STUDII MECANO-CHIMICE ASUPRA FLUIDELOR DE RĂCIRE-UNGERE ÎN

PROCESELE DE PRELUCRARE MECANICĂ ACOMPONENTELOR RULMENŢILOR

DOCTORAND : Ing. Nicolae-Adrian PĂLUŞAN

CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof. Dr. Ing. Şerban BOBANCU

Decembrie 2004

Cuprinsul tezei

• Capitolul 1 Obiectivele şi scopul lucrării • Capitolul 2 Procese de aşchiere • Capitolul 3 Fluide de aşchiere • Capitolul 4 Principiile vâscozimetriei • Capitolul 5 Evaluarea parametrilor care caracterizează curgerea fluidelor• Capitolul 6 Curgerea Taylor-Couette • Capitolul 7 Potenţialul de electrod la echilibru • Capitolul 8 Descrierea aparatului Taylor-Couette cilindric – principii generale• Capitolul 9 Descrierea aparatului Taylor-Couette cilindric construit pentru efectuarea cercetărilor asupra lubrifianţilor – propunere de brevet

Cuprinsul tezei

• Capitolul 10 Analize experimentale

• Capitolul 11 Prelucrarea datelor experimentale pe aparatul-

propunere de brevet

• Capitolul 12 Concluzii generale

• Capitolul 13 Aplicaţii conexe ale aparatului Taylor-Couette

• Capitolul 14 Contribuţii originale

• Capitolul 15 Valorificarea rezultatelor cercetării

• Capitolul 16 Propuneri de perspectivă în cercetările asupra

lubrifianţilor în curgerea Taylor-Couette

Obiectivele lucrării

• Stabilirea legăturilor între domeniile tehnice pe care le abordează teza, procesele de aşchiere, vâscozimetria şi măsurarea vâscozităţii, curgerea fluidelor şi procesele electrochimice

• Evaluarea experimentală a influenţei naturii materialului asupra curgerii fluidelor cu bază apoasă (reprezentate de fluidele de răcire-ungere)

Obiectivele lucrării

• Proiectarea si realizarea unui aparat de precizie ridicată, pentru măsurarea vâscozităţii si a altor parametrii reologici ai fluidelor - un asemenea aparat serveşte la stabilirea unor reţete de fluide de aşchiere specializate pentru procesele de aşchiere

• Stabilirea unui model matematic şi a metodologiei de prelucrare a datelor culese cu acest aparat

• Propunerea unui model matematic pentru procesele de lubrifiere şi răcire care se desfăşoară simultan în timpul aşchierii

Propunere – Mecanismele de funcţionare ale fluidelor de aşchiere – Modelul teoretic

Procesul de răcire

Forta estimata exercitata de jetul liniar este:

Fluxul de energie termică transmis prin convecţie fluidului de răcire:

Numărul Nusselt mediu:

Puterea mecanică de împingere a jetului de fluid care caracterizează nu numaiprocesul de răcire ci şi procesul de transport al aşchiei şi procesul de lubrifiere:

eJeJe vAF sin2

adconvconvconv

nconv nq

f

duN

Pm

Pt

mec

Propunere – Mecanismele de funcţionare ale fluidelor de aşchiere – Modelul teoretic

Procesul de lubrifiere

Modelul de penetrare în zona de interfaţă în timpul prelucrării prin aşchiere include trei faze principale:·   -adsorbţia capilară,·   -explozia micropicăturilor,·        -umplerea prin lubrifiere a capilarei cu fază gazoasă.

Fiecare dintre aceste capilare în mod evident posedă următoarele proprietăţi:·        -este deschis la capătul dinspre spaţiul ambiental,·         -partea capilarei aparţinătoare aşchiei se deplasează cuu viteză egală cu viteza lubrifiantului, iar cealaltă poate rămâne imobilă,·        -temperatura pereţilor canalului (capilarei) este aproximativ egală cu temperatura medie de contact,·        -pereţii capilarei sunt proaspăt formaţi, foarte curaţi şi prezintă suprafaţa activă-chimic.

Propunere – Mecanismele de funcţionare ale fluidelor de aşchiere – Modelul teoretic

Modelul matematic al procesului de lubrifiere

Penetrarea fazei lichide

Ordinul de viteză a penetrării fazei de fluid: Pr1

l

atml

Pv

Modelul exploziei micropicăturii

Viteza de formare a masei de gaz M

Rv

20

Umplerea cu faza gazoasă

Numărului aproximativ de cicluri de umplere (nc): fil

cc t

tn

eq

atmc P

Pn

ceqfilatm tPtP /

ceqfilatm tPtP /

,

Stadiul actual

• Aparate Taylor-Couette cu un cilindru rotitor sprijinit pe lagăr mecanic

• Aparate Taylor-Couette cu doi cilindrii rotitori sprijiniţi pe lagăre mecanice

Sunt utilizate la studii asupra

• stabilităţii curgerii fluidelor• modificării parametrilor reologici caracteristici ai

fluidelor newtoniene şi nenewtoniene

Aparatul Taylor-Couette Experimental

Aparatul Taylor-Couette Experimental

Aparatul Taylor-Couette Experimental

Aparatul Taylor-Couette Experimentallagărul gazostatic

Ecuaţia de mişcare a aparatului

Suma momentelor forţelor vâscoase respectă relaţia:

Momentul forţei cilindrului interior este definit de relaţia:

care este egal cu suma momentelor forţelor

vâscoase si :

iar vâscozitatea dinamică poate fi calculată cu relaţia:

şi este valabilă pentru orice tip de fluid

IMiCiC

MF

Irr

rrrrhr

CiM2

12

2

21

22

41

22

2112

2

8

'vviC FFF MMM

'vF

MvF

M

41

122

22

1

22

2112

2

4' r

rr

rrhMM

vv FF

Ecuaţia de mişcare a aparatului

În apropierea tranziţiei se poate înlocui numărul original Reynolds cu numărul Taylor, care reprezintă, în cel mai important mod, măsura timpului relativ în acest tip de curgere. Numărul Taylor are următoarea expresie:

Din relaţia anterioară se poate calcula cu uşurinţă forţa de forfecare dezvoltată în masa din fluid.

2

122

2112

2 rr

rrf

21

22

222

211

2

414

rr

rrdT

cina

Zonele fizice ale curgerii Taylor-Couette

Rezultate experimentale

S-au ales în această cercetare două tipuri de fluide miscibile cu apa,

- emulsia unui fluid cu 70% ulei mineral în compoziţie al cărei amestec apă/fluid are concentraţia de 90/10 părţi având un aspect lăptos,    - soluţia formată de un amestec glicerină/apă în proporţie de 10/90 părţi.

S-au ales cei doi parametrii costructivi,

636.2/

060.1/

1

12

rh

rr

a

a

T

T

Emulsia fluidului cu 70% ulei mineral în compoziţie

Emulsia fluidului cu 70% ulei mineral în compoziţie

Soluţia glicerină/apă

Concluzii

Emulsia fluidului cu 70% ulei mineral în compoziţie

Umectabilitatea metalui - potenţialul electrochimic, potenţialul de sarcina zero (zero-electric)

- microporozitatea suprafeţei

- tendinţa de pasivare chimică a suprafeţei metalului

Soluţia glicerină/apă

Umectabilitatea metalui

- potenţialul electrochimic, potenţialul de sarcina zero (zero-electric)

- tendinţa de pasivare chimică a suprafeţei metalului

- tendinţa glicerinei de a forma agregate moleculare (12-100 molecule)

Contribuţii originale

Construcţia Aparatului Taylor-Couette experimental• Lagărul gazo-static,• Schimbarea simplă şi rapidă a cilindrilor interiori,• Realizarea unei game de turaţii largă, 0,05-500 rot/min.

Rezultatele testelor• Corelarea parametrilor de curgere cu proprietăţile intrinseci

(potenţialele chimic si electrochimice) ale metalelor utilizate şi proprietăţile tensioactive ale fluidelor la interfata cu aceste metale,

• Acceptarea unei posibile produceri a efectului Toms,• Obţinerea unui mecanism de calcul a vâscozităţii pentru acest tip

de aparat.

Contribuţii originale Propunere de brevetare a Aparatului Taylor-Couette ExperimentalAparat pentru măsurarea vâscozităţii dinamice fără frecări parazite Autori: Nicolae-Adrian Păluşan, Şerban Bobancu, Ioan-Mihai Costea