Введение к работе
Актуальность темы. В последние года в технике все большее применение находят жидкости, рабочие свойства которых могут быть описана и поняты, только с учетом их микроструктуры (смазочные жидкости, суспензии, полимерные растворы, жидкие кристаллы, физиологические жидкости и др.). Принципиальной особенностью таких жидкостей является образование оркентационно-упорядоченного граничного слоя на твердых поверхностях и существенное изменение в нем свойств (в первую очередь вязкости) по сравнению со свойствами в объеме. Эта особенность, обуславливающая существенные технические эффекта, не находит объяснения в рамках классической гидромеханики. Выход бал найден в модернизации основ теории движения жидкостей (Э.Л. Аэро, А.К. Булыгия, Е.З Кувшинский, В.Н. Йиколаевсккя, М.И. Шлисмис, А.Т. Листров, А.С. Eringen, V.K. Stokes, S.J. Allen, К.A. Kline и другие) и создании модели моиентной жидкости (синонимы - ыикроструктурной, микрополярной, несимметричной), где дополнительно к классическим полян силовых напряжений поступательных скоростей частиц среда учитываются иоментные напряжения (пары сил), и независимые вращательные скорости (ижроврздения) частиц :зздкости.
Одним из важнейших и естественных разделов гидродинамики иоментной жидкости является теория смазочного слоя. В науке о смазке и трении давно отмечалось несоответствие классической гидродинамики Навье-Стокса поведению смазочных жидкостей в тонких (микронных и субмикронных) слоях, когда граничные слои близки или смыкаются, и явно проявляется природа материала трущихся поверхностей. К настоящему времени в физике, приповерхностных явлений и .трибологии накопилось много пряных экспериментальных данных об аномальном поведении различных жидкостей между контактирующими твердыми телами, а также в узких каналах. Были определены количественные характеристики . граничных слоев, образуемых жидкостями. на различных твердых поверхностях, введено фундаментальное понятие граничной вязкости жидкости, а в самое последнее время было обнаружено существование тончайших приповерхностных слоев, где жидкость приобретает высокоуиорядоченную структуру и некоторые свойства, типичные для твердых тел. Все ати факты не находят никакого отражения в кляп ичткоП гидродинамике, п которой нот различия между
внутренним трением слоев яидкости между собой и их трениеы о тверду» стекку, В связи с этими обстоятельствами систематическая работа по применению моментной гидромеханики для описаная динамики шідкостеа в тонких слоях, была начата уже в 70-е и 80-е года (И.П. &ігун, П.П Прохоренко, J.L. РгаКавп, J.В. Shukla, М. Іва, N. Tlpei, с. Singh и другие). Одной из задач этих исследований должно было бы стать создание согласованной со всеми известными экспериментальными фактами и предсказывающей новые эффекты обобщенной гидродинамической теории трения, учитывающей взаимодействие смазочного слоя о трущимися поверхностями, и разработка иг ее основе методов расчета параметров трения меаду двихудиыися твердьши или упругими поверхностями, разделенкыш смазочным слоен, рвботаядаш как в гидродинамическом реяиме, так и в режиме определяющего влияния граничных слоев. Однако эта задача далека от окончательного решаняя, чем и объясняется актуальность постановки данной работы.
Этим ха определяется и ее главная цель - обобщение классической гидродиигмяческой теории смазочного слоя и классического уравнения смазочного действия Рейнольдса на область микронных и субмикрощш зазоров так, чтобы теория согласовывалась о современными экспериментальными данными о течении жидкостей на границе с твердой поверхностью. Предстояло ' такке ввести представление о внешнем трении кидкоста о стенку и корректно решть проблему грашчных условий. ИсходпоЗ базой для исследования была принята моментная теория жидкости.
Для достихзщя поставленной цеди было восбходхшм
проанализировать и систематизировать экспериыенталыше даннао об иоиешши вязкости и других свойств етддсстей в прилегавдзм к твердой поверхности слое (граничном олое)!
разработать тэораэ смазочного слоя, ввдвчаецуп в себя мсиектшс згрвБїїаївгя дашкия аздхости в првблракия тонкого слоя и обобщают граничные услозил, вводящие гракгиіув (ешшшо) вязкость, как сяэдсгая едгекш кидкоста к''тоардшу ?елу в отличие от вкутреняоа вязкости. шскщэЗ когешэяиу» природу |
- на основе разработанной seopsss рггать в общем вида задачу о
течгшш явдкооти, образующей 1*рЕиачиыэ слои, как по одной
поверхности, так и в зазор ыеад двумя движущимися поверхностями,
когда в общем случае на поверхностях могут формироваться граничные
4
слои с различными свойстваии;
- исследовать размерный эффект вариации вязкости жидкости при
изменении расстояния между твердыни поверхностями и «зъгенении
режима течения от гадродинанического до ревямз опраделяющего
влияния граничных слоев;
показать практическую пркмениасогь разработаїшого математического аппарата для решения разнообразных таловых задач гадродннаиики смазочного слоя, доведя' эта рааешя до инженерных расчатоэ и рекомендация.
Научная новизна работы зеклотзэтея в тон, что 9 нзй построена единая гкяродаигййчзская таорш! сказочного слоя, учитывающая как Енутрекпез, тек я и писаное тренда жидкости» я применимая как для макроскопических, так и для кккрошш И субкнкроккых зазоров между повсрхностяш трения, когда прзобладакгцув роль играют эффекта в гракячках слоях падкости, то есть внесшее трение. При разработке теорій:
- прздяояено обобщенное граничное условие, включающее
эширичэсккй коэффициент гриячдой вязкости, имеющий ясный
физичесгай сшел параііетра, характеризующего внешнее трения
жидкости о стоїку;
- впэрзаа получено обобщзюгоз уравнение Рейнольдса смазочного
действия для иоазитноЯ жидкости, имеющей различные коэффициенты
граничной вязкости на протизопоясгиа поверхностях трения;
- вперпие получена завзсдаость коэффициента эффективной
вязкости от материальных парзштров жидкости, толщины слоя
жидкости и значений коэффициентов граничных вязкостен на
поверхностях траиия;
проанализированы и объяснены эмпирические закономерности изменения (как увеличение, так я уыеныление) эффективной вязкости жидкостей в тонких зазорах между твердыми поверхностями, а также размерные эффекты, соответствующие современным экспериментальным данным;
получеки новые решения типовых практических задач, позволивше выявить наилучшие условия применения смазочных жидкостей с повыше киши цементными эффектами, в том числе в различных сочетаниях с вариациями тяких факторов, как коэффициента граничной мжосли из поворхиоетх трения,упругость и геометрия порорхнск!той тртпия, наличие ня них регулярного микрорелм'фч и др.
Выявлены области совместного действия указанных факторові где возможно снижение потерь на треннв в несколько раз при практической сохранении несущей способности и зазора ыеаду трущимися поверхностями;
- впервые разработан и приманен численный метод решения полных моыентных уравнений движения жидкости (нелинейная постановка) в каналах с резко изменяющейся геометрией.
Разработанная гидродинамическая теория смазочного слоя позволяет количественно оценить влияние взаимодействуя смазочных жидкостей с твердыми границами на закономерности течения и определить область, где классическая гадродонамика становится неправомерной.
Основные результаты, выносимые на защиту;
-
Модель сиазочного слоя в". условиях влияния границ, включающая в себя* в тем числе, обобщенные граничные условия, вырахЕкаднэ-закон внешнего (граничного) трения.
-
Обобщенное уравнение смазочного действия Рейнольдов, учитывающее различные коэффициенты граничной вязкости на поверхностях трения и описывающее с еданой позиции как классический гидродинамический реким. так и режим, когда определяющее влияние иа течение оказывают граничные слои жидкости.
-
Результаты анадктачаскнх и численных решений типовых юшекерных задач для различных пар трекия» позволяющие выявить граничные эффекта в различных условиях,
Практическое значение имеют результаты работы, как общего, так и конкретного характера. Обобщенное уравнение Рвинолъдса, впервые полученное в работе, является научной основой для инженерных расчетов различных режимов смазки узлов трения, как при больших, тек и при малых зазорах. Оно позволяет заранее предсказывать условия перехода от гидродинамического режима к режиму, определяемому граничными слоями, зная параметры узла трекяя, нагрузку на него и свойства смазочной жидкости м, соответственно, прогнозировать в этих условиях процессы трения. Полученные решения типовых задач могут быть использована для инженерных расчетов по определени» наиболее выгодных условий работы пар треная и смазочных жидкостей с тем, чтобы рационально использовать интенсивно расширяющийся ассортимент технических жидкостей с выраженной .внутренней, структурой. Точный расчет,
* 6
правильное конструировали к применение пар трения являются значительна резервом при рееении проблема иозисеняя качества изеин и эффективности их копсдьзоааяия. Результаті! работа могут быть применимы в таких областях тэхшкк, как иакиноетроекае, хишческое иавиностроеіше, приборостроение я других. Предложенные в работе кодели и методы решения задач динамики структурных етдкюс сред имеют такжв интерес для ипшческоЯ проиаштннсстя (расчета параметров течения раствсроп пояшерев, суспензий, колясядов и др.) и иэдицпкы (исследования течений, физиологическая жидкостей, таких как кровь, синоаинаяькая надкость и их замеяитзли). Объем диссертации. Работа содзркит 348 страниц, в тоїя числа 310 страниц машинописного текста, 183 названий цйтируеїшх литературных источников и список основных обозначений.
Материала работы использовались з работах по хозяйственный договорам в 1988, 1990, 1991, 19ЭЗГТ.
Апробация работа. Основные результата работы докладывались п обсуядолнсь на:
- Седьмой Всесоюзной съезде по теоретической и прикладной
механике (Москва, 1990г.);
заседании секции "Теория трения и кзнашвакия" Межведомственного научного совета по трибология АН СССР ГКНТ СССР и Союза НИО СССР (Горький, 1990);
Пятой научно-технической, конференция "Триботехника -машиностроению" (Н.Новгород, 1991г.){
Всероссийской научно-технической конференции "Проблема динаники и прочности электро- и экзрго кашин" (Петербург, 1993);
- на семинарах лабораторий и кафедр ИТОН РАН (Москва), ИПМаа
РАН (Петербург), ГИТУ и других,
Список публикаций по теме диссертации содеряит 24 ншшанования.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и списка обозначений.