JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

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.

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

1. تطوير Tribometer التعديل

  1. تثبيت النظام الفرعي تشاك الحركية.
    1. مستوى عزل الاهتزاز الجدول. وضع العاصمة المحرك على الطاولة. مستوى المحرك مع الحشوات واصلاحها مع الدعامات والمسامير. وضع إطار الدعم حول المحرك.
    2. ربط رمح خدد لمحور المحرك باستخدام مفتاح. وضع لوحة على دعم الإطار مع رمح خدد تسير من خلال ثقب في لوحة. مجموعة فحوى تحمل إبرة الأسطوانة على لوحة دعم وحول رمح خدد. تليين تحمل مع قطع السوائل.
    3. ربط رمح خدد إلى تشاك من خلال لوحة محول، التي لديها اقتران رمح خدد على جانب واحد ونمط الترباس تشوك على الجانب الآخر. عند هذه النقطة، يتم اعتماد ظرف من الإطار من خلال تأثير التوجه وتوصيلها إلى المحرك من خلال لوحة المحول.
  2. تثبيت التجميع gymbal.
    1. بناء إطار الدعم باستخدام الدعامات U-قناة، بين قوسين، والبراغي. استخدام أربعة الدعامات طويلة، باعتبارها أحد أعمدة، واستخدام ثلاثة منها أقصر الحزم عبر.
    2. تأمين الركائز الأربع لطاولة عزل الاهتزاز باستخدام الأقواس والمسامير. ربط التجمع gymbal لشعاع عبر المتوسط ​​باستخدام البراغي والصواميل.
    3. تثبيت الخلية تحميل الموجهة أفقيا في التجمع gymbal. ربط جامد جانب واحد من الخلية تحميل لإطار الجمعية gymbal، في حين ربط الجانب الآخر في الذراع gymbal بسلك.
  3. تجميع المحرك كهرضغطية.
    1. إدراج 3 في الطويلة، قضيب مترابطة تماما من خلال ثقب في كومة كهرضغطية. وضع غسالة واحدة والجوز واحدة في نهاية كل من المكدس. ترك حوالي 1/8 في لموضوع جاحظ من نهاية الجوز واحدة.
    2. تشديد المكسرات عند كلا الطرفين لخلق التحميل المسبق في المكدس. ربط طويلة، المواضيع تتعرض للذراع gymbal باستخدام المكسرات وغسالات. بلوط الموضوع الجوز على الطرف الآخر من بيزو المحرك وإدراج قرص في ظرف (هذا الجوز بلوطوتستخدم القرص لأغراض انشاء، وليس للاختبار).
    3. ضبط ارتفاع الجمعية gymbal بحيث الجوز بلوط في اتصال مع الجزء العلوي من القرص والذراع gymbal هو مستوى.
    4. ضبط الموقف من الجمعية gymbal بحيث نقطة الاتصال بين الجوز بلوط والقرص حوالي 25 ملم بعيدا عن مركز الدوران للقرص. تشديد جميع براغي في مجموعة المتابعة لضمان الاستقرار.
  4. إعداد جيل إشارة، إشارة التضخيم، والنظم الفرعية الحصول على البيانات.
    1. ربط نظام الحصول على البيانات إلى كمبيوتر المختبر. وصل الناتج من مولد إشارة إلى مدخلات مكبر للصوت الكهربائية. وصل الناتج مكبر للصوت مع الأسلاك مدخلات مكدس كهرضغطية. توصيل شاشات مكبر للصوت لنظام الحصول على البيانات.
    2. ربط الخلية تحميل لمكيف إشارة، ومن ثم ربط مخرجات مكيف إشارة إلى نظام الحصول على البيانات.
  5. الإضافي مجموعة المتابعة.
    1. قم بتوصيل خرطوم الهواء للتسوق الهواء. إصلاح نهاية خرطوم إلى الإطار بحيث نقاط منفذ إزاء بيزو المحرك. الشريط غيض من الحرارية إلى بيزو المحرك. ربط الخيوط الحرارية للقارئ؛ تعليق القارئ على الإطار.

2. إعداد قبل الاختبار

  1. معايرة سرعة دوران المحرك.
    1. إرفاق المغناطيس إلى حافة تشاك. المكان قاعة التأثير التحقيق على مقربة من ظرف. ربط مخرجات لجنة التحقيق قاعة التأثير على gaussmeter متصل نظام الحصول على البيانات.
    2. فتح البرنامج الحصول على البيانات والبدء في الحصول على البيانات. تشغيل المحرك. أدر مفتاح سرعة وحدة تحكم المحرك إلى 10 (أدنى سرعة دوران يوفر المحرك). بعد يدور المحرك لمدة 10 الثورات وإطفاء المحرك. إنهاء الحصول على البيانات.
    3. تحليل البيانات المحفوظة. الوقت بين اثنين من قمم إشارة خرج من gaussmeter هو الوقت المناسب للمحرك لتتعفنأكلت الثورة كاملة واحدة.
    4. أدر مفتاح 10-100 (أعلى سرعة الدوران يوفر المحرك) في الزيادات من 10؛ كرر الخطوات من 2.1.2 إلى 2.1.3.
  2. وضع حمولة منصة استشعار بين الجوز بلوط والقرص لقياس القوة الطبيعية في واجهة. آلة ناعما سطح أقراص اختبار باستخدام مخرطة.
  3. تنظيف الجوز بلوط وقرص لفحصها مباشرة قبل الاختبار.
    1. وضعت على قفازات بلاستيكية ومواجهة mask.Prepare قطعة من مناديل المختبر. بلفها داخل 1 بوصة الساحات. رذاذ الايثانول على المربعات الأنسجة. قم بمسح سطح الجوز بلوط والقرص معهم.
  4. تثبيت الجوز بلوط نظيفة والقرص.
    1. الموضوع الجوز بلوط على بيزو المحرك، وتشديد الرقابة عليها مع وجع نهاية مفتوحة. أدخل القرص في ظرف؛ ضبط الموقف للتأكد من غيض من الجوز بلوط في اتصال مع سطح القرص.
    2. محاذاة السطح العلوي للقرص والذراع gymbal. تشديد تشاك ذلكأن القرص عقد بحزم.
  5. قياس runout من دوران القرص.
    1. تثبيت الليزر استشعار التشرد في مباراة، ووضع لاعبا اساسيا بجوار tribometer. ضبط الارتفاع وزاوية من أجهزة الاستشعار بحيث القرص ضمن مجموعة أجهزة الاستشعار، وشعاع الليزر من الطبيعي أن القرص.
    2. ربط الانتاج استشعار لنظام الحصول على البيانات. بدء الحصول على البيانات. تشغيل المحرك وتدوير القرص لمدة 10 الثورات. إطفاء المحرك. إنهاء الحصول على البيانات.

3. أداء الاختبار

  1. اختبارات مع الاهتزازات فوق الصوتية.
    1. تعليق 2 N الوزن على هوك واحد أن يتصل الذراع gymbal من خلال الأسلاك واثنين من البكرات. يتم استخدام الوزن لتطبيق الحمل الطبيعي بين الجوز بلوط والقرص.
    2. شنق 2 N الوزن آخر على هوك الآخر الذي يربط الذراع gymbal لتوفير ادعاء الأفقي إلى خلية الحمل.
    3. تعيين إشارةمولد لتوفير إشارة جيبية مستمرة مع DC تعويض من 3 V، سعة 3 V، وتردد 22 هرتز (تردد صدى للبيزو المحرك). لاحظ أن 3 V تعويض يستخدم لمنع التوتر في بيزو المحرك.
    4. بدء الحصول على البيانات (تقليل قوة الاحتكاك). بدوره على مكبر للصوت وتحويل الأرباح مقبض الباب إلى 15، وهو ما يعادل في الأرباح الحقيقية 4.67 (الأرقام على مقبض الباب كسب تعسفية).
    5. تشغيل المحرك. ضبط سرعة دوران إلى 6.67 دورة في الدقيقة لتوفير سرعة خطية من 20.3 ملم / ثانية. تشغيل الاختبار لمدة 4 ساعة.
    6. إيقاف المحرك ومكبر للصوت، ثم قم بإيقاف الحصول على البيانات. إزالة الجوز بلوط اختبارها والقرص من مجموعة المتابعة. كرر الخطوات من 2،3-2،5 لتثبيت جديد الجوز بلوط والقرص.
    7. كرر الخطوات من 3.1.1 إلى 3.1.6. في خطوة 3.1.5، تعيين سرعة الدوران دورة في الدقيقة إلى 13.3 و 28.7 دورة في الدقيقة لتوفير سرعات خطية من 40.6 ملم / ثانية و 87 ملم / ثانية، على التوالي؛ تشغيل الاختبارات ل2 و 0.94 ساعة الموافقondingly.
  2. اختبارات دون الاهتزازات فوق الصوتية.
    1. كرر الخطوة 3.1.6 لتغيير المكسرات البلوط وأقراص. كرر الخطوات من 3.1.1 إلى 3.1.6 مع مولد إشارة وإشارة مكبر للصوت قبالة (الاحتكاك قياسه هو الاحتكاك الذاتية).

4. Profilometer البصرية القياسات

  1. إعداد القياس
    1. تنظيف الأقراص على الفور قبل القياسات باستخدام الخطوة 2.3. جعل ثمانية علامات موزعة بالتساوي حول حافة القرص. فتح البرنامج profilometer.
    2. رفع العدسة حتى لا يكون هناك تطهير كاف بين منصة العدسة وعينة. مستوى منصة العينة. ضع قطعة من مختبر قضاء على المنصة.
    3. وضع بلطف العينة على الجزء العلوي من الأنسجة مع واحدة من علامات ثمانية مواجهة أمام profilometer.
  2. ضبط القياس.
    1. اختيار VSI (العمودي الضوئي التداخل) كنوع من المعالجة. حدد عدسة 5X لحقل كبير للعرض والشكل العام. اختيار 0.55X التكبير لمنطقة المسح الضوئي من 1.8 مم 2.4 مم.
    2. اختيار سرعة المسح الضوئي 1X. تعيين مسح مجموعة ل-100 م إلى 100 م. جلب عدسة في اتجاه نزولي عينة حتى يكون هناك صورة ضبابية على الشاشة. ضبط ارتفاع العدسة حتى تكون الصورة واضحة.
    3. اختيار 2 حيث بلغ عدد بالاشعة لمتوسط ​​لكل قياس. انقر على زر القياس.
  3. إجراءات قياس ما بعد.
    1. استخدام وصفة الرؤية التي حددت في البرنامج لتصحيح الصورة الخام للالميل للعينة كلها. فتح الأدوات التحليل في البرنامج.
    2. الحصول على قيم خشونة تقاس من "الإحصاءات الأساسية" البند. الحصول على فقدان قياس حجم الندبة ارتداء داخل منطقة المسح الضوئي من "حجم" البند.
    3. حفظ الصور من ملامح 1D في x و y الاتجاهات، والوضع 2D، 3D الشخصية، وكذلك جدول لقيم خشونة. تحويل العينة في اتجاه عقارب الساعة حتى عشرتواجه ه علامة المقبلة أمام profilometer.
  4. كرر الخطوات من 4،2-4،3 لعلامات 7 المتبقية.
  5. كرر الخطوات من 4.1. 4.4 على كافة الأقراص الستة.

النتائج

وقد تم الحصول على قياسات تمثيلية المقدمة هنا من tribometer تعديل هو مبين في الشكل 1. والمحرك كهرضغطية يولد الاهتزازات مع سعة 2،5 ميكرون على تردد 22 كيلوهرتز. لدراسة الاعتماد من الاحتكاك وارتداء تخفيض على سرعة الخطية، طبقت ثلاث سرعات مختلفة (20.3، 40.6، و 87 ملم / ثانية) على القرص عن طريق تغيير سرعة دوران المحرك. لجميع المجموعات الثلاث، وقد تم اختيار عدد من الثورات القرص ومسافة السفر من دبوس كما 1600 و292.5 م، على التوالي. وكان قطر الدوران الاسمي 50 ملم. وظلت العوامل الأخرى مثل القوة الطبيعية، والتردد والاهتزاز، واهتزاز السعة نفسها لجميع الاختبارات (الجدول 1).

وأخذت عينات من قوة الاحتكاك على تردد 400 هرتز باستخدام ويندوز أخذ العينات 2 ثانية. يبين الشكل 2 بيانات نموذجية من نافذة المعاينة واحد. لاحظ fluctuatioويعزى ن في قوة الاحتكاك التمسك الانزلاق. تم حساب متوسط ​​قيم قوة الاحتكاك وتآمر ضد مسافة سفر دبوس في الشكل (3). وتمثل قوى الاحتكاك الجوهرية التي كتبها النقاط في الشكل، في حين تظهر قوى الاحتكاك مع الاهتزازات فوق الصوتية مع علامات "س". تستخدم الأخضر والأزرق والأحمر على التوالي لبيانات الاختبار في 20.3 ملم / ثانية، 40.6 ملم / ثانية، و 87 ملم / ثانية. قوة الاحتكاك من كل اختبار لا تزال مستمرة تقريبا مرة واحدة ويتم تحقيق عملية ثابتة للدولة.

القرص runout يسبب تسارع بالقصور الذاتي من الحركة العمودية للدبوس والتجمع gymbal، مما يؤدي إلى تباين القوة الطبيعية. ونتيجة لذلك، فإن قوة الاحتكاك قياس يتقلب كما هو مبين في الشكل (3). وشدد على أن التذبذب لاحظ في الشكل 2 ومن المقرر أن عصا الانزلاق. وبالنظر إلى القيمة المتوسطة للقوة الاحتكاك بعد نظام وصلت حالة استقرار العملية، الشكل3 يدل على أن قوة الاحتكاك أعلى بسرعات أعلى خطية، أم لا تطبق الاهتزازات فوق الصوتية للنظام. هذه النتيجة تتفق مع الدراسات السابقة تبين أن منحنى القوة السرعة لديه ميل إيجابي لسرعات الخطي منخفض 19-21.

يتم تعريف نسبة تخفيض الاحتكاك
1. figure-results-2160

حيث هو القوة الذاتية الاحتكاك (القوة دون الاهتزازات فوق الصوتية، ويقاس في الخطوة 3.2) وهي قوة الاحتكاك مع الاهتزازات فوق الصوتية (قياس في الخطوة 3.1.4). يتم رسم نسبة التخفيض عند كل سرعة خطية ضد المسافة التي يقطعها دبوس في الشكل (4). الاهتزازات فوق الصوتية تقلل من قوة الاحتكاك الحالة المستقرة لجميع السرعات الخطية ثلاث اختبار، ومع ذلك، تنخفض النسبة المئوية كما يزيد سرعة الخطية.

قياس الاحتكاك الحالة المستقرةوترد القوات، بعد الاستقرار، ونسبة تخفيض الاحتكاك في الجدول 2. الاهتزازات فوق الصوتية تسهل عملية تحطيم طبقة أكسيد وتشكيل اتصالات ثابتة بين دبوس والقرص، الأمر الذي يؤدي إلى أقصر مسافة لقوة الاحتكاك للوصول إلى ثابت الدولة عند وجود ذبذبات الموجات فوق الصوتية.

ارتداء جلخ يحدث بين على سطح المواد مع صلابة مختلفة. 22 نظرا للفارق في صلابة من الفولاذ المقاوم للصدأ (700-950 كجم / مم 2) والألومنيوم (45-50 كجم / مم 2)، يتم التعرف ارتداء كما جلخ في هذه الدراسة. وترد ارتداء الأخاديد على الأقراص في الشكل 5. صور A، C، E تتوافق مع التجارب مع الاهتزازات فوق الصوتية، في حين أن الصور B، D، F توجد بيانات دون اهتزازات. ويمكن ملاحظة أن الأخاديد تبدو أكثر متفاوتة وغير عاكسة عندما يتم تطبيق الاهتزازات فوق الصوتية.

ثلاثي الأبعاد صويتم الحصول على rofiles والقيم خشونة السطح، وخسائر حجم الأخاديد من مسح profilometer. ملامح 3-D من الأخاديد مع الاهتزازات فوق الصوتية (الشكل 6 B، D، F) تظهر أضيق، أقل سلاسة، وأقل عمقا من تلك التي بدون اهتزازات (الشكل 6 A، C، E)، مما يوحي بأن الاهتزازات فوق الصوتية تسبب تخفيض ملابس .

لقياس درجة الحد من ارتداء، ارتداء يعرف المعدل الذي
2. figure-results-4189

أين هو فقدان حجم القرص في ملم 3 (يقاس في الخطوة 4.3.2) وهي المسافة التي يقطعها دبوس في متر (الجدول 1). وعلى غرار نسبة تخفيض الاحتكاك، ويتم تعريف نسبة تخفيض ارتداء كما
3. figure-results-4530

أين هو معدل ارتداء الذاتية (بدون الاهتزازات فوق الصوتية) وهو معدل التآكل مع الاهتزازات فوق الصوتية تطبيقها. البيانات الواردة في الجدول 3 يبين أن ارتداء الأسعار وخشونة السطح هي أصغر عندما تكون الاهتزازات فوق الصوتية الحالية، وهو مؤشر للحد من التآكل. لا تزال نسبة تخفيض ارتداء ثابتة تقريبا مع زيادة السرعة.

figure-results-5083

figure-results-5256

figure-results-5429

figure-results-5602

figure-results-5775

ضمن صفحة = "دائما"> figure-results-5961
الشكل 1. التجريبية مجموعة المتابعة: (A) tribometer عموما؛ (B) المحرك، (C) إطار الدعم؛ (D) التجمع gymbal تفصيلا؛ (E) المحرك كهرضغطية. و(F) النظام التخطيطي. (تم تعديل هذا الرقم من 13).

figure-results-6437
الشكل 2. البيانات النموذجية من نافذة المعاينة واحد. (تم تعديل هذا الرقم من 13.) يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

931fig3.jpg "/>
الشكل 3. قوى الاحتكاك مع وبدون الاهتزازات فوق الصوتية بسرعات مختلفة. (تم تعديل هذا الرقم من 13) يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7256
الرقم 4. قياس الحد من الاحتكاك تحسب من المعادلة. (1). (تم تعديل هذا الرقم من 13) يرجى النقر هنا لرؤية نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7664

الرقم 5. الأخاديد ملابس حصل مع vibr بالموجات فوق الصوتية. بالجمع (A، C، E و) ودون الاهتزازات فوق الصوتية (B، D و F) يقابل كل عمود إلى سرعة الخطية: 20.3 ملم / ثانية (A، B)؛ 40.6 ملم / ثانية (C، D)؛ و87 ملم / ثانية (E، F). (تم تعديل هذا الرقم من 13)

figure-results-8231
الرقم 6. ملامح 3D الأخاديد ارتداء الحصول عليها دون الاهتزازات فوق الصوتية (A، C، E و) ومع الاهتزازات فوق الصوتية (B، D و F) يمثل كل صف سرعة الخطية: 20.3 ملم / ثانية (A، B)؛ 40.6 ملم / ثانية (C، D)؛ و87 ملم / ثانية (E، F). (تم تعديل هذا الرقم من 13) يرجى النقر هنا لرؤية نسخة أكبر من هذا الرقم.

معلمة القيمة
مجموعة 1 2 3
السرعة الخطية (ملم / ثانية) 20.3 40.6 87
إدارة الوقت (ساعة) 4 2 0.93
المسافة التي يقطعها دبوس (م) 292.5
الثورات 1600
المواد دبوس الفولاذ المقاوم للصدأ 316
مادة القرص الألومنيوم 2024
القوة الطبيعية الاسمية (N) 3
القرص نفد (مم) 0.0286
تردد الولايات المتحدة (كيلو هرتز) 22
السعة الولايات المتحدة (ميكرون) 2.5
قطر الأخدود الاسمي (مم) 50
درجة الحرارة الاسمية (° C) 21 ± 1
الاسمية درجة حرارة المحرك (° C) 31 ± 1
بيئة الهواء المختبر
تردد أخذ العينات (هرتز) 400

الجدول 1. معلمات المستخدمة في الاختبارات tribometer. (وقد تم تعديل هذا الجدول من 13)

السرعة الخطية (ملم / ثانية) الولايات المتحدة الاحتكاك حالة الثبات (N) المسافة إلى تحقيق حالة مستقرة (م) تخفيض الاحتكاك (٪)
20.3 لا 1.024 ± 0.063 4.17 62.22
نعم 0.379 ±0،041 2.78
40.6 لا 1.201 ± 0.055 11.61 36.11
نعم 0.748 ± 0.035 7.21
87 لا 1.472 ± 0.064 8.94 29.32
نعم 1.041 ± 0.056 4.64

الجدول 2. ثابت قوى الاحتكاك الدولة والمسافات لتحقيق حالة مستقرة، والحد من الاحتكاك. (وقد تم تعديل هذا الجدول من 13)

السرعة الخطية (ملم / ثانية) الولايات المتحدة R ل(ميكرون) R ف (ميكرون) R ر (ميكرون) معدل ارتداء (مم 3 / م) عدد من الاتصالات الحد من ارتداء (٪)
20.3 لا 18،829 21،421 124.35 2.237 × 10 -2 45.76
نعم 17،238 18،975 87،011 1.214 × 10 -2 3.17 × 10 8
40.6 لا 21،647 22،673 109.28 2.581 × 10 -2 48.18
نعم 17،289 19،922 106.42 1.338 × 10 -2 1.58 × 10 8
87 لا 19،825 21،921 130.52 2.43 × 10 -2 48.63
نعم 17،606 20،126 111.25 1.248 × 10 -2 7.39 × 10 8

الجدول 3. مقارنة بين معدل التآكل، عدد من الاتصالات، وخشونة السطح (المتوسط ​​الحسابي؛ جذر متوسط ​​مربع، أقصى ارتفاع من الملف الشخصي) (وقد تم تعديل هذا الجدول من 13).

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 يقلل من 62.2٪ في 20.3 ملم / ثانية إلى 29.3٪ في 87 ملم / ثانية. الحد من ارتداء لا يكاد يذكر مع تغيير السرعة الخطية (45.8٪ إلى 48.6٪).

خصائص المواد مثل معامل والعائد قوة يونغ قد تتغير عندما تنتقل الموجات فوق الصوتية من خلال المواد. وغالبا ما يشار إلى هذا على أنه تليين بالموجات فوق الصوتية 23. في هذه الدراسة، نظرا إلى اختلاف صلابة بين بيزو المحرك وأجزاء أخرى من مجموعة المتابعة، والاهتزازات كيلو هرتز 22 التي تم إنشاؤها من قبل المحرك لا يحيل إلى الجزء الآخر من انشاء التجريبية، على الرغم من أن وضع اهتزاز كان هيكل في حوالي 100 هرتز بالسعادة عندما VIB بالموجات فوق الصوتيةتم تطبيق الحصص. في واجهة بين دبوس والقرص، والاهتزازات فوق الصوتية يسبب توليد الحرارة والتي سوف تسبب ارتفاع درجة الحرارة في واجهة. ومع ذلك، استنادا إلى التجارب التي أجراها دونغ وDapino، وارتفاع درجة الحرارة في النطاق الذي يسبب تغيرات تذكر لخصائص المواد.

واحد الحد من هذه التجربة هو أنه لا يوجد آلية للقضاء على تمايل القرص، والتي يمكن أن تسبب الحركة الرأسية للدبوس، الذراع gymbal، والوزن. التسارع من النتائج الجماعية يتحرك في أشكال مختلفة من القوة العادية الفعلية تطبيقها على واجهة، وبالتالي قوى الاحتكاك قياسها. لذا، فمن الأهمية بمكان لضمان أن المحرك رمح، رمح خدد، تشاك، وأسطوانة المستوى. تقلب التجريبية يمكن أن تخفض عندما يتم تصغير حجم تمايل.

ومن الأهمية بمكان أيضا لتشديد بحزم الجوز بلوط إلى المحرك كهرضغطية بحيث الجوز بلوط لا تصبح فضفاضة أثناء الاختبار. التراالاهتزازات الصوتية ليست فعالة للحد من قوة الاحتكاك إذا لم تنتقل الاهتزازات إلى الواجهة. إذا كانت قوة الاحتكاك يقفز فجأة إلى مستوى أعلى أثناء الاختبار، فمن المحتمل جدا بسبب وجود ارتباط وثيق بين الجوز بلوط والمحرك. ويرافق هذه المشكلة بسبب الضوضاء الصاخبة بحيث يمكن اكتشافه بسهولة.

وتعمل بالطاقة الكهربائية بيزو-المحرك يولد الحرارة التي يمكن أن تزيد درجة حرارته بسرعة إذا لم يعمل التبريد. فمن الضروري لضبط تدفق الهواء إلى المستوى المناسب للتخلص من الحرارة والحفاظ على درجة حرارة ثابت المحرك. حتى عندما يتم تشغيل المحرك قبالة بيزو للاختبارات دون الاهتزازات فوق الصوتية، لا يزال ينبغي أن تطبق نفس تدفق الهواء بحيث تظل ظروف الاختبار نفسها لجميع الاختبارات.

مقارنة مع الأعمال السابقة، وهذا الاحتكاك الدراسات البروتوكول وارتداء في وقت واحد، في نفس الاختبار الذي لم يتم على نحو منهجي سابقا. وgymbalالتجمع يتيح نهجا أكثر مباشرة لقياس قوى الاحتكاك في واجهة من الأساليب الأخرى التي إما تستمد الاحتكاك من قوة يشتغل معايرة أو من المعلمات المادية الأخرى، مثل تشوه أو عزم الدوران. غلاف قرص صممت وبنيت لهذه الاختبارات يسمح تغيير مناسب من عينات الاختبار مع الأبعاد المختلفة، والمواد، ومقدار خشونة السطح. يوفر profilometer الضوئية المعلومات مثل ملامح 3D وخشونة السطح لدراسة الحد من ارتداء، التي تنص على فهم أكثر تفصيلا من ندوب ملابس من فقدان الصوت أو فقدان الوزن القياسات. مع هذه المزايا، وهذا البروتوكول يمكن استخدامها لتحقيق الاعتماد الاحتكاك بالموجات فوق الصوتية وارتداء تخفيض على العديد من المعالم الأخرى مثل الإجهاد الطبيعي، صلابة المواد، خشونة السطح، والسعة الذبذبات.

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

NameCompanyCatalog NumberComments
DC Motor Minarik SL14
Electrical amplifierAE TechronLVC5050
Signal conditioner Vishay Measurements Group2310
Signal generatorAgilent 33120A
Piezoelectric stackEDO corporationEP200-62
Load cellTransducer TechniquesMLP-50
Load sensor padFlexiForceA201
Laser meterKeyence corporation LK-G32
Hall-effect probe and gaussmeterWalker Scientific, Inc.MG-4D
Data acquisition moduleData PhysicsQuattro
Data acquisition softwareData PhysicsSignalCalc Ace
Thermocouple readerOmegaHH22
Optical profilometerBrukerContour GT
Profilometer operation softwareBruker Vision 64

References

  1. Bhushan, B. Introduction to tribology. , John Wiley & Sons. New York. (2002).
  2. Severdenko, V., Klubovich, V., Stepanenko, A. Ultrasonic rolling and drawing of metals. , Consultants Bureau. New York and London. (1972).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Littmann, W., Storck, H., Wallaschek, J. Reduction in friction using piezoelectrically excited ultrasonic vibrations. Proc. SPIE. 4331, (2001).
  6. Bharadwaj, S., Dapino, M. J. Friction control in automotive seat belt systems by piezoelectrically generated ultrasonic vibrations. Proc. SPIE. 7645, 7645E(2010).
  7. Bharadwaj, S., Dapino, M. J. Effect of load on active friction control using ultrasonic vibrations. Proc. SPIE. 7290, 7290G(2010).
  8. 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).
  9. Pohlman, R., Lehfeldt, E. Influence of ultrasonic vibration on metallic friction. Ultrasonics. 4 (4), 178-185 (1966).
  10. 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).
  11. Dong, S., Dapino, M. J. Piezoelectrically-induced ultrasonic lubrication by way of Poisson effect. Proc. SPIE. 8343, 83430L(2012).
  12. Dong, S., Dapino, M. J. Elastic-plastic cube model for ultrasonic friction reduction via Poisson effect. Ultrasonics. 54 (1), 343-350 (2014).
  13. Dong, S., Dapino, M. J. Wear Reduction Through Piezoelectrically-Assisted Ultrasonic Lubrication. Smart. Mater. Struct. 23 (10), 104005(2014).
  14. Chowdhury, M., Helali, M. The effect of frequency of vibration and humidity on the wear rate. Wear. 262 (1-2), 198-203 (2014).
  15. 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).
  16. Bryant, M., York, D. Measurements and correlations of slider vibrations and wear. J. Tribol. 122 (1), 374-380 (2000).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Robinowicz, E. The friction and wear of materials. , Wiley. New Jersey. (1965).
  20. Bowden, F., Freitag, E. The friction of solids at very high speeds. Proc. R. Soc. A. 248 (1254), 350-367 (1985).
  21. Burwell, J., Rabinowicz, E. The nature of the coefficient of friction. J. Appl. Phys. 24 (2), 136-139 (1953).
  22. Cocks, M. Interaction of sliding metal surfaces. J. Appl. Phys. 33 (7), 2152-2161 (1962).
  23. Rusinko, A. Ultrasound and Irrecoverable Deformation in Metals. , LAP Lambert Academic Publishing. Saarbrücken. (2012).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

103 tribometer profilometry

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved