EXPERIMENTÁLNÍ STUDIUM TOKU MAZIVA V BODOVÉM KONTAKTU Kryštof Dočkal

Transkript

1 EXPERIMENTÁLNÍ STUDIUM TOKU MAZIVA V BODOVÉM KONTAKTU Kryštof Dočkal INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN Faculty of Mechanical Engineering BUT Brno Brno

2 OBSAH ÚVOD DO PROBLEMATIKY SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ Shrnutí současného stavu poznání Analýza a zhodnocení poznatků CÍLE DIZERTAČNÍ PRÁCE Vědecká otázka Hypotézy MATERIÁL A METODY SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÍ DIZERTAČNÍ PRÁCE 2

3 MOTIVACE VSTUPNÍ OBLAST KONTAKTU Formování tloušťky mazacího filmu Nízký tlak, teplota a smykové zatížení KONSTANTNÍ VISKOZITA POPIS REYNOLDSOVOU ROVNICÍ CENTRÁLNÍ OBLAST KONTAKTU Generování větší části tření Nárůst tlaku až 4 GPa, teploty o C i smykového zatížení NÁRŮST VISKOZITY OBTÍŽNÁ PREDIKCE NEDOSTAČUJÍCÍ REYNOLDSOVA ROVNICE TŘEBA UKAZATELE REOLOGIE TOK MAZIVA 3

4 ÚVOD DO PROBLEMATIKY Oblast 2 centrální oblast kontaktu Oblast 1 vstupní oblast kontaktu Reynoldsova rovnice Bair, 1994 Plint, 1967 Guo, 2009 Ehret, 1998 Šperka, 2016??? Tok dle Reynoldsovi rovnice Blíže ke středu kontaktu klesá Poiseuillova složka toku JAKÝ TYP TOKU NASTÁVÁ? ZA JAKÝCH PODMÍNEK NASTÁVÁ? 4

5 ÚVOD DO PROBLEMATIKY TOK MAZIVA: UKAZATEL ZMĚN VE VISKOZITĚ VISKOZITA ZÁVISLOST NA TEPLOTĚ ZÁVISLOST NA TLAKU??? JAK SE MĚNÍ VISKOZITA MAZIVA PŘI PRŮCHODU KONTAKTEM? OVLIVŇUJE VELIKOST TŘENÍ MEZI POVRCHY ZÁVISLOST NA SMYKOVÉM ZATÍŽENÍ MAZIVA DOPROVODNÉ JEVY: Smykové řídnutí, Smykový ohřev, solidifikace/skelný přechod, nerovnoměrný odvod tepla z kontaktu vznik teplotního gradientu 5

6 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ EXPERIMENTÁLNÍ ANALÝZA TOKU MAZIVA REOLOGIE MAZIVA V PODMÍNKÁCH EHD KONTAKTU EXPERIMENTÁLNÍ METODY POUŽITÉ PRO STUDIUM PROUDĚNÍ ČÁSTICOVÁ VELOCIMETRIE Skelný přechod maziva Vliv teploty Vliv tlaku Fluorescenční mikroskopie Částicová velocimetrie Axiální detekce částic Laterální detekce částic Robustnost detekce částic 6

7 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ BAIR, 1994: Observations of Shear localization in Liquid Lubricants Under Pressure EHRET, 1998: On Lubricant Transport Conditions in Elastohydrodynamic Conjuctions BAIR, 1998: High-pressure Rheology of Lubricants and Limitations of Reynolds Equation Pozorování vzniku smykových rovin ve vysokotlakém viskometru. Vysvětlení toku pomocí plug-flow režimem. Omezená použitelnost Reynoldsovi rovnice na EHD kontakt Rozpor v předpokladech rovnice a podmínkách v EHD kontaktech 7

8 SHRNUTÍ SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ HOLTZER, 2009: Nanometric Threedimensional Tracking of Individual Quantum Dots in Cells PONJAVIC, 2013: Othrough-thickness Velocity Profile Measrements in an Elastohydrodynamics Contact MARTINIE, 2016: Lubrication at Extreme Conditions: A Discussion About the Limiting Shear Stress Metoda detekce nanočástic v 3D prostoru s axiální rozlišitelností přibližně 50 nm. Fluorescenční metoda využívající vysvěcování barviva pro detekci rychlostního profilu Porovnání dostupných experimentálních dat s výsledky simulace molekulární dynamiky 8

9 ANALÝZA A ZHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ TEORETICKÉ STUDIE V centrální oblasti kontaktu je Reynoldsova rovnice nedostačující Predikován profil proudění plug-flow a lokalizace smykového spádu EXPERIMENTÁLNÍ STUDIE Pozorována lokalizace smykového spádu Pozorován profil proudění plug-flow KLÍČOVÉ PARAMETRY Zatížení kontaktu Teplotní gradient METODY PRO ANALÝZU TOKU Částicová velocimetrie Fluorescenční mikroskopie EXPERIMENTÁLNÍ STUDIE Chybí propojení s teorií Maziva omezena na modelové kapaliny Experimenty prováděny pouze za nízkých rychlostí 9

10 VYMEZENÍ CÍLŮ DIZERTAČNÍ PRÁCE Cílem je implementovat měřicí metodu na principu částicové velocimetrie schopné analyzovat profily proudění v mazacím filmu bodového kontaktu a využít ji pro analýzu vlivu provozních parametrů zatížení a teploty na tok maziva. PUBLIKACE 1 PUBLIKACE 2 PUBLIKACE 3 Implementace metody Verifikace metody Diskuze nedostatků Analýza vlivu zatížení Dvě různá maziva Analýza vlivu teploty Dvě různá maziva Různé kontaktní dvojice 10

11 VĚDECKÁ OTÁZKA A PRACOVNÍ HYPOTÉZY VĚDECKÁ OTÁZKA Jak je ovlivněn tvar rychlostního profilu v bodovém kontaktu změnou rozložení teploty maziva a zatížení při elastohydrodynamickém režimu mazání plným mazacím filmem? PRACOVNÍ HYPOTÉZY V centrální oblasti bodového kontaktu, kde výrazně narůstá tlak, je tok maziva primárně ovlivněn velikostí zatížení. U maziv citlivých na změnu tlaku bude převládat plug-flow režim toku. Tepelná vodivost kontaktních těles se projeví změnou proporcí rychlostního profilu 11

12 MATERIÁL A METODY Kamera APARATURA Optický tribometr v ball on disk konfiguraci Lampa Disk Kulička Pohon disku Zatížení Mikrometrický stůl Pohon kuličky 12

13 MATERIÁL A METODY Verifikace algoritmu Podmínky experimentu Ocel-sklo, Sklo-sklo 5P4E, Polybuten Stříbrné nanočástice (flake) Sledované proměné Parametry detekovaných částic Rozložení rychlostí ve filmu maziva Opakovatelnost Vliv zatížení N Ocel-sklo 5P4E, minerální olej Stříbrné nanočástice (flake) Rozložení rychlostí ve filmu maziva Vliv teploty Název Popis Zdroj Ocel-sklo, Sklo-sklo, Ocel-safír 5P4E, minerální olej Stříbrné nanočástice (flake) Změny typu profilu proudění Změny proporcí rychlostního profilu 13

14 ALGORITMUS TRACKOVÁNÍ ČÁSTIC LATERÁLNÍ DETEKCE ČÁSTIC Využívá vlnkovou transformaci obrazu a proložení obrazu 2D eliptickou Gaussovou funkcí AXIÁLNÍ DETEKCE ČÁSTIC Využívá uměle vytvořený astigmatismus v optické cestě a rozptylovou funkci na kterou se aproximuje eliptická Gaussova funkce + [x,y] 14

15 ALGORITMUS TRACKOVÁNÍ ČÁSTIC SPOJOVÁNÍ TRAJEKTORIÍ ČÁSTIC VYHODNOCENÍ RYCHLOSTI ČÁSTICE 15

16 SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÍ DIZERTAČNÍ PRÁCE SPLNĚNÉ BODY Návrh algoritmu pro detekci a trackování částic ve 3D Verifikována laterální detekce částic Verifikováno vytváření trajektorií Provedeny úvodní experimenty PROBÍHÁ Verifikace axiální detekce částic Robustnost, opakovatelnost NESPLNĚNÉ BODY Experimenty vlivu zatížení Experimenty vlivu teploty 16

17 ZÁVĚR ROK 2017 Příprava algoritmu částicové velocimetrie ROK 2018 Publikace metody pro analýzu rychlostních profilů v bodovém kontaktu Publikace výsledků vlivu zatížení na rychlostní profil ROK 2019 Publikace výsledků vlivu teploty na rychlostní profil Sepsání dizertační práce 17

18 PUBLIKAČNÍ ČINNOST ČLÁNKY VE SBORNÍCÍCH Fluid flow measurements of 5P4E by particle tracking velocimetry. In: ENGINEERING MECHANICS Brno: Brno University of Technology Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics, 2017, s ISBN ISSN

19 DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST! Kryštof Dočkal INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN Faculty of Mechanical Engineering BUT Brno