Дослідження особливостей граничного тертя ротаційним віскозиметром

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ім. І. І. МЕЧНИКОВА
Кафедра фізики твердого тіла і твердотільної електроніки

Дослідження особливостей граничного тертя ротаційним віскозиметром


Курсова робота студента 4 курсу фізичного факультету БУТЕНКО А.Ф.
Науковий керівник,
професор.
АЛТОІЗ Б.А

ОДЕСА 2004

ЗМІСТ.

Введення

1. Рідкокристалічні верстви їх особливості

1.1Ісследованія ЕЖК верств

1.2 Капілярний віскозиметр для дослідження тонких неоднорідних рідких прошарків

2 Дослідження особливості граничного тертя ротаційним віскозиметром

Висновок

Література


Введення

На поверхні розділу тверде тіло - рідина завжди створюється пристінний шар рідини, властивості якого відрізняються від властивостей об'ємної рідкої фази внаслідок дії поверхневих сил твердої підкладки. Досить докладно були досліджені різні властивості теплоємність, оптична анізотропія, дихроїзм, меншою мірою були вивчені властивості пов'язані з в'язкістю.
Такий параметр як в'язкість є найбільш важливим фізичним властивістю мастильних матеріалів, оскільки її величина впливає на знос різних механізмів.
Справжня робота присвячена дослідженню - проблеми організації процесів тертя і зношування, а саме - визначенню в'язкості масел, які виступають в ролі мастильного матеріалу у вузлах механізмів, а також вплив ведення ПАР на їх властивості.

1. Рідкокристалічні верстви їх особливості

1.1Ісследованія ЕЖК

На поверхні розділу тверде тіло - рідина завжди створюється пристінний шар рідини, властивості якого відрізняються від властивостей об'ємної рідкої фази внаслідок дії поверхневих сил твердої підкладки. Це вперше було відзначено, згідно Гарді [1], в 1801 р. Леслі. Такі пристінні шари різні за своїми параметрами. Це можуть бути адсорбційні моношари, або системи з декількох молекулярних шарі, але можуть створюватися більш складні, але й більш цікаві протяжні пристінні шари, прикладом яких є граничні фази (або епітропние рідкі кристали). Подання про особливу пристенной граничної фази був введений Б. В. Дерягиним при аналізі результатів експериментів, проведених спільно з В. В. Карасьовим [3] за визначенням в'язкості пристінних шарів рідини. У цих експериментах було встановлено, що у деяких полярних рідин поблизу від поверхні твердої підкладки (діелектричної або металевою) коефіцієнт в'язкості відрізняється від його значення для об'ємної рідини і залишається постійним до деякої критичної товщини d s, після чого стрибком змінюється до значення, відповідного об'ємної ( ізотропної) рідини. Сталість властивостей у межах усього пристінного шару і існування різкою (за типом фазової) межі розділу, що відокремлює пристінний шар від об'ємної рідини дозволило виділяти такий шар в окрему граничну фазу. Далі в роботах З. М. Зоріна [4] були досліджені адсорбційні шари ряду полярних рідин, утворених на твердій підкладки, і було показано, що такі верстви обмежено змочуються власної об'ємної рідиною. Це однозначно вказувало на відмінність їх властивостей від властивостей об'ємної рідини.
Пізніше при дослідженнях теплоємності пристінних шарів полярної рідини (нітробензолу) [5,6] було показано, що теплоємність пристінних шарів нітробензолу нижче теплоємності об'ємної рідини і встановлено існування теплоти фазового переходу гранична фаза - об'ємна рідина. У цих роботах також була визначена залежність рівноважної товщини граничної фази від температури. Проведені вище зазначені дослідження пристінних шарів дозволили припустити, що структура граничних фаз відмінна від структури об'ємної рідини, будучи більш впорядкованим, і подібна рідкокристалічної.
Першими припущення про рідкокристалічному будову граничних фаз висунули Б. В. Дерягин і Л. М. Щербаков [7], однак, тип структури вказаний ними не був. Цікаво відзначити, що до висновку про орієнтаційної впорядкованості у пристінних полімолекулярних шарах раніше прийшли також дослідники граничного тертя [8], припустити зв'язок між гомеотропной впорядкованістю в пристінних шарах аліфатичних кислот, утворених на металевій поверхні, і зростанням протизносних властивостей граничних мастильних шарів.
Оптичну анізотропію пристінних шарів води, товщиною d s ~ 20 нм, утворених на шаруватої матриці діелектрика (пірофіліту) спостерігали Б. В. Дерягин і Грін-Келлі [9]. Однак ступінь впорядкованості молекул в пристінних шарах і напрям переважної орієнтації молекул води цих дослідах встановлено не було. У роботі [10] для з'ясування питання щодо величини і типі оптичної анізотропії, існуючої в граничних шарах нітробензолу на поверхні скла і кварцу, був використаний метод плоского світловода змінної товщини [10]. Цим методом було встановлено, що для молекул нітробензолу ряду характерна гомеотропная орієнтація молекул в пристінних шарах і була проведена оцінка рівноважної товщини пристінних шарів. У наступних дослідженнях цим методом була помічена кореляція між способом попередньої підготовки поверхні підкладки (її очищення хромової кислотою, обробкою водневим полум'ям) і величиною оптичної анізотропії рідкої прошарку в світловоді.
Прямим (і більш інформативним) способом вивчення властивостей упорядкованих пристінних шарів, вимірювання їх структурних параметрів з'явився метод дослідження дихроїзму власних електронних смуг поглинання [11].
Дипольні моменти електронних переходів у молекулах мають певні напрями (поляризовані) і тому в спектрах поглинання орієнтаційно-упорядкованого ансамблю молекул спостерігається дихроїзм поглинання. Для кожної смуги поглинання знак дихроїзму визначається взаємним розташуванням моментів електронного переходу та електричного вектора світлової хвилі, а величина дихроїзму залежить від ступеня орієнтаційної впорядкованості молекул поглинаючої середовища. Мірою орієнтаційної впорядкованості ансамблю молекул є параметр порядку
, (1)
де θ - кут між віссю окремої молекули і напрямом переважною орієнтацією, а усереднення ведеться по всьому ансамблю молекул. На максимумі поглинання смуги коефіцієнт поглинання світла - μ визначається виразом:
, (2)
де - Дипольний момент переходу, - Електричний вектор світлової хвилі.
В окремому випадку гомеотропной орієнтації молекул ансамблю коефіцієнт поглинання інваріантний до стану поляризації падаючого світла і визначається формулою:
, (3)
де - Коефіцієнт поглинання аналогічної ізотропного середовища, m - молекулярний параметр, який визначається значенням кута γ між дипольним моментом переходу і довжиною віссю молекули:
m = 0,5 (3 * cos 2 γ -1).
У разі планарної орієнтації молекул ансамблю коефіцієнт поглинання також інваріантний станом поляризації падаючого світла і визначається формулою:
. (4)
Таким чином, визначивши величину екстинкції орієнтаційно - упорядкованого пристінного шару, можна визначити мінімум орієнтації молекул в пристінному шарі і розрахувати параметр порядку в ньому.
Слід зазначити, що висока екстинкція в максимумах електронно-коливальних смуг поглинання (наприклад, для рідини ароматичного ряду) дозволяє надійно фіксувати поглинання світла в пристінних шарах з товщинами d 40 см.
Для вимірювання локальних значень коефіцієнта поглинання в межах пристінного шару був розроблений метод сканування по товщині клиноподібної прошарку досліджуваної рідини, утвореної між двома прозорими підкладками, вузьким світловим зондом на частоті, що відповідає максимуму електронно-коливальної смуги поглинання.
У випадку однорідності оптичних властивостей прошарку залежність логарифма інтенсивності минулого світла від товщини прошарку буде лінійною:
(5)
У разі ж структурної (і як наслідок) оптичної неоднорідності підкладки залежність ln y = f (d) буде нелінійної, і її аналіз дозволяє встановити мінімум орієнтації молекул в прошарку, оцінити її структурної однорідності і встановити характер кордону розділу: пристінний шар - об'ємна рідина.
Розглянута методика придатна лише для рідин мають інтенсивні електронно-коливальні смуги поглинання з довжиною хвилі λ> 200 нм. Однак, у багатьох рідин (наприклад, аліфатичного ряду) такі смуги лежать в області вакуумного ультрафіолету і цей метод безпосередньо не застосуємо.
У цих випадках можливо використовувати, варіант методу дихроїзму з впровадженням в матрицю основний рідини домішкових молекул, ізоморфних основним, але що володіють значною екстинкцій в заданій області спектру і привести вимірювання їх екстинкції.
Інший методикою дослідження дихроїзму поглинання орієнтаційно-упорядкованих пристінних шарів є метод порушеного повного внутрішнього відбиття [3]. Як відомо, в цьому випадку промінь, який потрапляє з оптично більш густого середовища в оптично менш щільну, відбивається, а й частково в ній поглинається. Відповідна геометрія оптичних елементів дозволяє використовувати багаторазове повторення повного внутрішнього відбиття, що збільшує чутливість методу. Таким способом були підтверджені результати вимірювань методом вимірювання дихроїзму власних смуг поглинання ступеня впорядкованості, що існує в пристінних шарах нітробензолу, і гомеотропного типу орієнтації молекул в них. Однак цим методом важко визначити ступінь однорідності пристінних шарів і встановити існування межі поділу: гранична фаза - об'ємна рідина.
Дослідження дихроїзму в клиноподібних прошарках ароматичних рідин утворених між ліофілізованими поверхнями кварцу показали, що залежність ln y = f (d) має вигляд опуклої ламаною. Поблизу від поверхні підкладки в інтервалі товщин 20 нм <d <60 нм коефіцієнт поглинання постійний і менше, ніж в об'ємній (ізотропної) фазі. Це дозволяє стверджувати, що пристінні шари ароматичних рідин, товщиною d 60 нм однорідно орієнтаційно впорядкованих, причому довгі осі молекул нормальні до поверхні кварцової підкладки. Такі шари відокремлені різкою (фазової) межею поділу від ізотропної (об'ємної) рідини, що підтверджує виділити їх виділення в особливе фазовий стан граничну фазу.
Аналогічні орієнтаційно впорядковані пристінні шари рідини ароматичного ряду утворюються також і на поверхні сапфіру (Al 2 O 3).
Дослідження будови пристінних шарів аліфатичних рідин проводилися цим методом шляхом вимірювання дихроїзму домішкових молекул. Було показано, що в цьому випадку орієнтаційно - впорядковані пристінні шари мають дещо більшою товщиною, ніж у ароматики (d S = 200нм), а орієнтація молекул залежить від роду мономолекулярних верств орієнтанти, нанесених на поверхню кварцу, і ця орієнтація може бути як гомеотропной, так і планарної.
Встановлена ​​структурна впорядкованість молекул в пристінних шарах органічних рідин, утворених на ліофільних діелектричних твердих підкладках, однорідність структури в межах пристінного шару завтовшки d і існування фазової межі розділу, що відокремлює пристінні шари від об'ємної рідкої фази, є прямими. Доказами того, що такі пристінні шари являють собою окрему, граничну фазу, з якою і пов'язані встановлені раніше "аномалії" термодинамічних та оптичних властивостей пристінних шарів рідини.
Такі граничні фази досліджуваних немезогенних органічних рідин ароматичного та аліфатичного рядів через існування в них далекого орієнтаційної порядку молекул слід віднести до особливого типу рідких кристалів, причому за типом симетрії - до нематика. Однак, на відміну від звичайних рідких кристалів орієнтаційна впорядкованість в граничних фазах може виникати в полі поверхневих сил ліофільної твердій основі. Тому такі граничні, подібні жідкокрістліческім фази немезогенних рідин були названі епітропнимі (від грец. "Епі"-поверхня) рідкими кристалами (ЕЖК).
Відмінною особливістю ЕЖК є їх просторова обмеженість і можливість рівноважного співіснування з об'ємною рідкою фазою в значному інтервалі температур. Зменшення рівноважної товщини ЕЖК фази зі зростанням температури (з одночасним умненьшеніем ступеня орієнтаційної порядку в ній) свідчить про поступове пошаровому орієнтаційному плавленні ЕЖК фази.
Ця фаза утворюється біля поверхні ліофільних твердих підкладок у полі дальнодіючих поверхневих сил твердої підкладки. Так як молекули рідин, що утворюють ЕЖК фази анізометрічни, то отже істотну роль в організації ЕЖК грає анізотропні міжмолекулярні взаємодії (як і при утворенні об'ємної рідкокристалічної фази). Уявлення теорії Майєра-Заупе про механізм утворення нематической фази були покладені в основу створення термодинамічної моделі організації поблизу підкладки ЕЖК фази.
Відповідно до цієї теорії орієнтаційна впорядкованість в об'ємній рідкокристалічної фазі виникає внаслідок дії анізотропної диполь-дипольної складової дисперсійної молекулярних сил. Розрахована в рамках такого подання залежність орієнтаційної складової вільної енергії ΔF 0 від параметра порядку S при різній температурі. При температурах Т <T C - Температури фазового переходу рідкокристалічна фаза-об'ємна рідина на залежності ΔF 0 (S) існує мінімум з ΔF <0, відповідний сталого рідкокристалічному стану. При температурі трохи більшої Т з спостерігається два мінімуму, перший абсолютний мінімум (ΔF op = 0 при S = 0), відповідний ізотропної рідини і другий мінімум (ΔF op> 0 при S ≠ 0), відповідний нестійкого в обсязі, метастабільного ("перегрітому ") рідкокристалічному стану.
Рідини, що утворюють у пристінних шарах ЕЖК фазу відносяться до немезогенним, тобто при плавленні вони відразу переходять в об'ємну рідина, тому що навіть при температурі плавлення орієнтувальних сил міжмолекулярних анізотропних взаємодій недостатньо для організації стабільної в обсязі орієнтаційно впорядкованої мезофази. Сталий мезофазное стан таких рідин може реалізуватися (принаймні теоретично) лише в переохолодженому стані, а при температурах вище температури плавлення рідкокристалічний стан в них метастабільній. Однак, поблизу твердої підкладки в прилеглих до неї шарах таких рідин дальнодействующіх поверхневі сили можуть стабілізувати метастабільного рідкокристалічний стан в області товщин шару d ≤ d s. Такі прості міркування пояснюють, по-перше структурну однорідність ЕЖК фази, що представляє собою стабілізовану полем поверхневих сил рідкокристалічний стан, що володіє однаковим орієнтаційним упорядкуванням і однорідністю всіх фізичних властивостей, що визначаються ступенем орієнтаційної впорядкованості. По-друге таке подання пояснює існування фазової межі розділу, що відокремлює ЕЖК фазу від об'ємної ізотропної рідини.
Далі для побудови найбільш спрощеної мікроскопічної моделі ЕЖК фази була зроблена спроба використання одновимірної моделі Ізінга, в якій система являє собою грати, в кожному вузлі якій елемент може знаходиться в двох дискретних станах. У одномірної моделі Ізінга у відсутності зовнішнього ориентирующего поля спонтанна орієнтація окремих елементів відсутній. Під зовнішніх орієнтирів полі середній параметр порядку в ній S> 0. Для розрахунків окремі сукупності елементів - "ланцюжка", рівновіддалені від орієнтує твердої підкладки, замикалися (періодичне гранична умова) і для кожного ланцюжка задавалося деяке значення енергії поля поверхневих сил, кубічних спадної в міру віддалення від поверхні.
Така схема дозволила розрахувати залежність параметра порядку в системі елементів - молекул від відстані до поверхні підкладки і від температури. Далі була розрахована теплоємність такої системи у функції від товщини шару (числа ланцюжків) і температури, і теплота переходу ЕЖК фази в об'ємну рідина.
Ця модель якісно описала основні властивості ЕЖК фази: - існування впорядкованості (S = const) поблизу від поверхні підкладки, зменшення числа упорядкованих ланцюжків (товщини ЕЖК шару) з ростом температури, залежність теплоти переходу ЕЖК фази - об'ємна рідина від температури.
Необхідно відзначити також, що ЕЖК фаза, яка існує в неоднорідному полі поверхневих сил не є повністю однорідною за ступенем орієнтаційного порядку. Так у спеціально поставлених дослідах з вимірювання дихроїзму домішкових молекул у надтонких (~ 10 - 15 нм) шарах нітробензолу було показано, що близько десяти молекулярних шарів, безпосередньо прилеглих до поверхні підкладки, мають впорядкованістю підвищеною в порівнянні з обсягом ЕЖК фази.
Далі, при спектральних дослідженнях ЕЖК фази були відзначені зміни форми спектральних смуг при зменшенні товщини шару ЕЖК фази.
У серії нормованих спектрів ЕЖК фази ароматичних рідин (нітробензолу і анизола) були відзначені ізобестіческіе точки, що однозначно свідчить про існування в ЕЖК фазах цих жідкостeй декількох типів поглинаючих центрів. Для визначення числа таких центрів за допомогою методу Грама-Шмідта серія експериментальних спектрів була перетворена в серію ортогональних спектрів і було показано, що експериментальні спектри представляють собою накладення двох незалежних спектрів, одна з яких переважає в тонких шарах ЕЖК, а інший - у більш товстих. Поглинаючі центри, відповідальні за ці спектри можна зіставити з мономерами і димерами даних рідин. Подальші розрахунки дозволили одержати залежність від відстані до підкладки концентрації димерів та мономерів. Додаткові експерименти з дослідження залежності діелектричної проникності прошарків нітробензолу від їх товщини також показали, що поблизу від поверхні підкладки концентруються димери з антипараллельной орієнтацією жорстких дипольних моментів.
Слід зазначити, що запропоновані теоретичні моделі ЕЖК фази недостатньо адекватно описують механізм її виникнення і фізичні властивості.
Термодинамічна модель ЕЖК фази у своєму теперішньому стані недостатньо розроблена, не оснащена математичним апаратом і тому не дозволяє проводити кількісних розрахунків. У цій та інших моделях не розглядається роль поверхневого блізкодействія, що визначається числом і характером "активних центрів", що знаходяться безпосередньо на поверхні твердої підкладки.
Далі в цих моделях абсолютно не враховується роль другої, суміжної фази, що обмежує ЕЖК шар з зовнішньою стороною.
Окремо слід відзначити, що при переході від діелектричних підкладок до металевих рівноважна товщина ЕЖК фаз значно зростає, що, мабуть, пов'язано з зростанням в цьому випадку запізнілих Ван-дер-вальсовий сил. Зазначимо також, що в цих моделях ігнорується просторова неоднорідність ЕЖК-фаз, зазначена у спектральних дослідженнях.
У розглянутих моделях не говорилося про реологічних властивостях ЕЖК. Тому розглянемо ці властивості на прикладі дослідження тонких неоднорідних рідких прошарків на капілярному віскозиметрі.
1.2 Капілярний віскозиметр для дослідження тонких неоднорідних рідких прошарків
У статті "Капілярний віскозиметр для дослідження тонких неоднорідних рідких прошарків" Алтоіз Б.А., Поповський Ю.М., описана конструкція капілярного віскозиметра для дослідження реологічних властивостей тонких (20 ¸ 50 мкм) прошарків рідини. Досліди з низкою органічних немезогенних рідин свідчать про просторової неоднорідності таких прошарків - наявності в них пристінного структурованого шару, товщина якого з зменшується. У рамках моделі «зрізується плином жорсткого шару» проведена оцінка цієї товщини.
З оптичних досліджень прошарків ряду немезогенних органічних рідин аліфатичного ряду [1,2] встановлено, що на металевій підкладці ці рідини утворюють структуровані епітропние рідкокристалічні (ЕЖК) шари, товщина яких може досягати d s ~ 5 ¸ 10 мкм. Внаслідок анізотропії цих шарів їх в'язкість повинна відрізнятися від в'язкості об'ємної рідини. Очевидно, що реологічні дослідження ЕЖК шарів дуже актуальні для вирішення теоретичних і прикладних завдань, пов'язаних з експлуатацією вузлів тертя.
Авторами в ранніх дослідженнях шарів, утворених на діелектричних підкладках, неодноразово наголошувалося зростання в'язкості, проте, в цих роботах малі товщини шарів (d s ~ 0,01 ¸ 0,1 мкм) утруднювали проведення віскозіметріческіх вимірювань і змушували дослідників застосовувати витончену експериментальну техніку [3] або обмежуватися непрямої оцінкою в'язкості пристінних шарів [4]. Для вивчення в'язкості ЕЖК шарів, утворених на металевих поверхнях, внаслідок їх великої товщини можна при відповідній модифікації використовувати більш грубі традиційні методики, прийняті в реології.
1.2.1 Пристрій капілярного віскозиметра. З цією метою нами був сконструйований капілярний віскозиметр з щілинним зазором змінної товщини, схема якого показана на мал.1.


Рис.1. Схема капілярного віскозиметра для дослідження реологічних властивостей тонких прошарків рідини
Щілинний зазор створювався між двома плоско полірованими сталевими пластинами 1, які за допомогою мікрометричного пристрої 2 могли переміщатися і фіксуватися на заданій відстані. Поліровані, оброблені за 14-му класу точності, сталеві пластини закріплювалися на латунних підставах 3, в яких розміщувалися настановні болти 4, дозволяли у випадку необхідності усувати клиноподібності щілинного зазору. Герметизація зазору здійснювалася бічними і верхніми гумовими прокладками 5, покритими тонкої тефлоновою плівкою.


Ріс.2.Схема створення перепаду тисків в капілярному віскозиметрі
Для визначення об'єму рідини, що протікає через щілинний зазор, використовувалася (рис.2) калібрований вимірювальна трубка 1, висота стовпа рідини в якій фіксувалася катетометром К з точністю 0,01 мм. Для створення перепаду тисків віскозиметр через баластову трубку 2 під'єднувався до ресивера 3 з манометричним пристроєм 4. При вимірі тисків P ~ 2 жовтня ¸ 10 Квітня Па використовувався водяний, а для великих тисків (до 20 КП) - зразковий механічний манометр. Для зменшення обсягу плівки рідини, що залишається за опускається меніском, діаметри вимірювальної трубки вибиралися невеликими (~ 1 мм). Поверхні пластин, що утворюють зазор, і інші металеві деталі, що входять в контакт з досліджуваною рідиною, перед складанням віскозиметра для очищення від органічних забруднень промивалися розчинником і просушувати.
Після установки заданої величини зазору D він герметизували. Изотермичности і трохи градієнтів температур (DT / l £ 50 K / м) контролювалися системою термопар, а сталість температури (DТ £ 0,5 К) в робочій клітинці забезпечувалося повітряним термостатом. Для усунення помилки, пов'язаної з можливим шунтуванням потоку рідини, її протікання через нещільність гумових прокладок, попередньо проводився контрольний досвід, при якому через віскозиметр прокачують повітря і визначалася об'ємна швидкість його протікання. Розраховані в таких дослідах значення в'язкості повітря порівнювалися з табличними даними, і в подальших вимірах вводилася відповідна поправка. При зазорах D ³ 50 мкм поправка не перевищувала кількох відсотків, а при менших зазорах ставала значною.
Після заповнення віскозиметра досліджуваною рідиною в ресівері створювалося розрідження, і при різних фіксованих перепадах тисків DP в діапазоні DP = 10 лютого ¸ 4 жовтня Па проводилися вимірювання інтервалу часу t протікання через прилад заданого об'єму рідини Q. Розкид відліків часу в межах серії вимірювань був ~ 1%, проте, відтворюваність послідовних серій досягала 10%, що пов'язано, мабуть, з можливим потраплянням в зазор окремих частинок твердих домішок. Витрата рідини в одиницю часу визначав експериментальну об'ємну швидкість течії q е = Q / t3 / с), де Q - обсяг протекшей через капілярний зазор рідини за час t, і середню (по перетину зазору S) лінійну швидкість <v е.> = q е / S. Режими течії у всіх проведених дослідах були ламінарними (Re £ 1). «Об'ємна» в'язкість досліджуваних рідин вимірювалася стандартними вискозиметрами і порівнювалася з літературними даними.
1.2.2 Експериментальні результати. У роботі авторами було проведено вимірювання в'язкості тонких (D = 30 ¸ 50 мкм) прошарків індивідуальних органічних рідин і вуглеводневих технічних сумішей, утворених між металевими пластинами. У разі ламінарного потоку середня швидкість <v п> течії ньютонівської рідини через щілинний зазор товщиною D (рис.3) визначається формулою:
, (2.1)
де p = DP / l (Па / м) - градієнт тиску по довжині зазору l, а m 0 (Па · с) - величина коефіцієнта в'язкості рідини.
Існування на бічних поверхнях щілинного зазору пристінного шару з іншими реологічними характеристиками, ніж об'ємна рідина, було встановлено в дослідах з описаним віскозиметром при аналізі характеру зростання швидкості течії рідини <v е.> з підвищенням перепаду тиску, і порівнянням таких залежностей з теоретичними, що розраховується по ( 1). Для досліджуваних рідин при зазорах завідомо великих ніж 2 d s, тобто за відсутності перекриття пристінних шарів, в області малих перепадів тиску спостерігається зменшення в'язкості зі зростанням тиску і тому нелінійне зростання швидкості течії рідини, а при тисках (0.5 ¸ 1) 10 4 Па в'язкість стає рівною в'язкості об'ємної рідини.

Рис.3. Геометрія щілинного зазору віскозиметра і схема течії в ньому рідини з приповерхневим «жорстким» шаром
Як приклад автори привівши результати (рис.4) дослідів з технічної вуглеводневої рідиною МРХ-30. Для тонких (D ~ 30 ¸ 40 мкм) прошарків цієї олії при

Рис.4. Залежність відносини <v е.> / P - відносної (по відношенню до градієнту тиску p) експериментальної середньої швидкості течії масла МРХ-30 через щілинні зазори віскозиметра від градієнта тиску p. Величина зазорів: D 1 = 39,7 мкм (·), D 2 = 35 мкм (О) і D 3 = 30 мкм (). Т = 294 К. Суцільні лінії - апроксимація залежністю (2)
невеликій швидкості течії залежність (1) не виконується - величина <v е.> зростає не пропорційно градієнту тиску p. Експериментальні результати трьох серій віскозіметріческіх дослідів (при температурі Т = 294 К) із закінченням цієї рідини через зазори трьох фіксованих товщин (D 1 = 39,7 мкм, D 2 = 35 мкм і D 3 = 30 мкм) представлені на рис.4 в вигляді залежності відносної (по відношенню до градієнту тиску p) швидкості течії - величини (<v е.> / P, м 2 / Па × с) від p. Експериментальні дані апроксимовані (суцільна лінія) функцією:
, (2)
де u ¥, u 0 і p ¥ - параметри апроксимуючої залежності (наведені у табл.1).
Табліца.1
Параметри апроксимації (2) експериментальної залежності відносної (по відношенню до градієнту тиску p) середньої швидкості <v е.> / P = f (p) течії масла МРХ-30 від градієнта тиску p в щілинних зазорах віскозиметра трьох фіксованих товщин D. Т = 294 К.
Товщина
зазору
D, мкм
Параметри апроксимації
u ¥, × 10-9,
м2/Па × з
u0 × 10-9,
м2/Па × з
p ¥ × 105,
Па / м
39,7
13,4
4,41
1,81
35
10,4
3,74
2,02
31
8,3
3,24
4,04
З рис.4 видно, що в області малих градієнтів тиску p <0,5 МПа / м величина відношення <v е.> / p зі збільшенням тиску зростає і лише при градієнтах (p> 0,5 МПа / м) c підвищенням тиску практично не змінюється. При цьому експериментальна швидкість витікання рідини <v е.> менше розрахункової <v п>, а при великих перепадах тиску стає рівною їй.

1.2.3 Обговорення результатів і модель «жорсткого, зрізується» пристінного шару.
  Характер залежності <v е.> / p = f (p) пояснюється існуванням в прошарку пристінних шарів товщиною 2 d s. Їх наявність приводить до того, що реальне прохідний перетин зазору s, по якому протікає рідина, менше, ніж геометричне S = bD (рис.3). Зі зростанням прикладеного тиску і відповідно швидкості течії рівноважна товщина шару на кожній з підкладок зменшується і, починаючи з якогось значного перепаду тиску, прохідний перетин зазору збігається з геометричним.
Тому для розрахунку параметрів шару розглянемо його найпростішу реологічну модель: на поверхнях обох пластин, що обмежують зазор, існує нерухомий (гідродинамічно «жорсткий») шар, периферійна частина якого "зрізається" течією (рис.3). При поступовому збільшенні швидкості течії (за рахунок підвищення перепаду тиску D P) товщина пристінного шару зменшується аж до нуля.
У такій моделі, відповідно до (1), розглянута величина відношення <v е.> / p може бути представлена ​​у вигляді:
, (3)
що дозволяє за отриманими експериментальним залежностям <v е.> / p = f (p) розрахувати як початкову товщину шару d 0 s (її значення при p = 0), так і її поточне значення - величину d s у функції градієнта тиску або зростаючої з ним швидкості течії рідини <v е.>.
Розраховані таким чином значення товщини d s «Жорсткого, зрізується» шару   в залежності від середньої лінійної швидкості <v е.> течії рідини в даному зазорі для кожної з трьох серій експериментів наведені на рис.5. У прийнятій моделі пристінного шару для кількісного опису явища його «зрізання» течією залежність d s = F (<v е.>) апроксимувати функцією:
. (4)
Тут d 0 s (мкм) - товщина пристінного шару при відсутності течії, (<v е.>) - середня (по перетину зазору) лінійна швидкість течії рідини, v 0 (Мм / с) - параметр, що характеризує «твердість» шару, його здатність до «зрізання» течією. Значення параметрів d 0 s і v 0 апроксимуючої залежності (4) наведені в табл.2.

Рис.5. Залежність товщини пристінного шару d s масла МРХ-30 (Т = 394 К) на сталевий підкладці в моделі «жорсткого, зрізується плином шару» від середньої (по перерізу) лінійної швидкості течії рідини <v е.> у зазорі. Позначення ті ж, що і на рис.4. Суцільна лінія - апроксимація D 1 = 39,7 мкм (·) функцією (4)
Таблиця.2
Параметри
Моделі
Товщина зазору D, мкм
39,7
35,0
31,0
d 0 s, мкм
3.4
3.2
3.1
v 0, мм / с
2.2
1.9
2.6
Реологічні характеристики пристінного шару олії МРХ-30 (Т = 294 К) на поверхні сталі в моделі гідродинамічно «жорсткого, зрізаного шару»
Як випливає з рис.5 і табл.2, при відсутності течії пристінний шар масла МРХ-30 на сталевий підкладці має товщину d 0 s »3 мкм. «Міцність» шару на «зрізання» порівняно невелика - вже при швидкостях течії <v е.> = v 0 ~ 2 мм / с товщина шару d s ~ 1 мкм, а при <v е.> ~ 10 мм / с мізерно мала. Розрахована величина d 0 s близька, але трохи менше значень рівноважної товщини ЕЖК шару (d 0 s »7 ¸ 9 мкм) аліфатичних вуглеводнів і масел, отриманих в оптичних вимірах [2].
Розбіжність з результатами таких вимірів по товщині d 0 s можна пояснити недосконалістю моделі шару, прийнятої для розрахунків цього його параметра. Зокрема, не на користь моделі гідродинамічно нерухомого шару, про його «не жорсткості» свідчить те, що навіть при найменших зазорах в наших вимірах не було зазначено граничного напруження зсуву.
Мабуть, модель ЕЖК шару, що бере участь у перебігу рідини, більш адекватно може описати його реологічні властивості. Для розвитку такої моделі представляється необхідним одночасно з віскозіметріческім досвідом проведення незалежного вимірювання (оптичними або іншими способами) структурних характеристик (товщини, однорідності та ін) ЕЖК шару прошарку при її перебігу.

2 Дослідження особливості граничного тертя ротаційним віскозиметром

У цій роботі в дослідженнях був використаний розроблений і сконструйований в лабораторії епітропних рідких кристалів Одеського Національного Університету ротаційний віскозиметр, призначений для дослідження Куетовского течії в тонких (5 ¸ 50 мкм) однорідних і неоднорідних (з приповерхневими структурованими шарами) рідких прошарках.
Для прямих вимірювань в'язкості тонких прошарків мастильних рідин між сталевими підкладками в приладі застосовувалася в якості робочої циліндричної пари віскозиметра стандартний вузол паливної апаратури - розпилювач форсунки, що дозволило дослідити в'язкість прошарків масла і палива товщиною до 6 мкм. Схема установки представлена ​​на рис.1. Вимірювання на приладі проводилися методом завдання постійної швидкості W (від 3 до 200 об / хв) обертання зовнішнього циліндра - корпусу форсунки (R н ~ 3 × 10 -3 м). Набір штоків форсунки - змінних внутрішніх циліндрів різних діаметрів дозволяв змінювати товщину прошарку рідини до 20 мкм. Межі вимірювання коефіцієнта в'язкості становили h = 5 × 10 -3 ¸ 1 Па × сек, зміни швидкості деформації - e = 50 ¸ 4 × 10 3 с -1. Вимірником крутного моменту в віскозиметрі є Біфілярна підвіс 5 (мал.1) з регульованою чутливістю. Обертання зовнішнього циліндра в точно обробленої циліндричної поверхні корпуса 10, що грає роль підшипника ковзання, забезпечується реверсивним асинхронним двигуном 3 з редуктором і ремінними передачами. Співвісність циліндричної пари і натяг підвісу забезпечується системою вантажів (каліброваних за масою дисків), що розташовані на цанговий утримувачі внутрішнього циліндра - штока форсунки. Число встановлюваних дисків визначає чутливість Біфілярна підвісу до моменту, що крутить тертя. Високоточна регулювання чутливості вимірювача крутного моменту забезпечується зміною довжини ниток підвісу. Поверхні деталей, що входять в контакт з досліджуваною рідиною, перед складанням віскозиметра очищалися від механічних і органічних забруднень шляхом промивання розчинниками (бензин високого очищення і ефір) і просушувати. Досліджувані рідини відстоювалися і фільтрувалися. Після заповнення віскозиметра досліджуваною рідиною при різних фіксованих кутових швидкостях обертання зовнішнього циліндра (у діапазоні = 10 Лютого ¸ 10 квітня рад / с) проводилися вимірювання кута повороту j внутрішнього циліндра. Розкид відліків кута в межах серії вимірювань був ~ 1%, проте, відтворюваність послідовних серій досягала 10%, що пов'язано, мабуть, з можливим потраплянням в зазор окремих частинок твердих домішок. Режими течії у всіх проведених дослідах були ламінарними (Re <<1). «Об'ємна» в'язкість досліджуваних рідин вимірювалася стандартними капілярними вискозиметрами.
Ріс.1.Схема ротаційного віскозиметра.
Дослідження було присвячено дослідженню масла САЕ 30. Масло відпрацювало 950 годин в циркуляційній системі двигуна 64А25/34. Масло було досліджено та встановлено, що на сталевий поверхні утворюється порівняно товстий ЕЖК шар. Результати вимірювання в'язкості наведені на Рис.2. На останньому етапі досліджень в масло був введений 1% аліінновой кислоти, результати вимірювання в'язкості наведені Ріс.4.Толщіна шару між циліндрами становила D = 13.1мкм.
\ S
Рис.2. Залежність в'язкості від середньої швидкості течії олії: САЕ-30 між циліндрами в ротаційному віскозиметрі.
На рис 2 ми спостерігаємо, що в'язкість препарату падає зі швидкістю і приблизно при величині швидкості 5 мм / с стає рівною в'язкості ізотропної рідини, що свідчить про структурованості приповерхневого шару.
За аналогією з наведеною теоретичною моделлю обробки даних у роботі з капілярним віскозиметром.
Була розглянута найпростіша гідродинамічна модель "жорсткого зрізується шару".
Тобто в'язкість прикордонного шару дорівнює нескінченності і ці шари зрізаються.
Введемо 51 = 2, 54 = 1, 53 = r
SHAPE \ * MERGEFORMAT
1 2 3 4 5
1 2 3 4
у
х

Модель:
У полярних координатах:
х = r cos ω ty = r sin ω t
ω = v / r
Знайдемо компоненти швидкості
V x =-r ω sin ω t =- ω y
V y = r ω cos ω t = ω x
Напруга зсуву
S xy = η , Підставимо

для в = 0



знайдемо момент сил







Отримаємо для моменту







-Товщина приповерхневого шару.
Використовуючи цю модель можемо побудувати графіки залежність товщини приповерхневого шару від швидкості течії масла.
\ S
Рис.3. Залежність товщини приповерхневого шару від швидкості течії препарату.
На Рис.3 ми бачимо, що зі швидкістю приповерхневий шар руйнується і при швидкості приблизно 5 мм / с він фактично руйнується повністю.
За аналогією проведемо розрахунки для масла САЕ-30 з добавкою 1% олеїнової кислоти, отримаємо
\ S
Рис .4 Залежність в'язкості від середньої швидкості течії масла САЕ-30 з добавкою ПАР між циліндрами в ротаційному віскозиметрі.
Застосуємо модель "жорсткого шару", отримаємо:
\ S Рис.5. Залежність товщини приповерхневого шару від швидкості течії препарату з добавкою ПАР.
На Ріс4 ми бачимо, що величина коефіцієнта в'язкості олії зменшується зі зростанням швидкості сдвиговой деформації більш плавно, що пов'язано, з підвищення міцності структури шару при введенні ПАР. Зауважимо, що швидкість, при якій величина в'язкості препарату стає рівною в'язкості ізотропної рідини, тобто відповідна швидкості повного руйнування структурованої прошарку більш ніж удвічі вище, ніж для масла САЕ без додавання ПАР (рис. 2).
Залежність на Рис 5 говорить про підвищення міцності структури шару при введенні в масло ПАР.
Механізм дії ПАР можна представити таким чином. Молекули олеїнової кислоти, концентруючись на міжфазній межі розділу масло-метал, утворюють мономолекулярний гомеотропно орієнтаційно упорядкований шар. Цей шар, будучи орієнтанти для епітропной РК фази масла, сприяє підвищенню далекого орієнтаційної параметра порядку ЕЖК - одного з параметрів, що визначає «гідродинамічну міцність» структурованого шару.

Висновки

1.Из раніше проведених досліджень ЕЖК шарів, випливає, що такі структурно чутливі властивості цих об'єктів як їх в'язкість, товщина, і залежність цих властивостей від швидкості протягом, температурі впливу ПАР не достатньо вивчена.
2.Для встановлення властивостей власних епітропних рідкокристалічних шарів необхідно використання гідродинамічних моделей.
3.Проведени дослідження реологічних властивостей моторного масла САЕ-30, на ротаційному віскозиметрі, при різних швидкостях і температурах.
4.У рамках моделі ЕЖК шару «жорстко зрізати шар» розрахували товщину ЕЖК шару САЕ-30 і її зміна зі швидкістю перебіг. Із зростанням швидкості течії ЕЖК шар тоншає і при швидкості 5 мм / с цей шар руйнується. Отримано залежності. Наведено параметри товщини зі швидкістю і приведені апраксемірующіе параметри.
Отримано залежності корелюють з результатами отриманих для подібного змащуючого матеріалу в щілинному віскозиметра.
У віскозиметрі досліджувався масло лігування ПАР, встановлено вплив такої присадки на структурні властивості.
Введення в якості ПАР олеїнової кислоти 1%, приводить до зміцнення ЕЖК шару: підвищенню його товщини і руйнується при швидкості 10мм / с.
Такий вплив ПАР може бути практично застосоване для зменшення зносу і наукового обгрунтованого підбору мастила.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Б. А. Алтоіз, В. Т. Дейнега. Вплив граничного шару рідини на ефективність теплообміну в системах з каналами малого перетину. Науково-технічний збірник «Теплові режими та охолодження радіоелектронної апаратури». Одеса: Вип.1 .- 2001 .- С.15-18.
2. Алтоіз Б.А., Поповський Ю.М. Капілярний віскозиметр для дослідження тонкіхнеоднородних рідких прошарків Вюпік Одеська. держ. ун-ту .- 2001. 1.6, віп.З. Фп. мат. науки-С. 191-198.
3. Алтоіз Б.А., Поповський Ю.М. Фізика приповерхневих шарів. - Одеса: Астропринт, 1995 .- 153 с;
4. Ландау Л.Д., Лівшиць Є.М. Гідродінаміка.-М.: Наука, 1986.-617с.
5. Царгородський А.Б., Алтоіз Б.А., Поповський А.Ю. Дослідження оріентаціошюй верств нітробензолу, утворених на металевій еролісперших систем. До .- Одеса, У шукаючи школа, -1998 -
6. Б. А. Алтоіз, А. Ю. Поповський. Метод клиноподібної кювети в дослідженнях орієнта-ційно упорядкованих пристінних шарів, сформованих поблизу непрозорих підкладок / / Зб1рнік наукових праць «Вюнік Одеського державного ушверсітету".-1999.-Т.4.-Віп.4.-С.22-26
7. Поповський Ю.М.. Берникова Н.Б. Дослідження оптичної анізотропії граничних шарів полідіметілсілоксілана і його сумішей стетрадеканом. / / Питання фізики формоутворення і фазових перетворень. - Калінін: КДУ. - 1983. - С. 25-32
8. . Зорін З.М., Чураев Н.В.. Новікова О.В. В'язкість полімолекулярних плівок води і декана на поверхні кварцу / / Питання фізікіформообразованія і фазових перетворень. -Тула, 1993. - Вип. 3. -С. 42-49.
9. Алтоіз Б.А., Поповський Ю.М. Фізика приповерхневих шарів. -Одеса: Астропринт, 1995. -153 С.
10. Алтоіз Б.А., Поповський Ю.М. Капілярний віскозиметр для дослідження тонких неоднорідних рідких прошарків / / BicHHK Одеська. нашон. ун-ту. -2001. -Т. 6. - Вип. 3. Ф1з.-мат. науки. - С. 191-198.
11. Овчинников П.Ф. Віброреологія. - Київ: Hay ва думка, 1983. -271 С.
12. Алтоіз Б.А., Поповський Ю. М. Капілярний віскозиметр для дослідження тонких неаднородних рідких прошарків / / Вісник Одеська. нацон. ун-ту. 2001. Т.6. Віп.З.
13. Алтоіз Б.А., Поповський А. Ю. Метод клиноподібної кювети в дослідженнях орієнтаційно упорядкованих пристінних шарів сформованих поблизу непрозорих підкладок / / Вісник Одеська. держ. ун-ту .- 1999 .- Т. 4., Вип.3. Фіз.-мат. науки .- С. 22-26.
14. Поповський Ю.М., Берникова Н.Б. Дослідження оптичної анізотропії граничних шарів полідіметілсілоксілана і його сумішей з тетрадеканом. / / Питання фізики формоутворення і фазових перетворень .- Калінін: КДУ. - 1983. - С.25-32.
15. Зорін З.М., Чураев Н.В., Новікова О.В. В'язкість полімолекулярних плівок води і декана на поверхні кварцу / / Питання фізики формоутворення і фазових перетворень. - Тула: - 1993. - Вип.3. - С.42-49.
16. Алтоіз Б.А., Поповський Ю.М. Фізика приповерхневих шарів. - Одеса: Астропринт, 1995 .-
17. Р. Фейман., Р. Лейтон., М. Сендс. Фейнмановские лекції з фізики. / / Фізика суцільних середовищ. - Москва: Світ, 1977-С253-257
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Диплом
106.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Дослідження триботехнічних своств пари тертя колесо-рейка після плазмового зміцнення
Дослідження триботехнічних своств пари тертя колесо рейок після плазмового зміцнення
Дослідження вікових мотиваційних особливостей
Дослідження особистісних особливостей груп
Дослідження особливостей переживання самотності
Соціальне дослідження особливостей державної служби
Дослідження особливостей емоційного розвитку особистості
Дослідження особливостей організації обслуговуючої діяльності
Дослідження деяких особливостей уваги у підлітків 18-20 років
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru