نتائج تدوير الخيط بالمقارنة مع تدوير الخيط
تمثل التلامسات الترايبولوجية حوالي 12% من الاستهلاك العالمي للطاقة. تجري شركة Bornemann Gewindetechnik أبحاثًا حول تحسين الخيوط شبه المنحرفة بالتعاون مع معهد هندسة الإنتاج والأدوات الآلية في جامعة لايبنيتس هانوفر.
و3 في المائة لإصلاح المكونات البالية أو استبدال المعدات في حالات الأعطال المرتبطة بالتآكل [1]. ومن الأمثلة على ذلك معدات الرفع الثقيلة لصيانة القطارات أو الشاحنات. تتخصص شركة Bornemann Gewindeteetechnik في تصنيع مثل هذه المكونات الملولبة المعقدة أو شديدة الإجهاد. وبالتعاون مع معهد هندسة الإنتاج وأدوات الماكينات (IFW) في جامعة لايبنتز هانوفر، قامت الشركة العائلية بإجراء أبحاث حول التحسين الترايبولوجي للخيوط شبه المنحرفة باستخدام عملية تدوير الخيوط. هذه العملية مناسبة بشكل خاص للمكونات الملولبة الطويلة. وباستخدام أحدث تقنيات الإنتاج، تقوم شركة Bornemann Gewindetechnik بتصنيع مقاطع لولبية يصل طولها إلى 12 مترًا.
تحتوي المغازل الملولبة الملولبة الدوارة على هياكل مجهرية سطحية مرتبطة بالتشغيل الآلي توفر حجم احتفاظ بمواد التشحيم. ويقلل ذلك من احتكاك المغازل الملولبة الدوارة ويزيد من عمر الخدمة مقارنةً بالمغازل الملفوفة تقليدياً. يدرس الباحثون العلاقة الدقيقة بين عملية التشغيل الآلي وتأثير تقليل الاحتكاك كجزء من مشروع ”TopThread“.
يتم دراسة تأثير الهياكل المجهرية الناتجة عن دوران الخيط على السلوك الترايبولوجي للمغازل الملولبة شبه المنحرفة عالية التحميل في أنظمة الرفع للخدمة الشاقة. ولتحقيق هذه الغاية، يتم تحليل عملية دوران تم تطويرها خصيصًا لعملية الهيكلة المجهرية المتكاملة.
ستوضح هذه المقالة كيف يمكن ضبط تضاريس السطح على وجه التحديد باستخدام عملية التدوير، والتي تمثل ميزة كبيرة على عملية دحرجة الخيط. يوضح الشكل 2 طبوغرافيا سطح جناح اللولبة في المغزل الملولب شبه المنحرف مقارنةً بجناح اللولبة الدوارة.
من خلال تكييف عملية الدوران على وجه التحديد، يمكن إنتاج هياكل أكثر وضوحًا مقارنةً بالمغازل الملولبة المدرفلة. تم إدخال معلمات الهيكل ارتفاع الهيكل ”yf“ وتباعد الهيكل ”sf“ لتوصيف الهياكل السطحية (الشكل 1). من أجل التحسين الترايبولوجي، تم استخدام عملية الدوران لإنشاء هياكل ذات نسبة أقل من القمم، مما يقلل من التلامس الصلب المباشر بين أسطح شركاء الاحتكاك. وتتيح المسافة الأكبر بين قمم الهياكل إمكانية تخزين مادة التشحيم في وديان المظهر الجانبي للخشونة.
توصيف الخواص الترايبولوجية
تم استخدام منصة الاختبار الموضحة في الشكل 3 للتحقق من تأثير التضاريس السطحية لأجنحة الخيط على السلوك الترايبولوجي. تم تذبذب مغازل الاختبار مع الخيط Tr 80 × 10 مم بتردد f = 0.81 هرتز من خلال زاوية v = 15 درجة. يتوافق دوران تغيير الحمولة مع شوط انتقالي s = 0.42 مم من اللولب. مع هذا الإعداد، تم تحميل عمود الدوران 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 (TGT) في أنظمة الرفع للخدمة الشاقة. بالنسبة لهذا التطبيق، تم اختيار مادة الصامولة الملولبة G-CuSn 7 ZnPb ومادة التشحيم DGM HTF 940. يتوافق التشحيم في تسلسل الاختبار مع فترة صيانة مدتها شهر واحد. وبالتالي فإن الفاصل الزمني لتشحيم مجموعة صامولة عمود الدوران والصامولة هو كل 167 دورة. تم إعداد جهاز الاختبار بواسطة SincoTec. SincoTec هي أيضًا الشركة المصنعة لمستشعر القوة Interface 125 كيلو نيوتن ومستشعر عزم الدوران SincoTec 1200 نيوتن متر.
تم تحليل حالة تآكل الأسطح الجانبية لتوصيف خصائص الاحتكاك لمختلف طبوغرافيات السطح وهياكل السطح. لهذا الغرض، قام المشاركون في المشروع بعد ذلك بقطع المغازل بمطحنة القطع. مع 20,000 دورة تحميل، تم تحديد العمر التشغيلي لمدة عشر سنوات للمغازل الملولبة التي تم تحليلها تجريبياً. بالنسبة للمغازل الملولبة الملولبة، تم اختيار متغيرات المعالجة التي تم معالجتها بطريقة تم من خلالها تحقيق تدرجات محددة بين ارتفاعات البنى المجهرية على الأجنحة الحاملة للخيوط. تعتمد معلمات العملية على خبرة بورنمان. وعلاوة على ذلك، تم تحليل المغازل الملولبة المدرفلة التي تم دحرجتها باستخدام العملية المستمرة.
تأثير الهياكل السطحية على معامل الاحتكاك
نظرًا للحركة المتذبذبة على مسافة زاويّة صغيرة، يمكن تحليل الرفع والخفض في عدد كبير من دورات التحميل. وبهذه الطريقة، يمكن تعيين العمر التشغيلي الكامل للمغازل الملولبة تجريبيًا. يوضح الشكل 4 مسار معامل الاحتكاك لحركة الرفع مع المحرك اللولبي شبه المنحرف. تتم هنا مقارنة معاملات الاحتكاك لمعاملات الاحتكاك للولب الملولب والمسمار اللولبي الملولب. يتكون ملف تعريف السرعة الناتج ضمن تغيير الحمل من مرحلة تسارع، ومرحلة ذات سرعة ثابتة ومرحلة تباطؤ – في كل حالة من حالات الرفع والخفض. يتم تفضيل تأثير الانزلاق اللاصق، الذي يحدث عند السرعات المنخفضة، بشكل خاص عند نقطة انعكاس الاتجاه. يتجلى هذا التأثير في التصاق قصير للأسطح، يليه انزلاق مفاجئ لشركاء الاحتكاك. يمكن أن تؤدي هذه الحركة إلى اهتزازات تنعكس في تذبذب أكبر في معامل الاحتكاك [2]. يرتفع متوسط معامل الاحتكاك بشكل حاد في بداية الاختبار، ويصل إلى الحد الأقصى بعد حوالي 2000 دورة تحميل ثم ينخفض إلى مستوى ثابت بعد حوالي 8000 دورة تحميل. يُشار إلى هذا السلوك بمرحلة التشغيل ويصف التغير العام في معامل الاحتكاك على مدار الاختبار، اعتماداً على النظام الترايبولوجي المعني [3].
يُظهر المغزل الملولب شبه المنحرف الملولب مع هيكل السطح المقدم تحسنًا كبيرًا في الخصائص الترايبولوجية. ويؤدي ذلك إلى تقصير سلوك التشغيل الداخلي بنسبة 44% تقريبًا بالإضافة إلى انخفاض دائم لمعامل الاحتكاك إلى مستوى أقل من μm = 0.085. وهذا يتوافق مع انخفاض بنسبة 25.5% مقارنةً بالمغزل الملولب الملفوف. لم يكن التخفيض الكامل لمرحلة التشغيل غير ممكن مع هذا الخيط في النظام الترايبولوجي الموصوف.
تأثير الهياكل السطحية على التآكل
إن التآكل الذي يحدث عند تلامس شريكي الاحتكاك له أهمية حاسمة بالنسبة لعمر خدمة عمود الدوران الملولب شبه المنحرف. من أجل تحديد آليات التآكل التي تحدث على عمود الدوران الملولب، تم فحص سطح جناح المحمل على مدار 20000 دورة تحميل مع إمداد منتظم من مواد التشحيم ثم تم تحليل نمط تآكل جناح المحمل (الشكل 5). بعد الاختبار، أظهر الفحص نمط تآكل مختلف بشكل واضح اعتمادًا على الهياكل السطحية على جناح المحمل. تُظهر المغازل الملولبة الملفوفة بدون هياكل سطحية على جناح المحمل ترسبات لاصقة واضحة على جناح المحمل للمغزل الملولب، والتي تنتج عن إزالة كبيرة أو تآكل لاصق لمادة الصامولة. مع زيادة ارتفاع الهيكل، تقل أيضًا مساحة التآكل اللاصق بشكل كبير (الشكل 5).
نظرًا لسرعة الانزلاق المنخفضة والضغط السطحي العالي في التلامس الترايبولوجي، يتم تصنيف الاحتكاك الموجود في النظام الترايبولوجي بين احتكاك الحالة الصلبة والاحتكاك المختلط. ونظرًا للبنية السطحية الواضحة (الشكل 6، يمين)، يمكن تقليل عدد التلامسات الدقيقة مقارنةً بتضاريس السطح غير المهيكلة (الشكل 6، يسار). وينتج عن ذلك انخفاض نسبة الاحتكاك في الحالة الصلبة بسبب البنية السطحية. البنية السطحية الأكثر وضوحًا على جناح اللولب قادرة على امتصاص كمية أكبر من مادة التشحيم. مع الهياكل السطحية، انخفضت نسبة التآكل اللاصق على جناح اللولبة إلى 10.1% مقارنةً بنسبة 36.3% مع المغزل الملولب الملفوف.
عندما يتلامس شركاء الاحتكاك المصنوعون من معادن مختلفة، يحدث انتقال للمواد من جسم الاحتكاك الأضعف تماسكًا (في هذه الحالة الصامولة) إلى جسم القاعدة الأقوى تماسكًا (في هذه الحالة عمود الدوران الملولب) [4]. ينتج عن مادة التشحيم الإضافية في تلامس الاحتكاك عدد أقل من قمم الخشونة الملامسة. يؤدي الحمل التدريجي على سطح التلامس للصامولة الملولبة إلى انفصال الجسيمات التي تترسب على قمم خشونة التلامس في جناح المحمل. تشكل هذه الجسيمات تدريجيًا طبقة على مناطق التلامس في جناح المحمل وتمنع التلامس المباشر بين مادة عمود الدوران والصامولة. تستمر هذه العملية حتى يتم الوصول إلى حالة السكون ولا يتم ترسيب أي رواسب أخرى على جناح المحمل. تحدد هذه العملية سلوك التشغيل، والذي يتغير إلى حالة السكون بمجرد تغطية قمم الخشونة الملامسة برواسب الالتصاق. تؤثر هذه الحالة أيضًا على معامل الاحتكاك. لا يتعرض السطح الأولي لأي تآكل كاشط أثناء حركة الرفع.
التوقعات وخيارات الاستخدام
في المنافسة مع المغازل الملولبة المدرفلة، تبين أن الهياكل السطحية على جناح المحمل للمغزل الملولب لأنظمة الرفع للخدمة الشاقة توفر قيمة مضافة كبيرة. يمكن استخدام عملية التدوير لإنشاء مجموعة أكبر من الهياكل السطحية المتنوعة. علاوة على ذلك، فقد تبين أن سطح عمود الدوران الملولب يتعرض لتآكل قليل جدًا، مما يعني أن الهياكل السطحية على جناح المحمل يتم الاحتفاظ بها إلى حد كبير بعد عمر خدمة تجريبي محاكاة لمدة 10 سنوات. يوضح الشكل 7 الإمكانات الرئيسية الثلاثة الرئيسية لجوانب المحمل ذات البنية المجهرية لتصميم وبناء المغازل الملولبة شبه المنحرفة.
يمكن أن يقلل التعديل المحدد لهياكل السطح على جناح اللولب من معامل الاحتكاك بنسبة 25.5%. بالنسبة لمثال نظام الرفع للخدمة الشاقة، ينتج عن هذا الانخفاض في معامل الاحتكاك انخفاض متناسب في استهلاك الطاقة، مع الأخذ في الاعتبار المحمل المعني لنظام الرفع، حيث إن التلامس الاحتكاكي بين المغزل والصامولة أمر حاسم للكفاءة.
جانب آخر هو تقليل التآكل على الصامولة الملولبة. في هذه التحقيقات، لا يمكن تحليل تآكل الصامولة الملولبة إلا بشكل غير مباشر على أساس الترسبات اللاصقة على جناح المحمل. نظرًا لانخفاض الترسبات اللاصقة إلى ما يقرب من 10% من جناح المحمل، يمكن افتراض وجود تلامس دقيق أقل بين شركاء الاحتكاك وبالتالي تآكل أقل على الصامولة الملولبة. من انخفاض الالتصاق على جناح المحمل، يمكن استنتاج أن التآكل الكلي للصامولة الملولبة قد انخفض أيضًا. وهذا يمكن أن يقلل من تكاليف الصيانة ويزيد من عمر خدمة المحرك اللولبي شبه المنحرف بأكمله.
وتنتج الميزة الثالثة والحاسمة لجوانب المحمل ذات الهيكل الدقيق للولب اللولبي الرصاصي من تصميم محرك الدفع. من خلال تقليل معامل الاحتكاك بنسبة 25%، يمكن افتراض عزم احتكاك أقل في التصميم.
وهذا يجعل من الممكن اختيار محرك بحجم أصغر، مما يقلل من استهلاك الطاقة للنظام الكلي ويقلل بشكل كبير من تكاليف الاستثمار لنظام الرفع بأكمله. ومع ذلك، يجب تقليل سلوك التشغيل في هذا الجانب ويجب ضمان معامل احتكاك ثابت على مدار عمر الخدمة بالكامل.
من خلال إجراء المزيد من الأبحاث، يمكن تحسين بنية السطح اعتمادًا على هندسة الخيط. ويجري حالياً تسجيل براءة اختراع عملية توليد هذه الهياكل السطحية المعدلة خصيصاً من قبل شركاء المشروع.
وهذا يسمح بمعالجة النظام الترايبولوجي الفردي بشكل أكثر تحديدًا. هناك جانب آخر للبحث والتطوير المستقبلي وهو تعديل تضاريس سطح الصامولة الملولبة من أجل التعويض عن سلوك التشغيل على وجه التحديد. إن انخفاض معامل الاحتكاك باستمرار سيجعل من الممكن تقليل الحجم بشكل أكبر عند تصميم محرك الدفع. ستتم معالجة هذه النقاط بشكل أكبر في المستقبل في مشروع بحثي مخطط له بشكل مشترك مع شركة Bornemann Gewindetechnik و IFW.
شكر وتقدير
يود المؤلفون أن يشكروا شركة ZIM على تمويل مشروع ”TopGewinde – طبوغرافيات السطح المحسّنة ترايبولوجيًا لزيادة عمر خدمة المحركات اللولبية باستخدام عملية الدوران“.
كما يودون أيضًا أن يشكروا هانز بورنيمان وموريتز فون سودن من الشركة المصنعة Bornemann Gewindetechnik على تعاونهما الممتاز في مشروع البحث.
المؤلفات
- Holmberg K, Erdemir A (2017 Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction 5, 263-284 (2017)
- Haessing D A, Friedland B (1990) On the Modeling and Simulation of Friction. American Con-trol Conference, San Diego.
- Denkena B, Böß V, Nespor D, Gilge P, Hohenstein S, Seume J (2015): Prediction of the 3D Sur-face Topography after Ball End Milling and its Influence on Aerodynamics, 15th CIRP Confer-ence on Modelling of Machining Operations, Procedia CIRP 31, S. 221 227
- Buckley D H (1981) Surface Effects in Adhesion, Friction, Wear and Lubrication. S. 456. Else-vier, Amsterdam.
اتصل بنا
Christian Wege, M. Eng.
معهد هندسة الإنتاج والأدوات الآلية في جامعة لايبنتز هانوفر
الهاتف: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de