Articles

kitkan, kulumisen ja energiahäviöiden minimoiminen poistamalla kosketuslataus

by admin

tulokset ja keskustelu

kuva 1a havainnollistaa, että tribochargingin vaikutus on varsin huomattava, erityisesti koneissa, joissa on eristeosia; yksinkertainen roottori, jonka polymeeriterät kulkevat toisella polymeeripinnalla, voi kuumentua tai jopa lakata toimimasta, koska kitka lisääntyy latauksen lisääntyessä ja sähköstaattinen tartunta näiden kahden pinnan välillä kasvaa. Jyrkkänä vastakohtana, kun panokset poistetaan koronapurkauspistoolilla, paikallinen lämmitys-ja energiahäviö vähenevät ja energiankulutus laskee N. 66% (Kuva. 1b).

Fig. 1 lämpökameran kuvat toimivasta moottorista, jossa on eristäviä osia, jotka osoittavat lämmönhäviön vähenemisen tribochargesin jatkuvan poistamisen yhteydessä, mikä merkitsee pienempää kitkaa, kulumista ja energiankulutusta.

Polysulfoni (PSU) – polymeeriterät on asennettu tasavirtamoottorin akselille ja ne lakaistaan toista polymeeripintaa vasten (kuvassa selluloosa). (A) Tribocharging aiheuttaa suuren sähköstaattisen tarttuvuuden, mikä johtaa suureen kitkaan, kulumiseen ja energiankulutukseen, kuten kuvataan moottorin akselin ja polymeerin terien lämpötilan nousussa käytön yhteydessä (mustat ympyrät). (B) sama roottorijärjestelmä ei kuumene, näyttää alhaisemmat kulutusnopeudet ja kuluttaa vähemmän virtaa, kun varauksia poistetaan jatkuvasti (Katso elokuva S1, täydentävä teksti ja kuva. 4H lisätietoja energiankulutuksen laskemisesta).

kontaktilatauksen, samanaikaisen kitkan ja latauksen poistossa odotettavissa olevien tehonsäästöjen mittaamiseksi käytimme ”oppikirjamaista” asetelmaa, jossa kiinteä sylinterin muotoinen kappale asetetaan kaltevan tason huipulle ja annetaan liukua vapaasti kohti pohjaa, minkä jälkeen kappale siirretään takaisin lähtöasentoon ja toistetaan useampia liukusyklejä. Lieriömäinen puukappale, jossa polyeteenitereftalaatti (PET) – kalvopohja liukuu selluloosan päälle (kuten kuvassa. 2A; Katso myös elokuva S2), prosessissa hankkimalla tribocharges määrällisesti Fig. 2B eri liukumäärille (katso lisämateriaaleista tarkemmat tiedot latausmittauksista). Sekä latausten suuruus että liukuajat kasvavat juoksusta toiseen, 19.alamäkiluistelussa, ja liukuaika nelinkertaistuu ensimmäiseen juoksuun verrattuna. Tähän liittyvässä demonstraatiossa kitkakertoimen kasvun havainnollistamiseksi kallistuskulma, jossa liukuminen alkaa, kasvaa myös peräkkäisillä ajoilla (Kuva. 2C). Kuitenkin, kun liukupintojen tribocharges eliminoidaan Zerostatin koronapurkauspistoolilla, sekä liukuaika että ”θ-offset” palautuvat alkuperäisiin arvoihinsa ensimmäisen liukumisen aikana (Kuva. 2, B ja C).

Fig. 2 kitka ja tribocharges kasvaa toistuvien ”kulkee”, polymeeri liukuva on kalteva taso.

(a) kiekkojen liukuminen (polymeerilevypohjilla) selluloosalle (kaltevalla tasolla) aiheuttaa pintojen kolmijakoisuutta ja johtaa kitkan lisääntymiseen. B) kiekon Liukuaika ja pohjaan hankittu lataus kasvavat molemmat toistuvilla liukujuoksuilla. Kun liukupinnat purkautuvat zerostat corona-purkupistoolilla, liukuaika palautuu ensimmäisen liukuvan arvon tasolle (vihreä nuoli) (C) θ, jossa liuku voidaan aloittaa kaltevalla tasolla toistuvilla jaksoilla, lisääntyen tribochargingilla toistuvilla jaksoilla; jälleen nollaus on mahdollista koronapurkauksella .

näiden havainnollistavien esimerkkien avulla käytimme sitten kitkatestaajaa (Hanatek Advanced Friction Tester), joka tallensi erilaisten yleisesti käytettyjen polymeerien parien CoF(S) ja CoF(D) toistuville vaakasuorille liukujaksoille. Myös liukukappaleiden lataukset kirjattiin jokaisen juoksun jälkeen. Kuten odotimme, sekä tribocharge tiheys ja CoF (D) lisääntynyt peräkkäisten ajojen (Kuva. 3A), ja näiden viikunoina ilmaistujen määrien keskinäinen suhde. S1 ja S2. Toteamme, että aste materiaalin siirto kahden liukupinnan mukana tribocharging (25) voi myös vaikuttaa mitattu CoF(D) (kuva. S3). Seuraavaksi testasimme erilaisia menetelmiä tribochargesin hajottamiseksi, nimittäin kosketuspintojen huuhtelemista liuottimella, koronapurkausta tai yhden tai molempien materiaalien takapuolen peittämistä johtavalla materiaalilla, joka on maadoitettu langan läpi (Kuva. 3). Kaikissa näissä lähestymistavoissa ja kaikissa purkautuneissa polymeeripareissa kitka ei merkittävästi lisääntynyt toistuvien liukukertojen yhteydessä. Tiedot edustavasta PTFE-liukumasta selluloosan päällä on esitetty kuviossa. 3 (C-E). Kun maadoitus metalli tausta (kuva. 3D, punaiset pisteet), CoF(D) 35.liukujakson aikana oli vain 9% korkeampi kuin ensimmäisen ajon aikana (Kuva. 3e, punaiset pisteet), verrattuna yli 50%: n kasvuun, kun polymeeri ei ole maadoitettu (Kuva. 3 E, mustat pisteet). Toteamme tässä, että käytännön käyttötarkoituksiin maadoitus saattaa olla taloudellisin ja teknisesti suoraviivaisin menetelmä; huomasimme kuitenkin, että koronapurkausmenetelmä on paras tapa pitää kitkakertoimet minimissä ja että etanoli-huuhtelumenetelmä on paras tapa estää kulumista, oletettavasti koska tämä menetelmä poistaa myös liukumisen aikana muodostuneet roskat (kuva. S4). Erityisesti, vaikka polymeerien kiteytymisessä ei ole merkittävää muutosta (kuva. S5) tribocharge-poistolla tai ilman, havaitsimme tribocharge-muutosten vähenemisen (esim., hapetus ja fluoraus), jossa tribocharges poistetaan jatkuvasti liukumisen yhteydessä verrattuna tapauksiin, joissa varausten annettiin kerääntyä polymeeripinnoille (kuva. S6).

Fig. 3 eri menetelmiä tribocharge poisto liukuva polymeeri pinnat voivat hallita kitkaa niiden välillä.

ptfe: n kappaleen liukuminen vaakasuunnassa selluloosan päällä, A) ptfe: n ja selluloosan välinen kitka kasvaa liukumatkan ja peräkkäisten juoksujen myötä Hanatek Advanced Friction testerin mittaamana. B) tribokaarien poistaminen erilaisilla varaushäviömenetelmillä. (C) Reset CoF(D) sen alkuperäiseen arvoon koronapurkauskäsittelyllä (tiedot merkitty vihreällä ympyrällä) ja etanolihuuhtelulla (tiedot merkitty punaisella ympyrällä) ptfe: n selluloosasta 35.ajossa (liukumatka per juoksu = 15 cm). (D) maadoitetun metallin (Tasainen messinki, 0,25 mm paksu) kiinnittäminen PTFE-kappaleen takaosaan estää sekä varausten kertymisen polymeerin pinnalle että (E) CoF: n(D) lisääntymisen (punaiset pisteet = metallikartoitettu PTFE selluloosassa; mustat pisteet = PTFE selluloosassa). PTFE, 5 cm × 5 cm × 0,25 mm; selluloosa, 10 cm × 20 cm × 0,165 mm; FN = 0,15 N säädetään lisäämällä painoa paljaalle PTFE: lle tai metallialustalle PTFE: lle (KS.lisäaineet ja viikunat. S1, S2, ja S7-S10 lisätietoja kokeellisista yksityiskohdista ja nettovarauksen, kosketuspinta-alan, kuormituksen, pintojen välisen materiaalin siirron ja ilmakehän vaikutuksesta samanaikaiseen tribochargingiin ja kitkaan).

toistaiseksi osoitimme joitakin suoran kitkan säätömenetelmiä tribocharge-hajoamisen kautta. Tribocharging (ja siten kitka) voidaan myös ohjata manipuloimalla ulkoisia tekijöitä, kuten ilmakehää ja kosteutta (29-31). Me osoitamme lyhyesti, miten nämä ulkoiset tekijät vaikuttavat viikunoiden heimoutumiseen ja kitkaan. S7 ja S8. Näytämme myös nettolatauksen napaisuuden (32) vaikutuksen CoF(D): iin erillisissä kokeissa (viikunat. S9 ja S10).

kuten aiemmin totesimme, tämän työn tärkeimmät seuraukset ovat erityyppisissä mekaanisissa järjestelmissä, joissa on eristäviä osia. Jotta yksinkertainen osoitus kitkan vähentämisestä tällaisessa järjestelmässä, seurasimme kuulalaakerin pyörimistä muovirenkaan ja lasikuulien kanssa ja ilman jatkuvaa purkamista, kuten kuvassa on esitetty. 4A. ilman purkamista 200 rpm: ssä renkaan vastus kiertoa vastaan, jota mitataan kiinnitetyllä kuormituskennolla, kasvaa kiertoajan (Kuva. 4B; tarkemmat tiedot, ks.kuva. S11). Osoitimme, että jopa yksi koronapurkauspistoolin” laukaus ” vähentää välittömästi kitkavoimaa 0,0125: stä 0,0060 N: ään laakerin jatkuvassa toiminnassa (Kuva. 4b).

Fig. 4 kitka, kuluminen ja tehohäviöt voidaan minimoida joissakin yhteisissä mekaanisissa järjestelmissä, joissa on eristyskoskettimet.

kitka: A) kuulalaakerissa, jossa on sisä-ja ulommat polyoksimetyleenipolymeerirenkaat (halkaisijat 52 ja 25 mm) ja yhdeksän lasikuulaa, joita kierretään 200 rpm: n nopeudella (KS.kokeen lisätiedot), B) vastus kasvaa pyörimisajan myötä; kuitenkin jo yksi koronapurkaustykki voi vähentää tätä voimaa 0,0125: stä 0,0075: een N. kuluminen: PVC-kappaleiden peräkkäisten juoksujen aikana (2,5 cm × 2,5 cm × 0.25 mm) kaltevalla tasolla (selluloosa: 20 cm × 25 cm, θ = 20°), C) liukuvan tason jatkuvalla koronapurkauksella (punaiset pisteet), D) voidaan pitää liukuvan PVC-kappaleen (2,5 cm × 2,5 cm × 0,25 mm) CoF (D) minimiarvossa 35 juoksun ajan. (C ja D) vertailun vuoksi mustat pisteet osoittavat kontrollikoetta (ei tyhjennetty järjestelmä). (E) kohdassa (C)” purettu ”oleva kappale on vain hieman kulunut (10 makro-kulumisviivaa POM-kuvassa) 35 ajon jälkeen, kun taas (F)” ei purettu ” – kappaleella oli ca. 100 kulumisviivaa saman määrän juoksujen jälkeen (FN = 0,15 N). Skaalatangot, 200 µm. TEHOHÄVIÖ: (G) 12 V: n TASAVIRTAMOOTTORIIN (Mabuchi RS 555, toimii 2 V: n jännitteellä) kiinnitetyt pyörivät PSU-terät sähköistetään, kun ne lakaistaan selluloosalevyä vasten (vasemmalla); n. 20 s, terät pysähtyvät johtuen erittäin lisääntyneestä sähköstaattisesta tarttuvuudesta ja kitasta terien ja levyn välillä (oikealla) (Katso elokuva S1). H) kohdassa (G) käytetyn tasavirtamoottorin ottotehon muutos. Moottori pysähtyy itsestään saatuaan tribocharges (n. 20 s; tässä vaiheessa polymeeriterien sähköstaattinen potentiaali = +2500 V, selluloosa = -2500 V); se voidaan kuitenkin käynnistää uudelleen koronapurkauksella, joka minimoi ottotehon. (I) vasemmalta oikealle: infrapunakuvia moottorista (G), kun sitä käytetään jatkuvalla purkamisella 0-300 s: n välillä. 300 s: n jälkeen moottoria ei enää pureta ja akselin ja terien lämpötila nousee nopeasti, kuten kohdassa (J) esitetään. Lisätietoja talteen otetun tehohäviön laskemisesta on Lisätekstissä.

kitkan aiheuttamaa kulumista polymeerisissä koskettimissa voidaan vähentää myös poistamalla kosketusvaraukset: Jos hankitun varauksen tiheys paksulla (0,5 cm) polyvinyylikloridikappaleella (PVC; 2,5 cm × 2,5 cm), joka toistuvasti liukui selluloosan päälle (20 cm × 25 cm, θ = 20°), pidetään alle -0,2 nC/cm2 liukutason jatkuvalla koronapurkauksella, 35 juoksun jälkeen PVC-pinnan kuluminen vähenee verrattuna tapaukseen, jossa sama kappale saa liukua 35 juoksua ilman purkausta (n. 100 kulumisviivaa samalla alueella) (Kuva. 4, C-F).

Viimeksi osoitimme, miten tribochargesin poisto voi lopulta minimoida laitteen kitkaan liittyvän energiankulutuksen, rakensimme yksinkertaisen mutta havainnollistavan järjestelmän: kiinnitimme 0,2 mm: n paksuiset PSU-terät tasavirtamoottorin akseliin (Katso lisätietoja kokeellisista lisätiedoista). Kun PSU-terien annetaan joutua kosketuksiin tasaisen selluloosapinnan kanssa, tämä kontakti ja pyörivä liuku synnyttävät nopeasti tribochargeja molemmille polymeeripinnoille (Kuva. 4G ja elokuva S1). Normaalissa käytössä (jossa varausten annetaan kerääntyä virtalähteen terille ja selluloosan pinnalle) tasavirtamoottorin vetämä virta kasvaa (tässä elokuvassa S1 esitetyssä esimerkissä 83: sta 220 mA: iin), moottori kuluttaa noin 440 mW, ja pintojen välisten lisääntyneiden tribocharges-ja kitkan vuoksi pyöriminen pysähtyy (Kuva. 4H). Tässä vaiheessa, jos kosketuspinnat olivat koronapäästöjä, toiminta jatkuu pienemmällä energiankulutuksella (83 mA, 166 mW, noin kolmasosa mitatusta arvosta ”tribocharged”-moottorijärjestelmälle). Minimoitua kitkaa ja energiankulutusta voidaan havainnollistaa myös lämpökuvilla moottorista, joka toimii jatkuvassa purkauksessa (Kuva. 4, I ja J).