SINTEZA CERCETĂRILOR

Transcription

1 Universitatea Tehnică Gh. Asachi Iaşi Facultatea de Mecanică Catedra: Organe de Maşini şi Mecatronică Director proiect, Prof. dr. ing. Dumitru Olaru Programul: Tipul proiectului: Cod proiect: DEI Proiecte de cercetare exploratorie ID_7 SINTEZA CERCETĂRILOR Etapa unică: ianuarie octombrie Termen de livrare 3.. Tema Proiectului: CERCETARI PRIVIND REDUCEREA FRECARII IN MICROSISTEME MECATRONICE Prezentul proiect a fost aprobat la data de octombrie 7, cu o derulare pe parcursul a 3 luni. Pentru anul s-a prevăzut o singură etapă cuprinzând obiectivele:. Achizitii de echipamente de completare, soft, materiale, consumabile, abonamente la reviste de specialitate, achizitii de carte;. Incercari experimentale pentru determinarea limitelor dimensionale de la care incep sa se manifeste efectele de capilaritate si de adeziune in microsisteme; 3. Elaborarea de modele analitice complexe pentru evaluarea fortelor/momentelor de frecare in microtribosisteme de alunecare si de rostogolire OBIECTIV. S-a achiziţionat un MICROTRIBOMETRU PIN DISC performant model UMT M-CETR ( Fig. ) cu 3 module cuprinzând senzori de forțe ( pentru forța de apăsare şi pentru forța de frecare) pentru micro-nano-teste de frecare şi de uzare: - Modul pentru forţe de la,mn până la mn, cu rezoluţia de μn; - Modul pentru forţe de la 5 mn până la 5mN, cu rezoluţia de 5μN; - Modul pentru forţe de la,mn până la mn, cu rezoluţia de mn; Suplimentar s-au achiziționat senzori şi sisteme senzoriale pentru microuzură: - Senzori pentru micro-uzură cu rezoluţia de,5 microni; - Măsurarea emisiilor acustice la contact în gama de frecvenţe de la, la 5,MHz; - Senzori pentru măsurarea rezistenţei electrice a contactului pin-disc. S-au achiziționat sisteme de poziționare şi de mişcare cu servocontrol: - Sistem monitorizat cu servocontrol pentru poziţionarea epruvetelor cu rezoluţie de,5 microni; - Masă rotativă cu servocontrol, cu turaţii de la, la 5 rot/min; Fig. Microtribometru pin-disc UMTR M-CTR S-a achiziţionat Soft de control CETR specializat pentru achiziţia şi prelucrarea datelor obţinute în testările de frecare, cu evidenţierea în timp real a diverşilor parametri testaţi: viteză, forţă de apăsare, forţă de frecare, temperatura, moment de frecare, nivel de uzură, umiditate etc. S-au achiziţionat materiale diverse necesare încercărilor experimentale ( microbile din oţel, din wolfram, safir, discuri) şi consumabile. OBIECTIV. Pentru realizarea încercărilor experimentale în vederea stabilirii limitelor dimensionale de la care incep sa se manifeste efectele de capilaritate si de adeziune in microsisteme s-au proiectar şi s-au realizat două microtribometre : un microtribometru pin-disc şi un micro tribometru inerţial cu 3 bile şi un disc MTI-3B. Micro tribometru pin disc, în construcţie originală, pentru testări de frecare de alunecare în domeniul forţelor de apasare de 5 5 mn a fost realizat pentru determinarea limitelor de forţe de apasare de la care încep să se manifeste efectele de capilaritate a apei condensate pe suprafeţe. În fig. este prezentat noul tribometru pin-disc. Un micropin (pin#) cu diametrul de 3mm şi cu lungime variabilă generază o fortă normală G cu valori cuprinse între 5 mn şi 5 mn. Suplimentar, cu încărcări adiţionale ataşate micropin-ului forţa normală G poate fi crescută la 5mN ( echivalent a aproximativ 5 grame). Acest micropin se mişcă liber pe direcţie verticală (în direcţia forţei normale G) şi în vârful pinului, în contact direct cu discul de rotaţie este montată o micro bilă având diametrul de 3mm. De pe suportul pinului # este ataşat un sensor de forţă tip Futek model FBB35 (lamelă elastică cu mărci tensometrice atasate). În direcţie opusă lamela

2 elastică este montată într-un support ataşat la pinul microtribometrului pin-disc CSM (pin #). Acest pin # nu este în contact cu discul de rotaţie. Au fost utilizate două sisteme de măsurare: In prima varianta, microtribometru a fost utilizat direct pentru a masura forta de frecare. Forţa de frecare F f acţionază asupra lamelei elastice a senzorului iar achiziţia datelor de la senzorul de forţă se face cu un indicator de tensiune Vishay P3 şi înregistrarea se face pe calculator, utilizând un soft adecvat. Sistemul de măsurare a fost calibrat utilizând încărcări cuprinse între,5 grame până la 5 grame (5mN până la 5 mn).precizia măsurării este de, mn. Forţa de frecare F f este determinată în mod direct pe parcursul experimentului şi coeficientul de frecare este determinat ca raport între F f şi încărcare normală G. In varianta a II-a, senzorul pentru forţa de frecare a fost legat de pinul unui tribometru de tip CSM care are limite de incarcare mai mari de N, utilizarea senzorului coborând limita de încărcare până la mn. Forţele de frecare sunt transmise de la pin # la pin # şi se utilizează sistemul de achiziţie de date a tribometrului pin-disc CSM în mod similar măsurătorilor unui pin-disc normal CSM, vezi fig. 3.. Fig. Schema noului microtribometru pin-disc Fig. 3 Vedere de ansamblu a microtribometrului montat pe tribometru CSM (Twente University) Rezultate experimentale utilizând pentru achiziţia de date senzorul de forţă O parte din experimente s-au realizat pentru a determina coeficientul de frecare în condiţii uscate şi în condiţii de apă condensată ambele pentru cazurile pin din oţel-disc de sticlă şi pin din oţel-disc din placuta de siliciu. În figura este prezentată variaţia coeficientului de frecare în raport cu timpul pentru viteza de alunecare v =. m/s, pin din oţel şi disc de sticlă, pentru sarcina normală de mn ( fig. 3-a) şi pentru sarcina normală de 3mN (fig. 3-b). Se observă că la încărcări mici prezența apei condensate pe disc conduce la o creştere a coeficientului de frecare de la.5 la.5 ca urmare a influenței forțelor capilare, în timp ce la sarcina de 3mN prezența apei conduce la scăderea coeficientului de frecare de la, la,7. Friction coefficient,,35,3,5,,5,,5 Dry conditions Humidity conditions Time, s Friction coefficient,,35,3,5,,5,,5 Dry conditions Humidity conditions Time, s (a) (b) Fig. Influenţa apei condensate asupra coeficientului de frecare pentru sarcina de mn (a) şi pentru sarcina de 3mN (b) Rezultate experimentale utilizând senzorul de forţă ataşat la tribometrul CSM Pentru validarea rezultatelor obținute cu microtribometrul in varianta, s-au facut determinări experimentale în varianta la Twente University-Laboratorul de Tribologie, utilizând microtribometrul realizat ataşat unui tribometru pin-disc tip CSM existent in laboratorul de la Twente University. O parte din rezultate sunt prezentate în fig. 5. Astfel, în fig. 5-a este prezentat coeficientul de frecare masurat pentru o incarcare de mn, la o viteză de alunecare de.m/s în timp ce în fig. 5-b este prezentat coeficientul de frecare pentru aceeasi viteză dar încărcare de 3mN. Si în această variantă de măsurare s-a confirmat faptul că la încărcări mici (sub mn) efectul de capilaritate generat de apa care condensează pe suprafețe conduce la creşteri semnificative ale coeficientului de frecare de alunecare. Creşterea sarcinii de apăsare de peste 3mN face ca forțele de capilaritate să devină neglijabile iar apa condensată pe suprafețe să joace rolul de lubrifiant, scăzând coeficientul de frecare.

3 Pornind de la aceste determinări experimentale s a stabilit că în mişcarea de alunecare pentru un contact de tip microsferă/plan prezența apei condensate pe suprafețe duce la creşterea coeficientului de frecare dacă sarcina de apăsare este mai mică de ( 5)mN. La creşterea încărcarii peste ( 3)mN efectul de frânare a apei dispare, apa jucând rol de lubrifiant, adică reduce frecarea. (a) (b) Fig. 5 Influenţa apei condensate asupra coeficientului de frecare pentru sarcina de mn (a) şi pentru sarcina de 3mN (b) Micro tribometru inerţial cu 3 bile şi un disc MTI-3B a fost proiectat şi realizat pentru studiul frecării de rostogolire în microsisteme şi determinarea limitelor dimensionale de la care încep să se manifeste efectele de capilaritate şi de adeziune. Schema de principiu a microtribometrului MTI-3B este prezentată în fig. iar o vedere generală a microtribometrului în funcționare montat pe un tribometru CSM la Twente University se poate vedea în fig. 7. Fig. Schema de principiu a microtribometrului MTI-3B Fig. 7 Microtribometrul MTI-3B montat pe tribometrul CSM la Twente University Discul are prevăzută o cale de rulare în care sunt poziţionate 3 micro bile distanţate uniform la. Pe cele 3 bile se aşează discul care o greutate G, fiecărei bile corespunzându-i câte o sarcină normală de contact Q = G/3. Elementele geometrice caracteristice sunt: R=.5mm; r =.mm; diametrul bilelor db =,97mm; Q=.7mN. In condiţiile de mai sus, presiunea maximă de contact dintre bile şi discul este de 9 Mpa. Microtribometrul poate utiliza diverse diametre de bile, în limitele a,5 mm - mm. Discul superior (#) este transparent ( realizat din sticlă sau din alt material transparent) iar pe disc pot fi aşezate unul sau mai multe discuri suplimentare, funcţie de valoarea sarcinii de apăsare la care se fac testările. Discul are suprafaţa inferioară sferică cu rază mare de curbura astfel încât să se asigure autocentrarea în funcţionare. Mişcarea de rotație a celor două discuri este permanent monitorizată cu o cameră video cu 9 de cadre/secundă, pe fiecare disc fiind marcate cu culoare albă câte un indicator. De asemenea, se monitorizează cu aceeaşi cameră şi mişcarea de rotație a bilelor în raport cu axa de rotație a discurilor. Principiul de funcționare Se porneşte mişcarea de rotație a discului având indicatorul alb în aceeaşi poziție cu indicatorul alb de pe discul menținând turația constantă. La momentul inițial ( t=) discul începe să se rotească cu viteza unghiulară ω, discul este fix iar bilele vor căpăta o mişcare de rotație fața de axa de rotație a discului cu viteza unghiulară ω b dată de relația 3

4 cinematică corespunzătoare unui rulment axial cu bile ω b = ω. Datorită forței de apăsare Q, la contactul bilelor cu discul superior se dezvolta forțe de frecare Ft = μ r Q care pun în mişcare de rotație discul superior într-un interval de timp t care va avea valori mai mari sau mai mici funcție de momentul de inerție a discului superior J şi funcție de valoarea coeficientului de frecare μ r care se dezvoltă la rostogolirea bilelor pe discul superior. In intervalul de timp t, discul superior are o variație de viteză unghiulară ω de la zero până la viteza unghiulara a inelului. Punând condiția de echilibru dinamic a discului superior se obține relația: dω J = ΣM f = 3 μr Q r () dt unde J este momentul de inerţie al discului şi este dat de relaţia: G J =, 5 R () g Din relația () rezultă expresia analitică a coeficientului de frecare de rostogolire μ r : R dω μ r = (3) g r dt Relația (3) pune în evidență dependența liniară între coeficientul de frecare dintre bile şi discul superior şi accelerația dω unghiulară a discului superior :. dt Rezultate experimentale. Validarea metodei. Pentru determinarea acceleraţiei unghiulare a discului se pleacă de la înregistrarea video a mişcării de rotaţie a discului, a discului şi a bilelor. Se înregistrează variaţia în timp a unghiurilor de roţire φ, φ şi φ b aşa cum se poate vedea în fig.. Urmărirea şi înregistrarea poziţiilor unghiulare ale celor două discuri şi ale bilelor se face până în momentul în care turaţiile celor trei elemente devin egale, viteza unghiulară a discului devine constantă şi acceleraţia unghiulară este nulă. Încercările experimentale s-au realizat la Twente University, Laboratorul de Tribologie, în iulie. Măsurătorile au fost făcute pe un tribometru pin disc CSM, cu turaţii ale discului cuprinse între rot/min şi rot/min, In fig. 7 se prezintă o imagine de ansamblu asupra măsurătorilor. Captarea şi prelucrarea imaginilor. Imaginile video captate pentru fiecare încercare experimentală au fost prelucrate ulterior, cadru cu cadru cu ajutorul unui soft specializat. S-au obținut astfel, la fiecare fracțiune de secundă corespunzătoare unui cadru pozițiile unghiulare φ, φ şi φ b. In fig. 9 se prezintă o imagine de ansamblu a softului utilizat Fig. Măsurarea unghiurilor φ, φ şi φ b la MTI-3B pentru prelucrarea imaginilor şi obținerea valorilor discrete ale unghiurilor φ, φ şi φ b. Fig. 9 Program specializat de captură, editare video şi extragere cadre

5 Pentru măsurarea cât mai precisă a unghiurilor φ, φ şi φ b imaginile succesive au fost prelucrate ulterior cu softul AUTOCAD. O parte din rezultatele experimentale sunt prezentate în fig. şi. Fig. Variaţia poziţiilor unghiulare φ, φ şi φ b în raport cu timpul, pentru o turaţie a discului de rot/min, în condiţii uscate Fig. Variaţia poziţiilor unghiulare φ, φ şi φ b în raport cu timpul, pentru o turaţie a discului de rot/min, cu apă condensată pe suprafaţa discului Variaţia în timp a unghiului φ este liniară fapt ce confirmă existenţa unei turaţii constante la discul. Variaţia unghiului de rotire a discului, φ a fost folosită pentru determinarea acceleraţiei unghiulare a discului. In fig. se prezintă distribuția pozițiilor unghiulare pentru o turație a discului de rot/min, în condiții uscate. Prin derivare numerică a valorilor unghiului φ se obține distribuția vitezei unghiulare a discului prezentată în fig. 3. Aproximarea liniară a distribuției vitezei unghiulare conduce la obținerea unei accelerații de aprox., rad/s. Din relația (3) rezultă o valoare medie a coeficientului de frecare de aprox.,. Poziia unghiulara a discului, radiani Viteza unghiulara a discului, rad/s y =,7x +, Fig. Variaţia poziţiei unghiulare a discului la turaţia de rot/min în condiţii uscate Fig.3 Variaţia vitezei unghiulare a discului la turaţia de rot/min, în condiţii uscate şi aproximarea cu o dreaptă Determinări experimentale pentru diverse turaţii au condus la valori ale coeficientului mediu de frecare cuprinse între,5 si,3, pentru condiţii uscate. Pentru punerea în evidenţă a efectului de frânare dat de apa condensată pe suprafaţa discului, s-au repetat experimentele, cu suprafaţa discului acoperită de condens. In fig. este prezentată variaţia poziţiei unghiulare a discului pentru turaţia de rot/min, cu condens pe disc iar în fig. 5 este prezentată variaţia vitezei unghiulare a discului obţinută prin derivare numerică. Aproximarea liniară a distribuţiei vitezei unghiulare conduce la obţinerea unei acceleraţii de aprox. 3, rad/s. Din relaţia (3) rezultă o valoare medie a coeficientului de frecare de aprox.,. Determinările experimentale efectuate pentru diverse turaţii în prezenţa apei condensate pe suprafaţa discului au permis obţinerea unor valori medii ale coeficientului de frecare cuprinse între, şi,9. Incercări similare au fost făcute şi cu bile având diametrul de,7mm obtinându-se valori ale coeficientului de frecare la rostogolire de,.3 în condiții uscate şi de,3.5 în cazul suprafețelor acoperite de condens. 5

6 Pozitia unghiulara a discului, radiani,5,5,5 3 Viteza unghiulara a discului, rad/s 9 y = 3,39x -, ,5,5,5 3 Fig. Variaţia poziţiei unghiulare a discului la turaţia de rot/min, în prezența condensului Noul micro tribometru inerţial cu 3 bile şi un disc MTI-3B permite determinarea coeficientului de frecare la nivelul unor microcontacte cu rostogolire, rezultatele obținute fiind în concordanță cu rezultate similare obținute de alți cercetători. Principalul avantaj al acestui microtribometru constă în faptul că asupra discului superior antrenat în mişcare de rotație nu acționează decât 3 forțe tangențiale generate de contactul cu cele trei bile ( se neglijează frecarea discului cu aerul dat fiind turațiile mici la care se fac încercările). Prin utilizarea unor discuri de dimensiuni diferite ( având şi greutăți diferite) se poate studia frecarea de rostogolire în microcontacte cu diverse încărcări normale. Determinările efectuate pe acest microtribometru, corelate cu determinări făcute în cadrul etapei din anul trecut au permis să se stabilească limite de diametre pentru microbile de la care apa condensată pe suprafețele în contact nu mai exercită efect de frânare. Astfel, pentru condițiile de testare utrilizate la micro tribometrul inerțial MTI-3B efectul de frânare a apei condensate se manifestă până la diametre de 3,5,5 mm. Noul microtribometru împreună cu rezultate experimentale fac obiectul lucrărilor [,,] din lista ataşată. OBIECTIV 3 3. Modelarea analitică pentru forța de frecare de alunecare dintre o suprafața plană şi o suprafață sferică în prezența apei condensate In fig. se prezintă un contact dintre o suprafață sferică de rază R b şi o suprafață plană. Intre cele două suprafețe se află un strat de apă ce formează un menisc cu raza R. Intre suprafața sferică şi suprafața plană, în zona centrală există un strat minim de apă cu grosimea h. In mişcarea de translație a suprafeței sferice peste suprafața plană cu viteza v se dezvoltă o forță de frecare F f dată de frecarea vâscoasă în straturile de apă condensată. Adoptând modelul Newtonian de frecare vâscoasă pentru straturile de apa şi însumând frecarea pe toată zona din interiorul meniscului cu rază R, se obține următoarea expresie a forței de frecare: Ff = v Rb η ln + R / h unde η este vâscozitatea dinamică a apei. [ Rb ] Fig.5 Variaţia vitezei unghiulare a discului la turaţia de rot/min, în prezenţa condensului şi aproximarea cu o dreaptă Fig.. Schema pentru calculul forţei de frecare în funcţie de raza meniscului π () Relația () aplicată pentru condițiile de testare specifice microtribometrului pin disc utilizat în cadrul obiectivului conduce la rezultate ale forțelor de frecare mai mici decât cele obținute experimental, în condițiile utilizării pentru vâscozitatea apei a valorii de,pas. Apreciem că pe lângă această forță dată de rezistența la forfecare a apei va trebui să se adauge şi o forță suplimentară generată de forța de capilaritate. 3. Modelarea analitică a frecării de rostogolire în contactele de tip microbilă suprafață plană S-a dezvoltat un model dinamic cu ajutorul căruia se poate determina analitic forța tangențiala la contactul dintre bile şi discul, la nivelul microtribometrului MTI-3B. Detalii privind acest model sunt prezentate în lucrările[3,9]. In esență, modelul pleacă de la echilibrul forțelor şi momentelor care acționează asupra unei bile în mişcare.

7 Astfel, la contactul bilei cu cele două discuri se dezvoltă forțele tangențiale FS, FS, FR şi FR, precum şi momentele rezistente ME, ME, MC şi M, vezi fig.7. Cu excepția forțelor de alunecare FS şi FS, celelalte forțe şi momente se pot exprima prin relații existente în literatură. FR este o forță hidrodinamică generată de apa care este condensată pe suprafețele în contact şi se determină cu relația: FR =. E R G. U. W. 7 (5) unde, G,U şi W sunt parametrii adimensionali de material, de viteză şi de încărcare specifici ungerii EHD pentru care există relații de calcul [3,9]; R este raza bilei iar E este modulul de elasticitate echivalent. ME este un moment de rezistența la rostogolire ce poate fi determinat doar funcție de material, încărcare şi geometrie cu relația: MER= 7. 7 R. 33 Q*. 33 () unde Q* reprezintă sarcina normală de contact ce include şi efectul de capilaritate ( sau de adeziune, în cazul suprafețelor uscate, dupa modelul JKR, unde γ reprezintă energia de suprafață ( pentru apa γ =,7 N/m): Q* = Q + π γ R + π γ R Q + ( π γ R) (7) MC reprezintă un moment rezistent datorat efectului de curbură şi apare doar la contactul bilei cu inelul : MC =. μ m Q* a / R () Fig.7 Forţele şi momentele care acţionează asupra unei bile din microtribometrul MTI-3B unde μ m reprezintă coeficientul mediu de frecare la alunecare dintre microbilă şi calea de rulare iar a este semiaxa mare a elipsei de contact dintre bilă şi calea de rulare. Fiind mişcare tranzitorie, de la pornire până la turaţia de sincronism, asupra bilelor vor acţiona şi forţe de inerţie Fi, determinate în funcţie de masa şi acceleraţia bilelor ( determinată din înregistrarea mişcărilor). Considerând suma forţelor şi suma momentelor care acţionează asupra unei bile ca fiind nule ( echilibru), se obţine relaţia pentru forţa totală tangenţiala cu care o bilă acţionează asupra discului, F f : Ff = ( MC + ME + ME ) / R + FR + FR Fi / (9) Pentru condiţiile de testare utilizate la micro tribometrul MTI-3B se obţin valori ale forţei de frecare F f cuprinse în intervalul ( 5 5)μN, valori ce corespund unor coeficienţi de frecare de,,7, în concordanţă cu determinările experimentale. Valorificarea rezultatelor obţinute. D.Olaru, C.Stamate, G.Prisacaru, Rolling Friction in a Micro Tribosystem, manuscript #TRIL795 R, Tribology Letters, Revistă ISI, factor de impact.35;. O. Dodun, D. Olaru, G. Nagîţ, F. Negoescu and M. Coteaţă : Experimental study regarding electrostatic spray coating of solid lubricant for gears, Proc. of ESAFORM, Springer Paris, ISSN 9-, Online Publisher, May,. 3. D.Olaru, C.Stamate, G.Prisacaru,P.Lorenz, An Analytical Model to Evaluate the Friction Coefficient in a Micro Linear Balls System, manuscript TT--7, TRIBO TEST Journal, Revistă indexată în baze de date internaţionale;. D.Olaru, C.Stamate, G.Prisacaru,G.Ianus, New Micro Tribometers for Sliding and Rolling Friction, Manuscris acceptat şi trimis la 3 rd Vienna International Conference on Nano-Technology, March -, 9 Vienna, Austria 5. D.N. Olaru, C. Stamate, Gh. Prisacaru, P. Lorenz: The Influence of the Atmospheric Condensed Water on Friction in a Micro Rolling Systems, th International Colloquium Tribology, TA Esslingen, 5-7 January, ;. D.N. Olaru, C. Stamate, Gh. Prisacaru: New Microtribometers for Sliding and Rolling Friction. Experimental Investigations, Buletin I.P. Iasi, (), Fasc. IV, Tomul LIV (LVIII), pp. 77-, ISSN: -55; 7. Gh. Prisacaru, D.N. Olaru, C. Stamate, Simona Morariu, Maria Bercea: Electroresponsive Polymeric Gels Based on Poly(Acrylonitrile) and Poly(Vinyl Alcohol), Buletin I.P. Iasi, (), Fasc. IV, Tomul LIV (LVIII), pp. -7, ISSN: -55;. D.N. Olaru, C. Stamate, Gh. Prisacaru, P. Lorenz: The Influence of the Atmospheric Condensed Water on Friction in Micro Systems, 53 th International Colloquium IWK, TU Ilmenau, - September, ; 9. C. Stamate, D. Olaru, Gh. Prisacaru, Gelu Ianus: Rolling Friction in the Mechatronic Microsystems, International Conference th WORKSHOP ON EUROPEAN SCIENTIFIC AND INDUSTRIAL COLLABORATION ON PROMOTING ADVANCED TECHNOLOGIES IN MANUFACTURING WESIC, 5- September, Bucharest, Romania, pp.95-3, ISSN: 5-59;. D. Olaru, C. Stamate: Rolling friction in the mechatronic microsystems, International th Conference on EHD Lubrication and Traction, VAREHD, - October, Suceava, Romania, ISSN: -97;. C. Stamate, D. Olaru: A new pin disc microtribometer, International th Conference on EHD Lubrication and Traction, VAREHD, - October, Suceava, Romania, ISSN: -97. Lucrările pot fi consultate şi pe pagina web: Iaşi, 3 Oct., Prof. dr. ing. D.Olaru 7