ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ СУХОГО И жидкого ТРЕНИЯ ПАРЫ МЕТАЛЛОВ
Оглоблин Г.В., Иваненко В.Ф.
Амурский гуманитарно-педагогический государственный университет. Комсомольск – на Амуре.
Предлагается техника и методика исследования коэффициентов трения пары металлов с помощью жидкокристаллического детектора по тепловым потерям.
Возможность получения градиентных тепловых картин исследуемых объектов с помощью жидких кристаллов [1] позволяет в широких пределах проводить как качественный анализ, что немаловажно при разработке конкретных деталей, но и провести количественные расчёты для каждого конкретного случая.
В качестве примера рассмотрим применение жидких кристаллов в исследовании сухого и мокрого трения по тепловым полям при взаимодействии пары стальной колодки и чугунного диска.
Рис. 1. Узел экспериментальной установки по исследованию сухого и мокрого трения по тепловым полям. 1. Корпус с подвижным чугунным диском.2.Суппорт.3. Стальная колодка.4.Слой жидких кристаллов холестерического типа с мезофазой 40-45°с.
На рис.1 представлен узел исследовательской установки. Где 1 – корпус с подвижным чугунным диском. 2-узел крепления колодки. 3-стальная калодка с нанесённым слоем жидких кристаллов. 4-зона контакта пары чугун-сталь. Применяются термотропные жидкие кристаллы с мезофазой 40 – 45°С. Жидкие кристаллы нагревают до изотропного состояния. Калиброванный, равномерный слой жидких кристаллов по всему образцу, создают нагревом стальной колодки до 50°C, а затем её охлаждают до рабочего состояния. Для увеличения контрастности изображения стальная колодка, перед нанесением жидких кристаллов, покрывается чёрной эмалью (покрытию необходимо сутки отстоятся, чтобы исключить побочные эффекты).
Опыт проводят в двух вариантах:
Сухое трение пары чугун-сталь.
Исходные данные:
Теплофизические параметры стали 08Х18Н10Т [8]:
= 8103кг/м3;t2 = 24 ; Сv = 756 дж/(кгК)
Масса активного элемента -0,054кг.
При проведении измерений возможны два варианта считывания информации
по теплоте, где расчёт ведётся по формуле Q = Cvm(t1 –t2).
1 вариант - мы не учитываем температуру смещения. Тогда
Q1= Cvm (45°C-24°C) = 756∙0,054∙21 = 857,304 дж
2 вариант.
С учётом смещения.
Q1= Cvm (40°C-45°C) = 756∙0,054∙5= 204,12 дж.
Разница
Q = Q1-Q2 =857,304 – 204,12 = 653,184 дж,
Где = 653,184дж это количество тепла необходимое для обеспечения смещения рабочей точки холестерических жидких кристаллов для данного случая и датчика, при температуре окружающей среды 24°С и жидких кристаллов с мезофазой 40-45°С.
На рис.2 приведён результат опыта характерный для первого и второго варианта это зависимость температур от времени для сухого и жидкого трения. Кривая 1 характеризует изменение температуры в случае сухого трения, кривая 2 в случае со смазкой трения. Для достижения температуры 45°С стальной колодки при сухом трении требуется 35с со смазкой трения 110с. В результате на активном элементе отображается цветовая картина температурного поля, а точнее градиентная термограмма рис.4а и рис.4б.
Рис.2. График изменения температуры стальной колодки во времени для случая сухого трения 1. Со смазкой трения 2.
Информация с термограммы считывается с помощью градуированной шкалы цветности рис.3 по основным цветам оптического спектра. Таких цветов 7 .
а. Градиентная термограмма сухого трения пары чугун-сталь за промежуток времени 56с.1. Корпус с подвижным чугунным диском. 2.Рычаг с креплением для стальной колодки. 3.Стальная колодка.4. Линейка.5. Активная зона покрытая жидкими кристаллами. а,б – границы теплового поля красная изотерма.
б. Градиентная термограмма мокрого трения (автол) пары чугун-сталь за промежуток времени 132с.Где ( а-б) активная зона, красная изотерма -40°С.
Из сопоставления термограмм и временного промежутка рис.6(а и б) можно отметить увеличение временного промежутка 2,35 раза. Что характеризует уменьшение силы трения в паре за счёт смазки. Определим работу, совершаемую в процессе взаимодействия пары считая, что сила трения
Fтр = , (1)
где – мощность фрикционных потерь.
Преобразуем данное выражение
dA = FтрVdt,
проинтегрируем левую и правую части уравнения. Получим
А = = FтрVt или
А= FтрVt, (2)
где А –работа сил трения, V – скорость трущихся тел, t – время. Fтр- сила трения скольжения.
Тогда для сухого трения
А= FтрVt, (3)
Для мокрого
А1= Fтр1Vt1, (4)
Расчёт и отношение величин А и А1 позволит провести количественный анализ фрикционных потерь.
Если,
C = (5)
то
С = (6)
С= , (7)
где С – коэффициент отношений фрикционных потерь сухого и со смазкой трения. Подставляем в (7) значения величин
С = (8)
где для пары сталь-чугун в режиме сухого трения k = 0,17, время взаимодействия t= 56с, в режиме со смазкой трения для пары сталь чугун k1= 0,07 при времени взаимодействия t1= 132c.
Таким образом, по градиентной термограмме мы отобразили тепловые поля, где количество тепла первого поля Q1 = Cvm(t1 –t2)и количество тепла второго поля Q2 = Cvm(t1 – t2)при этом Q1=Q2 или с учётом смещения отношение
=1, (9)
Но для сухого трения Q1 выделилось за время 56с со смазкой Q2 за время 132 с, фрикционные потери одинаковы (8),(9).Таким образом, показана эффективность смазки.
Если воспользоваться выражение (8) можно по тепловому полю жидких кристаллов определять коэффициенты трения сухого контакта или мокрого. Например: на 22 с мы получили в режиме сухого трения термограмму области контакта рис.5 при этом k =0,17 тогда для смазанного контакта k1 = 0,07 время появления температурного поля 53,4cрис.5 а, б.
Рис.5. Термограммы для:
а. Сухого трения 22с. б. Для со смазкой трения через 53,4с от начала процесса.
По аналогичной методике можно проанализировать пары металлов такие как
сталь по стали, сталь по бронзе, бронза по бронзе и т.д.
Построим график временной зависимости отношения фрикционных потерь для значений времени при сухом t1 и со смазкой t2 трении при этом считаем, что мощности фрикционных потерь для каждой пары временных отрезков равны (рис.6)
Таблица 1
Таблица временных отношений пары металлов чугун-сталь при k1= 0,18 и k2=0,05, С=1.
п/№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
t1 (c)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
t2 (c)
36
72
108
144
180
216
252
288
324
10
100
360
Таблица 2
Таблица временных отношений пары металлов чугун-сталь при k1= 0,18 и k2=0,15, С=1.
п/№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
t1 (c)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
t2 (c)
12
24
36
48
60
72
84
96
108
10
100
120
На рис.6 представлена графическое отображение временных отношений при сухом и смазанном трении пары металлов чугун-сталь при С=1.
Рис. 6 .График временной зависимости фрикционных потерь при сухом и со смазкой трении для пары металлов чугун-сталь. Штрихованная активная зона зависящая от k2,.
Отношение а это угол наклона прямой на графике рис.8.То от 15°40´ до 39°50´ эта активная зона зависящая от k2.
Аналогично можно проследить зависимость фрикционных потерь от времени при С=1 для пары сталь-сталь. В таблицах 3,4 приведены расчётные временные значения для пары сталь – сталь.
Таблица 3.
Таблица временных отношений пары металлов сталь-сталь для к1=0,15 и к2=0,05
п/№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
t1
10
20
30
40
50
60
70
80
90
t2
30
60
90
120
150
180
210
240
270
п/№
10
t1
100
t2
300
Таблица 4.
Таблица временных отношений пары металлов сталь-сталь для к1=0,15 и к2=0,1
п/№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
t1
10
20
30
40
50
60
70
80
90
t2
15
30
45
60
75
90
105
120
135
п/№
10
t1
100
t2
150
На рис.7 две прямые фиксируют область временных отношений в зависимости от типа смазки при С=1.
Рис.7. Графики временной зависимости фрикционных потерь для пары сталь-сталь при сухом трении k1 = 0,15 и со смазкой k2 = (0,05- 0,1). Штрихованная область – активная зона зависящая от k2 .
В данном случае тангенсы угла потерь лежит от 14°00´ до18°30´
Для пары металлов бронза-бронза коэффициент трения без смазки 0,2 и со смазкой 0,07-0,1. Расчётные данные для этой пары для случая С=1 приведены в таб. 5.
Таблица 5
Таблица временных отношений пары металлов бронза- бронза для к1=0,2 и к2=0,07 при С=1.
п/№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
t1
10
20
30
40
50
60
70
80
90
t2
28,57
57,14
85,71
114,28
142,85
171,42
200
228,57
257,14
п/№
10
t1
100
t2
285,71
Таблица 6
Таблица временных отношений пары металлов бронза- бронза для к1=0,2 и к2=0,1 при С=1.
п/№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
t1
10
20
30
40
50
60
70
80
90
t2
20
40
60
80
100
120
140
160
180
п/№
10
t1
100
t2
200
Рис.8. Графики временной зависимости фрикционных потерь для пары бронза-бронза при сухом трении k1 = 0,2 и со смазкой k2 = (0,07- 0,1). Штрихованная область – активная зона зависящая от k2 .
Тангенс угла потерь от 19°30´ до 26°50´.
Сталь –бронза (без смазки-0,10; со смазкой 0,07-0,10)
Таблица 6
Таблица временных отношений пары металлов сталь- бронза для к1=0,10 и к2=0,07 при С=1.
п/№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
t1
10
20
30
40
50
60
70
80
90
t2
14,28
28,57
42,85
57,14
71,42
85,71
100
160
180
п/№
10
t1
100
t2
142,8
Таблица 6
Таблица временных отношений пары металлов сталь - бронза для к1=0,1 и к2=0,1 при С=1.
п/№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
t1
10
20
30
40
50
60
70
80
90
t2
10
20
30
40
50
60
70
80
90
п/№
10
t1
100
t2
100
Рис. 9.График временных отношений пары металлов бронза-сталь при С=1.
Тангенс угла изменяется от 35°40´ до 45°00´.
Сталь мягкая сталь: без смазки 0,2; со смазкой 0,1-0,2 при С=1
Таблица 6
Таблица временных отношений пары металлов сталь – мягкая сталь для к1=0,2 и к2=0,1 при С=1.
п/№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
t1
10
20
30
40
50
60
70
80
90
t2
20
40
60
80
100
120
140
160
180
п/№
10
t1
100
t2
200
Таблица 6
Таблица временных отношений пары металлов сталь – мягкая сталь для к1=0,2 и к2=0,2 при С=1.
п/№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
t1
10
20
30
40
50
60
70
80
90
t2
10
20
30
40
50
60
70
80
90
п/№
10
t1
100
t2
100
Рис. Рис. 10.График временных отношений пары металлов сталь-мягкая сталь при С=1.
Тангенс угла изменяется от 26°50´ до 45°00´.
Вывод по первой главе.
1.Определена группа термотропных жидкокристаллических веществ, для моделирования тепловых процессов в интервале от 18°С до 45°С.Такие как: жидкокристаллические термоиндикаторы с мезофазой 18-23°С, 23-27°С, 27-32°С – для температур от 40-45°С. Применения данных термоиндикаторов в большинстве случае позволяет обойтись без температурного смещения от внешнего источника.
2.Отработана техника и методика применения жидких кристаллов для решения конкретной задачи.
3. Определена зона нагрева активного элемента её динамика во времени в зависимости от условий контакта пары чугун – сталь.
4. Проведены количественные расчёты тепловых потерь в паре металлов для сухого и мокрого трения через временные отношения.
5. По предложенной методики полагая С=1 (отношение фрикционных потерь) можно рассчитать коэффициенты трения для любых взаимодействующих пар металлов по их градиентным температурным полям во времени сухого и мокрого контакта.
Литература.
П. де Жен, Физика жидких кристаллов.Изд.Мир,М.1977.,с.400.
Блинов Л.М. Электро и магнитооптика жидких кристаллов. Изд. Наука. М.,1978,с.384.
Пикин С.А. Структурные превращения в жидких кристаллах. Изд.Наука.М.,1981,с.336.
Оглоблин Г.В., Иваненко В.Ф. ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ СУХОГО И жидкого ТРЕНИЯ ПАРЫ МЕТАЛЛОВ
// Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/7109 (дата обращения: 20.04.2024).
Прочитать публикацию в формате PDF
= 8103кг/м3;t2 = 24 ; Сv = 756 дж/(кгК)
Q = Q1-Q2 =857,304 – 204,12 = 653,184 дж,
=1, (9)
а это угол наклона прямой на графике рис.8.То от 15°40´ до 39°50´ эта активная зона зависящая от k2.
