التحسين السطحي لمغازل الخيوط شبه المنحرفة – التحليل والتطبيق الترايبولوجي

تعتبر المغازل الملولبة شبه المنحرفة مثالية للأحمال الثقيلة وغالبًا ما تستخدم في أنظمة الرفع. كجزء من مشروع تعاون بين معهد هندسة الإنتاج وأدوات الماكينات (IFW) وشركة Bornemann Gewindetechnik، تم إجراء بحث حول تعديل تدوير الخيوط لتحسين الخصائص الترايبولوجية للمغازل الملولبة. يمكن أن يقلل استخدام الهياكل المجهرية الدوارة من فقدان الاحتكاك بنسبة 25.5% ويقلل بشكل كبير من تآكل اللصق.

1 مقدمة

تتوفر عمليات تصنيع مختلفة لإنتاج المغازل الملولبة الطويلة، والتي تستخدم بشكل متكرر في أنظمة الرفع، بما في ذلك دحرجة الخيوط وتدوير الخيوط [1]. عند تصميم عملية التصنيع لعناصر الماكينة الموحدة مثل المغازل الملولبة شبه المنحرفة، لا يتم أخذ سلوك التطبيق وعمر الخدمة في الاعتبار [2].

عند تصميم الأسطح المعرضة للاحتكاك المنزلق، من المهم النظر في أنظمة الاحتكاك – الاحتكاك الحدودي والاحتكاك المختلط والاحتكاك بالسوائل – والتي يتم تصنيفها باستخدام منحنى ستريبيك [3]. في الحالة الهيدروديناميكية، تنتقل القوة من خلال طبقة التشحيم، حيث تتولد قوة الاحتكاك عن طريق الاحتكاك الداخلي لزيت التشحيم [3-5]. ويتناسب ذلك مع مساحة التلامس ولزوجة مادة التشحيم ومعدل القص لسمك طبقة التشحيم. في حالة الاحتكاك المختلط، ينقطع غشاء التشحيم عند نقاط معينة بواسطة قمم خشونة فردية، والتي تساهم بعد ذلك في نقل الحمل [4]. ويمثل هذا الأمر عيبًا خاصةً عند سرعات الانزلاق المنخفضة من حيث إنشاء حالة التزييت الهيدروديناميكي والحفاظ عليها [6].

يمكن أن يؤدي التلامس المباشر بين العنصرين الثلاثي إلى زيادة استهلاك الطاقة [7]. يمكن أن يكون للبنى المجهرية تأثيرات مواتية من خلال آليات مختلفة. على سبيل المثال، يمكن أن تعمل البنى المجهرية كخزانات لمواد التشحيم [8]، ويمكن أن تؤدي الارتفاعات الموضعية في طبقة التشحيم إلى زيادة ضغط المحمل عندما يتدفق زيت التشحيم فوقها [9]. يمكن أن يتراكم الضغط الهيدروديناميكي في البنى المجهرية المحددة. ويلعب كل من تأثيرات التجويف [4] وتراكم ضغط المحمل في البنى المجهرية المتتالية دورًا هنا [10، 11]. تشير هذه التحقيقات إلى أن تضاريس سطح المغازل الملولبة شبه المنحرفة توفر إمكانات كبيرة لتقليل الاحتكاك من خلال البنى المجهرية بسبب التلامس الانزلاقي عالي التحميل. يمكن تحفيز البنى المجهرية لتقليل خسائر الاحتكاك في التلامس المنزلق من خلال عمليات التصنيع مثل التخشين المسطح أو الوسم بالليزر [10، 12].

توفر الدوامة كعملية تصنيع إمكانات كبيرة للهيكلة المجهرية المتكاملة للعملية، حيث إنها تحقق إنتاجية أعلى بكثير من طحن الخيوط، على سبيل المثال [1، 13]. تم إجراء دراسات حول هيكلة السطح عن طريق الدوران حتى الآن فقط كعملية هيكلة إضافية وليس كعملية وظيفية متكاملة للهيكل السطحي [14]. هناك طرق مختلفة للهيكلة المجهرية كعملية تصنيع منفصلة [12، 15]، ولكنها تتطلب جهدًا كبيرًا في التكامل بسبب خطوة عملية إضافية. في إحدى الدراسات، أظهر Denkena وآخرون تحسنًا في الخصائص الترايبولوجية للأسطح التي تتعرض لأحمال ميكانيكية حرارية عالية، كما هو الحال في بطانات الأسطوانات، من خلال البنية المجهرية [12]. توفر عملية الدوران كطريقة إنتاج بالقطع إمكانات محددة للتوظيف بسبب الهياكل السطحية التي تم إنشاؤها على جانب الخيط (الشكل 1).

هناك تحدٍ محدد عند استخدام المزدوجات القبلية المعدنية في الاحتكاك الانزلاقي وهو حدوث الالتصاق في حالة عدم كفاية التشحيم أو التحميل الزائد. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تآكل لاصق لشريك الاحتكاك ذي الصلابة الأقل وانتقال المواد إلى شريك الاحتكاك ذي الصلابة الأعلى في التلامس المنزلق [7، 17]. تلعب تضاريس السطح ومساحة التلامس الفعلية في التلامس المنزلق دورًا حاسمًا في خطر الالتصاق الموصوف سابقًا مع عدم كفاية التشحيم [7، 16، 17]. يعد التلامس المباشر بين عنصري الاحتكاك شرطًا أساسيًا للالتصاق ويتم تحديده من خلال إجمالي عدد التلامسات الدقيقة.

في التلامسات المنزلقة التي تتعرض لضغط سطحي مرتفع، تنخفض سماكة طبقة التشحيم مما يؤدي إلى التحول من الاحتكاك المختلط إلى الاحتكاك الحدي ويصاحبه زيادة في معامل الاحتكاك [3]. أظهر Denkena وآخرون أيضًا أن الهياكل السطحية العميقة الضحلة يمكن أن تؤدي إلى انخفاض معامل الاحتكاك والتحول إلى نظام الاحتكاك المختلط حيث يتعايش كل من الاحتكاك الصلب والسوائل [12]. بالنسبة للعناصر الثلاثية المصنوعة من البرونز الصلب في الاحتكاك المنزلق، تبين أن عمق البنية السطحية من 2-5 ميكرومتر مواتٍ بشكل خاص لتقليل الاحتكاك [16]. هناك ظاهرة أخرى يمكن أن تحدث مع عدم كفاية التشحيم أو السرعات النسبية المنخفضة وهي تأثير الانزلاق اللاصق. وينتج عن ذلك التصاق العناصر الثلاثية ببعضها البعض لفترة قصيرة قبل حدوث حركة انزلاق مرة أخرى [18]. يؤدي تكرار حدوث تأثير الالتصاق والانزلاق بسبب نقص مواد التشحيم إلى زيادة تآكل المادة اللاصقة وبالتالي إلى فشل مبكر للمكونات [19].

لم يتم البحث بعد في تأثير البنى المجهرية على جناح اللولبة المحملة لمغازل اللولبة شبه المنحرفة تحت الأحمال العالية، ولكنها توفر إمكانات كبيرة لزيادة الكفاءة من خلال تقليل خسائر الاحتكاك. كما أنه لا توجد معرفة حتى الآن عن تأثير البنى المجهرية على التآكل في نظام صامولة المغزل. ولذلك، فإن الهدف من هذه الورقة البحثية هو معالجة هذه الفجوة والتحقيق في تأثير الهياكل السطحية الناتجة عن دوران الخيط على السلوك الترايبولوجي للمغازل الملولبة شبه المنحرفة عالية التحميل في معدات الرفع الثقيلة في ظل ظروف حقيقية. ستبحث الدراسة في عملية دوران مطورة خصيصًا لعملية الهيكلة الدقيقة المتكاملة للعملية. كجزء من الدراسة، سيتم تقديم هياكل سطحية مختلفة وسيتم تقييم تأثيرها على تقليل الاحتكاك في النظام الكلي وقدرتها على الاحتفاظ بمواد التشحيم على السطح وبالتالي منع الترسبات اللاصقة على عمود الدوران وتآكل المادة اللاصقة على الصامولة.

2 الإعداد التجريبي

2.1 الاختبار الترايبولوجي

تم استخدام منصة الاختبار الموضحة في الشكل 2 للتحقق من تأثير تضاريس السطح على أجنحة الخيط فيما يتعلق بالسلوك الترايبولوجي. تم تذبذب مغازل الاختبار المزودة بخيط Tr80×10 مم بتردد f = 0.81 هرتز على زاوية ν = 15 درجة. يتوافق دوران تغيير الحمولة مع مسافة انتقالية قدرها 0.42 مم من عمود الدوران الملولب. مع هذا الإعداد، تم تحميل المغزل الملولب بقوة وزن FG = 91.3 كيلو نيوتن أثناء الرفع والخفض. وهذا يتوافق مع ضغط سطحي p = 5.0 نيوتن/مم²، وهو ما يقع ضمن نطاق الحمل الأقصى لمحركات البراغي الملولبة شبه المنحرفة في أنظمة الرفع للخدمة الشاقة. تم اختيار مادة الصامولة الملولبة G-CuSn 7 ZnPb لهذا التطبيق. كان زيت التشحيم المستخدم هو شحم DGM HTF 940، وهو مناسب بشكل خاص لتطبيقات المحامل العادية. اعتمد التشحيم في تسلسل الاختبار على فترة صيانة مدتها شهر واحد. يتوافق هذا الفاصل الزمني مع تشحيم مجموعة صامولة عمود الدوران كل 167 دورة. تم إعداد جهاز الاختبار من قبل شركة Sincotec، وهي أيضًا الشركة المصنعة لمستشعر القوة Interface 125 كيلو نيوتن ومستشعر عزم الدوران SincoTec 1200 نيوتن متر.

تم تحليل حالة تآكل الأسطح من أجل توصيف خصائص الاحتكاك لطبوغرافيات الأسطح المختلفة وهياكل الأسطح المقابلة لها. لهذا الغرض، تم قطع المغازل بعد ذلك بمطحنة القطع. مع 20,000 دورة تحميل، تم تحديد عمر خدمة 10 سنوات تجريبياً للمغازل الملولبة التي تم تحليلها.

للتحقق من السلوك الترايبولوجي، تم إعداد أربعة مغازل ملولبة تمت فيها مقارنة معاملات عملية مختلفة مع مغزل ملفوف باستخدام عملية التدوير (الجدول 1). بالنسبة للمغازل الملولبة الملفوفة، تم اختيار معلمات المعالجة بطريقة تحقق تدرجات محددة بين ارتفاعات البنية السطحية على أجنحة الخيط الملولب المحملة للخيوط. تتألف سلسلة الاختبار 1 من المغازل الملولبة المدرفلة المصنعة باستخدام عملية الدرفلة المستمرة. تعتمد معلمات العملية المحددة على خبرة بورنمان. تم دحرجة سلسلة الاختبار 2 باستخدام معلمات عملية تتوافق مع أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا وتعمل كمرجع إضافي للهيكل السطحي المطور حديثًا.

في سلسلتي الاختبار 3 و 4، تم إنتاج الهياكل السطحية المطورة في هذه الدراسة على مرحلتين من أجل زيادة كل من ارتفاع الهيكل السطحي yf وطول الهيكل السطحي sf. تؤدي الزيادة في هاتين المعلمتين للهيكل إلى زيادة حجم احتباس مادة التشحيم في السطح. تُظهر سلسلة الاختبار 3 ارتفاع الهيكل النظري yf = 2.31 ميكرومتر مع مسافة هيكلية sf = 3.67 ميكرومتر. في سلسلة الاختبار 4، تكون البارامترات الهيكلية أكثر وضوحًا مع yf = 3.61 ميكرومتر و sf = 4.59 ميكرومتر. يُظهر هذا بوضوح قابلية الضبط المحدودة للهياكل بسبب عملية الدوامة: تؤدي الزيادة في ارتفاع الهيكل yf حتمًا إلى زيادة في طول الهيكل sf.

2.2 قياس بنية السطح

يُستخدم نظام القياس الضوئي Duo Vario من شركة Confovis GmbH لتحليل طوبوغرافيات السطح ثلاثية الأبعاد التي تم إنشاؤها تجريبياً. يتم تسجيل طبوغرافيات السطح باستخدام مجهر الضوء الأبيض متحد البؤر. تم إجراء القياس متحد البؤر باستخدام هدف Nikon 20×/0.45-NA. استُخدمت دقة قياس جانبية تبلغ 0.20 ميكرومتر لتحليل الأسطح الجانبية. تم تسجيل المساحة المقاسة بعرض 2.26 مم وطول 8.71 مم بدقة 0.28 ميكرومتر. تمت محاذاة المغازل الملولبة التي تم إنشاؤها تجريبياً في موضع قياس متعامد مع جناح الخيط.

3 تطبيق وتوصيف تضاريس السطح وتوصيفها

توضح النتائج التالية كيف يمكن ضبط تضاريس سطح جناح اللولبة على وجه التحديد باستخدام عملية التدوير وكيف تختلف عن التضاريس المحدودة لعملية دحرجة اللولبة. يوضح الشكل 3 تضاريس سطح جناح اللولبة لجناح اللولبة في المغزل الملولب شبه المنحرف مقارنةً بجناح اللولبة الدوارة.

تُظهر طبوغرافية السطح لسلسلة الاختبار 1 أنه لا يتم إنشاء أي نسيج سطحي أثناء عملية لف الخيط. لا يُظهر المغزل الملولب الدوّار لسلسلة الاختبار 2 أي اختلافات كبيرة في تضاريس السطح مقارنةً بسلسلة الاختبار 1، ولا يمكن التعرف على أي نسيج سطحي واضح أيضًا. من خلال تكييف عملية الدوامة على وجه التحديد، كان من الممكن إنتاج قوام سطح أكثر وضوحًا بشكل ملحوظ في سلسلتي الاختبار 3 و4. في هذه السلاسل الاختبارية، تمت زيادة ارتفاع النسيج yf وطول النسيج sf على التوالي من أجل توليد نسيج سطحي بنسبة منخفضة من القمم، وبالتالي تقليل التلامس الصلب المباشر بين أسطح العناصر الثلاثية. إن المسافة الأكبر بين قمم النسيج السطحي تجعل من الممكن الاحتفاظ بمواد التشحيم في وديان المظهر الجانبي للخشونة.

نظرًا لحدوث تأثيرات خشونة عشوائية أثناء المعالجة، والتي تؤثر على السطح التقني كانحرافات شكلية من الدرجة الرابعة، يتم تركيب نسيج السطح الأقل وضوحًا لسلسلة الاختبار 2. وبسبب هذا التراكب، يصعب تحديد بارامترات النسيج ويكون ارتفاع النسيج yf = 0.82 ميكرومتر وطول النسيج sf = 1.63 مم. بشكل فعال، لا تختلف سلسلة الاختبار 2 عن العينة الملفوفة بسبب هذا الملمس السطحي المنخفض. تنجم تأثيرات الخشونة العشوائية أثناء عملية التدوير بشكل أساسي عن الخشونة على حافة القطع لأداة التدوير، والمعروفة أيضًا باسم التقطيع. يتشكل هذا كقالب سلبي على السطح المتولد حديثًا أثناء التشغيل الآلي [20]. تُظهر طبوغرافيا سلسلتي الاختبار 3 و4 أخاديد مميزة ومتكررة ناتجة عن التقطيع. إذا كان ارتفاع النسيج yf أقل من الخشونة Rz عند حافة القطع لأداة التقطيع، فإن النسيج يكون متراكبًا ولا يحدث النسيج المميز لعملية التقطيع. يمكن رؤية ذلك في ملامح الخشونة على أجنحة الخيط (الشكل 4).

بالإضافة إلى ذلك، يتم تشويه القياس بسبب حقيقة أن شكل الخيط المقرب رياضيًا يتم طرحه من تضاريس السطح، ونتيجة لذلك يكون ارتفاع النسيج عند حافة نطاق القياس أقل قليلاً (الشكلان 3 و4).

4 التقييم الترايبولوجي

تم تحليل تأثيرات القوام السطحي الدوامي على النظام الترايبولوجي للبرغي والصامولة في المغازل اللولبية شبه المنحرفة لأنظمة الرفع للخدمة الشاقة باستخدام إعداد الاختبار الموضح في القسم 2.2. في تصميم البراغي شبه المنحرف، غالبًا ما يُفترض أن يكون معامل الاحتكاك ثابتًا لأسباب تتعلق بالتبسيط. ومع ذلك، لا يمكن اعتبار معامل الاحتكاك خاصية مادية، حيث إنه يتأثر بجميع مكونات النظام الترايبولوجي. من أجل توصيف تأثير تضاريس السطح على هذا النظام، يتم الاحتفاظ بجميع المتغيرات المؤثرة ثابتة. يتم فقط تغيير نسيج السطح الناجم عن عملية التصنيع في سلسلة الاختبار.

4.1 التحقيق في معامل الاحتكاك

في أنظمة الرفع للخدمة الشاقة، عادةً ما يتم ترتيب مسامير الحركة عموديًا، حيث يتم تحميل جناح اللولب المحمل أثناء حركتي الرفع والخفض. يمكن استخدام الاحتكاك على المستوى المائل لحساب معامل الاحتكاك في الخيط شبه المنحرف [21]. يمكن حساب القوة العمودية FN من قوة الوزن FG وقوة الاحتكاك FR من عزم الاحتكاك المطلوب للحركة الدورانية باستخدام العلاقات الهندسية. وهذا يؤدي إلى ارتفاع عزم الاحتكاك المطلوب أثناء الرفع. نظرًا لقياس عزم الاحتكاك في إعداد الاختبار وتعيين قوة الوزن FG على قيمة ثابتة، يمكن حساب معامل الاحتكاك μ من هذه المتغيرات. يصبح التحديد المنفصل لمعامل الاحتكاك μ للرفع والخفض ممكنًا من خلال مراعاة الاتجاهات المختلفة لمكونات القوة. يظهر في الشكل 5 المسار النموذجي لمعامل الاحتكاك لهذين النوعين من الحركة للمغزل المدلفن في سلسلة الاختبار 1. مع الأخذ في الاعتبار اتجاهات القوة المختلفة، يظهر كلا النوعين من الحركة منحنى مماثل لمعامل الاحتكاك. على الرغم من ارتفاع عزم الدوران المطلوب للرفع، يمكن رؤية سلوك مميز لمعامل الاحتكاك، والذي يحدث مع المغزل الملولب شبه المنحرف على مدى 20000 دورة تحميل. ويزداد متوسط معامل الاحتكاك لكلا النوعين من الحركة بشكل ملحوظ في بداية الاختبار، ويصل إلى الحد الأقصى عند حوالي 2000 دورة ثم ينخفض إلى مستوى ثابت عند حوالي 8000 دورة. يُشار إلى هذا السلوك بمرحلة التشغيل ويصف التغير العام في معامل الاحتكاك خلال الاختبار بأكمله، اعتماداً على النظام الترايبولوجي [22]. تحاكي الحركة المتذبذبة على نطاق زاوي صغير مسافة قصيرة من الرفع والخفض أثناء تغيير الحمل. يتكون ملف تعريف السرعة الناتج خلال تغيير الحمل من مرحلة تسارع، ومرحلة سرعة ثابتة ومرحلة تباطؤ، كل منها للرفع والخفض. ويكون تأثير الانزلاق اللاصق، الذي يحدث عند السرعات المنخفضة، مفضلاً بشكل خاص عند نقطة انعكاس الاتجاه. يتجلى هذا التأثير في التصاق قصير للأسطح، يليه انزلاق مفاجئ لعناصر التريبو. يمكن أن تؤدي هذه الحركة إلى اهتزازات تنعكس في انحراف أكبر لمعامل الاحتكاك [19]. في الشكل 5، يمكن ملاحظة هذا التأثير في شكل انحراف أكبر خلال أول 5000 دورة تحميل.

يتم تحقيق معامل احتكاك ثابت للخيط شبه المنحرف الذي تم تحليله Tr80×10 مم بعد حوالي 8000 دورة تحميل. أثناء مرحلة التشغيل، هناك زيادة أولية في معامل الاحتكاك عند اختبار الخيوط شبه المنحرفة المدرفلة، وهو ما يرتبط أيضًا بانحراف كبير في معامل الاحتكاك. ويرتبط أعلى معامل احتكاك بأكبر انحراف، مما يشير إلى زيادة حدوث تأثير الانزلاق اللاصق، والذي يمكن أن يؤدي إلى زيادة تآكل المادة اللاصقة. ونظرًا لتشابه منحنيات معامل الاحتكاك لكلا النوعين من الحركة، يتم النظر فقط في حركة الرفع الأكثر كثافة في القوة أدناه.

هناك اختلاف واضح في منحنيات معامل الاحتكاك للأسطح الموضحة في الشكل 3. في حين أن سلسلتي الاختبار 1 و2 تختلفان في عمليات التصنيع – دحرجة الخيط وتدوير الخيط – فإن كلا العينتين لهما تضاريس سطح متشابهة مع عدم وجود أي قوام سطحي تقريبًا (الشكل 3). ينعكس هذا التشابه أيضاً في منحنيات معامل الاحتكاك (الشكل 6). بينما يُظهر معامل الاحتكاك في سلسلة الاختبار 1 حداً أقصى كبيراً، لا يمكن ملاحظة أي حد أقصى خلال مدة الاختبار في سلسلة الاختبار 2. ومع ذلك، في كلا الاختبارين، يتم الوصول إلى مستوى ثابت بعد عدد مماثل من دورات التحميل (L ≈ 8000).

يفترض أيضًا متوسط معامل الاحتكاك μm على مدار مدة الاختبار بأكملها قيمة مماثلة لكلا الاختبارين. تحدث مرحلة تشغيل في كل من المغزل الملفوف والمغزل الملولب الملفوف، مما يؤدي لاحقًا إلى معامل احتكاك ثابت للغاية مع انحراف ضئيل عند مستوى μ = 0.1. في سلسلة الاختبار 3، مع ارتفاع نسيج yf = 2.31 ميكرومتر، لوحظت مرحلة تشغيل أقصر بكثير، والتي تكتمل بعد حوالي 4500 دورة تحميل. يمكن تخفيض متوسط معامل الاحتكاك μm إلى μm = 0.098 في سلسلة الاختبار 3، مقارنةً بالملفوف (μm = 0.115) وجناح الخيط غير الملمس المدور (μm = 0.112)، وهو ما يتوافق مع انخفاض في معامل الاحتكاك بنسبة 14.6%. يمكن رؤية انخفاض أكثر أهمية في سلسلة الاختبار 4 (yf = 3.61 ميكرومتر)، حيث يقلل نسيج السطح المدخل من سلوك التشغيل بنسبة 44% تقريبًا ويخفض معامل الاحتكاك بشكل دائم إلى مستوى أقل من μm = 0.085، وهو ما يتوافق مع انخفاض بنسبة 25.5% مقارنةً بالمغزل الملولب الملفوف. ومع ذلك، لم يكن التخفيض الكامل لمرحلة التشغيل غير ممكن مع هذا الخيط في النظام الترايبولوجي الموصوف.

4.2 تحليل تآكل المادة اللاصقة

يعد التآكل الذي يحدث عند تلامس عمود الدوران والصامولة أمرًا حاسمًا بالنسبة لعمر خدمة المحرك اللولبي شبه المنحرف. من أجل تحديد آليات التآكل التي تحدث على البرغي الموجه، تم فحص سطح جناح اللولب المحمل بعد 20000 دورة تحميل بقوة وزن FG = 91.3 كيلو نيوتن وإمداد منتظم من مواد التشحيم (الشكل 7). بعد الاختبار، تُظهر سلسلة الاختبار نمط تآكل مختلف بوضوح، اعتمادًا على بنية سطح جناح اللولبة المحملة. تُظهر سلسلتا الاختبار 1 و2، اللتان تم اختبارهما بدون هياكل سطحية على جناح اللولبة المحملة، ترسبات لاصقة واضحة على جناح اللولبة المحملة لعمود الدوران الملولب. يحدث هذا بسبب التآكل الكبير أو التآكل اللاصق لمادة الصامولة. مع زيادة ارتفاع الهيكل من سلسلة الاختبار 3 إلى سلسلة الاختبار 4، تنخفض درجة التآكل اللاصق بشكل ملحوظ (الشكل 7).

من أجل توصيف نسبة جناح الخيط الملولب المحمل المغطى برواسب الالتصاق، تم إجراء تحليل لوني لصور المجهر لتحديد نسبة الرواسب الحمراء في الغالب الناتجة عن محتوى النحاس في مادة G-CuSn 7 ZnPb. يُظهر تقييم نسبة الالتصاق المتعلقة بالمساحة على جانب الخيط الملولب المحمل أن المغزل الملولب شبه المنحرف الملفوف لديه أعلى نسبة التصاق تبلغ 36.3% (الشكل 8). تُظهر سلسلة الاختبار 2، مع أجنحة الخيط الملولب المدورة، أكبر انحراف في المساحة المغطاة بنسبة 27.4 % وانحراف معياري قدره 13.1 %. بعد فترة الخدمة التي تمت محاكاتها تجريبيًا، يكون سطح سلسلة الاختبار هذه مغطى ببقايا التصاق تصل إلى 45.4 % في بعض المناطق. يوضح نمط التآكل لسلسلة الاختبار 4 أن ارتفاع الهيكل yf = 3.61 ميكرومتر قلل من نسبة التآكل اللاصق وقصره على مناطق قمم الخشونة (الشكل 8 أ) عند 27.4 في المائة وانحراف معياري بنسبة 13.1 في المائة، تُظهر سلسلة الاختبار 2 ذات الأجنحة اللولبية الدوارة أكبر انحراف في المساحة المغطاة. بعد عمر الخدمة الذي تمت محاكاته تجريبيًا، يكون سطح سلسلة الاختبار هذه مغطى بما يصل إلى 45.4% من بقايا المادة اللاصقة في بعض المناطق. يوضح نمط التآكل لسلسلة الاختبار 4 أن ارتفاع النسيج yf= 3.61 ميكرومتر يقلل من نسبة التآكل اللاصق والقمم في مناطق قمم الخشونة (الشكل 8 أ).

نظرًا لسرعة الانزلاق المنخفضة والضغط السطحي العالي في التلامس الترايبولوجي، يتم التفريق بين الاحتكاك في النظام الترايبولوجي بين الاحتكاك في الحالة الصلبة والاحتكاك المختلط.

انخفضت نسبة تآكل المادة اللاصقة على جناح اللولب من 36.3% إلى 13.6% في سلسلة الاختبار 3، ثم إلى 10.1% في سلسلة الاختبار 4 لأسطح الجناح الدوارة مقارنةً بالمغزل الملولب الملفوف. لا يحدث أي التصاق بين قمم الخشونة الواضحة مع وجود نسيج سطح واضح. نظرًا لخصائص الطلاء اللاصق، يمكن افتراض وجود تحول من نظام الاحتكاك الحدودي إلى نظام الاحتكاك المختلط. ووفقًا لوانغ وآخرون، يمكن أن يؤدي انخفاض عدد قمم الخشونة، أو في هذه الحالة فقط قمم القوام السطح إلى انخفاض معامل الاحتكاك [4]. في هذه المناطق، يبقى السطح الأصلي الناتج عن عملية الدوران سليماً.

يمكن أن يساعد الترتيب المتتالي للتركيبات الدقيقة أيضًا على تكوين طبقة تشحيم رقيقة، كما هو موضح في [10]. ونظرًا لانخفاض الاحتكاك الصلب على سطح التلامس بالكامل، يلزم انخفاض عزم الاحتكاك لحركة عمود الدوران الملولب. يمكن تخزين مادة التشحيم في مناطق البنية السطحية الواضحة، مما يزيد من سماكة طبقة التشحيم ويخلق احتكاكًا سائلًا يمنع التلامس المباشر بين الأسطح. يعد التلامس المباشر بين قمم الخشونة للعناصر الثلاثية سببًا محتملاً للتآكل اللاصق [19].

نتيجة لقوام السطح الأكثر وضوحاً (الشكل 9ب)، تنخفض نسبة الاحتكاك في الحالة الصلبة على عكس تضاريس السطح غير المهيكلة (الشكل 9أ). يمكن أن يمتص نسيج السطح الأكثر وضوحًا على جناح الخيط كمية أكبر من مادة التشحيم.

عندما تتلامس العناصر الترايبولوجية المصنوعة من معادن مختلفة، يتم نقل المواد من جسم الاحتكاك الأقل تماسكًا، في هذه الحالة الصامولة، إلى الجسم الأساسي الأكثر تماسكًا، في هذه الحالة عمود الدوران الملولب [3]. تؤدي مادة التشحيم الإضافية في تلامس الاحتكاك إلى انخفاض عدد قمم الخشونة الملامسة. يظهر تكوين الترسبات اللاصقة على جانب الخيط الملولب المحمل بشكل تخطيطي في الشكل 9ج. يؤدي التحميل التدريجي لسطح التلامس للصامولة الملولبة إلى انفصال الجسيمات التي تترسب على قمم خشونة التلامس في جناح اللولبة المحملة. تشكل هذه الجسيمات بشكل متزايد طبقة على أسطح التلامس لجناح اللولب المحمل (الشكل 10) وتمنع التلامس المباشر بين البرغي ومادة الصامولة. تستمر هذه العملية حتى الوصول إلى حالة الثبات وعدم نقل المزيد من المواد من الطبقات الحدودية السطحية للصامولة إلى جناح اللولبة المحملة. تؤثر هذه العملية على سلوك التشغيل وتتغير إلى حالة الثبات عندما يتم تغطية قمم الخشونة الملامسة برواسب لاصقة. وهذا يؤثر على معامل الاحتكاك. يوضح الشكل 10 أن الترسبات يبلغ ارتفاعها حوالي 2 ميكرومتر ولا يوجد تآكل كاشط على السطح الأولي لجناح اللولبة المحملة.

5 الخاتمة والتوقعات

كجزء من هذه الدراسة، تم تعديل ثلاث طبوغرافيات مختلفة للأسطح باستخدام طريقة الدوران وفحص خواصها الترايبولوجية على المغازل الملولبة شبه المنحرفة. وبالإضافة إلى قياس معامل الاحتكاك، تم تحليل نمط التآكل على جوانب الخيوط الملولبة للمغزل الملولب وقياس الترسبات اللاصقة.

بالمقارنة مع المغازل الملولبة الملفوفة، فقد ثبت أن الهياكل السطحية على جناح اللولب المحمل للمغزل الملولب المستخدم في أنظمة الرفع للخدمة الشاقة توفر قيمة مضافة كبيرة. تتيح عملية التدوير إمكانية إنتاج مجموعة أكبر من الهياكل السطحية المتنوعة، مما يؤدي إلى انخفاض معامل الاحتكاك بنسبة 25.5%. ويؤدي هذا الانخفاض في معامل الاحتكاك إلى انخفاض متناسب في استهلاك الطاقة للنظام الكلي عندما يؤخذ في الاعتبار المحمل المحدد لنظام الرفع، حيث تتأثر الكفاءة بشكل كبير بالتلامس الاحتكاكي بين المغزل والصامولة. وعلاوة على ذلك، يمكن إثبات أن السطح الأصلي للمغزل الملولب، الذي تم تركيبه من خلال عملية الدوران، لا يزال سليمًا إلى حد كبير حتى بعد عمر خدمة تجريبي محاكاة لمدة 10 سنوات. يشير هذا إلى أنه يمكن تقليل نسبة الاحتكاك الصلب، حيث تكون قمم الخشونة في المغزل والصامولة على اتصال مباشر. مع القوام السطحي المقدم، انخفضت نسبة التآكل اللاصق على جناح اللولبة إلى 10.1% في سلسلة الاختبار 4، مقارنةً بنسبة 36.3% مع المغزل الملولب الملفوف.

على الرغم من محاكاة العمر التشغيلي الكامل لعمود الدوران الملولب لمدة 10 سنوات في الاختبار، إلا أن العمر التشغيلي للصامولة الملولبة غير موضح. بينما يتعرض جزء فقط من عمود الدوران للتلامس الترايبولوجي، فإن الخيط الداخلي للصامولة يخضع لحمل مستمر، مما يؤدي إلى تعرض أطول بكثير للتفاعلات الترايبولوجية. يمكن أن تركز الدراسات المستقبلية بشكل أكبر على هذا الجانب من نظام الاحتكاك، خاصةً بالنظر إلى التحدي المتمثل في قياس تآكل الصامولة. يمكن أن يكون التأثير الإيجابي الآخر للمغزل الملولب ذو البنية السطحية الواضحة هو تقليل التآكل على جسم الاحتكاك المضاد، وهو الصامولة في هذه الحالة.

المراجع

1. Langsdorff W (1969) Gewindefertigung und Herstellung von Schnecken, 6th edn. Springer, Berlin, Heidelberg
2. Gereke-Bornemann H, von Soden M (2010) Wie man den Stickslip-Effekt bei Gewindespindeln vermeidet
3. Stribeck R (1902) Die wesentlichen Eigenschaften der Gleit- und Rollenlager
4. Wang X, Kato K, Adachi K et al (2003) Loads carrying capacity map for the surface texture design of SiC thrust bearing sliding in water. Tribol Int 36(3):189–197. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(02)00145-7
5. Touche T, Cayer-Barrioz J, Mazuyer D (2016) Friction of textured surfaces in EHL and mixed lubrication: effect of the groove topography. Tribol Lett 63:25. https://doi.org/10.1007/s11249-016-0713-8
6. Flores G, Abeln T, Klink U (2007) Functionally adapted final machining for cylinder bores made of cast iron. MTZ Worldw 68:6–9. https://doi.org/10.1007/BF03226811
7. Buckley DH (1981) Surface effects in adhesion, friction, wear and lubrication. Elsevier, Amsterdam
8. Etsion I (2004) Improving tribological performance of mechanical components by laser surface texturing. Tribol Lett 17:733–737. https://doi.org/10.1007/s11249-004-8081-1
9. Hamilton DB, Walowit JA, Allen CM (1966) A theory of lubrication by microirregularities. ASME J Basic Eng 88(1):177–185. https://doi.org/10.1115/1.3645799
10. Brizmer V, Kligerman Y, Etsion I (2003) A laser surface textured parallel thrust bearing. Tribol Transact 46(3):397–403. https://doi.org/10.1080/10402000308982643
11. Kovalchenko A, Ajayi O, Erdemir A, Fenske G, Etsion I (2005) The effect of laser surface texturing on transitions in lubrication regimes during unidirectional sliding contact. Tribol Int 38(3):219–225. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2004.08.004
12. Denkena B, Köhler J, Kästner J, Göttsching T, Dinkelacker F, Ulmer H (2013) Efficient machining of microdimples for friction reduction. ASME J Micro Nano Manuf 1(1):11003. https://doi.org/10.1115/1.4023757
13. Stender W (1954) Schälen von Gewindespindeln: Die zeitgemäße Lösung eines alten Problems. Werkstatttechnik Maschinenbau 44:531–538
14. Matsumura T, Serizawa M, Ogawa T, SasakiM(2015) Surface dimple machining in whirling. JManuf Syst 37(2):487–493. https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2014.07.008
15. Denkena B, Bergmann B, Keitel M, Wege C, Poll G, Kelley J, Pape F (2023) Process strategies for milling of dimples on tapered roller bearings. Prod Eng Res Devel 17:893–905. https://doi.org/10.1007/s11740-023-01208-416.
16. Steinert P (2017) Fertigung und Bewertung deterministischer Oberflächenmikrostrukturen zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens von Stahl-Bronze-Gleitpaarungen. Technischen Universität Chemnitz
17. Greenwood JA, Tripp JH (1967) The elastic contact of rough spheres. ASME J Appl Mech 89:153
18. Haessig DA, Friedland B (1990) On the modeling and simulation of friction. American Control Conference, San Diego
19. Aurégan G, Fridrici V, Kapsa P, Rodrigues F (2015) Experimental simulation of rolling—sliding contact for application to planetary roller screw mechanism. Wear 332–333:1176–1184. https://doi.org/10.1016/j.wear.2015.01.047
20. Denkena B, Böß V, Nespor D, Gilge P, Hohenstein S, Seume J (2015) Prediction of the 3D surface topography after ball end milling and its influence on aerodynamics. Procedia CIRP 31:221–227. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.049
21. Böge G, Böge W (2021) Statik starrer Körper in der Ebene. In: Böge A, Böge W(eds) Handbuch Maschinenbau. Springer Vieweg, Wiesbaden
22. Blau PJ (2006) On the nature of running-in. Tribol Int 38(11):1007–1012. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2005.07.020

شكر وتقدير

يود المؤلفون أن يشكروا الوزارة الاتحادية للاقتصاد وحماية المناخ (BMWK) على التمويل وشريك المشروع Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG على تعاونهم البناء والوثيق.

الترقية

وقد تم تمويل الدراسات من قبل الوزارة الاتحادية للاقتصاد وحماية المناخ (BMWK) كجزء من برنامج تعزيز الابتكار المركزي.

مساهمة المؤلفين

قام ب. دنكنه بمراجعة المخطوطة وتحريرها مع ب. بيرجمان. C. طوّر ويجي مفهوم هذا العمل وأجرى التجارب وحلل البيانات وكتب المخطوطة. أنتج م. فون سودن وإتش. جيريكه-بورنيمان الأدوات ووفروا الإعداد التجريبي.

الترقية

تم توفير تمويل الوصول المفتوح وتنظيمه من قبل مشروع DEAL.

تضارب المصالح

أعلن كل من ب. دينكينا وب. بيرجمان وسي ويجي وفون سودن وإتش.

الوصول المفتوح

هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي نَسب المُصنَّف 4.0 الدولية، التي تسمح باستخدامها ومشاركتها وتكييفها وتوزيعها وإعادة إنتاجها بأي وسيط أو صيغة، شريطة أن يُنسب الفضل للمؤلفين الأصليين والمصدر بشكل مناسب، مع توفير رابط لرخصة المشاع الإبداعي والإقرار بأي تغييرات. يتم تضمين الصور أو المواد الأخرى من أطراف ثالثة الواردة في هذه المقالة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة، ما لم يُذكر خلاف ذلك في رصيد المادة. إذا لم تكن المواد مضمنة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب القانون أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فيجب عليك الحصول على إذن مباشرة من صاحب الحقوق. للاطلاع على نسخة من هذا الترخيص، يرجى زيارة http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

ملاحظة من الناشر

تظل سبرنجر نيتشر محايدة فيما يتعلق بالنزاعات القانونية المتعلقة بالمؤشرات الجغرافية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

• Springer Nature, 24.05.2024