonda de efeito de Hall para gaussmeter que está ligado ao sistema de aquisição de dados.
   2. Abra o software de aquisição de dados e começar a aquisição de dados. Ligue o motor; gire o botão de velocidade do controlador do motor a 10 (a mais baixa velocidade de rotação do motor fornece). Depois que o motor gira em 10 rotações, desligue o motor. Termine de aquisição de dados.
   3. Analisar os dados guardados; o tempo entre dois picos do sinal de saída a partir do gaussmeter é o tempo para o motor a apodrecerComeram uma revolução completa.
   4. Rode o botão de 10 a 100 (a mais alta velocidade de rotação do motor fornece) em incrementos de 10; repita os passos 2.1.2 a 2.1.3.
2. Coloque almofada sensor de carga entre a porca de bolota e o disco para medir a força normal na interface. Máquina finamente superfície de discos de teste usando um torno mecânico.
3. Limpe a porca de bolota e do disco a ser testado imediatamente antes do teste.
   1. Colocar luvas de plástico e enfrentar mask.Prepare peças de toalhetes de laboratório; dobrá-los em 1 polegada quadrada. Spray de etanol sobre os quadrados de tecido; limpe a superfície da porca de bolota e disco com eles.
4. Instale a porca bolota limpo e disco.
   1. Passe a porca de bolota para o piezo-atuador, aperte-a com uma chave de boca. Insira o disco no mandril; ajustar a posição para assegurar que a ponta da porca de bolota está em contacto com a superfície do disco.
   2. Alinhar a superfície superior do disco e o braço gymbal. Aperte o mandril de modoque o disco é mantido firmemente.
5. Meça a excentricidade da rotação do disco.
   1. Instale sensor de deslocamento a laser em um dispositivo elétrico, e coloque a fixação junto à tribômetro. Ajustar a altura e o ângulo do sensor, de modo que o disco está dentro do alcance do sensor e o feixe de raios laser é perpendicular ao disco.
   2. Ligue a saída do sensor para o sistema de aquisição de dados. Iniciar a aquisição de dados. Ligue o motor e rode o disco de 10 rotações; desligar o motor. Termine de aquisição de dados.

3. Execute Testing

1. Testes com vibrações ultra-sônicas.
   1. Cair 2 N em peso de um gancho que se conecta ao braço gymbal através do fio e duas polias. O peso é utilizada para aplicar uma carga normal entre a porca de bolota e o disco.
   2. Pendurar outra peso 2 N no outro gancho que se conecta ao braço gymbal para fornecer uma pretensão horizontal para a célula de carga.
   3. Defina o sinalgerador para fornecer um sinal sinusoidal contínuo com DC offset, de 3 V, amplitude de 3 V, e frequência de 22 kHz (a frequência de ressonância do piezo-atuador). Note-se que o 3 V de deslocamento é utilizado para evitar a tensão no actuador piezo.
   4. Comece aquisição de dados (reduzida força de atrito). Ligue o amplificador e gire o botão de ganho para 15, o que corresponde a um ganho real de 4,67 (os números sobre o botão de ganho são arbitrários).
   5. Ligue o motor; definir a velocidade de rotação de 6,67 rpm, para proporcionar uma velocidade linear de 20,3 mm / seg. Executar o ensaio durante 4 h.
   6. Desligue o motor e amplificador, e, em seguida, parar a aquisição de dados. Remova a porca de bolota testado e disco a partir do set-up; Repita os passos 2.3 a 2.5 para instalar a nova porca de bolota e disco.
   7. Repita os passos 3.1.1 a 3.1.6. No passo 3.1.5, ajustar a velocidade de rotação de 13.3 rpm e 28,7 rpm para proporcionar velocidades lineares de 40,6 mm / s e 87 mm / s, respectivamente; executar os testes para 2 e 0,94 hr correspondingly.
2. Ensaios sem vibrações ultra-sônicas.
   1. Repita o passo 3.1.6 para mudar porcas de bolota e discos. Repita os passos 3.1.1 a 3.1.6 com o amplificador e gerador de sinal de sinal de desligado (o atrito é medido atrito intrínseco).

4. Medidas Optical profilômetro

1. Preparação de Medição
   1. Limpe os discos imediatamente antes de uma medição com o passo 2.3. Faça oito marcas distribuídas uniformemente ao redor da borda do disco. Abra o software profilometer.
   2. Elevar o cristalino, de modo que há uma folga suficiente entre a plataforma e lentes amostra. Nivelar a plataforma amostra. Coloque um pedaço de laboratório limpe na plataforma.
   3. Com cuidado, colocar a amostra no topo do tecido com uma das oito marcas voltados para a frente do perfilómetro.
2. Configurações de medição.
   1. Escolha VSI (Vertical-Scanning Interferometria) como o tipo de processamento. Selecione lente 5X paragrande campo de visão e forma global. Escolha 0.55X ampliação para uma área de digitalização de 1,8 mm por 2,4 mm.
   2. Escolha 1X velocidade de verificação. Definir faixa de varredura para -100 m para 100 m. Traga a lente para baixo em direcção a amostra até que haja uma imagem desfocada na tela. Ajuste a altura da lente até que a imagem é clara.
   3. Escolha 2 como o número de varrimentos para calcular a média para cada medição. Clique no botão de medição.
3. Procedimentos pós-medição.
   1. Use a receita visão que definido no software para corrigir a imagem crua para a inclinação de toda a amostra. Abrir a caixa de ferramentas de análise no software.
   2. Obter os valores de rugosidade medidos a partir do "Estatísticas Básicas" item. Obter a perda de volume medido da marca de desgaste dentro da área de digitalização a partir do item "Volume".
   3. Guardar as imagens dos perfis 1D em X e Y instruções, o perfil 2D, o perfil 3D, bem como a tabela de valores de rugosidade. Rode o amostra até the próxima marca voltada para a frente do profilometer.
4. Repita os passos de 4,2-4,3 para os restantes 7 marcas.
5. Repita os passos 4.1. para 4,4 em todos os seis discos.

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Resultados

As medições representativas aqui apresentados foram obtidos a partir do tribômetro modificado, apresentado na Figura 1. O actuador piezoeléctrico gera vibrações com amplitude de 2,5 um a uma frequência de 22 kHz. Para estudar a dependência de atrito e desgaste redução na velocidade linear, três velocidades diferentes (20,3, 40,6, e 87 mm / seg) foram aplicados ao disco, alterando a velocidade de rotação do motor. Para todos os três grupos, o número de rotações do disco e a distância do...

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Discussão

As experiências foram realizadas usando este protocolo para estudar o efeito da velocidade linear na redução de atrito e desgaste de ultra-sons. As medições mostram que vibrações ultra-sônicas efetivamente reduzir o atrito eo desgaste em três velocidades lineares. Consistente com as observações anteriores, a quantidade de redução de atrito diminui de 62,2% a 20,3 mm / s a ​​29,3% a 87 mm / seg. Redução do desgaste é desprezível com a mudança de velocidade linear (45,8% para 48,6%).

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Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
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