مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی عددی و تجربی ارتباط بین سایش و دما در لغزش خشک نانوکامپوزیت پلی‌اتیلن اکسید روی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
چکیده
در جهان امروز تلاش‌های فراوانی به‌منظور جایگزین‌کردن پلیمرها با مواد متداول صورت گرفته که موجب فرآیندپذیری بهتر و کاهش وزن محصولات تولیدشده به‌وسیله آنها شده است. پلیمرها در کنار این مزایا، معایبی نیز دارند. یکی از روش‌های مقابله با این معایب، تقویت پلیمرها از طریق اضافه‌کردن دیگر مواد به آنها است. به‌عنوان نمونه، می‌توان به نانوکامپوزیت‌های پلیمری تولیدشده از طریق اضافه‌کردن نانوذرات به پلیمر به‌منظور افزایش عملکرد سوده‌شناسی آن اشاره نمود. در این مقاله یک مطالعه تجربی و عددی بر روی ارتباط بین افزایش دما و نرخ سایش در پلی‌اتیلن با 10 درصد وزنی نانوذرات اکسید روی انجام شده است. همچنین پلی‌اتیلن خالص با نانوکامپوزیت پلیمری نیز از این منظر مورد مقایسه با یکدیگر قرار گرفتند. یک مدل المان محدود سه‌بعدی در نرم‌افزار آباکوس به‌منظور مطالعه سایش در تماس پین و دیسک توسعه داده شده است. نتایج پیش‌بینی‌شده توسط مدل المان محدود با داده‌های تجربی به‌دست‌آمده از آزمایش پین روی دیسک با یکدیگر مقایسه می‌شوند. مطابق نتایج، یک رابطه غیرخطی بین تغییرات دما و نرخ سایش ارایه شده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical and Experimental Investigation of Correlation between Wear and Temperature in Dry Sliding of Polyethylene-Zinc Oxide Nanocomposite

نویسندگان English

A. Najafi
A. Khoddami
S. Akbarzadeh
Department of Mechanical Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده English

Nowadays, many attempts have been made to replace conventional materials with polymers which have the advantage of having less weight and higher formability. Polymers besides these advantages have some shortcomings. One method to overcome these shortcomings is to strengthen them by adding other materials to polymers. As an example, polymer nanocomposites are made by adding nanoparticles to polymers to enhance their tribological performance. In this paper, an experimental and numerical study on the correlation between temperature rise and the wear rate in the polyethylene (PE) with 10% ZnO nanoparticles has been investigated. A comparison between pure PE and polymer nanocomposite has been made. A 3D finite element model has been developed in Abaqus to study the wear in the contact of pin and the disk. The results predicted by the FE model are compared to the experimental data obtained in this research using the pin on disk test rig. According to the results, a non-linear relation between temperature changes and wear rate has been developed.

کلیدواژه‌ها English

Nanocomposite
Polyethylene
Zinc oxide
Wear Resistance
Temperature
Rabinowicz E. Friction and wear of materials. New York: Wiley; 1995. [Link]
Ringey DA, Glaeser WA. Wear resistance. Cleveland: American Society for metals; 1978. [Link]
Chattopadhyay R. Advanced thermally assisted surface engineering processes. New York: Springer; 2004. [Link]
Kennedy F. Surface temperatures in sliding systems-a finite element analysis. Journal of Tribology. 1981;103(1):90. [Link] [DOI:10.1115/1.3251620]
Kennedy Jr FE. Thermal and thermomechanical effects in dry sliding. Wear. 1984;100(1-3):453-476. [Link] [DOI:10.1016/0043-1648(84)90026-7]
Tian X, Kennedy Jr FE. Contact surface temperature models for finite bodies in dry and boundary lubricated sliding. Journal of Tribology. 1993;115(3): 411-418. [Link] [DOI:10.1115/1.2921652]
Podra P, Andersson S. Simulating sliding wear with finite element method. Tribology International. 1999;32(2):71-81. [Link] [DOI:10.1016/S0301-679X(99)00012-2]
Benabdallah H, Olender D. Finite element simulation of the wear of polyoxymethylene in pin-on-disc configuration. Wear. 2006;261(11-12):1213-1224. [Link] [DOI:10.1016/j.wear.2006.03.040]
Yan W, O'Dowd NP, Busso EP. Numerical study of sliding wear caused by a loaded pin on a rotating disc. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2002;50(3):449-470. [Link] [DOI:10.1016/S0022-5096(01)00093-X]
Kónya L, Váradi K, Flöck J, Friedrich K. Finite‐element heat‐transfer analysis of a PEEK‐steel sliding pair in a pin‐on‐disc configuration. Tribotest. 2001;8(1):1-26. [Link] [DOI:10.1002/tt.3020080102]
Zhang Z, Friedrich K, Velten K. Prediction on tribological properties of short fibre composites using artificial neural networks. Wear. 2002;252(7-8):668-675. [Link] [DOI:10.1016/S0043-1648(02)00023-6]
Amiri M, Khonsari MM, Brahmeshwarkar S. On the relationship between wear and thermal response in sliding systems. Tribology Letters. 2010;38(2):147-154. [Link] [DOI:10.1007/s11249-010-9584-6]
Aghdam AB, Khonsari MM. On the correlation between wear and entropy in dry sliding contact. Wear. 2011;270(11-12):781-790. [Link] [DOI:10.1016/j.wear.2011.01.034]
Aghdam AB, Khonsari MM. Prediction of wear in reciprocating dry sliding via dissipated energy and temperature rise. Tribology Letters. 2013;50(3):365-378. [Link] [DOI:10.1007/s11249-013-0133-y]
Amiri M, Khonsari MM, Brahmeshwarkar S. An application of dimensional analysis to entropy-wear relationship. Journal of Tribology. 2012;134(1):011604. [Link] [DOI:10.1115/1.4003765]
Kennedy FE, Lu Y, Baker I. Contact temperatures and their influence on wear during pin-on-disk tribotesting. Tribology International. 2015;82:534-542. [Link] [DOI:10.1016/j.triboint.2013.10.022]
Ahmadifard S, Kazemi S, Heidarpour A. Fabrication of Al5083/TiO2 surface composite by friction stir process and investigating its microstructural, mechanical and wear properties. Modares Mechanical Engineering. 2016;15(12):55-62. [Persian] [Link]
Mbarek M, Rhaiem S, Kharrat M, Dammak M. Experimental simulation of the friction, temperature, and wear distributions for polyamide-steel gear contact using twin-disc setup. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2016;230(9):1127-1138. [Link] [DOI:10.1177/1350650116629904]
Aghdam AB, Khonsari MM. Application of a thermodynamically based wear estimation methodology. Journal of Tribology. 2016;138(4):041601. [Link] [DOI:10.1115/1.4032842]
Rudas JS, Gómez LM, Toro A, Gutiérrez JM, Corz A. Wear rate and entropy generation sources in a Ti6Al4V-WC/10Co sliding pair. Journal of Tribology. 2017;139(6):061608. [Link] [DOI:10.1115/1.4036321]
Nikueimanesh A, Akbarzadeh S. Numerical and experimental investigation of wear in nanostructured tin coating on steel substrate. Modares Mechanical Engineering. 2020;20(1):149-155. [Persian] [Link]
Najafi A. Numerical and experimental study of the wear behavior of Polyethylene/ZnO nanocomposite [dissertation]. Isfahan: Isfahan University; 2017. [Persian] [Link]
Hosford WF, Caddell RM. Metal forming: mechanics and metallurgy. Cambridge: Cambridge University Press; 2011. [Link]