4_Aulin.doc Вплив модифікуючих фізичних полів на структуру та реологічні властивості композиційної моторної оливи Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 28 Аулін В.В. Кіровоградський національний технічний університет м. Кіровоград, Україна ВПЛИВ МОДИФІКУЮЧИХ ФІЗИЧНИХ ПОЛІВ НА СТРУКТУРУ ТА РЕОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНОЇ МОТОРНОЇ ОЛИВИ Вступ Додавання присадок до оливи є процесом формування композиційної оливи, яка є дисперсною системою, принаймні двох фаз [1]. Композиційні оливи володіють складними реологічними властивос- тями. Вважається, якщо реологічні властивості кожної з їх фаз є відомими, то задача буде полягати у ви- значенні властивостей суміші цих фаз [2], тобто композиційної оливи в цілому. При цьому вона характе- ризується пружністю, міцністю і в’язкістю, може змінюватися як реологічна константа (в’язкість) оливи, так і закон деформації [3, 4]. Реологічні константи таких дисперсних систем дозволяють говорити про структуру композиційних олив та взаємодію в ній частинок присадки, залежно від їх складу та концент- рації [5]. Зазначене свідчить, що реологія є не тільки важливим елементом оптимізації технологічних про- цесів приготування композиційних олив, розробці способів їх транспортування, спрацювання в процесі обкатки та експлуатації, але одним з основних фізико-хімічних та трибологічних методів експеримента- льних досліджень композиційних олив як дисперсних середовищ та вплив їх на робочі поверхні деталей трибоспряжень двигуна [6, 7]. В зв’язку з цим є необхідність уточнення та розвитку теоретичних уявлень про вплив зовнішніх фізичних полів та вмісту присадок в композиційній моторній оливі на її структуру та реологічні властивості. Постановка задачі Теоретично обґрунтувати зміну структури та реологічних властивостей моторних олив при їх модифікуванні додаванням присадки та обробкою фізичними полями. Кількісна теорія передусім спирається на моделюванні досліджуваних процесів та структурних змін в композиційній оливі. Тому для спрощеного аналізу дисперсної системи оливи приймемо, що час- тинки присадки зважені в базовій оливі, розташовані на однаковій відстані між собою і не змочуються нею та мають сферичну форму. Кожна з таких частинок переміщується зі швидкістю потоку оливи в тій площині, в якій лежить її центр (рис. 1, а). а б Рис. 1 – Рух частинок присадки у зсувному потоці оливи без накладання зовнішніх полів (а) та з їх накладанням (б) Зазначимо, що основною задачею теоретичної реології є встановлення зв’язку між напруженням в дисперсній системі τ, і швидкістю її деформації γ& [2]. Найпростіша загальна схема розв’язку цієї зада- чі базується на адитивності дисипації енергії в різних елементах дисперсної системи: в самому дисперс- ному середовищі (композиційна олива); його основі (базова олива); на окремих його фазах (частинках присадки) та елементах структури (композиції частинок присадки). При цьому, перш за все необхідно PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив модифікуючих фізичних полів на структуру та реологічні властивості композиційної моторної оливи Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 29 знати дисипативну функцію q& , яка визначає опір деформації основи (базової оливи) і дає можливість встановити закон деформації: 2γη= &&q , (1) де q& – втрата енергії на подолання сил тертя (дисипація) в одиниці об’єму деформованого мате- ріалу оливи в одиницю часу; dtd /γ=γ& – швидкість деформації; η – динамічна в'язкість оливи. Для цього найпростішого випадку закон Ньютона має вигляд: γ=γη=τ &&& /q , (2) де γτ=η &/ – ньютонівська в’язкість, яка не залежить від напруження зсуву і швидкості дефор- мації, тобто є постійним коефіцієнтом. Якщо композиційні оливи являють собою стійку розбавлену дисперсну систему, то взаємодію частинок присадок в ній можна знехтувати. Поведінка кожної окремої частинки присадки в потоці ріди- ни є незалежною і дисипацію енергії в системі можна знайти простим підсумуванням втрат енергії на окремих частинках присадки композиційної оливи. В площинах, що знаходяться на відстані радіусу від центру частинки присадки, швидкість оливи відрізняється на величину: dv γ=∆± &5,0 , де d – усереднений діаметр частинки. При цьому частинка присадки крім поступального руху здійснює обертальний рух зі швидкістю γ=ω &5,0ч . Дисипація енергії в такому середовищі відбувається в наслідок тертя поверхні частинки присад- ки в середовищі оливи, що її охоплює, при обертальному русі. При поступальному русі, оскільки центр частинок нерухомий відносно потоку, то дисипація енергії відсутня. Частинка присадки середнім об'ємом чV при обертанні з кутовою швидкістю чω в середовищі оливи в'язкістю сη , зазнає дії моменту сил тертя: 2 чсчфVРМ ωη=ω , (3) де фР – фактор форми частинки. Для сферичних частинок ( 6=фР ), маємо: 223 82 vddМ счс ηπ=ωηπ=ω , (4) де v – швидкість руху потоку оливи з частинками присадки; ηс – в’язкість середовища композиційної оливи. Враховуючи (3) і вираз для кутової швидкості частинки присадки, потужність на підтримку її обертання дорівнює: 2 ч1 25,0 γη= && сфVРq , (5) а для сферичної форми частинок маємо: 23 1 5,0 γηπ= && сdq . Відповідно при концентрації сферичних частинок чп ця величина складає: 235,0 γηπ= && счndq . (6) Оскільки Vчч сVп = – об'ємна частка (вміст) присадки в оливі, то отримаємо: 25,1 γη= && сVсq . (7) В базовій оливі, як середовищі, що підлягає деформації зі швидкістю γ& , дисипація одиниці об'- єму дорівнює 2γη &с , а дисипація композиційної оливи становить: )5,11(5,1 222 VссVс ссq +γη=γη+γη= &&&& . (8) Враховуючи (2), опір зсуву композиційної оливи дорівнює: ( )γ+η=τ &Vс с5,11 , (9) Якщо частинки присадки мають сферичну форму, то в'язкість композиційної оливи дорівнює: γτ=η & ( )Vс с5,11 +η= . (10) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив модифікуючих фізичних полів на структуру та реологічні властивості композиційної моторної оливи Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 30 Використовуючи модель Ейнштейна для дисперсного середовища [2] в’язкість композиційної оливи з сферичними частинками присадки дорівнює:       η+η η+η +η=η сі сі Vс с 4,0 5,11 , (11) де iη – в’язкість матеріалу присадки. Дослідження [8, 9] показують, що в'язкість композиційної оливи невзаємодіючих частинок при- садки не залежить від їх розміру. Така дисперсна система є ньютонівською рідиною ( const=Vс , const=η ). Якщо дисперсна фаза є частинками присадки і сі η<η , то потік композиційної оливи гальму- ється, а в’язкість збільшується, тобто спостерігаються неньютонівські властивості композиційної оливи внаслідок залежності орієнтації частинок від γ& . Якщо на потік композиційної оливи накласти зовнішнє фізичне поле (електричне, магнітне, еле- ктромагнітне та ін.), то композиційна олива структурується, маючи переважну орієнтацію частинок при- садки відносно напряму поля і можна компенсувати обертання частинок, тобто 0=∆v (рис. 1, б). Зазначимо, що в’язкість композиційної оливи за моделлю Ейнштейна формула (11) не враховує наявність на поверхні частинок присадки обволікаючої оболонки базової оливи та різного роду захисних оболонок: подвійного іонного, адсорбційного, сольватного шарів. Але в межах моделі Ейнштейна це мо- жна врахувати, додаючи до об’єму частинок присадки об’єм захисних чи обволікаючих оболонок товщи- ною δ . Якщо оболонка тонка d<<δ , то вміст таких частинок присадки в моторній оливі можна уточ- нити за виразом: )/61( dсс VV δ+≅δ . (12) В цьому випадку в’язкість η зростає лінійно із збільшенням дисперсності частинок d/1 :             η+η η+η       δ ++η=ηδ сі сі Vс d с 4,06 15,11 . (13) Модель Ейнштейна можна поширити і на більш концентровані стійкі дисперсні системи масти- льних середовищ, оливи можна розглядати як розчинник, в який додатково введена мала Vdс кількість дисперсної фази (присадки): ( )Vdсd 5,21 +η=η+η . (14) Оскільки cη=η , то ( )       β+η≈η=η ∑ = i V n i iсVc cс 1 15,2exp , (15) де iβ – коефіцієнт розкладу в степеневий ряд. Якщо 5,21 ≈β , то система залишається ньюто- нівською, а в інших випадках – вона проявляє неньютонівський характер властивостей. Використовуючи модель Ейнштейна, можна пояснити зміну в'язкості композиційної оливи, спо- стережувану при дії електричного, магнітного, електромагнітного, або інших фізичних полів, за структу- руванням дисперсної фази в них. Механізм зміни в’язкості композиційних олив, з урахуванням змочуваності оливою частинок присадки при накладанні фізичних полів можна уявити наступним чином (рис. 2, а). У відсутності зовнішнього фізичного поля частинка присадки вільно пересувається між двома площинами зсуву оливи, які дотикаються до її поверхні і рухаються з швидкостями dv γ=∆ &5,0 і dv γ−=∆ &5,0 . В такому наближенні шари рідини не проковзують відносно поверхні частинки присадки і не гальмуються нею. При накладанні фізичного поля частинки присадки, маючи постійний дипольний момент, жорстко зв'язаний з ними зорієнтуються вздовж поля і будуть утримуватимуться ним від обер- тання (рис. 2, б). Це приведе до проковзування шарів рідини відносно поверхні нерухомої частинки при- садки і їх гальмування, до зміни в'язкості системи і форми оливної оболонки навколо частинок. У випад- ку магнітного поля вона дорівнює: ( ) δ +η=η Vс с41 . (16) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив модифікуючих фізичних полів на структуру та реологічні властивості композиційної моторної оливи Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 31 а б Рис. 2 – Рух частинок присадок з обволікаючими оболонками у зсувному потоці оливи без накладання зовнішнього фізичних полів ( 0=фН r ) (а) та з його накладанням ( 0≠фН r ) (б) Обертання частинок присадки може повністю припинитися при умові, що величина крутного моменту сил в'язкого тертя буде менше максимуму орієнтуючого моменту зовнішнього поля, тобто для сферичних частинок присадки маємо: γη> &сНч фM 3, , (17) де фНч M , – крутний момент сил в’язкого тертя, для напруженості Нф фізичного поля. У зв'язку з цим, обертальна в'язкість досліджуваних композиційних олив залежить від концент- рації присадки і є причиною появи їх неньютоновських властивостей, наприклад у випадку слабомагніт- них присадок та слабких полів (геомагнітне) і високої в'язкості сη . Умова (17) може порушуватися при помірних швидкостях зсуву композиційної оливи, оскільки при цьому в деякій мірі зникне орієнтуюча дія поля і зменшить його вплив на в'язкість. Згідно формули (16), додаткова дисипація енергії в фізичному полі фH q& ,обумовлена повним га- льмуванням обертання частинок, 25,1 γη= δ && cVH сq При цьому загальна дисипація q& дорівнює: ( ) ( )225,21 γ+γ+η= δ &&&& HVc qсq . (18) За таких умов в рівнянні обертального руху частинки присадки: αω= α −ω sinфdt d , (19) де 0α – кут між дипольним моментом мчР r частинки і напрямом плину потоку v r ; відсутність повного гальмування враховується швидкістю повороту частинки присадки dtd /α , яка залежить від кута α між дипольним моментом мчР r частинки і напруженістю фізичного (електрич- ного, магнітного, електричного та ін.) поля фН ; Розв’язок рівняння (19) являє собою залежність часу t повороту частинок присадки на деякий кут 0α−α від початкового положення: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )         ω−ω ω−α⋅ω − ω−ω ω−α⋅ω ω−ω = 5,022 0 5,0225,022 2/tg arctg 2/tg arctg 2 ф ф ф ф ф t , (20) де γ=ω &5,0 ; )/( 3dM cч,Нф πη=ω . PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив модифікуючих фізичних полів на структуру та реологічні властивості композиційної моторної оливи Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 32 При відсутності дії зовнішнього фізичного поля на оливу: Н=0; ωπ== /20tt . При впливі фізичного поля час повороту частинок присадки в потоці оливи складе:         ω ω + ω π = 2 2 2 1 1 2 фt . (21) Отже спостерігається час запізнювання частинок по їх обертанню. З урахуванням (21), маємо: 3 2 3 2 22 γ γπ = ω πω = ω π −=∆ & & ффtt . (22) Можна вважати, що частинки присадки за час t∆ під дією фізичного поля можуть припинювати обертання, внаслідок чого і з'являється запізнення. Протягом цього проміжку часу додаткове розсіяння енергії буде практично таким як при повному гальмуванні обертання: 25,1 γη= δ && cVH сq ф , а середня за період швидкість дисипації енергії 275,0 кcVH сq ф γη= δ & – не залежить від швидкості зсуву. Це означає, що в зовнішньому фізичному полі, при фγ>γ && , структурна частина опору фНτ і в'язкість фНη знижу- ються із зростанням γ& , асимптотично наближаючись до величин τ і η , що відповідає відсутності зов- нішнього поля: ( )        γ γ η+γ+η=τ δδ & & & 2 / 75,05,21 фVcVc сс ; (23)             αα αα+ε αα−ε ++η=η δ 2 )-(sin )-h( )-h( 351 0 2 0 0 V с с t t , (24) де ε – відносна деформація композиційної оливи. Зазначимо, що згідно ідеї Ребіндера [2] зміну в'язкості може спричинити зміна структури в пото- ці оливи. У випадку композиційної оливи структуроутворення полягає у фіксації орієнтації частинок присадки в оливі, а руйнування структури – в переході до некогерентного обертання цих частинок пото- ком оливи. У композиційних оливах основним структуроутворюючим фактором є вплив зовнішніх фізичних полів, а дезорієнтуючим фактором є обертова дифузія частинок присадки, яка враховується в теорії, роз- робленій Шліомісом [10]. Причиною зміни в'язкості композиційної оливи може бути і анізотропія поляризуємості (намаг- ніченості) частинок присадки, а також будь-які інші чинники, що впливають та фіксують її орієнтацію. До таких факторів можна віднести і гідростатичні диполі – агрегати із частинок присадок різної густини, які в оливі будуть орієнтовані важкою частинкою вниз [5]. Слід мати на увагу і те, що дисперсна система зважених частинок у діелектричному середовищі оливи, якщо вона є неполярною рідиною може при достатньо високих напруженостях електричного поля переносити струм між електродами за рахунок контактної або безконтактної перезарядки частинок при- садки у зонах прилеглих до електродів. Частинки присадки при цьому будуть безперервно циркулювати в оливі від електроду до електрода, а створена композиція переходить в псевдозріджений стан. Крім цього має місце циркуляційна в'язкість коли швидкість частинок присадки вздовж потоку незмінна в просторі і часі і відрізняється на величину v∆ від швидкості того шару в якому знаходиться. Під дією фізичного поля в такому випадку спостерігається прискорення частинки присадки γω== &&&xa . Сила, що викликає прискорення, чисельно дорівнює силі гальмування шару, в якій переходить частинка з усередненою масою чт . При цьому швидкість розсіяння енергії 1q& на одній частинці присадки дорівнює добутку сили vdF стр Δπη3= на шлях, який частинка проходить відносно свого шару оливи за 1 с: ( )21 3 vdq с ∆πη=& . Швидкість дисипації енергії в одиниці об'єму, очевидно, дорівнює: ( ) ( ) 62 2 42 2 1 82 d vтс d тс qnq с чV с чV ηπ γ = ηπ γω == δδ && && . (25) Використовуючи це, зміну структурної частини опору композиційної оливи і її в’язкості, обумо- влені циркуляцією частинок присадки між електродами, дорівнюють: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив модифікуючих фізичних полів на структуру та реологічні властивості композиційної моторної оливи Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 4 33 62 224 d тvс с чV ηπ γ =τ∆ δ & ; (26) 62 224 d тvс с чV ηπ =η∆ δ . (26) З останніх формул видно, для композиційної оливи можна застосувати модель Ейнштейна, тоб- то – модель невзаємодіючих частинок присадки, але циркуляційна в'язкість є невеликою, оскільки: 1 12 4 2 << η δ d тc с чV . Висновки Розглянуті реологічні ефекти, що стосуються циркулярної, обертальної та ейнштейнівської в’язкості (при с НМ η <γ 3 & ) свідчать, що в'язкість композиційної оливи залишається незмінною до тих пір, поки не змінюється її структура. Зміна орієнтації частинок присадки у фізичних полях відбувається при с HM η >γ 3 & . Зазначимо, що орієнтація частинок присадки входить в число факторів, що визначають струк- турованість такої дисперсної системи в процесі її модифікації обробкою фізичними полями. Література 1. Аулін В.В. Фізико-хімічні процеси, що відбуваються в композиційній оливі при припрацю- ванні сполучень деталей / В.В. Аулін, С.В. Лисенко, О.В. Кузик // Матеріали ІІІ Міжнародної науково- технічної конференції "Сучасні проблеми триботехніки" 7 - 9 жовтня 2009 р. – Миколаїв: НУК, 2009. – С. 65-67. 2. Бибик Е.Е. Реология дисперсных систем / Е.Е. Бибик. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1981. – 172 с. 3. Mac Tagne J.P. – J. Chem. Phys., 1969. – Vol. 51. – Р. 133-136. 4. Аулін В.В. Дослідження властивостей моторної оливи в процесі експлуатації дизелів / В.В. Аулін, С.В. Лисенко, О.В. Кузик // Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. Конструювання, виробництво, експлуатація сільськогосподарських машин. – Вип. 39. – Кіровоград: КНТУ, 2009. – С. 274-280. 5. Hall W.F., Busenberg S.N. – J. Chem. Phys., 1969. – Vol. 51. – Р. 137-144. 6. Аулін В.В. Зміна властивостей оливи при електрохімічному відновленні робочих поверхонь деталей дизелів / В.В. Аулін, С.В. Лисенко, М.Ф. Семенюк, О.В. Кузик // Проблеми трибології. – 2009. – №1. – С. 68-70. 7. Аулін В.В. Заміна технічного стану основних сполучень двигуна та моторної оливи в процесі його експлуатації / В.В. Аулін, С.В. Лисенко, О.В. Кузик // Проблеми трибології. – 2009. – №4. – С. 118-122. 8. Электрореологический эффект / Под ред. А.В. Лыкова – Минск: 1972. – 176 с. 9. Шульман З.П. Магнитореологический эффект / З.П. Шульман, В.И. Кордонский. – Под. ред. академика АНБССР Р.И. Солоухина. – Мн.: Наука и техника, 1982. – 184 с. 10. Шлиомис М.И. Журн. экспер. и. теор. физики / М.И. Шлиомис. – 1971. – т. 61. – С. 2411-2418. Надійшла 10.10.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com