ELŻBIETA ZIĄBSKA Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny w Radomiu IRENEUSZ MUSIAŁEK Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Sandomierzu ARTUR OLSZAK Instytut Nawozów Sztucznych w Puławach ZBIGNIEW KĘSY Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny w Radomiu OCENA TRWAŁOŚCI ELEKTROREOLOGICZNYCH CIECZY ROBOCZYCH 1. Wstęp Do grupy nowoczesnych materiałów, wykorzystywanych w innowacyjnych konstrukcjach urządzeń hydraulicznych należą tak zwane ciecze inteligentne, których właściwości reologiczne mogą być zmieniane w sposób ciągły za pomocą prądu elektrycznego. Zależnie od sposobu aktywacji wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje tych cieczy: ciecze elektroreologiczne, reagujące na obecność pola elektrycznego i ciecze magnetoreologiczne, reagujące na obecność pola magnetycznego. Cieczami inteligentnymi, stosowanymi w urządzeniach hydraulicznych są głównie ciecze dwufazowe będące niejednorodnymi mieszaninami cząstek stałych i najczęściej oleju. Dotychczasowe prace rozwojowe nad cieczami inteligentnymi, przewidzianymi do zastosowania jako hydrauliczne ciecze robocze, skupiały się głównie na odpowiednim doborze proporcji i rodzaju składników, tak by uzyskać wymagane właściwości elektryczne i reologiczne. Z kolei projektanci urządzeń hydraulicznych, wykorzystujących ciecze inteligentne, zajmowali się poszukiwaniem optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych oraz opracowaniem sposobów projektowania, w tym głównie metod badania cieczy oraz sposobów obliczania osiągów urządzeń. Obecnie, gdy problemy te zostały częściowo rozwiązane, zwrócono uwagę na eksploatację urządzeń z cieczami inteligentnymi, a głównie na trwałość cieczy roboczej. Trwałość cieczy inteligentnej jako cieczy technicznej jest definiowana przez okres czasu, w którym ciecz pracująca w typowych warunkach eksploatacji zachowuje swoje właściwości użytkowe. Trwałość cieczy można oceniać na podstawie jej stopienia zużycia. 2. Ciecze o zmiennych właściwościach reologicznych Rodzajem cieczy inteligentnych, szeroko stosowanym w urządzeniach technicznych, głównie ze względu na ich korzystne właściwości reologiczne i niską cenę, są ciecze dwufazowe składające się z fazy stałej i ciekłej. Cząstki stałe tych cieczy wykonane są w przypadku cieczy elektroreologicznych z materiałów polaryzujących się pod wpływem pola elektrycznego, a w przypadku cieczy magnetoreologicznych z materiałów ferromagnetycznych. Fazę ciekłą stanowi zazwyczaj olej silikonowy, ze względu na małą zależność jego właściwości reologicznych od temperatury. Ciecze te zawierają również dodatki, takie jak np. kwasy, sole nieorganiczne, czy alkohole zapobiegające głównie aglomeracji cząstek stałych i sedymentacji mieszaniny. Udział fazy stałej w cieczach inteligentnych zależy od rodzaju składników i wynosi wagowo od 20% do 85%, a objętościowo od 10% do 50% [1, 2, 3].
3. Dotychczasowe badania trwałość cieczy inteligentnych Dotychczasowe badania trwałości cieczy inteligentnych, mające charakter utylitarny, ograniczają się do oceny funkcjonalności: tłumika liniowego z cieczą magnetoreologiczną oraz hamulca wiskotycznego z cieczą elektroreologiczną. W publikacji [4] podano, na podstawie badań trwałościowych tłumika liniowego z cieczą magnetoreologiczna, że pierwszym objawem zużycia cieczy magetoreologicznej jest wzrost wartości współczynnika lepkości dynamicznej w czasie, Rys. 1. Rys. 1. Zależności lepkości cieczy MR µ od czasu pracy [4] Zdaniem autorów tej publikacji wzrost wartości współczynnika lepkości dynamicznej jest spowodowany rozdrobnieniem cząstek stałych. W publikacjach [4, 5] zaproponowano, by stopień zużycia cieczy magnetoreologicznej oceniać na podstawie stosunku energii, jaka została zamieniona na ciepło w czasie pracy urządzenia, do objętości cieczy znajdującej się w szczelinie roboczej objętej polem magnetycznym. Stopień zużycia S cieczy magnetoreologicznej opisano wzorem: t 1 S = Pdt (1) V 0 gdzie: P moc przekształcona na ciepło, V objętość cieczy w szczelinie roboczej, t czas pracy urządzenia. W wyniku badań tłumika oceniono, że dopuszczalne wartości stopnia zużycia S cieczy magnetoreologicznej powinny się mieścić w zakresie 10 5 J/cm 3 10 7 J/cm 3. Zależnością (1) wykorzystano również w publikacji [6] do oceny zużycia cieczy elektroreologicznej pracującej w hamulcu wiskotycznym w stałych warunków pracy. Przy założeniu, że właściwości reologiczne tych cieczy są opisane modelem Binghama, stopień zużycia S określa wzór: P S = t = τ γ& t = ( µ pγ& + τ0 ) γ& t (2) V gdzie: µ p lepkość plastyczna cieczy elektroreologicznej γ& szybkość ścinania, τ 0 naprężenie graniczne cieczy elektroreologicznej występujące dla γ& = 0. Jak wynika z wzoru (2) wpływ szybkości ścinania na stopień zużycia S cieczy elektroreologicznej jest paraboliczny, a wpływ czasu pracy hamulca wiskotycznego liniowy. Ze wzrostem natężenia pola elektrycznego wartości parametrów modelu Binghama ( µ p oraz τ 0 ) zmieniają się, toteż stopień zużycia S cieczy elektrologicznej zależy istotnie od jej rodzaju i sposobu aktywacji.
Badania eksperymentalne trwałości hamulca wiskotycznego z cieczą elektroreologiczną polegały na okresowej ocenie funkcjonalności hamulca pracującego przez 115 godz. pod obciążeniem [6]. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że brak jest po tym okresie istotnych zmian kształtu cząstek stałych cieczy elektroreologicznej. 4. Koncepcja oceny trwałości dwufazowych cieczy inteligentnych W dwufazowych cieczach inteligentnych występują dwie fazy o zdecydowanie różnych właściwościach fizycznych, co powoduje że mechanizm zużycia każdej z tych fazy jest inny. Dlatego rozpatrując mechanizm zużycia dwufazowych cieczy inteligentnych założono, że dla fazy stałej dominuje zużycie mechaniczne, a dla faza ciekłej starzenie oleju [7]. 4.1. Zużycie mechaniczne cząstek stałych Zużycie mechaniczne cząstek stałych jest związane bezpośrednio z rodzajem przepływu cieczy inteligentnej. W zależności od konstrukcji urządzenia, w którym zastosowano ciecz inteligentną, wyróżnia się dwa podstawowe przypadki takiego przepływu [8]: przepływ w kanale, nazywany przepływem zaworowym, który w zastosowaniach praktycznych występuje w tłumikach liniowych i zaworach; przepływ wleczony, mający miejsce, gdy jedna ze ścian ograniczających ciecz porusza się równolegle do drugiej, który występuje w tłumikach obrotowych, sprzęgłach i hamulcach. Podczas przepływu zarówno zaworowego jak i wleczonego cząstki stałe wchodzące w skład cieczy inteligentnej trą się nawzajem o siebie lub o ścianki kanałów, jak pokazano na Rys. 2. a) b) Rys. 2. Mechanizm zużywania się cząstek stałych przez tarcie: a przepływ zaworowy, b przepływ wleczony Natomiast energia zderzeń tych cząstek jest niewielka, ze względu na fakt iż urządzenia z cieczami inteligentnymi są konstruowane tak, by przepływ miał charakter laminarny. W podzespołach hydrokinetycznych (sprzęgłach, przekładniach i hamulcach), składających się co najmniej z dwóch wirników, ciecz robocza przepływa z jednego wirnika do drugiego, przy czym kierunki prędkości wypływu cieczy z poprzedniego wirnika i napływu cieczy do następnego wirnika są zazwyczaj różne, w wyniku czego strumień cieczy roboczej nie wpływa stycznie na łopatki wirnika, lecz uderza o ich powierzchnie. W efekcie dyssypacja energii strumienia cieczy roboczej jest większa niż podczas przepływu zaworowego, który ma miejsce w kanałach utworzonych przez łopatki, na skutek występowania energii zderzeń. Jeżeli ciecz robocza podzespołu hydrokinetycznego jest cieczą dwufazową, to podczas pracy w zespole hydrokinetycznym jej zużycie następuje nie tylko na skutek tarcia, ale również i uderzania cząstek stałych o łopatki wirników, Rys. 3.
Rys. 3. Mechanizm zużywania się cząstek stałych w podzespole hydrokinetycznych W podzespołach hydrokinetycznych straty tarcia h t przedstawia się jako wysokość podnoszenia i oblicza jako sumę strat tarcia, występujących w poszczególnych wirnikach, w oparciu o prędkości względne w, zgodnie z wzorem [9]: = n 2 w t i = 1 ϕ 2g h (3) gdzie: ϕ współczynnik strat tarcia, w prędkości względna strumienia cieczy roboczej na wylocie z wirnika, g przyspieszenie ziemskie. Podobnie straty uderzenia h u określa się wzorem [9]: = n 2 cu h u i = 1ζ (4) 2g gdzie: c u prędkość uderzenia strumienia cieczy roboczej o łopatki na wlocie do wirnika, ζ współczynnik strat uderzenia. Wartości prędkości strumienia cieczy roboczej: w oraz c u mogą przekraczać 50 m/s i zależą bezpośrednio od prędkości kątowych wałów: wejściowego i wyjściowego podzespołu hydrokinetycznego. 4.2. Starzenie oleju Proces starzenia oleju, będący następstwem zanieczyszczania oleju produktami utleniania, wodą lub drobinami dostającymi się z zewnątrz jest uważany za podstawowy czynnik wpływający na jego trwałość [10, 11]. Zanieczyszczenia te tworzą szlamy, nagary i laki. W wyniku procesu starzenia oleju zmianom ulegają: liczba kwasowa, przejrzystość, barwa oraz właściwości smarne. Na proces starzenia istotny wpływ ma temperatura pracy oleju. W urządzeniach hydraulicznych wykorzystujących ciecze inteligentne jako ciecze robocze, takich jak: sprzęgła, hamulce i tłumiki drgań, mogą wystąpić wysokie temperatury, wynikające z intensywnej dyssypacji energii. W podzespołach hydrokinetycznych, zgodnie z Polska Normą, zleca się by temperatura cieczy roboczej nie przekroczyła 120 o C, a jeżeli temperatura cieczy jest wyższa, to należy stosować chłodnice. Jednak mimo obecności chłodnicy w układzie zasilania urządzenia hydraulicznego cieczą roboczą, mogą występować przegrzania lokalne.
5. Sposób badania trwałości cieczy elekrtoreologicznej W celu oceny trwałości, ciecz elektrologiczną zastosowano jako ciecz roboczą sprzęgła hydraulicznego i po ustalonym czasie pracy badano zmiany: kształtu cząstek stałych, powstałe w wyniku tarcia i uderzeń, barwy i przejrzystości oleju, zachodzące na skutek starzenia. Rozpad cząstek stałych określano na podstawie zdjęć mikroskopowych cząstek cieczy elektroreologicznej, a starzenie oleju bazowego na podstawie porównania pod mikroskopem zmian koloru oleju z użyciem wzornika barw. Obiektem badań trwałościowych była dwufazowa ciecz elektroreologiczna ERF#6 wytworzona w Katedrze Chemii Nieorganicznej i Technologii Ciała Stałego Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej. Faza stała tej cieczy to sulfonowana żywica styrenowo divinylobenzenowa z kationem sodowym formie cząstek kulistych o średniej średnicy około 10 µm. Kulisty kształt cząstek uzyskano za pomocą polimeryzacji suspensyjnej. Fazę ciekłą stanowi olej silikonowy (polidimetlosiloksan) pozbawiony niskich frakcji przez wygrzewanie w próżni [12]. Podstawowe dane cieczy ERF#6 podano w Tabeli 1. Tabela 1. Właściwości cieczy elektroreologicznej ERF#6 [7] 1. Współczynnik lepkości dynamicznej (bez aktywacji) 60 mpa s w 25 o C 2. Gęstość 1,074 g/cm 3 3. Temperatura zapłonu powyżej 250 o C 4. Temperatura krzepnięcia 20 o C 5. Współczynnik lepkości dynamicznej fazy ciekłej 16 18 mpa s 6. Udział wagowy fazy stałej 40% Ciecz elektroreologiczna ERF#6 pracowała przez 645 godz. w hydraulicznym sprzęgle zespolonym, składającym się z dwóch sprzęgieł: wiskotycznego oraz sprzęgła hydrokinetycznego, Rys. 4, [13]. a) b) Rys. 4. Sprzęgło zespolone: a schemat przenoszenia momentu obrotowego, b widok wirnika turbiny W sprzęgle wiskotycznym ma miejsce przepływ wleczony, a w sprzęgle hydrokinetycznym przepływ zaworowy z uderzeniami cieczy o łopatki. Moment obrotowy M przenoszony przez sprzęgło zespolone jest sumą momentów przenoszonych przez sprzęgło wiskotyczne M W oraz sprzęgło hydrokinetyczne M SH. Do badań trwałości cieczy elektroreologicznej wybrano sprzęgło zespolone, ze względu na złożony charakter przepływu cieczy roboczej w tym sprzęgle, będący przyczyną intensywnego zużywania się cieczy roboczej.
Hydraulika i Pneumatyka 3/2013 s. 8 11 Sprzęgło zespolone zamontowano na stanowisku badawczym umożliwiającym pomiar prędkości kątowej ωp oraz przenoszonego momentu obrotowego M, Rys. 5. Rys. 5. Widok stanowiska z zamontowanym sprzęgłem zespolonym: 1 silnik elektryczny, 2 sprzęgło zespolone; 3 momentomierz, 4 hamulec elektryczny, 5 zasilacz wysokiego napięcia 6. Wyniki badań trwałości elektroreologicznej cieczy dwufazowej Na Rys. 6 przedstawiono wybrane zdjęcia struktury elektroreologicznej cieczy roboczej ERF#6, wykonane po 645 godz. pracy sprzęgła w Zakładzie Anatomii Porównawczej i Antropologii Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie za pomocą skaningowego konfokalnego mikroskopu laserowego. Na zdjęciach tych można zaobserwować trzy różne formy zużycia kulistych cząstek stałych cieczy: spłaszczenie, uszkodzenia powierzchni, przyklejenie się zanieczyszczeń do cząstek stałych. a) b) c) Rys. 6. Uszkodzenia cząstek stałych cieczy ERF#6 widziane w świetle ultrafioletowym (365 nm) przy powiększeniu 400 razy: a spłaszczenie kulistych cząstek stałych, b uszkodzenia powierzchni kulistych cząstek stałych, c przyklejone zanieczyszczenia
Jak wynika z analizy wykonanych zdjęć, szacunkowa liczba uszkodzonych cząstek stałych nie przekracza kilku procent. Stosunkowo mała liczba uszkodzonych cząstek stałych wskazuje na początek zużywania się cieczy roboczej sprzęgła. Spłaszczenie i uszkodzenia powierzchni cząstek stałych wiążą się z ich ruchem w przestrzeni roboczej sprzęgła zespolonego, gdyż jak wynika z obliczeń numerycznych wykonanych w oparciu o bilans wysokości podnoszenia, w oparciu o wzory (3) oraz (4) dla prędkości kątowej wirnika pompy sprzęgła wynoszącej 100 rad/s prędkości przepływu dochodzą do 5,5 m/s, a maksymalne kąty uderzenia strumienia cieczy o łopatki osiągają wartość 55 o. Spłaszczenie cząstek stałych świadczy o właściwościach plastycznych żywicy, z której są wykonane. Przyczynami powstawania zanieczyszczeń, które zaobserwowano w cieczy elektroreologicznej mogły być: korozja, zużywanie się pierścieni uszczelniających oraz wymywanie przez krążącą ciecz roboczą pozostałości z procesu technologicznego. Pod mikroskopem nie zaobserwowano objawów starzenia się oleju silikonowego, będącego fazą ciekłą cieczy elektroreologicznej. Wartość stopnia zużycia cieczy roboczej sprzęgła zespolonego S SZ, odpowiadająca okresowi 645 godz. pracy sprzęgła zespolonego, wynosi 2,6 10 5 J/cm 3. Wartość ta została obliczona w oparciu o wzór (2) przekształcony do postaci: S SZ P t = t = ω pm p (5) V V gdzie: P moc dostarczona do sprzęgła, V objętość cieczy roboczej, t czas pracy cieczy roboczej w sprzęgle, ω p prędkość kątowa wirnika pompy, M p moment obrotowy wirnika pompy. Na podstawie niewielkiej liczby uszkodzonych cząstek stałych badanej cieczy elektroreologicznej, wartością współczynnika Ssz = 2,6 10 5 J/cm 3 i podanych w publikacjach [4, 5] minimalnych dopuszczalnych wartości stopnia zużycia S = 10 5 J/cm 3 cieczy magnetoreologicznej, można sadzić, że ciecze te maja zbliżoną trwałość. 7. Wnioski Dotychczas przeprowadzone badania trwałości cieczy inteligentnych były wykonywane dla wybranych urządzeń technicznych testowanych w specyficznych warunkach, toteż ich wyniki nie dają pełnej odpowiedzi na pytania dotyczące mechanizmów zużycia i nie mogą być uogólnione. Ze względu na występowanie w dwufazowych cieczach inteligentnych faz znacznie różniących się właściwościami fizycznymi należy oddzielnie rozpatrywać zużycie każdej z nich, przyjmując, że dla fazy stałej dominuje zużycie mechaniczne, a dla faza ciekłej zużycie w wyniku starzenia. Podstawowe formy zużycia mechanicznego cząstek stałych to; spłaszczenie i uszkodzenie powierzchni. Trwałość cząstek stałych badanej cieczy elektroreologicznej jest mniejsza od trwałości oleju silikonowego i zbliżona do trwałości cząstek stałych cieczy magnetoreologicznej.
LITERATURA [1] Ławniczak A., Milecki A.: Ciecze elektro i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 1999. [2] Krztoń Maziopa A., Ciszewska M., Płocharski J.: Ciecze elektroreologiczne materiały, zjawiska, zastosowanie. Polimery Nr 11 12/2003. [3] Kęsy Z.: Modelowanie i badanie elektroreologicznych i magnetoreologicznych cieczy roboczych. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej 2009. [4] Carlson J D: What makes a good MR Fluid?. 8 th International Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, Nice, July 9 13/2001. [5] Carlson D. J.: MR Fluids and Devices in the Real World. 9 th International Conference on Electro Rheological Fluids, Magneto Rheological Suspensions and Associated Technology. Beijing, 2004, pp. 531 538. [6] Kęsy Z.: Badanie trwałości hamulca wiskotycznego z cieczą elektroreologiczną. Hydraulika i Pneumatyka 4/2011 s. 10 13. [7] Ziąbska E., Musiałek I., Olszak A., Kęsy Z.: Koncepcja oceny trwałości elektroreologicznych cieczy roboczych. Międzynarodowa konferencja Naukowo Techniczna Napędy i Sterowania Hydrauliczne i Pneumatyczne 2012, Wrocław 2012, s. 181 189. [8] Dziubiński M., Kiljanski T., Sek J.: Podstawy reologii i reometrii płynów. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej 2009. [9] Kęsy Z.: Sprzęgła z cieczami elektro i magnetoreologicznymi. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej 2008. [10] Gomółka L., Polnar J.: Analiza stanu technicznego oleju smarującego metodą wysokich napięć. Napędy i Sterowanie nr 11/2008 r., s. 114 115. [11] Dykiel S.: Oleje hydrauliczne obsługa układów hydraulicznych. Broszura informacyjna firmy Fuchs Oil Corporation 2005. [12] Płocharski J. i inni: Opracowanie cieczy elektroreologicznych do zastosowania w zaawansowanej technice. Projekt badawczy PW 004/ITE/05/2005, Instytut Technologii Eksploatacji w Radomiu 2006. [13] Musiałek I.: Badanie charakterystyk zespolonego sprzęgła hydraulicznego z elektroreologiczną cieczą roboczą. Rozprawa doktorska, Politechnika Świętokrzyska 2009.