Tribological design of nano - magnetorheological fluid journal bearings
Authors: Μπόμπος Δημήτριος 
Published: August 2021

Τα έδρανα ολίσθησης είναι στοιχεία μηχανών τα οποία υποστηρίζουν περιστρεφόμενους άξονες. Η ικανότητα απόσβεσης κραδασμών και η χαμηλή τριβή συγκαταλέγονται στα πλεονεκτήματά τους. Παραδείγματα της χρήσης των εδράνων ολίσθησης βρίσκουμε τόσο σε εφαρμογές μικρής κλίμακας μεγέθους, όπως οι σκληροί δίσκοι, έως και εφαρμογές μεγάλης κλίμακας όπως τα έδρανα αξόνων αεριοστροβίλων. Με την εξέλιξη των "έξυπνων υλικών", δηλαδή υλικών με ελεγχόμενες φυσικές ιδιότητες, η προοπτική ενεργού ελέγχου των επιδόσεων των εδράνων ολίθσησης κατέστη εφικτή. Σε αυτή την εργασία τα μαγνητορεολογικά (magnetorheological ή MR) και τα νανομαγνητορεολογικά (nanomagnetorheological ή NMR) ρευστά εξετάσθησαν ως πιθανά υποψήφια ρευστά για χρήση ως λιπαντικά εδράνων ολίσθησης.Τα μαγνητορεολογικά ρευστά είναι διαλύματα φερομαγνητικών σωματιδίων σε ένα συμβατικό ορυκτέλαιο. Ένα κατάλληλα προσανατολισμένο μαγνητικό πεδίο ευθυγραμμίζει τα σωματίδια σε αλυσίδες, οι οποίες εμποδίζουν την ροή του λιπαντικού. Με αυτόν τον τρόπο, το φαινόμενο ιξώδες του μαγνητορεολογικού ρευστού αυξάνεται. Στην ενεργό του κατάσταση, το μαγνητορεολογικό ρευστό τήνει να συμπεριφερθεί όπως ένα ιξωδοπλαστικό στερεό. Υπό την επίδραση διατμητικών τάσεων συγκεκριμένης έντασης, οι αλυσίδες διαρρηγνύονται και το μαγνητορεολογικό υλικό ρέει ως υγρό. Το ύψος της διατμητικής τάσης κάτω από την οποία προκύπτει η ροή, ονομάζεται τάση διαρροής. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου μεταβάλει την τάση διαρροής του μαγνητορεολογικού ρευστού, επιτρέποντας τον έλεγχο της ρεολογικής συμπεριφοράς των ρευστών αυτού του τύπου.Μια υποκατηγορία των μαγνητορεολογικών ρευστών είναι τα νανομαγνητορεολογικά ρευστά. Η μεγάλη διαφορά μεταξύ τους είναι το μικρότερο μέγεθος των σωματιδίων των νανομαγνητορεολογικών ρευστών. Στην περίπτωση των μαγνητορεολογικών ρευστών τα σωματίδια έχουν διάμετρο μεταξύ 10 εως και 100 . Τα νανομαγνητορεολογικά ρευστά έχουν διάμετρο μικρότερη των 10 έως και μερικά νανόμετρα. Το κύριο αποτέλεσμα του μειωμένου μεγέθους των σωματιδίων των μαγνητορεολογικών ρευστών είναι ότι μπορούν να προσφέρουν σημαντικά αυξημένη απόσβεση. Επιπρόσθετα, το μικρότερο μέγεθος των σωματιδίων προλαμβάνει το σχηματισμό των διαμοριακών δυνάμεων που προκαλούν ιζηματοποίηση. Τέλος, ενώ η τάση διαρροής είναι χαμηλότερη στα νανομαγνητορεολογικά ρευστά, εντούτοις η ικανότητα ελέγχου των ιδιοτήτων τους είναι ευκολότερη.Σε αυτή την Διδακτορική Διατριβή, παρουσιάζεται προσομοίωση των εδράνων με μαγνητορεολογικά και νανομαγνητορεολογικά ρευστά. Η επιρροή της έντασης του μαγνητικού πεδίου στις επιδόσεις του εδράνου αναλύεται. Οι κύριες παράμετροι των επιδόσεων του εδράνου, όπως η σχετική εκκεντρότητα, ο κανονικοποιημένος συντελεστής τριβής, η ροή του λιπαντικού και οι δυναμικοί συντελεστές παρουσιάζονται για μια περιοχή τιμών του αριθμού Sommerfeld. Υπολογίζεται η δυναμική συμπεριφορά των αξόνων που υποστηρίζονται έδρανα μαγνητορεολογικών και νανομαγνητορεολογικών ρευστών. Επιπλέον, εξετάζεται η ικανότητα των μαγνητορεολογικών εδράνων ολίσθησης να αντισταθμίσουν την φθορά που παρουσιάζεται στην επιφάνεια του εδράνου ολίσθησης, χρησιμοποιόντας την συνήθη γεωμετρία της περιοχής φθοράς επί της έδρασης, λόγω της επαφής άξονα και εδράνου.The rheological behavior of the MR and NMR fluids was studied mostly using a macroscopic viscosity model. However, the influence of the particles on the flow of the lubricant was also examined and useful conclusions were drawn concerning the validity of the macroscopic approach.Η ρεολογική συμπεριφορά των μαγνητορεολογικών και των νανομαγνητορεολογικών λιπαντικών μελετήθηκε κυρίως χρησιμοποιώντας ένα μακροσκοπικό πρότυπο ιξώδους. Παρ’ όλ’ αυτά, η επιρροή των σωματιδίων των σωματιδίων πάνω στην ροή του λιπαντικού εξετάσθηκε επίσης και χρήσιμα συμπεράσματα προέκυψαν πάνω στην ισχύ της μακροσκοπικής προσέγγισης.Τέλος, οι επιδόσεις του εδράνου ολίσθησης εξετάσθηκαν πειραματικά χρησιμοποιόντας ένα νάνομαγνητορεολογικό ρευστό που παρασκευάσθηκε στο εργαστήριο. Καταγράφηκε η τροχιά του άξονα με και χωρίς την ύπαρξη μαγνητικού πεδίου όπως επίσης υπολογίσθηκαν και οι δυναμικοί συντελεστές.Τα πιο σημαντικά συμπεράσματα που προέκυψαν από τα πειράματα που περιλαμβάνονται σε αυτή τη διατριβή είναι η ικανότητα των εδράνων ολίσθησης με νανομαγνητορεολογικά ρευστά να μειώσουν την έκταση της τροχιάς του άξονα, να αυξήσουν την ικανότητα απόσβεσης και να ενεργοποιηθούν ταχέως. Ένα σημαντικό μειονέκτημα που αποτελεί αντικείμενο για περραιτέρω έρευνα είναι η αδυναμία των μαγνητορεολογικών και νανομαγνητορεολογικών ρευστών να χρησιμοποιηθούν σε συνδιασμό με κάποιο τύπο φίλτρου λιπαντικού. Αν αυτό το μειονέκτημα αίρονταν, η ποιότητα του λιπαντικού θα βελτιωνόταν και θα επιτρεπόταν μεγαλύτερος χρόνος μεταξύ επιθεωρήσεων συντήρησης. Εν τέλει, παρά κάποια πρακτικά ζητήματα που μένουν να επιλυθούν, η ικανότητα ελέγχου της παρεχόμενης στήριξης από το έδρανο, της απόσβεσης και του συντελεστή τριβής είναι σημαντική και αναδυκνύει την ανάγκη για περραιτέρω ανάπτυξη.