Особливості течії мастил у циліндричних зазорах

В.Я. Ракович, інж.; В.С. Кривошеєв , канд. техн. наук, доц.

НТУУ „Київський політехнічний інститут”

Практика машинобудування показала, що у ряді випадків залишаються невирішеними багато питань руху течії в'язких і аномальнов'язких рідин у процесі змащування поверхонь, особливо це стосується гідродинамічного мастила (або пружно динамічного мастила) [1].

У зв'язку з цим є актуальною проблема вивчення гідромеханічних процесів у вузлах тертя циліндричних поверхонь, а саме визначення коефіцієнта тертя як функції реологічних властивостей рідин.

Завданням даного дослідження і є експериментальне вивчення цього питання.

Необхідно зазначити, що гідродинаміці потоку в щілинних циліндричних зазорах присвячено цілий ряд досліджень [2,3,4], проте в основному ці дослідження пов'язані з течією рідин, що не виявляють аномальної в'язкості, тобто ньютонівських. Так, наприклад, у роботі [4] показана крива Штрібека, що характеризує режими змащування різних поверхонь, при побудові якої передбачалося, що в'язкість є величиною сталою (const).

Існуючі дослідження щілинних циліндричних зазорів в основному пов'язані з течією ньютонівських рідин. Крім того, показана залежність характеру розподілу швидкостей і напруг по перетину щілини не враховує впливу кривизни на дані величини, що також може привести до певних похибок.

У той самий час введення різних полімерних присадок у робочі рідини приводить до того, що мастила починають виявляти аномалію в'язкості. Це приводить до необхідності коригувати існуючі розрахунки при розв'язанні цілого ряду задач у машинобудуванні. Зокрема, задач із розподілу тиску в щілинних зазорах, зусиль, що діють на формуючі поверхні і т.ін.

Для виявлення особливостей поведінки аномальнов'язких рідин, близьких за своїми реологічними властивостям до рідин Освальда де Віля і бінгамівського пластика, був спроектований і створений експериментальний стенд (рис. 1 і 2).

Модельна рідина із бака 7 (рис.1) відцентровим насосом 5 подається до демпферного бака 10, на якому встановлені вентиль 9 для випуску в атмосферу повітря, яке попало до рідини, манометр 11 для контролю тиску в системі та термометр 3 з позначками через 0,01С^о для вимірювання температури рідини, яка подається в осьовому напрямку до зазору між циліндрами 1 і 2 (рис.2) по системі трубопроводів 13 (рис.1) через розподільний бак 2.

Витрата модельної рідини регулюється частотою обертання вала електродвигуна насоса 5 та вентилями 9 і контролюється за показниками диференційних манометрів витратних діафрагм 4 та електромагнітного витратоміра РКЭ - 2 з похибкою ± 6 %.

Датчики тиску 12 встановлені на корпусі зовнішнього циліндра 1 (рис.2).

Рисунок 1 - Гідравлічна схема експериментального стенда:

1- модель каналу; 2- розподільний бак; 3 - термометр; 4 - витратомірна діафрагма;5 - відцентровий насос; 6 - змійовик охолоджувальної рідини; 7 - приймальний бак;8 - витратомірний пристрій; 9 - вентиль; 10 - демпферний бак; 11-манометр;12- датчик тиску ; 13,14 - трубопровід

Ширина зазору циліндричного кільцевого каналу становить 5 мм при довжині 517 мм (51,7 гідравлічних діаметрів). Стенд (рис.2) дозволяє за допомогою механізму переміщення 4 корпуса зовнішнього циліндра встановлювати з похибкою ⁺0,01 мм ексцентриситет поверхонь циліндричного кільцевого каналу в будь-якому напрямку поперечного перетину в межах 0-5мм (0-100%). Величина ексцентриситету (відповідна координата) вимірювалася індикатором 13 типу ИЧ - 40 з похибкою ⁺0,2%.

Робоча ділянка мала ще і таку особливість, що внутрішній циліндр 2 міг обертатися з частотою 0-400 об/хв, що дає можливість визначити вплив відцентрових сил на гідродинамічні параметри потоку.

Частота обертання безступенево регулюється зміною частоти обертання вала електродвигуна від нуля до максимуму та визначається грубо магнітним тахометром типу ТМ 0,5Л, який має допустиму похибку ⁺1% з ціною поділки 5 об/хв, точно електромеханічним лічильником з ручним скиданням на нуль типу БЕ-ІР-6 з константою лічильника 1 імпульс = 1 одиниці з допустимою похибкою 1х10⁶ і стробоскопом СШ-2 (12МО.051 ТУ) - для цього на шківу пасової передачі білою фарбою наноситься позначка.

Як робочі рідини в експерименті використовувалися: 5% водні розчини полівінілового спирту (ПВС) і натрієвої солі карбоксиметилцеллюлози (КМЦ).

Аналіз реологічних кривих таких рідин показав, що вони близькі за своєю поведінкою до рідин Освальда де Віля.

Рисунок 2 - Поздовжній розріз робочого відрізка стенда:

1 - зовнішній циліндр; 2 - внутрішній циліндр; 3 - вал; 4 - механізм переміщення зовнішнього циліндра; 5 - штуцер; 6 - опора; 7 - шків; 8 - пас клиновий; 9 - рама; 10 - центр; 11 - гвинт регулювальний; 12 - дросель; 13 - індикатор; 14 - камера; 15 - штуцер; 16 - приймальний бак; 17 - штуцер

Проведені попередні експерименти показали, що при нерухомих циліндрах коефіцієнт тертя в зазорі не є сталою величиною. Це пояснюється існуванням гідродинамічної початкової ділянки, де перепад тисків дещо більший, ніж на ділянці стабілізованої течії. Розміри початкової ділянки залежать від ряду факторів, у тому числі критерію Рейнольдса, відношення радіусів (при великих значеннях радіусів циліндрів кривизною поверхні можна знехтувати), реологічних властивостей рідини (в розглядуваному випадку - індексу течії n і сталої k).

У таблиці наведені деякі дані про довжину початкової ділянки. у загальному випадку довжина такої ділянки може бути розрахована за формулою

, де , .

Таблиця 1 - Довжина початкової ділянки

Коефіцієнт тертя на гідродинамічній початковій ділянці буде дещо більшим, ніж при стабілізованому русі. Якщо вважати, що при стабілізованому русі коефіцієнт тертя дорівнює ()₀ , то середнє його значення на гідродинамічній початковій ділянці буде дорівнювати

,

де залежить від числа і пов'язано з проявою сил інерції від конвективного прискорення руху рідини.

На наведеній номограмі (рис.3) показано (в %), як змінюється значення в залежності від величини , , .

Таким чином, при розрахуванні тертя, наприклад, за пропозиціями, що наведені в роботі [4], необхідно враховувати його підвищення в зоні торцевих ділянок, пов'язане з проявом сил інерції (тобто з початковою ділянкою).

Рисунок 3 - Номограма для визначення (?С_f)₀

Список літератури