1 UNIVERSITATEA DIN BRAOV FACULTATEA INGINERIE TEHNOLOGIC CATEDRA DESIGN DE PRODUS I ROBOTIC Ing. Nicolae Adrian PLUSAN STUDII MECANO-CHIMICE ASUPRA FLUIDELOR DE RCIRE-UNGERE N PROCESELE DE PRELUCRARE MECANIC A COMPONENTELOR RULMENILOR REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT CONDUCTOR STIINTIFIC: Prof. Dr. ing. SerbanBOBANCU Braov 2004 2 MINISTERUL EDUCIEI NAIONALE UNIVERSITATEATRANSILVANIA DIN BROV 500036 BRASOV, B-dul Eroilor, Nr.29. Tel. 0040 268 413 000, Fax. 0040 268 410 525 RECTORAT COMPONENA comisiei de doctorat numit prin Ordinul Rectorului Universitii TRANSILVANIA din Braov nr. 2095 din 8 noiembrie 2004: Presedinte:Prof. dr. ing. Noura Barbu LUPULESCU Universitatea TRANSILVANIA din Brasov Conductor stiintific:Prof. dr. ing.erban BOBANCU Universitatea TRANSILVANIA din Brasov Referenti stiintificiProf. dr. ing. Andrei TUDOR Universitatea POLITEHNICA din Bucuresti Prof. dr. ing. Valeriu Nicolae PANAITESCU Universitatea POLITEHNICA din Bucuresti Conf. Dr. ing. Rodica COZMA Universitatea TRANSILVANIA din Brasov Data,orasiloculsustineriipubliceatezeidedoctorat:10.12.2004,ora1130,SalaStudio Design, Corp E, Colina Universittii TRANSILVANIA din Brasov Eventualele aprecieri sau observatii asupra continutului lucrrii va rugm s le transmiteti, n timp util, la una din adresele e-mail, boban@rdslink.ro sau apalusan@lubrifin.ro sau la numrul de fax al Universittii TRANSILVANIA din Brasov. 3 PREFA Problemafluidelordeprelucrare(rcire-ungere)varmnepermanentoproblemadeactualitate. Diversitatea proceselor de prelucrare mecanic si n mod implicit si a proceselor de aschiere este foarte mare si impune din ce n ce mai mult alegerea unor abordri tot mai mult particularizate prin obtinerea unor fluide de prelucrare (rcire-ungere) specializate. Familiafluidelordeprelucrare(rcire-ungere)reprezintunobiectivimportantpentrumajoritate companiilorproductoaredelubrifianti.Programuldecercetaresitestareestelaboriossicuprindemulte etape.Acesteetapesunt,concepereareteteiinitiale,testareapestandurispecializatesitestareapeinstalatii pilot. n timpulderulrii acestor etapese elaboreaz retete paralele, care contin toti componentii sau doar o parte dintre acestia, pentru studierea interactiunilor sau a efectelor sinergice. De cele mai multe ori n aceast perioadacercetriisuntrealizatetestepeinstalatiisemiindustrialesauindustriale.naceastfaza cercetrii apare n frecvente cazuri necesitatea modificrii retetei initiale pentru obtinerea retetei finale. Existstanduricarecaracterizeazcomportamentultribologiccareaucaprincipiudelucruteste dejastandardizate(deexemplutestulcupatrubile,testulFalex,testulReinhard,testulTimken)darexist standuricarecaracterizeazcomportamentultribologicsiaucaprincipiutestenestandardizate (deexemplu testuldefiletare)naceeasimsuraexisttestecarecaracterizeazcomportamentulchimicsi comportamentul reologic. Nu se cunosc date n literatura tehnic de specialitate care s ateste o verificare sau testare a interdependentei ntre comportamentele chimic, reologic si tribologica ale fluidelor de prelucrare (racire-ungere). Teza de doctorat elaborat se ncadreaz n linia general de studiu si perfectionare a fluidelor de prelucrare (rcire-ungere) propunnd: conceperea,proiectareasiexecutareaunuiaparatdeprecizie(aparatulTaylor-Couettecu cilindrirotitori)caresasiguremsurareavscozittiisievaluareaaltorparametri reologici importanti n caracterizarea fluidelor de prelucrare (rcire-ungere), evaluareainfluentelorchimiceametalelordeacoperireacilindruluiantrenatasupra curgerii fluidelor de prelucrare (rcire-ungere) si a efectelor asupra parametrilor reologici care caracterizeaz curgerea utiliznd acest aparat, Autoruladucepeaceastcale,caldemultumirisisiexprimntreagasaconsideratiedomnului Prof. dr. ing. Serban Bobancu, n calitatea sa de conductor stiintific, pentru competenta ndrumare si pentru importantele sugestii date pe ntreaga durat de elaborare a lucrrii.O aleas consideratie este adresat conducerii societtii LUBRIFIN S.A. Brasov si n mod special domului director general Ing. Mihai-Ioan Costea, pentru suportul acordat n perioada stagiului de pregtire a lucrrii si pentru cadrul favorabil creat n dezvoltarea si elaborarea tezei. Sinceremultumiriadresezdomnilorreferentistiintificipentrurbdareadeaanalizatezade doctorat, pentru aprecierile, sugestiile si observatiile aduse continutului lucrrii. Rezultateleeforturilordinultimiianisuntdedicatefamilieimelepentruntelegereasisprijinul acordat pe tot parcursul elaborrii tezei. 4 CUPRINS Pagin: tez / rezumat CAPITOLUL 1 Obiectivele si scopul lucrrii ........................................................................ 1 / 7 CAPITOLUL 2Procese de aschiere....................................................................................... 2 / 8 2.1. Aspecte generale ........................................................................................... 3 / 8 CAPITOLUL 3Fluide de aschiere Aspecte generale........................................................... 5 / 9 3.1.Propriettile fluidelor de aschiere................................................................. 7 / - 3.2. Clasificarea fluidelor de aschiere.................................................................. 7 / - 3.3. Tipuri de fluide de aschiere utilizate n prezent n industria rulmentilor................................................................................................... 9 / - 3.3.1 Clasificarea fluidelor de aschiere utilizate n procesele de prelucrare a componentelor rulmentilor ...................................................... 9 / - 3.4.Propunere privind mecanismele de functionare a fluidelor de aschiere....... 10 / 10 3.4.1.Procesul de rcire.......................................................................................... 11 / 10 3.4.2.Procesul de lubrifiere.................................................................................... 13 / 11 3.4.2.1.Mecanismul de desfsurare a procesului de lubrifiere ................................. 13 / 11 3.4.2.1.1.Modelul matematic al procesului de lubrifiere............................................. 15 / 11 3.4.2.1.1.1.Penetrarea fazei lichide................................................................................. 15 / 11 3.4.2.1.1.2.Modelul exploziei micropicturii ................................................................. 16 / 12 3.4.2.1.1.3.Umplerea capilarei cu faza gazoasa.............................................................. 18 / 11 3.4.2.2.Mecanismul de formare a stratului de lubrifiant la interfat n zonade aschiere .................................................................................................... 21 / 14 3.4.2.2.1.Modelul matematic de formare a stratului de lubrifiant la interfat ............. 22 / 14 3.4.2.2.2.Analiza modelului matematic ....................................................................... 24 / - 3.4.2.2.3.Cazuri speciale ale solutiei problemei de adsorbtie...................................... 25 / - CAPITOLUL 4Principiile vscozimetriei ............................................................................. 28 / 16 4.1.Principiile curgerii prin capilare................................................................... 28 / 16 4.1.1.Legea lui Poiseuillle (curgerea izoterm) ..................................................... 28 / - 4.1.2.Curgerea neizoterm..................................................................................... 30 / - 4.1.3.Efectul de perete ........................................................................................... 31 / - 4.2.Principiul curgerii laminare n jurul unui corp rigid n miscare de translatie........................................................................................................ 31 / 16 4.2.1.Bila cztoare. Formula lui Stokes ............................................................... 32 / - 4.2.2.Corectiile pentru efectul de perete................................................................ 33 / - 4.2.3.Sfera fluid de gaz sau lichid........................................................................ 34 / - 4.3.Principiul curgerii laminare n jurul unor corpuri rotitoare.......................... 34 / - 4.3.1. Principiul cilindrilor coaxiali........................................................................ 35 / - 4.3.2. Principiul sferei rotitoare.............................................................................. 37 / - 4.3.3. Principiul discului rotitor.............................................................................. 37 / - 4.4. Principiul curgerii nestationare n jurul unui corp oscilant .......................... 38 / 16 4.4.1. Oscilatii armonizate de frecare intern a mediilor vscoase ......................... 38 / - 4.4.2. Principiul sferei oscilante ............................................................................. 40 / - 4.4.3. Principiul discului oscilant ........................................................................... 40 / - 4.5. Tehnica de msurare a vscozittii ............................................................... 41 / 17 CAPITOLUL 5Evaluarea parametrilor care caracterizeaz curgerea fluidelor..................... 42 / 18 5.1. Vscozitatea fluidelor reale .......................................................................... 42 / 18 A.Legea lui Newton, vscozitate absolut, tensiune tangential, gradientde vitez (reopanta) ...................................................................................... 42 / 18 B.Vscozitate cinematic, fluiditate, mrimi derivate.................................. 44 / - C.Ecuatiile fundamentale ale curgerii fluidelor ........................................... 45 / - D.Teoria lui Maxwell (relaxarea elastic a tensiunii si deformrii .............. 45 / - 5.1.1. Vscozitatea lichidelor ................................................................................. 46 / - 5.1.1.1.Teorii referitoare la vscozitatea lichidelor.................................................. 46 / - 5.1.1.1.1. Teoria lui Jger............................................................................................. 46 / - 5.1.1.1.2. Teoria ondulatorie a vscozittii .................................................................. 47 / - 5 5.1.1.1.3.Relatia lui Bacinski........................................................................................ 47 / - 5.1.1.1.4.Relatii exponentiale....................................................................................... 48 / - 5.1.1.1.5.Teoria lui Frenkel .......................................................................................... 50 / - 5.1.1.1.6.Teoria vscozittii gazelor dense si a lichidelor a lui H. Eyring ................... 56 / - 5.1.1.1.7.Teoria lui G. M. Pancekov........................................................................... 60 / - 5.1.2. Parametrii care influenteaz variatia vscozittii........................................... 65 / - 5.1.2.1. Variatia vscozittii lichidelor n raport cu variatia temperaturii... ............... 65 / - 5.1.2.2.Variatia vscozittii lichidelor n raport cu variatia presiunii ....................... 66 / - 5.1.2.3. Dependenta vscozittii de compozitia chimic ........................................... 67 / - 5.1.2.4.Dependenta vscozittii de variatia masei moleculare si asubstantelor pure nepolimere .................................................................................................... 68 / - 5.1.2.5.Influenta izomeriei cis-trans asupra vscozittii........................................... 69 / - 5.1.2.6.Vscozitatea si fluiditatea solutiilor binare si ale amestecurilor................... 69 / - 5.1.2.6.1.Tipuri de curbe izoterme de vscozitate....................................................... 69 / - 5.1.2.6.2.Interdependenta curbelor izoterme de vscozitate ....................................... 69 / - 5.1.2.6.3.Expresia matematic a vscozittii si a amestecurilor .................................. 70 / - 5.1.2.6.4.Vscozitatea solutiilor de sruri.................................................................... 72 / - 5.2.Elemente de reologie .................................................................................... 73 / 19 A.Tipuri de solicitri mecanice si parametrii solicitrii mecanice............ 75 / - A.1. Tensiunea.............................................................................................. 75 / - A.2. Deformatia ............................................................................................ 76 / - A.3. Viteza de deformare.............................................................................. 81 / - B.Relatia ntre tensiune si deformatie....................................................... 82 / - B.1. Coeficientii lui Lame............................................................................. 82 / - B.2. Modulul lui Young................................................................................ 83 / - B.3. Coeficientul lui Poisson ........................................................................ 83 / - B.4. Modulul de elasticitate la forfecare....................................................... 83 / - B.5. Modulul de elasticitate la compresie..................................................... 84 / - B.6. Relatii ntre coeficientii de material ...................................................... 84 / - B.7. Relatii ntre coeficientii de vscozitate ................................................. 84 / - B.8. Prag de tensiune .................................................................................... 85 / - C.Fluaj si relaxare..................................................................................... 85 / - 5.2.1.Tipuri de curgere .......................................................................................... 87 / - 5.2.1.1. Curgerea newtonian.................................................................................... 88 / - 5.2.1.2. Curgerea nenewtonian ................................................................................ 94 / - 5.2.1.2.1.Fluide nenewtoniene independente de timp ................................................. 95 / - 5.2.1.2.1.1. Fluide cu prag de tensiune............................................................................ 96 / - 5.2.1.2.1.2. Fluide fr prag de tensiune ......................................................................... 97 / - A.Fluide pseudoplaste .............................................................................. 97 / - B.Fluide dilatante ..................................................................................... 99 / - C.Ecuatii reologice................................................................................... 101 / - C.1. Legea puterii......................................................................................... 101 / - C.2. Modelul Prandtl-Eyring........................................................................ 102 / - C.3. Modelul Powell-Eyring ........................................................................ 103 / - C.4. Modelul Ellis ........................................................................................ 104 / - C.5. Modelul Reiner-Philippoff ................................................................... 104 / - 5.2.1.2.2. Fluide nenewtoniene dependente de timp .................................................... 105 / - 5.2.1.2.2.1. Fluide tixotrope............................................................................................ 105 / - 5.2.1.2.2.2.Fluide reopexice........................................................................................... 108 / - 5.2.1.2.3.Reprezentarea generalizat a comportrii reologice a fluidelor nenewtoniene................................................................................................ 110 / - 5.3. Caracteristici reologice acceptate pentru fluidele deaschiere utilizate n industria rulmentilor ..................................................................................... 111 / 19 CAPITOLUL 6Curgerea Taylor-Couette .............................................................................. 112 / 20 6.1. Stabilitatea curgerii Couette.......................................................................... 112 / - 6.1.1. Problema fizic a curgerii Couette ............................................................... 112 / 20 6.1.2. Criteriul lui Rayleigh .................................................................................... 113 / 20 6.1.3. Dezvoltarea analitic a stabilittii curgerii Couette nevscoas................... 117 / - 6 6.1.3.1.Ecuatiile miscrii n coordonate Lagrange................................................... 118 / - 6.1.3.2.Ecuatiile miscrii n coordonate Lagrange particulare ................................. 119 / - 6.1.4. Dezvoltarea analitic a stabilittii curgerii Couettevscoas ........................................................................................................ 120 / - CAPITOLUL 7Potentialul de electrod la echilibru ............................................................... 123 / 21 7.1.Exprimarea termodinamic a potentialului de electrod la echilibru............ 123 / 21 7.2.Mecanismul de formareal fortei electromotoare si natura potentialuluide electrod .................................................................................................... 126 / - 7.2.1. Diferentele de potential n sistemele electrochimice .................................... 126 / - 7.3.Potentialul de sarcin zero. ........................................................................... 129 / 21 7.3.1. Definitia conceptelor Potential de suprafat nencrcat si Potential de sarcin zero ale metalelor............................................................................ 129 / 21 7.3.2. Metode de msurare si calculare a potentialului de sarcin zero.................. 136 / - 7.3.2.1.Metode electrometrului cu capilar .............................................................. 136 / - 7.3.2.2.Metoda electrodului picurtor de mercur ..................................................... 136 / - 7.3.2.3.Metoda capacittii diferentiale ..................................................................... 136 / - CAPITOLUL 8Descrierea aparatului Taylor-Couette cilindric principii generale ............ 137 / 22 8.1. Descrierea vscozimetrului Couette-Harper................................................. 138 / 22 8.1.1. Principii constructive.................................................................................... 138 / 22 8.1.2. Principii functionale...................................................................................... 139 / 22 8.1.2.1.Parametrii si ecuatii fundamentale. Curgerea Taylor-Couette140 / - CAPITOLUL 9Descrierea aparatului Taylor-Couette cilindric construit pentru efectuarea cercetrilor asupra lubrifiantilor propunere de brevet ............................... 142 / 23 9.1 Caracteristici functionale .............................................................................. 142 / 23 9.2.Caracteristici constructive............................................................................. 143 / 23 9.3 Utilizarea cilindrilor acoperiti cu metale diverse.......................................... 155 / 28 9.4 Programul de achizitie a datelor.................................................................. 155 / 28 9.5 Modelul matematic ....................................................................................... 156 / 28 CAPITOLUL 10Analize experimentale................................................................................... 161 / 31 10.1. Considerente teoretice privind stabilirea conditiilor de testare..................... 161 / 31 10.2.Considerente practice ale cercetrii............................................................... 161 / 31 10.3. Desfsurarea analizelor ................................................................................. 163 / 32 10.3.1.Analizarea emulsiei de ulei 10% n ap ........................................................ 163 / 32 10.3.2. Analizarea solutiei de glicerin 10% n ap.................................................. 170 / 34 CAPITOLUL 11. Prelucrarea datelor experimentale obtinute cu aparatul-propunere debrevet ............................................................................................................ 175 / 35 11.1. Emulsia de ulei 10% n ap ........................................................................... 175 / 35 11.2.Solutia de glicerin 10% n ap .................................................................... 176 / 36 11.3Corelatii ntre comportarea reologic a fluidelor analizate sidesfsurarea procesului de aschiere.............................................................. 178 / 37 CAPITOLUL 12. Concluzii generale ........................................................................................ 179 / 37 CAPITOLUL 13. Aplicatii conexe ale aparatului Taylor-Couette ............................................ 180 / 38 CAPITOLUL 14. Contributii originale ..................................................................................... 181 / 39 CAPITOLUL 15. Valorificarea rezultatelor cercetrii .............................................................. 183 / 40 CAPITOLUL 16.Propuneri de perspectiv n cercetrile asupra comportrii lubrifiantilor ncurgereaTaylor-Couette................................................................................. 184 / 40 BIBLIOGRAFIE ....................................................................................................................... 185 / 41 7 CAPITOLUL 1 OBIECTIVELE LUCRRII Primulobiectivallucrriiestestabilirealegturilorntredomeniiletehnicepecareleabordeaz teza,proceseledeaschiere,vscozimetriasimsurareavscozittii,curgereafluidelorsiprocesele electrochimice. Aldoileaobiectiv(independentdecelelalte)estereprezentatdeevaluareaexperimentala influenteinaturiimaterialuluiasupracurgeriifluidelorcubazapoas(reprezentatedefluideledercire-ungere). Al treilea obiectiv, n fapt, principalul obiectiv este conceperea, proiectarea si realizarea unui aparat deprecizieridicat,pentrumsurareavscozittiisiaaltorparametriireologiciaifluidelor.Unasemenea aparat serveste la stabilirea unor retete de fluide de aschiere specializate pentru procesele de aschiere. Al patrulea obiectiv este stabilirea unui model matematic si a metodologiei de prelucrare a datelor culese cu acest aparat. Al cincelea obiectiv este propunerea unui model matematic pentru procesele de lubrifiere si rcire care se desfsoar simultan n timpul aschierii. Afoststudiatunvolumdedocumentatietehnicconceputntr-operioaddetimprelativmare (1950-2003), prelundu-se date importante relevante pentru obiectivul tezei de doctorat. Ordineadenotificareareferintelorrespectcriteriulalfabetic,iarmoduldenotificarecuprinde initiale ale numelui (sau numelor autorilor (n cazul n care exista mai multi autori)) la care s-au atasat cifrele anuluideaparitieaarticoluluidereferinta.Pentruexactitates-auadoptaturmtoareleregulipentru notificrile bibliografice,pentruunsingurautor,alegereaprimelortreiliterealenumeluisiadugareacifreloranuluide editare, pentrudoiautori,alegereaprimeledouliterealenumeluiprimuluiautoralturideprimalitera numelui celui de al doilea autor si adugarea cifrelor anului de editare, pentrutreiautorisaumaimulti,alegereaprimeilitereanumeluiprimilortreiautorisiadugarea cifrelor anului de editare, pentruacelasicolectivdeautorisiacelasian,lamaimultereferintepentrudiferentiere,alegerea primeilitereanumeluiprimilortreiautori,adugareacifreloranuluideeditaresiadugarea suplimentar a literelor a, b, c, ... , pentrucolectivedeautoridiferitedarcuacceasicodificaresiacelasian,alegereaprimeiliterea numelui primilor trei autori, adugarea cifrelor anului de editare si adugarea suplimentar a cifrelor romane I, II, III, IV, ... , pentrupublicatiilefrcolectivdeautoridarcuandeeditare,codificareacuasteriscuri *** si adugarea cifrelor anului de editare,pentru mai multe referinte fr colectiv de autori, cu acelasi an de editare, adugarea cifrele romane I, II, III, IV, ..., pentrupublicatiilefrcolectivdeautorisifrandeeditatre,codificareacuasteriscuri *** mpreun cu adugarea cifrelor romane I, II, III, IV, ..., pentrupublicatiileparveniteprininternatutilizareanotatiei www urmatdegrupul decifre01, 02, 03, . . 8 CAPITOLUL 2 PROCESE DE ACHIERE 2.1. ASPECTE GENERALE Realizareanmodefectivauneipiesecuoanumitconfiguratiesereflectpringenerarea suprafeteloreicomponente,ceodelimiteaznspatiusiodefinestecauncorpsoliddistinct.Aceast generare,indiferentdeprocedeultehnologicutilizat,trebuiespermitobtinereaformei,dimensiunilor, pozitiei relative si netezimii suprafetelor piesei respective, n conditiile tehnice de generare precizate. nindustriaconstructoaredemasini,generareasuprafetelorpieselorpoatefiefectuatprin urmtoarele procedee tehnologice de generarea (prelucrare):turnare,sudare,deformare plastic la cald (laminare, forjare, presare, matritare),deformare plastic la rece (laminare, tragere, presare, ambutisare, stantare, extrudare),aschiere. Dintre acestea, procedeul care corespunde conditiilor de generare a suprafetelor pieselor pe masini-unelte este prelucrarea prin aschiere [OSM1981]. Procedeul tehnologic de generare (prelucrare) prin aschiere a unei suprafete de form, dimensiuni, pozitierelativsinetezirecunoscute,presupunecpentruncepereagenerrii,estenecesarsexisteo suprafat de nceput. Suprafata de la care se porneste n generarea respectiv se numeste suprafat initial iar suprafata obtinut n urma generrii respective prin aschiere se numeste suprafat prelucrat. ncazulprocedeuluitehnologicdeprelucrareprinaschiere,generareasuprafetelorprelucratese produce prin ndeprtare.Adaosul deprelucrare este deci delimitat n spatiu de suprafetele initiale, pe deo parte, si suprafetele prelucrate ale piesei finite care trebuie obtinut, pe de alt parte. Rezult, c ntr-un caz datdegenerareprinaschiere,suprafeteleinitialeauforme,dimensiunisinetezimebinedefinitesiseafl ntr-ocombinatieapozitiilorlorrelative,nctdelimiteaznspatiuuncorpsolid,careconstituiepiesa initial de la care se porneste n generarea respectiv. Procedeul tehnologic de prelucrare prin aschiere este procedeul de generare a suprafetelor, care st labazaconstructieimasinilor-unelteavnddreptscopgenerareauneisuprafete prelucrateprin ndeprtarea adaosuluideprelucrareefectuatdetisuluneisculeaschietoare,caresedeplaseazrelativ,fatdepies-semifabricat printr-o miscare rezultant bine definit. Definitiaconsemneazdouaspectefundamentalealegenerriiprinaschiere.Astfel,prelucrarea prinaschierepresupuneimplicitndeprtareaadaosuluideprelucraredepesemifabricatsiaceast ndeprtareareloc,pedeoparte,numaidatorittisuluiuneisculeaschietoare(prezenteinemijlocitea acesteialamasina-unealt)iarpedealtparte,numaidatoritexistenteiuneimiscrirelativentretisul sculeisisemifabricat.nurmaacesteimiscrirelative,adaosuldeprelucrareestendeprtatsuccesivsub form de aschii. Ansamblul fenomenelor fizice prin care se produce transformarea adaosului de prelucrare n aschii, detasarea acestora si generarea suprafetei prelucrate se numeste proces de aschiere. Procesul de aschiere st la baza procedeului tehnologic de prelucrare prin aschiere. Fiecare procedeu de generare prin aschiere n raport cu impunerea miscrilor necesare la generarea suprafetei, conduce la stabilirea cinematicii masinii-unelte pe care trebuie s se execute generarea respectiv. n fapt fiecare procedeu de generare (prelucrare) prin aschiere conduce, n raport cu cinematica procesului la un anume tip distinct de masin-unealt [EPG1983], [HMT1982], [OSM1981]. 9 CAPITOLUL 3 FLUIDE DE ACHIERE ASPECTE GENERALE mbunttirea proceselor de prelucrare si a utilajelor include viteze de prelucrare ridicate si implicit sistemedealimentarecorelatecufluxuriledefunctionare.Deasemeneaincludeutilizareadeotelurisi materialemetalicediversificatepentrusculeleaschietoare,pentrutipurilevariatedeoperatii.Toateaceste elemente presupun o important mbunttire a fluidelor de prelucrare pentru o varietate larg de operatii de prelucraresiconditiideprelucrare.nprezentfluideledeprelucrarecontinomarediversitatedeagenti chimicispecializati,destinatirealizriiefectuluidelubrifierendiferiteconditiideprelucrare,asigurrii stabilittiicaracteristicilorfizice,chimicesireologice,siaobtineriipropriettiideprotectieantiuzur [HUN1984],[WIL1997].Tribologiatrateazndetaliuaspectelegeneratedeprocesuldefrecarecareeste implicatinproceseledeaschiere[BCC2000],[TUD2002],[BOC1995].Utilizarealubrifiantuluiasigur stabilitateaprocesuluideaschierempiedicndaparitiamodificrilorchimicelanivelulsuprafetelor [PMT1977], [TUD1999]. Functiile principale a lubrifiantului n oricare din aceste operatii este preluarea cantittii de cldur degajat si mbunttirea eficient a operatiei prin reducerea frecrii. n anexa C8 este propus un mecanism de lubrifiere al procesului de aschiere considerat ca un sistem fizic independent.Utilizarea unui lubrifiant adecvat are urmtoarele consecinte: prelungireadurateideutilizareasculeloraschietoaresimrireaproductivittii prin cresterea vitezelor de aschiere la aceeasi durat de utilizare a sculei aschietoare, obtinereaunorparametrigeometricisiderugozitatesuperioricalitativpentrusuprafetele prelucrate, micsorarea consumurilor energetice prin reducerea fortelor necesare prelucrrii, ndeprtarea rapid din zona de aschiere a particulelor metalice formate, protectia anticoroziv a pieselor prelucrate a sculelor aschietoare si a masinilor. Oconditiefoarteimportantnconditiileutilizriiunuifluiddeaschiereesteceadesecuritate fiziologica fat de operatori [COC1993], [MAN1993]. n functie de specificul operatiilor de prelucrare si a materialelor prelucrate, se utilizeaz fluide de rcire ungere n urmtoarea diversificare tipologic: uleiuri nemiscibile cu apa, fluide emulsionabile de tipul ulei/ap (U/A), solutii apoase de compusi organici sau anorganici, suspensii sau paste de lubrifianti solizi. Chiar dacteoretic ar fi posibil realizarea unui lubrifiant de prelucrare universal, utilizarea sa nu ar fi justificat economic. nafaraoperatiilorclasicedeprelucrareprinaschieres-audezvoltatsis-auimpustehnologiide prelucrare neconventionale: prelucrarea prin electroeroziune, prelucrarea prin sintetizare, prelucrarea materialelor ceramice si vitroase (sticle, cuart, pietre pretioase si semipretioase), prelucrarea cu laser. Laacestetipurideoperatiiseutilizeazfluidedeprelucrare,specializate,cucaracteristici dependente de natura produsului [HUN1984], [HEP1996], [HEG1996] [PCH1997], [FAV1998], [DCS1998]. Industriarulmentilorutilizeazaproapetoatgamadeuleiurideprelucrarenemiscibilecuapa. Aceste uleiuri nuauvscozitti mari. Uleiurilenemiscibile cu apa sunt utilizate preponderent la operatii de tragere, stantare, trefilare sau ambutisare sau alte operatii de deformare la rece. Fluideledeprelucraremiscibilecuapa(attcelecareformeazcuapa,emulsiilptoasesi microemulsii ct cele care formeaz solutii) sunt utilizate n mod direct n industria rulmentilor. Operatiile de aschiere importante n care aceste fluide au aplicatie, sunt n principal operatiile de strunjire si de rectificare [NAC1980], [GRE1980], [JOS1985], [OLD1973], [PPM1997]. 10 3.4PROPUNERE PRIVIND MECANISMELE DE FUNCIONARE A FLUIDELOR DE ACHIERE MODELUL TEORETIC Propriettiledelubrifieresircirealturideproprietateadesplare(preluaresitransporta aschiilor si a particulelor piatr abraziv) reprezint cele mai importante caracteristici implicite ale fluidelor deprelucrare(aschiere).ncontinuareseprezintpropunerileautoruluiprivindunmodelteoreticde functionare afluidelor de aschiere. Modelul are nvedere desfsurarea (simultan) a proceselorde rcire si lubrifiere. Relatiile(3.12), (3.15), (3.18), (3.19), (3.23), (3.41), (3.44), (3.46), (3.48), (3.49) sunt deduse de autor. 3.4.1. PROCESUL DE RCIRE Pentruasigurareaconditiilorrciriincadruloperatiilordeaschiereclasice,pentruamenintarea stabilittiifizico-chimicesipentruasigurareacaracteristicilortribologice,seutilizeazcupredilectie alimentarea cu jet liniar cu diferite unghiuri de incident [NEB1998]. Forta estimat, exercitat de jet suprafetei este: eJe Jev A F sin2 = ,(3.1) n care AJe reprezint aria la iesire a jetului de fluid, reprezint densitatea fluidului, vJe reprezint viteza la iesireajetuluidefluidsie reprezintunghiuldeiesireajetuluidefluid,nraportcuplanulaxialal suprafetei principale (care caracterizeaz zona de aschiere). Fluxuldeenergietermictransmisprinconvectiefluiduluiderciresemaipoatedeterminacu ajutorul relatiei: ( )adconvconvconvn convnq = =,(3.4) ncarenreprezintconductivitateatermicametaluluideconstructieapiesei,nreprezintdirectiile ortogonale(x,y,z),conv reprezintcoeficientulpartialdetransfertermicalmaterialuluideconstructiea piesei, conv reprezint conturul piesei, ad reprezint temperatura local adiabatic n valoare medie egal cu temperaturaambientaldeoareceprocesuldetransfertermicseconsideradiabaticiaracestcaznumrul (adimensional)Biot(caredefinesteseparatiadintreprocesuldetransfertermicprinconvectienaturalsau liber,deprocesuldetransfertermicprinconvectiefortat)este n c convh Bi / = (hcreprezentnd grosimea caracteristic a piesei metalice), iar convreprezint temperatura n procesul de aschiere definit pe conturul piesei [KFN1986], [MDU1990]. NumrulNusseltmediu,ndreprezintdiametrulinterioralduzei,sepoatecalculanraportcu coeficientul de transfer termic mediu( ) , fdu N = ,(3.9) Cunoscndu-se cderea de presiune de-a lungul duzei (P), densitatea fluidului de aschiere, cldura specific,conductivitateatermicsicoeficientuldetransferdecldurnregimulfortatdetransfertermic (caracterizatdecriteriulNusselt)sepoatedeterminaputereamecanicdempingereajetuluidefluidcare caracterizeaznunumaiprocesuldercirecisiprocesuldetransportalaschieisiprocesuldelubrifiere [NSP1998]. ( )ad h convq = , ( )ad h mtconvc m q = ,(3.10) n care cm reprezint cldura specific masic iar mt debitul masic ( )ad h mconv tcqm = .(3.11) n aceste conditii puterea mecanic se defineste cu expresia: PmPtmec =.(3.12) Presiunea diferential se poate msura ntre punctul central situat pe sectiunea de curgere a duzei si punctul de expansiunea a jetului din imediata vecintate [PCO1990], [SKO1998], [PPM1997]. 11 3.4.2. PROCESUL DE LUBRIFIERE 3.4.2.1. MECANISMUL DE DESFURAREA A PROCESULUI DE LUBRIFIERE Modeluldepenetrarenzonadeinterfatntimpulprelucrrii prin aschiere include trei faze principale: adsorbtia capilar; explozia micropicturilor; umplerea prin lubrifiere a capilarei cu faz gazoas. Seconsiderprocesuldedistrugereamaterialuluiductilla prelucrareaprinaschierelaformareaaschieicaresemiscde-alungul suprafeteidedegajareasculeiaschietoare.nacestcazactiuneade lubrifieresedatoreazpenetrriidectrefluiduldeaschiere(PA)la frontiera scul-aschie prin intermediul unei retele dinamice de capilare de interfat . Celmaisemnificativmod de abordare tribologic se realizeaz prin considerarea directiei capilarei n directia de miscare a lubrifiantului, de-a lungul zonei de interfat, ncepnd cu punctul de la care aschia prseste suprafata sculei aschietoare pn la muchia tietoare (fig. 3.2). Fiecare dintre aceste capilare n mod evident posed urmtoarele proprietti: este deschis la captul dinspre spatiul ambiental parteacapilareiapartintoareaschieisedeplaseazcuvitez egalcuvitezalubrifiantului,iarcealaltpoatermne imobil temperaturaperetilorcanalului(capilarei)esteaproximativ egal cu temperatura medie de contact, peretii capilarei sunt proaspt formati, foarte curati si prezint suprafata activ-chimic. Se urmreste modelul unei singure capilare cu un capt nchis adaptatregiuniidecontactcompletlainterfatadintresculsiaschie. Capilaraareformcilindriccurazarsilungimel(fig.3.3a).Se presupunedeasemeneaclamomentuldeschideriicapilareipresiunea ninteriorestenul.Razacapilareir,[WIT1977],[DEC1981]se ncadreazndomeniul ( ) m 10 50 ... 16 ,iarlungimeacapilareipoatefi estimatprincompararearezultatelorlungimilordecontactmsurate dupaschierenaersi/saumediudefluiddeaschiere(FA).Pentru calculare se utilizeaz valorile 610 1 r = m sim 10 l3 = . Fluidul de aschiere (FA) are tendinta de a penetra n volumul capilareiundeactioneazdiferentadepresiuneasupracaptului(P). Acestparametruesteformat,ngeneraldindoicomponenti,presiunea atmosferic,Patmsipresiuneadincapilarr Pc/ 2 = (ncare reprezint tensiunea superficial). 3.4.2.1.1. MODELUL MATEMATIC AL PROCESULUI DE LUBRIFIERE Procesul de penetrare a fluidului de aschiere n reteaua de capilare de interfat de desfsoar n trei etape [GLM1996]: intrareafazei(destare)lichidenvolumulcapilarsubactiuneagradientuluidepresiune (considerndu-se dominante fortele de frecare si fortele de vscozitate); evaporarea fazei lichide la captul deschis al capilarei; umplerea capilarei cu faz gazoas. 3.4.2.1.1.1.PENETRAREA FAZEI LICHIDE Laprimultimpcaracteristicaprimeietapedeumplereacapilareitrebuieestimatviteza corespunztoareafluiduluideaschiere.ncazulsimetrieicilindriceseconsiderrelatiaNavier-Stockesde curgere alichidelor (ntr-o singur coordonat z, coordonatele r si cea unghiular se consider neglijabile). Fig. 3.2 Modelul unei capilare de interfat pe suprafat de degajare a sculei aschietoare Fig. 3.3 Cele trei faze ale penetrrii ntr-o singur capilar de interfat a. penetrarea fazei lichide b. explozia micropicturii c. starea de cvasiechilibru 1. aschie, 2. pies 12 01 12222,=

+ ++ =+zvrvrvr zvzPzvvtvll l lfcinllll(3.14) ncarel reprezintdensitateafluiduluideaschiere,vlreprezintviteza(nsectiuneacapilarei)medien lungulaxeiz,z P / reprezintgradientuldepresiunenlungullungimiicapilarei,cin,freprezint vscozitateacinematicafluiduluideprelucrare,rreprezintvaloareamomentanarazeicapilarei(sin mod global a razei capilarei) iarr vl /reprezint gradientul de vitez n directia razei lng perete. ntr-o exprimare mai general ecuatiile (3.14) se transform astfel: 2,2,rvt vPrvzPtv lfcinl l llfcinl el =,(3.15) sau 2,rvt vPtv lfcine l l el , ncare l lt v z = , tl reprezint timpul caracteristic al primei etape a penetrrii fazei lichide iar P reprezint presiuneaexterioar.Afostposibilaceastestimaredeoarecevalorilevariatiilor zvlsicuattmaimult 22zvl si 22rvl se pot considera neglijabile. Din calcule succesive se defineste ordinul de vitez a penetrrii fazei de fluid: ( ) Pr 1+=latmlPv,(3.18) ncarePatm reprezintpresiuneaatmosfericextern,lreprezintdensitateafluiduluideprelucrareiar tfcink,Pr=reprezint numrul termic Prandtl. Se poate considera c gradele de vitez sunt comparabile cu nivelul tehnologic al vitezei critice ale actiuniilubrifierii.Adncimeadepenetrareafazeilichidellntimpultlestesimpludedeterminatdin corelatia l l lt v l = .Aceastadncimepoatefiapreciatlavaloaream 10 1 l6l .Deaceeavolumul corespondent de fluid de prelucrare n capilar poate fi denumit micropictur [MIZ1992], [GVL1995]. 3.4.2.1.1.2.MODELUL EXPLOZIEI MICROPICTURII Actiunealubrifieriipoatedevenieficacedoardacduratadeviatacapilareiestemaimaredect timpulobisnuitdeumplere fil ct t > aacestuia.Duratadeviatacapilareiestedependentdelungimea capilarei (l) si de viteza de deplasare (curgere) a aschiei (vc). c cv / l t = ,(3.19) ncaredacl1mmsivc1m/s, se obtinedin calcul s 10 t3c . Aceastvaloareeste multmaimic dect durate de existent a fazei (de stare) lichid tl. Astfel nclzirea unei picturi si evaporarea se desfsoar ntr-untimpnsumatfoartescurt(aproapedesfsurareainstantaneencomparatiecutc)deaceeaacestproces partial se poate denumi explozia micropicturii. Pentruestimareatimpuluicaracteristicdeumplerecugaztg0seutilizeazvitezaprimarde evaporarea a substantei vg0. De asemenea se poate calcula presiunea format n primul moment al exploziei, p0. Pentru acest scop se aplic ecuatia principal a teoriei cinetice a gazelor, MRPl = ,(3.20) n care P reprezint presiunea din micro-volumul interior, M reprezint masa molar, R reprezint constanta gazelor rare iar reprezint temperatura. Deoarece presiunea este nul n capilare n primul moment si fortele de frecare pot fi neglijabile, la nceputul miscrii lucrul mecanic L = 0. Aceast ecuatie de echilibru a energiei se poate scrie, 13 220mvU Q + .(3.21) nlocuind n relatia (3.21) expresiile cantittii de cldur, = m c Qp si a energiei interne, = m c Uv ncarecpsicvreprezintcldurilespecificelapresiuneconstantsirespectivlavolumconstantsidacse presupunecmasadefluidexplodatreprezintungazidealiar(cp-cv)=R/M,ecuatiaobtinut ( )v pc c v = 20, va deveni MRv 20=.(3.23) Pentruevaluareatimpuluideumplereacapilareitrebuiedeasemeneadeterminatdependenta vitezeideformareamaseidegazprinevaporaredegraduldeumplereacapilarei(deex.functiaVg(z)) [GLM1996], [KAJ1996]. 3.4.2.1.1.3. UMPLEREA CAPILAREI FAZA GAZOAS Seconsidercfenomenuldeumplereacapilareiestereprezentatdeunprocesdeechilibru(de faptacestprocesestemultmairapid). Dupcare miscarea gazului poate fi reprezentatcuajutorul ecuatiei de miscare a centrului de mas a picturii evaporate: fr pF F zm+ =2, (3.24) ncaremreprezintmasapicturiiexistentencapilar,Fpreprezintfortadeterminatdepresiunea exploziei, Ffr reprezint forta de frecare la peretii capilarei, iarz reprezint acceleratia de miscare a gazului. Utilizndu-seecuatiadestareagazuluiideal,sepoatedetermina,cnconditiiledemicro-explozie forta determinat de presiunea exploziei devine: z MmRrMmRFp= =2,(3.26) ncareMreprezintmasamolarafluiduluideprelucrare,Rreprezintconstantagazuluiuniversal, 2r z V = reprezint volumul partial umplut n capilar de ctre faza gazoas . Forta de frecare la peretii capilarei poate fi definit cu ajutorul analizei dimensionale. n acord cu conceptia general asupra acestei metode [DEC1981], [MIZ1992] se obtine expresia, ( ) r z z F Fggcin fr , ,, , , = ,(3.27) n care gv z = reprezint viteza de umplere a capilarei cu gaz, cin,g si g reprezint vscozitatea cinematic si respectiv densitatea gazului format. nconditiileunuinumrRedevaloaremare,1 / Re >> =gz r seconsideradevratcFfreste proportional cu 2zsi dac se accept c Ffr este proportional cu z, se obtine: 2,z z r C FgcinFfr = ,(3.29) n care CF reprezint o constant arbitrar iar semnul (-) semnific actiunea opus dezvoltrii exploziei. Dac n ecuatia (3.24) se substituie relatiile (3.26) si (3.29) se obtine: 22zrmz MmRzm =,(3.31) Dac se noteazM R aa/ 2 = sir bb = / 2se obtine urmtoarea relatie: 2z bzazba = .(3.32) Neglijnd acceleratiaz (datorit valorilor foarte mici) relatia (3.32) se transform n: z bazba=2 .(3.33) Integrndu-se ecuatia (3.33) la conditiile initiale (t=0, z=ll) se determin corelatia 2 / 3 2 / 332lbal tbaz + = ,(3.35) 14 si se determin expresia timpului de umplere tg (considerndu-se c la un anumit moment gt t =si z = l). Expresia(3.33)reprezintconditiadeconstantamaselornsumate(legeaconservriimasei)de lichid si de vapori n timpul transformrii. Densitatea gazului se poate considera proportional cu presiunea (conform ecuatiei gazului ideal), obtinndu-se relatia: llv Pll g eq =2.(3.40) Se accept conditia: c eq fil atmt P t P < / ,(3.41) ncaretfilreprezinttimpulcomunpentruambeleetapedeumplere(lichidsigaz), g l filt t t + = ,iartc reprezint durata de viat a capilarei, pentru estimarea numrului aproximativ de cicluri de umplere (nc), eqatmcPPn (3.42) Expresia pentru numrul de cicluri de umplere (nc) se va modifica, dacPatmtfil/Peq>tc, devenind filccttn .(3.44) Toate cele trei etape de umplere a unei capilare sunt artate n figura 3.3. Modelul de acces al fluidului de aschiere n zona de prelucrare ia n considerare procesul de tranzitie a fazelor (evaporarea fluidului). Deoarece pe toat zona de lubrifiere, la frontier (la interfat) exist o retea de capilare unde impulsurile presiuniideterminacoperireacapilarelorsiformareauneizonerelativstabiledeevaporarelngcapetele deschise ale capilarelor, pelicula de gaz ridicndu-se si eliminndu-se permanent (fig. 3.3 c). Rolul important de evaporarenstratsubtirecareasiguraccesullubrifiantuluilacontactuldintresculsipiesadeprelucrateste evidentiat si explicat prin intermediul acestui model [DEC81], [GLM96]. Adugarea de agenti surfactanti n formularea fluidelor de prelucrare (determinnd micsorareatensiunii superficialesimaialesscdereapresiuniicapilarePc),determinconsiderareaunuimodelcaresreflecteze eficacitateaaditivilortensioactiviprinefectulmoleculardefrecarelafrontier(lainterfat)[HEN1994], [GVM1998]. 3.4.2.2.MECANISMUL DE FORMARE A STRATULUI DE LUBRIFIANT LA INTERFA N ZONA DE ACHIERE Introducereaunuiagentsurfactantntr-unfluiddeaschiereconduceladescrestereacoeficientuluide frecare n raport cu comportamentul solventului pur. Acest efect poate fi explicat prin actiunea stratului limit de lubrifiantasuprauneiprtiasuprafeteidecontact.Celmaiimportantaspectalefectuluicineticalactiunii lubrifierii este procesul de adsorbtie (n componentele sale fizic si chimic) [SAM1979]. Procesul de formare a fluiduluipasivizantdecurgentimpuldesfsurriietapeichimicedeadsorbtiefoarterepede.Dinaceastcauz adsorbtia moleculelor de surfactant decurge mult mai ncet datorit dimensiunilor si activittii chimice sczute. Se parecadsorbtiaaastfeldetipurideparticulesepetrecelaformareastratuluiprimarchemosorbit.Datorit caracterului lent de desfsurare a celei de a doua etape, cinetica de formare a stratului de lubrifiant este limitat de ctre regimul procesului de aschiere si este n mod critic, important pentru eficacitatea lubrifierii. nconcordantcumodeluldelubrifierenmaimulteetape[GVM1998]afostdezvoltatprocesulde lubrifiere n strat limit (strat de interfat) care se desfsoar n urmtoarele etape: penetratiea capilar, evaporarea degradarea termic partial adsorbtia chimic (chemosorbtia) a particulelor active, formarea filmului adsorbit fizic; formarea structurilor supramoleculare (epitropice) multistratificate. 3.4.2.2.1. MODELUL MATEMATIC DE FORMARE A STRATULUI DE LUBRIFIANT LA INTERFA Mecanismuldeformareastratuluidelubrifiantpeperetelecapilaruluiestereprezentatdedou fenomene fundamentale conditionate de transferul de mas, 15 a)Difuzia moleculelor de surfactant n volumul capilarei, b)Adsorbtia moleculelor de surfactant la peretii acestuia din faza gazoas (temperatura procesului de aschiere n mod curent este att de ridicat n proximitatea zonei de aschiere nct lubrifiantul lichid se vaporizeaz aproape instantaneu. Deoarece lungimea capilarei (lk) este n mod esential mai mare dect raza ei (rk) este convenabil s se foloseasc n ecuatiile de transfer de mas, concentratiile pe unitatea de lungime a capilarei. Astfel legea conservrii masei aplicat lubrifiantului n capilar, n conditiile contactului dintre scul si piesa de prelucrat (conform legi difuziunii) are forma: 2222 1lckc c cznlDt t tm =++ ,(3.45) ncare c c cn2 1, , reprezintconcentratiileadimensionaledesurfactantnvolumulcapilareisilanivelul peretilorsculeiaschietoaresiaschieicaresedesprindedinpiesadeprelucrat,Dreprezintcoeficientulde difuziuneamoleculelordesurfactant(aspecieichimiceprincipalecarecompunesurfactantul)nvolumul capilarei iar k ll z z / =reprezint o coordonat adimensional. pe axa capilarei la captul nchis. nacesteconditiivitezadecrestereaconcentratieidelubrifiantlanivelulfiecruipereteal capilarei este proportional cu diferenta dintre potentialul chimic n volumul capilarei si potentialele chimice de la nivelul peretilor capilarei. ( ) ( ) [ ]( ) ( ) [ ]2 221 11 c c acc c acntnt = =,(3.46) ncare( ) ( ) ( )c c c c c cn2 1, , reprezintpotentialelechimicealemoleculelordesurfactantnvolumul capilarei sila nivelulperetilor sculeiaschietoare si aschiei care se desprinde din piesa de aschiat, iar a1si a2 reprezintconstantedeproportionalitatedependentedetipuldelubrifiantsidenaturamaterialelorde constructie ale sculei aschietoare si ale piesei de prelucrat [MSO1981]. n punctelesituate n proximitatea curbei de echilibrua izotermei de adsorbtie, n care potentiale chimicededescompuneresemnificderivatiimicifatdepozitiiledeechilibru(reactiilededescompunere sunt dominante) datorit dinamicittii si continuittii procesului de aschiere, sistemul de ecuatii (3.4) devine: ( )( )c f c acc f c acntnt2 1 2121 1 11 = =,(3.48) ncare a1 si a2 prezintconstantadeadsorbtiesisuntsimilarecucoeficientiidetransferdesubstantn formadimensional.Dinrelatiile(3.48)prindeterminareaconstantelor a a2 1, (experimental)sepoate evalua timpul de adsorbtie a surfactantului la fiecare perete al capilarului si de asemenea se poate caracterizaactivitatea adsorbtiei la nivelul peretilor capilarei [HEN1994], [SKO1998], [GOM1998]. Prinatasareaecuatiei(3.45)lasistemuldeecuatii(3.48)seobtinemodelulhidrodinamicde caracterizare a sistemului de lubrifiant. 2222 1lckc c cznlDt t tm =++ ( )( )c f c acc f c acntnt2 1 221 1 11 = =,(3.49) Sistemuldeecuatiiestecompletatprinintroducereaconditiilor0 , 1 , 02 1= = = = n tlsi reprezint ecuatiile de evaluare a eficacittii de lubrifiere prin urmrirea variatiei concentratiei lubrifiantului (n procesul fizic combinat de adsorbtie - desorbtie) n zona de aschiere. 16 CAPITOLUL 4 PRINCIPIILE VSCOZIMETRIEI 4.1. PRINCIPIILE CURGERII PRIN CAPILARE Lacurgereafoartenceatafluidelorprintuburicapilare,sepoatepresupunecvscozitateanu este influentat de energia termica degajat de frecarea intern si de cresterea corespondent de temperatur. nacesteconditiiestevalabillegealuiPoiseuille,careconstituiebazadecalculadimensiunilor vscozimetrelor cu tuburi capilare si a determinrii vscozittii cu astfel de vscozimetre. Legea lui Poiseuille se exprim printr-o relatie cantitativ care coreleaz diferenta de presiune (P = P2 -P1)lacapeteleunuitubcapilarprincarecurgeunvolumdelichidscursnunitateadetimp Vt

, de dimensiunile tubului capilar - de lungime (L) si raza (r) - si de vscozitate dinamic a fluidului. LP rtV =84(4.1) Raza r, volumul V, lungimea L reprezint constante constructive, astfel se poate msura timpul t si presiunea P determinndu-se vscozitatea [SOL1958], [BRV1993]. LarelatialuiPoiseuillesepoateajungepornindu-sedelarelatialuiNavier-Stokes[SOL1958], [LES1991], [MUY1996], [PAN1976], [B2]. 4.2. PRINCIPIUL CURGERII LAMINARE N JURUL UNUI CORP RIGID N MICARE DE TRANSLAIE Determinareavscozittiisepoatebazapemsurarearezistenteiopusentr-unfluidvscosunui corpnmiscaredetranslatie.Seutilizeazuncilindru,obilsauundisc.Teoriaacestuimijlocde determinarepleacdelaipotezauneivitezemicidecurgere(numereRemici)sidelaneglijarea acceleratiilor [SOL1958], [PTZ1992], [MUY1996]. 4.3. PRINCIPIUL CURGERII LAMINARE N JURUL UNOR CORPURI ROTITOARE (CILINDRI COAXIALI, SFERA ROTITOARE, DISC ROTITOR) Larotireaunuicilindru,auneisfere,sauconnjurulaxeilorntr-unfluidvscos,miscarease transmitedelacorpulrotitorlastratuldefluidantrenatsiprinacestadelastratlastrat,nfluidulcare nconjoar corpul rotitor. Viteza unghiular a particulelor de fluid scade, n raport cu cresterea distantei de la suprafata corpului rotitor, atingnd valoarea zero la distant infinit de aceast suprafat. Pentrudeterminareavscozittiiestenecesarsseevaluezerezistentavscoasopusdefluid corpuluirotitor,respectiv,momentulforteirezistenteivscoase(MFv).Evaluareaforteirezistenteivscoase se poate obtine pornindu-se de la dimensiunile corpului rotitor, de asemenea de la ipoteza fundamental a lui Newton [SOL1958]. 4.4. PRINCIPIUL CURGERII NESTATIONARE N JURUL UNUI CORP OSCILANT Msurareavscozittiiavndcabazprincipiulcorpuluioscilantnmediuvscossereducela msurarea fortei de rezistent opus de mediu, fie determinnd valorile succesive ale amplitudinilor, si deci descresterealor,fiemsurndpeocaleoarecareenergianecesarpentruntretinereamiscriivibratorii mpotriva efectului de amortizare al rezistentei vscoase a mediului [SOL1958], [ZVB1995], [EGR1995]. 17 4.5. TEHNICA DE MASURARE A VSCOZITATII Aparateleutilizatepentrumsurareavscozittiidinamice,cinematicesiconventionalesepot clasifica n functie de principiul de functionare, de principiul constructiv, de mrimea msurat si de precizia obtinut la msurare [SOL1958], [BRV1993]. Principiuldefunctionarealvscozimetrelorestereprezentatdetipuldecurgerefolositpentrua pune n evident mrimile de msurat. n raport cu acest considerent, vscozimetrele se clasific astfel: vscozimetre a cror functionare are la baz curgerea laminar ntre dou fete plane; vscozimetreacrorfunctionarearelabazcurgerealaminarntubcapilarcarese submpart n vscozimetrecapilaregravitationale(fortacaredetermincurgereaeste,greutatea proprie a lichidului) vscozimetre capilare cu presiune,vscozimetre a cror functionare are la baz curgerea laminar n jurul unui corp rigid n miscare de translatie; vscozimetreacrorfunctionaresebazeazpecurgerealaminarnjurulunorcorpi rotitori (vscozimetre de rotatie) vscozimetreacrorfunctionarearelabazcurgereanestationarnjurulunuicorp oscilant (vscozimetre de oscilatie), vscozimetre a cror functionare se bazeaz pe amortizarea vibratiilor unui corp vibrant, vscozimetre a cror functionare se bazeaz pe curgerea radiala n raport cu principiul constructiv vscozimetrele se clasifica astfel: vscozimetre cu band; vscozimetre cu capilar; vscozimetre cu corp cztor sau n miscare fortat vscozimetre cu orificiu de scurgere n raport cu mrimea determinat vscozimetrele se potclasifica astfel, aparate pentru determinarea vscozittii dinamice, aparate pentru determinarea vscozittii cinematice aparate pentru determinarea vscozittii caracteristice, aparate pentru determinarea caracteristicilor reologice ale materialului analizat n raport cu nivelul preciziei de msurare urmrite vscozimetrele se clasifica astfel: vscozimetre de laborator, absolute, relative vscozimetre tehnice. n raport cu modul de afisare a rezultatelor vscozimetrele se clasific n: continue; discontinue 18 CAPITOLUL 5 EVALUREA PARAMETRILOR CARE CARACTERIZEAZ CURGEREA FLUIDELOR 5.1. VSCOZITATEA FLUIDELOR REALE n dinamica fluidelor reale se iau n considerare n afara fortelor de mas si de fortele de presiune, fortele de frecare, care nu-si au sediul n interiorul fluidelor. Unfluidspredeosebiredeuncorpsolid,nupoates-sipstrezeformasubactiuneaunorforte exterioaredeforfecare.nechilibrustatic,fluidulnupoatesustinefortedeforfecare,cicedeazcontinuu acestor forte orict de mici ar fi. n fluidele reale n miscare se nasc tensiuni tangentiale. Fenomenul apare ca rezultat al unei frecri ntre particulele componente ale fluidului. A)LEGEALUINEWTON.VSCOZITATEABSOLUT.TENSIUNETANGENIAL, GRADIENT DE VITEZ (REOPANT) LegealuiNewtonesterelatiadebazaadinamicii fluidelor. Pentru a ajunge la aceast relatie, se poate presupune o mas de fluid cuprins ntre dou placi solide (fig. 5.1), una fix (1)siunamobil(2).Placamobilsemisccuoviteza

v .Un stratfoartesubtiredefluidvaaderlaplacafixinferioar,a creivitezaestezero.Unaltstratvaaderalaplacasuperioar mobil primind viteza acestui strat,

v .Se poate presupune n continuare c fluidul este dispus n straturi paralele suprapuse si c nu apar miscri neregulate ale fluiduluicare,ssesuprapunpestecurgereasaplanparalel. Fiecarestratdefluidtrebuieconsideratcaoportiunea fluiduluidegrosimefoartemic(carenraportcuconstitutia molecularacorpuluipoatefiprivitcaunstratdemoleculede grosime egal, cu diametrul efectiv al unei molecule). Straturiledefluidsemisc,fiecare,nparte,cao singurunitate.Diferitelestraturialefluiduluisevormisccu viteze de mrimi diferite si pe directii paralele (fig. 5.2).Dac F este forta necesar pentru a mentine curgerea si decipentruadeterminalunecareastraturilorsuprapuse, nvingnd rezistenta intern a fluidului, iar dac A reprezint aria suprafetei plcii n contact cu fluidul, tensiunea de forfecare va fi: AF= . (5.1) n cazul n care distributia vitezelor nu este liniar, ca n conditiile reale (fig. 5.3), tensiunea tangential variaz de la punct lapunct.Seconsidermrimeinfinitezimalsisescriepentru cazulgeneralalfluidelor,ncareexistproportionalitatentre tensiune si variatia vitezei normal. LnvdAdF

= = sau dAnvdFL = ,(5.2) n care reprezint tensiunea tangential, dF reprezint elementul de fort de frecare, dA elementul de arie a suprafetei de separare dintre cele dou straturi, reprezint vscozitatea dinamic, hvnvhL0lim=. Fluidele a cror vscozitate nu se modific n raport cu tensiunea aplicat se numesc newtoniene. Fluidele a cror viscozitate se modific cu tensiunea se numesc nenewtoniene [SOL1958], [KAS1963], [A1], [NEN1979]. Fig. 5.1 Reprezentarea curgerii unui fluid ntre dou plci: 1 - placa fix; 2 - placa mobil Fig. 5.2 Reprezentarea vitezelor a dou planuri paralele ale fluidului n curgere Fig. 5.3 Distributia real a vitezelor de curgere a straturilor fluidului 19 5.2.ELEMENTE DE REOLOGIE Reologiaseocupcustudiulsolicitrilorsiarspunsuluicorpurilorlasolicitrimecanice.De asemeneareologiastabilestemodelematematicecareformeazfunctiaderspunsaunuicorpsupusla solicitri. Ofort mecanic sau unsistem de fortemecanice aplicat unui corpconducela miscarea acestuia. Miscareapoateconstadindeplasrisau/sideformri.ngeneral,deplasareanumodificpozitiarelativa elementelor care formeaz corpul, sar modific pozitia acestuia, n raport cu un sistem de referint exterior. Un corp este deformat dac, sub actiunea solicitrilor se modific forma sau/si volumul. n cazul solicitrilor, deformarea se desfsoar pn la atingerea echilibrului ntre fortele externe si forteleinterne, iar n cazul fluidelor, prin aplicarea unei forte anizotropice si neomogene, nu se ajunge la o deformatie de echilibru. Gradul de deformare se modific continuu n timp. Deformatia a crei valoare creste continuu si nu se mai recupereaz dup ndeprtarea fortei, se numeste curgere. Fluidele opun rezistente mici la deformare, iar fortele de frecare intern, care se formeaz n timpul curgerii diminueaz viteza de deformare. Sub actiunea unei forte, viteza de deformare rmne constant. Rspunsulcorpurilorlasolicitrimecaniceconstituieobiectuldebazareologiei.nraportcu propriettile corpurilor rspunsul poate fi [TVA1982]: neelastic (rigid) - deformatia este egal cu zero; perfect elastic - deformatia temporar, recuperabil; pur vscos - deformatia permanent, nerecuperabil; simultan elastic si vscos - deformatie partial temporar, partial permanent; succesiv elastic si vscos - deformatie temporar si/sau permanent; nevscoas - deformatie permanent pentru solicitarea egal cu zero. Mrimileprincipalecareoferinformatiicantitativeasupraefectelorprovocatedefortesunt reprezentatededeformatiaspecificsivitezadedeformare[TVA1982],[CAO1951],[FRE1964], [BRD1973]. 5.3. CARACTERISTICI REOLOGICE ACCEPTATE PENTRU FLUIDELE DE ACHIERE UTILIZATE N INDUSTRIA RULMENILOR Fluideledeprelucrarereprezintsistemereologicecuunmoddecomportarenespecial.Elesunt utilizatelatemperaturilemediuluincaresuntamplasateutilajeledeprelucrare,nspatiinchise,halesau chiarspatiinchisetemperate.nacestfelvscozitatea,celmaiimportantparametrualacestorfluidese modific foarte putin.Fluidele de aschiere nemiscibile cu apa n mod special prezint un component reologic vscoplastic fr prag de curgere, n apropierea punctuluidecongelare(mai exact ntre punctul de curgere si punctul de congelare). Acest comportament reologic este neaplicabil la temperaturile de lucru a acestor fluide (uleiuri). Fluidele de prelucrare,miscibile cu apa formeaz: emulsii lptoase (clasice) opace diametrul mediu al particulei (picturii de ulei)- 50100m gradul de dispersie 15005000 microemulsii (pseudoemulsii) translucide) diametrul mediu al particulei (picturii de ulei)- 1040m gradul de dispersie 600010000solutii transparente diametrul mediu al particulei comparabil cu diametrul moleculelor constituente Emulsiilenmodobisnuitprezintuncomportamentreologicnenewtonianvscoelastic.Darn conditiiledetemperatur sidesolicitaremecaniclaforfecaregeneratenprocesuldeaschiere, comportamentul reologic este de tip newtonian [BAC1967], [CRS1976]. 20 CAPITOLUL 6 CURGEREA TAYLOR-COUETTE 6.1. STABILITATEA CURGERII COUETTE 6.1.1. PROBLEMA FIZIC A CURGERII COUETTE Seconsiderunsistemdedoicilindricoaxialicareserotesciarnspatiuldintreei,interior cilindrului mare, exist un lichid incompresibil aflat n curgere circular stationar acceptat. Se va observa, nabsentavscozittii,cdomeniuldecurgeriacceptatenacesteconditiiestesuficientdelarg.Dac reprezintvitezaderotatieunghiularnjurulaxei(derotatie),ecuatiiledemiscareadmitc=f(r),r reprezentnddistantadelaaxaderotatiesipresupunecvitezelen directii radial si axial sunt egale cu zero. Dardacntreceidoicilindriesteprezentunlichidvscos, acestdomeniudevinerestrictiv,nfaptnabsentaoricruigradientde presiune transversal, forma acceptat a vitezei de rotatie unghiular cu cel mai largcadru de generalizare este ( )2/dr B A r + = ,(6.1) ncareAsiBreprezintdouconstantecaresereferlavitezele unghiulare1si2cucareserotesccilindrulinteriorsicilindrul exterior. Probleme importante urmrite sunt : careesteconditianecesarsisuficientdestabilitatea curgerii ce implic distributia vitezelor de rotatie unghiular redat de ecuatia (6.1) (n absenta vscozittii cnd (r) poate fi o functie arbitrar de r); care este conditia pentru fluidele nevscoase, care respectnd ecuatia (6.1) ar putea fi aplicabil si pentru fluidele vscoase. 6.1.2. CRITERIUL LUI RAYLEIGH Rayleighastabilitcnabsentavscozittii,conditianecesarsisuficientpentrucadistributia vitezei unghiulare ( r )s fie stabil, este ( ) 02 2> rdrd,(6.06) oriundenintervaluldedefinitiesincontinuareastabilitcadistributiavitezeiunghiulare(r)este nestabil dac r22 ar scdea oriunde n acest interval. Dac se consider efectul de vscozitate determinant asupra stabilittii curgerii descrise cu ajutorul relatiei(6.1),naprecieregeneral,estedeasteptatcastareadeinstabilitatesaparnspatelepunctului prevzut prin criteriul lui Rayleigh, iar acest fapt pentru o constant Kk dat, presupune ca factorul: ( )( )( )2224 211/ 1 14BB A ABbb a ab respectnd conditia2B Ab a >, care intervine n discriminantul lui Rayleigh trebuie s depseasc o anumit valoare critic care depinde de vscozitateacinematiccinsiderazar2,naintedenceperea(instalarea)striideinstabilitate.Mrimea (numrul) adimensional cu termenii n care criteriul de stabilitate poate fi exprimat astfel este, ( )( )( )222412211/ 1 1 4BB A AcinNbb a ar T =.(6.32) Aceastaestedenumireaproprie(consacrat)anumruluiluiTaylor,pentruaceastproblem. PentruvalorialemrimiloraA sibB considerate,instabilitateavafiinitiat(sevainstala)pentruunanumit numrTaylorcritic,TcNiarproblemacentralaacestuisubiectestereprezentatdedeterminareaacestui numr Taylor critic TcN ca functie dependent de bB si aA, n care12=Aa iar 21rrbB= . Fig. 6.1 Reprezantare schematic a unai celule Couette cu cilindri coaxiali 21 CAPITOLUL 7 POTENIALUL DE ELECTROD LA ECHILIBRU 7.1.EXPRIMAREA TERMODINAMICA POTENIALULUI DE ELECTROD LA ECHILIBRU Potentialul de electrod are aceeasi form ca ecuatia termodinamic general a fortei electromotoare al unui sistem electrochimic Z M LK B AnZnMnLnKnBnAa a aa a azFRT + = ln0 ,(7.19) cu diferenta c include activittile substantelor care particip la reactia de electrod respective, n care R este constantagazelorrare,FesteconstantaluiFaraday,TreprezinttemperaturamsuratngradeKelvin,z estesarcina,c0estepotentialulnormaliaraesteactivitateafiecreispeciichimice,reactantiA,BKsi produsi de reactie L, M, Z. Potentialuldeelectrodstandardcorespundepotentialuluireversibildeelectroddacactivitatea fiecruiparticipantlareactiadeelectrodesteegalcuunitatea,ai=1saudacai=i(i=A,BK,pentru reactanti i= L, M, Z), dar produsul matematic al activittilor participantilor este egal cu unitatea. 7.3. POTENIALUL DE SARCIN ZERO 7.3.1 DEFINIIA CONCEPTELOR DE POTENIAL DE SUPRAFA NENCRCAT I POTENIALDE SARCIN ZERO A METALELOR EstecunoscutdinecuatialuiLippman[ANT1977]clamaximulcurbeideelectrocapilaritate, sarcina de pe suprafata metalului va fi zero. (de aceea mai este numit si punctul zero ncrcat sau potentialul de sarcin zero). n acest sens Ostwald a presupus c la maximul curbei de capilaritate a mercurului nu doar sarcina depesuprafatametaluluiesteegalcuzero,darsipotentialulesteegalcuzero.Deoarecepotentialulla maximul curbei de electrocapilaritate pentru mercur n solutie de substant capilar-inactiv, este aproximativ -0,20 V pe scara hidrogenului urmeaz, ca n acord cu observatiile lui Ostwald, pentru obtinerea potentialului absolutalunuielectrodssescadvaloareade-0,20Vdinvaloareapotentialuluideelectroddepescara hidrogenului[ANT1977],[FAC1974].Potentialeleobtinutenacestmodnupotfiabsolute.Potentialul maximuluicurbeideelectrocapilaritateamercurului(saualaltuimetal)ntotdeaunacorespundecu potentialuldesuprafatanencrcatproprie.Aceastvaloareapotentialuluipoatefidenumitpotentialul suprafeteinencrcate(saufrsarcin)sisenoteazcu 0 = q .Aceastvaloarepartial,valoarepartiala particulei potentialului unei suprafete nencrcate se poate denumi punctul nul (sau zero) si este notat cu N. Punctul nul poate fi de asemenea exprimat n termeni de potentiale Volta, PtL PtM LM N N LM + + = .(7.36) n acest caz potentialul Volta, metal-solutie trebuie s satisfac n mod strict cantitatea definit (LM N )corespunznddiferenteipotentialelorexternedintreunmetalsisolutialui,ncarepotentialul metalului este egal cu punctul nul. Punctul nul astfel determinat a fost ales ca punctul zero pe scara corelativ sau scara a potentialelor propuse de Antropov [MUR1986]. Potentialuln scara corelativ este definit ca diferenta dintre potentialul unui electrod n conditii date si punctul nul, N = .(7.37) Ceidoitermenidinparteadreaptaecuatiei(7.37)trebuieexprimatipeaceeasiscar(ex.scara hidrogenului). Valoarea potentialului este independent de scara relativ aleas arbitrar. Deoarecevalorilepotentialului N pentrudiferitemetale,fiecaremetalvaaveapropriasascar corelativbazatpepunctulzero.Scarasauscaracorelativapotentialeloresteastfeldiferitdeorice scarapotentialelorarbitrarsiabsolut.Aceastdistinctieestecuclaritateevidentiatdecompararea potentialelorstandarddeelectrodalectorvametalepescrilehidrogenului,absolutsiscararedus [ANT1977]. 22 CAPITOLUL 8 DESCRIEREA APARATULUI TAYLOR-COUETTE CILINDRIC PRINCIPII GENERALE Efectuareacercetrii,referitoarelaurmrireacomportriireologicesi tribologicenfunctiedemaimultiparametri,dintrecareceimaiimportanti,n acest caz, fiind considerati parametrii chimici, a determinat alegerea unui anumit tip de aparat pentru desfsurarea testelor. n urma analizrii datelor provenite din literaturatehnic,aparatulTaylor-Couettecucilindriicoaxialirotitoriafost considerat cel mai indicat pentru realizarea acestei cercetri. AlegereaaparatuluiTaylor-Couettecucilindricoaxialirotitoriafost stabilit n functie de urmtoarele considerente: capacitatedetestareattafluidelornewtonienectsituturor tipurilor de fluide nenewtoniene, evaluareaparametrilorreologiciaifluidelorlavitezedecurgere cuprinse ntr-un domeniu mare de valori, utilizareapentruapreciereacurgeriiacriteriuluiadimensional Taylor, posibilitateautilizriimaimultormetalepentruacoperirea cilindrului antrenat care ar putea influenta curgerea, fiind posibil evaluarea efectelor acestor influente asupra curgerii, posibilitateastudieriiefectelorchimiceasupracurgeriifluidului ntre cei doi cilindri rotitori, posibilitatea studierii curgerii fluidului n stratul limit, corelareacomportamentuluiunorlubrifianticubazapoas(fludeledeaschiere)ncurgerea Couette, cu comportarea tribologic n functionare n conditii reale. nstratuldefluidformatntredouplciparalele,ntrecarecurgefluidulanalizat(sinconditiile, n care cel putin una dintre plci este mobil), mrimea fizic guvernant este tensiunea de forfecare bidimensional, care actioneaz n interiorul lichidului, n fiecare punct (si la nivelul interfetei cu peretele plcii). Dac presiunea de antrenare a fluidului se consider constant n orice punct din volumul considerat si se consider c fluidul se deplaseazprinintermediulunorliniisausubstraturiparalele,vscozitateasepoateconsideracafiindegalcu raportuldintretensiuneatangentialdeforfecarelanivelulpereteluisivitezadeforfecare[MAU1994],[PAN1990], ijij

= ,(8.1) ncarereprezintvscozitateadinamic(saucoeficientuldevscozitatelaforfecaresimpl),ijreprezint tensiunea tangential si ijreprezint viteza de forfecare. 8.1. DESCRIEREA VSCOZIMETRULUI COUETTE-HARPER 8.1.1. PRINCIPII CONSTRUCTIVE Principial considerat, compartimentul de msurare al acestui aparat este format din doi cilindrii coaxiali, dintrecareunulestemobil.ntresuprafatainterioaracilindruluiexteriorsisuprafataexterioaracilindrului interior se introduce fluidul asupra cruia se efectueaz msurtori reologice [CTO1991], [TOO1994], [JEH1996]. 8.1.2. PRINCIPII FUNCIONALE Problema Taylor-Couette se refer si la curgerea fluidelor ntre doi cilindri care se misca independent.Curgereantreceidoicilindriesteremarcabildeoareceprincrestereatreptatnceatavitezei cilindrului antrenor se pot evidentia n mod tot mai pregnant straturile de fluid siformatiunile individuale a cror complexitate se mreste, n volumul fluidului. n figura 8.2 este reprezentat geometria Taylor-Couette si zona de curgeredintreceidoicilindrirotitori.napropiereatranzitiei,existmotivecerutedefizicpentrunlocuirea numrului original Re cu un alt parametru, numrul Taylor, care caracterizeaz ntr-o msura mai exact acest tip de curgere. Numrul Taylor, n care 1 2r r d = , are urmtoarea expresie:212222 221 12414r rr r dTcina .(8.4) Fig.8.2 Geometria Taylor-Couette. Zona de curgere a fluidului dintre cei doi cilindri 23 CAPITOLUL 9 DESCRIEREA APARATULUI TAYLOR-COUETTE CILINDRIC CONSTRUIT PENTRU EFECTUAREA CERCETRII ASUPRA LUBRIFIANILOR PROPUNERE DE BREVET 9.1. CARACTERISTICI FUNCIONALE Propriettile reologice ale fluidelor newtoniene si nenewtoniene sunt n mod obisnuit caracterizate princurbeletensiuniideforfecarenraportcuvitezadeforfecare.Acestecurbeseobtinnmodfacilprin intermediul vscozimetrului cu cilindri coaxiali rotitori [BUW1996], [BAQ1998]. Se pot evidentia caracteristicile de functionare pentru acest tip de vscozimetru:a)Posibilitatearealizriiuneivitezederotatiedeantrenarecontinuu-variabilnintervalulde viteze ntre zero si valoarea maxim. b)Utilizarea unui traductor de cuplu forte care ar trebui s asigure o fort de restaurare ce permite evidentiereamiscrilorneglijabilealefluiduluinperioadelederepausalsistemuluide antrenaresicareestecapabilsefectuezemsurtorintr-undomeniufoartelargdevaloriale cuplului de forte, fr a fi necesar nlocuirea unor subansamble n componenta echipamentului. Dispozitivul utilizat n mod obisnuit, cel cu srm de torsiune are dezavantajul c la vitezede rotatiemarialecilindruluiantrenatpotfiinduseoscilatiinmiscarecilindruluiantrenor.n aceast situatie erorile de msurare a vscozittii si altor parametri reologici sunt mari.c)Posibilitatea nregistrrii automate a curbelor, a cuplului de forte n raport cu viteza de rotatie a cilindrului antrenor si a cuplului de forte n raport cu timpul la vitez constant. d)Alegereapozitiilorcilindruluiantrenor-cilindruantrenatnansamblulformatdecilindri interiorsiexteriorpentruastabilireadesfsurriiexperimentelorsinregistrarearezultatelor. Solutiaconstructivmaiavantajoasesteaceeacucilindrulexteriorantrenor.Sepotutiliza cilindriinterioriantrenaticudiametrediferitepentrustudiereainfluenteigrosimiispatiului (interstitiului) dintre cilindri asupra curgerii fluidelor. e)Grosimea spatiului interstitial nu trebuie s aib o valoare mai mare de10% din raza cilindrului pentruaminimizaincertitudineadistributieivitezelordeforfecareafluidelornenewtoniene testate si pentru a reduce cresterea temperaturii n fluid, determinat de disiparea vscoas. Pentrumbunttireamoduluidemsuraresepropuneeliminareatuturorfrecrilorparaziteale cilindruluiantrenatprinnlocuirealagrelorcurulmenticuunlagrgazostatic[PAB1980],[BOT1990], [PMT1977].Se propune realizarea unui aparat care s functioneze n trei tipuri de regimuri de functionare: 1.Accelerarea cilindrului antrenor, n miscare liber pn la atingerea turatiei constante. 2.Frnareabruscacilindruluiantrenor(lamomentulatingeriidectrecilindriaturatiilor constante) pentru msurarea variatiei turatiei cilindrului antrenat pn la oprire. 3. Ancorarea cilindrului antrenat cu un arc de tractiune. 9.2. CARACTERISTICI CONSTRUCTIVE ConsiderenteleexpusencapitolulanterioraustatlabazaproiectriisiconstituiriiAparatului Taylor-Couette, cu cilindri coaxiali rotitori. Au fost stabiliti parametrii, raportul razelor, raportul de aspect si raportul vitezelor, n vederea domeniului de aplicatie n regimul de stabilitate a curgerii Couette. Acestaparatesteutilizabilpentrudeterminareavscozittiidinamiceladiferitetemperaturisi pentru determinarea unor parametri reologici caracteristici, att pentru fluide newtoniene ct si pentru fluide nenewtoniene. Deoarece cilindrul interior antrenat este interschimbabil se pot analiza fluide cu un domeniu larg de vscozitate. Sestieclaacesteaparatecucilindrilorrotativi,dispusicoaxiali,miscareacilindruluiantrenat trebuiesfieafectatctmaiputindefrecrileparazitedinlagre(pentruafiinfluentatctmaiputin exactitatearezultatelor).Astfel,afostproiectatsiconstruitunaparatncareaufostminimizateaceste frecri,eledevenindneglijabile,nlagruldesprijinsighidarealcilindruluiantrenatprinutilizareaunui 24 lagrgazostatic[BOB1979],[PAB1980],[BOB1994].Acestaparatse bazeaz pe principiul de functionare Taylor-Couette (a cilindrilor rotitori dispusi coaxiali).Aparatul este prezentat n figurile 9.1 si 9.2. Figura 9.1 prezint imagineaschematicaceluleidemsurareformatdindoicilindri rotativicoaxialincarecilindrulexterior(1)estecilindrulantrenoriar cilindrulinterior(2)estecilindrulantrenat.Cilindrulinterior(2)este suspendatpeunlagrgazostatic(3).Cilindrulexteriorantrenor(1)este actionatprintr-otransmisiecucurea(4)dectreunmotorelectricde curentcontinuucuturatievariabil(5),dupcumseobservnfigura 9.2.nmiscareasa,cilindrulexterior(1),prinintermediulfluidului analizat, situat n spatiul dintre cei doi cilindri (6), care reprezint celula demsurareaaparatului(7),antreneazcilindrul interior (2). Obtinerea ntregiigamedevitezepropuse0,05-500(rot/min)pentrucilindrul antrenor,esteposibilprinutilizareaunuiansamblude2reductoare armonice(8)ceactioneazroatadeantrenare(9),ghidatcuajutorul unui lagr (10). Ansamblul motor-reductoare este montat n mod rigid pe placa (11) care este fixat pe placa suport-general (12). Pentru msurarea vitezelorderotatiealecilindrilorseutilizeazunsistem opto-electronic formatdindoutraductoaredeturatie(13,14)siaparatuldeelectronic de numrare (15) [PBC2004]. Traductoruldeturatiepentrucilindrulexteriorantrenor(13) este format dintr-un disc cu crestturi, solidar cu cilindrul antrenor. Zona crestturilorsedeplaseazfrcontactntr-unjugfix,prevzutcuo sursemitentderadiatieluminoassifotodiodreceptoare. Traductoruldeturatiepentrucilindrulantrenat(14)esteformat dintr-un cilindru cu crestturi, solidar cu cilindrul antrenat. Ca si laansamblulcilindruluiexteriorantrenorlaansamblul cilindruluiinteriorantrenatzonacrestturilorsedeplaseazfr contact ntr-un jug fix, prevzut cu o surs de radiatie luminoas siofotodiodreceptoare.Semnaleletransmisedeceledou traductoaresuntprelucratesimultansisuntpreluatedirectn programuldecalcul.Celedouturatiialecilindrilor,exterior (antrenor)(1)siinterior(antrenat)(2),depinddetensiuneade forfecaresicuvitezadeforfecare,dezvoltatenfluidulde analizat.Pentruasigurareauneitemperaturiconstantentimpul analizei,celulademsurareestetermostatatcuulei.Uleiul circulntrecelulademsuraresitermostatprinintermediul unor racorduri (16). De asemenea pentru mrirea acuratetei msurtorilor si aexactittiirezultatelor,aufostmontatemaimulteelemente de suspensie si amortizare (17). Obtinerea unei game mari de turatii se poate realiza utiliznd ambele reductoare armonice, un singur reductor armonic sau doar motorul electric de curent continuu cu turatievariabil.Elementulcelmaiimportantpentrumrireaacurateteimsurtorilorestelagrulgazostatic(3)formatdintr-un trunchi de con (18) solidar cu cadrul celulei de msurare (7), fixatpeplacasuport-general(12)prinpresaresiuntrunchide con (19), solidar cu cilindrul antrenat (2). Trunchiul de con (19) estesustentatgazo-staticprinintermediulaeruluicomprimat introdus pe la duzele prelucrate n trunchiul de con.PrinconectareacuuncalculatorPCaunittiidenumrareelectronicafostposibilrealizarea prelurii si prelucrrii automate a datelor.Figurileatasateprezintipostazefotograficealeacestuiaparat.Figurile9.3,9.7,9.12,9.15, prezintparatulTaylor-Couettecucilindriirotitori,mpreuncuechipamenteleanexecareaufost Fig. 9.1 15 14 16 75811891013 9 16 12 17164A A Fig. 9.2 25 identificateintoateacestepoze.Deasemeneaaufostprezentatereductoarelearmonice,fiecarecuraportul de reducere a turatiei de 1/80 n figura 9.12. Fig. 9.4 Fig. 9.7 26 Fig. 9.12 Fig. 9.15 27 Aparatul Taylor Couette cu cilindrii rotitori este n curs de brevetare si este prezentat in figura 9.17. Fig. 9.17 28 9.3. UTILIZAREA CILINDRILOR ACOPERII CU AUR, ARGINT, CUPRU, NICHEL, CROM I A CILINDRULUI DE OEL NEACOPERIT La curgerea fluidelorntrecilindrii rotativi concentrici, fortadeantrenare a cilindrului antrenor si fortavscoasseconsider,nliteraturadespecialitatecdetinpreponderentandeterminareamiscrii cilindrului antrenat. ns datorit tendintei inexistente sau diminuate de umectare de ctre ap pe care o detin metaleledingrupaaurului,aur,argint siplatin,s-aconsideratoportunstudiereaacesteiproprietticare probabil are capacitatea s induc aparitia efectului de alunecare a apei pe suprafata acestor metale. n acest scop s-au ales cinci metale, aur, argint, cupru, nichel si crom care au actiuni diferite fat de ap.Aurulnuesteumectatde ap,argintuleste slab umectat, cromul si nichelul desiaupotentiale chimice careardeterminaoreactiechimicdirectcuapa,suntpasivechimic,formndlasuprafatopelicul de oxidpasivchimic,avnduncoeficientdedilatatieegalcualmetaluluipropriu,insolubilnap [NEN1977]. Cuprul formeaz compusi cu stare de oxidare ridicat insolubili n ap, iar otelul este expus la actiunea de oxidare de ctre ap, mai ales n prezenta oxigenului dizolvat Influenta metalelor de acoperire a cilindrilor interiori asupra curgerii este prezentat comparativ n capitolul10. Utilitatea acestei cercetri are caracter teoretic, prin studiul influentei acestor metale asupra curgerii unorfluideapoase sistudiereaefectuluidealunecare, siuncaracterpracticreferitorlaobtinereaunor retetespecialealefluidelordeprelucrare,pentruindustriamecanicngeneral siindustrieiderulmentin special.Fluideledeprelucrareumecteazpieselentimpulprelucrrii.Eleinfluenteazconditiilede desfsurarealeprocesuluideaschiere.mpreuncustudiulpachetuluideaditivi,studiereaprocesuluide umectare poate conduce la cunoasterea si modificarea criteriilor de alegere a fluidelor de prelucrare (rcire-ungere) n functie de aplicatia dorit. S-au ales cilindri cu diametrul de 66 mm si cu rugozitatea suprafetelor de 0.20 m. Prin tehnologia dedepunerefizicnvid(ProcedeulPVD-Physical Vapour Deposition) s-au depus cele cinci metale, aur, argint,crom,nichel sicupru,pesuprafatacilindrilor.Fotografiiledinfigura9.15prezinttreidintreacesti cilindri, cu suprafata acoperit cu aur, argint si crom. 9.4. PROGRAMUL DE ACHIZIIE A DATELOR Aparatul Taylor-Couette cu cilindri rotitori utilizat n aceast cercetare, este echipat cu un sistem de traductori ai turatiilor celor doi cilindri exterior (antrenor) si interior (antrenat). Traductorulcilindruluiexterior(antrenor)esteformatdintr-undisccu crestturisolidarcu cilindrul siundispozitivopto-electronicformatdintr-unsistemdefotodiode(diodemittoare sidiod receptoare)caretransformmiscareacilindruluintr-osuccesiunedeimpulsurielectrice.Succesiuneade impulsuri electrice este preluat si transformat n turatie de ctre un aparat electronic de numrare (fig. 9.4, 9.14, 9.15). Traductorulcilindruluiinterior(antrenat)functioneaznacelasimod,darestecompusdintr-un cilindru cu crestturi si un dispozitiv opto-electronic format de sistemul de fotodiode. Conectarea cu aparatul electronicdemsurareestesimilarcuceaatraductoruluicilindruluiinterior.Succesiuneadeimpulsurin acelasi mod este transformat n turatie (fig. 9.4, 9.7). AparatulelectronicdenumrareesteconectatcuuncalculatorPCpentrupreluareasiprelucrarea datelor.Pentruobtinereaevolutieituratieinfunctiedetimp sipentrupreluareaacestordatenscopul prelucrriiulterioareafostconceputunprogramdedicatde achizitie.Acestprogramareposibilitatea prelurii valorilor turatiilor celor doi cilindri n evolutia miscrii lor la intervalul de timp ales. n acest mod se pot obtine curbele de variatie ale vitezelor celor doi cilindri, exterior (antrenor) si interior(antrenat),simultan.Datelesunttransferatentr-unprogramExcel,permitndprelucrarealor,cu facilittile oferite de acest program. 9.5. MODELUL MATEMATIC Miscareafluiduluidintreceidoicilindriaflatinmiscarecuvitezeunghiularediferiteeste determinatdeadeziunealasuprafetelecilindricesisedesfsoarsubformaunorstraturiconcentrice.Se faceipotezacmiscareaestelaminar,ipotezjustificatdefaptulcdiferentadintrerazelecilindrilor, 1 2r r este mic. n interfata definit de raza( )2 1, r r r se dezvolt forta de vscozitate ( de forfecare) vF

Se consider un strat cilindric oarecare aflat n miscare ntre doi cilindri coaxiali (fig. 9.19). Pentru ca acest stratspstrezestareademiscareestenecesarcamomentulforteicaredeterminsimentinerotirea 29 cilindrului rotitor s fie n echilibru cu momentul fortei de rezistent vscoas (din stratul cilindric). Aceast conditie este valabil n cazul aparatelor Taylor-Couette cu un singur cilindru rotitor. Seconsiderunstratcilindricoarecareaflatnmiscare ntre doi cilindri coaxiali (fig. 9.19). Pentru ca acest strat s pstreze stareademiscareestenecesarcamomentulforteicaredeterminsi mentinerotireacilindruluirotitorsfienechilibrucumomentul forteiderezistentvscoas(dinstratulcilindric).Aceastconditie este valabil n cazul aparatelor Taylor-Couette cu un singur cilindru rotitor. AparatulTaylor-Couettecudoicilindriirotitorieste guvernatdeechilibrulntremomentulforteidevscozitatesi momentul fortei cilindrului antrenat. Mrimea vFM amomentuluiforteidevscozitate vF

, corespunztoare razei curente r este, r F Mv Fv = .(9.1) Intensitateaforteidevscozitate,conformipotezeilui Newton,estedatdeprodusuldintrevscozitateadinamicpa fluidului, gradientul al vitezei tangentiale si aria A a suprafetei cilindrice corespunztoare razei curente r, A Fv = .(9.2) Gradientul vitezei tangentialerw u =n directie radial, normal interfetei, este, drdr = (9.3) iar aria interfetei considerate are expresiarh A 2 = .(9.4) n concluzie, mrimile fortei de vscozitate si a momentului acestei forte suntdrdhr Fv22 =(9.5) si drdr h MvF32 = .(9.6) Relatia(9.6)poatefiprivitcaoecuatiediferentialcu variabilelesi r separabile d hrdrMvF = 23 (9.7) care se integreaz cu respectarea conditiilor la limit c=c1, pentru r=r1, c=c2 pentru r=r2(9.8) prin gruparea termenilor si integrare se obtine: ( )1 2212221 121 =

hr rMvF. (9.10) Dinaceastultimrelatiesepotobtinemrimea momentuluiforteidevscozitatedezvoltatinspatiuldintreceidoi cilindri, ( )21222221 1 24r rr r hMvF= (9.11) sau vscozitatea dinamic a fluidului newtonian ( )( )2221 1 221224 r r hr r MvF = .(9.12) n cazul unui fluid nenewtonian relatia (9.12) rmne valabil definind ns vscozitatea dinamic aparent a . Pentruoaprecierectmaiexact,sepoatetinecontsidefortavscoascareapareinspatiulde fund,dintreceidoicilindri.nspatiuldedimensiunemico(fig.9.19)serealizeazomiscareafluidului Figura 9.19 Reprezentarea schematic a celulei Couette Figura 9.20 Reprezentareasectiunii orizontale a celulei Couette 30 datorat adeziunii acestuia la suprafetele celor dou discuri aflate n miscare de rotatie cu vitezele unghiulare diferite 2 1 , n jurul tuburilor cilindrice. Tensiunea tangential drdv =se poate scrie ( ) r1 2=,(9.13)deoarece grosimea este suficient de mic. n fig. 9.20 a fost reprezentat incrementul razei in zona de fund a celulei Couette, prin prezentarea sectiunii orizontale. Mrimea fortei elementare de vscozitate este ( ), 21 2 'dr rrA dFv = = (9.14) iar mrimea momentului total al fortelor de vscozitate fat de axa de rotatie este, ( ) ( )411 203 1 20'221 1'r dr rrrdF Mr rvFv == = . (9.15) Pentru determinarea vscozittii este necesar determinarea momentului fortei vscoase. Momentul fortei vscoase este n echilibru cu momentul fortei cilindrului interior-antrenat. = J McF, (9.16) ncareJestemomentulmecanicdeinertiealcilindruluiinterior-antrenatiarcesteacceleratiaderotatiea cilindrului. Momentul mecanic de inertie corespunde relatiei, I JiCM = ,(9.17) n care iCM este densitatea materialului de constructie al cilindrului iar I reprezint momentul geometric de inertie al cilindrului. Acesta a fost calculat prin nsumarea sau scderea momentelor geometrice de inertie ale sectiunilor geometrice ale cilindrului interior. n aceast situatie se respect principiul general care afirm c momentulgeometricdeinertiealunuicorpcomplex,poateficalculatprinadunarea si/sauscderea momentelorgeometricedeinertiealeunorformesimplegeometrice,componentealecorpuluicomplex [BOT1990].Astfel momentul fortei cilindrului interior este definit de relatia: = I MiCiCM F,(9.18) care este egal cu suma momentelor fortei vscoase vFMsi 'vFM , 'vviC FF FM M M + = ,(9.19) devine ( ) ( )411 222212221 1 224rr rr r hIiMC + = , (9.20) iar vscozitatea dinamic a fluidului newtonian poate ficalculat cu relatia: ( ) ( ) [ ]( ) =I r rr r r r hrCiM21222122412221 1 228.(9.21) ncazulunuifluidnenewtoniancasirelatia(9.12),relatia(9.21)rmnevalabildefinindns vscozitatea dinamic aparent a . Cuaceastrelatiesepoatecalculacuusurinttensiuneadeforfecaredezvoltatnmasadin fluid [RDL1980]. ( )2 21 21 22 12c cc cfr rr r = (9.22) Cunoscnd valoarea tensiunii de forfecare, se poate calcula valoarea vitezei de forfecaref . Scopul acestei faze a cercetrii reprezint determinarea caracteristicilor de vscozitate al aparatului Taylor-Couette cu cilindri rotitori proiectat si construit pentru aceast cercetare. 31 CAPITOLUL 10 ANALIZE EXPERIMENTALE Aparatul Taylor-Couette,proiectat si realizat, are un domeniu mai larg de utilizare fat de aparate similare cu ambii cilindri rotitori datorit: existentei sistemului de termostate a celulei Couette, posibilittii utilizrii unui numr nelimitat de cilindri interiori din orice tip de material, posibilittii utilizrii unui numr mare de tipuri de fluide, domeniului larg de turatie al cilindrului antrenor ntre 0,05500 rot/min. Acestaparataresensibilitatemaren msuraresirspunsrapidnfunctionare,datorit existentei lagruluigazo-staticcareareroldesprijinsirotire,eliminndpracticfrecrilecaracteristice lagrelor clasice. 10.1. CONSIDERENTE TEORETICE PRIVIND STABILIREA CONDIIILOR DE TESTARE AparatulTaylor-CouettecucilindrirotitoriafostrealizatdesocietateaRulmentulSABrasov,cu sprijinulfostuluidirectorgeneraling.SergiuGherasim.Acestaparatfostconceputpentrustudiigenerale asupratuturortipurilordefluide.Primasafunctieesteceademsurareavscozittiidinamice.Aparatul Taylor-Couettecucilindrirotitoriareposibilitateamsurriivscozittiidinamicentr-undomeniulargde temperatur.Cuechipareaactualpoatemsuravscozitatealatemperaturicuprinsentre10 si60C.Cu echipri auxiliare domeniul de msurare poate ajunge la intervalul 080C. A doua functie a acestui aparat este cea de reometru avnd posibilitatea de a evalua ctiva parametri reologici importanti ai fluidelor. DeasemeneaaparatulTaylor-Couettecucilindrirotitoriareposibilitateadirectdeaevidentia cteva efecte specifice, care apar n timpul curgerii fluidelor newtoniene: efectul de cavitatie, efectul Toms (alunecare n stratul limit), si a fluidelor nenewtoniene: efectul Weissenberg (ridicare pe cilindrul interior). 10.2. CONSIDERENTE PRACTICE ALE CERCETRII naceastcercetares-aurmritcapacitateaaparatuluideaevidentiacaracteruluireologicale fluidelor de prelucrare cu baz apoas (fluidele de rcire-ungere) si n particular testarea unor fluide de acest tip utilizate n fabricatia de rulmenti, msurarea vscozittii, variatiei ei n raport cu temperatura si cu forta de forfecare pentru fluidele nenewtoniene vscoelastice(emulsiile) . Scopulviitoralacesteicercetriesteurmrireamodificriiparametruluidelubricitate(sau lubrifiere)nfunctiedecomportamentulreologic sidemodificareacompozitieichimiceafluidelorde aschiere. Figur 10.1 32 Dateleobtinutepnnacestmomentaupusnevidentcapacitateafunctionalaaparatului Taylor-Couettecucilindrirotitori,stabilitatea,precizianmsuraresireproductibilitateavalorilor msurtorilor. . Parametrii care caracterizeaz acest tip de curgere sunt raportul razelor( )1 2/ r raT= , raportul de aspect( )1/ r haT= , raportul vitezelor( )1 2/ =aT si numrul adimensional Taylor (Ta). A fost ales un domeniu de msurare n care curgerea Taylor-Couette este stabil conform diagramei din figura 10.1 [BRS1998]. ncadrulcercetriis-aurmritcomportareareologicafluidelorntreceidoicilindri rotitori coaxiali, avnd diametre diferite.n acest scop:s-au construit cilindri antrenati cu diametrul exterior de 62, 66, 68, 69 si 69,6 mm, s-auconstruitctepatrucilindriinterioricudiametreleexterioarede66si68mm,avnd rugozittidiferitentre0,6si1,2m,pentrurealizareaunuistudiuviitorreferitorla dezvoltarea efectului Toms,s-au alesdou materiale metalicedincare au fost construiti cilindri interiori, OLC 45 si un aliaj cu 95% aluminiu si 5% zinc.s-auconstruitsasecilindriinteriorideotelcudiametrulde66mm.Pesuprafeteleacinci cilindri au fost depuse n mod controlat aur, argint, crom, nichel si cupru cu o grosime de 4 m. Acest proces a fost realizat la Institutul de Fizic Nuclear de la Mgurele. Rugozittile suprafetelor active ale acestor cilindri au aceeasi valoare, 0.20 m. Prin utilizarea mai multor metale diferite, s-au urmrit posibilele influente ale celor cinci metale asupra curgerii Taylor-Couette, lanivelulpereteluicilindruluiinterior.Deasemeneas-aurmritaparitiaunoreventualeinfluenten manifestarea efectului Toms. 10.3. DESFURAREA ANALIZELOR S-au ales pentru aceast cercetare dou tipuri de fluide miscibile cu apa: emulsia cu aspect lptos a unui fluid cu 70% ulei mineral n compozitie, avnd raportul de amestec fluid/ap, de 10/90 prti,solutia format de un amestec glicerin/ap n proportie de 10/90 prti. Au fost testate ambele tipuri de fluide. 10.3.1. ANALIZAREA EMULSIEI DE ULEI 10% IN AP Afostutilizati n testare, doarcilindri interiori de otel de 66 mmacoperiti cunichel, cuprusi cel neacoperitdeotel.Cilindrulexteriorantrenorarediametrulinteriorde70mm,iarnltimeasuprafeteide contact a cilindrului interior antrenat cu fluidul este de 174 mm. Au rezultat urmtorii parametrii constructivi: 636 , 2 /060 , 1 /11 2= = = =r hr raaTT S-a ales temperatura de lucru de 26C. Fluidulconcentratcucareseformeazemulsia,utilizatntestare,apartinefamilieif