Tribologische Untersuchungen am Förderzahnriemen

Zahnriemenfördersysteme haben auf Grund ihrer wirtschaftlichen und technischen Vorteile beim Transport von Stückgütern ein breites Anwendungsfeld in den unterschiedlichen Bereichen der Industrie gefunden und gewinnen weiterhin an Bedeutung. Die Auslegung der Systeme beschränkt sich gegenwärtig im Wesentlichen auf die Zugstrang- und die Zahnfußfestigkeit des Zahnriemens. Grundlagen der Berechnungen sind oft recht vage Aussagen zur Höhe des Reibwertes zwischen dem Zahnriemen und dessen Stützschiene. Die Erhöhung der Kontakttemperatur durch die eingebrachte Reibleistung wird meist völlig vernachlässigt. In der Praxis wird oftmals auf Erfahrungswerte zurückgegriffen, wobei die Gefahr der Über- bzw. Unterdimensionierung mit erheblichen Auswirkungen auf die Lebensdauer, das Verschleißverhalten und die Betriebssicherheit besteht. 1. Anwendung von Zahnriemenförderern Das Einsatzgebiet der Zahnriemen ist neben der Antriebstechnik in zunehmendem Maße die Fördertechnik, wo diese als Zug- und Tragmittel für den Stückguttransport zur Anwendung kommen. Der Grund dieser Entwicklung lässt sich mit den günstigen Eigenschaften dieser Maschinenelemente erklären. Besonders zu erwähnen sind dabei der geräuscharme Lauf, die geringe Masse und die niedrigen Kosten in Anschaffung und Wartung. Der synchrone Lauf, der mit Zahnriemen wie auch mit Förderketten realisierbar ist, ist ein weiterer wesentlicher Vorteil. Dabei übernehmen die robusten Förderketten den Bereich der Fördertechnik, in dem große Kräfte übertragen werden müssen und stark schmutzintensive Umgebungsbedingungen vorherrschen. Haupteinsatzgebiete der Zahnriemenförderer ist der Bereich der empfindlicheren Güter mit relativ geringen Massen, wobei sich immer mehr abzeichnet, dass auch Einsatzgebiete mit schweren Werkzeugträgern erschlossen werden. Die Transportzahnriemen müssen bei dem Einsatz zahnseitig abgestützt werden, um die Gutmasse aufnehmen zu können. Stückgüter können von Zahnriemen durch Kraft- oder Formschluss transportiert werden. Der Einsatz ist von den technologischen Erfordernissen und der Art des Transportgutes abhängig. Formschluss wird meist über aufgeschweißte Formelemente / Mitnehmer realisiert. Diese Art des Transportes wird verwendet, wenn Teile: • vereinzelt, • genau positioniert, ������ zeitlich exakt getaktet, • über starke Steigungen bis hin zum vertikalen transportiert werden müssen, • bzw. sich gegenseitig nicht berühren dürfen. Abbildung 1: Formschlüssiger Transport mit aufgeschweißten Formelementen Die Art und die Form des auf dem Zahnriemenrücken aufgebrachten Formelementes werden vom Gut selbst und dem Einsatzzweck bestimmt. Eine Vielzahl von verschiedenen Elementen wird von der Industrie standardmäßig angeboten. Bei der kraftschlüssigen Variante können zwei grundlegende Arten unterschieden werden: Zum einen Zahnriemenbeschichtungen mit sehr hohem Reibwert, zum anderen mit sehr niedrigen Reibwerten. Beschichtungen mit sehr hohem Reibwert (z. B. Silikon, PUR-Schaum, Naturkautschuk) eignen sich besonders für Schrägförderer und Abzugsbänder sowie für einfache Positionieraufgaben. Dabei wird eine relative Verschiebung des Gutes zum Zahnriemen durch den hohen Reibwert in der Kontaktzone behindert. Abbildung 2: Abzugsband für biegeschlaffe Flachformkörper z. B. Folie, Textilien Zahnriemenrückenbeschichtungen mit geringen Reibwerten bestehen meist aus Polyamidgewebe und eignen sich besonders gut für den Staubetrieb. Hierbei dient der Zahnriemen selbst als Zwischenspeicher. Bei Bedarf können die Güter freigegeben werden. Dabei muss aber sichergestellt werden, dass auch die Auflagefläche des Fördergutes für einen solchen Einsatzzweck geeignet ist, da es zu einer Relativbewegung zwischen Gut und undZahnriemen kommt. Abbildung 3: Stauförderer Parallelförderer können sowohl als reibschlüssige als auch als formschlüssige Variante ausgeführt werden. Ihr Vorteil liegt darin, dass größere Güter, z. B. Flachglas, Bleche usw. auf zwei oder mehreren Riemen aufliegen und durch die gleiche Geschwindigkeit der synchron angetriebenen Riemen keine Verschiebung des Gutes erfolgt. Würde der Antrieb nicht über Zahnriemen erfolgen, sondern über Flachriemen bzw. Gurte, wäre außerdem ein Zugmittel in der Breite des Fördergutes notwendig. Daraus ergibt sich zusätzlich eine wesentliche Massereduzierung der Zugmittel für den Stückguttransport in der Fördertechnik. Abbildung 4: Parallelförderer für kraftschlüssigen Transport Allen diesen Varianten ist jedoch gemein, dass der Zahnriemen auf einer Stützschiene gleitet und die Normalkraft des Transportgutes in Verbindung mit Riemengeschwindigkeit und Reibwert eine Reibleistung und damit Wärme erzeugt. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt fehlen exakte Angaben zu den Reibwerten für die einzelnen Gleitpaarungen. Auch ist eine Veränderung dieser Reibwerte bei Geschwindigkeits-, Temperatur-, und Belastungsänderung ungeklärt. Des Weiteren ist es auch notwendig, die Belastungsgrenzen für die Auslegung von Zahnriemenförderern zu definieren und das Verschleißverhalten zu kennen. Die derzeit üblichen Auslegungskriterien für diese fördertechnischen Anlagen sind Zugstrangfestigkeit und Zahnfußfestigkeit. Dabei bleibt jedoch die Erwärmung des Zugmittels und der Stützschiene durch die eingebrachte Reibleistung und den sich ändernden Reibwert unbeachtet. Insbesondere bei kurzen Förderstrecken mit großen Lasten bzw. hohen Transportgeschwindigkeiten ist die Gefahr von thermischen Überlastungen gegeben, welche zu erhöhtem Verschleiß bzw. zum Totalausfall der Anlage führen kann. Soll dieses zusätzliche Auslegungskriterium angewandt werden, sind Erkenntnisse aus den Gebieten der Tribologie und der Wärmelehre/Thermodynamik anzuwenden. Zum einen ist eine Bestimmung der entstehenden Reibleistung notwendig und zum anderen der abgeführte Wärmestrom zu ermitteln. Die sehr komplexen Zusammenhänge werden durch konstruktive und technologische Größen beschrieben, welche sich wiederum gegenseitig beeinflussen. 2. Reibwerte in der Gleitpaarung In DIN ISO 7148-2 sind die Besonderheiten bei der tribologischen Prüfung von polymeren Werkstoffen beschrieben. Dabei wird explizit darauf hingewiesen, dass die Prüfanordnung möglichst der praktischen Anwendung entsprechen sollte, um die Übertragbarkeit der Prüfergebnisse zu gewährleisten. Deshalb wurde ein Versuchsstand konzipiert, der die Kontaktverhältnisse von Zahnriemen und Stützschienen möglichst real abbildet (Abb.5). Abbildung 5: Schematischer Aufbau des Versuchsstandes Für die Untersuchung der Zahnriemenpaarung wird der Zahnriemen mit der Zahnseite nach oben aufgespannt. Auf die nach oben zeigende Zahnseite wird eine planparallele Platte des jeweiligen Gleitschienenmaterials aufgelegt. Die Flächenpressung der Paarung lässt sich über aufgebrachte Massestücke variieren und die Reibkraft über den Kraftsensor direkt über eine Schnittstelle zur Aufzeichnung an einen Rechner weiterleiten. Zur Ermittlung der Kontakttemperaturen wurden Bohrungen in das Gleitschienenmaterial eingebracht, die unmittelbar bis an die Oberfläche der Kontaktfläche reichen und mit Thermoelementen bestückt sind. Die Abstützung des Zahnriemens erfolgt auf einem Flachriemen, der wiederum auf einer Rollenbahn abrollt. Dadurch wird ein zusätzlicher Wärmeeintrag durch eine gleitende Abstützung vermieden. Die Gleitgeschwindigkeit und Flächenpressung auf die Paarung werden in Stufen variiert. Als Versuchszahnriemen dienten PU-Riemen mit und ohne zahnseitiger Polyamidbeschichtung der Abmessung 1250 x 25 T10. Abbildung 6: Reibwertmessungen an PU-Zahnriemen ohne Beschichtung (Kurzzeitversuche) Die ermittelten Messwerte der Gleitreibungszahl µ für verschiedene PU-Zahnriemen – Stützschienenkombinationen sind in Abbildung 6 dargestellt. Die schraffierten Balken geben die Reibungszahlempfehlungen von Herstellern sowie aus Literaturquellen für diese Paarungen wieder. Oft wird jedoch darauf hingewiesen, dass für einen konkreten Anwendungsfall eigene Untersuchungen durchzuführen sind. Die grauen Balken geben die bei einer Versuchsdauer von bis zu 8 Stunden ermittelten Reibungszahlen wieder. Dabei wurden sowohl die Flächenpressungen als auch die Gleitgeschwindigkeiten variiert. Bei einigen Paarungen (Holz (Abb.7)) konnte ein sehr starker abrasiver Verschleiß am Zahnriemen festgestellt werden. Diese Werkstoffkombinationen sind nur für geringe Belastungen geeignet. Abbildung 7: Oberfläche PU-Zahnriemen, verschlissen an Schichtholz Die Paarungen in Verbindung mit Stahl- bzw. Aluminiumstützschienen neigen zu stick-slip- Erscheinungen verbunden mit starker Geräuschentwicklung. Aufgrund der relativ hohen Reibungszahlen wurden keine Dauerversuche an unbeschichteten PU-Zahnriemen durchgeführt. Für die weiteren Untersuchungen wurden ausschließlich polyamidbeschichtete Zahnriemen verwendet. In Abbildung 8 werden die Ergebnisse der Reibwertuntersuchungen an PAZ-Zahnriemen (Polyamidgewebebeschichtung auf der Zahnseite) dargestellt. Die schraffierten Balken stellen wiederum die bisherigen Empfehlungen dar, die grauen Balken die ermittelten Messwerte im Kurzzeitversuch (bis 8 Stunden) und die schwarzen Balken die Messwerte im Langzeitversuch (zwischen 7 und teilweise bis zu 100 Tagen). Hier ist die Übereinstimmung der Reibungszahlen zwischen Empfehlungen und Kurzzeitmesswerten sehr gut. Der deutliche Anstieg der Werte im weiteren Verlauf der Untersuchungen deutet daraufhin, dass der tribologische Einlauf innerhalb von 8 Stunden meist noch nicht abgeschlossen ist und dass nach fortlaufender Belastung weitere tribologische Phänomene die Kontaktverhältnisse ändern. Abbildung 8: Reibungszahlen an polyamidbeschichteten PU-Zahnriemen (PAZ) in Verbindung mit verschiedenen Gleitschienen Bei den Paarungen mit einer Stützschiene aus Stahl, Aluminium oder Schichtholz konnte eine polymere Filmbildung auf der Gleitfläche beobachtet werden. In Abbildung 9 und 10 ist die Entwicklung am Beispiel von Stahlproben zu sehen. Gemeinsam bei diesen Paarungen ist die fortschreitende Schichtbildung, verbunden mit einer Reibwerterhöhung. Der Verschleiß der Gewebeschicht am Zahnriemen setzt bei größeren Reibungszahlen ein, was zu deren weiterer Erhöhung führt Ein weiterer Einsatz führt zur vollständigen Abtragung der Gewebeschicht und damit zu einer neuen tribologischen Paarung PU-Zahnriemen ��� Polymerschicht. Abbildung 9: beginnende polymere Ablagerung auf Stahlprobe Rz28 Abbildung 10: nahezu geschlossener polymerer Film auf Stahlprobe Rz28 Am Beispiel der Paarung PAZ Zahnriemen – Stahlstützschiene wird die Entwicklung der Reibungszahl über die Zeit des Gleitkontaktes in Abbildung 12 dargestellt. Dabei wurde die Oberflächenrauigkeit (Rz 6,3; Rz 28) durch entsprechende Bearbeitungen variiert. Der relativ starke Anstieg an der Paarung Rz 6,3 kann zum einen auf die hohe Gleitgeschwindigkeit und den damit entsprechend langen Gleitweg zurückgeführt werden, zum anderen auf den höheren adhäsiven Anteil durch die relativ glatte Oberfläche und der damit erhöhten Kontaktfläche. Abbildung 11 zeigt einen verschlissenen Zahnkopf. Abbildung 9: Verschlissene Zahnkopfflanke, PAZ - Stahl Abbildung 10: Änderung der Reibungszahl im zeitlichen Verlauf an der Paarung ZR PA – Stahl Die Erhöhung der Reibungszahlen an der Paarung PE UHMW - polyamidbeschichteter Zahnriemen kann nicht unmittelbar auf direkte Verschleißerscheinungen zurückgeführt werden. Sowohl die Gleitfläche als auch der Zahnriemen weisen auch nach längerem Kontakt keine sichtbaren Schäden auf: Es bildet sich kein polymerer Film auf der PE- UHMW- Gleitfläche heraus. In Abbildung 11 wird die Änderung der Reibungszahl dargestellt. Es wurden Paarungen mit steigendem p•v-Wert gewählt. Mit höheren Werten für die eingebrachte Leistung pro Flächeneinheit ist ein schnellerer Anstieg der Reibungszahlen zu verzeichnen. Abbildung 11: Änderung der Reibungszahl im zeitlichen Verlauf an der Paarung ZR PAZ – PE UHMW Die Erhöhung der Reibwerte zieht nicht nur eine Steigerung der Antriebsleistung nach sich, sondern auch eine Zunahme der Reibleistung und damit einen Anstieg der Kontakttemperatur. Hat diese einen bestimmten Wert erreicht, kommt es zum Aufschmelzen der Gleitflächen und damit zum Totalausfall der Paarung (Abbildungen 14, 15, 16). Ebenfalls tritt durch die Reibwerterhöhung eine höhere Belastung des Zugstranges und der Zahnfüße im Einlauf des Zahnriemens auf. Für eine konstruktive Auslegung entsprechender Zahnriemenförderer ist dies durch entsprechende Sicherheitsfaktoren zu berücksichtigen. Abbildung 12: Aufgeschmolzene PE-Laufschiene, 2-fach vergrößert Abbildung 13: geschmolzene Faserbündel 20- fach Abbildung 14: zerstörtes Gewebe in Folge thermischer Überlastung 3. Thermische Zusammenhänge Die Temperaturerhöhung in der Wirkstelle zwischen Zahnriemen und Stützschiene kann im stationären Zustand in der vereinfachten Form: p Flächenpressung v Gleitgeschwindigkeit µ Reibungszahl A Kontaktfläche / jeweilige Oberfläche a Wärmeübergangskoeffizient l Wärmeleitwert Abbildung 15: Kontaktmodell dargestellt werden. Dabei werden verschiedene Vereinfachungen angenommen: • Reibleistung wird auf die gesamte Fläche gleichmäßig verteilt, • Wärmestrom erfolgt nur in Normalenrichtung zur Gleitfläche, • konstante Reibleistung über die gesamte Zeit, • keine Ableitung des Wärmestromes über Stirn- und Seitenflächen, • eingeschwungener Gleichgewichtszustand der Temperaturverteilung, • gleiche Temperatur über der jeweiligen Oberfläche, • gleiche Strömungsverhältnisse und -bedingungen an der jeweiligen Oberfläche, • konstante - und - Werte über der gesamten Fläche. Der Temperaturverlauf für verschiedene Materialpaarungen ist in Abbildung 16 dargestellt. Der unterschiedliche Verlauf der Kurven kann mit den verschiedenen eingebrachten Reibleistungen durch sich unterschiedlich einstellende Reibungszahlen und durch die unterschiedlichen Wärmeleitwerte und Wärmekapazitäten der Gleitschienen erklärt werden. Ist eine stationäre Temperatur erreicht, so gilt vereinfacht die Vorstellung von Abbildung 15. Abbildung 16: thermischer Einlauf verschiedener Stützschienenmaterialien Die sich einstellende Gleitflächentemperatur ist im Wesentlichen von den in Abbildung 17 dargestellten Einflüssen abhängig. Da die Kontakttemperatur die Grenztemperatur (ca. 65°C) nicht überschreiten darf, um eine thermische Schädigung zu vermeiden, sind die entsprechenden Einflussgrößen zweckmäßig zu wählen. Die Parameter Gleitgeschwindigkeit und Flächenpressung sind meist durch die technologischen Erfordernisse vorgegeben, die Reibungszahl stellt sich entsprechend der tribologischen Paarung ein und die Wärmeleitfähigkeit ist ein kaum zu verändernder Stoffwert. Die Einflussmaßnahmen erstrecken sich also meist auf die Schichtstärke s der Abstützung und den Wärmeübergang zur Umgebung. Abbildung 17: Technologische und konstruktive Einflüsse auf die Gleitflächentemperatur in der Wirkstelle 4. Zusammenfassung Die Kenntnis der sich nach einer entsprechenden Einlaufphase einstellenden Reibungszahlen für verschiedene Zahnriemen – Stützschienenkombinationen ist für die Anwender und Entwickler wichtig, da damit eine optimale Auslegung von Zahnriemenförderern erfolgen kann. Diese optimale Auslegung realisiert dann in der Anwendung eine ökonomische Lebensdauer bei verbesserter konstruktiver Auslegung. Die bisher weitgehend unbeachtete Temperaturerhöhung in der Gleitschienen – Zahnriemenkombination durch die eingebrachte Reibleistung sollte zukünftig ein weiteres Auslegungskriterium darstellen. Eine erste Annäherung an dieses Problem kann durch die Form: p Flächenpressung v Gleitgeschwindigkeit µ Reibungszahl A Kontaktfläche / jeweilige Oberfläche K Wärmeabgabekoeffizient DT max. zul. Temperaturerhöhung K= f (µ, p, v, Gleitschienenmaterial, Zahnriemenausführung, Maschinenkonstante…) gezeigt werden. Für die Ermittlung des Wärmeabgabekoeffizienten sind entsprechende Untersuchungen durchzuführen und Zusammenhänge zu ermitteln. Bestimmte Praxiseinflüsse (Umgebungstemperaturschwankungen, Verschmutzung, Stöße, Montagefehler) sind in die bisherigen Untersuchungen noch nicht eingeflossen, sollten aber nicht unbeachtet bleiben. Durch eine vorteilhafte Auslegung der Förderanlagen kann eine höhere Zuverlässigkeit bei geringeren Wechselintervallen und niedrigeren Kosten für den Betrieb erreicht werden.

Shear experiments from IODP Expedition 322 and 333 samples

The mechanical behavior of the plate boundary fault zone is of paramount importance in subduction zones, because it controls megathrust earthquake nucleation and propagation as well as the structural style of the forearc. In the Nankai area along the NanTroSEIZE (Kumano) drilling transect offshore SW Japan, a heterogeneous sedimentary sequence overlying the oceanic crust enters the subduction zone. In order to predict how variations in lithology, and thus mechanical properties, affect the formation and evolution of the plate boundary fault, we conducted laboratory tests measuring the shear strengths of sediments approaching the trench covering each major lithological sedimentary unit. We observe that shear strength increases nonlinearly with depth, such that the (apparent) coefficient of friction decreases. In combination with a critical taper analysis, the results imply that the plate boundary position is located on the main frontal thrust. Further landward, the plate boundary is expected to step down into progressively lower stratigraphic units, assisted by moderately elevated pore pressures. As seismogenic depths are approached, the décollement may further step down to lower volcaniclastic or pelagic strata but this requires specific overpressure conditions. High-taper angle and elevated strengths in the toe region may be local features restricted to the Kumano transect.

Modelización de contactos termoelastohidrodinámicos

La mejora en la eficiencia energética y la reducción de la tasa de fallos en los contactos lubricados son aspectos que resultan de gran interés en numerosos sectores de la industria, y plantean en estos momentos nuevas dificultades operativas y retos para un futuro próximo. Los avances tecnológicos han incrementado las exigencias técnicas que se requieren a los aceites para cumplir su función al extender sus variables operativas a un mayor espectro de aplicaciones, tanto de condiciones de funcionamiento como a la gran variedad de nuevos materiales constitutivos de los engranajes en los que se tiene que utilizar. Por ello, actualmente se está incentivado el desarrollo de nuevos procedimientos que permitan comprender el comportamiento de este tipo de contactos lubricados, con el fin de lograr mejoras técnicas en su diseño y la correcta selección del aceite. En esta Tesis Doctoral se presenta una metodología de cálculo numérico que permite simular el comportamiento de contactos elastohidrodinámicos (EHD) puntuales, como puede ser el caso de un rodamiento. La resolución de este problema presenta diversas complejidades matemáticas y exige el desarrollo de un elaborado procedimiento de cálculo basado en técnicas multinivel. Para hacer del procedimiento una herramienta válida en un gran número de condiciones de funcionamiento y tipos de lubricantes, se ha tenido en cuenta en el cálculo la posible aparición de comportamientos no-Newtonianos del lubricante y fenómenos de generación y disipación de calor, provocados por el movimiento relativo del fluido y las superficies en contacto. Para la validación del procedimiento, se han contrastado los resultados numéricos obtenidos con nuestro método, con los resultados numéricos y experimentales publicados por otros autores y con valores experimentales propios medidos en un equipo de ensayo de contacto puntual tipo MTM. El desarrollo de este programa ha dotado a la División de Ingeniería de Máquinas de una herramienta que ha permitido, y sobre todo va permitir, evaluar la importancia de cada uno de los parámetros reológicos en los diferentes problemas que va a tener que abordar, evaluación que hasta el momento se realizaba con métodos aproximados que describen la fenomenología con mucha menos precisión. A la hora de emplear nuestro procedimiento numérico para simular situaciones reales, nos hemos encontrado con el obstáculo de que es muy complicado encontrar, en la bibliografía y bases de datos, los parámetros que caracterizan el comportamiento reológico del lubricante en las condiciones de presión, temperatura y grado de cizallamiento habituales en las que se trabaja en este tipo de contactos, y las pocas medidas que existen para estas condiciones de funcionamiento son poco fiables. Por ello como complemento al objetivo principal de esta Tesis hemos desarrollado una metodología para caracterizar los lubricantes en estas condiciones extremas. Dicha metodología está basada en la buena descripción que hace nuestro programa del coeficiente de fricción, lo que nos ha permitido obtener los parámetros reológicos del III lubricante a partir de las medidas experimentales del coeficiente de fricción generado en un equipo MTM lubricado con el lubricante que se desea caracterizar. Madrid, Octubre de 2012 IV Improving energy efficiency and reducing the failure rate in lubricated contacts are issues that are of great interest in many sectors of industry, and right now posed operational difficulties and new challenges for the near future. Technological advances have increased the technical demands required to oils to fulfil its role by extending its operational variables to a wider range of applications, both operating conditions and to the wide variety of new materials which constitute the gear in which must be used. For this reason, has being encouraged currently to develop new procedures to understand the behaviour of this type of lubricated contacts, in order to achieve improvements in design techniques and the correct oil selection. In this Thesis we present a numerical methodology to simulate the puntual elastohydrodynamic contact behaviour (EHD), such as a roller bearing. The resolution of this problem presents various mathematical complexities and requires the development of an elaborate calculation procedure based on multilevel techniques. To make the procedure a valid tool in a wide range of operating conditions and types of lubricants, has been taken into account in calculating the possible occurrence of non-Newtonian behaviour of the lubricant and phenomena of generation and dissipation of heat, caused by the fluid relative motion and contacting surfaces. For the validation of the method, we have compared the numerical results obtained with our method with numerical and experimental results published by other authors also with own experimental values measured on point-contact test equipment MTM. The development of this program has provided the Machines Engineering Division of a tool that has allowed, and especially will allow to evaluate the importance of each of the rheological parameters on the various problems that will have to be addressed, evaluation performed hitherto described methods that phenomenology approximated with much less accuracy. When using our numerical procedure to simulate real situations we have encountered the obstacle that is very difficult to find, in the literature and database, parameters characterizing the rheological behaviour of the lubricant in the usual conditions of pressure, temperature and shear rate in which you work in this type of contact, and the few measures that exist for these operating conditions are unreliable. Thus in addition to the main objective of this thesis, we have developed a methodology to characterize the lubricants in these extreme conditions. This methodology is based on the good description, which makes our program, of the coefficient of friction, that allowed us to obtain the lubricant rheological parameters from experimental measurements of the friction coefficient generated on lubricated MTM equipment with the lubricant to be characterized.

Optimización del método de ensayo del péndulo de fricción para la evaluación del riesgo de deslizamiento en pavimentos pulidos

El riesgo de caída por deslizamiento en los edificios es un riesgo muy importante ya que supone numerosas muertes, perdida de días laborales y secuelas, así como importantes costes económicos. Se trata de accidentes difíciles de predecir debido al número de factores que intervienen para que se produzcan, muchos de los cuales son difícilmente controlables, como el calzado del usuario o su comportamiento. Para evitar un resbalón es necesario que la fricción del conjunto pavimento/calzado/contaminante supere el coeficiente de fricción requerido para la estabilidad y que depende de la forma de caminar, la longitud del paso, etc. Por ello, es necesario medir la contribución del pavimento al riesgo de deslizamiento y limitarla adecuadamente. A lo largo de la historia reciente se han diseñado y desarrollado multitud de aparatos con la intención de medir esta contribución en la forma de coeficientes de fricción —dinámicos, estáticos, de transición— sin llegar a un acuerdo sobre cuál es el método más apropiado. La reglamentación española de edificación, que ha sufrido un importante cambio recientemente con la adopción de un nuevo código basado en prestaciones, ha sido innovadora en este campo introduciendo por primera vez una medida contrastable de la contribución del pavimento al riesgo de deslizamiento mediante el ensayo del péndulo de fricción en húmedo. Sin embargo, el desacuerdo a nivel europeo sobre un ensayo único y las limitaciones en las normas de ensayo existentes derivadas de esta falta de consenso, han sido la causa de que la solución aportada por el Código Técnico de la Edificación (CTE) se cimentara en normas que no contemplaban todas las modalidades de ensayo. Esto ha generado algunos problemas de aplicación que han afectado fundamentalmente a los pavimentos pulidos, que han visto prácticamente vetada su utilización en los edificios incluso en las zonas donde, por no existir presencia de agua, el riesgo es menor. El objetivo de esta tesis es analizar estos problemas de aplicación, ligados al ensayo del péndulo de fricción, y tratar de resolverlos optimizando el procedimiento de ensayo empleado, modificando sus condiciones, para representar de forma mucho más adecuada el riesgo que se pretende limitar. Para ello se ha estudiado de forma exhaustiva la literatura científica y las normas y reglamentaciones, tanto españolas como extranjeras. Se han detectado los posibles problemas que podría plantear la introducción del ensayo del péndulo de fricción en seco y se ha diseñado una campaña de ensayos, tanto de coeficiente de fricción con el péndulo, como de la rugosidad superficial, para confirmarlos o desecharlos. El análisis de los resultados de la campaña de ensayos ha permitido validar la modalidad de ensayo planteada y proponer una medida complementaria de la rugosidad superficial que resulte útil para facilitar la evaluación de este riesgo no poco importante. Los resultados de esta tesis han permitido desarrollar una modificación del CTE de próxima aparición y un documento de apoyo que ya la adelanta, y con ello, resolver el problema de aplicación del CTE a los pavimentos pulidos. ABSTRACT Slipping accidents in building environments are a serious problem involving numerous fatal accidents, loss of work days, incapacity and great costs. Prediction of such accidents is difficult due to the number of factors involved, many of which are not controllable, like footwear or users behavior. To prevent a slip the coefficient of friction provided by the combination floor-footwear-contaminant must be greater than the required coefficient of friction for stability, that depends on the step length and the walking speed among other factors. It is then necessary to measure the contribution of the floor to the slipping risk so it can be limited to an adequate extent. In the recent history many apparatuses have been developed in order to measure this contribution in the form of friction coefficients —dynamic, static or even transition COFs— but none of them seems to be internationally accepted as sufficiently valid. The Spanish Building Code, which has recently undergone a big change to a performance based code, has been innovative in this area, introducing for the first time a measurement of this contribution by means of the friction pendulum test. However, due to the European disagreement about an unique test for slip resistance, and to the limitations of the European standards derived from it, the Spanish Building Code relies on standards that do not take into account all possible methods. As a consequence, smooth floors have been seriously affected and cannot be installed in almost any place, not even in dry areas where the risk of slipping is much lower. The aim of this research is to analyze these problems associated with the pendulum test and resolve them proposing some changes to the test conditions in order to represent in a proper manner the real risk that is to be considered: the slip in dry conditions. Relevant scientific literature has been studied as well as Spanish and foreign codes and standards. Potential problems of the pendulum test in dry conditions have been detected and an experiment has been designed to confirm or discard them, testing both friction coefficient and surface roughness. The results of the experiment have permitted to validate the pendulum test in dry conditions and to suggest a complementary measurement of the surface roughness to help evaluate the slip resistance of a floor. These results have also permitted to develop an amendment to the building code that will appear soon. In the meanwhile it has been included in a support document issued by the administration to resolve this urgent problem.

Forças, momentos e coeficiente de atrito em teste de três pontos e em teste de resistência ao deslizamento com braquetes autoligáveis e fios 0.014\" utilizando um novo dispositivo

O objetivo principal do estudo é comparar o teste em 3 pontos com braquetes com o teste de resistência ao deslizamento utilizando um novo dispositivo que realiza a mensuração simultânea do coeficiente de atrito, das forças e dos momentos nos braquetes de ancoragem e da força de desativação no braquete desalinhado, exercidos por fios ortodônticos. Os objetivos secundários foram desenvolver o dispositivo e comparar, no teste em 3 pontos: (i) a influência, nas grandezas e no coeficiente de atrito cinético, da variação da simetria nas distâncias inter-braquetes, do tipo de braquete de ancoragem (canino ou 2º pré-molar), do deslocamento (3 ou 5mm) do braquete central, do sentido do desalinhamento (vestibular ou lingual) do braquete central e da marca de fio-braquete; (ii) as 3 formas de cálculo do coeficiente de atrito cinético; (iii) os 10 ciclos, para vestibular ou lingual, para verificar se eles são semelhantes ou não entre si. Foram utilizados braquetes autoligáveis (dentes 13, 14 e 15) e fios 0.014\'\' NiTi e CuNiTi das marcas Aditek e Ormco. O teste de resistência ao deslizamento foi realizado no desalinhamento lingual, nos dois deslocamentos e na configuração simétrica. O teste em 3 pontos com braquetes foi realizado no desalinhamento lingual e vestibular, nos dois deslocamentos e na configuração simétrica e assimétrica. Por meio da ANOVA, foram comparados, entre os dois tipos de teste: (A) as grandezas e o coeficiente de atrito e (B) o coeficiente de atrito gerado apenas no braquete de 2º pré-molar. Utilizando-se do mesmo teste estatístico foram comparados, no teste em 3 pontos com braquetes: (A) na configuração simétrica, algumas grandezas e o coeficiente de atrito advindos da variação da marca de fio-braquete, do deslocamento, do desalinhamento e do tipo de braquete; (B) algumas grandezas e o coeficiente de atrito gerados na configuração simétrica e assimétrica; (C) os valores das 3 formas de cálculo do coeficiente de atrito na configuração simétrica; e (D) algumas grandezas e o coeficiente de atrito encontrados nos 10 ciclos. Resultados: (A) a maioria dos valores das grandezas e do coeficiente de atrito gerados pelos dois tipos de teste foram diferentes estatisticamente; (B) o braquete de 2º pré-molar apresentou valores de coeficiente de atrito diferentes entre os dois tipos de teste; (C) na configuração simétrica, as variáveis foram estatisticamente significantes na maioria dos casos para as grandezas analisadas e para o coeficiente de atrito; (D) houve diferença entre a configuração simétrica e assimétrica; (E) o coeficiente de atrito baseado nas duas normais e na força de atrito se aproximou mais da realidade clínica e foi sensível à variação da geometria da relação fio-braquete; e (F) os 10 ciclos para lingual foram semelhantes entre si em 70% dos casos e os 10 ciclos para vestibular foram diferentes em 57% dos casos. Conclusões: o teste em 3 pontos com braquetes é diferente do teste de resistência ao deslizamento; a variação das configurações geométricas e da marca de fio-braquete pode influenciar nos valores das grandezas e do coeficiente de atrito cinético; os 10 ciclos para lingual foram mais semelhantes entre si que os 10 ciclos para vestibular.

Análise do coeficiente de atrito no ensaio do anel para o forjamento a quente.

O presente trabalho, apresenta resultados da investigação experimental e da análise computacional acerca do método de ensaio de anéis de aço para obtenção do valor do coeficiente de atrito, existente na região de contato entre as matrizes e os corpos de prova. Buscando atingir os objetivos, foi feito um planejamento do experimento, através do programa MINITAB (2000), levando-se em consideração as variáveis do processo para forjamento a quente de peças para indústria automotiva, os experimentos foram realizados nos laboratórios da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). A simulação do ensaio de anel permitiu uma boa estimativa da redução de diâmetros dos mesmos, bem como, do fluxo de material no interior dos anéis e da superfície neutra. A análise estatística dos resultados mostrou que a variável mais importante a afetar o coeficiente de atrito foi a temperatura, seguindo-se do tipo de revestimento das ferramentas, velocidade e material. Para um estudo mais pormenorizado do efeito do material a ser forjado, do recobrimento das ferramentas e da rugosidade das mesmas no coeficiente de atrito será necessário um maior número de repetições dos experimentos.

Abrasão de ferro fundido cinzento: aplicação a motores automotivos.

Uma parte significativa das perdas por atrito num motor automotivo resulta da ação de partículas abrasivas. Dentre as fontes possíveis, podem ser citados o próprio meio ambiente - partículas que passam pelo filtro de ar - o desgaste de partes metálicas do motor ou mesmo resíduos de combustão. Essas partículas podem ficar encrustadas em anéis do pistão, ou ficar na interface entre pistão e bloco ou camisa, e são responsáveis por sulcos axiais, na direção do movimento do pistão, observáveis em motores usados. O objetivo deste trabalho foi obter um melhor entendimento dos mecanismos de desgaste relacionados com o sulcamento de camisa/bloco e identificar conjuntos de testes laboratoriais capazes de reproduzi-los sob condições controladas. Amostras de ferro fundido cinzento (FoFo) e de aço AISI 1070 com dureza de matriz próxima daquela encontrada em FoFo (?200HV30) foram submetidas a ensaios de riscamento em tribômetros. Verificou-se que riscos executados com um endentador cônico submetido a cargas na faixa de 20 a 50 mN eram similares aos sulcos observados em camisas ou blocos. Ensaios com outros materiais, como alumínio e latão e mesmo aço de diferentes durezas contribuíram para melhorar o entendimento dos resultados. Não foi observada transição brusca entre mecanismos de abrasão. O cálculo do fator de remoção de material, fab, a partir de perfilometria óptica resultou em valores com dispersão elevada; não foi possível associa-los aos diferentes mecanismos de abrasão observados. Valores obtidos para o coeficiente de atrito no riscamento permitiram fazer uma estimativa inicial de energia gasta nos processos abrasivos do motor.

Ocular biotribology and contact lens lubrication mechanisms

The work described in this thesis is concerned with mechanisms of contact lens lubrication. There are three major driving forces in contact lens design and development; cost, convenience, and comfort. Lubrication, as reflected in the coefficient of friction, is becoming recognised as one of the major factors affecting the comfort of the current generation of contact lenses, which have benefited from several decades of design and production improvements. This work started with the study of the in-eye release of soluble macromolecules from a contact lens matrix. The vehicle for the study was the family of CIBA Vision Focus® DAILIES® daily disposable contact lenses which is based on polyvinyl alcohol (PVA). The effective release of linear soluble PVA from DAILIES on the surface of the lens was shown to be beneficial in terms of patient comfort. There was a need to develop a novel characterisation technique in order to study these effects at surfaces; this led to the study of a novel tribological technique, which allowed the friction coefficients of different types of contact lenses to be measured reproducibly at genuinely low values. The tribometer needed the ability to accommodate the following features: (a) an approximation to eye lid load, (b) both new and ex-vivo lenses, (c) variations in substrate, (d) different ocular lubricants (including tears). The tribometer and measuring technique developed in this way was used to examine the surface friction and lubrication mechanisms of two different types of contact lenses: daily disposables and silicone hydrogels. The results from the tribometer in terms of both mean friction coefficient and the friction profiles obtained allowed various mechanisms used for surface enhancement now seen in the daily disposable contact lens sector to be evaluated. The three major methods used are: release of soluble macromolecules (such as PVA) from the lens matrix, irreversible surface binding of a macromolecule (such as polyvinyl pyrrolidone) by charge transfer and the simple polymer adsorption (e.g. Pluoronic) at the lens surface. The tribological technique was also used to examine the trends in the development of silicone hydrogel contact lenses. The focus of the principles in the design of silicone hydrogels has now shifted from oxygen permeability, to the improvement of surface properties. Presently, tribological studies reflect the most effective in vitro method of surface evaluation in relation to the in-eye comfort.

Zwitterionic and charge-balanced (polyampholyte) copolymer hydrogels

Zwitterionic compounds, or zwitterions, are electrically neutral compounds having an equal number of formal unit charges of opposite sign. In common polyzwitterions the zwitterionic groups are usually located in pendent groups rather than the backbone of the macromolecule. Polyzwitterions contain both the anion and cation in the same monomeric unit, unlike polyampholytes which can contain the anion and cation in different monomeric units. The use of cationic and anionic monomers (or monomers capable of becoming charged) in stoichiometric equivalent proportions produces charge-balanced polyampholyte copolymers. Hydrogel materials produced from zwitterionic monomers have been proposed for use and are used in many biomaterial applications but synthetic charge-balanced polyampholyte are less common. Certain properties of hydrogels which are important for their successful use as biomaterials, these include the equilibrium water content, mechanical, surface energy, oxygen permeability, swelling and the coefficient of friction. The zwitterionic monomer N,N-dimethyl-N-(2-acryloylethyl)-N-(3-sulfopropyl) ammonium betaine (SPDA) was synthesized with 2-hydroxyethly acrylate (HEMA) as the comonomer to produce a series of polyzwitterion hydrogels. To produce charged-balanced copolymer hydrogels two “cationic” monomers were selected; 2-(diethylamino) ethyl methacrylate (DMAEMA) and 3-(dimethylamino) propyl methacrylamide (DMAPMA) and an anionic monomer; 2-acrylamido 2,2 methylpropane sulphonic acid (AMPS). Two series’ of charge-balanced copolymers were synthesized from stoichiometric equivalent ratios of DMAEMA or DMAPMA and AMPS with HEMA as a terpolymer. The zwitterionic copolymer and both charge-balanced copolymers produced clear, cohesive hydrogels. The zwitterionic and charge-balanced copolymers displayed similar EWC’s along with similar mechanical and surface energy properties. The swelling of the zwitterionic copolymer displayed antipolyelectrolyte behavior whereas the charge-balanced copolymers displayed behaviour somewhere between this and a typical polyelectrolyte. This work describes some aspects of the polymerisation and properties of SPDA copolymers and charge-balanced (polyampholyte) copolymers relevant to their potential as biomedical / bioresponsive materials. The biomimetic nature of SPDA together with its compatibility with other monomers makes it a useful and complimentary addition to the building blocks of biomaterials.

Desenvolvimento de novos biolubrificantes hidráulicos derivados dos óleos de maracujá e de moringa in natura e epoxidados

With the increasing environmental awareness, maximizing biodegradability and minimizing ecotoxicity is the main driving force for new technological developments. Thus, can be developed new biodegradable lubricants for use in environmentally sensitive areas. The aim of this study was to obtain new bio-lubricants from passion fruit (Passiflora edulis Sims f. flavicarpa Degener) and moringa (Moringa oleifera Lamarck) epoxidized oils and develop a new additive package using experimental design for their use as a hydraulic fluid. In the first stage of this work was performed the optimization of the epoxidation process of the oils using fractional experimental design 24-1 , varying the temperature, reaction time, ratio of formic acid and hydrogen peroxide. In the second step was investigated the selectivity, thermodynamics and kinetics of the reaction for obtaining the two epoxides at 30, 50 and 70 °C. The result of the experimental design confirmed that the epoxidation of passion fruit oil requires 2 hours of reaction, 50 °C and a ratio H2O2/C=C/HCOOH (1:1:1). For moringa oil were required 2 hours reaction, 50 °C and a ratio of H2O2/C=C/HCOOH (1:1:1.5). The results of the final conversions were equal to 83.09% (± 0.3) for passion fruit oil epoxide and 91.02 (±0,4) for moringa oil epoxide. Following was made the 23 factorial design to evaluate which are the best concentrations of corrosion inhibitor and anti-wear (IC), antioxidant (BHA) and extreme pressure (EP) additives. The bio-lubricants obtained in this step were characterized according to DIN 51524 (Part 2 HLP) and DIN 51517 (Part 3 CLP) standards. The epoxidation process of the oils was able to improve the oxidative stability and reduce the total acid number, when compared to the in natura oils. Moreover, the epoxidized oils best solubilized additives, resulting in increased performance as a lubricant. In terms of physicochemical performance, the best lubricant fluid was the epoxidized moringa oil with additives (EMO-ADI), followed by the epoxidized passion fruit oil with additives (EPF-ADI) and, finally, the passion fruit in natura oil without additives (PFO). Lastly, was made the investigation of the tribological behavior under conditions of boundary lubrication for these lubricants. The tribological performance of the developed lubricants was analyzed on a HFRR equipment (High Frequency Reciprocating Rig) and the coefficient of friction, which occurs during the contact and the formation of the lubricating film, was measured. The wear was evaluated through optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). The results showed that the addition of extreme pressure (EP) and anti-wear and corrosion inhibitor (CI) additives significantly improve the tribological properties of the fluids. In all assays, was formed a lubricating film that is responsible for reducing the coefficient of metal-to-metal wear. It was observed that the addition of EP and IC additives in the in natura vegetable oils of passion fruit and moringa did not favor a significant reduction in wear. The bio-lubricants developed from passion fruit and moringa oils modified via epoxidation presented satisfactory tribological properties and shown to be potential lubricants for replacement of commercial mineral-based fluids.

Desenvolvimento e avaliação tribológica de emulsão O/A a partir de óleo vegetal epoxidado para aplicação em fluídos de corte

The cutting fluids are lubricants used in machining processes, because they present many benefits for different processes. They have many functions, such as lubrication, cooling, improvement in surface finishing, besides they decreases the tool wear and protect it against corrosion. Therefore due to new environment laws and demand to green products, new cutting fluids must be development. These shall be biodegradable, non-toxic, safety for environment and operator healthy. Thus, vegetable oils are a good option to solve this problem, replacing the mineral oils. In this context, this work aimed to develop an emulsion cutting fluid from epoxidized vegetable oil, promoting better lubrication and cooling in machining processes, besides being environment friendly. The methodology was divided in five steps: first one was the biolubricant synthesis by epoxidation reaction. Following this, the biolubricant was characterized in terms of density, acidity, iodo index, oxirane index, viscosity, thermal stability and chemical composition. The third step was to develop an emulsion O/A with different oil concentration (10, 20 and 25%) and surfactant concentration (1, 2.5 and 5%). Also, emulsion stability was studied. The emulsion tribological performance were carried out in HFRR (High Frequency Reciprocating Rig), it consists in ball-disc contact. Results showed that the vegetable based lubricant may be synthesized by epoxidationreaction, the spectra showed that there was 100% conversion of the epoxy rings unsaturations. In regard the tribological assessment is observed that the percentage of oil present in the emulsion directly influenced the film formation and coefficient of friction for higher concentrations the film formation process is slow and unstable, and the coefficient of friction. The high concentrations of surfactants have not improved the emulsions tribological performance. The best performance in friction reduction was observed to emulsion with 10% of oil and 5% of surfactant, its average wear scar was 202 μm.

Development and experimental validation of a mathematical model for friction between fabrics and a volar forearm phantom.

An analytical mathematical model for friction between a fabric strip and the volar forearm has been developed and validated experimentally. The model generalizes the common assumption of a cylindrical arm to any convex prism, and makes predictions for pressure and tension based on Amontons' law. This includes a relationship between the coefficient of static friction (mu) and forces on either end of a fabric strip in contact with part of the surface of the arm and perpendicular to its axis. Coefficients of friction were determined from experiments between arm phantoms of circular and elliptical cross-section (made from Plaster of Paris covered in Neoprene) and a nonwoven fabric. As predicted by the model, all values of mu calculated from experimental results agreed within +/- 8 per cent, and showed very little systematic variation with the deadweight, geometry, or arc of contact used. With an appropriate choice of coordinates the relationship predicted by this model for forces on either end of a fabric strip reduces to the prediction from the common model for circular arms. This helps to explain the surprisingly accurate values of mu obtained by applying the cylindrical model to experimental data on real arms.

Direct measurement of plowing friction and wear of a polymer thin film using the atomic force microscope

Nanometer-scale plowing friction and wear of a polycarbonate thin film were directly measured using an atomic force microscope (AFM) with nanoscratching capabilities. During the nanoscratch tests, lateral forces caused discrepancies between the maximum forces for the initial loadings prior to the scratch and the unloading after the scratch. In the case of a nanoscratch test performed parallel to the cantilever probe axis, the plowing friction added another component to the moment acting at the cantilevered end compared to the case of nanoindentation, resulting in an increased deflection of the cantilever. Using free-body diagrams for the cases of nanoindentation and nanoscratch testing, the AFM force curves were analyzed to determine the plowing friction during nanoscratch testing. From the results of this analysis, the plowing friction was found to be proportional to the applied contact force, and the coefficient of plowing friction was measured to be 0.56 +/- 0.02. Also, by the combination of nanoscratch and nanoindentation testing, the energetic wear rate of the polycarbonate thin film was measured to be 0.94 +/- 0.05 mm(3)/(N m).

Toughness, the shearing of self-mated junctions and friction

Since ductile fracture (rupture) is the process by which junctions are separated and which prevents ever-increasing plasticity and junction growth, it is argued that models of friction ought to include toughness as well as yield strength. An expression for the coefficient of sliding friction is derived using ductile fracture mechanics. The predictions are quite reasonable.

Permeability, overburden stress and friction coefficients of ODP Hole 190-1173A and 190-1174B

Permeability measured on three samples in a triaxial cell under effective confining pressure from 0.2 to 2.5 MPa ranges from 10**-18 to 10**-19 m**2. Overall, results indicate that permeability decreases with effective confining pressure up to 1.5 MPa; however, measurements at low effective pressure are too dispersed to yield a precise general relationship between permeability and pressure. When the effective pressure is increased from 1.5 to 2.5 MPa, permeability is roughly constant (~1-4 x 10**-19 m**2). Samples deformed in the triaxial cell developed slickenlined fractures, and permeability measurements were performed before and after failure. A permeability increase is observed when the sample fails under low effective confining pressure (0.2 MPa), but not under effective pressure corresponding to the overburden stress. Under isotropic stress conditions, permeability decrease related to fracture closure occurs at a relatively high effective pressure of ~1.5 MPa. Coefficients of friction on the fractures formed in the triaxial cell are ~0.4.