Konstrukce optického mikroviskozimetru

Transkript

1 Ing. Jan Medlík, FSI VUT v Brně, Ústav konstruování Konstrukce optického mikroviskozimetru Školitel: prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. VUT Brno, FSI 2008

2 Obsah Úvod Shrnutí současného stavu Měření viskozity Definice tlakově-viskózního koeficientu Postup řešení zvolenou metodou Konstrukce optického mikroviskozimetru Závěr

3 Reologie maziv Reologie se zabývá tokovými vlastnostmi maziv. Z tohoto hlediska jsme schopni maziva rozlišit dle vztahu mezi smykovým napětím τ a smykovým spádem D. dv τ = D = dz τ dv/dz [Pa] smykové napětí [s -1 ] rychlostní spád (smykový spád) [Pa.s] dynamická viskozita Tokové křivky tekutin: a) Newtonovské tekutiny b) Pseudoplastické tekutiny c) Ideální plastické látky d) Kvaziplastické látky e) Dilatantní látky f) Dilatantní látky s mezí tekutostí Štětina, Veselý, Maziva v tribologii, 1985

4 Viskozita Odborný seminář ÚK Viskozita je fyzikální veličina charakterizující tření mezi částicemi uvnitř kapaliny. Ať pravá či zdánlivá, je viskozita nejdůležitější vlastností tekutých maziv a plynů. Při EHD a hydrodynamickém mazání určuje: tloušťku filmu, únosnost filmu, velikost tření, boční výtok maziva u ložiska aj. Dle Newtonova zákona platí: df t dv τ = = ds dz τ dv/dz [Pa] smykové napětí [s -1 ] rychlostní spád (smykový spád) [Pa.s] dynamická viskozita Štětina, Veselý, Maziva v tribologii, 1985

5 Dynamická viskozita Dynamická viskozita [Pa.s] je obecně závislá na stavových veličinách tlaku a teplotě maziva. Dynamická viskozita se s rostoucím tlakem výrazně zvyšuje. Tuto závislost popsal v roce 1893 C. Barus. = 0 e αp p [Pa] tlak α [Pa -1 ] tlakově-viskozní koeficient [Pa.s] dynamická viskozita 0 [Pa.s] dynamická viskozita při atmosferickém tlaku Naopak s rostoucí teplotou dynamická viskozita klesá. = 0 e β Δt Δt β [K] teplota [K -1 ] teplotně-viskózní konstanta Kinematická viskozita ν [m 2. s -1 ] je uměle zavedenou fyzikální veličinou. υ = ρ

6 Měření viskozity za normáln lních tlaků Průtokové viskozimetry: Měření viskozity je založeno na Poiseuillově rovnici pro průtok kapilárou. = = 4 π r Δp t 8 V l Pádové (tělískové) viskozimetry: Měření je založeno na Stokesově vztahu pro pád koule ve viskózním prostředí. 2 9 ( ρ ) 2 r g k ρ u Rotační viskozimetry: jsou založeny na měření torzní síly, kterou působí rotující kapalina na element zavěšený na torzním vlákně. ϕ = K ϖ 3 x 3 x Ing. Petr Svoboda Laboratoře ÚK

7 Zjišťov ování viskozity pro vysoké tlaky konstrukce viskozimetru použita roku 1986 M. Izuchim a K. Nishibatou tlak nad 1GPa při měření času pádu kuličky se využívají elektrická čidla ( ρ ρ ) t Θ = C sin rb s konstrukce viskozimetru použita roku 2006 Scottem Bairem tlak do 700MPa Scott Bair High Pressure Rheology for Quantitavive Elastohydrodynamics s. 79 a s.145

8 Tlakově-visk viskózní koeficient α (PaPa - 1 ) Tlakově-viskózní koeficient α popisuje závislost změny viskozity na tlaku, je definován na základě Barusova vztahu jako logaritmická změna viskozity s tlakem: α = d dp ln 0 p α 0 [Pa] tlak [Pa -1 ] tlakově-viskózní koeficient [Pa.s] dynamická viskozita [Pa.s] dynamická viskozita při atmosférickém tlaku Většina kapalných maziv vykazuje hodnotu tlakově-viskózního koeficientu při pokojové teplotě 5 35GPa -1. Moore, A.J. The behaviour of lubricants in elastohydrodynamic contacts Proc. Instn. Mech. Engrs. Vol 211 Part J s.97

9 Proč zjišťovat tlakově-visk viskózní koeficient α Díky hodnotě tlakově viskózního koeficientu maziva jsme schopni predikovat tloušťku mazacího filmu při stacionárních podmínkách EHD mazání (za předpokladu konstantní teploty tribologické soustavy). To se využívá při numerické simulaci EHD kontaktu a návrhu ložisek. 0,67 0,067 hc U = 2,69 0 α 2 R E R E R 61 0,53 W 0,73 k ( E ) ( 1 0, e )

10 Zjišťov ování tlakově-visk viskózního koeficientu α Při zjišťování tlakově-viskózního koeficientu a se na ÚK používá reverzní přístup: 1. u neznámého maziva je změřen na refraktometru index lomu pro atmosférický tlak a přepočítán pro daný tlak n = ( n + 2) + 2 ( n 1) 0 ( n + 2) ( n 1) ,6 10 p , p 9 0,6 10 p , p tento index lomu je použit pro výpočet tloušťky mazacího filmu pro daný tlak pomocí kolorimetrické interferometrie nebo spektroskopické reflektometrie 3. je stanovena závislost tloušťky mazacího filmu na rychlosti v log-log souřadnicích a z ní zjištěna velikost tlakově-viskózního koeficientu pro daný tlak

11 Zjišťov ování tlakově-visk viskózního koeficientu α Tloušťka - rychlost Tloušťka - rychlost Tloušťka hc (nm) Tloušťka hc (nm) ,1 0, ,0001 0,001 0,01 0,1 0,1 0, ,0001 0,001 0,01 0,1 Rychlost (m/s) Rychlost (m/s) K vyhodnocení takto získaných výsledků bude použito: srovnání s již známým mazivem (kapalinou): fitování křivky: h c = K u 0,67 α = t α r 0,53 h h t r 0,53 α = K 2,69 E 0,53 0 R E R 0,67 F E R 2 0,067 0,73 k ( 1 0,61 e ) 0,

12 Konstrukce EHD simulátoru - optického mikroviskozimetru Nová verze EHD simulátoru bude jednou z nejdůležitějších částí celého měřícího celku. Na této části se bude provádět měření tloušťky mazacího filmu. Simulátor je konstruován tak, že bude umožňovat měření tloušťky filmu při zatížení do 300N v kontaktu. Jako kontaktní elementy budou použity ocelová kulička a skleněný disk. Pohyb elementů bude zajištěn motorem pohánějícím kuličku půjde o čisté valení

13 EHD simulátor popis zařízen zení Kontakt : Zatěžování : Pohon kuličky :

14 Závěr Odborný seminář ÚK Bylo ukázáno, že takto použitý EHD simulátoru může být alternativa k vysokotlakým viskozimetrům, které jsou drahé a náročné na výrobu. Další přednost této metody je v tom, že není tak náchylná na tuhnutí mazivy při vysokých tlacích. Jako vzorky maziva budou použity biologicky odbouratelné oleje, které až dosud nemohly být plně využity ve strojírenství, jelikož nebylo přesně zdokumentováno jejich chování při velkých tlacích. Cena USD/barel Cena ropy I-70 I-74 I-78 I-82 I-86 I-90 I-94 I-98 I-02 I-06 Kvartály ehrad_3_vnahled.jpg Zdroj dat OECD:

15 Děkuji za pozornost