EXPERIMENTÁLNÍ STUDIUM CHOVÁNÍ MAZACÍCH FILMŮ KONTAMINOVANÝCH VODOU Ing. Daniel Koutný Experimental study of lubrication films contaminated by water VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ v BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ 13. 6. 2008
Osnova Současný stav poznání Cíle práce Dosažené výsledky Závěr 1 2 3 4 5 6 7 8 9 19
Selhání mazacího filmu nevhodná geometrie dotykových ploch utváření tenkých filmů neúčinné mazání velké tření a zahřívání snížení viskozity a kolaps mazacího filmu vniknutí cizí částice mezi kontaktní plochy protržení mazacího filmu kontaminaci cizími chemickými látkami ztenčení mazacího filmu úplné selhání mazacího filmu kontaminace vodou 1 2 3 4 5 6 7 8 9 19
Rozdělení emulzí O/W oil in water olej ve vodě tváření, obrábění kovů hydraulické systémy W/O water in oil voda voleji maziva s nehořlavými vlastnostmi vysoká tepelná kapacita netoxické, levné 1 2 3 4 5 6 7 8 9 19
O/W emulze plate out teorie různé utváření EHD filmu nízké rychlosti - dle EHD vyšší rychlosti - hladovění Yang H a kol. (2004) Tribology Transactions 1 2 3 4 5 6 7 8 9 19
Experimentální studium chování mazacích filmů W/0 emulze do kontaktu je unášen přednostně olej tloušťka filmu je téměř nezávislá na - koncentraci - velikosti částic Benner J a kol. (2006) Journal of Tribology Liu W a kol. (1994) Wear 1 2 3 4 5 6 7 8 9 19
Emulze tloušťka filmu do 30% je nezávislá na koncentraci i velikosti částic vstupování /nevstupování vody do kontaktu viskozita koncentrace velikost disperzních částic rozložení disperzních částic typ a obsah smáčedla Yang H a kol. (2004) Tribology Transactions 1 2 3 4 5 6 7 8 9 19 Liu W a kol. (1994) Wear
Cíle práce stanovení vlivu kontaminace maziva vodou na funkci mazaných kontaktů Etapy řešení Srovnání materiálů používaných u šnekových kol na základě stanovení jejich tribologických parametrů (AX-MAT) Stanovení tribologických parametrů při mazání vodou a porovnání materiálů vhodných pro provoz ve vodou kontaminovaném prostředí (AX-MAT) Měření vybraných materiálů ve vodní emulzi (AX-MAT) Stanovení rozložení tloušťky mazacího filmu pomocí optické interferometrie 1 2 3 4 5 6 7 8 9 19
Experimentální zařízení zařízení AX-MAT Typ ring on disc plošný kontakt tvaru mezikruží kontakt je stále zaplaven sledované veličiny součinitel tření objem opotřebení 1 2 3 4 5 6 7 8 9 19
Realizované experimenty Experiment 1 měření v oleji porovnání různých bronzových materiálů objem opotřebení [mm ] 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 kroužek trubička CuSn12 CuSn14 CuSn14Ni1 CuSn14Ni2 Zn-slitina varianty materálových dvojic součinitel tření [-] CuSn14Ni1 0,023 CuSn14Ni2 0,021 CuSn14 0,019 Zn-slitina 0,017 CuSn12 0,015 0,013 0,011 0,009 0,007 0,005 čas [h] 0 4 8 12 16 20 24 Experiment 2 měření ve vodě porovnání materiálů a povrchových úprav pro provoz ve vodě úbytek hmotnosti [g] 0,15 0,12 0,09 0,06 0,03 kroužek trubička součinitel tření [-] 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0 1 2 3 4 5 6 7 0,7 1 2 3 4 5 6 7 varianty materiáolvých dvojic varianty materiálových dvojic
Realizované experimenty Experiment 3 měření v emulzi 0,4 0,35 HPO 100-1 20%V/O HPO 100-1 10 min test emulze připravené ultrazvukem emulze připravené čerpadlem součinitel tření 0,3 0,25 0,2 0,15 HPO 100-2 20%V/O HPO 100-2 0,1 0,05 0,25 0,2 HPO 100 20%V/O HPO 100 0 0 5 10 15 20 čas [min] součinitel tření 0,15 0,1 0,05 0 0 5 10 15 20 čas [min]
Měření emulzí rozložení velikosti částic metoda laserové difrakce zařízení HORIBA příprava ultrazvukem příprava čerpadlem četnost [%] 50 45 40 35 30 25 20 15 10 ; 5% Ultrazvuk 15% Ultrazvuk 5% Ax-mat 15% Ax-mat 5 četnost [%] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0,1 1 velikost částic [μm] 0 0,1 1 10 T 10min - 0.47 velikost částic [μm] T 20min - 0.48 T 30min - 0.49 T 40min - 0.50 T 50min - 0.54 T 0min - 0.46 ultrazvuk 0,45 μm čerpadlo (AX-MAT) 1,4 μm
Měření emulzí povrchové a mezifázové napětí úhel smáčení - Dataphysics OCA 10 odtrhování prstence - KSV Instruments Sigma 701 test. povrch test. kapalina průměr kulička/aceton kulička /voda voda smáčecí úhel θ[ ] 70,2 92,0 P.F. HPO 100 P.F. 5% V/O HPO 100 5% V/O ρ g/cm3 0,9970 0,8530 0,9966 0,8532 ST mn/m 23,5 30,2 29,6 30,2
Experimentální zařízení optický tribometr modelování bodového kontaktu skleněný disk, ocelová kulička tloušťka a tvar mazacího filmu kolorimetrická interferometrie
Měření emulzí tloušťka mazacího filmu emulze připravené ultrazvukem při rychlostech 0,013 m/s až 0,39 m/s vodníčástice kontakt obchází 1000 100% olej tloušťka filmu [nm] 100 10 95% olej 80% olej 1 0,001 0,01 0,1 1 rychlost valení [m/s]
Měření emulzí pozorování vodních částic emulze připravené ultrazvukem při malých rychlostech - 0,0024 m/s -vodníčástice kontakt obchází
Měření emulzí pozorování vodních částic při velmi malých rychlostech 0,00024 m/s utváření velkých vodních oblastí tloušťka filmu se významně nemění vodní částice kontakt obchází tloušťka filmu [nm] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0-200 -150-100 -50 0 50 100 150 200 vzdálenost [μm]
Měření emulzí pozorování vodních částic s drsnými povrchy při velmi malých rychlostech 0,00024 m/s utváření větších vodních oblastí nebylo pozorováno tloušťka filmu se významně nemění vodní částice kontakt obchází při vyšších rychlostech 0,0498 m/s
Závěr Pro koncentrace emulzí do 20% vody se voda do kontaktu nedostává Ani velmi maléčástice vody (0,4mm) nepronikají do kontaktu Vodní kapičky i při malých rychlostech obcházejí kontakt Při velmi malých rychlostech pozorováno utváření velkých vodních oblastí Tloušťka filmu se přesto významně nemění Částice vody nepronikají do kontaktu ani u drsných povrchů Povrchové napětí významně ovlivňuje chování vodních kapiček Děkuji za pozornost