книги / Основы практической реологии и реометрии

Типичные размеры поперечного сечения подшипника скольже­ ния коленчатого вала (рис. 92):

радиус вала R, = 27,53 мм; радиус муфты Ru= 27,50 мм; толщина пленки масла у = 0,03 мм; частота вращения коленчатого вала п = 4000 мин-1;

8 = RJR, = 1,00109; б2 = 1,00218;

л82 п .

15 82 -1 Это дает значение у = 4 • 105 с-1

Приведенные в литературе для данного случая значения скоро­ сти сдвига варьируют от у = 104 в начале движения автомобиля до у = 106, когда спортивный автомобиль движется на полной скоро­ сти.

Типичные размеры цилиндра и поршня двигателя (рис. 93): размер зазора у = 0,03 мм; частота вращения коленчатого вала п = 4000 мин-1;

максимальная скорость поршня vm„ = 20 м/с; средняя скорость поршня vcp = 14 м/с.

Это приводит к значению

Рис. 92. Поперечное сечение подшипника скольжения коленчатого вала с кольце­ вым зазором для смазки

Рис. 93. Поперечное сечение цилиндра двигателя и поршня для оценки параметров течения смазочного масла

ИЛИ

УсР =4,7 1 0 V

Скорость сдвига в слое масла между маслосъемным кольцом поршня и цилиндром обычно достигает экстремально высоких зна­ чений.

Типичные размеры масляного насоса, расположенного в масло­ сборнике двигателя (рис. 94):

диаметр трубы d =0,7 см = 7 мм; радиус трубы R = 0,35 см = 3,5 мм; скорость течения Q = 30 см'Умин = 500 ммУс.

При этом значение у

Скорости сдвига машинного масла во входной области патрубка масляного насоса очень высоки. В самом масляном насосе скорости сдвига гораздо ниже.

Во время работы двигателя машинное масло подвергается воз­ действию очень широкого интервала скоростей сдвига, а не какойлибо одной скорости сдвига. Это важно знать, несмотря на тот факт, что масла обычно являются ньютоновскими жидкостями. Моторные масла подвержены действию значительных переменных нагрузок в широком интервале температур. Для повышения смазывающей способности в высококачественные масла вводят соответствующие добавки, которые придают им неньютоновский характер течения.

Рис. 94. Схема работы масляного насоса, расположенного в маслосборнике двига­ теля

Необходимо изготавливать масла, которые обладают достаточ­ ной вязкостью при высоких скоростях сдвига. Это обеспечивает хо­ рошую смазку поверхности металлических деталей и предотвраща­ ет непосредственный контакт между ними. В то же время вязкость масла должна быть достаточно низкой при малых скоростях сдвига, когда оно течет в масляном насосе под действием гравитации по направлению к входному патрубку насоса, а затем вверх при всасы­ вании масла насосом. Если масло слишком вязкое, насос может час­ тично втягивать воздух, и тогда подача масла в подшипники огра­ ничивается. Очень важно, особенно в условиях низких температур, чтобы масло не проявляло предела текучести (при нулевой скоро­ сти сдвига) и вследствие этого не вело бы себя как твердое тело, ко­ торое совсем не поступает в масляный насос.

Тогда скорость сдвига равна у2 = 6,900 с”1в сетке 31 меш.

Чернила для печати подвергаются гораздо более высокой скоро­ сти сдвига ух между поверхностью сетчатого трафарета и ножом скребка. Протекание на подложку идет с меньшей скоростью сдви­ га у3.

Предел текучести и тиксотропная структура чернил способству­ ют получению и сохранению четкого контура печати.

Р е з ю м е : При печати по сетчатому трафарету имеет место множество скоростей сдвига. Поскольку характер течения чернил сильно отличается от ньютоновского, необходимо проводить изме­ рения вязкости как при низких, так и при высоких скоростях сдвига.

5.4.5. Нанесение губной помады

Оценка скоростей сдвига при нанесении губной помады может проводиться следующим образом.

Женщины, выбранные в качестве экспертов (группа не менее 10 человек), наносят губную помаду одним мазком. Скорость нане­ сения покрытия v в течение этого мазка ограничена. Тюбик помады взвешивают до и после нанесения, чтобы узнать среднюю массу слоя покрытия т. Для оценки площади покрытия А листок фильт­ ровальной бумаги прижимают к губам, покрытым помадой, после чего площадь образовавшегося пятна измеряют планиметром.

Толщину покрытия определяют следующим образом:

т

где р - плотность губной помады.

Значения типичных для данного процесса параметров равны: v = 10 см/с; т = 0,05 г; А = 10 см2;

р = 1 г/см3;у - 0,005 см.

Скорость сдвига при нанесении губной помады у = 2000 с-1.

5.4.6.Скорости сдвига в некоторых других процесса

Ниже приведены скорости сдвига (с-1) в некоторых процессах:

6. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

Оператор может достичь хороших результатов измерений при оптимальном сочетании подходящего реометра с тщательным вы­ бором параметров испытаний. Рассмотрим каждый из этих факто­ ров отдельно.

6.1. Точность капиллярных вискозиметров и вискозиметров с падающим шаром

Результаты измерений во всех капиллярных реометрах, исполь­ зуемых для измерений вязкости ньютоновских жидкостей, таких

В капиллярной вискозиметрии экспериментально измеренная кине­ матическая вязкость v зависит от таких параметров, как калибро­ вочная константа ссару относящаяся к размерам капилляра, фактиче­ ская температура жидкости Г, плотность жидкости р и скорость течения Q (т. е. от времени истечения определенного объема жид­ кости через определенный отрезок капилляра):

V = V(ccap, Т, р, 0 .

Каждый вид используемого капилляра применим только в огра­ ниченном диапазоне вязкости. В большинстве стран государствен­ ные службы стандартизации предоставляют жидкости со стандарт­ ной вязкостью, которые позволяют в качестве первого шага в постадийной процедуре калибровки капилляров связать калибровоч­ ную константу первого капилляра и вязкость воды Vj. Откалибро­ ванный таким образом первый капилляр используют для измерения вязкости V2 другой жидкости, более вязкой, чем вода. Затем с по­ мощью жидкости с вязкостью V2 калибруют второй капилляр, с еще большим диаметром. При сертификационных измерениях вязкости высоковязких жидкостей для получения надежных результатов ис­ пытаний используют 10 капилляров с разными калибровочными константами ссар.

Параметр испытаний Т (температура) задается с помощью под­ ходящего теплоносителя - бани, снабженной циркуляционным на­ сосом (сокращенно - “термостат”), температура в которой поддер­ живается постоянной с точностью до 0,01 °С.

Время истечения жидкости, движущейся при этих испытаниях со скоростью Q, может быть измерено с точностью до 0,01 с.

Точность измерения плотности жидкости должна быть не менее

0,01% .

При соблюдении этих условий можно гарантировать точность результатов измерений при капиллярной вискозиметрии (их досто­ верность) на уровне 0,1%.

Калибровочные жидкости для калибровки капиллярных виско­ зиметров с неизвестными техническими характеристиками можно приобрести либо в государственных лабораториях стандартизации, либо в компаниях, поставляющих капиллярные или ротационные вискозиметры. Ротационных вискозиметров или реометров, кото­ рые имели бы такую же точность, как высококлассные капиллярные вискозиметры, не существует. Однако достоинства высококлассных капиллярных вискозиметров, отличающихся высокой точностью, несколько снижаются тем, что они применимы только для измере­ ния вязкости “простых” ньютоновских жидкостей. Они не подходят для измерения вязкости неньютоновских жидкостей, у которых скорость сдвига в поперечном сечении капилляра существенно не­ линейна и поэтому не может быть надежно определена. Конечно,

обладающих пределом текучести.

То же самое можно сказать о вискозиметрах с падающим шаром, которые калибруют, используя несколько стандартных жидкостей с известной вязкостью. При испытаниях жидкостей с различной вязкостью используют серию шаров различного диаметра. По точ­ ности результатов измерений вискозиметры с падающим шаром близки к капиллярным вискозиметрам.

6.2. Точность ротационных вискозиметров и реометров

Вязкость нельзя измерить непосредственно. Ее можно рассчи­ тать по отношению напряжения сдвига к скорости сдвига:

Реометры/вискозиметры, в которых жидкость при данной темпе­ ратуре подвергают определенным сдвиговым напряжениям и изме­ ряют полученную в результате этого скорость сдвига (или, наобо­ рот, подвергая жидкость определенной скорости сдвига, измеряют соответствующее напряжение), называют “абсолютными реометра­ ми”, так как результаты измерений вязкости выражаются в абсо­ лютных физических единицах, и поэтому в данном случае не требу­ ется применения калибровочных жидкостей.

Параметрами для измерения вязкости являются: т = AMd\ у = MjCl.

Оба коэффициента А и Mj [коэффициенты напряжения и скоро­ сти сдвига в уравнениях (12) и (13)] связаны с геометрией выбран­

ной измерительной системы и данным типом реометра и могут быть объединены в единую константу прибора

G = AIM.

Конечно, температура остается важным дополнительным пара­ метром. В данном случае другие возможные факторы, влияющие на вязкость, такие, как давление Ру время действия сдвига t и на­ пряжение электропитания, не учитывали.

Таким образом, параметрами, влияющими на измеренную вели­ чину вязкости и точность результатов измерений, являются т - точ­ ность заданного момента вращения, £2 - точность заданной скоро­ сти вращения ротора, G - параметр точности геометрических раз­ меров измерительной системы, Т - точность заданной температуры образца:

Л= Л(^ f t G, Т).

6.2.1.Точность задания напряжения сдвига

Напряжение сдвига определяется крутящим моментом Mdi зада­ ваемым на оси ротора посредством специального трехфазного ша­ гового двигателя. Заданная величина тока I в двигателе создает кру­ тящий момент Md\

Чтобы быть уверенным в том, что данный CS-реометр действи­ тельно обладает указанными характеристиками, его следует отка­ либровать. Калибровка CS-реометров (рис. 96) заключается в экс­ периментальном определении зависимости между заданной вели­ чиной тока и полученным в результате этого крутящим моментом, который прикладывается к измеряемому образцу. Эта зависимость может содержать небольшую погрешность, связанную с незначи­ тельным отклонением показателя степени в уравнении (66) от 2. Отклонение может быть связано, например, с зависимостью крутя­ щего момента от температуры в обмотке двигателя и малым, но не пренебрежимо малым влиянием трения в воздушном подшипнике на скорость ротора.

Применение стандартных жидкостей для калибровки прибора не рекомендуется, поскольку при этом на результаты влияют такие при­ борные эффекты, как эксцентриситет, концевые эффекты и сдвиго­ вый нагрев.

Рис. 96. Калибровка CS-реометра:

а —устройство для калибровки реометра; 6 —распечатка калибровки (зависимость полу­ ченного крутящего момента М от силы тока Г)

Вместо этого лучше измерять результирующий крутящий мо­ мент Mj на оси ротора (рис. 96, а) путем простого определения тя­ гового усилия на радиусе R ролика С, навинченного на ось ротора. Для превращения горизонтально действующей силы на ролике С в вертикально действующую силу используют второй ролик - D. Эта сила приложена к эталонной гире G посредством тонкой нити Н, проходящей через оба ролика. Гиря G стоит на аналитических, т. е. очень точных, весах F. При силе проходящего через двигатель тока 1 = 0 весы будут показывать значение, равное весу гири G. При увеличении силы тока возникает крутящий момент, который стремится поднять гирю G вверх, в результате чего значения веса гири на экране весов снижаются. Чтобы свести к минимуму трение в осях роликов, они вращаются, как и ось ротора, в воздушных подшипниках.

На рис. 96, б представлена типичная диаграмма компьютерной калибровки: зависимость между заданной силой тока / (А) и возни­ кающим в результате этого крутящим моментом Mj (мкН м). Рег­ рессионный анализ полученных результатов в данном конкретном случае калибровки реометра приводит к следующему уравнению:

Md = kI1M.

Этот метод калибровки, дающий истинные значения к и показа­ теля степени, который сводит измерение крутящего момента к из­ мерению веса, позволяет определить крутящий момент путем изме­ рения массы и длины (радиуса ролика). Используемые весы могут быть сертифицированы производителями с допустимым отклонени­ ем в пределах ±0,2 мг. Такая методика калибровки позволяет калиб­ ровать крутящий момент CS-реометра как в статических (£2 = 0), так и в динамических (£2 > 0) условиях. Воспроизводимость таких измерений крутящего момента составляет ±1 мкН м.

Кроме того, реально действующий крутящий момент будет зави­ сеть от угловой скорости ротора, трения в чрезвычайно узких зазо­ рах воздушных подшипников и изменения номинальных характери­ стик двигателя вследствие возрастания температуры его обмотки при высоких значениях крутящего момента. Все эти побочные влияния на зависимость сила тока-крутящий момент учитываются такой калибровкой, при которой задают силу тока и получают точ­ но определяемые значения напряжения при изменении крутящего момента в пределах более четырех десятичных порядков. Результа­ ты калибровки и процедуру аппроксимации кривой используют для того, чтобы ввести значения исправленных констант прибора в про­ граммное обеспечение.

При крутящих моментах ниже 100 мкН м остается неучтенным допустимое отклонение заданного крутящего момента в пределах ±1 мкН м, которое в основном появляется в результате трения в воздушном подшипнике и которое не может быть полностью