1

UNIVERSITATEA DIN BRAOV

FACULTATEA INGINERIE TEHNOLOGIC

CATEDRA DESIGN DE PRODUS I ROBOTIC

Ing. Nicolae Adrian PLUAN

STUDII MECANO-CHIMICE ASUPRA FLUIDELOR DE

RCIRE-UNGERE ÎN PROCESELE DE PRELUCRARE

MECANIC A COMPONENTELOR RULMENILOR

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT CONDUCTOR TIINIFIC: Prof. Dr. ing. erban BOBANCU

Braov 2004

2

MINISTERUL EDUCIEI NAIONALE

UNIVERSITATEA ”TRANSILVANIA” DIN BROV 500036 BRAOV, 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: Preedinte: Prof. dr. ing. Noura – Barbu LUPULESCU Universitatea ”TRANSILVANIA” din Braov Conductor tiinific: Prof. dr. ing. erban BOBANCU Universitatea ” TRANSILVANIA” din Braov Refereni tiinifici Prof. dr. ing. Andrei TUDOR Universitatea ”POLITEHNICA” din Bucureti Prof. dr. ing. Valeriu Nicolae PANAITESCU Universitatea ”POLITEHNICA” din Bucureti Conf. Dr. ing. Rodica COZMA Universitatea ” TRANSILVANIA” din Braov

Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat: 10.12.2004, ora 1130, Sala Studio Design, Corp E, Colina Universitii ”TRANSILVANIA” din Braov

Eventualele aprecieri sau observaii asupra coninutului lucrrii va rugm s le transmitei, în timp util, la una din adresele e-mail, boban@rdslink.ro sau apalusan@lubrifin.ro sau la numrul de fax al Universitii ”TRANSILVANIA” din Braov.

3

PREFA

Problema fluidelor de prelucrare (rcire-ungere) va rmâne permanent o problema de actualitate. Diversitatea proceselor de prelucrare mecanic i în mod implicit i a proceselor de achiere este foarte mare i impune din ce în ce mai mult alegerea unor abordri tot mai mult particularizate prin obinerea unor fluide de prelucrare (rcire-ungere) specializate.

Familia fluidelor de prelucrare (rcire-ungere) reprezint un obiectiv important pentru majoritate companiilor productoare de lubrifiani. Programul de cercetare i testare este laborios i cuprinde multe etape. Aceste etape sunt, conceperea reetei iniiale, testarea pe standuri specializate i testarea pe instalaii pilot. În timpul derulrii acestor etape se elaboreaz reete paralele, care conin toi componenii sau doar o parte dintre acetia, pentru studierea interaciunilor sau a efectelor sinergice. De cele mai multe ori în aceast perioad a cercetrii sunt realizate teste pe instalaii semiindustriale sau industriale. În aceast faz a cercetrii apare în frecvente cazuri necesitatea modificrii reetei iniiale pentru obinerea reetei finale.

Exist standuri care caracterizeaz comportamentul tribologic care au ca principiu de lucru teste deja standardizate (de exemplu testul cu patru bile, testul Falex, testul Reinhard, testul Timken) dar exist standuri care caracterizeaz comportamentul tribologic i au ca principiu teste nestandardizate (de exemplu testul de filetare) În aceeai msura exist teste care caracterizeaz comportamentul chimic i comportamentul reologic. Nu se cunosc date în literatura tehnic de specialitate care s ateste o verificare sau testare a interdependenei între comportamentele chimic, reologic i tribologica ale fluidelor de prelucrare (racire-ungere).

Teza de doctorat elaborat se încadreaz în linia general de studiu i perfecionare a fluidelor de prelucrare (rcire-ungere) propunând:

• conceperea, proiectarea i executarea unui aparat de precizie (aparatul Taylor-Couette cu cilindri rotitori) care s asigure msurarea vâscozitii i evaluarea altor parametri reologici importani în caracterizarea fluidelor de prelucrare (rcire-ungere),

• evaluarea influenelor chimice a metalelor de acoperire a cilindrului antrenat asupra curgerii fluidelor de prelucrare (rcire-ungere) i a efectelor asupra parametrilor reologici care caracterizeaz curgerea utilizând acest aparat,

Autorul aduce pe aceast cale, calde mulumiri i îi exprim întreaga sa consideraie domnului Prof. dr. ing. erban Bobancu, în calitatea sa de conductor tiinific, pentru competenta îndrumare i pentru importantele sugestii date pe întreaga durat de elaborare a lucrrii.

O aleas consideraie este adresat conducerii societii LUBRIFIN S.A. Braov i în mod special domului director general Ing. Mihai-Ioan Costea, pentru suportul acordat în perioada stagiului de pregtire a lucrrii i pentru cadrul favorabil creat în dezvoltarea i elaborarea tezei.

Sincere mulumiri adresez domnilor refereni tiinifici pentru rbdarea de a analiza teza de doctorat, pentru aprecierile, sugestiile i observaiile aduse coninutului lucrrii.

Rezultatele eforturilor din ultimii ani sunt dedicate familiei mele pentru înelegerea i sprijinul acordat pe tot parcursul elaborrii tezei.

4

CUPRINS

Pagin: tez / rezumat

CAPITOLUL 1 Obiectivele i scopul lucrrii ........................................................................ 1 / 7

CAPITOLUL 2 Procese de achiere....................................................................................... 2 / 8 2.1. Aspecte generale ........................................................................................... 3 / 8

CAPITOLUL 3 Fluide de achiere –Aspecte generale........................................................... 5 / 9 3.1. Proprietile fluidelor de achiere................................................................. 7 / - 3.2. Clasificarea fluidelor de achiere .................................................................. 7 / -

3.3. Tipuri de fluide de achiere utilizate în prezent în industria rulmenilor ................................................................................................... 9 / -

3.3.1 Clasificarea fluidelor de achiere utilizate în procesele de prelucrare a componentelor rulmenilor ...................................................... 9 / -

3.4. Propunere privind mecanismele de funcionare a fluidelor de achiere....... 10 / 10 3.4.1. Procesul de rcire.......................................................................................... 11 / 10 3.4.2. Procesul de lubrifiere.................................................................................... 13 / 11 3.4.2.1. Mecanismul de desfurare 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 interfa în zona de achiere .................................................................................................... 21 / 14 3.4.2.2.1. Modelul matematic de formare a stratului de lubrifiant la interfa ............. 22 / 14 3.4.2.2.2. Analiza modelului matematic ....................................................................... 24 / - 3.4.2.2.3. Cazuri speciale ale soluiei problemei de adsorbie...................................... 25 / -

CAPITOLUL 4 Principiile vâscozimetriei ............................................................................. 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 în jurul unui corp rigid în micare de

translaie........................................................................................................ 31 / 16 4.2.1. Bila cztoare. Formula lui Stokes ............................................................... 32 / - 4.2.2. Coreciile pentru efectul de perete................................................................ 33 / - 4.2.3. Sfera fluid de gaz sau lichid........................................................................ 34 / - 4.3. Principiul curgerii laminare în 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 nestaionare în jurul unui corp oscilant .......................... 38 / 16 4.4.1. Oscilaii armonizate de frecare intern a mediilor vâscoase ......................... 38 / - 4.4.2. Principiul sferei oscilante ............................................................................. 40 / - 4.4.3. Principiul discului oscilant ........................................................................... 40 / - 4.5. Tehnica de msurare a vâscozitii ............................................................... 41 / 17

CAPITOLUL 5 Evaluarea parametrilor care caracterizeaz curgerea fluidelor..................... 42 / 18 5.1. Vâscozitatea fluidelor reale .......................................................................... 42 / 18

A.Legea lui Newton, vâscozitate absolut, tensiune tangenial, gradient de vitez (reopanta) ...................................................................................... 42 / 18

B.Vâscozitate cinematic, fluiditate, mrimi derivate.................................. 44 / - C.Ecuaiile fundamentale ale curgerii fluidelor ........................................... 45 / - D.Teoria lui Maxwell (relaxarea elastic a tensiunii i deformrii .............. 45 / -

5.1.1. Vâscozitatea lichidelor ................................................................................. 46 / - 5.1.1.1. Teorii referitoare la vâscozitatea lichidelor.................................................. 46 / - 5.1.1.1.1. Teoria lui Jäger............................................................................................. 46 / - 5.1.1.1.2. Teoria ondulatorie a vâscozitii .................................................................. 47 / -

5

5.1.1.1.3. Relaia lui Bacinski........................................................................................ 47 / - 5.1.1.1.4. Relaii exponeniale ....................................................................................... 48 / - 5.1.1.1.5. Teoria lui Frenkel .......................................................................................... 50 / - 5.1.1.1.6. Teoria vâscozitii gazelor dense i a lichidelor a lui H. Eyring ................... 56 / - 5.1.1.1.7. Teoria lui G. M. Pancekov ........................................................................... 60 / - 5.1.2. Parametrii care influeneaz variaia vâscozitii........................................... 65 / - 5.1.2.1. Variaia vâscozitii lichidelor în raport cu variaia temperaturii... ............... 65 / - 5.1.2.2. Variaia vâscozitii lichidelor în raport cu variaia presiunii ....................... 66 / - 5.1.2.3. Dependena vâscozitii de compoziia chimic ........................................... 67 / - 5.1.2.4. Dependena vâscozitii de variaia masei moleculare i a substanelor pure

nepolimere .................................................................................................... 68 / - 5.1.2.5. Influena izomeriei cis-trans asupra vâscozitii........................................... 69 / - 5.1.2.6. Vâscozitatea i fluiditatea soluiilor binare i ale amestecurilor................... 69 / - 5.1.2.6.1. Tipuri de curbe izoterme de vâscozitate ....................................................... 69 / - 5.1.2.6.2. Interdependena curbelor izoterme de vâscozitate ....................................... 69 / - 5.1.2.6.3. Expresia matematic a vâscozitii i a amestecurilor .................................. 70 / - 5.1.2.6.4. Vâscozitatea soluiilor de sruri.................................................................... 72 / - 5.2. Elemente de reologie .................................................................................... 73 / 19 A. Tipuri de solicitri mecanice i parametrii solicitrii mecanice............ 75 / -

A.1. Tensiunea .............................................................................................. 75 / - A.2. Deformaia ............................................................................................ 76 / - A.3. Viteza de deformare.............................................................................. 81 / - B. Relaia între tensiune i deformaie....................................................... 82 / - B.1. Coeficienii 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. Relaii între coeficienii de material ...................................................... 84 / - B.7. Relaii între coeficienii de vâscozitate ................................................. 84 / - B.8. Prag de tensiune .................................................................................... 85 / - C. Fluaj i 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. Ecuaii 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 de achiere utilizate în industria rulmenilor ..................................................................................... 111 / 19

CAPITOLUL 6 Curgerea 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 stabilitii curgerii Couette nevâscoas ................... 117 / -

6

6.1.3.1. Ecuaiile micrii în coordonate Lagrange ................................................... 118 / - 6.1.3.2. Ecuaiile micrii în coordonate Lagrange particulare ................................. 119 / - 6.1.4. Dezvoltarea analitic a stabilitii curgerii Couette vâscoas ........................................................................................................ 120 / -

CAPITOLUL 7 Potenialul de electrod la echilibru ............................................................... 123 / 21 7.1. Exprimarea termodinamic a potenialului de electrod la echilibru ............ 123 / 21

7.2. Mecanismul de formare al forei electromotoare i natura potenialului de electrod .................................................................................................... 126 / - 7.2.1. Diferenele de potenial în sistemele electrochimice .................................... 126 / -

7.3. Potenialul de sarcin zero. ........................................................................... 129 / 21 7.3.1. Definiia conceptelor ”Potenial de suprafa neîncrcat” i ”Potenial de

sarcin zero” ale metalelor............................................................................ 129 / 21 7.3.2. Metode de msurare i calculare a potenialului 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 capacitii difereniale ..................................................................... 136 / -

CAPITOLUL 8 Descrierea aparatului Taylor-Couette cilindric – principii generale ............ 137 / 22 8.1. Descrierea vâscozimetrului Couette-Harper................................................. 138 / 22 8.1.1. Principii constructive .................................................................................... 138 / 22 8.1.2. Principii funcionale...................................................................................... 139 / 22 8.1.2.1. Parametrii i ecuaii fundamentale. Curgerea Taylor-Couette 140 / -

CAPITOLUL 9 Descrierea aparatului Taylor-Couette cilindric construit pentru efectuarea cercetrilor asupra lubrifianilor – propunere de brevet ............................... 142 / 23 9.1 Caracteristici funcionale .............................................................................. 142 / 23 9.2. Caracteristici constructive............................................................................. 143 / 23 9.3 Utilizarea cilindrilor acoperii cu metale diverse.......................................... 155 / 28 9.4 Programul de achiziie a datelor .................................................................. 155 / 28 9.5 Modelul matematic ....................................................................................... 156 / 28

CAPITOLUL 10 Analize experimentale................................................................................... 161 / 31 10.1. Considerente teoretice privind stabilirea condiiilor de testare..................... 161 / 31 10.2. Considerente practice ale cercetrii............................................................... 161 / 31 10.3. Desfurarea analizelor ................................................................................. 163 / 32 10.3.1. Analizarea emulsiei de ulei 10% în ap ........................................................ 163 / 32 10.3.2. Analizarea soluiei de glicerin 10% în ap.................................................. 170 / 34

CAPITOLUL 11. Prelucrarea datelor experimentale obinute cu aparatul-propunere de brevet ............................................................................................................ 175 / 35

11.1. Emulsia de ulei 10% în ap ........................................................................... 175 / 35 11.2. Soluia de glicerin 10% în ap .................................................................... 176 / 36 11.3 Corelaii între comportarea reologic a fluidelor analizate i desfurarea procesului de achiere.............................................................. 178 / 37

CAPITOLUL 12. Concluzii generale ........................................................................................ 179 / 37

CAPITOLUL 13. Aplicaii conexe ale aparatului Taylor-Couette ............................................ 180 / 38

CAPITOLUL 14. Contribuii originale ..................................................................................... 181 / 39

CAPITOLUL 15. Valorificarea rezultatelor cercetrii .............................................................. 183 / 40

CAPITOLUL 16. Propuneri de perspectiv în cercetrile asupra comportrii lubrifianilor în curgereaTaylor-Couette ................................................................................. 184 / 40 BIBLIOGRAFIE ....................................................................................................................... 185 / 41

7

CAPITOLUL 1 OBIECTIVELE LUCRRII

Primul obiectiv al lucrrii este stabilirea legturilor între domeniile tehnice pe care le abordeaz teza, procesele de achiere, vâscozimetria i msurarea vâscozitii, curgerea fluidelor i procesele electrochimice.

Al doilea obiectiv (independent de celelalte) este reprezentat de evaluarea experimental a influenei naturii materialului asupra curgerii fluidelor cu baz apoas (reprezentate de fluidele de rcire-ungere).

Al treilea obiectiv, în fapt, principalul obiectiv este conceperea, proiectarea i realizarea unui aparat de precizie ridicat, pentru msurarea vâscozitii i a altor parametrii reologici ai fluidelor. Un asemenea aparat servete la stabilirea unor reete de fluide de achiere specializate pentru procesele de achiere.

Al patrulea obiectiv este stabilirea unui model matematic i a metodologiei de prelucrare a datelor culese cu acest aparat.

Al cincelea obiectiv este propunerea unui model matematic pentru procesele de lubrifiere i rcire care se desfoar simultan în timpul achierii.

A fost studiat un volum de documentaie tehnic conceput într-o perioad de timp relativ mare (1950-2003), preluându-se date importante relevante pentru obiectivul tezei de doctorat.

Ordinea de notificare a referinelor respect criteriul alfabetic, iar modul de notificare cuprinde iniiale ale numelui (sau numelor autorilor (în cazul în care exista mai muli autori)) la care s-au ataat cifrele anului de apariie a articolului de referina. Pentru exactitate s-au adoptat urmtoarele reguli pentru notificrile bibliografice,

• pentru un singur autor, alegerea primelor trei litere ale numelui i adugarea cifrelor anului de editare,

• pentru doi autori, alegerea primele dou litere ale numelui primului autor alturi de prima liter a numelui celui de al doilea autor i adugarea cifrelor anului de editare,

• pentru trei autori sau mai muli, alegerea primei litere a numelui primilor trei autori i adugarea cifrelor anului de editare,

• pentru acelai colectiv de autori i acelai an, la mai multe referine pentru difereniere, alegerea primei litere a numelui primilor trei autori, adugarea cifrelor anului de editare i adugarea suplimentar a literelor a, b, c, ... ,

• pentru colective de autori diferite dar cu acceai codificare i acelai an, alegerea primei litere a numelui primilor trei autori, adugarea cifrelor anului de editare i adugarea suplimentar a cifrelor romane I, II, III, IV, ... ,

• pentru publicaiile fr colectiv de autori dar cu an de editare, codificarea cu asteriscuri « *** » i adugarea cifrelor anului de editare,

• pentru mai multe referine fr colectiv de autori, cu acelai an de editare, adugarea cifrele romane I, II, III, IV, ...,

• pentru publicaiile fr colectiv de autori i fr an de editatre, codificarea cu asteriscuri « *** » împreun cu adugarea cifrelor romane I, II, III, IV, ...,

• pentru publicaiile parvenite prin internat utilizarea notaiei « www » urmat de grupul de cifre 01, 02, 03, .… .

8

CAPITOLUL 2 PROCESE DE ACHIERE 2.1. ASPECTE GENERALE

Realizarea în mod efectiv a unei piese cu o anumit configuraie se reflect prin generarea suprafeelor ei componente, ce o delimiteaz în spaiu i o definete ca un corp solid distinct. Aceast generare, indiferent de procedeul tehnologic utilizat, trebuie s permit obinerea formei, dimensiunilor, poziiei relative i netezimii suprafeelor piesei respective, în condiiile tehnice de generare precizate.

În industria constructoare de maini, generarea suprafeelor pieselor poate fi efectuat prin urmtoarele procedee tehnologice de generarea (prelucrare):

• turnare, • sudare, • deformare plastic la cald (laminare, forjare, presare, matriare), • deformare plastic la rece (laminare, tragere, presare, ambutisare, tanare, extrudare), • achiere.

Dintre acestea, procedeul care corespunde condiiilor de generare a suprafeelor pieselor pe maini-

unelte este prelucrarea prin achiere [OSM1981].

Procedeul tehnologic de generare (prelucrare) prin achiere a unei suprafee de form, dimensiuni, poziie relativ i netezire cunoscute, presupune c pentru începerea generrii, este necesar s existe o suprafa de început. Suprafaa de la care se pornete în generarea respectiv se numete suprafa iniial iar suprafaa obinut în urma generrii respective prin achiere se numete suprafa prelucrat.

În cazul procedeului tehnologic de prelucrare prin achiere, generarea suprafeelor prelucrate se produce prin îndeprtare. Adaosul de prelucrare este deci delimitat în spaiu de suprafeele iniiale, pe de o parte, i suprafeele prelucrate ale piesei finite care trebuie obinut, pe de alt parte. Rezult, c într-un caz dat de generare prin achiere, suprafeele iniiale au forme, dimensiuni i netezime bine definite i se afl într-o combinaie a poziiilor lor relative, încât delimiteaz în spaiu un corp solid, care constituie piesa iniial de la care se pornete în generarea respectiv.

Procedeul tehnologic de prelucrare prin achiere este procedeul de generare a suprafeelor, care st la baza construciei mainilor-unelte având drept scop generarea unei suprafee prelucrate prin îndeprtarea adaosului de prelucrare efectuat de tiul unei scule achietoare, care se deplaseaz relativ, fa de pies-semifabricat printr-o micare rezultant bine definit.

Definiia consemneaz dou aspecte fundamentale ale generrii prin achiere. Astfel, prelucrarea prin achiere presupune implicit îndeprtarea adaosului de prelucrare de pe semifabricat i aceast îndeprtare are loc, pe de o parte, numai datorit tiului unei scule achietoare (prezenei nemijlocite a acesteia la maina-unealt) iar pe de alt parte, numai datorit existenei unei micri relative între tiul sculei i semifabricat. În urma acestei micri relative, adaosul de prelucrare este îndeprtat succesiv sub form de achii.

Ansamblul fenomenelor fizice prin care se produce transformarea adaosului de prelucrare în achii, detaarea acestora i generarea suprafeei prelucrate se numete proces de achiere.

Procesul de achiere st la baza procedeului tehnologic de prelucrare prin achiere.

Fiecare procedeu de generare prin achiere în raport cu impunerea micrilor necesare la generarea suprafeei, conduce la stabilirea cinematicii mainii-unelte pe care trebuie s se execute generarea respectiv. În fapt fiecare procedeu de generare (prelucrare) prin achiere conduce, în raport cu cinematica procesului la un anume tip distinct de main-unealt [EPG1983], [HMT1982], [OSM1981].

9

CAPITOLUL 3 FLUIDE DE ACHIERE – ASPECTE GENERALE

Îmbuntirea proceselor de prelucrare i a utilajelor include viteze de prelucrare ridicate i implicit sisteme de alimentare corelate cu fluxurile de funcionare. De asemenea include utilizarea de oeluri i materiale metalice diversificate pentru sculele achietoare, pentru tipurile variate de operaii. Toate aceste elemente presupun o important îmbuntire a fluidelor de prelucrare pentru o varietate larg de operaii de prelucrare i condiii de prelucrare. În prezent fluidele de prelucrare conin o mare diversitate de ageni chimici specializai, destinai realizrii efectului de lubrifiere în diferite condiii de prelucrare, asigurrii stabilitii caracteristicilor fizice, chimice i reologice, i a obinerii proprietii de protecie antiuzur [HUN1984], [WIL1997]. Tribologia trateaz în detaliu aspectele generate de procesul de frecare care este implicat in procesele de achiere [BCC2000], [TUD2002], [BOC1995]. Utilizarea lubrifiantului asigur stabilitatea procesului de achiere împiedicând apariia modificrilor chimice la nivelul suprafeelor [PMT1977], [TUD1999].

Funciile principale a lubrifiantului în oricare din aceste operaii este preluarea cantitii de cldur degajat i îmbuntirea eficient a operaiei prin reducerea frecrii. În anexa C8 este propus un mecanism de lubrifiere al procesului de achiere considerat ca un sistem fizic independent.

Utilizarea unui lubrifiant adecvat are urmtoarele consecine: • prelungirea duratei de utilizare a sculelor achietoare i mrirea productivitii prin creterea

vitezelor de achiere la aceeai durat de utilizare a sculei achietoare, • obinerea unor parametri geometrici i de rugozitate superiori calitativ pentru suprafeele

prelucrate, • micorarea consumurilor energetice prin reducerea forelor necesare prelucrrii, • îndeprtarea rapid din zona de achiere a particulelor metalice formate, • protecia anticoroziv a pieselor prelucrate a sculelor achietoare i a mainilor.

O condiie foarte important în condiiile utilizrii unui fluid de achiere este cea de securitate fiziologica fa de operatori [COC1993], [MAN1993].

În funcie de specificul operaiilor de prelucrare i a materialelor prelucrate, se utilizeaz fluide de rcire ungere în urmtoarea diversificare tipologic:

• uleiuri nemiscibile cu apa, • fluide emulsionabile de tipul ulei/ap (U/A), • soluii apoase de compui organici sau anorganici, • suspensii sau paste de lubrifiani solizi.

Chiar dac teoretic ar fi posibil realizarea unui lubrifiant de prelucrare universal, utilizarea sa nu ar fi justificat economic.

În afara operaiilor clasice de prelucrare prin achiere s-au dezvoltat i s-au impus tehnologii de prelucrare neconvenionale:

• prelucrarea prin electroeroziune, • prelucrarea prin sintetizare, • prelucrarea materialelor ceramice i vitroase (sticle, cuar, pietre preioase i semipreioase), • prelucrarea cu laser. La aceste tipuri de operaii se utilizeaz fluide de prelucrare, specializate, cu caracteristici

dependente de natura produsului [HUN1984], [HEP1996], [HEG1996] [PCH1997], [FAV1998], [DCS1998]. Industria rulmenilor utilizeaz aproape toat gama de uleiuri de prelucrare nemiscibile cu apa.

Aceste uleiuri nu au vâscoziti mari. Uleiurile nemiscibile cu apa sunt utilizate preponderent la operaii de tragere, tanare, trefilare sau ambutisare sau alte operaii de deformare la rece.

Fluidele de prelucrare miscibile cu apa (atât cele care formeaz cu apa, emulsii lptoase i microemulsii cât cele care formeaz soluii) sunt utilizate în mod direct în industria rulmenilor. Operaiile de achiere importante în care aceste fluide au aplicaie, sunt în principal operaiile de strunjire i de rectificare [NAC1980], [GRE1980], [JOS1985], [OLD1973], [PPM1997].

10

3.4 PROPUNERE PRIVIND MECANISMELE DE FUNCIONARE A FLUIDELOR DE ACHIERE – MODELUL TEORETIC

Proprietile de lubrifiere i rcire alturi de proprietatea de splare (preluare i transport a achiilor i a particulelor piatr abraziv) reprezint cele mai importante caracteristici implicite ale fluidelor de prelucrare (achiere). În continuare se prezint propunerile autorului privind un model teoretic de funcionare a fluidelor de achiere. Modelul are în vedere desfurarea (simultan) a proceselor de rcire i lubrifiere. Relaiile (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 Pentru asigurarea condiiilor rcirii în cadrul operaiilor de achiere clasice, pentru ameninarea

stabilitii fizico-chimice i pentru asigurarea caracteristicilor tribologice, se utilizeaz cu predilecie alimentarea cu jet liniar cu diferite unghiuri de inciden [NEB1998].

Fora estimat, exercitat de jet suprafeei este: e

JeJe vAF βρ sin2 ⋅⋅⋅= , (3.1)

în care AJe reprezint aria la ieire a jetului de fluid, ρ reprezint densitatea fluidului, vJe reprezint viteza la ieire a jetului de fluid i βe reprezint unghiul de ieire a jetului de fluid, în raport cu planul axial al suprafeei principale (care caracterizeaz zona de achiere).

Fluxul de energie termic transmis prin convecie fluidului de rcire se mai poate determina cu ajutorul relaiei:

( )adconvconvconv

nconv nq θθαθλ −=

∂∂−=

ΓΓ

, (3.4)

în care λn reprezint conductivitatea termic a metalului de construcie a piesei, n reprezint direciile ortogonale (x, y, z), αconv reprezint coeficientul parial de transfer termic al materialului de construcie a piesei, Γconv reprezint conturul piesei, θad reprezint temperatura local adiabatic în valoare medie egal cu temperatura ambiental deoarece procesul de transfer termic se consider adiabatic iar acest caz numrul (adimensional) Biot (care definete separaia dintre procesul de transfer termic prin convecie natural sau liber, de procesul de transfer termic prin convecie forat) este ncconv hBi λα /⋅= (hc reprezentând

grosimea caracteristic a piesei metalice), iar convΓθ reprezint temperatura în procesul de achiere definit pe

conturul piesei [KFN1986], [MDU1990]. Numrul Nusselt mediu, în d reprezint diametrul interior al duzei, se poate calcula în raport cu

coeficientul de transfer termic mediu ( )α ,

f

duN

αα ⋅= , (3.9)

Cunoscându-se cderea de presiune de-a lungul duzei (∆P), densitatea fluidului de achiere, cldura specific, conductivitatea termic i coeficientul de transfer de cldur în regimul forat de transfer termic (caracterizat de criteriul Nusselt) se poate determina puterea mecanic de împingere a jetului de fluid care caracterizeaz nu numai procesul de rcire ci i procesul de transport al achiei i procesul de lubrifiere [NSP1998].

( )adhconvq θθα −= ,

( )adhmt

conv cmq θθ −⋅⋅= , (3.10) în care cm reprezint cldura specific masic iar mt debitul masic

( )adhm

convt

cq

mθθ −

= . (3.11)

În aceste condiii puterea mecanic se definete cu expresia:

Pm

Pt

mec ∆⋅=ρ

. (3.12)

Presiunea diferenial se poate msura între punctul central situat pe seciunea de curgere a duzei i 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 Modelul de penetrare în zona de interfa în timpul prelucrrii

prin achiere include trei faze principale: • adsorbia capilar; • explozia micropicturilor; • umplerea prin lubrifiere a capilarei cu faz gazoas.

Se consider procesul de distrugere a materialului ductil la prelucrarea prin achiere la formarea achiei care se mic de-a lungul suprafeei de degajare a sculei achietoare. În acest caz aciunea de lubrifiere se datoreaz penetrrii de ctre fluidul de achiere (PA) la frontiera scul-achie prin intermediul unei reele dinamice de capilare de interfa .

Cel mai semnificativ mod de abordare tribologic se realizeaz prin considerarea direciei capilarei în direcia de micare a lubrifiantului, de-a lungul zonei de interfa, începând cu punctul de la care achia prsete suprafaa sculei achietoare pân la muchia tietoare (fig. 3.2). Fiecare dintre aceste capilare în mod evident posed urmtoarele proprieti:

• este deschis la captul dinspre spaiul ambiental • partea capilarei aparintoare achiei se deplaseaz cu vitez

egal cu viteza lubrifiantului, iar cealalt poate rmâne imobil

• temperatura pereilor canalului (capilarei) este aproximativ egal cu temperatura medie de contact,

• pereii capilarei sunt proaspt formai, foarte curai i prezint suprafaa activ-chimic. Se urmrete modelul unei singure capilare cu un capt închis

adaptat regiunii de contact complet la interfaa dintre scul i achie. Capilara are form cilindric cu raza r i lungime l (fig. 3.3 a). Se presupune de asemenea c la momentul deschiderii capilarei presiunea în interior este nul. Raza capilarei r, [WIT1977], [DEC1981] se încadreaz în domeniul ( ) m1050...1 6−⋅ , iar lungimea capilarei poate fi estimat prin compararea rezultatelor lungimilor de contact msurate dup achiere în aer i/sau mediu de fluid de achiere (FA). Pentru calculare se utilizeaz valorile 6101r −⋅= m i m10l 3−= .

Fluidul de achiere (FA) are tendina de a penetra în volumul capilarei unde acioneaz diferena de presiune asupra captului (∆P). Acest parametru este format, în general din doi componeni, presiunea atmosferic, Patm i presiunea din capilar rPc /2σ= (în care σ reprezint tensiunea superficial).

3.4.2.1.1. MODELUL MATEMATIC AL PROCESULUI DE LUBRIFIERE

Procesul de penetrare a fluidului de achiere în reeaua de capilare de interfa de desfoar în trei etape [GLM1996]:

• intrarea fazei (de stare) lichide în volumul capilar sub aciunea gradientului de presiune (considerându-se dominante forele de frecare i forele de vâscozitate);

• evaporarea fazei lichide la captul deschis al capilarei; • umplerea capilarei cu faz gazoas.

3.4.2.1.1.1. PENETRAREA FAZEI LICHIDE La primul timp caracteristic a primei etape de umplere a capilarei trebuie estimat viteza

corespunztoare a fluidului de achiere. În cazul simetriei cilindrice se consider relaia Navier-Stockes de curgere a lichidelor (într-o singur coordonat z, coordonatele r i cea unghiular se consider neglijabile).

Fig. 3.2 Modelul unei capilare de interfa pe suprafa de degajare a sculei

achietoare

Fig. 3.3

Cele trei faze ale penetrrii într-o singur capilar de interfa

a. penetrarea fazei lichide b. explozia micropicturii c. starea de cvasiechilibru 1. achie, 2. pies

12

0

112

2

2

2

,

=∂∂

∂∂

+∂∂

⋅+∂∂

+∂∂⋅−=

∂∂

+∂∂

zv

r

vrv

rz

vzP

zv

vtv

l

lllfcin

l

ll

l νρ (3.14)

în care ρl reprezint densitatea fluidului de achiere, vl reprezint viteza (în seciunea capilarei) medie în lungul axei z, zP ∂∂ / reprezint gradientul de presiune în lungul lungimii capilarei, νcin,f reprezint vâscozitatea cinematic a fluidului de prelucrare, r reprezint valoarea momentan a razei capilarei (i în mod global a razei capilarei) iar rvl ∂∂ / reprezint gradientul de vitez în direcia razei lâng perete.

Într-o exprimare mai general ecuaiile (3.14) se transform astfel:

2

,

2

,

r

v

tvP

r

v

zP

tv lfcin

lll

lfcin

le

l⋅

−⋅⋅

=⋅

−⋅

≈ν

ρ

ν

ρ, (3.15)

sau 2

,

r

v

tvP

tv lfcin

elle

l⋅

−⋅⋅

≈ν

ρ,

în care ll tvz ⋅= , tl reprezint timpul caracteristic al primei etape a penetrrii fazei lichide iar P reprezint

presiunea exterioar. A fost posibil aceast estimare deoarece valorile variaiilor zvl

∂∂

i cu atât mai mult

2

2

zvl

∂∂

i 2

2

rvl

∂∂

se pot considera neglijabile.

Din calcule succesive se definete ordinul de vitez a penetrrii fazei de fluid:

( )Pr1+=

l

atml

Pv

ρ, (3.18)

în care Patm reprezint presiunea atmosferic extern, ρl reprezint densitatea fluidului de prelucrare iar

tfcin

k

,Pr

ν= reprezint numrul termic Prandtl.

Se poate considera c gradele de vitez sunt comparabile cu nivelul tehnologic al vitezei critice ale aciunii lubrifierii. Adâncimea de penetrare a fazei lichide ll în timpul tl este simplu de determinat din corelaia lll tvl ⋅= . Aceast adâncime poate fi apreciat la valoarea m101l 6

l−⋅≤ . De aceea volumul

corespondent de fluid de prelucrare în capilar poate fi denumit micropictur [MIZ1992], [GVL1995].

3.4.2.1.1.2. MODELUL EXPLOZIEI MICROPICTURII Aciunea lubrifierii poate deveni eficace doar dac durata de via a capilarei este mai mare decât

timpul obinuit de umplere filc tt > a acestuia . Durata de via a capilarei este dependent de lungimea

capilarei (l) i de viteza de deplasare (curgere) a achiei (vc).

cc v/lt = , (3.19)

în care dac l≈1 mm i vc≈1m/s, se obine din calcul s10t 3c

−≈ . Aceast valoare este mult mai mic decât durate de existen a fazei (de stare) lichid tl. Astfel înclzirea unei picturi i evaporarea se desfoar într-un timp însumat foarte scurt (aproape desfurarea instantanee în comparaie cu tc) de aceea acest proces parial se poate denumi explozia micropicturii.

Pentru estimarea timpului caracteristic de umplere cu gaz tg0 se utilizeaz viteza primar de evaporarea a substanei vg0. De asemenea se poate calcula presiunea format în primul moment al exploziei, p0. Pentru acest scop se aplic ecuaia principal a teoriei cinetice a gazelor,

MR

P l θρ ⋅⋅= , (3.20)

în care P reprezint presiunea din micro-volumul interior, M reprezint masa molar, R reprezint constanta gazelor rare iar θ reprezint temperatura.

Deoarece presiunea este nul în capilare în primul moment i forele de frecare pot fi neglijabile, la începutul micrii lucrul mecanic ∆L = 0. Aceast ecuaie de echilibru a energiei se poate scrie,

13

2

20mv

UQ +∆≈ . (3.21)

Înlocuind în relaia (3.21) expresiile cantitii de cldur, θ⋅⋅= mcQ p i a energiei interne, θ⋅⋅=∆ mcU v

în care cp i cv reprezint cldurile specifice la presiune constant i respectiv la volum constant i dac se presupune c masa de fluid explodat reprezint un gaz ideal iar (cp-cv)=R/M, ecuaia obinut

( )θvp ccv −= 20 , va deveni

MR

vθ2

0 = . (3.23)

Pentru evaluarea timpului de umplere a capilarei trebuie de asemenea determinat dependena vitezei de formare a masei de gaz prin evaporare de gradul de umplere a capilarei (de ex. funcia Vg(z)) [GLM1996], [KAJ1996].

3.4.2.1.1.3. UMPLEREA CAPILAREI FAZA GAZOAS Se consider c fenomenul de umplere a capilarei este reprezentat de un proces de echilibru (de

fapt acest proces este mult mai rapid). Dup care micarea gazului poate fi reprezentat cu ajutorul ecuaiei de micare a centrului de mas a picturii evaporate:

frp FFzm +=2

, (3.24)

în care m reprezint masa picturii existente în capilar, Fp reprezint fora determinat de presiunea exploziei, Ffr reprezint fora de frecare la pereii capilarei, iar z reprezint acceleraia de micare a gazului.

Utilizându-se ecuaia de stare a gazului ideal, se poate determina, c în condiiile de micro-explozie fora determinat de presiunea exploziei devine:

zMmR

rM

mRFp ⋅

=⋅= θπθ 2 , (3.26)

în care M reprezint masa molar a fluidului de prelucrare, R reprezint constanta gazului universal, 2rzV ⋅⋅= π reprezint volumul parial umplut în capilar de ctre faza gazoas .

Fora de frecare la pereii capilarei poate fi definit cu ajutorul analizei dimensionale. În acord cu concepia general asupra acestei metode [DEC1981], [MIZ1992] se obine expresia,

( )rzzFF ggcinfr ,, ,,, ρν= , (3.27)

în care gvz = reprezint viteza de umplere a capilarei cu gaz, νcin,g i ρg reprezint vâscozitatea cinematic

i respectiv densitatea gazului format. În condiiile unui numr Re de valoare mare, 1/Re >>= gzr ν se consider adevrat c Ffr este

proporional cu 2z i dac se accept c Ffr este proporional cu z, se obine: 2

, zzrCFgcin

Ffr ⋅⋅−= ν , (3.29)

în care CF reprezint o constant arbitrar iar semnul (-) semnific aciunea opus dezvoltrii exploziei. Dac în ecuaia (3.24) se substituie relaiile (3.26) i (3.29) se obine:

2

2z

rm

zMmR

zm

⋅⋅

−⋅

=π

θ, (3.31)

Dac se noteaz MRa a /2 θ= i rbb ⋅= π/2 se obine urmtoarea relaie:

2zbz

az b

a

−= . (3.32)

Neglijând acceleraia z (datorit valorilor foarte mici) relaia (3.32) se transform în:

zba

zb

a

⋅=2

. (3.33)

Integrându-se ecuaia (3.33) la condiiile iniiale (t=0, z=ll) se determin corelaia

2/32/3

32

lb

a

ltba

z += , (3.35)

14

i se determin expresia timpului de umplere tg (considerându-se c la un anumit moment gtt = i z = l).

Expresia (3.33) reprezint condiia de constant a maselor însumate (legea conservrii masei) de lichid i de vapori în timpul transformrii. Densitatea gazului se poate considera proporional cu presiunea (conform ecuaiei gazului ideal), obinându-se relaia:

ll

vP llgeq ρ⋅= 2 . (3.40)

Se accept condiia:

ceqfilatm tPtP <⋅ / , (3.41)

în care tfil reprezint timpul comun pentru ambele etape de umplere (lichid i gaz), glfil ttt += , iar tc

reprezint durata de via a capilarei, pentru estimarea numrului aproximativ de cicluri de umplere (nc),

eq

atmc P

Pn ≈ (3.42)

Expresia pentru numrul de cicluri de umplere (nc) se va modifica, dac Patm·tfil/Peq>tc, devenind

fil

cc t

tn ≈ . (3.44)

Toate cele trei etape de umplere a unei capilare sunt artate în figura 3.3. Modelul de acces al fluidului de achiere în zona de prelucrare ia în considerare procesul de tranziie a

fazelor (evaporarea fluidului). Deoarece pe toat zona de lubrifiere, la frontier (la interfa) exist o reea de capilare unde impulsurile

presiunii determin acoperirea capilarelor i formarea unei zone relativ stabile de evaporare lâng capetele deschise ale capilarelor, pelicula de gaz ridicându-se i eliminându-se permanent (fig. 3.3 c). Rolul important de evaporare în strat subire care asigur accesul lubrifiantului la contactul dintre scul i piesa de prelucrat este evideniat i explicat prin intermediul acestui model [DEC81], [GLM96].

Adugarea de ageni surfactani în formularea fluidelor de prelucrare (determinând micorarea tensiunii superficiale i mai ales scderea presiunii capilare Pc), determin considerarea unui model care s reflecteze eficacitatea aditivilor tensioactivi prin efectul molecular de frecare la frontier (la interfa) [HEN1994], [GVM1998].

3.4.2.2. MECANISMUL DE FORMARE A STRATULUI DE LUBRIFIANT LA INTERFA ÎN ZONA DE ACHIERE

Introducerea unui agent surfactant într-un fluid de achiere conduce la descreterea coeficientului de frecare în raport cu comportamentul solventului pur. Acest efect poate fi explicat prin aciunea stratului limit de lubrifiant asupra unei pri a suprafeei de contact. Cel mai important aspect al efectului cinetic al aciunii lubrifierii este procesul de adsorbie (în componentele sale fizic i chimic) [SAM1979]. Procesul de formare a fluidului pasivizant decurge în timpul desfurrii etapei chimice de adsorbie foarte repede. Din aceast cauz adsorbia moleculelor de surfactant decurge mult mai încet datorit dimensiunilor i activitii chimice sczute. Se pare c adsorbia a astfel de tipuri de particule se petrece la formarea stratului primar chemosorbit. Datorit caracterului lent de desfurare a celei de a doua etape, cinetica de formare a stratului de lubrifiant este limitat de ctre regimul procesului de achiere i este în mod critic, important pentru eficacitatea lubrifierii.

În concordan cu modelul de lubrifiere în mai multe etape [GVM1998] a fost dezvoltat procesul de lubrifiere în strat limit (strat de interfa) care se desfoar în urmtoarele etape:

• penetraiea capilar, • evaporarea • degradarea termic parial • adsorbia chimic (chemosorbia) 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

Mecanismul de formare a stratului de lubrifiant pe peretele capilarului este reprezentat de dou fenomene fundamentale condiionate de transferul de mas,

15

a) Difuzia moleculelor de surfactant în volumul capilarei, b) Adsorbia moleculelor de surfactant la pereii acestuia din faza gazoas (temperatura procesului

de achiere în mod curent este atât de ridicat în proximitatea zonei de achiere încât lubrifiantul lichid se vaporizeaz aproape instantaneu.

Deoarece lungimea capilarei (lk) este în mod esenial mai mare decât raza ei (rk) este convenabil s se foloseasc în ecuaiile de transfer de mas, concentraiile pe unitatea de lungime a capilarei. Astfel legea conservrii masei aplicat lubrifiantului în capilar, în condiiile contactului dintre scul i piesa de prelucrat (conform legi difuziunii) are forma:

2

2

221

l

c

k

ccc

zn

lD

tttm

∂∂⋅=

∂∂+

∂∂+

∂∂ ββ

, (3.45)

în care cccn 21 ,, ββ reprezint concentraiile adimensionale de surfactant în volumul capilarei i la nivelul pereilor sculei achietoare i achiei care se desprinde din piesa de prelucrat, D reprezint coeficientul de difuziune a moleculelor de surfactant (a speciei chimice principale care compune surfactantul) în volumul capilarei iar kl lzz /= reprezint o coordonat adimensional. pe axa capilarei la captul închis.

În aceste condiii viteza de cretere a concentraiei de lubrifiant la nivelul fiecrui perete al capilarei este proporional cu diferena dintre potenialul chimic în volumul capilarei i potenialele chimice de la nivelul pereilor capilarei.

( ) ( )[ ]( ) ( )[ ]22

2

111

βµµαβ

βµµαβ

ccac

ccac

nt

nt

−=∂

∂

−=∂

∂

, (3.46)

în care ( ) ( ) ( )cccccc n 21 ,, βµβµµ reprezint potenialele chimice ale moleculelor de surfactant în volumul

capilarei i la nivelul pereilor sculei achietoare i achiei care se desprinde din piesa de achiat, iar a1α i

a2α reprezint constante de proporionalitate dependente de tipul de lubrifiant i de natura materialelor de

construcie ale sculei achietoare i ale piesei de prelucrat [MSO1981]. În punctele situate în proximitatea curbei de echilibru a izotermei de adsorbie, în care poteniale

chimice de descompunere semnific derivaii mici fa de poziiile de echilibru (reaciile de descompunere sunt dominante) datorit dinamicitii i continuitii procesului de achiere, sistemul de ecuaii (3.4) devine:

( )

( )cfcac

cfcac

nt

nt

21212

1111

ξβηβ

ξβηβ

−−=∂

∂

−−=∂

∂

, (3.48)

în care a1η i a

2η prezint constanta de adsorbie i sunt similare cu coeficienii de transfer de substan în

form adimensional. Din relaiile (3.48) prin determinarea constantelor aa21 ,ηη (experimental) se poate

evalua timpul de adsorbie a surfactantului la fiecare perete al capilarului i de asemenea se poate caracteriza activitatea adsorbiei la nivelul pereilor capilarei [HEN1994], [SKO1998], [GOM1998].

Prin ataarea ecuaiei (3.45) la sistemul de ecuaii (3.48) se obine modelul hidrodinamic de caracterizare a sistemului de lubrifiant.

2

2

221

l

c

k

ccc

zn

lD

tttm

∂∂⋅=

∂∂+

∂∂+

∂∂ ββ

( )

( )cfcac

cfcac

nt

nt

2122

1111

ξβηβ

ξβηβ

−−=∂

∂

−−=∂

∂

, (3.49)

Sistemul de ecuaii este completat prin introducerea condiiilor 0,1,0 21 ==== ββntl i reprezint ecuaiile de evaluare a eficacitii de lubrifiere prin urmrirea variaiei concentraiei lubrifiantului (în procesul fizic combinat de adsorbie - desorbie) în zona de achiere.

16

CAPITOLUL 4 PRINCIPIILE VÂSCOZIMETRIEI 4.1. PRINCIPIILE CURGERII PRIN CAPILARE

La curgerea foarte înceat a fluidelor prin tuburi capilare, se poate presupune c vâscozitatea nu este influenat de energia termica degajat de frecarea intern i de creterea corespondent de temperatur.

În aceste condiii este valabil legea lui Poiseuille, care constituie baza de calcul a dimensiunilor vâscozimetrelor cu tuburi capilare i a determinrii vâscozitii cu astfel de vâscozimetre.

Legea lui Poiseuille se exprim printr-o relaie cantitativ care coreleaz diferena de presiune (P =

P2 - P1) la capetele unui tub capilar prin care curge un volum de lichid scurs în unitatea de timp Vt

, de

dimensiunile tubului capilar - de lungime (L) i raza (r) - i de vâscozitate dinamic a fluidului.

LPr

tV

⋅⋅⋅⋅=

ηπ8

4

(4.1)

Raza r, volumul V, lungimea L reprezint constante constructive, astfel se poate msura timpul t i presiunea P determinându-se vâscozitatea [SOL1958], [BRV1993].

La relaia lui Poiseuille se poate ajunge pornindu-se de la relaia lui Navier-Stokes [SOL1958], [LES1991], [MUY1996], [PAN1976], [B2].

4.2. PRINCIPIUL CURGERII LAMINARE ÎN JURUL UNUI CORP RIGID ÎN MICARE DE TRANSLAIE

Determinarea vâscozitii se poate baza pe msurarea rezistenei opuse într-un fluid vâscos unui corp în micare de translaie. Se utilizeaz un cilindru, o bil sau un disc. Teoria acestui mijloc de determinare pleac de la ipoteza unei viteze mici de curgere (numere Re mici) i de la neglijarea acceleraiilor [SOL1958], [PTZ1992], [MUY1996].

4.3. PRINCIPIUL CURGERII LAMINARE ÎN JURUL UNOR CORPURI ROTITOARE (CILINDRI COAXIALI, SFERA ROTITOARE, DISC ROTITOR)

La rotirea unui cilindru, a unei sfere, sau con în jurul axei lor într-un fluid vâscos, micarea se transmite de la corpul rotitor la stratul de fluid antrenat i prin acesta de la strat la strat, în fluidul care înconjoar corpul rotitor. Viteza unghiular a particulelor de fluid scade, în raport cu creterea distanei de la suprafaa corpului rotitor, atingând valoarea zero la distan infinit de aceast suprafa.

Pentru determinarea vâscozitii este necesar s se evalueze rezistena vâscoas opus de fluid corpului rotitor, respectiv, momentul forei rezistenei vâscoase (MFv). Evaluarea forei rezistenei vâscoase se poate obine pornindu-se de la dimensiunile corpului rotitor, de asemenea de la ipoteza fundamental a lui Newton [SOL1958].

4.4. PRINCIPIUL CURGERII NESTATIONARE ÎN JURUL UNUI CORP OSCILANT

Msurarea vâscozitii având ca baz principiul corpului oscilant în mediu vâscos se reduce la msurarea forei de rezisten opus de mediu, fie determinând valorile succesive ale amplitudinilor, i deci descreterea lor, fie msurând pe o cale oarecare energia necesar pentru întreinerea micrii vibratorii împotriva efectului de amortizare al rezistentei vâscoase a mediului [SOL1958], [ZVB1995], [EGR1995].

17

4.5. TEHNICA DE MASURARE A VÂSCOZITATII Aparatele utilizate pentru msurarea vâscozitii dinamice, cinematice i convenionale se pot

clasifica în funcie de principiul de funcionare, de principiul constructiv, de mrimea msurat i de precizia obinut la msurare [SOL1958], [BRV1993].

Principiul de funcionare al vâscozimetrelor este reprezentat de tipul de curgere folosit pentru a pune în eviden mrimile de msurat. În raport cu acest considerent, vâscozimetrele se clasific astfel:

• vâscozimetre a cror funcionare are la baz curgerea laminar între dou fee plane; • vâscozimetre a cror funcionare are la baz curgerea laminar în tub capilar care se

subîmpart în vâscozimetre capilare gravitaionale (fora care determin curgerea este, greutatea

proprie a lichidului) vâscozimetre capilare cu presiune,

• vâscozimetre a cror funcionare are la baz curgerea laminar în jurul unui corp rigid în micare de translaie;

• vâscozimetre a cror funcionare se bazeaz pe curgerea laminar în jurul unor corpi rotitori (vâscozimetre de rotaie)

• vâscozimetre a cror funcionare are la baz curgerea nestaionar în jurul unui corp oscilant (vâscozimetre de oscilaie),

• vâscozimetre a cror funcionare se bazeaz pe amortizarea vibraiilor unui corp vibrant, • vâscozimetre a cror funcionare se bazeaz pe curgerea radiala

În raport cu principiul constructiv vâscozimetrele se clasifica astfel:

• vâscozimetre cu band; • vâscozimetre cu capilar; • vâscozimetre cu corp cztor sau în micare forat • vâscozimetre cu orificiu de scurgere

În raport cu mrimea determinat vâscozimetrele se pot clasifica astfel,

• aparate pentru determinarea vâscozitii dinamice, • aparate pentru determinarea vâscozitii cinematice • aparate pentru determinarea vâscozitii caracteristice, • aparate pentru determinarea caracteristicilor reologice ale materialului analizat

În raport cu nivelul preciziei de msurare urmrite vâscozimetrele se clasifica astfel:

• vâscozimetre de laborator, absolute, relative

• vâscozimetre tehnice.

În raport cu modul de afiare a rezultatelor vâscozimetrele se clasific în:

• continue; • discontinue

18

CAPITOLUL 5 EVALUREA PARAMETRILOR CARE CARACTERIZEAZ CURGEREA FLUIDELOR 5.1. VÂSCOZITATEA FLUIDELOR REALE

În dinamica fluidelor reale se iau în considerare în afara forelor de mas i de forele de presiune, forele ”de frecare”, care nu-i au sediul în interiorul fluidelor.

Un fluid spre deosebire de un corp solid, nu poate s-i pstreze forma sub aciunea unor fore exterioare de forfecare. În echilibru static, fluidul nu poate susine fore de forfecare, ci cedeaz continuu acestor fore oricât de mici ar fi. În fluidele reale în micare se nasc tensiuni tangeniale. Fenomenul apare ca rezultat al unei “frecri” între particulele componente ale fluidului.

A) LEGEA LUI NEWTON. VÂSCOZITATE ABSOLUT. TENSIUNE TANGENIAL, GRADIENT DE VITEZ (REOPANT)

Legea lui Newton este relaia de baza a dinamicii fluidelor. Pentru a ajunge la aceast relaie, se poate presupune o mas de fluid cuprins între dou placi solide (fig. 5.1), una fix (1) i una mobil (2). Placa mobil se mic cu o viteza

v . Un

strat foarte subire de fluid va ader la placa fix inferioar, a crei viteza este zero. Un alt strat va adera la placa superioar mobil primind viteza acestui strat,

v .

Se poate presupune în continuare c fluidul este dispus în straturi paralele suprapuse i c nu apar micri neregulate ale fluidului care, s se suprapun peste curgerea sa plan paralel. Fiecare “strat” de fluid trebuie considerat ca o poriune a fluidului de grosime foarte mic (care în raport cu constituia molecular a corpului poate fi privit ca un strat de molecule de grosime egal, cu diametrul efectiv al unei molecule).

Straturile de fluid se mic, fiecare, în parte, ca o singur unitate. Diferitele straturi ale fluidului se vor mic cu viteze de mrimi diferite i pe direcii paralele (fig. 5.2).

Dac F este fora necesar pentru a menine curgerea i deci pentru a determin alunecarea straturilor suprapuse, învingând rezistena intern a fluidului, iar dac A reprezint aria suprafeei plcii în contact cu fluidul, tensiunea de forfecare va fi:

AF=τ . (5.1)

În cazul în care distribuia vitezelor nu este liniar, ca în condiiile reale (fig. 5.3), tensiunea tangenial variaz de la punct la punct. Se consider mrime infinitezimal i se scrie pentru cazul general al fluidelor, în care exist proporionalitate între tensiune i variaia vitezei normal.

Lnv

dAdF

∂∂ητ

== sau dAnv

dFL∂

∂η= , (5.2)

în care τ reprezint tensiunea tangential, dF reprezint elementul de for de frecare, dA elementul de arie a

suprafeei de separare dintre cele dou straturi, η reprezint vâscozitatea dinamic, hv

nv

hL 0lim

→=

∂∂

. Fluidele a

cror vâscozitate nu se modific în 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 între dou plci: 1 - placa fix; 2 - placa mobil

Fig. 5.2

Reprezentarea vitezelor a dou planuri paralele

ale fluidului în curgere

Fig. 5.3

Distribuia real a vitezelor de curgere a

straturilor fluidului

19

5.2. ELEMENTE DE REOLOGIE Reologia se ocup cu studiul solicitrilor i a rspunsului corpurilor la solicitri mecanice. De

asemenea reologia stabilete modele matematice care formeaz funcia de rspuns a unui corp supus la solicitri.

O for mecanic sau un sistem de fore mecanice aplicat unui corp conduce la micarea acestuia. Micarea poate consta din deplasri sau/i deformri. În general, deplasarea nu modific poziia relativ a elementelor care formeaz corpul, sar modific poziia acestuia, în raport cu un sistem de referin exterior. Un corp este deformat dac, sub aciunea solicitrilor se modific forma sau/i volumul.

În cazul solicitrilor, deformarea se desfoar pân la atingerea echilibrului între forele externe i forele interne, iar în cazul fluidelor, prin aplicarea unei fore anizotropice i neomogene, nu se ajunge la o deformaie de echilibru. Gradul de deformare se modific continuu în timp. Deformaia a crei valoare crete continuu i nu se mai recupereaz dup îndeprtarea forei, se numete curgere.

Fluidele opun rezistente mici la deformare, iar forele de frecare intern, care se formeaz în timpul curgerii diminueaz viteza de deformare. Sub aciunea unei fore, viteza de deformare rmâne constant.

Rspunsul corpurilor la solicitri mecanice constituie obiectul de baz a reologiei. În raport cu proprietile corpurilor rspunsul poate fi [TVA1982]:

• neelastic (rigid) - deformaia este egal cu zero; • perfect elastic - deformaia temporar, recuperabil; • pur vâscos - deformaia permanent, nerecuperabil; • simultan elastic i vâscos - deformaie parial temporar, parial permanent; • succesiv elastic i vâscos - deformaie temporar i/sau permanent; • nevâscoas - deformaie permanent pentru solicitarea egal cu zero.

Mrimile principale care ofer informaii cantitative asupra efectelor provocate de fore sunt reprezentate de deformaia specific i viteza de deformare [TVA1982], [CAO1951], [FRE1964], [BRD1973].

5.3. CARACTERISTICI REOLOGICE ACCEPTATE PENTRU FLUIDELE DE ACHIERE UTILIZATE ÎN INDUSTRIA RULMENILOR

Fluidele de prelucrare reprezint sisteme reologice cu un mod de comportare nespecial. Ele sunt utilizate la temperaturile mediului în care sunt amplasate utilajele de prelucrare, în spaii închise, hale sau chiar spaii închise temperate. În acest fel vâscozitatea, cel mai important parametru al acestor fluide se modific foarte puin.

Fluidele de achiere nemiscibile cu apa în mod special prezint un component reologic vâscoplastic fr prag de curgere, în apropierea punctului de congelare (mai exact între punctul de curgere i 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)- 50…100m gradul de dispersie 1500…5000

• microemulsii (pseudoemulsii) – translucide) diametrul mediu al particulei (picturii de ulei)- 10…40m gradul de dispersie 6000…10000

• soluii – transparente diametrul mediu al particulei comparabil cu diametrul moleculelor constituente

Emulsiile în mod obinuit prezint un comportament reologic nenewtonian vâscoelastic. Dar în condiiile de temperatur i de solicitare mecanic la forfecare generate în procesul de achiere, 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

Se consider un sistem de doi cilindri coaxiali care se rotesc iar în spaiul dintre ei, interior cilindrului mare, exist un lichid incompresibil aflat în curgere circular staionar acceptat. Se va observa, în absena vâscozitii, c domeniul de curgeri acceptate în aceste condiii este suficient de larg. Dac Ω reprezint viteza de rotaie unghiular în jurul axei (de rotaie), ecuaiile de micare admit c Ω = f(r) , r reprezentând distana de la axa de rotaie i presupune c vitezele în direcii radial i axial sunt egale cu zero.

Dar dac între cei doi cilindri este prezent un lichid vâscos, acest domeniu devine restrictiv, în fapt în absena oricrui gradient de presiune transversal, forma acceptat a vitezei de rotaie unghiular Ω cu cel mai larg cadru de generalizare este

( ) 2/ drBAr +=Ω , (6.1) în care A i B reprezint dou constante care se refer la vitezele unghiulare Ω1 i Ω2 cu care se rotesc cilindrul interior i cilindrul exterior.

Probleme importante urmrite sunt : • care este condiia necesar i suficient de stabilitate a

curgerii ce implic distribuia vitezelor de rotaie unghiular Ω redat de ecuaia (6.1) (în absena vâscozitii când Ω(r) poate fi o funcie arbitrar de r);

• care este condiia pentru fluidele nevâscoase, care respectând ecuaia (6.1) ar putea fi aplicabil i pentru fluidele vâscoase.

6.1.2. CRITERIUL LUI RAYLEIGH Rayleigh a stabilit c în absena vâscozitii, condiia necesar i suficient pentru ca distribuia

vitezei unghiulare Ω( r )s fie stabil, este

( ) 022 >Ωrdrd

, (6.06)

oriunde în intervalul de definiie i în continuare a stabilit ca distribuia vitezei unghiulare Ω( r ) este nestabil dac r2Ω2 ar scdea oriunde în acest interval.

Dac se consider efectul de vâscozitate determinant asupra stabilitii curgerii descrise cu ajutorul relaiei (6.1), în apreciere general, este de ateptat ca starea de instabilitate s apar în spatele punctului prevzut prin criteriul lui Rayleigh, iar acest fapt pentru o constant Kk dat, presupune ca factorul:

( )( )( )22

242

11

/114

B

BAAB

b

baab

−

−−Ω respectând condiia 2

BA ba > ,

care intervine în discriminantul lui Rayleigh trebuie s depeasc o anumit valoare critic care depinde de vâscozitatea cinematic νcin i de raza r2, înainte de începerea (instalarea) strii de instabilitate. Mrimea (numrul) adimensional cu termenii în care criteriul de stabilitate poate fi exprimat astfel este,

( )( )( )22

24

12

21

1

/114

B

BAA

cin

N

b

baarT

−

−−Ω=

ν. (6.32)

Aceasta este denumirea proprie (consacrat) a numrului lui Taylor, pentru aceast problem. Pentru valori ale mrimilor aA i bB considerate, instabilitatea va fi iniiat (se va instala) pentru un anumit numr Taylor critic, Tc

N iar problema central a acestui subiect este reprezentat de determinarea acestui

numr Taylor critic TcN ca funcie dependent de bB i aA, în care

1

2

ΩΩ

=Aa iar 2

1

rr

bB = .

Fig. 6.1 Reprezantare schematic a unai

celule Couette cu cilindri coaxiali

21

CAPITOLUL 7 POTENIALUL DE ELECTROD LA ECHILIBRU 7.1. EXPRIMAREA TERMODINAMIC A POTENIALULUI DE

ELECTROD LA ECHILIBRU Potenialul de electrod are aceeai form ca ecuaia termodinamic general a forei electromotoare

al unui sistem electrochimic

ZML

KBA

nZ

nM

nL

nK

nB

nA

aaa

aaazFRT

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅+= ln0εε , (7.19)

cu diferena c include activitile substanelor care particip la reacia de electrod respective, în care R este constanta gazelor rare, F este constanta lui Faraday, T reprezint temperatura msurat în grade Kelvin , z este sarcina, 0 este potenialul normal iar a este activitatea fiecrei specii chimice, reactani A, B…K i produi de reacie L, M, …Z.

Potenialul de electrod standard corespunde potenialului reversibil de electrod dac activitatea fiecrui participant la reacia de electrod este egal cu unitatea, ai=1 sau dac aii (i=A, B…K, pentru reactani i= L, M, …Z), dar produsul matematic al activitilor participanilor este egal cu unitatea.

7.3. POTENIALUL DE SARCIN ZERO

7.3.1 DEFINIIA CONCEPTELOR DE „POTENIAL DE SUPRAFA NEÎNCRCAT„ I „POTENIAL DE SARCIN ZERO A METALELOR”

Este cunoscut din ecuaia lui Lippman [ANT1977] c la maximul curbei de electrocapilaritate, sarcina de pe suprafaa metalului va fi zero. (de aceea mai este numit i punctul zero încrcat sau potenialul de sarcin zero).

În acest sens Ostwald a presupus c la maximul curbei de capilaritate a mercurului nu doar sarcina de pe suprafaa metalului este egal cu zero, dar i potenialul este egal cu zero. Deoarece potenialul la maximul curbei de electrocapilaritate pentru mercur în soluie de substan capilar-inactiv, este aproximativ -0,20 V pe scara hidrogenului urmeaz, ca în acord cu observaiile lui Ostwald, pentru obinerea potenialului absolut al unui electrod s se scad valoarea de -0,20 V din valoarea potenialului de electrod de pe scara hidrogenului [ANT1977], [FAC1974]. Potenialele obinute în acest mod nu pot fi absolute. Potenialul maximului curbei de electrocapilaritate a mercurului (sau al altui metal) întotdeauna corespunde cu potenialul de suprafaa neîncrcat proprie. Aceast valoare a potenialului poate fi denumit potenialul suprafeei neîncrcate (sau fr sarcin) i se noteaz cu 0=qε . Aceast valoare parial, valoare parial a

particulei potenialului unei suprafee neîncrcate se poate denumi punctul nul (sau zero) i este notat cu Nε .

Punctul nul poate fi de asemenea exprimat în termeni de poteniale Volta, PtLPtMLMNNLM ψψψε ++= . (7.36)

În acest caz potenialul Volta, metal-soluie trebuie s satisfac în mod strict cantitatea definit ( LMNψ ) corespunzând diferenei potenialelor externe dintre un metal i soluia lui, în care potenialul metalului este egal cu punctul nul. Punctul nul astfel determinat a fost ales ca punctul zero pe scara corelativ sau scara ϕ a potenialelor propuse de Antropov [MUR1986].

Potenialul ϕ în scara corelativ este definit ca diferena dintre potenialul unui electrod în condiii date i punctul nul,

Nεεϕ −= . (7.37) Cei doi termeni din partea dreapt a ecuaiei (7.37) trebuie exprimai pe aceeai scar (ex. scara

hidrogenului). Valoarea potenialului ϕ este independent de scara relativ aleas arbitrar.

Deoarece valorile potenialului Nε pentru diferite metale, fiecare metal va avea propria sa scar corelativ bazat pe punctul zero. Scara sau scara corelativ a potenialelor este astfel diferit de orice scar a potenialelor arbitrar i absolut. Aceast distincie este cu claritate evideniat de compararea potenialelor standard de electrod ale câtorva metale pe scrile hidrogenului, absolut i scara redus [ANT1977].

22

CAPITOLUL 8 DESCRIEREA APARATULUI TAYLOR-COUETTE –CILINDRIC PRINCIPII GENERALE

Efectuarea cercetrii, referitoare la urmrirea comportrii reologice i tribologice în funcie de mai muli parametri, dintre care cei mai importani, în acest caz, fiind considerai parametrii chimici, a determinat alegerea unui anumit tip de aparat pentru desfurarea testelor. În urma analizrii datelor provenite din literatura tehnic, aparatul Taylor-Couette cu cilindrii coaxiali rotitori a fost considerat cel mai indicat pentru realizarea acestei cercetri.

Alegerea aparatului Taylor-Couette cu cilindri coaxiali rotitori a fost stabilit în funcie de urmtoarele considerente:

• capacitate de testare atât a fluidelor newtoniene cât i tuturor tipurilor de fluide nenewtoniene,

• evaluarea parametrilor reologici ai fluidelor la viteze de curgere cuprinse într-un domeniu mare de valori,

• utilizarea pentru aprecierea curgerii a criteriului adimensional Taylor,

• posibilitatea utilizrii mai multor metale pentru acoperirea cilindrului antrenat care ar putea influena curgerea, fiind posibil evaluarea efectelor acestor influene asupra curgerii,

• posibilitatea studierii efectelor chimice asupra curgerii fluidului între cei doi cilindri rotitori,

• posibilitatea studierii curgerii fluidului în stratul limit, • corelarea comportamentului unor lubrifiani cu baz apoas (fludele de achiere) în curgerea

Couette, cu comportarea tribologic în funcionare în condiii reale. În stratul de fluid format între dou plci paralele, între care curge fluidul analizat (i în condiiile, în

care cel puin una dintre plci este mobil), mrimea fizic guvernant este tensiunea de forfecare bidimensional, care acioneaz în interiorul lichidului, în fiecare punct (i la nivelul interfeei cu peretele plcii). Dac presiunea de antrenare a fluidului se consider constant în orice punct din volumul considerat i se consider c fluidul se deplaseaz prin intermediul unor linii sau substraturi paralele, vâscozitatea se poate considera ca fiind egal cu raportul dintre tensiunea tangenial de forfecare la nivelul peretelui i viteza de forfecare [MAU1994], [PAN1990],

ij

ij

γτ

η

= , (8.1)

în care η reprezint vâscozitatea dinamic (sau coeficientul de vâscozitate la forfecare simpl), τij reprezint tensiunea tangenial i ijγ reprezint viteza de forfecare.

8.1. DESCRIEREA VÂSCOZIMETRULUI COUETTE-HARPER

8.1.1. PRINCIPII CONSTRUCTIVE Principial considerat, compartimentul de msurare al acestui aparat este format din doi cilindrii coaxiali,

dintre care unul este mobil. Între suprafaa interioar a cilindrului exterior i suprafaa exterioar a cilindrului interior se introduce fluidul asupra cruia se efectueaz msurtori reologice [CTO1991], [TOO1994], [JEH1996]. 8.1.2. PRINCIPII FUNCIONALE

Problema Taylor-Couette se refer i la curgerea fluidelor între doi cilindri care se mica independent. Curgerea între cei doi cilindri este remarcabil deoarece prin creterea treptat înceat a vitezei

cilindrului antrenor se pot evidenia în mod tot mai pregnant straturile de fluid i formaiunile individuale a cror complexitate se mrete, în volumul fluidului. În figura 8.2 este reprezentat geometria Taylor-Couette i zona de curgere dintre cei doi cilindri rotitori. În apropierea tranziiei, exist motive cerute de fizic pentru înlocuirea numrului original Re cu un alt parametru, numrul Taylor, care caracterizeaz într-o msura mai exact acest tip de curgere. Numrul Taylor, în care 12 rrd −= , are urmtoarea expresie:

21

22

222

211

2

414

rrrrd

Tcin

a −−⋅≡ ωω

νω . (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

Proprietile reologice ale fluidelor newtoniene i nenewtoniene sunt în mod obinuit caracterizate prin curbele tensiunii de forfecare în raport cu viteza de forfecare. Aceste curbe se obin în mod facil prin intermediul vâscozimetrului cu cilindri coaxiali rotitori [BUW1996], [BAQ1998].

Se pot evidenia caracteristicile de funcionare pentru acest tip de vâscozimetru: a) Posibilitatea realizrii unei viteze de rotaie de antrenare continuu-variabil în intervalul de

viteze între zero i valoarea maxim. b) Utilizarea unui traductor de cuplu fore care ar trebui s asigure o for de restaurare ce permite

evidenierea micrilor neglijabile ale fluidului în perioadele de repaus al sistemului de antrenare i care este capabil s efectueze msurtori într-un domeniu foarte larg de valori ale cuplului de fore, fr a fi necesar înlocuirea unor subansamble în componenta echipamentului. Dispozitivul utilizat în mod obinuit, cel cu sârm de torsiune are dezavantajul c la viteze de rotaie mari ale cilindrului antrenat pot fi induse oscilaii în micare cilindrului antrenor. În aceast situaie erorile de msurare a vâscozitii i altor parametri reologici sunt mari.

c) Posibilitatea înregistrrii automate a curbelor, a cuplului de fore în raport cu viteza de rotaie a cilindrului antrenor i a cuplului de fore în raport cu timpul la vitez constant.

d) Alegerea poziiilor cilindrului antrenor - cilindru antrenat în ansamblul format de cilindri interior i exterior pentru a stabilirea desfurrii experimentelor i înregistrarea rezultatelor. Soluia constructiv mai avantajoas este aceea cu cilindrul exterior antrenor. Se pot utiliza cilindri interiori antrenai cu diametre diferite pentru studierea influenei grosimii spaiului (interstiiului) dintre cilindri asupra curgerii fluidelor.

e) Grosimea spaiului interstiial nu trebuie s aib o valoare mai mare de 10% din raza cilindrului pentru a minimiza incertitudinea distribuiei vitezelor de forfecare a fluidelor nenewtoniene testate i pentru a reduce creterea temperaturii în fluid, determinat de disiparea vâscoas.

Pentru îmbuntirea modului de msurare se propune eliminarea tuturor frecrilor parazite ale cilindrului antrenat prin înlocuirea lagrelor cu rulmeni cu un lagr gazostatic [PAB1980], [BOT1990], [PMT1977].

Se propune realizarea unui aparat care s funcioneze în trei tipuri de regimuri de funcionare: 1. Accelerarea cilindrului antrenor, în micare liber pân la atingerea turaiei constante. 2. Frânarea brusc a cilindrului antrenor (la momentul atingerii de ctre cilindri a turaiilor

constante) pentru msurarea variaiei turaiei cilindrului antrenat pân la oprire. 3. Ancorarea cilindrului antrenat cu un arc de traciune.

9.2. CARACTERISTICI CONSTRUCTIVE Considerentele expuse în capitolul anterior au stat la baza proiectrii i constituirii Aparatului

Taylor-Couette, cu cilindri coaxiali rotitori. Au fost stabilii parametrii, raportul razelor, raportul de aspect i raportul vitezelor, în vederea domeniului de aplicaie în regimul de stabilitate a curgerii Couette.

Acest aparat este utilizabil pentru determinarea vâscozitii dinamice la diferite temperaturi i pentru determinarea unor parametri reologici caracteristici, atât pentru fluide newtoniene cât i pentru fluide nenewtoniene.

Deoarece cilindrul interior antrenat este interschimbabil se pot analiza fluide cu un domeniu larg de vâscozitate.

Se tie c la aceste aparate cu cilindrilor rotativi, dispui coaxiali, micarea cilindrului antrenat trebuie s fie afectat cât mai puin de frecrile parazite din lagre (pentru a fi influenat cât mai puin exactitatea rezultatelor). Astfel, a fost proiectat i construit un aparat în care au fost minimizate aceste frecri, ele devenind neglijabile, în lagrul de sprijin i ghidare al cilindrului antrenat prin utilizarea unui

24

lagr gazostatic [BOB1979], [PAB1980], [BOB1994]. Acest aparat se bazeaz pe principiul de funcionare Taylor-Couette (a cilindrilor rotitori dispui coaxiali).

Aparatul este prezentat în figurile 9.1 i 9.2. Figura 9.1 prezint imaginea schematic a celulei de msurare format din doi cilindri rotativi coaxiali în care cilindrul exterior (1) este cilindrul antrenor iar cilindrul interior (2) este cilindrul antrenat. Cilindrul interior (2) este suspendat pe un lagr gazostatic (3). Cilindrul exterior antrenor (1) este acionat printr-o transmisie cu curea (4) de ctre un motor electric de curent continuu cu turaie variabil (5), dup cum se observ în figura 9.2. În micarea sa, cilindrul exterior (1), prin intermediul fluidului analizat, situat în spaiul dintre cei doi cilindri (6), care reprezint celula de msurare a aparatului (7), antreneaz cilindrul interior (2). Obinerea întregii game de viteze propuse 0,05-500 (rot/min) pentru cilindrul antrenor, este posibil prin utilizarea unui ansamblu de 2 reductoare armonice (8) ce acioneaz roata de antrenare (9), ghidat cu ajutorul unui lagr (10). Ansamblul motor-reductoare este montat în mod rigid pe placa (11) care este fixat pe placa suport-general (12). Pentru msurarea vitezelor de rotaie ale cilindrilor se utilizeaz un sistem opto-electronic format din dou traductoare de turaie (13, 14) i aparatul de electronic de numrare (15) [PBC2004].

Traductorul de turaie pentru cilindrul exterior antrenor (13) este format dintr-un disc cu crestturi, solidar cu cilindrul antrenor. Zona crestturilor se deplaseaz fr contact într-un jug fix, prevzut cu o surs emitent de radiaie luminoas i fotodiod receptoare. Traductorul de turaie pentru cilindrul antrenat (14) este format dintr-un cilindru cu crestturi, solidar cu cilindrul antrenat. Ca i la ansamblul cilindrului exterior antrenor la ansamblul cilindrului interior antrenat zona crestturilor se deplaseaz fr contact într-un jug fix, prevzut cu o surs de radiaie luminoas i o fotodiod receptoare. Semnalele transmise de cele dou traductoare sunt prelucrate simultan i sunt preluate direct în programul de calcul. Cele dou turaii ale cilindrilor, exterior (antrenor) (1) i interior (antrenat) (2), depind de tensiunea de forfecare i cu viteza de forfecare, dezvoltate în fluidul de analizat. Pentru asigurarea unei temperaturi constante în timpul analizei, celula de msurare este termostatat cu ulei. Uleiul circul între celula de msurare i termostat prin intermediul unor racorduri (16).

De asemenea pentru mrirea acurateei msurtorilor i a exactitii rezultatelor, au fost montate mai multe elemente de suspensie i amortizare (17). Obinerea unei game mari de turaii se poate realiza utilizând ambele reductoare armonice, un singur reductor armonic sau doar motorul electric de curent continuu cu turaie variabil. Elementul cel mai important pentru mrirea acurateei msurtorilor este lagrul gazostatic (3) format dintr-un trunchi de con (18) solidar cu cadrul celulei de msurare (7), fixat pe placa suport-general (12) prin presare i un trunchi de con (19), solidar cu cilindrul antrenat (2). Trunchiul de con (19) este sustentat gazo-static prin intermediul aerului comprimat introdus pe la duzele prelucrate în trunchiul de con.

Prin conectarea cu un calculator PC a unitii de numrare electronic a fost posibil realizarea prelurii i prelucrrii automate a datelor.

Figurile ataate prezintã ipostaze fotografice ale acestui aparat. Figurile 9.3, 9.7, 9.12, 9.15, prezint paratul Taylor-Couette cu cilindrii rotitori, împreunã cu echipamentele anexe care au fost

Fig. 9.1

15 14 16 75

8

11

8

9

10

13 9 16 12 17

16

4

A A

Fig. 9.2

25

identificate in toate aceste poze. De asemenea au fost prezentate reductoarele armonice, fiecare cu raportul de reducere a turaiei de 1/80 în figura 9.12.

Fig. 9.4

Fig. 9.7

26

Fig. 9.12

Fig. 9.15

27

Aparatul Taylor – Couette cu cilindrii rotitori este în curs de brevetare i 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 fluidelor între cilindrii rotativi concentrici, fora de antrenare a cilindrului antrenor i

fora vâscoas se consider, în literatura de specialitate c dein preponderena în determinarea micrii cilindrului antrenat. Îns datorit tendinei inexistente sau diminuate de umectare de ctre ap pe care o dein metalele din grupa aurului, aur, argint i platin, s-a considerat oportun studierea acestei proprieti care probabil are capacitatea s induc apariia efectului de „alunecare” a apei pe suprafaa acestor metale.

În acest scop s-au ales cinci metale, aur, argint, cupru, nichel si crom care au aciuni diferite fa de ap. Aurul nu este umectat de ap, argintul este slab umectat, cromul i nichelul dei au poteniale chimice care ar determina o reacie chimic direct cu apa, sunt pasive chimic, formând la suprafa o pelicul de oxid pasiv chimic, având un coeficient de dilataie egal cu al metalului propriu, insolubil în ap [NEN1977]. Cuprul formeaz compui cu stare de oxidare ridicat insolubili în ap, iar oelul este expus la aciunea de oxidare de ctre ap, mai ales în prezena oxigenului dizolvat Influena metalelor de acoperire a cilindrilor interiori asupra curgerii este prezentat comparativ în capitolul10.

Utilitatea acestei cercetri are caracter teoretic, prin studiul influenei acestor metale asupra curgerii unor fluide apoase i studierea efectului de ”alunecare”, i un caracter practic referitor la obinerea unor reete speciale ale fluidelor de prelucrare, pentru industria mecanic în general i industriei de rulmeni în special. Fluidele de prelucrare umecteaz piesele în timpul prelucrrii. Ele influeneaz condiiile de desfurare ale procesului de achiere. Împreun cu studiul pachetului de aditivi, studierea procesului de umectare poate conduce la cunoaterea i modificarea criteriilor de alegere a fluidelor de prelucrare (rcire-ungere) în funcie de aplicaia dorit.

S-au ales cilindri cu diametrul de 66 mm i cu rugozitatea suprafeelor de 0.20 m. Prin tehnologia de depunere fizic în vid (Procedeul PVD - Physical Vapour Deposition) s-au depus cele cinci metale, aur, argint, crom, nichel i cupru, pe suprafaa cilindrilor. Fotografiile din figura 9.15 prezint trei dintre aceti cilindri, cu suprafaa acoperit cu aur, argint i crom.

9.4. PROGRAMUL DE ACHIZIIE A DATELOR Aparatul Taylor-Couette cu cilindri rotitori utilizat în aceast cercetare, este echipat cu un sistem de

traductori ai turaiilor celor doi cilindri exterior (antrenor) i interior (antrenat). Traductorul cilindrului exterior (antrenor) este format dintr-un disc cu crestturi solidar cu

cilindrul i un dispozitiv opto-electronic format dintr-un sistem de fotodiode (diod emitoare i diod receptoare) care transform micarea cilindrului într-o succesiune de impulsuri electrice. Succesiunea de impulsuri electrice este preluat i transformat în turaie de ctre un aparat electronic de numrare (fig. 9.4, 9.14, 9.15).

Traductorul cilindrului interior (antrenat) funcioneaz în acelai mod, dar este compus dintr-un cilindru cu crestturi i un dispozitiv opto-electronic format de sistemul de fotodiode. Conectarea cu aparatul electronic de msurare este similar cu cea a traductorului cilindrului interior. Succesiunea de impulsuri în acelai mod este transformat în turaie (fig. 9.4, 9.7).

Aparatul electronic de numrare este conectat cu un calculator PC pentru preluarea i prelucrarea datelor. Pentru obinerea evoluiei turaiei în funcie de timp i pentru preluarea acestor date în scopul prelucrrii ulterioare a fost conceput un program dedicat de achiziie. Acest program are posibilitatea prelurii valorilor turaiilor celor doi cilindri în evoluia micrii lor la intervalul de timp ales.

În acest mod se pot obine curbele de variaie ale vitezelor celor doi cilindri, exterior (antrenor) i interior (antrenat), simultan. Datele sunt transferate într-un program Excel, permiând prelucrarea lor, cu facilitile oferite de acest program.

9.5. MODELUL MATEMATIC Micarea fluidului dintre cei doi cilindri aflai în micare cu viteze unghiulare diferite este

determinat de adeziunea la suprafeele cilindrice i se desfoar sub forma unor straturi concentrice. Se face ipoteza c micarea este laminar, ipotez justificat de faptul c diferena dintre razele cilindrilor,

12 rr − este mic. În interfaa definit de raza ( )21,rrr ∈ se dezvolt fora de vâscozitate ( de forfecare) vF

Se consider un strat cilindric oarecare aflat în micare între doi cilindri coaxiali (fig. 9.19). Pentru ca acest strat s pstreze starea de micare este necesar ca momentul forei care determin i menine rotirea

29

cilindrului rotitor s fie în echilibru cu momentul forei de rezisten vâscoas (din stratul cilindric). Aceast condiie este valabil în cazul aparatelor Taylor-Couette cu un singur cilindru rotitor.

Se consider un strat cilindric oarecare aflat în micare între doi cilindri coaxiali (fig. 9.19). Pentru ca acest strat s pstreze starea de micare este necesar ca momentul forei care determin i menine rotirea cilindrului rotitor s fie în echilibru cu momentul forei de rezisten vâscoas (din stratul cilindric). Aceast condiie este valabil în cazul aparatelor Taylor-Couette cu un singur cilindru rotitor.

Aparatul Taylor-Couette cu doi cilindrii rotitori este guvernat de echilibrul între momentul forei de vâscozitate i momentul forei cilindrului antrenat.

Mrimea vFM a momentului forei de vâscozitate vF

,

corespunztoare razei curente r este, rFM vFv

⋅= . (9.1)

Intensitatea forei de vâscozitate, conform ipotezei lui Newton, este dat de produsul dintre vâscozitatea dinamic a fluidului, gradientul ℜ al vitezei tangeniale i aria A a suprafeei cilindrice corespunztoare razei curente r,

AFv ℜ=η . (9.2) Gradientul vitezei tangeniale rwu = în direcie radial, normal interfeei, este,

drd

rω⋅=ℜ (9.3)

iar aria interfeei considerate are expresia rhA π2= . (9.4)

În concluzie, mrimile forei de vâscozitate i a momentului acestei fore sunt

drd

hrFvωπη 22= (9.5)

i

drd

rhMvF

ωπη 32 ⋅⋅= . (9.6)

Relaia (9.6) poate fi privit ca o ecuaie diferenial cu variabilele ω i r separabile

ωπη dhrdr

MvF ⋅⋅= 2

3 (9.7)

care se integreaz cu respectarea condiiilor la limit =1, pentru r=r1, =2 pentru r=r2 (9.8)

prin gruparea termenilor i integrare se obine:

( )1221

22

211

21 ωωωπη −=

−− h

rrM

vF . (9.10)

Din aceast ultim relaie se pot obine mrimea momentului forei de vâscozitate dezvoltat in spaiul dintre cei doi cilindri,

( )2

12

2

22

21124

rrrrh

MvF −

−= ωωπη (9.11)

sau vâscozitatea dinamic a fluidului newtonian ( )

( ) 22

2112

21

22

4 rrh

rrMvF

⋅−

−=

ωωπη . (9.12)

În cazul unui fluid nenewtonian relaia (9.12) rmâne valabil definind îns vâscozitatea dinamic aparent aη .

Pentru o apreciere cât mai exact, se poate ine cont i de fora vâscoas care apare in spaiul de fund, dintre cei doi cilindri. În spaiul de dimensiune mic (fig. 9.19) se realizeaz o micare a fluidului

Figura 9.19 Reprezentarea schematic a celulei

Couette

Figura 9.20 Reprezentarea seciunii orizontale a

celulei Couette

30

datorat adeziunii acestuia la suprafeele celor dou discuri aflate în micare de rotaie cu vitezele unghiulare diferite 21 ωω ≠ , în jurul tuburilor cilindrice.

Tensiunea tangenial

drdvητ = se poate scrie

( )δ

ωωητ r12 −= , (9.13)

deoarece grosimea δ este suficient de mic. În fig. 9.20 a fost reprezentat incrementul razei in zona de fund a celulei Couette, prin prezentarea seciunii orizontale. Mrimea forei elementare de vâscozitate este

( ),212' drr

rAdFv ⋅⋅−== π

δωωητ (9.14)

iar mrimea momentului total al forelor de vâscozitate fa de axa de rotaie este, ( ) ( ) 4

112

0

312

0

'

22

11

' rdrrr

rdFMrr

vFv δωωπ

δωωπη −=−== . (9.15)

Pentru determinarea vâscozitii este necesar determinarea momentului forei vâscoase. Momentul forei vâscoase este în echilibru cu momentul forei cilindrului interior-antrenat.

ε⋅= JMcF , (9.16)

în care J este momentul mecanic de inerie al cilindrului interior-antrenat iar este acceleraia de rotaie a cilindrului.

Momentul mecanic de inerie corespunde relaiei, IJ

iCMρ= , (9.17)

în care iCMρ este densitatea materialului de construcie al cilindrului iar I reprezint momentul geometric de

inerie al cilindrului. Acesta a fost calculat prin însumarea sau scderea momentelor geometrice de inerie ale seciunilor geometrice ale cilindrului interior. În aceast situaie se respect principiul general care afirm c momentul geometric de inerie al unui corp complex, poate fi calculat prin adunarea i/sau scderea momentelor geometrice de inerie ale unor forme simple geometrice, componente ale corpului complex [BOT1990].

Astfel momentul forei cilindrului interior este definit de relaia: ερ ⋅⋅= IM

iCiC MF , (9.18)

care este egal cu suma momentelor forei vâscoase vFM i '

vFM ,

'vviC FFF MMM += , (9.19)

devine ( ) ( ) 4

112

22

21

22

2112

24

rrr

rrhI

iMC δωωπηωωπηερ −+

−⋅⋅−=⋅⋅ , (9.20)

iar vâscozitatea dinamic a fluidului newtonian poate fi calculat cu relaia:

( ) ( )[ ]( ) ερδ

δωωπη⋅⋅−

−−−=Irr

rrrrhr

CiM2

12

2

21

22

41

22

2112

28

. (9.21)

În cazul unui fluid nenewtonian ca i relaia (9.12), relaia (9.21) rmâne valabil definind îns vâscozitatea dinamic aparent aη .

Cu aceast relaie se poate calcula cu uurin tensiunea de forfecare dezvoltat în masa din fluid [RDL1980].

( )22

12

12

21

2 cc

ccf rr

rr

−

−⋅=

ωωησ (9.22)

Cunoscând valoarea tensiunii de forfecare, se poate calcula valoarea vitezei de forfecare•

fγ .

Scopul acestei faze a cercetrii reprezint determinarea caracteristicilor de vâscozitate al aparatului Taylor-Couette cu cilindri rotitori proiectat i construit pentru aceast cercetare.

31

CAPITOLUL 10 ANALIZE EXPERIMENTALE

Aparatul Taylor-Couette, proiectat i realizat, are un domeniu mai larg de utilizare fa de aparate similare cu ambii cilindri rotitori datorit:

• existenei sistemului de termostate a celulei Couette, • posibilitii utilizrii unui numr nelimitat de cilindri interiori din orice tip de material, • posibilitii utilizrii unui numr mare de tipuri de fluide, • domeniului larg de turaie al cilindrului antrenor între 0,05…500 rot/min.

Acest aparat are sensibilitate mare în msurare i rspuns rapid în funcionare, datorit existenei lagrului gazo-static care are rol de sprijin i rotire, eliminând practic frecrile caracteristice lagrelor clasice.

10.1. CONSIDERENTE TEORETICE PRIVIND STABILIREA CONDIIILOR DE TESTARE

Aparatul Taylor-Couette cu cilindri rotitori a fost realizat de societatea Rulmentul SA Braov, cu sprijinul fostului director general ing. Sergiu Gherasim. Acest aparat fost conceput pentru studii generale asupra tuturor tipurilor de fluide. Prima sa funcie este cea de msurare a vâscozitii dinamice. Aparatul Taylor-Couette cu cilindri rotitori are posibilitatea msurrii vâscozitii dinamice într-un domeniu larg de temperatur. Cu echiparea actual poate msura vâscozitatea la temperaturi cuprinse între 10 i 60ºC. Cu echipri auxiliare domeniul de msurare poate ajunge la intervalul 0…80ºC. A doua funcie a acestui aparat este cea de reometru având posibilitatea de a evalua câiva parametri reologici importani ai fluidelor.

De asemenea aparatul Taylor-Couette cu cilindri rotitori are posibilitatea direct de a evidenia câteva efecte specifice, care apar în timpul curgerii fluidelor newtoniene:

• efectul de cavitaie, • efectul Toms (alunecare în stratul limit),

i a fluidelor nenewtoniene: • efectul Weissenberg (ridicare pe cilindrul interior).

10.2. CONSIDERENTE PRACTICE ALE CERCETRII În aceast cercetare s-a urmrit capacitatea aparatului de a evidenia caracterului reologic ale

fluidelor de prelucrare cu baz apoas (fluidele de rcire-ungere) i în particular testarea unor fluide de acest tip utilizate în fabricaia de rulmeni, msurarea vâscozitii, variaiei ei în raport cu temperatura i cu fora de forfecare pentru fluidele nenewtoniene vâscoelastice (emulsiile) .

Scopul viitor al acestei cercetri este urmrirea modificrii parametrului de lubricitate (sau

lubrifiere) în funcie de comportamentul reologic i de modificarea compoziiei chimice a fluidelor de achiere.

Figur 10.1

32

Datele obinute pân în acest moment au pus în eviden capacitatea funcional a aparatului Taylor-Couette cu cilindri rotitori, stabilitatea, precizia în msurare i reproductibilitatea valorilor msurtorilor.

. Parametrii care caracterizeaz acest tip de curgere sunt raportul razelor ( )12 / rraT =η , raportul de

aspect ( )1/ rhaT =Γ , raportul vitezelor ( )12 /ωωβ =aT i numrul adimensional Taylor (Ta).

A fost ales un domeniu de msurare în care curgerea Taylor-Couette este stabil conform diagramei din figura 10.1 [BRS1998].

În cadrul cercetrii s-a urmrit comportarea reologic a fluidelor între cei doi cilindri rotitori coaxiali, având diametre diferite.

În acest scop: • s-au construit cilindri antrenai cu diametrul exterior de 62, 66, 68, 69 i 69,6 mm, • s-au construit câte patru cilindri interiori cu diametrele exterioare de 66 i 68 mm, având

rugoziti diferite între 0,6 i 1,2 m, pentru realizarea unui studiu viitor referitor la dezvoltarea efectului Toms,

• s-au ales dou materiale metalice din care au fost construii cilindri interiori, OLC 45 i un aliaj cu 95% aluminiu i 5% zinc.

• s-au construit ase cilindri interiori de oel cu diametrul de 66 mm. Pe suprafeele a cinci cilindri au fost depuse în mod controlat aur, argint, crom, nichel i cupru cu o grosime de 4 µm. Acest proces a fost realizat la Institutul de Fizic Nuclear de la Mgurele.

Rugozitile suprafeelor active ale acestor cilindri au aceeai valoare, 0.20 m. Prin utilizarea mai multor metale diferite, s-au urmrit posibilele influene ale celor cinci metale asupra curgerii Taylor-Couette, la nivelul peretelui cilindrului interior. De asemenea s-a urmrit apariia unor eventuale influene în 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 în compoziie, având raportul de amestec fluid/ap, de 10/90 pri,

• soluia format de un amestec glicerin/ap în proporie de 10/90 pri. Au fost testate ambele tipuri de fluide.

10.3.1. ANALIZAREA EMULSIEI DE ULEI 10% IN AP A fost utilizai în testare, doar cilindri interiori de oel de 66 mm acoperii cu nichel, cupru i cel

neacoperit de oel. Cilindrul exterior antrenor are diametrul interior de 70 mm, iar înlimea suprafeei de contact a cilindrului interior antrenat cu fluidul este de 174 mm.

Au rezultat urmtorii parametrii constructivi:

636,2/

060,1/

1

12

==Γ

==

rh

rra

a

T

Tη

S-a ales temperatura de lucru de 26ºC. Fluidul concentrat cu care se formeaz emulsia, utilizat în testare, aparine familiei fluidelor de

prelucrare emulsionabile cu coninut de ulei mineral mai mare de 50%, al crui emulgator are balana hidrofil-lipofil (HLB) cuprins în intervalul valoric 18…25, semnificând un caracter puternic hidrofil. inând cont de acest aspect, gradul de dispersie este dependent de caracterul hidrofil-lipofil al emulgatorului. Un grad de dispersie mare, implicit o valoare mic a diametrului mediu al particulei de ulei în ap, sunt determinate de o valoare mare HLB a emulgatorului. În cazul emulsiei supuse acestei cercetri, diametrul mediu al particulei este 50 m, iar gradul de dispersie ( dΓ ) i implicit numrul de particule, sunt obinute din ecuaia lui Jellenic. [BEC1957]

3/41,0 memd d⋅=Γ ρ (nr. particule/gram),

în care emρ , reprezint densitatea emulsiei, care este aproximativ 0,96 g/cm3 la 15ºC, iar dm reprezint diametrul mediu al particulei de ulei dispersat. Valoarea 0,41 este obinut empiric pentru uleiuri petroliere. În acest caz, gradul de dispersie are valoarea 3280 [BEC1957].

33

S-au efectuat msurtori la o singur turaie a cilindrului exterior (antrenor) 22,50 rad/s cu cilindrul interior în stare de repaus la momentul iniial. S-a ales aceast vitez pentru c vâscozitatea fluidului testat se situeaz în intervalul 1…5 cP la temperatura de 26ºC, iar fora de forfecare format nu destabilizeaz sistemul dispers.

S-a ales aceast turaie deoarece, emulsia de testare reprezint un tip reologic cu comportament nenewtonian vâscoplastic. La concentraia de 10% i la temperatura de 26ºC, prezint un comportament reologic newtonian clasic, util desfurrilor analizelor în aceast faz de cercetare.

În figurile 10.12 i 10.13 sunt prezentate diagramele care reprezint evoluiile vitezelor de rotaie ale celor doi cilindri, interior (antrenat) i exterior (antrenor) la frânare i accelerare.

! "#

$

"

#

Fig. 10.12

% &

! "#

$

"

#

Viteza cilindrului antrenor Viteza cilidrului antrenat acoperit cu nichel

Viteza cilidrului antrenat acoperit cu cupru Viteza cilidrului antrenat de otel neacoperit

Fig. 10.13

34

10.3.2. ANALIZAREA SOLUIEI DE GLICERIN 10% ÎN AP Ca i în cazul anterior a fost aleas varianta de testare folosind cilindri interiori cu diametrele de 66

mm, acoperii cu aur, argint, nichel, crom, cupru i cilindrul de oel neacoperit. Cilindrul exterior antrenor are diametru interior de 70 mm, iar înlimea suprafeei de contact a cilindrului este de 174 mm.

Au rezultat urmtorii parametrii constructivi:

636,2/

060,1/

1

12

==Γ

==

rh

rra

a

T

Tη

S-a lucrat la temperatura de 26ºC. Soluia de glicerin concentrat 98…99%, are un comportament chimic particular în soluii diluate,

deoarece formeaz agregat moleculare (12…100 grupuri moleculare în funcie de temperatur). La temperatura de lucru numrul de agregate este cuprins intre 40 si 100. La fore de forfecare mici, aceste agregate, nu se descompun. [NEN1979], [TAG1994]

De asemenea pentru c glicerina are în molecul trei grupe hidroxilice, capabile s hidrolizeze, exist posibilitatea ca soluia de glicerin, s dezvolte un comportament reologic i chimic propriu în stratul limit la nivelul cilindrului interior-antrenat.

Un alt motiv pentru care a fost aleas glicerina pentru testare este determinat de faptul c face parte din seria compuilor poliglicolici care sunt utilizai ca baz pentru obinerea fluidelor de prelucrare sintetice care formeaz soluii apoase transparente.

S-au efectuat msurtori la o singur turaie a cilindrului exterior (antrenor) 8,5 rad/s. S-a ales aceast vitez pentru a pune în eviden influena pe care ar putea s o creeze formaiile de agregate asupra curgerii i efectele chimice sau electrochimice ale metalelor de acoperire care la rândul lor ar influena curgerea în stratul limit.

Testarea soluiei de glicerin în ap a fost iniiat în fiecare încercare cu ambii cilindri în starea de repaus, la momentul iniial.

În figura 10.20 sunt prezentate diagramele care reprezint variaiile vitezelor de rotaie ale celor doi cilindrii, interior-antrenat i exterior-antrenor.

$ '

! "#

$

"

#

! " #

Fig 10.20

35

CAPITOLUL 11 PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE OBINUTE CU APARATUL-PROPUNERE DE BREVET

Aparatul Taylor-Couette cu cilindri rotitori prezint o serie de avantaje i faciliti în utilizare fa de aparatele antrenoare. Acest aparat prezint, de asemenea, un avantaj în condiiile utilizrii pentru determinri de serie. Datorit accesului în spaiul dintre cilindri, determinat de montarea i demontarea cilindrului interior, splarea spaiului dintre cilindri, i introducerea fluidului care urmeaz s fie analizat. Totui, scopul direct al acestui aparat este msurarea cu mare precizie (datorit sensibilitii în msurare conferit de lagrul gazo-static) atât a vâscozitii cât i a unor parametrii reologici caracteristici.

Msurarea acestor parametri în zonele tranzitorii, pune în eviden variaia comportrii reologice a oricrui tip de fluid la modificarea vitezei de rotaie a cilindrului exterior (antrenor) i a temperaturii, la modificarea spaiului dintre cilindri, rugozitii suprafeei cilindrului interior i a tipului de metal de acoperire a cilindrului interior.

Desfurarea analizelor fluidelor alese pentru acest studiu a fost descris în capitolul anterior. Pentru urmrirea comportrii celor dou fluide, au fost testate la câte o singur vitez de rotaie a

cilindrului exterior antrenor, unic pentru fiecare fluid.

11.1. EMULSIA DE ULEI 10% ÎN AP În figura 10.13 a fost reprezentat diagrama cu vitezele de rotaie ale cilindrilui exterior (antrenor)

i interiori (antrenai) cu diametrul exterior de 66 mm. Dup cum s-a specificat în capitolul 10, a fost ales un raport al razelor care situeaz curgerea dintre cilindri, în domeniul de stabilitate Taylor-Couette,

. 130,1124,12

2

1

2 <=c

c

r

r.

Valoarea 1,130 este calculat de ctre Taylor i este figurat în diagrama din figura 9.1 [BRS1998].

Între vitezele de rotaie ale cilindrilor acoperii cu cupru i nichel i viteza de rotaie a cilindrului neacoperit apar diferene destul de mari în zona în care vitezele de rotaie au devenit constante.

Viteza de rotaie a cilindrului neacoperit este de 12,5 rad/s. Vitezele de rotaie ale cilindrilor acoperit cu nichel i acoperit cu cupru au valoare de 14 rad/s.

Emulsiile sunt medii disperse bifazice, o faz apoas (dispersantul) i o faz uleioas (dispersatul). Faza uleioas dup cum a fost descris în capitolul 10, este dispersat sub forma de picturi i este caracterizat de gradul de dispersie i are diametrul mediu al particulelor de 50 m. [DRP1995], [HEP1996].

În timpul funcionrii este posibil regruparea particulelor de ulei dispersate în ap datorit forei centrifuge. Este posibil creterea „densitii” de particule (picturilor) de ulei în zona interioar a interstiiului i a apei în zona exterioar. Acest fapt poate avea o consecin practic. Modificarea umectabilitii suprafeei cilindrului interior ar avea o consecin direct asupra vitezei de rotaie a acestuia.

Suprafaa cilindrului de oel neacoperit este activ chimic i electrochimic fa de lichidele polare (formate din molecule polare cu centre de sarcini electrice pariale).

Suprafeele nichelului pasivat i a cuprului, acoperit cu un strat de oxid cu o polaritate mic (i implicit o activitate chimic i electrochimic mic, conform valorii potenialului chimic i electrochimic) [ANT1977], fa de substanele polare dizolvate sau fa de ap, au o activitate chimic i electrochimic redus.

Luând în considerare aceste observaii este posibil pe suprafaa cilindrului de oel umectabilitatea unei substane organice nepolare s fie mult mai mic decât pe suprafaa cilindrilor acoperii cu nichel i cupru [PAD1998], [PPM1997].

O alt ipotez ar putea lua în considerare gradul de porozitate a suprafeelor celor trei cilindrii. Depunerea nichelului i a cuprului s-a realizat cu ajutorul tehnologiei de depunere fizic în vid pe

suprafaa de oel. Microporozitile suprafeei determinate de condiiile de prelucrare mecanic, care nu au fost evideniate la msurtorile de rugozitate, au fost reduse într-o msur însemnat.

Suprafaa cilindrului de oel neacoperit a pstrat porozitatea provocat (determinat) de operaia de prelucrare prin achiere. La nivelul microporilor s-a manifestat fenomenul de adsorbie fizic a apei i a

36

microparticulelor de ulei care la suprafa sunt acoperite de o pelicul compact format din emulgatori. Spre deosebire de suprafeele cilindrilor acoperii cu nichel i cupru, cilindrul de oel este umectat mai puin în timpul micrii datorit unui strat de micropicturi de ulei care a micorat suprafaa de contact direct între dispersant (ap) i cilindrul interior [PAL2001II], [PAL2001III]. În aceast situaie este posibil alunecarea cilindrului interior de oel.

Acest efect ar putea fi evideniat la nivelul stratului limit, doar în condiiile în care ar fi vizualizat aceast micare.

11.2. SOLUIA DE GLICERIN 10% ÎN AP În figurile 10.14 i 10.20 au fost prezentate diagramele vitezelor de rotaie ale cilindrilor exterior

(antrenor) i interior (antrenat), utilizând cilindri interiori cu diametrul de 66 mm. S-a respectat aceeai regul, ca i în cazul testrii emulsiei 10%, specificat în capitolul 10. A fost

ales acelai raport al razelor, care asigur desfurarea micrii fluidului între cilindri exterior (antrenat) i interior (antrenor), în domeniul de stabilitate Taylor-Couette. [BRS1998],

130,1124,12

2

1

2 <=c

c

r

r.

Din diagrama general, în care sunt prezentate comparativ vitezele cilindrilor exterior (antrenor) i interior (antrenai), se constat existena unor diferene semnificative între valorile vitezelor de rotaie în zona staionar. De asemenea se poate observa c în toate cele cinci cazuri de testare a soluiei de glicerin 10%, curbele de variaie a vitezei cilindrului interior-antrenat prezint un punct de inflexiune[PAP2002].

Diferena între valorile vitezelor cilindrilor interiori poate fi considerat ca o consecin a gradului de umectare diferit a metalelor de ctre soluia de glicerin 10% în ap. Soluiile a dou sau mai multe lichide sau soluiile unor substane solubile într-un lichid, reprezint medii omogene cu un comportament izotrop, atât chimic cât i reologic [PAL2001II].

În aciunea direct chimic asupra suprafeei cilindrilor, moleculele solventului (apa) au o aciune ponderat la aproximativ 90% din aciunea tuturor moleculelor situate la nivelul stratului limit în condiii considerate standard [NEN1974], în care moleculele substanei dizolvate nu hidrolizeaz i prezint o activitate chimic egal cu unitatea [PGC1998].

Dar în situaia dat, în acest grup de testri, glicerina hidrolizeaz (are trei grupri hidroxil) i formeaz agregate mari, cu numr de agregare cuprins între 12 i 100 de uniti. Creterea temperaturii soluiei de glicerin 10% în ap, determin descompunerea agregatelor, conducând la distrugerea complet a acestora la 80ºC [MUR1986], [NEN1974].

În aceast situaie umectarea suprafeelor nu mai corespunde raportului ponderal al concentraiei de glicerin 10% în ap, la temperatura de msurare. Umectarea se modific spre valori mai mari fa de raportul proporional cu concentraia glicerinei, deoarece aceste agregate de molecule de glicerin hidrolizate sunt adsorbite la suprafaa cilindrilor acoperii cu cele cinci metale. Acest agregate au proprieti capilar active i potenialul de sarcin nul sau zero sarcin [ANT19977]. Valoarea mare a potenialului de sarcin nul reflect o activitate chimic mai redus. Îns acest concept se refer nu numai la activitatea chimic (care în mare msur este reflectat de potenialul chimic standard i de potenialul de electrod standard. Acest potenial se refer i la aciunea fizic a metalelor asupra lichidelor. Daca aceast aciune este mare lichidul va adera mai puternic la suprafaa metalului iar în miscarea de antrenare va avea o vitez de rotaie mai apropiat de a cilindrului antrenor. În aceast situaie aurul cu potenialul de sarcin nula cel mai mare din seria de lucru are umectabilitatea cea mai mic în raport cu apa. Cilindrul anterior cu suprafaa acoperit cu aur, poate s ”alunece” fa de ”stratul” de ap cu care este în contact. Valoarea vitezei de rotaie a acestui cilindru va fi cea îndeprtat de viteza cilindrului antrenor. Metale cu poteniale de electrod pozitiv, cu poteniale mai mari decât potenialul hidrogenului sunt umectate mai puin i au vitezele cele mai mici decât metalele cu poteniale de electrod mai mari decât ale hidrogenului

Dar, apare, totui o situaie, contradictorie, analizând doar potenialele de electrod, cilindrul acoperit cu cupru, este antrenat cu vitez mai mare decât cilindri acoperii cu nichel i crom. Acest comportament poate fi explicat prin tendina de pasivare chimic a nichelului i cromului. Oxidul format (un polioxid cu rezisten chimic mare) modific tendin de umectare ale acestor metale la nivelul superficial (care reprezint de fapt potenialul de suprafa neîncrcate sau de sarcini zero).

Cilindrul de oel neacoperit are un potenial de electrod mic i implicit un potenial de sarcin zero de valoare mic [PAP2002], [PAL2001I].

37

O ipotez a explicrii apariiei punctului de inflexiune, ar fi distrugerea agregatelor de glicerin determinate de atingerea unei anumite valori a forei de forfecare în volumul soluiei datorit creterii vitezei de rotaie a cilindrului exterior-antrenor [PAL2001I], [HEP1996], [PAL2002]. Dup trecerea de punctul de inflexiune urmeaz o cretere important a acceleraiei tuturor cilindrilor interiori. Adsorbia formaiunilor moleculare mai mici chiar pan la nivel de molecule de ap i glicerin este mai puternic decât a formaiunilor mari care au fost distruse i determin o acoperire complet a suprafeei cilindrilor.

Acestui studiu asupra celor dou tipuri de fluide a urmrit testarea aparatului Taylor-Couette cu cilindri rotitori.

Evidenierea componentelor reologice ale celor dou fluide constituie etapa ulterioar. În aceast etap s-a pus în eviden capacitatea de msurare a vâscozitii a aparatului Taylor-Couette cu cilindri rotitori, precizia i reproductibilibilitatea rezultatelor i este doar o faz a unei cercetri care implic trei centre universitare Facultatea de Energetic din cadrul Universitii Politehnica Bucureti, Facultatea de Chimie Industrial i Ingineria Mediului din cadrul Universitii „Politehnica” Timioara, alturi de Facultatea de Inginerie Tehnologic din cadrul Universitii ”Transilvania” Braov, titulara acestui studiu.

11.3. CORELAII ÎNTRE COMPORTAREA REOLOGIC A FLUIDELOR ANALIZATE I DESFUREAREA PROCESULUI DE ACHIERE

Importana practic direct în aceast faz a cercetrii este relevat de verificarea mecanismului de lubrifiere prin evidenierea umectabilitii (activitii chimice superficiale) fluidelor la nivelul suprafeei metalice. Utilizarea mai multor metale de acoperire ale cilindrilor antrenai a relevat diferene evidente de comportare a fluidelor în timpul curgerii. Coninutul de ageni tensioactivi (printre care i aditivii antiuzur si de extrem-presiune) mresc umectabilitatea fluidului de prelucrare. Conform mecanismului de lubrifiere prezentat în capitolul 3, o umectabilitate mare, favorizeaz trecerea unei cantiti cât mai mari de fluid, prin adsorbie fizic, în interiorul microcapilarelor influenând ultima faz, creterea intensitii exploziei micropicturii. Aceast ultim etap este cea mai important în msurarea eficacitii achierii, prin desprinderea achiei. Analizele descrise în capitolul 10 subliniaz posibilitatea stabiliri unei dependine între comportarea fluidului la curgerea Couette, utilizând cilindrii interiori existeni i eficacitatea achierii. Utilizând aparatul Taylor-Couette se pot obine date comparative utile realizrii reetelor fluidelor de prelucrare.

CAPTOLUL 12 CONCLUZII GENERALE

Aparatul Taylor-Couette proiectat i executat pentru aceast cercetare, reprezint modelul clasic de reometru cu cilindri rotitori, dei este mai puin utilizat pentru studii i analize directe. Utilizarea la zona de sprijin i rotire a cilindrului interior (antrenat), a unui lagr gazo-static, reprezint o noutate pentru acest tip de aparate cu ambii cilindri rotitori.

Existena acestui lagr asigur aparatului Taylor-Couette experimental, o precizie mai mare în msurarea parametrilor reologici, care caracterizeaz curgerea Taylor-Couette.

Programul de achiziie asigur preluarea i prelucrarea datelor, msurarea vitezelor celor doi cilindrii exterior (antrenor) i interior (antrenat) asociai în micare, în toat perioada de desfurare a micrii, pentru prelucrarea matematic a datelor.

Prin utilizarea mai multor cilindri interiori care difer prin diametrul exterior, este stabilit grosimea interstiiului dintre cilindri. În funcie de distana dintre cilindri se pot selecta fluidele care urmeaz s fie analizate, în funcie de vâscozitate.

Pentru studiul fluidelor vâscoplastice din categoria unsorilor, a vaselinelor i a pastelor, este necesar utilizarea unor cilindri interiori cu diametre exterioare mai mici decât diametrele exterioare ale cilindrilor existeni în echiparea actual. Raportul razelor aTη pentru acest tip de fluide trebuie s fie mai mare de 1,5.

Prin utilizarea cilindrilor interiori cu diametre mai mari, având suprafee cu rugoziti diferite, este posibil studierea comportrii fluidelor la nivelul stratului limit.

De asemenea sunt posibile studii asupra comportrii termodinamice a fluidelor i fenomenelor superficiale care se produc în aceast micare.

38

Utilizarea cilindrilor acoperii cu diferite metale poate pune în eviden fenomenele superficiale care au implicaii chimice i electrochimice la nivelul stratului limit i posibilitatea utilizrii acestui aparat la efectuarea cercetrilor în vederea realizrii reetelor fluidelor de prelucrare.

Rezultatele obinute în aceast cercetare au evideniat atât capabilitatea acestui aparat în efectuarea msurrilor cât i deficienele de accesibilitate pe care le deine, în acest moment.

Cu toate aceste deficiene, rezultatele analizelor efectuate, au pus în eviden, comportri reologice semnificativ diferite ale celor dou fluide (o emulsie i o soluie) supuse testrilor cu cilindri interiori acoperii cu diverse metale.

În aceast etap de cercetare a fost studiat în principal aparatul Taylor-Couette, înc din faza de proiectare, construcie i echipare cu componentele funcionale anexe, care au determinat nivelul lui funcional.

În acest moment aparatul este în curs de brevetare (fig. 9.17). Aceast etap face parte dintr-un program, care va studia efectele chimice i electrochimice asupra

curgerii Taylor-Couette ale metalelor de acoperire a cilindrilor interiori antrenai. Utilizarea mai multor cilindri interiori diferii între ei dup mai multe criterii, intenioneaz s pun în eviden câteva dintre efectele reologice importante în industrie, efectul Toms, efectul Weissenberg i efectul de cavitaie.

Curgerea Taylor-Couette este aplicat în cercetare în mai multe domenii, fizic, matematic, chimie, mecanica fluidelor, astrofizic.

CAPITOLUL 13 APLICAII CONEXE ALE APARATULUI TAYLOR-COUETTE

Aparatul Taylor-Couette are aplicabilitate direct în industria lubrifianilor. Prin aceast tehnic se pot studia proprietile reologice ale fluidelor nenewtoniene din categoria fluidelor vâscoplastice i vâscoelastoplastice.

În clasa fluidelor vâscoplastice sunt incluse unsorile, vaselinele, pastelor, cremele i emulsiile consistente. O clas important de fluide vâscoplastice sunt gelurile care au un comportament reologic particular.

Categoria cea mai important pentru industria lubrifianilor din clasa fluidelor vâscoplastice este cea unsorilor. Acestea sunt fluide vâscoplastice cu prag de curgere. Pragul de curgere reprezint un important reper în alegerea unsorilor pentru aplicaii la solicitri mecanice de forfecare. Valoarea vâscozitii, în decursul utilizrii poate s traverseze domeniul de rezisten reologic în care apare saltul de vâscozitate care modific complet comportarea reologic a unsorii. În cele mai multe cazuri, saltul de prag determin scderea semnificativ a valorii vâscozitii. Implicaiile în funcionarea echipamentelor pot fi în unele cazuri catastrofale.

Unsorile reprezint o categorie foarte diferit de celelalte fluide cunoscute i studiate în mod frecvent. Ele sunt formate dintr-un sistem îngrotor macrocoloidal cu aspect de reea foarte dens, format din reticulului de catene de spunuri organice (hidrostearat de litiu, hidrostearat de litiu i calciu, stearat de calciu), care înglobeaz în spaiile libere reticulare, ulei petrolier sau sintetic. Solicitrile mecanice la forfecare pot conduce uneori (asociate cu creterea temperaturii) la ruperea reelei de fibre i eliberarea uleiului sau descompunerea în formaiuni reticulare i ulei, transformând unsoarea într-un compozit necontrolabil.

O alt specie reologic este reprezentat de geluri care în cele mai multe cazuri sunt metastabile. Stabilitatea acestora este asigurat de echilibrul de sarcini electrice dintre faza pe coloidal i solvent. Gelurile pot forma sisteme coloidale clasice. Supuse unei solicitri mecanice de forfecare, componentele încrcate electric se pot neutraliza reciproc conducând la dizolvarea gelului. Aceast categorie reologic este utilizat în industria chimic i în cea farmaceutic.

Fluidele vâscoelastoplastice sunt prezentate de fluidele incluse în categoria emulsiilor cu coninut de suspensii mecanice i a uleiurilor cu coninut de pulberi lubrifiate (grafit coloidat i bisulfur de molibden solid adus în faz coloidal).

Pulberile de grafit i bisulfura de molibden sunt formate din granule cu form lamelar. Granule suspensionate influeneaz fora de rezisten vâscoas în timpul curgerii.

Testarea unei asemenea suspensii cu acest tip de aparat ar avea posibilitatea s pun în eviden, momentul micorrii domeniului de variaie a vâscozitii aparente.

39

Unsorile care conin suspensii mecanice au un comportament reologic extrem de complex. Unul dintre obiectivele cercetrilor ulterioare este studierea acestora, nu doar prin tehnica Taylor-Couette.

Pentru alte studii cu ajutorul acestui aparat Taylor-Couette cu cilindri rotitori, este necesar alegerea dimensiunilor cilindrilor i a materialelor de acoperire.

CAPITOLUL 14

CONTRIBUII ORIGINALE CONTRIBUII PRIVITOARE LA APARATUL TAYLOR-COUETTE CU CILINDRI COAXIALI ROTITORI CONCEPUT I CONSTRUIT PENTRU ACEAST CERCETARE

1. Utilizarea unui lagr gazostatic tronconic pentru sustentarea ansamblului care include cilindrul interior,

IMPLICAII - Eliminarea frecrilor existente la celelalte tipuri de lagre, - Precizie mare în msurare. 2. Utilizarea unui sistem de msurarea a vitezei de rotaie format din:

a. dispozitiv de numrare, b. traductor de turaie,

• disc i cilindru cu crestturi, • cititor opto-electronic,

- fotodiode emitoare, - fotodiode recepatoare,

IMPLICAII - Precizie mare în msurare. 3. Reducerea nivelului de vibraii datorit utilizrii transmisiei prin intermediul curelelor i a utilizrii

lagrului gazostatic, IMPLICAII - Precizie mare în msurare (reducerea nivelului de ”zgomot”). 4. Utilizarea unui soft de achiziie de date, conceput special pentru aceast aplicaie, care permite

prelucrarea direct a datelor primare, IMPLICAII - Rapiditate în preluarea i prelucrarea primar a datelor. 5. Stabilirea unei metodologi de prelucrare a datelor utilizând programul EXCEL,

IMPLICAII - Rapiditate în preluarea i prelucrarea final a datelor. 6. Înlocuirea facil a fluidelor pentru testare mijlocit prin accesul direct (determinat de modalitatea

simpl de demontare-montare a ansamblului care conine cilindrul interior) în celula Couette IMPLICAII - Curire uoar i rapid a spaiului de testare, - Numr mare de teste în unitatea de timp. 7. Obinerea unei game mari de reducere a turaiilor fuliei motoare a transmisiei prin curele, în trei

variante: Varianta 1 - motor electric de curent continuu cu turaie variabil, Varianta 2 - motor electric de curent continuu cu turaie variabil cuplat cu un reductor

armonic, Varianta 3 - motor electric de curent continuu cu turaie variabil i dou reductoare

armonice, cuplate în serie. 8. Utilizarea unui motor de curent continuu cu ajutorul cruia se obin turaii variabile în intervalul

30…1500 rot/min. i a dou reductoare armonice cu raportul de reducere de 80/1.

CONTRIBUII REZULTATE ÎN URMA CERCETRILOR EXPERIMENTALE 9. Evidenierea influenei naturii metalului de acoperire asupra curgerii fluidelor. 10. Evidenierea corelaiei între efectul naturii materialului de acoperire i caracteristicile

electrochimice (potenialul de electrod i potenialul de sarcin zero). 11. Stabilirea unei metodologi de calcul a vâscozitii dinamice. 12. Evidenierea ”efectelor de alunecare” a fluidului cu baz apoas la nivelul suprafeei cilindrilor

acoperii cu aur i argint. 13. Propunerea unor modele teoretice ale mecanismelor proceselor de rcire i lubrifiere asigurate de

fluidele de prelucrare în timpul procesului de achiere. 14. Evidenierea dependenei dintre coninutul i activitatea agenilor tensioactivi coninui (ageni

emulgatori, aditivi antiuzur, aditivi de extrem-presiune pentru fluidele miscibile cu apa sau

40

aditivi antiuzur i de extrema-presiune pentru fluidele nemiscibile cu apa), i eficacitatea fluidului de prelucrare la lubrifiere în timpul procesului de achiere conform mecanismelor procesului de lubrifiere propus.

CAPITOLUL 15 VALORIFICAREA REZULTATELOR CERCETRII

1. Proiectarea unui aparat Taylor-Couette cu cilindri coaxiali rotitori care figureaz ca propunere de brevet,

2. Construirea aparatului Taylor-Couette i utilizarea lui la efectuarea testelor cercetrii, 3. Construirea unor accesorii (cilindri cu diametre exterioare diverse) pentru mrirea domeniului de

testare i mrirea domeniului de aplicaii, 4. Publicarea a nou lucrri tiinifice referitoare la desfurarea i rezultatele cercetrii la conferine,

simpozioane i seminarii naionale i internaionale i în reviste de specialitate internaionale, dintre care cinci lucrri tiinifice la conferine i în reviste internaionale: • Electrochemical Effects on Rheology of Lubricants in Taylor-Couette Flow, susinut i

publicat la Nordtrib 2002, The 10th Nordic Symposium on Tribology, June 9-12, 2002, Stockholm, Sweden,

• Rheology of Lubricants in a New Type of Couette Apparatus with Concentric Cylinders, susinut i publicat la 2nd World Tribology Congress, September 3rd – 7th, 2001, Vienna, Austria,

• Tribology of Metalworking Fluids – Brench Test and Field Trial, susinut i publicat la 11th Intenational Coloquium Tribology Stuttgart/Ostfildern, January 13-15, 1996, Germany,

• Transylvania Manufacturer of Takes Bite Out of Pollution, publicat în Industrial Wastewater Review, September/October 1995, pp 60-62, USA,

• Observation of Syntetic Metalworking Fluid in the Central System at Brasov Bearing System, susinut i publicat la XXX Scientific Symposium Lubricants ’97, 22-24 October 1997, Pola, Croatia.

CAPITOLUL 16 PROPUNERI DE PERSEPCTIV ÎN CERCETRILE ASUPRA COMPORTRII LUBRIFIANILOR ÎN CURGEREA TAYLOR-COUETTE

• Studierea efectului Toms prin utilizarea aparatului Taylor-Couette în varianta actual de echipare Utilitate direct, micorarea consumului de energie la transportul fluidelor prin

conducte pe distane lungi.

• Studierea efectului de cavitaie prin utilizarea aparatului Taylor-Couette în varianta actual de echipare

Utilitate direct, studierea uzrii de cavitaie la subansamble mecanice cu componente rotative (pompe, rulmeni).

• Studierea pragului de curgere al unsorilor prin utilizarea aparatului Taylor-Couette, pentru care la varianta actual este necesar adugarea de cilindri interiori cu diametre mai mici. Raportul razelor trebuie s îndeplineasc condiia 5,1>aTη .

Utilitate direct, alimentarea punctelor de curgere cu unsoare la distane mari de la staii control.

• Studierea unsorilor cu suspensii mecanice solide prin utilizarea combinat a aparatului Taylor-Couette cu cilindri rotitori cu alte aparate i standuri. Echiparea aparatului presupune utilizarea de cilindri interiori cu diametre mai mici. i în acest caz raportul razelor trebuie s îndeplineasc condiia 5,1>aTη .

Scopul studiului, mrirea duratei de utilizare a acestor unsori.

41

BIBLIOGRAFIE

[A1] *** Descrierea teoriei lui Maxwell (relaxarea elastic a tensiunii i a deformrii). [ANT1978] ANTROPOV, L., Teoretical Electrochemistry, MIR. Publisher, Moscow, 1978. [B2] *** Determinarea relaiei lui Poiseuille prin transformarea ecuaiilor de curgere ale fluidelor

reale ( ecuaiile Navier - Stokes). [BAC1967] BAUER, W.H., COLLINS, E.A., Tixotropy and Dilatancy in Rheology Theory and

Applications, Vol. 4, New York Academic Press, 1967. [BAQ1998] BAVARIAN, C., QUEMADA, D., Using Instrumental Inertia in Controlled Stress Rheometry,

Rheologica Acta Rev., Vol. 37, Nr. 1, 1998. [BCC2000] BOBANCU, S., COZMA, R., CIOC, V., Tribologie – Inventic, Îndrumar pentru lucrri de

laborator, Universitatea ”TRANSILVANIA” din Braov, 2000. [BEC1957] BECHER, P., Emulsion., Theory and Practice, Reinhold Publishing Corporation, New York,

Chapman & Hall, Ltd London, 1957. [BOB1979] BOBANCU, S., Dispozitiv pentru determinarea coeficientului de frecare, Brevet de invenie

nr. 73980, 1979. [BOB1994] BOBANCU, S., Aparat cu lagr gazostatic, Certificat de inovator nr. 03, CTIS – Braov,

1994. [BOC1995] BOBANCU, S., COZMA, R., Tribologie : Frecare, Ungere, Uzare, Universitatea

”TRANSILVANIA” din Braov, 1995. [BOT1990] BOBANCU, S., TOMA, G.C., Aparat pentru msurarea momentului, Brevet de invenie nr.

100488, 1994. [BRD1973] BRDEANU, P., Mecanica fluidelor, Editura Tehnic, Bucureti, 1973. [BRS1998] BRENER M., STONE H., Modern Clasical Physisc trough the Work of G.I. Taylor, Physic

Today, June 1998, 34-44 [BRV1993] BRUNN, P.O., VORWERK, J., Determination of a Steady-State Shear Viscosity from

Measurement of the Apparent Viscosity for some Common Types of Viscometers, Rheologica Acta Rev., Vol. 32, Nr. 4, 1993

[BUW1996] BURGESS, S.L., WILSON, S.D.R., Steady Ostwald Flow between two Differentially Rotating Co-axial Discs, Rheologica Acta Rev., Vol. 35, Nr. 1, 1996.

[CAO1951] CARAFOL, E., OROVEANU, T., Mecanica fluidelor, Editura Academiei R.P.R., Bucureti, 1951.

[COC1993] COSMACINI, E., COZOLI, O., Ecology and safety in use of metalworking fluids, Croation Jurnal of Fuel and Lubricants, Vol. 32, Nr. 5, 1993.

[CRS1976] CRISTESCU, N., SULICIU, I., Vâscoplasticitate, Ed. tehnic, Bucureti, 1976. [CTO1991] CAREW, R.E., TOWNSEND, P., Slow Viscoelastic Past Cylinder in a Rectangular Channel,

Rheologica Acta Rev., Vol. 30, Nr.1, 1991. [DCS1998] DEBRAUN, K., CRAUWELS, N., CELIS, J. P., STALS, L., Ecological cutting: Feasible or

not, 11 th International colloquium tribology, Stuttgart, 1998. [DEC1981] DE CHIFFRE, L., Lubrication in Cutting. Critical Review and Experiments with Restricted

Contact Tool, Wear Rev., Vol. 47, Nr. 3, 1981. [DRP1995] DRISCOLL T.P., PLUAN N.A., Transylvania Manufacturer of Takes Bite Out of Pollution,

Industrial Wastewater Rev, September/October 1995, pp 60-62. [EGR1995] EGGERS, F., RICHMAN, K-H., Oscillating Plate Visometer in the Hz to KHz Range,

Rheologica Acta, Rev., Vol. 34, Nr. 5, 1995. [EPG1983] EPUREANU, AL. PRUTEANU, O., GAVRILA, I., Tehnologia construciei de maini,

Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1983. [FAC1979] FACSKO, GH., Electrochimie i coroziune, Editura, Institutului Politehnic “TRAIAN VUIA”

TIMIOARA, 1979. [FAV1979] FAVILLE, V.A., VOITIK, R.M., The Falex Tapping Torque Test Machine, Journal of the

American Society of Lubrication Engineers, Vol. 34, Nr. 4, 1979. [FRE1964] FREDERICKSON, A.G., Principles and Applications of Rheology, Prentice – Hall Inc.

Publisher, new York, 1964. [GLM1996] GODLEVSKI, V.A., LATYSHEV, V.N., MAURIN. L.N., VOLKOV, A.V., Kinetic of

Lubrication Action During Machining, Journal of the Society of Tribologists and Lubrication Engineers, Vol. 52, Nr. 6, 1996.

[GOM1998] GODLEVSKI, V.A., VOLKOV, A.V., MAURIN, L.N., LATYSHEV, V.N., Kinematical model of boundary lubrication layer formation in the cutting zone, Journal of Polish Academy of science, Tribology, Rev., Vol. 14, Nr. 4, 1998.

42

[GRE1980] GREENWALD, B.W., Water soluble metal working fluids, Journal of the American society of Lubrication, engineers, Vol. 34, Nr. 2, 1980.

[GVL1995] GODLEVSKI, V.A., VOLKOV, A.V., LATYSHEV, V.N., MAURIN, L.N., Cutting fluids penetration action as machining effectiveness, Journal of Society of Tribologists and Lubrication Engineers, Vol. 51, Nr. 3, 1995.

[HEG1996] HEWSON, W.D., GEROW, G.K., Develop of a Cutting Oils with Quantifiable Performance Characteristics, Journal of the Society of Tribologists and Lubrication Engineers, Vol. 52, Nr. 1, 1996.

[HEN1994] HERDAN, J. M., NEGOI, N., Action Mechanism of 35S – Containing Antiwear and EP Additives, Journal of Lubrication Science, Vol. 6, Nr. 4, 1994.

[HEP1996] HERDAN J.-M., PLUAN N.A., Tribology of Metalworking Fluids – Brench Test and Field Trial, 11th Intenational Coloquium Tribology Stuttgart/Ostfildern, January 13-15, 1996, Germany,

[HMT1982] HOLANDA, D., MEHEDINEANU, M., ÂRU, E., OANCEA, N., Achiere i scule achietoare, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1982.

[HUN1984] HUNZ, R.P., Water-based Metalworking Lubricants, Journal of the American Society of Lubrication Engineers, Vol. 40, Nr. 9, 1984.

[JEH1996] JOSLIN, R.D., ERLEBACHER, G., HUSSEINI, M.Y., Active Control of Instabilities in Laminar Boundary Layers – Overview and Concept Validation, Trans. ASME, Journal of Fluid Engineering, Vol. 118, Sep. 1996.

[JOS1985] JOSEPH, J.J., Coolant Filtration, Joseph Publishing Co., Syracuse, New York, 1985. [KAJ1996] KAJDAS, C., Physics and Chemistry of Tribological Wear, 10th International colloquium

tribology, Stuttgart, 1996. [KAS1963] KASATKIN, A.G., Procese i aparate principale în tehnologia chimic, Editura tehnic, 1963. [KFN1986] KARIN, F., FAROUK, B., NAMER, I., Natural convection heat trasnfer from a horizontal

cylinder between vertical confining adiabatic walls, Trans. ASME, Journal of heat transfer, Vol. 120, May 1986.

[LES1991] LEONOV, A.I., SRINIVASAN, A., On Modeling of Fluidity Loss Phenomena in Couette and Poiseuille Flows in Elastic Liquids, Rheologica Acta Rev., Vol. 30, Nr. 1, 1991.

[MAN1993] MANDAKOVI, R., Avantage of Ecologicall More Acceptable Water Soluble Metalworking Fluids in Practical Application, Croation Jurnal of Fuel anf Lubricants, Vol. 32, Nr. 5, 1993.

[MAU1994] MANUILOVICH, S.V., On New methods for Boundary-Layer Flow Laminarization, Journal of Theoretical and Computational Fluid Dynamics, vol. 6, 1994.

[MDU1998] MARTIN, T.J., DULIKRAVICH, G.S., Inverse determination of steady heat convention coefficient distributions, Trans. ASME, Journal of heat transfer, Vol. 120, May, 1999.

[MIZ1992] MIZUHARA, K., Experimental Evaluation of Cutting Fluid Penetration, Journal of the Society of Tribologists and Lubrication Engineers, Vol. 48, Nr. 5, 1992.

[MSO1981] MURGULESCU, I.G., SEGAL, E., ONCESCU, T., Introducere în chimie fizic. Cinetic chimic i cataliz, Vol. I, II.2, Editura Academiei R.S.R., Bucureti, 1981.

[MUR1986] MURGULESCU, I. G., RADOVICI O. M., Introducere în chimia fizic. Electrochimia. Editura Academiei R.S.R., Bucureti, 1986.

[MUY1996] MUNOZ, J.C., YEOW, Y.L., Aplication of Maximum Entropy Method in Capillary Viscometry, Rheologica Acta Rev., Vol. 35, Nr. 1, 1996.

[NAC1980] NACHTMAN, E.S., Sinthetic Metalworking Lubricants: Some Operating Considerations, Journal of the American society of Lubrication engineers, vol. 34, Nr. 9, 1980.

[NEB1998] NELSON, R.A., BEJAN, A., Constructal optimization of internal flow geometry in convection, Trans. ASME, Journal of heat transfer, Vol. 120, May, 1998.

[NEN1979] NENIESCU, C.D., Chimie general, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1979. [NEP1998] NEPOMILUEV, V.V., Evaluation the Lubricant Effect on the Surface Layer Quality, Journal

of Polish Academy of Science, Tribology, Vol. 14, Nr. 5, 1998. [OLD1973] OLD, W.J., Lubricants Cutting Fluids and Coolants, Cahnes publishing Co., Inc., Boston,

1973. [OSM1981] OPREAN, A., SANDU, I.GH., MINCU, L., GIURGIUMAN, M., OANCEA, N., Bazele

achierii i generrii suprafeelor, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981. [PAB1980] PAVELESCU, D., BOBANCU, S., Instalaie de msurare, Brevet de invenie nr. 73980,

1979. [PAD1998] PLUAN N.A, DINU N., Studiul teoretic asupra fluidelor de prelucrare distribuite prin

sisteme centrale, PRASIC ’98, 5-7 Noiembrie 1998, Braov România.

43

[PAL2001I] PLUAN N.A., Rhelogy of Lubricants in a New Type of Couette Apparatus with Concentric Cylinders, 2nd World Tribology Congress, September 3rd – 7th, 2001, Vienna, Austria,

[PAL2001II] PLUAN N.A. A Study regarding to Electrochemical effects of Metals on the Cylindric taylor-Couette Flow, International Conference of Tribology, October 25-26, 2001, Sofia, Bulgaria.

[PAL2001III] PLUAN N.A., The Connections of Electrochemicals Properties of Metals and Taylor Vorticies in Cylindric Taylor-Couette Flow, Revista Universatitii ”Dunarea de Jos” din Galai Octombrie 2001, Galai, pp 33-40.

[PAL2002] PLUAN N.A., Studiu privind mecanismele de funcionare în procesul de lubriere a fluidelor de achiere, PRASIC ’02, 7-8 Noiembrie 2002, Braov Romania.

[PAN1976] PANAITESCU, V., Studiu asupra stabilitii curgerii plane Poiseuille, Revista de Studii i Cercetri de Mecanic Aplicat, Vol. 35, 1976.

[PAN1990] PANAITESCU, V., Teoria stratului limit i aplicaii, Editura Institutului Politehnic, Bucureti, 1990.

[PAP2002] PLUAN N.A., PANAITESCU V,. Electrochemical Effects on Rheology of Lubricants in Taylor-Couette Flow, Nordtrib 2002, The 10th Nordic Symposium on Tribology, June 9-12, 2002, Stockholm, Sweden.

[PBC2004] PLUAN N.A., BOBANCU, S., COSTEA, I.M., Aparat pentru msurarea vâscozitii fr frecri parazite, Propunere de brevet de invenie nr. A 00913, 2004.

[PCH1997] PAUL, S., CHATTOPADHYAY, A.B., Cryogenic cooling in grinding – a new concept, European Journal of mechanical engineering, Vol. 42, Nr. 8, 1997.

[PCO1990] PAGE, R.H., CARBONE, J., OSTOWARI, C., Radial jet reattachment force, Journal of experiments in fluids, Vol. 8, Nr. 5, 1990.

[PGC1998] PLUAN N.A., GRIGORESCU F., CMPIAN V., Studiu referitor la comportarea tehniologic a produsului sintetic ”A” în fabricaia de rulmeni, PRASIC ’98, 5-7 Noiembrie 1998, Braov Romania.

[PMT1977] PAVELESCU D., MUAT, M., TUDOR, A., Tribologie, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1977.

[PPM1997] PEDISIC L., PLUAN N.A., MANDAKOVIC R., SVIGLIN M., Observation of Syntetic Metalworking Fluid in the Central System at Brasov Bearing System, XXX Scientific Symposium Lubricants ’97, 22-24 October 1997 Pola, Croatia,

[PTZ1992] PHAN-TIENN, N., ZHENG, R., A Boundary Element Simulation of Unsteady Motion of a Sphere in a Cylindrical Tube Containing a Viscoelastic Fluid, Rheologica Acta Rev., Vol. 31, Nr. 4, 1992.

[RDL1980] RAVEY, J.C., DOGNON, M., LUCIUS, M., Transient Rheology in a new Type Couette Apparatus, Rheologica Acta Rev., Vol. 19, Nr. 1, 1980.

[SAN1979] SNDULESCU, D., Chimie fizic, Vol. I, Editura tiinific i Enciclopedic, 1979. [SKO1998] SKONECZNY, W., The Mechanism of Plastic Slippery Film Formation on the Surface of

Counter/sample with an Oxide Layer, Journal of Polish Academy of science Tribology, Rev., Vol. 14, Nr. 3, 1998.

[SOL1958] SOLOMON, M., Vâscozimetrie i elemenete de teorie a vâscozitii, Editura Tehnic, Bucureti, 1958.

[TAG1994] TAGG, R., The Taylor-Couette Problem, Nonlinear Science Rev. SPRINGER VERLAG, 4 (1994) 3.

[TOO1994] TOORMAN, E.A, An Analytical Solution for the Velocity and Shear rate Distribution of non-Ideal Bingham Fluids in Concentric Cylinder Viscometer, Rheologica Acta Rev., Vol. 33, Nr. 2, 1994.

[TUD1999] TUDOR, A., Contactul real al suprafeelor de frecare, Editura Academiei, Române, Bucureti, 1999.

[TUD2002] TUDOR, A., Frecarea i uzarea materialelor, Editura BREN, Bucureti, 2002. [TVA1982] TUDOSE, R.Z., VOLINTIRU, T., ASANDEI, N., Reologia compuilor macromoleculari, Vol.

I, II, III, Editura tehnic, Bucureti, 1982. [WIL1997] WILSON, W.R.D, Tribology in Coloid Metal Forming, Trans. ASME, Journal of

manufacturing science and engineering, Vol. 119, Nov. 1997. [WIT1977] WILLIAMS, J.A., TABOR, D., The Role of Lubricants in Machining, Wear Rev., Vol. 34, Nr.

2, 1977. [ZVB1995] ZEEGERS, J., VAN DEN ENDE, D., BLOH. C., A Sensitive Dynamic Viscometer for

Measuring the Complex Shear Modulus in Steady Shear Flow using the Method of Orthogonal Superposition, Rheologica Acta Rev., Vol. 34, Nr. 6, 1995.

44

CURRICULUM VITAE

DATE PERSONALE Numele PLUAN Prenumele NICOLAE ADRIAN Data naterii 18 decembrie 1957 Locul naterii Braov, Judeul Braov Cstorit cu - Adresa locului de munc: S.C. LUBRIFIN S.A. Strada Hrmanului nr. 50 Ro-500193 Braov, România, Telefon: ++40 268 333 450 Adresa Domiciliului Str. Mircea cel Btrân nr. 47, bloc 37, sc. A, ap. 44, Ro-500222, Braov România., Telefon: ++40 268 420 917

STUDII Gimnaziale: 1964-1972, coala Generala nr. 13, Braov

Liceale: 1972-1976, Liceul “Dr. Ioan Meota” Braov Universitare: 1978-1983, Institutul Politehnic “Traian Vuia ” Timioara, Facultatea

de chimie industriala. Secia Tehnologie chimica anorganica Postuniversitare: 1986, Universitatea tehnica Bucureti, ”Electrochimie si coroziunea

electrochimic – Sisteme de protecie anticoroziv” Specializri: 1994, Societatea RELAR, Bucureti, ”Stagiu de formare in vederea

conducerii procesului de acreditare a laboratoarelor de încercri, si asigurarea calitii”

ACTIVITATE PROFESIONAL 1983-1984 Întreprinderea textila Ghimbav, Braov, inginer tehnolog 1984-1991 SC “Rulmentul” S.A. Braov (Întreprinderea “Rulmentul” Braov),

inginer tehnolog in cadrul Laboratorului Central 1991-1997 SC “Rulmentul”S.A. Braov, ef al Laboratorului Central 1998-1999 SC ICPROA SA Braov, cercettor tiinific 1998-2000 SC LUBRIFIN SA Braov, cercettor tiinific 2001- SC LUBRIFIN SA, ef Serviciu Asisten Tehnic Lubrifiani

ACTIVITATE TIINIFIC Contracte de cercetare: 14 Lucrri tiinifice: 45 Articole publicate: 28 Invenii i inovaii: 12

LIMBI STINE CUNOSCUTE Limba englez Braov 17.11.2004

Nicolae Adrian PLUAN