The problems of hydrodynamic non-isothermal lubrication

• Autorzy: Wierzcholski K.

Warianty tytułu

PL

Problemy hydrodynamicznego nieizotermicznego smarowania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The classical hydrodynamic theory of slide bearing lubrication has been constituted on the assumption of constant pressure and viscosity perpendicular to the thin oil layer thickness. These fundamental assumptions are in contradiction to contemporary achievements connected with new devices such as micro-bearing, nano-bearing, magnetic bearings, artificial joints in humanoid robots, micro-motors. Therefore, new methods of measurements and calculations using AFM and a new mathematical computer programs are needed. Energy conservation equations after boundary layer simplifications confirm the fact that temperature gradient variations across the film thickness have the same order of magnitude as the variations in longitudinal or circumferential directions. The fact that temperature gradient variations cross the bearing gap height can be significantly large are evident, despite the temperature differences across the film thickness that are negligibly small. This statement cannot be compliant with the assumption of a constant viscosity value in the gap height direction. It has been proven that hydrodynamic pressure is not constant across the film thickness for non-Newtonian oils with Rivlin Erickson constitutive equations. For pseudo-plastic non-Newtonian oils, the apparent dynamic viscosity significantly decreases with shear rate increases. However, for pseudo-plastic oils, the shear rate increments during the oil flow are strictly connected with the average flow velocity increments. Therefore, the apparent dynamic viscosity depends strongly on the oil velocity gradients. It is evident that flow velocity gradients across the film thickness have intensive variations, particularly in regions where gap height attains the least value. In these places, the dynamic viscosity attains the largest variations in gap height directions. If gap height in micro-bearing is smaller than one micrometre, than the largest oil dynamic viscosity increments caused by the velocity variations across the film thickness are located near the superficial layer of the movable journal surfaces in the case of the hydrodynamic lubrication by rotation, but in the neighbourhood where each of two come near lubricated surfaces during the squeezing. Hence, in these places, dynamic viscosity increases across the film thickness and attains the local maximum values. A gap height smaller than one micrometre has the largest oil dynamic viscosity increments caused by the adhesion force variations across the film thickness located near the motionless sleeve surfaces. In a similar manner, the influences on the viscosity variations caused by the luster points of concentrations of nano particles as oil inhibitors or oil additives smaller than 5 nm occurring in micro-bearing gaps and the cluster concentration regions of collagen fibres occurring in human joint gap are observed. This paper describes and comments on the above-mentioned problem of oil viscosity changes in the gap height direction, and it presents the apparent dynamic viscosity functions for Newtonian and non-Newtonian oils as well indicates the largest viscosity variations in bearing gap height direction and gives examples of initial calculation results.

PL

W niniejszej pracy wykazano, że lepkość dynamiczna nie-newtonowskiego nieizotermicznego czynnika smarującego zmienia się po kierunku wysokości szczeliny łożyskowej oraz że zmiany te mają istotny wpływ na parametry pracy poprzecznego łożyska ślizgowego łącznie z siłami tarcia, współczynnikami tarcia oraz zużyciem materiału. Zmiany lepkości nieizotermicznej nienewtonowskiej cieczy smarującej po grubości warstwy czynnika smarującego uzasadnia się poprzez: · wpływ zmian gradientów temperatury po grubości warstwy smarującej, · wpływ zmian wartości składowych prędkości nienewtonowskiego, nieizotermicznego oleju po kierunku wysokości szczeliny, · wpływ lokalizacji w cieczy smarującej obszarów skupienia (clustering regions) nanometrowych cząsteczek i ich liczebności. Dla wyjaśnienia mechanizmu opisanych wpływów podano komentarze. 1. Zmiany wartości temperatury pomiędzy powierzchnią czopa i panewki są małe i ich wartość osiąga zaledwie od 3 K do 7 K. Dlatego nie mają one wpływu na zmiany lepkości po grubości warstwy, chociaż z równania zachowania energii wynika zmienność wartości temperatury po kierunku wysokości szczeliny łożyska. Jednak zmiany gradientów temperatury po kierunku wysokości szczeliny mogą być znaczące i one wpływają na zmiany lepkości w kierunku wysokości szczeliny. 2. Zmiany wartości składowych prędkości nienewtonowskiego, nieizotermicznego oleju po kierunku wysokości szczeliny są znacząco malejące (rosnące), powodują spadek (wzrost) prędkości deformacji w cieczach nienewtonowskich, a stąd na mocy praw mechaniki cieczy odpowiednio znacząco wzrasta (maleje) lepkość. 3. Obszary skupienia dotyczą: inhibitorów, dodatków polimerowych, zanieczyszczeń solami ołowiu, molekuł magnetycznych o ok. 2–5 nm wielkości cząsteczek w obszarze szczeliny smarnej łożysk mechanicznych oraz chondrocytów, włókien kolagenowych, miceli, liposomów, fosfolipidów o wielkości 5 nm w obszarze cieczy synowialnej wypełniającej szczelinę stawu. Obszary skupienia lokalizują się na ogół w pobliżu współpracujących powierzchni i tam wywołują znaczne wzrosty lepkości pozornej cieczy smarującej. 4. Siły adhezji w szczelinach łożysk o wysokości poniżej mikrometra osiągają największe wartości w pobliżu współpracujących powierzchni, powodując w tych obszarach największe wzrosty lepkości oleju po kierunku wysokości szczeliny.

Słowa kluczowe

EN

liquid viscosity; changes in thin gap height direction; temperature; adhesion; or phospholipids; analytical model; micro-bearings; joints applications; initial results

PL

lepkość cieczy; zmiany po grubości cienkiej warstwy; temperatura; adhezja; fosfolipidy; model analityczny; mikrołożyska; stawy; wstępne rezultaty

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2016
• Tom: nr 4
• Strony: 211--223
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Wierzcholski K.

• Koszalin University of Technology, Institute of Technology and Education, ul. Śniadeckich, 75-453 Koszalin, Poland

Bibliografia

• 1. Wierzcholski K.: Topology of calculating pressure and friction coefficients for time-dependent human hip joint lubrication. ABB, Vol. 13, No. 1, 2011, 41–56.
• 2. Bhushan B.: Nano-tribology and nano-mechanics of MEMS/NEMS and BioMEMS/BioNEMS materials and devices, Microelectronic Engineering, 2007, 84, pp. 387–412.
• 3. Pawlak Z., Gadomski A., Sójka M., Urbaniak W., Bełdowski P.: The amphoteric effect on friction between the bovine cartilage/cartilage surfaces under slightly sheared hydration lubrication mode.Colloid and Surfaces B:Biointerfaces, 146 (2016) 452–458, www.elsevier.com/locate/colsurfb.
• 4. Pawlak Z., Urbaniak W., Gadomski A., Kehinde Q. Fusuf, Isaak O. Afara, Adekundle Oloyede: The role of lamellate PL bilayers in lubrication of joints. Acta of Bioeng. and Biomech., Vol, 14, No. 4, 2012.
• 5. Daniel M.: Role of the surface-active lipids in cartilage lubrication, in: Iglic (Ed.) Adv. in Planar Lipid Bilayers and Liposomes Press, Amsterdam, 2012, pp. 226–244, http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-396533-2.00007-0 (ch.7).
• 6. Mashaghi et.al.: Hydraton strongly affects the molecular and electronic structure of membrane phospholipids.136.114709, 2012, (http://jcp.aip.org/resource/1/jcpsa6/i11/p.114709_s1).
• 7. McRury I. D., Morgan R. E., Auge W. K.: The maniupulation of water with nonablation radiofrequency energy:a repetive molecular energy conversion loop under non ionizing electromagnetic forces.Water 2, 2010, 108.
• 8. Andersen Olaf S., Roger E., et.al.: Bilayer thickness and Membrane Protein Function:An Energetic Perspective. Annular Review of Biophysics and Biomolecular Structure. 36 (1),107-130, doi: 10.1146: annuref.biophys. 36.040306.132643. Retrieved 12 Decembre 2014.
• 9. Hills B. A.: Boundary lubrication in vivo: Proc. Inst. Mech. Eng. Part H: J. Eng. Med.214 (2000) 83.
• 10. Yuan C. Q., Peng Z., Yan X. P., Zhou X. C.: Surface roughness evaluation in sliding wear process, Wear, 2008, 265, pp. 341–348.
• 11. Wierzcholski K.: Joint cartilage lubrication with phospholipids bilayers. Tribologia, 2, 2016 in prints.
• 12. Auge W. K. I. I.: Conceptualization of surface-confined nano-assemblles as biophysical battery circuit during tissue rescue: A bridge to accessing genomic control mechanisms. Inter. Journal of Nano-systems 5, 2012, 1–18.
• 13. Gadomski A., Bełdowski P., Miguel Rubi J., Urbaniak W., Wayne K. Auge, Santamaria- Holek., Pawlak Z.: Some conceptual thoughts toward nano-scale oriented friction in a model of articular cartilage, Mathematical Biosciences, 244 (2013) 188–200.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.