Design methodology for an air-lubricated seal

A methodology to design an air-lubricated piston seal for pneumatic actuators is described. Such a seal permits a small air leakage through a very narrow gap between the seal lip and the counterpart; this air film both avoids contact and ensures lubrication at the seal-counterpart interface thus permitting reduced friction and wear. Subsequently the use of grease could be limited or avoided. A seal geometry equipped with a self-pressurized balancing chamber was designed to make leakage as insensitive as possible to the supply pressure and to the barrel machining tolerances. A prototype was manufactured and tests were carried ou

Trockene Gleit- und Rolleigenschaften von rußgefüllten EPDM Elastomeren und FE-Simulationen der entsprechenden tribologischen Prüfungen

Unlubricated sliding systems being economic and environmentally benign are already realized in bearings, where dry metal-plastic sliding pairs successfully replace lubricated metal-metal ones. Nowadays, a considerable part of the tribological research concentrates to realize unlubricated elastomer-metal sliding systems, and to extend the application field of lubrication-free slider elements. In this Thesis, characteristics of the dry sliding and friction are investigated for elastomer-metal sliding pairs. In this study ethylene-propylene-diene rubbers (EPDM) with and without carbon black (CB) filler were used. The filler content of the EPDMs was varied: EPDMs with 0-, 30-, 45- and 60 part per hundred rubber (phr) CB amount were investigated. Quasistatic tension and compression tests and dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) were carried out to analyze the static a viscoelastic behavior of the EPDMs. The tribological properties of the EPDMs were investigated using dry roller (metal) – on – plate (rubber) type tests (ROP). During the ROP tests the normal load was varied. The coefficient of friction (COF) and the temperature were registered online during the tests, the loss volumes were determined after certain test durations. The worn surfaces of the rubbers and of the steel counterparts were analyzed using scanning electron microscope (SEM) to determine the wear mechanisms. Because possible chemical changes may take place during dry sliding due to the elevated contact temperature the chemical composition of the surfaces was also analyzed before and after the tribotests. For the latter investigations X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), sessil drop tests and Raman spectroscopy were used. In addition, the dry sliding tribotests were simulated using finite element (FE) codes for the better understanding of the related wear mechanisms. Finally, as the internal damping effect of the elastomers plays a great role in the sliding wear process, their viscoelasticity has been taken into account. The effect of viscoelasticity was shown on example of rolling friction. To study the rolling COF for the EPDM with 30 phr CB (EPDM 30) an FE model was created which considered the viscoelastic behavior of the rubber during rolling. The results showed that the incorporated CB enhanced the mechanical and tribological properties (both COF and wear rate have been reduced) of the EPDMs. Further on, the CB content of the EPDM influences fundamentally the observed wear mechanisms. The wear characteristics changed also with the applied normal load. In case of the EPDM 30 a rubber tribofilm was found on the steel counterpart when tests were performed at high normal loads. Analysis of the chemical composition of the surfaces before and after the wear tests does not result in notable changes. It was demonstrated, that the FE method is powerful tool to model both, the dry sliding and rolling performances of elastomers.Trockenlaufende Gleit- Reibpaare sind wirtschaftlich und umweltfreundlich. Aus diesem Grunde werden in zunehmendem Maße geschmierte Stahl/Stahl (Metal/Metal) Reibsysteme durch ungeschmierte Stahl/Polymer Kombinationen im ersetzt. Diese Entwicklung gilt auch für Gleit- Reibsysteme, die aus Metall- und Elastomerteilen bestehen. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Trockenreibung und dem Verschleißverhalten von Stahl/Elastomer Kombinationen Schwefelvulkanisierte Ethylen-Propylen-Dien Verschnitte mit und ohne Russfüllung wurden bezüglich derer Reib- und Verschleißeigenschaften untersucht. Der Russgehalt der EPDM-Elastomere wurde variiert. Es wurden EPDM Werkstoffe mit 0, 30, 45 und 60 Gewichtsprozent Ruß hergestellt. Die mechanischen und viskoelastischen Eigenschaften der EPDM Gummiwerkstoffe wurden bei quasistatischer Zug und Druckbelastung, sowie durch dynamisch-mechanische Thermoanalyse (DMTA) ermittelt. Die tribologischen Eigenschaften der EPDM Mischungen wurden in einer Testvorrichtung des Typs rotierender Zylinder (Stahl) auf Platte (Elastomer) (ROP) bestimmt. In den Versuchsreihen wurde die Normalkraft variiert. Der Reibungskoeffizient und die Temperatur der Kontaktoberfläche wurden während der Versuche kontinuierlich registriert. Der Volumenabtrag wurde in verschiedenen Zeitintervallen ermittelt. Die Verschleißoberflächen der EPDM Proben und der Stahlzylinder wurden im Rasterelektronenmikroskop (REM) inspiziert um charakteristische Verschleißmechanismen abzuleiten. Weiterhin erfolgte mittels Röntgenphotoelektronspektroskopie, Raman-Spektroskopie und Kontaktwinkelmessungen eine Analyse der Reiboberfläche, um (aufgrund der hohen Temperaturen) mögliche chemische Änderungen zu beurteilen. Des Weiteren wurde der Verschleißvorgang mit der Methode der finiten Elementen (FE) modellhaft untersucht. Der Einfluss der Viskoelastizität wurde am Beispiel der Rollreibung von EPDM mit 30 Gewichtsprozent Ruß studiert. Durch ein erstelltes FE-Modell konnte der Verlauf des Reibungskoeffizienten während reversierender Rollbewegung im Einklang mit den Testergebnissen interpretiert werden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der EPDM Gummiwerkstoffe mit zunehmendem Russgehalt deutlich verbessert wurden. Der Russgehalt hat die vorliegenden Verschleißmechanismen maßgeblich beeinflusst. Die Variation der Normalkraft führte ebenfalls zu veränderten Verschleißmechanismen. Beim ROP-Test des EPDM mit 30 Gewichtsprozent Ruß konnte die Entstehung eines Gummi-Tribofilms an der Stahlzylinderoberfläche nachgewiesen werden. Die angewendeten analytischen Methoden konnten keinen eindeutigen Beweis für eine chemische Veränderung der EPDM Verschleißoberflächen erbringen. Die erstellten FE-Modelle erwiesen sich als sehr nützliche „Werkzeuge“ für ein besseres Verständnis des Gleitverschleißes und der Rollreibung von Elastomeren

Trockene Gleit- und Rolleigenschaften von rußgefüllten EPDM Elastomeren und FE-Simulationen der entsprechenden tribologischen Prüfungen

Unlubricated sliding systems being economic and environmentally benign are already realized in bearings, where dry metal-plastic sliding pairs successfully replace lubricated metal-metal ones. Nowadays, a considerable part of the tribological research concentrates to realize unlubricated elastomer-metal sliding systems, and to extend the application field of lubrication-free slider elements. In this Thesis, characteristics of the dry sliding and friction are investigated for elastomer-metal sliding pairs. In this study ethylene-propylene-diene rubbers (EPDM) with and without carbon black (CB) filler were used. The filler content of the EPDMs was varied: EPDMs with 0-, 30-, 45- and 60 part per hundred rubber (phr) CB amount were investigated. Quasistatic tension and compression tests and dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) were carried out to analyze the static a viscoelastic behavior of the EPDMs. The tribological properties of the EPDMs were investigated using dry roller (metal) – on – plate (rubber) type tests (ROP). During the ROP tests the normal load was varied. The coefficient of friction (COF) and the temperature were registered online during the tests, the loss volumes were determined after certain test durations. The worn surfaces of the rubbers and of the steel counterparts were analyzed using scanning electron microscope (SEM) to determine the wear mechanisms. Because possible chemical changes may take place during dry sliding due to the elevated contact temperature the chemical composition of the surfaces was also analyzed before and after the tribotests. For the latter investigations X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), sessil drop tests and Raman spectroscopy were used. In addition, the dry sliding tribotests were simulated using finite element (FE) codes for the better understanding of the related wear mechanisms. Finally, as the internal damping effect of the elastomers plays a great role in the sliding wear process, their viscoelasticity has been taken into account. The effect of viscoelasticity was shown on example of rolling friction. To study the rolling COF for the EPDM with 30 phr CB (EPDM 30) an FE model was created which considered the viscoelastic behavior of the rubber during rolling. The results showed that the incorporated CB enhanced the mechanical and tribological properties (both COF and wear rate have been reduced) of the EPDMs. Further on, the CB content of the EPDM influences fundamentally the observed wear mechanisms. The wear characteristics changed also with the applied normal load. In case of the EPDM 30 a rubber tribofilm was found on the steel counterpart when tests were performed at high normal loads. Analysis of the chemical composition of the surfaces before and after the wear tests does not result in notable changes. It was demonstrated, that the FE method is powerful tool to model both, the dry sliding and rolling performances of elastomers.Trockenlaufende Gleit- Reibpaare sind wirtschaftlich und umweltfreundlich. Aus diesem Grunde werden in zunehmendem Maße geschmierte Stahl/Stahl (Metal/Metal) Reibsysteme durch ungeschmierte Stahl/Polymer Kombinationen im ersetzt. Diese Entwicklung gilt auch für Gleit- Reibsysteme, die aus Metall- und Elastomerteilen bestehen. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Trockenreibung und dem Verschleißverhalten von Stahl/Elastomer Kombinationen Schwefelvulkanisierte Ethylen-Propylen-Dien Verschnitte mit und ohne Russfüllung wurden bezüglich derer Reib- und Verschleißeigenschaften untersucht. Der Russgehalt der EPDM-Elastomere wurde variiert. Es wurden EPDM Werkstoffe mit 0, 30, 45 und 60 Gewichtsprozent Ruß hergestellt. Die mechanischen und viskoelastischen Eigenschaften der EPDM Gummiwerkstoffe wurden bei quasistatischer Zug und Druckbelastung, sowie durch dynamisch-mechanische Thermoanalyse (DMTA) ermittelt. Die tribologischen Eigenschaften der EPDM Mischungen wurden in einer Testvorrichtung des Typs rotierender Zylinder (Stahl) auf Platte (Elastomer) (ROP) bestimmt. In den Versuchsreihen wurde die Normalkraft variiert. Der Reibungskoeffizient und die Temperatur der Kontaktoberfläche wurden während der Versuche kontinuierlich registriert. Der Volumenabtrag wurde in verschiedenen Zeitintervallen ermittelt. Die Verschleißoberflächen der EPDM Proben und der Stahlzylinder wurden im Rasterelektronenmikroskop (REM) inspiziert um charakteristische Verschleißmechanismen abzuleiten. Weiterhin erfolgte mittels Röntgenphotoelektronspektroskopie, Raman-Spektroskopie und Kontaktwinkelmessungen eine Analyse der Reiboberfläche, um (aufgrund der hohen Temperaturen) mögliche chemische Änderungen zu beurteilen. Des Weiteren wurde der Verschleißvorgang mit der Methode der finiten Elementen (FE) modellhaft untersucht. Der Einfluss der Viskoelastizität wurde am Beispiel der Rollreibung von EPDM mit 30 Gewichtsprozent Ruß studiert. Durch ein erstelltes FE-Modell konnte der Verlauf des Reibungskoeffizienten während reversierender Rollbewegung im Einklang mit den Testergebnissen interpretiert werden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der EPDM Gummiwerkstoffe mit zunehmendem Russgehalt deutlich verbessert wurden. Der Russgehalt hat die vorliegenden Verschleißmechanismen maßgeblich beeinflusst. Die Variation der Normalkraft führte ebenfalls zu veränderten Verschleißmechanismen. Beim ROP-Test des EPDM mit 30 Gewichtsprozent Ruß konnte die Entstehung eines Gummi-Tribofilms an der Stahlzylinderoberfläche nachgewiesen werden. Die angewendeten analytischen Methoden konnten keinen eindeutigen Beweis für eine chemische Veränderung der EPDM Verschleißoberflächen erbringen. Die erstellten FE-Modelle erwiesen sich als sehr nützliche „Werkzeuge“ für ein besseres Verständnis des Gleitverschleißes und der Rollreibung von Elastomeren

Changes in tribological performance of high molecular weight high density polyethylene induced by the addition of molybdenum disulphide particles

Through this work, the effect of the addition of commercial molybdenum disulphide on the tribological behavior of high molecular weight high density polyethylene was assessed. Determination of several tribological parameters (kinetic coefficient of friction by sliding testing, static coefficient of friction by scratch testing, sliding wear rate by roller-on-plate test, abrasive wear rate by dry sand/rubber wheel test, and surface hardness by microhardness measurements) and microscopical observations (by TOM, SEM and EDAX) were combined in an attempt to elucidate the effect of MoS2 in composites performance. In this way, a complete picture of composites behavior was achieved. An content of MoS2 for minimum wear rate was encountered to be around 10 wt.%. It was found that the solid lubricant increases wear resistance under both sliding and abrasive wear conditions. It seems that depending on wear condition MoS2 acts in a different way. It appears that MoS2 contributes to dissipate the generated heat, thus decreasing wear due to surface melting of the polymer. Under sliding conditions, an adhesive wear mechanism became dominant which is characterized by the formation of a uniform and adherent transfer film on the counterface. Under abrasive conditions a positive rolling effect of MoS2 particles was found. Amounts of filler larger than 10% resulted in a detriment of wear resistance due to weak microstructures which lead to the occurrence of micro-cracking wear mechanism. Besides, the effect of MoS2 particles upon HMW-HDPE stress–strain and fracture behavior was checked for the composite with the best wear performance. Low strain mechanical properties of HMW-HDPE remained almost unaltered while a noticeable change in high strain properties resulted from the introduction of filler. Fracture mode was also changed from stable to unstable under quasi-static conditions and from semi-ductile to brittle under dynamic conditions, with a concomitant abrupt reduction in toughness values.Fil: Pettarin, Valeria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones En Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones En Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Churruca, María José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones En Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones En Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Felhös, David. University Of Miskolc; HungríaFil: Karger-kocsis, Joseph. Tshwane University Of Technology; SudáfricaFil: Frontini, Patricia Maria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones En Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones En Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentin