Исследование особенности граничного трения ротационным вискозиметром

В данной экспериментальной работе, в исследованиях был использован разработанный и сконструированный в лаборатории эпитропных жидких кристаллов Одесского Национального Университета ротационный вискозиметр, предназначенный для исследования Куэтовского течения в тонких (5 ¸ 50 мкм) однородных и неоднородных (с приповерхностными структурированными слоями) жидких прослойках.

Для прямых измерений вязкости тонких прослоек смазочных жидкостей между стальными подложками в приборе применялся в качестве рабочей цилиндрической пары вискозиметра стандартный узел топливной аппаратуры - распылитель форсунки, что позволило исследовать вязкость прослоек масла и топлива толщиной до 6 мкм. Схема установки представлена на рисунке 34.6 Измерения на приборе проводились методом задания постоянной скорости W (от 3 до 200 об/мин) вращения наружного цилиндра - корпуса форсунки (R_н ~ 3×10^{-3 м). Набор штоков форсунки - сменных внутренних цилиндров различных диаметров позволял изменять толщину прослойки жидкости до 20 мкм. Пределы измерения коэффициента вязкости составляли} h = 5×10^-3 ¸1 Па×с, изменения скорости деформации - e = 50 ¸ 4×10³ с^-1. Измерителем крутящего момента в вискозиметре является бифилярный подвес 5 (рисунок 34.6) с регулируемой чувствительностью. Вращение наружного цилиндра в точно обработанной цилиндрической поверхности корпуса 10, играющего роль подшипника скольжения, обеспечивается реверсивным асинхронным двигателем 3 с редуктором и ременными передачами. Соосность цилиндрической пары и натяжение подвеса обеспечивается системой грузов (калиброванных по массе дисков), располагаемых на цанговом держателе внутреннего цилиндра - штока форсунки. Число устанавливаемых дисков определяет чувствительность бифилярного подвеса к крутящему моменту трения. Прецизионная регулировка чувствительности измерителя крутящего момента обеспечивается изменением длины нитей подвеса. Поверхности деталей, входящие в контакт с исследуемой жидкостью, перед сборкой вискозиметра очищались от механических и органических загрязнений путем промывки растворителями (бензин высокой очистки и эфир) и просушивались. Исследуемые жидкости отстаивались и фильтровались. После заполнения вискозиметра исследуемой жидкостью при различных фиксированных угловых скоростях вращения внешнего цилиндра (в диапазоне = 10² ¸ 10⁴ рад/с) проводились измерения угла поворота j внутреннего цилиндра. Разброс отсчетов угла в пределах серии измерений был ~ 1%, однако, воспроизводимость последовательных серий достигала 10%, что связано, по-видимому, с возможным попаданием в зазор отдельных частиц твердых примесей. Режимы течения во всех проведенных опытах были ламинарными (Re << 1). «Объемная» вязкость исследовавшихся жидкостей измерялась стандартными капиллярными вискозиметрами.

Рисунок 34.6 - Схема ротационного вискозиметра.

Исследование было организовано на применении масла САЕ 30. Масло отработало 950 часов в циркуляционной системе двигателя 64А25/34. Масло было исследовано и установлено, что на стальной поверхности образуется сравнительно толстый ЭЖК слой. Результаты измерения вязкости приведены на рисунке 34.7. На последнем этапе исследований в масло был введён 1 % алиинновой кислоты, результаты измерения вязкости приведены рисунке 34.8. Толщина слоя между цилиндрами – втулка и игла форсунки составляла D = 13.1мкм.

Рисунок 34.7 - Зависимость вязкости от средней скорости течения масла: САЕ-30 между цилиндрами в ротационном вискози-метре.

На рисунке 34.7 мы наблюдаем, что вязкость препарата падает со скоростью и примерно при величине скорости 5 мм/с становится равной вязкости изотропной жидкости, что свидетельствует о структурированности приповерхностного слоя.

По аналогии с приведенной теоретической моделью обработки данных в работе с капиллярным вискозиметром, рисунок 34.8, была рассмотрена простейшая гидродинамическая модель «жесткого срезаемого слоя».

То есть, вязкость приграничного слоя равна бесконечности и эти слои срезаются.

Введем 51=2, 54=1, 53= r

Рисунок 34.8 – Модель «жесткого срезаемого слоя»

Модель:

В полярных координатах, (рад/с):

х = r cos ω t y = r sin ω t

ω = v / r

Найдем компоненты скорости, (рад/с):

V_x = -r ω sin ω t =- ω y

V_y = r ω cos ω t = ω x

Напряжение сдвига

(МПа·с/рад)

Подставим скорости:

для у = 0

найдем момент сил (МПа·с/мкм·рад):

Получим для момента

где D - толщина приповерхностного слоя (мкм).

Используя эту модель можем построить графики зависимость толщины приповерхностного слоя от скорости течения масла.

Рисунок 34.9 - Зависимость толщины приповерхностного слоя от скорости течения препарата.

На рисунке 34.9 мы видим, что со скоростью приповерхностный слой разрушается и при скорости примерно 5 мм/с он фактически разрушается полностью.

По аналогии проведем расчеты для масла САЕ-30 с добавкой 1% олеиновой кислоты, получим

Рисунок 34.10 - Зависимость вязкости от средней скорости течения масла САЕ-30 с добавкой ПАВ между цилиндрами в ротационном вискозиметре.

Применим модель "жесткого слоя", получим:

Рисунок 34.11 - Зависимость толщины приповерхностного слоя от скорости течения препарата с добавкой ПАВ.

На рисунке 34.10 мы видим, что величина коэффициента вязкости масла уменьшается с ростом скорости сдвиговой деформации более плавно, что связано, с повышение прочности структуры слоя при введении ПАВ. Заметим, что скорость, при которой величина вязкости препарата становится равной вязкости изотропной жидкости, т.е. соответствующая скорости полного разрушения структурированной прослойки более чем вдвое выше, чем для масла САЕ без добавления ПАВ (рисунок 34.7).

Зависимость на рисунке 34.11 говорит о повышении прочности структуры слоя при введении в масло ПАВ.

Механизм действия ПАВ можно представить следующим образом. Молекулы олеиновой кислоты, концентрируясь на межфазной границе раздела масло-металл, образуют мономолекулярный гомеотропно ориентационно упорядоченный слой. Этот слой, являясь ориентантом для эпитропной ЖК фазы масла, способствует повышению дальнейшего ориентационного параметра порядка ЭЖК — одного из параметров, определяющего «гидродинамическую прочность» структурированного слоя.

Выводы

1 Из ранее проведенных исследований ЭЖК слоев, следует, что такие структурно чувствительные свойства этих объектов как их вязкость, толщина, и зависимость этих свойств от скорости течения, температуры влияния ПАВ не достаточно изучена.

2 Для установление свойств собственных эпитропных жидко-кристаллических слоев необходимо использование гидродинамических моделей.

3 Проведены исследования реологических свойств моторного масла САЕ-30, на ротационном вискозиметре, при различных скоростях и температурах.

4 В рамках модели ЭЖК слоя «жестко срезаемый слой» рассчитали толщину ЭЖК слоя САЕ-30 и ее изменение со скоростью течения. С ростом скорости течения ЭЖК слой утончается и при скорости 5 мм/с этот слой разрушается. Получены зависимости. Приведены параметры толщины со скоростью и приведены аппроксимирующие параметры.

Получены зависимости коррелирующие с результатами полученных для подобного смазывающего материала в щелевом вискозиметре.

В вискозиметре исследовалось масло легированое ПАВ, установлено влияние такой присадки на структурные свойства.

Введение в качестве ПАВ олеиновой кислоты 1% , приводит к упрочнению ЭЖК слоя: повышению его толщины и разрушается при скорости 10 мкм/с.

Такое влияние ПАВ может быть практически применено для уменьшения износа сопрягаемых поверхностей при трении и для научного обоснованного подбора масла в конкретных режимных условиях эксплуатации узлов машин.

3 Перечень лабораторных работ раздела 6: