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Monatliches Archiv: Januar 2022

Polymerriemenverschleiß und Reibung mit einem Tribometer

POLYMER-GURTE

Abnutzung und Reibung mit einem TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Riemenantriebe übertragen Leistung und verfolgen die Relativbewegung zwischen zwei oder mehr rotierenden Wellen. Als einfache und kostengünstige Lösung mit minimalem Wartungsaufwand sind Riemenantriebe in einer Vielzahl von Anwendungen weit verbreitet, z. B. bei Bügelsägen, Sägewerken, Dreschmaschinen, Silogebläsen und Förderanlagen. Riemenantriebe können die Maschinen vor Überlast schützen sowie Schwingungen dämpfen und isolieren.

BEDEUTUNG DER VERSCHLEISSBEWERTUNG FÜR RIEMENANTRIEBE

Reibung und Verschleiß sind für die Riemen in einer riemengetriebenen Maschine unvermeidlich. Eine ausreichende Reibung sorgt für eine effektive Kraftübertragung ohne Schlupf, aber eine übermäßige Reibung kann den Riemen schnell verschleißen. Während des Betriebs des Riemenantriebs treten verschiedene Arten von Verschleiß auf, wie Ermüdung, Abrieb und Reibung. Um die Lebensdauer des Riemens zu verlängern und die Kosten und den Zeitaufwand für die Reparatur und den Austausch des Riemens zu senken, ist eine zuverlässige Bewertung des Verschleißverhaltens der Riemen wünschenswert, um die Lebensdauer des Riemens, die Produktionseffizienz und die Anwendungsleistung zu verbessern. Die genaue Messung des Reibungskoeffizienten und der Verschleißrate des Riemens erleichtert die Forschung und Entwicklung sowie die Qualitätskontrolle der Riemenproduktion.

Pneumatisches Tribometer für hohe Belastungen

MESSZIEL

In dieser Studie haben wir das Verschleißverhalten von Riemen mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen simuliert und verglichen, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu demonstrieren. NANOVEA T2000 Tribometer bei der kontrollierten und überwachten Simulation des Verschleißprozesses des Riemens.

NANOVEA

T2000

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PRÜFVERFAHREN

Der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit von zwei Riemen mit unterschiedlicher Oberflächenrauheit und -struktur wurden mit dem NANOVEA Hohe Belastung Tribometer unter Verwendung des linear hin- und hergehenden Verschleißmoduls. Als Gegenmaterial wurde eine Kugel aus Stahl 440 (10 mm Durchmesser) verwendet. Die Oberflächenrauheit und die Verschleißspur wurden mit einem integrierten Prüfgerät untersucht Berührungsloses 3D-Profilometer. Die Verschleißrate, Kwurde anhand der folgenden Formel bewertet K=Vl(Fxs), wobei V ist das abgenutzte Volumen, F ist die Normalbelastung und s ist die Gleitstrecke.

 

Bitte beachten Sie, dass in dieser Studie eine glatte 440er Stahlkugel als Beispiel verwendet wurde. Jedes feste Material mit unterschiedlichen Formen und Oberflächenbeschaffenheiten kann mit Hilfe spezieller Vorrichtungen verwendet werden, um die tatsächliche Anwendungssituation zu simulieren.

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Der strukturierte Gürtel und der glatte Gürtel haben eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 33,5 bzw. 8,7 um, wie aus den analysierten Oberflächenprofilen hervorgeht, die mit einer NANOVEA Berührungsloser optischer 3D-Profiler. Der COF und die Verschleißrate der beiden getesteten Riemen wurden bei 10 N bzw. 100 N gemessen, um das Verschleißverhalten der Riemen bei unterschiedlichen Belastungen zu vergleichen.

ABBILDUNG 1 zeigt die Entwicklung des COF der Riemen während der Verschleißtests. Die Riemen mit unterschiedlichen Texturen weisen ein deutlich unterschiedliches Verschleißverhalten auf. Interessanterweise erreicht der strukturierte Riemen nach der Einlaufphase, in der der COF allmählich ansteigt, einen niedrigeren COF von ~0,5 in beiden Tests, die mit einer Last von 10 N und 100 N durchgeführt wurden. Im Vergleich dazu weist der glatte Riemen, der mit einer Last von 10 N getestet wurde, einen deutlich höheren COF von ~1,4 auf, wenn der COF stabil wird, und bleibt für den Rest des Tests über diesem Wert. Der mit einer Belastung von 100 N getestete Glattriemen wurde durch die Stahlkugel 440 schnell verschlissen und bildete eine große Verschleißspur. Der Test wurde daher bei 220 Umdrehungen abgebrochen.

ABBILDUNG 1: Entwicklung des COF der Riemen bei unterschiedlichen Belastungen.

ABBILDUNG 2 vergleicht die 3D-Verschleißspurenbilder nach den Tests mit 100 N. Das berührungslose 3D-Profilometer NANOVEA bietet ein Werkzeug zur Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren, das weitere Einblicke in das grundlegende Verständnis des Verschleißmechanismus ermöglicht.

TABELLE 1: Ergebnis der Analyse der Verschleißspuren.

ABBILDUNG 2:  3D-Ansicht der beiden Bänder
nach den Tests bei 100 N.

Das 3D-Verschleißspurprofil ermöglicht eine direkte und genaue Bestimmung des von der fortschrittlichen Analysesoftware berechneten Verschleißspurvolumens, wie in TABELLE 1 dargestellt. Bei einem Verschleißtest mit 220 Umdrehungen weist der Glattriemen eine viel größere und tiefere Verschleißspur mit einem Volumen von 75,7 mm3 auf, während das Verschleißvolumen des Strukturriemens nach einem Verschleißtest mit 600 Umdrehungen 14,0 mm3 beträgt. Die deutlich höhere Reibung des Glattriemens an der Stahlkugel führt zu einer 15-fach höheren Verschleißrate im Vergleich zum strukturierten Riemen.

 

Ein solch drastischer Unterschied der COF zwischen dem strukturierten und dem glatten Gürtel hängt möglicherweise mit der Größe der Kontaktfläche zwischen dem Gürtel und der Stahlkugel zusammen, was auch zu ihrem unterschiedlichen Verschleißverhalten führt. ABBILDUNG 3 zeigt die Verschleißspuren der beiden Riemen unter dem Lichtmikroskop. Die Untersuchung der Verschleißspuren stimmt mit der Beobachtung der COF-Entwicklung überein: Der strukturierte Gurt, der einen niedrigen COF von ~0,5 aufweist, zeigt nach dem Verschleißtest bei einer Belastung von 10 N keine Anzeichen von Verschleiß. Der glatte Gurt zeigt eine kleine Verschleißspur bei 10 N. Die Verschleißtests bei 100 N erzeugen sowohl auf dem strukturierten als auch auf dem glatten Gurt wesentlich größere Verschleißspuren, und die Verschleißrate wird anhand von 3D-Profilen berechnet, wie im folgenden Abschnitt erläutert wird.

ABBILDUNG 3:  Abnutzungsspuren unter dem Lichtmikroskop.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir die Fähigkeit des NANOVEA T2000 Tribometers aufgezeigt, den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate von Riemen kontrolliert und quantitativ zu bestimmen. Die Oberflächentextur spielt eine entscheidende Rolle für die Reibung und den Verschleißwiderstand der Riemen während ihres Einsatzes. Der strukturierte Riemen weist einen stabilen Reibungskoeffizienten von ~0,5 auf und besitzt eine lange Lebensdauer, was zu einem geringeren Zeit- und Kostenaufwand für die Reparatur oder den Austausch von Werkzeugen führt. Die übermäßige Reibung des glatten Riemens an der Stahlkugel führt dagegen zu einer schnellen Abnutzung des Riemens. Außerdem ist die Belastung des Riemens ein entscheidender Faktor für seine Lebensdauer. Eine Überlastung erzeugt eine sehr hohe Reibung, die zu einem beschleunigten Verschleiß des Riemens führt.

Das NANOVEA T2000 Tribometer bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, mit optionalen Modulen für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion in einem vorintegrierten System. NANOVEAs unmatched ist die ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.

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