На прошлой неделе опубликован датасет — набор экспериментальных данных — по чрезвычайно увлекательному исследованию ученых* из университета Huelva (читается не как вы подумали, а Уэльва — это в Андалусии). Коллектив работает над активным управлением вязкостью смазки в подшипнике.
*Samuel David Fernández-Silva, Miguel Ángel Delgado, Claudia Roman, Tobias Amann, Felix Gatti, Andreas Kailer, Moisés García-Morales. Active control of friction in electrified ball bearing prototypes using electro-sensitive clay mineral-based lubricating fluids. Dataset: DOI:10.17632/cctctg6ckp.1
В чем суть: как только масло начинает поддавливать из-под уплотнений на определенных скоростях, система реагирует (автоматически или вручную) и подает электрическое поле, под действием которого жидкость становится гуще! Конечно, и трение подрастает, зато смазка остается на месте. Что удивительно, в основе этой «смарт-смазки» биоразлагаемое касторовое масло, то есть еще и пресловутые эко-принципы вполне соблюдаются.
Есть такое слово — электрореология…
Электрореологи изучают, как под действием электрического поля меняется текучесть (т.н. эффект Уинслоу). Ключевые материалы в этой области — электрореологические жидкости (ЭРЖ). Это суспензии, состоящие из мелких поляризуемых частиц (размером в несколько микрон), распределенных в диэлектрической жидкости. Изменение текучести и возвращение в исходное состояние происходит буквально за 1-10 миллисекунд.
В описываемых экспериментах в касторовое масло вносится небольшая доля особых глинистых частиц. В частности, на испытательном стенде применялись два типа глинистых минералов — Cloisite 15A (слоистый монтмориллонит) и Pangel B20 (волокнистый сепиолит), результаты сравнивались между собой.
Когда на такую смазку подают электрическое поле, наночастицы глины образуют структуры, похожие на мосты, между двумя поверхностями, которые должны быть смазаны.
В лаборатории этот эффект выглядит впечатляюще. При напряжении 2,4 кВ/мм вязкость образцов смазки при низкой скорости сдвига возрастает в сотни раз! Причём для Cloisite 15A — более чем в 250 раз, тогда как для Pangel B20 — в 10 раз.
Какой подшипник взять для испытаний?
Экспериментальная установка была собрана на основе подшипника 51104 (по ГОСТ его обозначение 8104). Это хорошо всем знакомый небольшой шариковый упорный подшипник. 13 шариков были заменены со стальных на керамические. Почему так? Чтобы изолировать друг от друга кольца, во избежание короткого замыкания при подаче высокого напряжения (на испытаниях — до 1000 вольт, на расстоянии между кольцами 5 мм получается электрическое поле 200 В/мм).
В этот подшипник заливали приготовленные смазки и смотрели, как меняется коэффициент трения при подаче напряжения. Взаимосвязь предсказуема: чем гуще смазка, тем выше трение, но на сколько в цифрах?
Результат оказался значительным: подача напряжения позволяла увеличивать коэффициент трения до 10,7% по требованию (при доле 4% Cloisite 15A и напряжении 200 В/мм). Эффект был полностью обратимым: как только напряжение снимали, коэффициент трения возвращался к исходному значению, и «включать/выключать трение» можно сколько угодно раз.
Для чего это всё: смазку под напряжением перестает выбрасывать
На высоких оборотах подшипника смазку просто выбрасывало из зоны контакта центробежными силами. Подшипник начинал шуметь, вибрировать и коэффициент трения из некого постоянного значения становился «скачущим».
Но стоило подать напряжение выше 500 В — и картина магически менялась. Смазка оставалась на месте, будто прилипала к поверхностям. Центробежная сила больше не могла её выбросить. Загущенную смазку получали оба кольца (она не стекала вниз). Подшипник работал тихо и стабильно, а коэффициент трения быстро приходил к постоянному значению и оставался таким сколько угодно долго. Испытания шли на частотах вращения до 1000 оборотов в минуту с осевой нагрузкой 5 ньютонов.
Внезапный рост несущей способности смазки
Uчёные проводили дополнительный эксперимент на другом стенде: стальной шарик медленно (со скоростью 0,5 мкм/с) опускали на стальную пластину, между которыми был слой смазки с глинистыми частицами. Без напряжения шарик просто приближался к пластине, выдавливая масло.
Но при подаче напряжения шарик начинал ощущать сопротивление! Смазка как бы «отталкивала» его — возникала сила, противодействующая сжатию. И чем ближе шарик подходил к пластине, тем сильнее было это сопротивление. Эффект становится заметен уже с напряжения 300 Вольт, и дальше возрастает с поднятием напряжения.
Это означает, что электрическое поле позволяет смазке выдерживать большие нагрузки, а масляный слой при этом не разрушается. Возможно, эффект связан с тем, что частицы глины под действием поля собираются прямо под шариком, в зоне максимального давления, создавая прокладку, которая не даёт металлу соприкасаться с металлом.
Pangel B20 против Cloisite 15A
Парадокс: более дешевый материал Pangel B20 показал себя в реальных тестах куда лучше, чем Cloisite 15A, хотя тот в свою очередь был бесспорным лидером в электрореологическом эксперименте по изменению вязкости в движущемся подшипнике. Логично ведь предположить, что смазка с более широким диапазоном изменения вязкости будет лучше держаться в точке контакта, но на практике вышло наоборот. Почему так вышло, учёным пока неясно, но выяснить нужно обязательно.
Выявилось также, что Cloisite 15A обладает значительно лучшими свойствами по защите системы от электрического пробоя. Это важно для реальной эксплуатации подобных подшипников: искрение недопустимо ни в каком виде.
И даже при том, что Cloisite может сделать смазку под напряжением куда более вязкой, чем Pangel, при сходных условиях коэффициент трения в подшипнике меняется примерно одинаково для обоих составов.
Триботроника — новая наука на стыке жанров
Если соединить трибологию (науку о трении) с электроникой, получится она самая, триботроника. Триботронные системы находят применение в системах виброконтроля и демпферах, робототехнике, тормозных системах и сцеплениях.
Данное конкретное исследование можно и покритиковать, оно пока что очень воздушное, без практической плоскости. Во-первых: стабильность состава смазки с наночастицами очень сложно контролировать, ведь рано или поздно она «набирает» влагу, металлическую стружку, грязь. Насколько точно будет работать активное управление трением в таких случаях? И какой сложности потребуется система для измерения отклонений и учета поправок?
Во-вторых, эксперименты шли при 25 градусах, в условиях неизменной температуры. А как система среагирует на нештатный перегрев или замораживание?
В-третьих, сложно представить подвод постоянного тока и напряжения в 1000 вольт к подшипнику в условиях реальной работы механизма, особенно рядом с другими электрическими цепями.
В-четвертых, если условия испытаний описаны в статье верно, то 5 ньютонов осевой нагрузки это ни о чём, не бьется с практикой абсолютно (динамическая грузоподъемность такого подшипника со стальными шарами — 15 килоньютонов). Вот вы нагрузите его как следует, посмотрим, что там будет с выдавливанием смазки конкретно из-под точки контакта с дорожками качения. Да и вообще, а касторка точно пригодна в качестве базового масла для подшипниковых смазочных материалов?
Не пустого спора ради задаем эти вопросы: на них предстоит ответить для реального внедрения умной касторовой смазки. Но несмотря на всю сложность вызовов, наш коллектив уверен, что триботроника будет развиваться семимильными шагами, а смарт-смазки будут использоваться повсеместно, беречь природу и экономить наши кровно заработанные.
