33
“Tribology in Mechanical Engineering” MAE 493N/593T Dr. Konstantinos A. Sierros West Virginia University Mechanical & Aerospace Engineering ESB Annex 263 [email protected]

MAE 493N 593T Lec17

Embed Size (px)

Citation preview

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 1/33

“Tribology in Mechanical Engineering”

MAE 493N/593T

Dr. Konstantinos

 A.

 Sierros

West Virginia University

Mechanical & Aerospace Engineering

ESB Annex

 263

[email protected]

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 2/33

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 3/33

Biotribology

Biotribology: Tribological phenomena occurring in either the human body or in 

animals and possibly plants

Biotribology

Tribological processes naturally 

occurring in or on the tissues and 

organs 

of  

animals 

Tribological processes that may 

occur  after implantation of  

artificial 

device 

in 

human 

body

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 4/33

Biotribology‐Examples

http://www.ocw.cn/NR/rdonlyres/Biological‐Engineering/20‐441Fall‐

2003/6E544DF6‐4361‐46B0‐B9A9‐A74F2B171A03/0/chp_artificial_hip.jpg

EXAMPLES

•Wear of  skin and its replacement by new skin cells

• Lubricated sliding

 of 

 eyelids

 over

 the

 eye

• Wear of  orthopaedic implants 

‐Artificial hips

‐Artificial

 knees

‐Synovial  joint lubrication

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 5/33

Other examples

• Wear of  dentures

• Friction of  skin and garments, affecting the comfort of  clothes, socks  and shoes

• Tribology of  contact lenses

• Wear of 

 replacement

 heart

 valves

• Lubrication of  pump in total artificial hearts

• Wear of  screws and plates in bone fracture repair

• Lubrication in pericardium and pleural surfaces

The pericardium is the thin 

sac enclosing

 the

 heart

http://www.finejewelrydesigns.com/images/pleura‐

pericardium‐chart.jpg

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 6/33

Tribology of  artificial  joints

•Long term issue: Loosening of  the  joint caused by osteolysis and

 adverse tissue 

reactions to wear debris in artificial  joints

• Osteolysis refers to an active resorption of  bone matrix

• Biological reactions

 depend

 on

 ‐Size of  wear particles

‐Worn volume

•  Example: In

 hip

 implants

 where

 metal

‐on

‐metal

 bearings

 are

 used

 the

 size

 of 

 wear debris is generally much smaller than polyethylene‐on‐metal contact

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 7/33

Tribology of  artificial  joints

•  Smoothest 

bearing 

surface 

for 

artificial 

 joints 

is 

usually 

found 

on 

ceramics 

(0.005 μm)

• Metallic bearing surfaces: 0.01 μm

 Arithmetical mean 

deviation

 Centre line average

Average roughness

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 8/33

Tribology of  artificial  joints

• A 

comparison 

of  

the 

 is

 

shown 

in 

the 

table 

below

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 9/33

Tribology of  artificial  joints

•  Typical 

roughness 

values 

for 

bearing 

surfaces 

used 

in 

artificial 

hip 

 joints 

are 

presented below;

( ) ( )2_

2

_ cuphead  R R R α α α  +=Composite surface roughness

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 10/33

Tribology of  artificial  joints

•  Friction: Resistance

 to

 motion

 Remember laws of  friction:

1.

 Friction force is directly proportional to applied load

2.

 Friction force is independent of  apparent area of  contact

3.

 Friction

 force

 is

 independent

 of 

 sliding

 speed

Amontons (1699)

Coulomb (1785)

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 11/33

Tribology of  artificial  joints

•  Friction coefficient

 depends

 strongly

 on

 nature

 of 

 bearing

 surfaces

 in

 the

 presence of  biological lubricants and is different from the values listed 

previously

 Early hip replacements by Sir John Charnley utilized PTFE (Teflon) but failed 

very quickly

 because

 of 

 wear

 Early hip implants based on metal‐on‐metal also failed very quickly due to 

equatorial contact which resulted in high friction and high frictional torque

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 12/33

Tribology of  artificial  joints

 Frictional force at the interface between the outside of  the acetabular cup 

and the

 cement

 (or

 bone)

 

2

1

 R

WRF 

μ =

 In order to reduce the probability of  interface failure is important to minimize 

the stress transmitted at the interface by;

 Reducing the friction coefficient μ

 Reducing the femoral head radius R

1

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 13/33

Tribology of  artificial  joints

•  Frictional testing

 is

 conducted

 using

 a simulator

•  Single‐station

 servo

‐hydraulic

 machine

 Controlled by a PC

 3D loading and motion patterns

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 14/33

Tribology of  artificial  joints

 Measured

 frictional

 torque

 T

 is

 used

 to

 calculate

 the

  friction  factor   f 

 Friction factor is used to compare the effect of  different variables such as;

 Material combination

 Implant size and design

 Lubricant

 Load and motion profiles

W  R

T  f 

1

=

dimensionlessparameter

 Some of  the above parameters are combined to form the Sommerfeld  number  z

nuR z 1=

n is lubricant viscosity

u is entraining velocity of  bearing surfaces

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 15/33

Tribology of  artificial  joints

 Friction factors associated with different lubrication regimes are shown below

 Variation of   friction  factor   f  vs Sommerfeld  number  z can be plotted

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 16/33

 Variation

 of 

  friction  factor   f  vs

 Sommerfeld  number  z

 Stribeck curve (Stribeck 1920s)

Tribology of  artificial  joints

W  R

T  f 

1

=

nuR z 1=

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 17/33

Tribology of  artificial  joints

•  Typical friction

 factors

 in

 various

 hip

  joints

 are

 shown

 below;

W  R

T  f 

1

=

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 18/33

Tribology of  artificial  joints

 Lubrication regimes

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 19/33

Tribology of  artificial  joints

 Fluid film lubrication is needed in order to minimize wear

 However, wear cannot be fully eliminated even with fluid film lubrication due 

to erosion and fatigue

 Assessment of  lubrication mechanism in artificial  joints

 Experimental 

measurements‐

 Theoretical predictions

 Experimental measurements

 Friction 

measurements 

related 

to 

Stribeck 

plot‐

 Detection of  bearing surface separation by electrical resistance

 measurements (metal‐on‐metal cases)  – For insulating surfaces a conductive 

coating is needed

 Theoretical predictions

 Based on the λ

 ratio

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 20/33

Tribology of  artificial  joints

 Theoretical predictions

 Based on the λ

 ratio

( ) ( )[ ] 2 / 12

_

2

_

minmin

cupahead a R R

h

 R

h

+== α λ 

 Rα

 must be measured accurately

 hmin 

(fluid film

 thickness)

 must

 be

 predicted

 as

 accurately

 as

 possible

21.0

2'

65.0

'

min 8.2

⎟ ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ ⎟ ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ =

 R E 

 R E 

nu

 R

h

R is equivalent radius

E’

 is elastic modulus

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 21/33

Tribology of  artificial  joints

21.0

2'

65.0

'

min 8.2

⎟ ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ ⎟ ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ =

 R E 

 R E 

nu

 R

h

( )⎟⎟ ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ +=

+=

d d 

c

d d 

c

cd d  R 1

22

4d u ω =

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡ −+

−=

cup

cup

head 

head 

 E 

v

 E 

v E 

22

'11

 / 2

d is femoral head diameter

cd

 is clearance between head and cup

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 22/33

Tribology of  artificial  joints

Example

λ

 ratio for UHMWPE‐on‐metal is 0.025‐0.62

 (less than 1)

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 23/33

Tribology of  artificial  joints

 Wear

 is

 progressive

 loss

 of 

 material

 from

 the

 operating

 surface

 as

 a result

 of 

 

relative motion

 Wear is important because It is related to;

 Decreased function of  the component

‐  Component

 replacement

 cost

 Adverse effects of  wear particles (Adverse tissue reactions, osteolysis, 

loosening)

WEAR•

 Abrasive

 Adhesive 

 Fatigue 

 Erosive

 

Mechanical action

Chemical action

Wear types may occur simultaneously

or sequentially

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 24/33

Tribology of  artificial  joints

 Wear

 assessment

 of 

 total

 replacement

 hip

  joints

 Pin‐on‐disc machines (steady‐state load, sliding speed, environment)

 Pin‐on‐plate machines (reciprocating movement of  hip  joint)

 Joint simulators (3D loading and motion pattern simulation)

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 25/33

Tribology of  artificial  joints

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 26/33

Tribology of  artificial  joints

 UHMWPE‐on‐metal: Lubrication regime is predominantly boundary 

lubrication

•  Metal‐on

‐metal:

 Mixed

 lubrication

 regime

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 27/33

Gecko effect

 Gecko is an animal that can rapidly climb up vertical smooth surfaces (such as 

glass) and ceilings

 The Gecko foot has about 14400 hairs (setae)/mm2

 as revealed by 

microscopy

 These hairs are covered with even smaller projections (hundreds of  nm in 

diameter)

 Adhesive force of  single Gecko foot‐hair is 600‐fold greater than that of  

frictional measurements of  the material

 Highly oriented setae reduce the detachment force of  the foot by

 simply 

detaching above a critical angle with the opposing surface

 Adhesion force in the Gecko is mediated via van der Waals interactions

•  Gecko 

foot 

also 

exhibits 

self ‐

cleaning 

properties•

 Self ‐cleaning of  Gecko setae is a result of  geometry and not chemistry

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 28/33

Gecko effect

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 29/33

Diatom tribology

•  Diatoms 

are 

unicellular 

microalgea 

with 

cell 

wall 

consisting 

of  

siliceous 

skeleton enveloped by a thin organic case

 Cell walls of  each diatom form a pill‐box like structure consisting of  two parts 

that fit within each other like a shoebox

•  They vary

 greatly

 in

 shape

 ranging

 from

 box

 shaped

 to

 cylindrical

 They can be symmetrical or non‐symmetrical

 They can serve as models for micro/nano tribological investigations

Di t t ib l

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 30/33

Diatom tribology

 Bacillaria

 paxillifer

 specie is capable 

of  movent

•  No sign

 of 

 wear

 has

 ever

 been

 found

 on diatom cells

 Entire colonies of  5‐30 cells expand 

and contract in coordination 

• Natural adhesives

Di t t ib l

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 31/33

Diatom tribology

http://www.youtube.com/watch?v=FO5MPaIbS9U

References

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 32/33

References

G. Stachowiak, A. Batchelor, Engineering Tribology, 3rd

 Edition, Elsevier, 2005

Z. M. Jin et al, Biotribology, Current Orthopaedics (2006) 20, 32‐40

D. Dowson, V. Wright, Introduction to the biomechanics of   joints and  joint replacements

London: mechanical Engineering Publications Ltd; 1981

I. Gebeshuber, Biotribology inspires new technologies, Nanotoday

 (2007) 2, 30‐37

I. Gebeshuber

 et al, Tribology in biology, Tribology (2008) 2, 200‐212

Summary

8/8/2019 MAE 493N 593T Lec17

http://slidepdf.com/reader/full/mae-493n-593t-lec17 33/33

Summary

• Introduction

• Examples

• Artificial  joints

Surfaces‐Friction

‐Lubrication

‐Wear

• Gecko effect

• Diatoms