बेलनाकार बेयरिंग (Rolling Bearings) के लिए MODENGY सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स

परिचय

जैसे-जैसे अंतरिक्ष उपकरणों का विकास जारी है, रोलिंग बियरिंग्स में एंटी-फ्रिक्शन सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स का परीक्षण करने की तीव्र आवश्यकता उत्पन्न हुई है। इस प्रकार के सपोर्टिंग एलीमेंट्स में पहले विशेष रूप से ग्रीस लुब्रिकेटिंग सामग्री का उपयोग किया जाता था क्योंकि वे इकाइयों के मानक परिचालन मोड के तहत घर्षण और घिसाव को प्रभावी ढंग से कम करते हैं।

हालाँकि, दिए गए प्रकार की लुब्रिकेटिंग सामग्री ISS के बाहरी हिस्से पर अपनी कार्यक्षमता खो देती है क्योंकि कम तापमान (-90 °С और उससे नीचे) की स्थिति में ग्रीस की श्यानता (viscosity) अचानक बढ़ जाती है जो रोलिंग बियरिंग्स के शुरुआती टॉर्क और उनके उपयोग की दक्षता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है।

मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड (MoS₂) पर आधारित सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स अंतरिक्ष की स्थितियों में संचालन के दौरान बेहतरीन परिणाम प्रदर्शित करती हैं, और स्लाइडिंग फ्रिक्शन इकाइयों में उनका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। हालाँकि, रोलिंग फ्रिक्शन पर पहले कोई प्रयोग नहीं किए गए हैं।

अंतरिक्ष यान की स्लाइडिंग फ्रिक्शन इकाइयों में रूसी MODENGY कंपाउंड्स सहित विभिन्न निर्माताओं की कोटिंग्स का उपयोग किया जाता है।

Friction Reduction Technologies for Aviation and Space

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MODENGY एंटी-फ्रिक्शन सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स ऐसी सामग्रियां हैं जो सतहों को ठोस शुष्क स्नेहन (solid dry lubrication) प्रदान करती हैं। वे सतहों पर ठोस लुब्रिकेटिंग पदार्थों के अति सूक्ष्म कणों से युक्त एक फिल्म-फॉर्मिंग सामग्री की समग्र परत बनाती हैं।

उन्होंने उच्च और क्रायोजेनिक तापमान, गहरा वैक्यूम, खुला स्थान, विकिरण, आक्रामक मीडिया (जैसे कि एसिड, क्षार, कार्बनिक विलायक, आदि) और अन्य जैसी चरम परिचालन स्थितियों में अपनी दक्षता साबित की है जहाँ पारंपरिक लुब्रिकेटिंग सामग्रियां काम नहीं कर सकती हैं।

MODENGY एंटी-फ्रिक्शन कोटिंग्स के गुण और लाभ:

• कम घर्षण गुणांक (0.03 से शुरू)
• परत की कम मोटाई (20 µm)
• उच्च भार वहन क्षमता
• धूल भरे वातावरण में कार्यक्षमता
• लंबी सेवा अवधि, उपकरण इकाइयों के आजीवन स्नेहन की प्राप्ति
• व्यापक सेवा तापमान सीमा (-210 °С से +730 °С तक)

रोलिंग बियरिंग्स में MODENGY एंटी-फ्रिक्शन सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स का उपयोग करने की संभावना का मूल्यांकन करने के लिए, MF-5000 (Rtec) ट्राइबोमीटर पर 2.25 m/s की दर से ट्राइबोटेक्निकल परीक्षण आयोजित किए गए।

ये शोध रूसी वैज्ञानिक कोष की सहायता से प्रोजेक्ट संख्या 22-49-02010 के तहत आयोजित किए गए थे, जिसका शीर्षक 'अंतरिक्ष अनुप्रयोग के लिए 'स्मार्ट' ट्राइबोलॉजिकल कोटिंग्स का डिजाइनिंग, विकास, सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक अनुसंधान' है।

शोध परिणामों को पहली बार ट्राइबोलॉजी टू मैकेनिकल इंजीनियरिंग – 2024 अंतर्राष्ट्रीय वैज्ञानिक और तकनीकी सम्मेलन में प्रस्तुत किया गया है, और इसके वैज्ञानिक शोध पत्र संग्रह में वर्णित किया गया है।

रोलिंग बियरिंग्स में MODENGY कोटिंग्स के ट्राइबोटेक्निकल परीक्षण

इन अध्ययनों के लिए निम्नलिखित का उपयोग किया गया था: MODENGY 1006 से उपचारित नमूने जिसमें पॉलियामाइड-इमाइड फिल्म-फॉर्मिंग एजेंट, मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड, ग्रेफाइट, कार्बनिक सॉल्वैंट्स का मिश्रण और कार्यात्मक योजक शामिल हैं, और MODENGY 1071 से उपचारित नमूने जो पॉलीटेट्राफ्लुओरोएथिलीन, मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड, पॉलियामाइड-इमाइड फिल्म-फॉर्मिंग एजेंट, कार्बनिक सॉल्वैंट्स के मिश्रण और कार्यात्मक योजकों पर आधारित हैं।

चित्र: MODENGY 1071 (बाईं ओर) और MODENGY 1006 (दाईं ओर) से उपचारित नमूनों की प्रारंभिक सतह का 3D टाइपोग्राफी चित्र। मिडलाइन का औसत विचलन Sa = 0.39 µm (MODENGY 1071), और 0.86 µm (MODENGY 1006)। अधिकतम सतह खुरदरापन ऊंचाई Sz = 12.4 µm (MODENGY 1071), और 27.6 µm (MODENGY 1006)।

कोटिंग्स को बेयरिंग चिल्ड स्टील से बनी डिस्क के साथ-साथ दो आकार के थ्रस्ट बेयरिंग स्टील रिंगों पर लगाया गया था।

चित्र: MODENGY कोटिंग्स से उपचारित डिस्क और थ्रस्ट बेयरिंग रिंग के नमूने

थ्रस्ट बेयरिंग के मेटिंग पार्ट्स और स्टील डिस्क का उपयोग काउंटर बॉडी के रूप में किया गया था, रोलिंग बनाने के लिए तैयार-फिट स्टील बॉल्स के सेट का उपयोग किया गया था।

ट्राइबोलॉजिकल अध्ययन MF-5000 प्रयोगशाला ट्राइबोमीटर (Rtec, USA) पर निरंतर रोटरी वेग V = 2.25 m/s (छोटी और बड़ी रिंगों के लिए क्रमशः 1,000 और 800 क्रांतियां प्रति मिनट) और निरंतर बल F = 1000 N पर आयोजित किए गए थे। प्रयोगात्मक अध्ययन कमरे की स्थिति में T = 23 °С और 50% सापेक्ष आर्द्रता पर किया गया था। परीक्षण ठीक 1 घंटे तक चला।

चित्र: MFT-5000 प्रयोगशाला ट्राइबोमीटर

सेपरेटर में धातु की गेंदों वाली निचली रिंग को नमूना मंच पर स्थिर रखा गया था। ऊपरी नमूने को स्व-संरेखित धारक (holder) पर स्थिर किया गया था जो दक्षिणावर्त घूम रहा था। संपर्क युग्म पर भार उस धारक के माध्यम से प्रेषित हो रहा था जिस पर ऊपरी नमूना सेट किया गया था।

प्रयोगात्मक अध्ययन सात प्रकारों में किए गए थे:

• 1. संपर्क क्षेत्र में किसी भी लुब्रिकेटिंग सामग्री की अनुपस्थिति में
• 2. ISS के बाहरी हिस्से पर उपयोग के लिए अनुशंसित ग्रीस की उपस्थिति में
• 3. संपर्क क्षेत्र में लिथियम उच्च-तापमान ग्रीस की उपस्थिति में
• 4. ऊपरी स्टील डिस्क को कोटिंग के साथ उपचारित किया गया है जबकि निचली छोटी रिंग में कोई स्नेहन नहीं है
• 5. ऊपरी स्टील डिस्क बिना किसी कोटिंग के है जबकि निचली छोटी रिंग को कोटिंग के साथ उपचारित किया गया है
• 6. स्टील डिस्क और थ्रस्ट रिंग दोनों को कोटिंग के साथ उपचारित किया गया है
• 7. दो थ्रस्ट बेयरिंग रिंगों को कोटिंग के साथ उपचारित किया गया है

चित्र: परीक्षण समय पर रोलिंग प्रतिरोध संबंध जहाँ संख्याएं क्रमशः प्रयोग वेरिएंट को इंगित करती हैं

चित्र: योजना 1 (а), योजना 2 (b), और योजना 4 (c) के अनुसार परीक्षण के बाद घिसी हुई सतहों के प्रोफाइल

चित्र: घिसी हुई सतहों के प्रोफाइल: а) कोई स्नेहन नहीं; b) सॉलिड-फिल्म कोटिंग के साथ उपचारित डिस्क; c) सॉलिड-फिल्म कोटिंग के साथ उपचारित डिस्क और रिंग

चित्र में, डिस्क के रूप में नमूनों के लिए घिसी हुई सतहों के प्रोफाइल प्रस्तुत किए गए हैं। यहाँ दिए गए नमूनों के लिए घिसाव दरें ये हैं जिनकी गणना की गई थी:

(а) Ia = 1.17·10^-7 mm³/Nm; (b) Iб = 2.3·10^-7 mm³/Nm; (c) Iв = 4.68·10^-7 mm³/Nm; और सूत्र (2) के अनुसार: (а) Ia = 1.17·10^-4 mm³/m; (b) Iб = 2.3·10^-4 mm³/m; (c) Iв = 4.68·10^-4 mm³/m.

चित्र: डिस्क के रूप में नमूनों की घिसाव दर की गणना करने के सूत्र

रोलिंग फ्रिक्शन इकाइयों में MODENGY कोटिंग्स की घिसाव तीव्रता अंतरिक्ष स्टेशनों पर उपयोग की जाने वाली सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स के स्लाइड मोड के लिए विशिष्ट स्तर पर बनी रहती है।

आयोजित अध्ययनों के परिणामों के अनुसार, MODENGY कोटिंग्स जमीनी परिस्थितियों में रोलिंग फ्रिक्शन इकाइयों में प्रभावी ढंग से संचालित होती हैं।

सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स की उपस्थिति में रोलिंग प्रतिरोध डेटा ISS के बाहरी हिस्से पर उपयोग के लिए अनुशंसित स्नेहक का उपयोग करके रोलिंग फ्रिक्शन पर प्राप्त मूल्यों से अधिक नहीं होता है।

MODENGY कोटिंग्स से उपचारित रोलिंग बियरिंग्स की घिसाव तीव्रता अंतरिक्ष यान अनुप्रयोगों के लिए व्यापक रूप से अनुमोदित कोटिंग्स के साथ उपचारित स्लाइडिंग बियरिंग्स की घिसाव तीव्रता के अनुरूप है।

इससे भी अधिक, MODENGY सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स कम तापमान पर उनकी कार्यक्षमता न होने के हिस्से में ग्रीस की कमी को दूर करती हैं। कम तापमान पर, ग्रीस की श्यानता में अचानक वृद्धि होती है जो रोलिंग बियरिंग्स के शुरुआती टॉर्क को नकारात्मक तरीके से प्रभावित करती है, और ISS के बाहरी हिस्से पर उनके उपयोग की संभावना को सीमित करती है। इसके बजाय, सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स अत्यधिक कम तापमान पर भी अपने ट्राइबोलॉजिकल गुणों को बनाए रखती हैं।

अंतरिक्ष उपकरणों (जैसे उपग्रह, अंतरिक्ष यान, चंद्र रोवर, अंतरिक्ष दूरबीन, आदि) की रोलिंग फ्रिक्शन इकाइयों के लिए MODENGY कोटिंग्स की दक्षता पर शोध का अगला चरण वैक्यूम की स्थिति में परीक्षण होगा।

ग्रंथसूची:

ब्रोनोवेट्स एम., बुकोवस्की पी. रोलिंग बियरिंग्स के लिए सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स // ट्राइबोलॉजी टू मैकेनिकल इंजीनियरिंग: 15वें अंतर्राष्ट्रीय वैज्ञानिक और तकनीकी सम्मेलन के लिए कार्य, पृ. 26-28। मास्को: MSI RSA, 2024

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