Информационная помощь Администратора портала

Информационная помощь Администратора портала


Информационная поддержка — сюда относится всё, что связано с содержанием сайта: контент, графика, наполнение.

Трибометр для испытания на сверхвысокое трение


Процессы трения и износа очень сложны, на них влияют скорость скольжения, температура, контактное напряжение и т.д. [1-6]. Сверхвысокое трение широко используется в промышленности и повседневной жизни. Скорость скольжения между лыжами и снегом в лыжных гонках превышает 140 км / ч [7, 8]. Скорость трения между тормозным диском и фрикционной накладкой может составлять 200 км / ч при начальном торможении для высокоскоростных поездов [9].

Сообщалось о сверхвысокой скорости обработки со скоростью резания выше 3000 м / мин [10-13], что означает сверхвысокое трение между режущим инструментом и обрабатываемыми материалами. По сравнению с традиционными трибологическими процессами, при сверхвысоких скоростях трения выделяется больше тепла, что может привести к изменению механического и трибологического поведения пар трения [14, 15]. Для измерения трибологических характеристик, таких как коэффициент трения, сила трения и объем износа между двумя контактирующими поверхностями используют трибометры. Чтобы провести точное трибологическое исследование двух материалов в скользящем контакте, следует как можно больше учитывать факторы, влияющие на процессы трения. Зависимость трения и износа от скорости скольжения широко проверена [16-18]. Для понимания процессов необходимо реализовать сверхвысокоскоростное трение. 

Были предложены некоторые методы испытаний на трение при сверхвысоких скоростях. Стальной шар вращали, а затем захватывали его с другими образцами трения или роняли на другой образец, чтобы получить сверхвысокую скорость трения 800 м / с [19]. Было предложено несколько методов испытания на трение при высоких / сверхвысоких скоростях, основанных на традиционной разделенной планке давления Хопкинсона (SHPB). Огава провел испытание на трение со скоростью трения 5 м / с, используя модифицированный SHPB, ударяя в осевом направлении входную трубку о вращающуюся выходную трубку [20]. Лю и др. предложили новый метод испытания динамического коэффициента трения на основе модифицированного SHPB, в котором нормальное давление и сила трения прикладываются к паре трения одновременно с помощью разработанной клиновой конструкции падающего стержня [21]. 

В дополнение к SHPB, другое испытательное оборудование для динамических механических свойств было модифицировано для изучения трения на высоких / сверхвысоких скоростях. Модифицированный торсионный стержень Кольского был использован для исследования высокоскоростного трения путем замены измерительного стержня жестким диском [22]. Благодаря удару под углом относительно направления движения летчика, модифицированная конфигурация удара пластины также может быть использована для исследования трения на высоких / сверхвысоких скоростях [23, 24]. Другой потенциальный метод испытания на сверхвысокое трение - это испытание на ортогональное резание, в котором скорость скольжения может быть равна скорости резания при сверхвысокой скорости обработки [25].

Однако упомянутые выше методы испытаний на трение на высоких / сверхвысоких скоростях обычно имеют низкую универсальность, что серьезно ограничивает их применение. Следовательно, универсальный сверхвысокоскоростной трибометр необходим для изучения механизмов трения и износа при очень высокой скорости скольжения. Некоторые из распространенных конфигураций трибометра с высокой универсальностью показаны на рис. 1, включая шар на диске, линейно возвратно-поступательное движение, блок на кольце и четыре шара. Конфигурация испытания с четырьмя шариками была первоначально разработана для исследования противоизносных свойств смазочного материала при граничной смазке [26-28]. Шарик на диске, линейное возвратно-поступательное движение и блок на кольце обычно используются для оценки свойств трения и износа [29-31]. Однако нет четких свидетельств того, что конкретные условия эксплуатации должны моделироваться с помощью конкретных конфигураций трибометра. Например, шар на диске и блок на кольце также часто используются для проверки характеристик смазочных материалов [32-34]. Стоит отметить, что шар на диске является наиболее часто используемой конфигурацией трибометра из-за ее стабильности, низкой стоимости и обеспечения более высокой максимальной скорости скольжения [35, 36].


Рис. 1 Выбор распространенных конфигураций трибометра (а) шар на диске, (б) линейное возвратно-поступательное движение, (в) блок на кольце и (г) четыре шара [35].

Проведены масштабные трибологические исследования на базе универсального дискового трибометра. Эти исследования в основном касались трибологических характеристик пар трения и смазок [37, 38], а также влияния нагрузки или скольжения на свойства трения и износа [39, 40]. Он широко используется для оценки фрикционных и износостойких свойств матрицы, поверхности с микротекстурой и покрытий [41-44]. Материал пары трения включает практически все технические материалы, такие как металлы, керамика, композиты и полимеры, благодаря универсальности [45-48]. Однако скорость скольжения обычно ниже 5 м / с, что намного ниже скорости скольжения сверхвысокого трения [49-54].

В этом исследовании анализируются факторы, ограничивающие скорость скольжения при испытании шариком по диску. По результатам анализа предложено комбинированное решение для сверхвысокоскоростного испытания на трение шарика по диску. Прецизионная резка в режиме реального времени и динамическая балансировка на месте используются для уменьшения торцевого биения диска и вибрации при сверхвысокоскоростном испытании шариком на диске соответственно. Затем на основе этого решения был разработан сверхскоростной шаровой трибометр на диске. Трибометр может обеспечить максимальную скорость скольжения 50 м / с при использовании диска диаметром 120 мм. Наконец, проводятся испытания трением трех типов типичных технических материалов с различной твердостью или хрупкостью, включая бескислородную медь с высокой проводимостью (OFHC), нержавеющую сталь и монокристаллический кремний, о шарик из оксида алюминия. Стабильность трения при сверхвысоких скоростях трения оценивается для проверки работоспособности предложенного трибометра.

Использованные источники

[1] Campen S, Green J, Lamb G, Atkinson D, Spikes H. On the Increase in Boundary Friction with Sliding Speed. TRIBOL LETT 2012 2012-11-01;48.

[2] Cross R. Increase in friction force with sliding speed. American Journal of Physics - AMER J PHYS 2005 2005-09-01;73.

[3] Wei L, Choy YS, Cheung CS. A study of brake contact pairs under different friction conditions with respect to characteristics of brake pad surfaces. TRIBOL INT 2019;138:99-110.

[4] Vengudusamy B, Grafl A, Novotny-Farkas F, Schöfmann W. Influence of temperature on the friction performance of gear oils in rolling–sliding and pure sliding contacts. LUBR SCI 2014 2014-06-01;26.

[5] Li G, Li J, Sun J, Jiang F. Study on the tribological properties between the aluminum alloy 7050-T7451 and the YG8 cemented carbide. J MATER SCI 2011 2011-02-01;46:723-6.

[6] Wang A, Essner A, Klein R. Effect of contact stress on friction and wear of ultra-high molecular weight polyethylene in total hip replacement. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part H, Journal of engineering in medicine 2001 2001-02-01;215:133-9.

[7] Hasler M, Schindelwig K, Mayr B, Knoflach C, Rohm S, van Putten J, et al. A Novel Ski–Snow Tribometer and its Precision. TRIBOL LETT 2016;63(3):41-50.

[8] Scherge M, Böttcher R, Spagni A, Marchetto D. High-Speed Measurements of Steel–Ice Friction: Experiment vs. Calculation. Lubricants 2018 2018-03-09;6(1):26.

[9] JIANG L, JIANG Y, YU L, YANG H, LI Z, DING Y, et al. Fabrication, microstructure, friction and wear properties of SiC3D/Al brake disc−graphite/SiC pad tribo-couple for high-speed train. T NONFERR METAL SOC 2019;29(9):1889-902.

[10] Wang B, Liu Z, Su G, Ai X. Brittle Removal Mechanism of Ductile Materials With Ultrahigh-Speed Machining. Journal of Manufacturing Science and Engineering 2015 2015-12-01;137(6).

[11] Wang B, Liu Z, Song Q, Wan Y, Shi Z. Proper selection of cutting parameters and cutting tool angle to lower the specific cutting energy during high speed machining of 7050-T7451 aluminum alloy. J CLEAN PROD 2016 2016-04-23;129.

[12] Yang X, Zhang B. Material embrittlement in high strain-rate loading. International Journal of Extreme Manufacturing 2019 2019-06-03;1.

[13] Zhang B, Yin J. The "skin effect" of subsurface damage distribution in materials subjected to high-speed machining. International Journal of Extreme Manufacturing 2019.

[14] Guo B, Zhang L, Liang C, Tao Z, Lan Y. The Correction of Temperature-Dependent Vickers Hardness of Cemented Carbide Base on the Developed High-Temperature Hardness Tester. J MATER PROCESS TECH 2017;255:426-33.

[15] Wang F, Ji K, Guo Z. Microstructural analysis of failure progression for coated carbide tools during high-speed milling of Ti-6Al-4V. WEAR 2020.

[16] Pei W, Duan Z, Gong X, Zeng J, Chen H. Effect of Speed on Friction and Wear Properties of Cu-based Material; 2017.

[17] Ma W, Lu J. Effect of Sliding Speed on Surface Modification and Tribological Behavior of Copper–Graphite Composite. TRIBOL LETT 2010 2010-02-01;41:363-70.

[18] Wu Y, Jin H, Hou S, Li Y. A Load-Dependent Model to Investigate the Velocity Dependence of Friction Coefficient: ZrO2/Polymer Nanocomposite. TRIBOL LETT 2012 2012-12-01;48.

[19] Bowden F, Freitag E. The Friction of Solids at Very High Speeds. I. Metal on Metal; II. Metal on Diamond. Proceedings of The Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 1958 1958-11-25;248:350-67. [20] Ogawa K. Impact friction test method by applying stress wave. EXP MECH 1997 1997-12-01;37:398-402.

[21] Lin Y, Qin J, Lu F, Chen R, Li X. Dynamic friction coefficient of two plastics against aluminum under impact loading. TRIBOL INT 2014 2014-11-01;79:26-31.

[22] Rajagopalan S, Prakash V. A modified torsional kolsky bar for investigating dynamic friction. EXP MECH 1999 1999-01-01;39(4):295-303.

[23] Okada M, Liou N, Prakash V, Miyoshi K. Tribology of high-speed metal-on-metal sliding at near-melt  and fully-melt interfacial temperatures. WEAR 2001 2001-08-01;249:672-86.

[24] Okada M, Liou NS, Prakash V. Dynamic shearing resistance of molten metal films under high pressures and extremely high shearing rates. EXP MECH 2002;42(2):161-71.

[25] Cristino VAM, Rosa PAR, Martins PAF. Tribology in Metal Cutting: Springer US; 2013.

[26] Zulhanafi P, Syahrullail S. The tribological performances of Super Olein as fluid lubricant using four-ball tribotester. TRIBOL INT 2019;130:85-93.

[27] Johansson JE, Devlin MT, Prakash B. Investigations into the occurrence of pitting in lubricated rolling four-ball tests. LUBR SCI 2015;27(2):103-26.

[28] Tuszynski W. An effect of lubricating additives on tribochemical phenomena in a rolling steel four-ball contact. TRIBOL LETT 2006 2006-11-28;24(3):207-15.

Journal Pre-proof[29] Carrera-Espinoza R, Figueroa-López U, Martínez-Trinidad J, Campos-Silva I, Hernández-Sánchez E,  Motallebzadeh A. Tribological behavior of borided AISI 1018 steel under linear reciprocating sliding conditions. WEAR 2016;362-363:1-7.

[30] Björling M, Miettinen J, Marklund P, Lehtovaara A, Larsson R. The correlation between gear contact friction and ball on disc friction measurements. TRIBOL INT 2015;83:114-9.

[31] Wang M, Zhang C, Sun D, Yang Z, Zhang F. Wear behaviour and microstructure evolution of pearlitic steels under block-on-ring wear process. MATER SCI TECH-LOND 2019 2019-01-01;35(10):1149-60.

[32] Wu H, Zhao J, Xia W, Cheng X, He A, Yun JH, et al. A study of the tribological behaviour of TiO 2 nano-additive water-based lubricants. TRIBOL INT 2017;109:398-408.

[33] Wu H, Zhao J, Cheng X, Xia W, He A, Yun J, et al. Friction and wear characteristics of TiO 2 nano-additive water-based lubricant on ferritic stainless steel. TRIBOL INT 2018;117:24-38.

[34] Chu HY, Hsu WC, Lin JF. Scuffing mechanism during oil-lubricated block-on-ring test with diamond nanoparticles as oil additive. WEAR 2010;268(11-12):1423-33.

[35]  Editors, Menezes P, Ingole S, Nosonovsky M, Kailas S, Lovell M. Tribology for Scientists and Engineers; 2013. [36] Wang L, Cai J, Zhou J, Duszczyk J. Characteristics of the Friction Between Aluminium and Steel at Elevated Temperatures During Ball-on-Disc Tests. TRIBOL LETT 2009;36(2):183-90.

[37] Wu H, Jia F, Zhao J, Huang S, Wang L, Jiao S, et al. Effect of water-based nanolubricant containing nano-TiO2 on friction and wear behaviour of chrome steel at ambient and elevated temperatures. WEAR 2019 2019-04-10;426-427:792-804.

[38] Cheng X, Wei D, Wu H, Jiang L. Adhesion, friction and wear analysis of a chromium oxide scale on a ferritic stainless steel. WEAR 2019 2019-05-01;426-427:1212-21.

[39] Wu H, Li Y, Lu Y, Li Z, Cheng X, Hasan MM, et al. Influences of Load and Microstructure on Tribocorrosion Behaviour of High Strength Hull Steel in Saline Solution. TRIBOL LETT 2019 2019-12-01;67.

[40] Cross R. Increase in friction force with sliding speed. American Journal of Physics - AMER J PHYS 2005 2005-09-01;73.

[41] Iliev C. On the Wear Measurement and Calculation in Ball on Disc Test; 2005.

[42]  Hao  X,  Sun  P,  Xiao  S,  Yang  Y,  Li  L.  Tribological  performance  of  surface  with  different  wettability under ball-on-disc test. APPL SURF SCI 2019 2019-10-01;501:144228.

[43] Sen S. Influence of chromium carbide coating on tribological performance of steel. Materials & Design - MATER DESIGN 2006 2006-12-31;27:85-91.

[44] Zha X, Chen F, Jiang F, Xu X. Correlation of the fatigue impact resistance of bilayer and nanolayered PVD coatings with their cutting performance in machining Ti 6Al 4V. CERAM INT 2019.

[45] Lenart A, Pawlus P, Dzierwa A. The effect of steel disc surface texture in contact with ceramic ball on friction and wear in dry fretting. Surface Topography: Metrology and Properties 2018 2018-05-01;6.

[46] Wang L, He Y, Zhou J, Duszczyk J. Effect of temperature on the frictional behaviour of an aluminium alloy sliding against steel during ball-on-disc tests. TRIBOL INT 2010 2010-02-28;43:299-306.

[47] Maros M, Németh A. Wear maps of HIP sintered Si 3 N 4 /MLG nanocomposites for unlike paired tribosystems under ball-on-disc dry sliding conditions. J EUR CERAM SOC 2017 2017-07-01.

[48] Dammak M, Kharrat M, Smaoui I, Rhaiem S. Effects of the test conditions on the friction and wear of polyethylene. Int. J. of Microstructure and Materials Properties 2012 2012-01-01;7:400-16.

[49] Wu H, Jia F, Li Z, Lin F, Huo M, Huang S, et al. Novel water-based nanolubricant with superior tribological performance in hot steel rolling. International Journal of Extreme Manufacturing 2020 2020-04-27;2:25002.

[50] Yoon S, Kim J, Kim K. A comparative study on tribological behavior of TiN and TiAlN coatings prepared by arc ion plating technique. Surface & Coatings Technology - SURF COAT TECH 2002 2002-12-01;161:237-42.

Авторизация
Забыли свой пароль?