کشف دینامیک اصطکاک با استفاده از ذرات هیدروژل به عنوان بلبرینگ نرم

خلاصه

بلبرینگ نورد به طور گسترده ای شناخته شده و برای کاهش اصطکاک بین دو سطح استفاده می شود. اخیراً، سه جفت هیدروژل-هیدروژل نیز خواص روانکاری خوب اما نسبتاً پیچیده ای را نشان داده اند. در اینجا، ما از هیدروژل‌ها به عنوان یاتاقان‌های توپ استفاده می‌کنیم تا مشخص کنیم که ذرات کروی نرم رفتار روان‌کاری وابسته به نرخ غیرمعمولی دارند. بر خلاف روانکاری نیوتنی یا اصطکاک جامد خشک، ذرات هیدروژل در حالت تعلیق به عنوان تابعی از سرعت لغزش از طریق چهار رژیم اصطکاکی عبور می کنند. ما رژیم‌های مختلف را به تغییر شکل ذرات در اندازه‌های شکاف مختلف مرتبط می‌کنیم، که منطقه تماس موثر بین سطوح لغزش را تغییر می‌دهد. با تغییر سیستماتیک ویژگی‌های ذرات و ویژگی‌های سطح سطوح لغزنده، مکانیسم‌های بالقوه را برای هر یک از رژیم‌های روانکاری مختلف به عنوان تابعی از سرعت تعیین می‌کنیم: (I) اصطکاک نسبتاً زیاد به دلیل مسطح شدن ذرات و تماس مستقیم بین اجسام متقابل (II) ) کاهش اصطکاک به دلیل وجود ذرات غلتشی (III) جریان بزرگ ذرات در یک فضای محدود که منجر به ذرات فشرده می شود و (IV) تشکیل یک لایه روان کننده ضخیم. با استفاده از این سوسپانسیون ها با ذرات نرم و قابل تغییر شکل به عنوان یک سیستم بلبرینگ، ما بینش جدیدی در مورد اصطکاک مواد نرم با کاربرد در امولسیون ها، پودرها، خمیرها یا سایر مواد دانه ای ارائه می دهیم.

معرفی

اصطکاک برای عملکرد بسیاری از سیستم‌های مکانیکی مختلف مانند لاستیک‌های خودرو، یاتاقان‌های فولادی، ایمپلنت‌های زیست‌پزشکی و حتی مفاصل انسان اهمیت دارد. ضریب اصطکاک بیانگر سهولت لغزش دو سطح در کنار یکدیگر است و از نیروی اصطکاک (FF) و نیروی نرمال (FN) به صورت μ = FF/FN محاسبه می شود. پارامترهای متعددی وجود دارد که بر اصطکاک بین دو سطح تأثیر می گذارد. به این ترتیب، μ می تواند به سرعت، نیروی نرمال، چسبندگی، زبری و غیره بستگی داشته باشد. یک استراتژی ساده برای به دست آوردن اصطکاک کم این است که سطوح لغزنده را از تماس فیزیکی با یکدیگر دور نگه دارید. لازم به ذکر است که در صورت تماس سطوح با یکدیگر، اصطکاک کم نیز حاصل می شود. در مورد هیدروژل ها، نشان داده شده است که کاهش اصطکاک را می توان با افزایش سطح تماس به دست آورد. 1،2 برای کاهش مقادیر بالای اصطکاک ناشی از افزایش تماس، سطح تماس بین سطوح در حال حرکت را می توان به طرق مختلف به حداقل رساند. . وجود ساده یک لایه مایع روان کننده نازک یا پوشش پلیمری می تواند با جلوگیری از تماس مستقیم سطوح، ضریب اصطکاک را تا حد زیادی کاهش دهد.

علاوه بر این، کره های جامد قادر به کاهش اصطکاک هستند (شکل 1a). گوی های جامد بین دو سطح لغزنده توانایی کاهش اصطکاک را با جداسازی سطوح لغزنده دارند. اگرچه خود کره ها در تماس مستقیم با هر دو سطح هستند، توانایی غلتش آنها مکانیزم روانکاری را فراهم می کند. این مکانیسم به عنوان مکانیسم یاتاقان توپ 5-7 یا اصطکاک بدنه سوم شناخته می شود و این مکانیسم نقش مهمی در اکثر ماشین آلات با قطعات چرخان ایفا می کند و می توان آن را در کاربردهایی از لوازم آشپزخانه 9 تا صنایع فضایی یافت.10 به دلیل صاف بودن سطح کره، وجود بلبرینگ های غلتشی می تواند ضریب اصطکاک را در مقایسه با سطوح لغزشی در تماس مستقیم کاهش دهد.11 با استفاده از بلبرینگ هایی که به خودی خود اصطکاک بسیار کم (وابسته به سرعت) را ایجاد می کنند، می توان پرسید که اصطکاک تماس یاتاقان چگونه بر توپ تأثیر می گذارد. مکانیزم بلبرینگ علاوه بر این، یاتاقان‌های توپ یا تغییر شکل زیرلایه اغلب در مکانیسم‌های بلبرینگ در نظر گرفته نمی‌شوند، زیرا یاتاقان‌های توپ معمولاً بسیار کمتر از مقاومت داخلی خود تحت فشار قرار می‌گیرند. تغییر شکل بلبرینگ ها ممکن است به طور قابل توجهی بر نواحی تماس درگیر و با آن رفتار روانکاری بلبرینگ ها تأثیر بگذارد. بنابراین، برای یاتاقان‌های ساچمه‌ای نرم و لغزنده، می‌توانیم انتظار رفتار روانکاری غیر ضروری را داشته باشیم.

روش های ساخت انواع بلبرینگ

تغییر شکل ذرات ما چهار رژیم وابسته به سرعت را معرفی می کند. ما مکانیسم های احتمالی اساسی برای رژیم های مختلف را مورد بحث قرار می دهیم. به طور کلی، سیستم تعلیق کره‌ای نرم ما نشان می‌دهد که تماس محدود بین سطوح لغزنده باعث لغزش آسان و ضرایب اصطکاک کم می‌شود. این مورد برای سوسپانسیون های با حجم بالا، ذرات سخت و ذرات بزرگ است، زیرا این نمونه ها به خوبی قادر به جداسازی سطوح لغزنده هستند. سوسپانسیون ذرات کروی نرم که معرفی کردیم می تواند به عنوان یک سیستم مدل برای درک کامل رفتار اصطکاکی پودرها، خمیرها و سوسپانسیون هایی که معمولاً در کشاورزی، داروسازی و غذا استفاده می شوند، عمل کند.

 

2 تجربی

2.1 آماده سازی ریز ذرات ژلاتین

ما از ریز ذرات ژلاتین (شکل 2) به عنوان بلبرینگ هیدروژل نرم خود استفاده می کنیم. برای به دست آوردن ریزذرات ژلاتین ابتدا محلول های ژلاتینی با درصد وزنی مربوطه (وزنی/وزنی درصد) درست می کنیم.

این کار با افزودن پودر ژلاتین (نوع A، سیگما آلدریچ) به آب Milli-Q انجام می شود. مخلوط تکان داده شد و در دمای اتاق رها شد تا پودر ژلاتین هیدراته شود قبل از اینکه مخلوط تا دمای 60 درجه سانتیگراد گرم شود تا ژلاتین حل شود. سپس محلول ژلاتین با نسبت 1: 4 به مخلوطی از روغن آفتابگردان و 2.5 درصد وزنی امولسیفایر پلی گلیسرول پلی ریسینولئات (PGPR) در دمای 60 درجه سانتی گراد اضافه شد. یک امولسیون محلول ژلاتین در روغن با پیش مخلوط کردن محلول ژلاتین با مخلوط روغن/PGPR به مدت 15 دقیقه با استفاده از یک نوار همزن مغناطیسی ایجاد شد. امولسیون از پیش مخلوط شده بیشتر با استفاده از همگن سازی استاتور روتور (IKA Ultra Turrax) همگن شد و پس از آن امولسیون بلافاصله در یک حمام یخ خنک شد تا ژلاتین ژلاتین ایجاد شود و ذرات هیدروژل جامد مانند ایجاد شود. زمان اختلاط و سرعت اختلاط برای تغییر اندازه قطرات متفاوت بود. یک نمای کلی از زمان‌ها و سرعت‌های اختلاط مورد استفاده برای هر نمونه را می‌توان در جدول 1 یافت. برای جمع‌آوری ذرات هیدروژل ژلاتین، مقدار عمده روغن با سانتریفیوژ کردن به مدت یک سیکل 30 دقیقه‌ای در 16000 دور در دقیقه در دمای 4 درجه سانتی‌گراد حذف شد. . روغن باقیمانده با پخش کردن ریزذرات ژلاتین در استون در طول شب حذف شد. استون با روغن محلول با فیلتراسیون حذف شد و خشک شدن بیشتر توسط هوا منجر به یک پودر خشک شد. برای تهیه سوسپانسیون ذرات هیدروژل، پودر ذرات خشک شده به آب اضافی اضافه شد تا ذرات دوباره هیدراته شوند. آبرسانی مجدد ذرات را به شکل کروی اولیه خود باز می گرداند و می توان آن را به طور مکرر انجام داد.

برای جلوگیری از تجمع ذرات هیدروژل، ما سوسپانسیون را به مدت 1 دقیقه با استفاده از یک IKA Ultra Turrax و سپس برای چهار چرخه (یک چرخه در 40 بار و سپس سه چرخه در 80 بار) با استفاده از یک هموژنایزر LAB (Delta Instruments) همگن کردیم. ما تأیید می کنیم که ذرات پس از درمان، کروی باقی مانده اند، با استفاده از میکروسکوپ روشن فیلد (شکل 2b). برای افزایش بیشتر سختی ذرات میکروژل خاص، ما ژلاتین را با استفاده از روشی که در کار قبلی منتشر شده بود به صورت شیمیایی به هم متصل کردیم. پس از فیلتراسیون، یک سوسپانسیون ذرات هیدروژل متراکم به دست آوردیم که برای اندازه‌گیری‌های رئولوژیکی و تریبولوژیکی استفاده می‌شد. ما به این تعلیق با بسته بندی متراکم به عنوان "100٪" اشاره می کنیم که در اینجا به حداکثر بسته بندی اشاره دارد. کسر حجمی واقعی ذرات بسیار کمتر است، زیرا حداکثر بسته بندی ذرات کروی و تک پراکنده از نظر تئوری بین 64 تا 74 درصد است. از این رو از ادعای ارزش خاص کسر بسته بندی خودداری می کنیم و آن را "100٪" می دانیم. این سوسپانسیون 100٪ با بسته بندی متراکم با آب Milli-Q رقیق می شود تا 50٪،

مدل سازی بلبرینگ عناصر غلتشی: بررسی

قطر عیب روی سطح عنصر نورد یاتاقان آزمایشی 1.2 میلی متر است و در شکل 9 (الف) نشان داده شده است. عرض و عمق عیب در سطح بیرونی راه آهن بلبرینگ آزمایشی به ترتیب 1.2 میلی متر و 0.25 میلی متر است که در شکل 9 (b) نشان داده شده است. عیوب در بلبرینگ آزمایشی با مدل شبیه سازی شده مطابقت دارد.

 

پاسخ ارتعاش یاتاقان آزمایشی با خطای مرکب در هر دو حوزه زمانی و طیف فرکانس از آزمایش در شکل 13 نشان داده شده است. سیگنال های آزمایشی بزرگ شده در حوزه زمان از 1.56 اینچ به 1.66 اینچ در شکل 13 (b) آورده شده است. از نمودار تقویت‌شده در حوزه زمان می‌توان مشاهده کرد که هنگامی که عنصر نورد بر روی عیب راهرو بیرونی می‌چرخد، تکانه‌های A3 و A4 ایجاد می‌شوند، و هنگامی که نقص عنصر نورد با مسیر داخلی یا بیرونی تماس پیدا می‌کند، تکانه‌های B3 و B4 ایجاد می‌شوند. در همین حال، فواصل زمانی بین ضربه تقریباً 9.3 اینچ و 7.38 اینچ است که به ترتیب برابر با 1/fBPFO و 1/fBPB است. از ارقام حوزه زمان به وضوح نشان داده می شود که سیگنال های شبیه سازی شده و تجربی باربری با خطای مرکب دارای پدیده ضربه دوره ای در حوزه زمان هستند.

از شکل 12(c) و شکل 13(c) می توان دید که fBPFO، fBPB و فرکانس هارمونیک آنها به وضوح قابل مشاهده است. فرکانس مشخصه خطای fBPFO و fBPB به ترتیب 104.7 هرتز و 139.6 هرتز است. خطاهای نسبی fBPFO و fBPB بین نتایج تجربی و شبیه سازی شده به ترتیب 0.29٪ و 3.02٪ است. بنابراین، مدل شبیه سازی با نتایج تجربی مطابقت دارد. خطاهای نسبی مربوط به پیش بارگذاری، لغزش عنصر غلتشی و عوامل دیگر است.

 

با مقایسه شکل 10(c) با شکل 12(c)، می توان به وضوح مشاهده کرد که وقتی بلبرینگ عنصر غلتشی دارای خطای مرکب است، دامنه فرکانس مشخصه خطا بزرگتر از آنهایی است که دارای نقص واحد هستند. پاسخ ارتعاشی یاتاقان با خطای مرکب، نتیجه جفت شدن سیگنال‌های ارتعاشی از یک خطای واحد بر روی سطوح عنصر نورد و مسیر بیرونی است.

ویژگی ارتعاش یاتاقان غلتکی خطای منفرد یا مرکب

5.1. تأثیر بار بر پاسخ ارتعاش یاتاقان خطای منفرد یا مرکب

هنگامی که عرض عیب در راهرو بیرونی 1.2 میلی متر و قطر عیب روی سطح عنصر نورد 1.2 میلی متر و سرعت شفت 1750 اینچ در دقیقه باشد، بار اعمال شده بر یاتاقان از 10 N به 150 N افزایش می یابد. دامنه های fBPFO، fBPB و فرکانس های هارمونیک آنها را می توان در شکل 14 تحت سه حالت خطای بلبرینگ المنت غلتشی نشان داد.

از شکل 14، نشان داده شده است که فرکانس های مشخصه خطا و فرکانس های هارمونیک آنها تغییر نمی کند، اما دامنه سیگنال ارتعاش آنها با افزایش بار اعمال شده افزایش می یابد. هنگامی که بار اعمال شده بر روی یاتاقان زیاد باشد، بار ضربه ای ناشی از غلتش عنصر در سراسر عیب بزرگ خواهد بود، که پاسخ ارتعاش یاتاقان را افزایش می دهد.

 

5.2. تأثیر اندازه نقص بر پاسخ ارتعاش یاتاقان خطای منفرد یا مرکب

عیوب یاتاقان ها مانند ترک، حفره، گودال و سایر عیوب موضعی در حین کار رخ می دهد و اندازه این عیوب به تدریج افزایش می یابد.

 

هنگامی که سرعت بلبرینگ 1750r/min و بار اعمال شده 50 N باشد، عرض عیب در مسیر بیرونی و قطر عیب روی سطح عنصر نورد به ترتیب 0.6، 0.9، 1.2 و 1.5 میلی متر است. دامنه فرکانس های مشخصه خطا و فرکانس های هارمونیک آنها در شکل 15 نشان داده شده است.

از شکل 15 می توان دریافت که فرکانس های مشخصه خطای مربوطه و فرکانس های هارمونیک آنها تغییر نمی کنند. با این حال، دامنه سیگنال ارتعاش آنها با افزایش اندازه نقص از 0.6 میلی متر به 1.5 میلی متر افزایش می یابد. افزایش اندازه نقص یاتاقان منجر به افزایش نیروی تحریک داخلی می شود. بنابراین، دامنه پاسخ ارتعاشی ارتعاش یاتاقان به نسبت قوی تر خواهد بود. می تواند رابطه بین اندازه نقص و پاسخ ضربه تحریک را تا حد معینی توضیح دهد.

 

5.3. تأثیر سرعت چرخش بر پاسخ ارتعاش یاتاقان خطای منفرد یا مرکب

در حین کارکرد تجهیزات، سرعت چرخش تأثیر زیادی بر پایداری سیستم بلبرینگ دارد، بنابراین بررسی پاسخ ارتعاشی یاتاقان خطای مرکب با سرعت های مختلف ضروری است.

 

عرض عیب در مسیر بیرونی یاتاقان 1.2 میلی متر، قطر عیب در سطح عنصر نورد 1.2 میلی متر و بار اعمال شده 50 اینچ است. دامنه فرکانس های مشخصه خطا و فرکانس های هارمونیک آنها را می توان در زیر نشان داد. شکل 16 به ترتیب تحت سرعت 1550، 1650، 1750 و 1850 r/min است.

مدل پیش‌بینی دقت دورانی غلتک‌های استوانه‌ای

در حالی که مطالعاتی در مورد عملکرد غیر تکراری و پویا انجام شده است، تحقیقات نسبتا کمی در مورد دقت چرخشی یاتاقان‌های غلتشی وجود دارد. تحقیقات در مورد دقت دورانی عمدتاً بر خطای حرکت یاتاقان‌ها ناشی از عملکرد ترکیبی تعداد غلتک و خطای گرد بودن اجزا در فرآیند چرخش متمرکز شده است. خطای حرکت بلبرینگ شامل خارج شدن حلقه چرخان در جهت افقی و عمودی صفحه شعاعی است.

 

در تحقیقات فعلی در مورد دقت دورانی، بسیاری از مطالعات تأثیر خطای هندسی مؤلفه را بر روی خروج عمودی حلقه چرخان بررسی کرده‌اند. با این حال، خروج عمودی حلقه دوار، خروجی حلقه چرخان را در صفحه شعاعی به طور دقیق منعکس نمی‌کند، زیرا خروجی افقی حلقه چرخان را نادیده می‌گیرد. ما با مطالعه تأثیر جفت شدن شماره غلتک و تأثیر خطاهای گرد بودن مؤلفه بر روی از بین رفتن حلقه چرخان در صفحه شعاعی، به دنبال شناسایی عوامل کلیدی مؤثر در خطای حرکت بلبرینگ‌های غلتیدیم. یک مدل پیش‌بینی خطای حرکت برای یاتاقان‌های غلتکی استوانه‌ای در مقاله قبلی این سری پیشنهاد شده است و به طور خلاصه در بخش «مدل پیش‌بینی دقت دورانی غلتک‌های استوانه‌ای» توضیح داده شده است. مطالعه حاضر به طور تجربی مدل پیشنهادی قبلی را تأیید می‌کند.

خطای دورانی بلبرینگ های غلتشی در شرایط بدون بار و سرعت کم، میزان دقت دورانی را تعیین می کند. با کاهش خطای چرخشی، سطح دقت چرخش افزایش می یابد. دقت دورانی بلبرینگ های غلتشی به عنوان خطای بین موقعیت صفحه تنظیم و موقعیت ایده آل حلقه چرخان در شرایط بدون بار و سرعت کم تعریف می شود.

 

در حین اندازه گیری ها هیچ بار کاری به یاتاقان وارد نمی شود، اما برای حفظ پایداری عملیاتی یاتاقان (تماس کامل بین عناصر نورد و مسیر مسابقه)، لازم است بار اندازه گیری کوچکی به بلبرینگ اعمال شود. این بار باید به اندازه کافی کوچک باشد تا باعث ایجاد تغییر شکل الاستیک قابل مشاهده بین اجزای یاتاقان نشود. سرعت های پایین از ضربه بین قطعات جلوگیری می کند و لرزش یاتاقان را کاهش می دهد، اطمینان حاصل می شود که خطای حرکتی اندازه گیری شده یاتاقان غلتکی تنها به دلیل خطاهای گردی در اجزای یاتاقان ایجاد می شود.

شکل 1 نمودار یک بلبرینگ نورد را نشان می دهد که حلقه داخلی آن در امتداد جهت های افقی و عمودی صفحه شعاعی حرکت می کند. خطای حرکت زمانی رخ می‌دهد که حلقه داخلی حول محور خود می‌چرخد، زیرا به دلیل خطاهای هندسی در مسیرهای مسابقه و غلطک‌ها وجود دارد. در مورد تصویر، راهروی داخلی با قسمت پایین غلتک ها تماس می گیرد قبل از اینکه حلقه داخلی به موقعیت تعادل (Xi، Yi) حرکت کند. مختصات مرکز حلقه داخلی با چرخش متفاوت است. مدل پیش‌بینی توسعه‌یافته قبلی از یک مدل محدودیت هندسی استوانه‌ای غلتکی مشتق شد. مدل محدودیت هم خطاهای هندسی راهروها و غلتک ها و هم تغییر در موقعیت های تماس واقعی بین راهروها و غلتک ها را ترکیب می کند. محاسبات مدل پیش بینی به شرح زیر تکرار می شود:

 

1.

مختصات مرکزی غلتک های پایینی که با راهرو بیرونی تماس می گیرند، زمانی محاسبه می شود که حلقه داخلی یک زاویه پله معین بچرخد.

 

2.

حلقه داخلی در صفحه شعاعی حرکت می کند و وضعیت های تماس (تماس، جداسازی و تداخل) بین راهرو داخلی و غلتک ها برای هر موقعیت مشخص تعیین می شود.

 

3.

موقعیت حلقه داخلی در صفحه شعاعی از طریق معیار پایدار بر اساس اصل تعادل نیرو از سایر موقعیت ها متمایز می شود.

4.

فاصله بین مراکز حلقه داخلی و حلقه بیرونی زمانی محاسبه می شود که حلقه داخلی یک زاویه مشخص را بچرخاند.

هر بار که حلقه داخلی می چرخد، با تکرار محاسبات بالا در زوایای چرخش مختلف، فاصله بین مراکز حلقه داخلی و حلقه بیرونی محاسبه می شود. تفاوت بین حداکثر فاصله و حداقل فاصله به دست آمده از این فرآیند، تغییر خروجی حلقه داخلی است این سایت که بازتابی از محدوده خروجی حلقه داخلی است.