Numerical Analysis of the Influence of Temperature on the Friction Resistance of a Metal-Polymer Sliding Pair

• Autorzy: Opałka Mariusz , Kowalewski Piotr , Ptak Anita

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0014.5892

Warianty tytułu

PL

Numeryczna analiza wpływu temperatury na opory tarcia pary ślizgowej metal-polimer

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents numerical calculations of polymer sliding bearings during their operation at low temperatures. Calculations of the frictional moment and the contact area were performed for bearing pans made of PA and PEEK. In the numerical model, the influence of temperature on the mechanical properties (modulus of longitudinal elasticity) and tribological properties (coefficient of friction) were taken into account. The diversified influence of the temperature and thickness of the polymer bearing pans was demonstrated with regards to elements made of different polymer materials. At low temperatures (up to T = -50°C), a different (depending on the used polymer) influence of mechanical and tribological properties on the resistance to motion was found. The ABAQUS calculation package and the finite element method (FEM) were used in the calculations

PL

W pracy przedstawiono obliczenia numeryczne polimerowych łożysk ślizgowych podczas pracy w niskiej temperaturze. Obliczenia momentu tarcia oraz powierzchni styku wykonano dla panewek wykonanych z PA i PEEK. W modelu numerycznym uwzględniono wpływ temperatury na własności mechaniczne (moduł sprężystości podłużnej) oraz właściwości tribologiczne (współczynnika tarcia). Wykazano zróżnicowany wpływ temperatury oraz grubości panewki polimerowej dla elementów wykonanych z różnych materiałów polimerowych. W niskiej temperaturze (do T = -50°C) stwierdzono zróżnicowany (w zależności od zastosowanego polimeru) wpływ cech mechanicznych i tribologicznych na opory ruchu. Do obliczeń z zastosowaniem metody elementów skończonych (MES) wykorzystano pakiet ABAQUS do obliczeń.

Słowa kluczowe

EN

FEM; friction; simulation; temperature; bearing; polymers

PL

MES; tarcie; symulacja; temperatura; łożysko; polimery

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2020
• Tom: nr 4
• Strony: 17--26
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Opałka Mariusz

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Fundamentals of Machine Design and Mechatronic Systems, Łukasiewicza 5 Street, 50-370 Wrocław, Poland

autor

Kowalewski Piotr

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Fundamentals of Machine Design and Mechatronic Systems, Łukasiewicza 5 Street, 50-370 Wrocław, Poland

autor

Ptak Anita

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Fundamentals of Machine Design and Mechatronic Systems, Łukasiewicza 5 Street, 50-370 Wrocław, Poland

Bibliografia

• 1. Chang, L.; Zhang, Z.; Ye, L.; Friedrich, K.: Tribological properties of high temperature resistant polimer composites with fine particles. Tribol. Int. 2007, 40, pp. 1170–1178, doi:10.1016/j.triboint.2006.12.002.
• 2. Kurdi, A.; Kan, W.H.; Chang, L.: Tribological behaviour of high performance polymers and polymer composites at elevated temperature. Tribol. Int. 2019, pp. 130, 94–105, doi:10.1016/j.triboint.2018.09.010.
• 3. Pawelec, Z.; Dasiewicz, J.: Charakterystyki tribologiczne skojarzenia kompozyt polimerowy–brąz w podwyższonej temperaturze. Tribologia 2006, pp. 131–140.
• 4. Semenov, A.P.: Tribology at high temperatures. Tribol. Int. 1995, pp. 28, 45–50, doi:10.1016/0301-679X(95)99493-5.
• 5. Wan, S.; Tieu, A.K.; Xia, Y.; Zhu, H.; Tran, B.H.; Cui, S. An overview of inorganic polymer as potential lubricant additive for high temperature tribology. Tribol. Int. 2016, 102, pp. 620–635, doi:10.1016/j.triboint.2016.06.010.
• 6. Wang, Y.; Chen, W.: Microstructures, properties and high-temperature carburization resistances of HVOF thermal sprayed NiAl intermetallic-based alloy coatings. Surf. Coatings Technol. 2004, 183, pp. 18–28, doi:10.1016/j.surfcoat.2003.08.080.
• 7. Yano, O.; Yamaoka, H.: Cryogenic properties of polymers. Prog. Polym. Sci. 1995, 20, pp. 585–613, doi:10.1016/0079-6700(95)00003-X.
• 8. Zhang, Y.H.; Wu, J.T.; Fu, S.Y.; Yang, S.Y.; Li, Y.; Fan, L.; Li, R.K.Y.; Li, L.F.; Yan, Q.: Studies on characterization and cryogenic mechanical properties of polyimide-layered silicate nanocomposite films. Polymer (Guildf). 2004, 45, pp. 7579–7587, doi:10.1016/j.polymer.2004.08.032.
• 9. Indumathi, J.; Bijwe, J.; Ghosh, A.K.; Fahim, M.; Krishnaraj, N.: Wear of cryo-treated engineering polymers and composites. Wear 1999, pp. 225–229, 343–353, doi:10.1016/S0043-1648(99)00063-0.
• 10. Theiler, G.: PTFE- and PEEK – Matrix Composites for Tribological Applications at Cryogenic Temperatures and in Hydrogen; 2005.
• 11. Ptak, A.; Kowalewski, P.: The Influence of Reducing Temperature on Changing Young’S Modulus and the Coefficient of Friction of Selected Sliding Polymers. Tribologia 2018, 279, pp. 107–111, doi:10.5604/01.3001.0012.7018.
• 12. Chu, X.X.; Wu, Z.X.; Huang, R.J.; Zhou, Y.; Li, L.F.: Mechanical and thermal expansion properties of glass fibers reinforced PEEK composites at cryogenic temperatures. Elsevier, 2010.
• 13. Michael, P.C.; Rabinowicz, E.; Iwasa, Y.: Friction and wear of polymeric materials at 293, 77 and 4.2 K. Cryogenics (Guildf). 1991, pp. 31, 695–704, doi:10.1016/0011-2275(91)90230-T.
• 14. Gradt, T.; Schneider, T.; Hübner, W.; Börner, H.: Friction and wear at low temperatures. Int. J. Hydrogen Energy 1998, 23, pp. 397–403, doi:10.1016/s0360-3199(97)00070-0.
• 15. Gradt, T.; Börner, H.; Schneider, T.: Low temperature tribometers and the behaviour of ADLC coatings in cryogenic environment. Tribol. Int. 2001, 4, pp. 225–230.
• 16. Hübner, W.; Gradt, T.; Schneider, T.; Börner, H.: Tribological behaviour of materials at cryogenic temperatures. Wear 1998, 216, pp. 150–159, doi:10.1016/S0043-1648(97)00187-7.
• 17. Ptak, A.: Effect of loading time on the static friction polymer-metal sliding pairs at low temperature. In Proceedings of the Engineering Mechanics 2018; 2018; pp. 693–696.
• 18. Ptak, A.: The influence of the motion parameters on the surface layer of metal-polymer sliding pairs at low temperatures. Tribologia 2016, 265, pp. 79–87, doi:10.5604/01.3001.0010.7584.
• 19. Rusiński, E.; Czmochowski, J.; Smolnicki, T.: Zaawansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych; Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2000.
• 20. Wieleba, W.: Bezobsługowe łożyska ślizgowe z polimerów termoplastycznych; Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej: Wrocław 2013.
• 21. Abo-Elkhier, M.: Elasto-plastic finite element modelling of strip cold rolling using Eulerian fixed mesh technique. Finite Elem. Anal. Des. 1997, 27, pp. 323–334.
• 22. Bijak-Zochowski, M.; Marek, P.: Residual stress in some elasto-plastic problems of rolling contact with friction. Int. J. Mech. Sci. 1997, doi:10.1016/0020-7403(96)00018-5.
• 23. Barbour, P.S.M.; Barton, D.C.; Fisher, J.: The influence of stress conditions on the wear of UHMWPE for total joint replacements. J. Mater. Sci. Mater. Med. 1997, 8, pp. 603–611, doi:10.1023/A:1018515318630.
• 24. Kowalewski, P.: Numeryczna analiza rozkładów nacisku występujących w standardowych węzłach tribologicznych. Tribologia 2010, 39, pp. 39–47.
• 25. Smolnicki, T.: Wielkogabarytowe toczne węzły obrotowe: zagadnienia globalne i lokalne; 2013.
• 26. Biernacki, K.: Estimation of the Coefficient of Static Friction By Means of Numerical Analysis. Tribologia 2019, 287, pp. 19–24, doi:10.5604/01.3001.0013.6557.
• 27. Du, S.; Hamdi, M.; Sue, H.J.: Experimental and FEM analysis of mar behavior on amorphous polymers. Wear 2020, 444–445, 203155, doi:10.1016/j.wear.2019.203155.
• 28. Wieleba, W.: Modelowanie procesów tribologicznych z wykorzystaniem techniki komputerowej. Górnictwo Odkryw. 2010, 3, pp. 224–227.
• 29. Kowalewski, P.: Modelowanie tarcia w endoprotezie stawu kolanowego, Politechnika Wrocławska, 2007.
• 30. Wieleba, W.: Metoda numeryczno-doświadczalna wyznaczania oporów tarcia w polimerowych łożyskach ślizgowych podczas rozruchu. Tribologia 2007, 3, pp. 329–337.
• 31. Ptak, A.: Mechanizmy tarcia wybranych polimerów termoplastycznych po stali w niskiej temperaturze, 2014.
• 32. Kowalewski, P.: Tarcie polimerów termoplastycznych w warunkach złożonego ruchu. 2019.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).