رفتار سایشی، عمر و واماندگی در چرخدندههای نانوکامپوزیتی پلیاستال- کربنبلک-کلسیمکربنات
نام نخستين پديدآور
رسول محسنزاده سعدآبادی
وضعیت نشر و پخش و غیره
نام ناشر، پخش کننده و غيره
مهندسی مکانیک
تاریخ نشرو بخش و غیره
۱۴۰۰
مشخصات ظاهری
نام خاص و کميت اثر
۱۳۲ص.
مواد همراه اثر
سی دی
یادداشتهای مربوط به پایان نامه ها
جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن
دکتری
نظم درجات
مکانیک ساخت و تولید
زمان اعطا مدرک
۱۴۰۰/۰۶/۱۷
یادداشتهای مربوط به خلاصه یا چکیده
متن يادداشت
در این پژوهش، اثر بکارگیری نانوذرات دوده (CB) و کربناتکلسیم (CaCO3) بر رفتار سایشی، عمر و واماندگی در چرخدندههای نانوکامپوزیتی پایه پلیاستال (POM) بطور تجربی مطالعه شده است. در ابتدا، نانوکامپوزیت¬های POM/CB/CaCO3، حاوی 5/1، 3 و 5/4 درصد وزنی نانوکربناتکلسیم، توسط روش اختلاط ذوبی و با بکارگیری دستگاه اکسترودر دو مارپیچ، تولید شد. سپس، نمونه¬های استاندارد کشش، خمش، ضربه و چرخدنده¬های نانوکامپوزیتی، توسط فرآیند قالب¬گیری تزریقی، ساخته شد. شکل¬شناسی و مطالعه نانوساختار با استفاده از آزمون¬های میکروسکوپی الکترونی روبشی انجام گرفت. آزمونهای کشش، خمش و ضربه شکاف¬دار، برای سنجش خواص مکانیکی نانوکامپوزیت¬ها بکار گرفته شدند. عملکرد ویسکوالاستیک نانوکامپوزیت¬ها با استفاده از آزمون مکانیکی حرارتی پویا مطالعه شد. عمکرد چرخدنده¬ای نانوکامپوزیت¬ها با استفاده از یک دستگاه آزمون چرخ¬دنده، با سیستم اعمال گشتاور هیدرولیکی، ارزیابی شد. آزمونهای چرخدنده در سه حالت بارگذاری مرحلهای، بارگذاری ثابت (تحت گشتاور 10 نیوتنمتر) و تعیین عمر چرخدنده (تحت گشتاور 6، 8، 10، 12 و 14 نیوتنمتر) انجام شد. در آزمون چرخدنده، پارامترهای دما، سایش و طول عمر و نیز شرایط واماندگی چرخدندهها مورد ارزیابی قرار گرفت. در این تحقیق برای تعیین گشتاور بحرانی از روشی جدید، با اندازهگیری بر-خط دما با استفاده از سنسور دمایی غیر تماسی استفاده شد. سطح سایش دنده در مرحله واماندگی با بکارگیری میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شد و مکانیزم-های سایش مورد مطالعه قرار گرفت. علاوهبراین، از آنالیز المان محدود برای بررسی توزیع تنش و همچنین تعیین بیشینه تنش تماسی در دنده استفاده شد.مطابق نتایج آزمون DMTA، افزودن همزمان نانوذرات دوده و کربناتکلسیم، مدول ذخیره در دمای ˚C 100 را تا حدود 110 درصد نسبت به پلیاستال خالص افزایش داد که این نتیجه به تقویت رفتار الاستیک در نانوکامپوزیتها، در مقایسه با پلیمر خالص، نسبت داده شد. افزونبراین، نسبت میرایی برای نانوکامپوزیتها کاهش یافت. آزمونهای کشش و خمش نشان داد که افزودن نانوذرات دوده و کربناتکلسیم، استحکام کششی و کرنششکست و نیز مقاومت خمشی را افزایش میدهد. بهبود استحکام کششی در نانوکامپوزیتها به برقراری اتصال مناسب بین نانوذره و زمینه و در نتیجه انتقال تنش مؤثر میان این دو فاز نسبت داده شد. نتایج آزمون ضربه شکافدار نشان داد که بکارگیری نانوذرات کرین بلک، منجر به افزایش 23 درصد مقاومت ضربهای نسبت به پلیاستال خالص میشود. علاوهبراین، افزودن نانوذرات دوده و 5/1 درصد وزنی نانوذرات کربناتکلسیم، منجر به افزایش چقرمگی ضربهای تا 49 درصد نسبت به پلیمر خالص شد. نتایج المان محدود، محل بیشینه تنش تماسی را در نزدیکی گام و بالاتر از نقطه تئوری نشان داد. این نتیجه به علت تغییرشکل الاستیک دنده چرخدنده پایه پلیمری بود. مطابق آزمون مرحلهای چرخدنده، بکارگیری نانوذرات دوده و بکارگیری همزمان نانوذرات دوده و کربناتکلسیم، گشتاور بحرانی را بهترتیب تا 14 و 42 درصد نسبت به چرخدنده پلیاستال خالص، افزایش داد. علاوهبراین، افزودن نانوذرات دوده و کربناتکلسیم، اثر مثبتی بر طول عمر گذاشته و چرخدندههای نانوکامپوزیتی در تمام ترازهای تنشی، عمر بیشتری نسبت به چرخدندههای خالص نشان دادند. چرخدندههای نانوکامپوزیتی حاوی 3 درصد وزنی نانوذرات کربناتکلسیم به همراه دوده، افزایش عمر 236، 228، 225، 279 و 315 درصد بهترتیب در گشتاورهای 6، 8، 10، 12 و 14 نیوتنمتر، نسبت به چرخدندههای پلیاستال خالص نشان دادند. افزودن نانوذرات هم¬چنین، دما و سایش چرخ¬دنده¬های نانوکامپوزیتی را در مقایسه با چرخدنده پلیمری خالص کاهش داد که این نتیجه به افزایش مدول ذخیره، کاهش نسبت میرایی، بهبود مقاومت گرمایی و سایشی، با بکارگیری نانوذرات، ارتباط داده شد. مکانیزم واماندگی چرخدنده از شکست دنده برای پلیمر خالص (در گشتاورهای 6، 8 و 10 نیوتنمتر) به تغییر شکل خمش حرارتی دنده برای نانوکامپوزیت¬ها، تغییر یافت. انواع مختلف سایش دنده (سایش خراشی، چسبان و سه جسمی)، جریان شدید مواد و ترک در سطح دنده و نیز تغییر شکل پلاستیک دنده برای چرخدندههای POM مشاهده شد. بررسی سطح سایش دنده با میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که مکانیزم سایش از سایش چسبان به سایش خراشان با بکارگیری نانوذرات تغییر میکند. افزونبراین، تغییر شکل دنده برای چرخ¬دنده¬های نانوکامپوزیتی در مرحله واماندگی بسیار کاهش یافت. در چرخدندههای POM خالص و POM/CB/4.5C سایش سه جسمی شدید، ولی در چرخدنده POM/CB سایش سه جسمی موضعی مشاهده شد. آثاری از سایش سه جسمی در نمونههای POM/CB/1.5C و POM/CB/3C دیده نشد
متن يادداشت
AbstractIn this research, the effects of carbon black (CB) and calcium carbonate nanoparticles (CaCO3) on the wear, life and failure behavior of polyacetal based nanocomposite gears have been experimentally investigated. Initially, POM/CB/CaCO3 nanocomposites containing 1.5, 3, and 4.5 wt.% nano-calcium carbonate were produced via a melt blending method using a twin-screw extruder. Subsequently, standard tensile, flexural and impact specimens as well as nanocomposite gear samples were made by employing injection molding process. Morphology and nanostructure were investigated by applying scanning electron microscopy. Tensile, flexural and notched impact tests were performed to evaluate the mechanical performances of nanocomposites. The viscoelastic characteristics of nanocomposites were evaluated by applying dynamic mechanical thermal analysis. The gear performance of nanocomposites was examined by applying a gear test rig equipped with a hydraulic torque generation system. Gear tests were performed in three modes of step loading, constant loading (under 10 Nm torque) and gear life (under 6, 8, 10, 12 and 14 Nm torques). The temperature, wear, life and failure of the gears were evaluated in the gear tests. In this research, by online monitoring of the gear temperature using a non-contact temperature sensor, a new method was presented to determine the critical torque. The tooth worn surface at failure incident was observed by applying scanning electron microscopy to identify the wear mechanisms. In addition, finite element analysis was performed to investigate the stress distribution as well as to determine the maximum contact stress on the gear tooth. The DMTA results revealed that the simultaneous inclusions of carbon black and calcium carbonate nanoparticles enhanced the storage modulus up to 110% at 100 ˚C compared to the neat POM. This was attributed to the elastic performance improvement of nanocomposite, as compared to the pure POM. In addition, nanocomposites demonstrated lower loss factor. The tensile and flexural tests showed that the addition of carbon black and calcium carbonate nanoparticles increased the tensile strength and strain at break as well as flexural strength. The reason for this improvement was ascribed to the proper stress transfer between the POM matrix and nanoparticles. The impact test results showed that the addition of carbon black nanoparticles led to a 23% increase in the impact resistance compared to the pure POM. In addition, the incorporation of carbon black nanoparticle along with 1.5 wt.% calcium carbonate nanoparticle increased the impact toughness up to 49% compared to the neat polymer. The FEM analysis indicated that the maximum contact stress occurs in the vicinity of tooth pitch point and above the theoretical point. This result was because of the gear tooth deflection. According to the step loading gear test, the addition of carbon black and the simultaneous incorporation of carbon black and calcium carbonate nanoparticles increased the critical torque up to 14% and 42%, respectively, compared to the pure POM gear. In addition, the incorporation of carbon black and calcium carbonate nanoparticles had a positive effect on the gear durability. Nanocomposite gears at all stress levels showed longer life compared to that of pure polymeric gears. Nanocomposite gears containing 3 wt.% calcium carbonate nanoparticles indicated 236, 228, 225, 279 and 315% improvement in gear life under 6, 8, 10, 12 and 14 Nm torques respectively compared to the pure POM gears. The application of nano-reinforcements led to the lower tooth temperature and wear of nanocomposite gears, as compared to those of neat polymer gears. This result was ascribed to the higher storage modulus, lower damping ratio, and increased heat and wear resistance in nanocomposite gears. The gear failure mechanism altered from tooth fracture for neat polymer (under the 6, 8 and 10 Nm) to the tooth pure thermal bending for nanocomposite gears. Different types of gear tooth wear (abrasion, adhesive and three-body wear), severe material flowing and cracking at the tooth surface, along with the tooth plastic deformation were observed for neat POM gears. The SEM observation of the worn teeth surfaces revealed the change of wear mechanism from adhesive to abrasive via the incorporation of nanoparticles. Furthermore, the tooth deflection at failure was highly suppressed for nanocomposite gears. Severe three-body abrasion in the pure POM and POM/CB/4.5C gears, and local three-body abrasion on the POM/CB gear tooth were observed. No indication of three-body abrasion was seen in the POM/CB /1.5C and POM/CB /3C gears teeth.
عنوانهای گونه گون دیگر
عنوان گونه گون
Wear, life and failure behavior of polyacetal-carbon black-calcium carbonate nanocomposite gears
نام شخص به منزله سر شناسه - (مسئولیت معنوی درجه اول )