1. STUDII MECANO-CHIMICE ASUPRA
FLUIDELOR DE RĂCIRE-UNGERE ÎN
PROCESELE DE PRELUCRARE MECANICĂ A
COMPONENTELOR RULMENŢILOR
DOCTORAND : Ing. Nicolae-Adrian PĂLUŞAN
CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof. Dr. Ing. Şerban BOBANCU
Decembrie 2004
2. Cuprinsul tezei
• Capitolul 1 Obiectivele şi scopul lucrării
• Capitolul 2 Procese de aşchiere
• Capitolul 3 Fluide de aşchiere
• Capitolul 4 Principiile vâscozimetriei
• Capitolul 5 Evaluarea parametrilor care caracterizează curgerea
fluidelor
• Capitolul 6 Curgerea Taylor-Couette
• Capitolul 7 Potenţialul de electrod la echilibru
• Capitolul 8 Descrierea aparatului Taylor-Couette cilindric –
principii generale
• Capitolul 9 Descrierea aparatului Taylor-Couette cilindric
construit pentru efectuarea cercetărilor asupra
lubrifianţilor – propunere de brevet
3. Cuprinsul tezei
• Capitolul 10 Analize experimentale
• Capitolul 11 Prelucrarea datelor experimentale pe aparatul-
propunere de brevet
• Capitolul 12 Concluzii generale
• Capitolul 13 Aplicaţii conexe ale aparatului Taylor-Couette
• Capitolul 14 Contribuţii originale
• Capitolul 15 Valorificarea rezultatelor cercetării
• Capitolul 16 Propuneri de perspectivă în cercetările asupra
lubrifianţilor în curgerea Taylor-Couette
4. Obiectivele lucrării
• Stabilirea legăturilor între domeniile tehnice pe care le
abordează teza, procesele de aşchiere, vâscozimetria şi
măsurarea vâscozităţii, curgerea fluidelor şi procesele
electrochimice
• Evaluarea experimentală a influenţei naturii
materialului asupra curgerii fluidelor cu bază apoasă
(reprezentate de fluidele de răcire-ungere)
5. Obiectivele lucrării
• Proiectarea si realizarea unui aparat de precizie
ridicată, pentru măsurarea vâscozităţii si a altor
parametrii reologici ai fluidelor - un asemenea aparat
serveşte la stabilirea unor reţete de fluide de aşchiere
specializate pentru procesele de aşchiere
• Stabilirea unui model matematic şi a metodologiei de
prelucrare a datelor culese cu acest aparat
• Propunerea unui model matematic pentru procesele de
lubrifiere şi răcire care se desfăşoară simultan în
timpul aşchierii
6. Propunere – Mecanismele de funcţionare ale
fluidelor de aşchiere – Modelul teoretic
Procesul de răcire
Forta estimata exercitata de jetul liniar este: F = AJe ⋅ ρ ⋅ v Je ⋅ sin β e
2
Fluxul de energie termică transmis
prin convecţie fluidului de răcire: qconv = − λn
∂θ
∂n
(
= α conv θ Γconv
− θ ad )
Γconv
α ⋅d
Numărul Nusselt mediu: Nu =
αf
Puterea mecanică de împingere a jetului de
mt
fluid care caracterizează nu numai P mec = ⋅ ∆P
procesul de răcire ci şi procesul de transport
al aşchiei şi procesul de lubrifiere:
ρ
7. Propunere – Mecanismele de funcţionare ale
fluidelor de aşchiere – Modelul teoretic
Procesul de lubrifiere
Modelul de penetrare în zona de interfaţă în timpul
prelucrării prin aşchiere include trei faze principale:
-adsorbţia capilară,
-explozia micropicăturilor,
-umplerea prin lubrifiere a capilarei cu fază gazoasă.
Fiecare dintre aceste capilare în mod evident posedă
următoarele proprietăţi:
· -este deschis la capătul dinspre spaţiul ambiental,
· -partea capilarei aparţinătoare aşchiei se deplasează cu
u viteză egală cu viteza lubrifiantului, iar cealaltă
poate rămâne imobilă,
· -temperatura pereţilor canalului (capilarei) este
aproximativ egală cu temperatura medie de contact,
· -pereţii capilarei sunt proaspăt formaţi, foarte curaţi
şi prezintă suprafaţa activă-chimic.
8. Propunere – Mecanismele de funcţionare ale
fluidelor de aşchiere – Modelul teoretic
Modelul matematic al procesului de lubrifiere
Penetrarea fazei lichide
Patm
vl =
ρ l (1+ Pr )
Ordinul de viteză a penetrării fazei de fluid:
,
Modelul exploziei micropicăturii
2 Rθ
Viteza de formare a masei de gaz
v0 =
M
Umplerea cu faza gazoasă tc
nc ≈ Patm ⋅ t fil / Peq > t c
Numărului aproximativ de cicluri de umplere (nc): t fil
Patm
nc ≈ Patm ⋅ t fil / Peq < t c
Peq
9. Stadiul actual
• Aparate Taylor-Couette cu un cilindru rotitor sprijinit pe
lagăr mecanic
• Aparate Taylor-Couette cu doi cilindrii rotitori sprijiniţi
pe lagăre mecanice
Sunt utilizate la studii asupra
• stabilităţii curgerii fluidelor
• modificării parametrilor reologici caracteristici ai
fluidelor newtoniene şi nenewtoniene
14. Ecuaţia de mişcare a aparatului
Suma momentelor
forţelor vâscoase 4πηh( ω 2 − ω1 ) ⋅ r12 ⋅ r22 ( ω − ω1 ) r 4
respectă relaţia: M Fv + M F ' = + πη 2 1
v
r12 − r22 2δ
Momentul forţei cilindrului interior este definit
de relaţia: M FC = ρ M C ⋅ I ⋅ ε
i i
care este egal cu suma momentelor forţelor
vâscoase M Fv si M F' : M F C i = M Fv + M F '
v
v
iar vâscozitatea dinamică poate
η=
[ (
π ( ω 2 − ω1 ) 8δhr12 r22 − r14 r22 − r12 )]
( )
fi calculată cu relaţia:
şi este valabilă pentru orice tip de fluid 2δ r22 − r12 ρ M ⋅ I ⋅ ε
Ci
15. Ecuaţia de mişcare a aparatului
Din relaţia anterioară se poate calcula cu uşurinţă η ( ω2 − ω1 ) r1r2
forţa de forfecare dezvoltată în masa din fluid. σf = ⋅
2 r2 − r12
2
În apropierea tranziţiei se poate înlocui numărul original Reynolds cu numărul Taylor,
care reprezintă, în cel mai important mod, măsura timpului relativ în acest tip de curgere.
Numărul Taylor are următoarea expresie:
4ω1d 4 ω1r12 − ω 2 r22
Ta ≡ ⋅
ν cin
2
r22 − r12
17. Rezultate experimentale
S-au ales în această cercetare două tipuri de fluide miscibile cu apa,
- emulsia unui fluid cu 70% ulei mineral în compoziţie al cărei
amestec
apă/fluid are concentraţia de 90/10 părţi având un aspect lăptos,
- soluţia formată de un amestec glicerină/apă în proporţie de 10/90
părţi.
η Ta r2 / r = 1.060
S-au ales cei doi parametrii=costructivi,
1
ΓTa = h / r1 = 2.636
21. Concluzii
Emulsia fluidului cu 70% ulei mineral în compoziţie
Umectabilitatea metalui
- potenţialul electrochimic, potenţialul de sarcina zero (zero-electric)
- microporozitatea suprafeţei
- tendinţa de pasivare chimică a suprafeţei metalului
Soluţia glicerină/apă
Umectabilitatea metalui
- potenţialul electrochimic, potenţialul de sarcina zero (zero-electric)
- tendinţa de pasivare chimică a suprafeţei metalului
- tendinţa glicerinei de a forma agregate moleculare (12-100 molecule)
22. Contribuţii originale
Construcţia Aparatului Taylor-Couette experimental
• Lagărul gazo-static,
• Schimbarea simplă şi rapidă a cilindrilor interiori,
• Realizarea unei game de turaţii largă, 0,05-500 rot/min.
Rezultatele testelor
• Corelarea parametrilor de curgere cu proprietăţile intrinseci
(potenţialele chimic si electrochimice) ale metalelor utilizate şi
proprietăţile tensioactive ale fluidelor la interfata cu aceste metale,
• Acceptarea unei posibile produceri a efectului Toms,
• Obţinerea unui mecanism de calcul a vâscozităţii pentru acest tip
de aparat.
23. Contribuţii originale
Propunere de brevetare a Aparatului Taylor-Couette Experimental
Aparat pentru măsurarea vâscozităţii dinamice fără frecări parazite
Autori: Nicolae-Adrian Păluşan, Şerban Bobancu, Ioan-Mihai Costea
