Nuevos nanocojinetes construidos por adsorción física

Scientific Reports volumen 5, Número de artículo: 14539 (2015) Citar este artículo

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El artículo propone un nuevo nanocojinete formado por la adsorción física del fluido confinado a la pared sólida. El rodamiento se forma entre dos paredes planas sólidas, lisas y paralelas que se deslizan una contra la otra, donde la teoría convencional de la lubricación hidrodinámica predijo que no había efecto lubricante. En este cojinete, la pared sólida estacionaria se divide en dos subzonas que tienen respectivamente diferentes fuerzas de interacción con el fluido lubricante. Conduce a diferentes propiedades físicas de adsorción y deslizamiento del fluido lubricante en la pared sólida estacionaria respectivamente en estas dos subzonas. Se encontró que se puede generar una capacidad de carga significativa del rodamiento para espesores de película lubricante bajos, debido a la fuerte adsorción física y los efectos no continuos de la película lubricante.

En los dispositivos micro/nano, las superficies sólidas acopladas a menudo son paralelas y se deslizan una contra la otra1. La lubricación entre estas superficies es un desafío, ya que es muy importante para el rendimiento del contacto formado, incluida la reducción de las fuerzas adhesivas entre las dos superficies; sin embargo, la teoría de la lubricación hidrodinámica convencional dice que no se puede generar lubricación allí, debido al flujo másico. tasa del flujo de Couette del lubricante arrastrado en el contacto igual al arrastrado fuera del contacto y luego la condición de continuidad del flujo siempre satisfecha en este contacto con gradientes de presión que se desvanecen2,3.

Las razones del fracaso de la teoría de la lubricación hidrodinámica convencional para predecir el rendimiento de un contacto micro/nano lubricado son que dicha teoría solo consideró las propiedades de la superficie de contacto homogénea, descuidó los factores de adsorción física y el deslizamiento de la película lubricante en el contacto. superficie y se basó en la suposición de un lubricante continuo4. Cuando la separación entre dos superficies sólidas acopladas está en la escala nanométrica, la teoría de la lubricación hidrodinámica convencional seguramente fallará debido a las suposiciones poco realistas mencionadas anteriormente que se toman en esta teoría. Los experimentos y las simulaciones de dinámica molecular (MDS) han demostrado que en una separación de superficie a escala nanométrica, el fluido confinado puede deslizarse severamente en la superficie sólida y la fuerza de interacción contacto-fluido tiene una influencia muy significativa en este deslizamiento interfacial5,6,7,8 ,9,10. Además, en tal separación, la adsorción física del fluido confinado a la superficie sólida, que aparece como el ordenamiento del fluido confinado a la superficie sólida, puede tener un efecto importante en la transferencia de cantidad de movimiento dentro del fluido11,12,13,14 ,15,16. El deslizamiento interfacial de la película límite en un contacto micro/nano lubricado es el resultado de que la tensión de cizallamiento interfacial de la película límite supera la resistencia al cizallamiento interfacial del contacto de la película límite17. Baje la resistencia al corte interfacial de contacto de la película límite, mayor la velocidad de deslizamiento interfacial de la película límite17. La cantidad de deslizamiento relativo de la película límite (definida como γs en la última) oscila entre −1 y 1. Una magnitud mayor de γs indica un deslizamiento interfacial más severo y una magnitud de γs igual a la unidad muestra el deslizamiento interfacial más severo, lo que hace que la película límite sobre las superficies de contacto se detenga en movimiento o aumenta al máximo la velocidad de movimiento de la película límite sobre la superficie de contacto. El deslizamiento interfacial de la película límite puede, por tanto, reducir o aumentar el caudal másico de la película lubricante a través del contacto, dependiendo de las condiciones de funcionamiento y del lugar donde se produzca el deslizamiento interfacial. Por lo tanto, puede ser perjudicial o beneficioso para el rendimiento de un contacto micro/nano lubricado. Una adsorción fuerte, de nivel medio o débil del fluido confinado a la pared sólida en un nanocanal puede estar inevitablemente presente dependiendo de la fuerza de interacción entre el fluido confinado y la pared11,12,13,14,15. Cuanto más fuerte sea la interacción fluido-pared, más fuerte será la adsorción física del fluido a la pared, pero más débil será el deslizamiento interfacial del fluido, o viceversa11,12,13,14,15.

Por otro lado, las simulaciones de dinámica molecular mostraron que el fluido confinado en un nanocanal en realidad exhibe propiedades no continuas que muestran densidades y viscosidades locales variables a lo largo de la altura del canal11,12,13,14,15. Las leyes de flujo del fluido no continuo en los flujos de Couette y Poiseuille son muy diferentes de las del fluido continuo11,12,13,14,15. El autor demostró que el efecto fluido no continuo, es decir, la discontinuidad del fluido y los efectos de falta de homogeneidad en el espesor de la película del fluido, deberían ser responsables de la desviación del flujo de un nanocanal de la descripción de la teoría de la lubricación hidrodinámica convencional18,19.

La lubricación en un contacto micro/nano puede ser en realidad la lubricación límite de la capa adsorbida física, que depende en gran medida de la interacción entre la capa adsorbida y la superficie de contacto. En este régimen, la lubricación no sigue la teoría convencional de la lubricación hidrodinámica y puede ser necesario desarrollar una nueva teoría que tenga en cuenta la adsorción física, el deslizamiento interfacial y los efectos no continuos de la película límite20. Una lubricación límite de capa adsorbida física también puede ser difícil de generar entre dos superficies lisas paralelas con propiedades superficiales homogéneas de acuerdo con la teoría de lubricación desarrollada correspondiente21, debido a la desaparición de los efectos de adsorción física y no continuos de la película límite. En este caso, una capa límite adsorbida física se desprende fácilmente del contacto bajo una carga y el efecto lubricante es realmente muy difícil de generar.

La teoría de la lubricación hidrodinámica continua ha demostrado que la lubricación hidrodinámica se puede generar entre dos superficies sólidas lisas paralelas que se deslizan una contra la otra, mediante el diseño artificial del deslizamiento interfacial del fluido de contacto en las superficies específicas22. Dicha tecnología también puede ser aplicable para generar un efecto de lubricación límite entre dos superficies sólidas lisas paralelas que se deslizan, incluido el diseño de un nanocojinete formado por dos paredes sólidas lisas paralelas21. Sin embargo, excepto la tecnología de deslizamiento interfacial21, no se han visto otras tecnologías para desarrollar el cojinete deslizante nano formado entre dos paredes sólidas lisas paralelas.

La lubricación límite en un contacto nano se estudió alguna vez mediante simulaciones atomísticas (incluidas la simulación de dinámica molecular y la simulación de Monte Carlo), que, sin embargo, generalmente requerían bastante tiempo y consumían almacenamiento en la computadora y, a menudo, solo eran aplicables para áreas de contacto muy pequeñas23,24,25. Obviamente, tales enfoques son insuficientes para un contacto realista con un tamaño de contacto mucho mayor. Se ha encontrado que el cálculo ab initio no es aplicable para un microcontacto con gran ancho de contacto y/o longitud de contacto. Para superar la gran cantidad de tiempo y el enorme consumo de almacenamiento de la computadora en dicho cálculo, se desarrollaron muchos métodos computacionales, sin embargo, aún están lejos de ser aplicables a un contacto realista26.

También se han propuesto muchos modelos continuos o cuasi continuos para simular el flujo de un fluido confinado en un nanocanal. Hansen et al.27 derivaron los perfiles de velocidad a lo largo de la altura del canal de los flujos de Couette y Poiseuille usando la ecuación de Navier-Stokes, considerando tanto el deslizamiento interfacial en la pared sólida como las fuerzas intermoleculares en el sistema. Aunque tanto la longitud de deslizamiento como el perfil de velocidad de la película en el flujo de Poiseuille calculados a partir de su modelo coincidieron con los resultados de MDS, su modelo se basó en la suposición de fluido continuo, sin incorporar la discontinuidad y falta de homogeneidad del fluido confinado a lo largo de la altura del canal. Bhatia et al.28 revisaron el modelo de Knudsen, el modelo de gas polvoriento, el modelo basado en fricción interfacial, el enfoque de Maxwell-Stefan, el modelo de oscilador y el enfoque de fricción distribuida para estudiar teóricamente el transporte molecular en nanoporos y señalaron las características y deficiencias de estos modelos respectivamente. Algunos de ellos omitieron la interacción fluido-pared confinado, mientras que los otros solo consideraron implícitamente la falta de homogeneidad del fluido confinado, aunque incorporaron la interacción fluido-pared. Giannakopoulos et al.29 estudiaron por MDS los efectos de tamaño del coeficiente de difusión, la viscosidad de corte y la conductividad térmica de un fluido simple que fluye en un nanocanal a una temperatura constante. Relacionaron estas propiedades de los fluidos con sus valores a granel, respectivamente, mediante algunas ecuaciones de formulación. Demostraron que la viscosidad de corte del fluido confinado aumentaba con la reducción de la altura del canal, mientras que las otras dos propiedades del fluido no lo eran. Su estudio estableció una conexión entre los resultados de MDS y las formulaciones de ecuaciones empíricas de las propiedades físicas de un fluido confinado, siendo estas últimas importantes para un modelado eficiente de un contacto de ingeniería. Posteriormente, desarrollaron un modelo cuasi continuo para la autodifusión de un fluido que fluye en un nanocanal para capturar el ordenamiento de fluidos calculado por MDS a lo largo de la altura del canal30. Su modelo fue un esfuerzo por encontrar un enfoque eficiente para simular un flujo multiescala que abarca desde nano a macro.

MDS también estudió los interesantes fenómenos relacionados con el espín molecular, la viscosidad rotacional y el momento angular de un fluido confinado en un nanocanal. Moore et al.31 demostraron que un fluido de cloro o un fluido compuesto por pequeñas moléculas lineales posee una viscosidad rotacional. Hansen et al.32 demostraron que en un flujo no estacionario en un nanocanal con frecuencias oscilantes extremadamente altas, dentro del fluido confinado, el momento angular debe acoplarse con el momento de traslación considerando la viscosidad rotacional del fluido y el efecto de espín molecular del el fluido confinado no era despreciable. Sin embargo, demostraron que para un flujo constante o no constante con un número de Reynolds bajo, estos dos impulsos pueden desacoplarse entre sí y el efecto de espín molecular del fluido confinado es insignificante.

Se ha propuesto el modelo de enfoque del factor de flujo para estudiar la lubricación límite de la capa adsorbida física33. Recientemente se descubrió que la naturaleza de este modelo concuerda bien con los resultados de MDS en las velocidades de flujo calculadas del fluido confinado tanto en los flujos de Couette como de Poiseuille18,19. La ecuación de flujo del fluido confinado en un nanocanal se derivó luego de este modelo34. El modelo ignora el efecto de espín molecular del fluido confinado y es adecuado para números de Reynolds bajos. En realidad, es un modelo continuo equivalente que incorpora los efectos dinámicos y no continuos del fluido confinado, al considerar la discontinuidad y falta de homogeneidad del fluido a lo largo de la altura del canal. Las ventajas de este modelo son que no solo captura la característica calculada por MDS del flujo del fluido confinado, sino que también es aplicable de manera eficiente para un contacto realista con un tamaño de contacto grande. Sobre la base de este modelo, se obtuvieron los resultados analíticos para un rodamiento nanoescalón21,34.

El modelo de enfoque del factor de flujo, así como los resultados de la simulación de dinámica molecular, mostraron que la velocidad promedio a lo largo de la altura del canal de un fluido confinado en un nanocanal en el flujo de Couette es, de hecho, igual a la calculada a partir de la teoría de la lubricación hidrodinámica convencional, mientras que la magnitud de la velocidad de flujo de este fluido confinado en el flujo de Poiseuille se reduce debido al efecto no continuo, es decir, los efectos de discontinuidad y falta de homogeneidad del fluido confinado a lo largo de la altura del canal18,19. Estos resultados pueden dar indicaciones importantes para el mecanismo de generación de capacidad de carga en un nano rodamiento. Es decir, incluso con dos paredes sólidas lisas paralelas, si la interacción entre el fluido y la pared sólida en la zona de entrada es más fuerte que en la zona de salida, se generarían presiones significativas y luego la capacidad de carga en un nanodeslizador. cojinete, debido a que el índice de flujo másico en el flujo Couette hacia el cojinete es mayor que el que sale del cojinete debido a la mayor adsorción a la pared del fluido y luego a la mayor densidad promedio de fluido a través del espesor de la película de fluido en la zona de entrada que en la zona de salida. El efecto no continuo del fluido en un nanocojinete reduce las magnitudes del caudal másico del flujo de Poiseuille tanto en las zonas de entrada como de salida del cojinete, luego aumenta la magnitud del caudal másico total en el cojinete pero reduce el magnitud del caudal másico que sale del rodamiento. Para mantener la continuidad del flujo, se requiere que se generen presiones más altas respectivamente en las zonas de entrada y salida del cojinete para producir los flujos de Poiseuille correspondientes en estas dos subzonas debido al efecto de discontinuidad del fluido. El efecto fluido no continuo aumentaría significativamente la capacidad de carga de un nanocojinete. Por otro lado, el deslizamiento del fluido confinado en la superficie de la pared en un nano rodamiento también influiría significativamente en la carga transportada por el rodamiento.

De acuerdo con los mecanismos subyacentes de la generación de capacidad de carga en un rodamiento nano, el presente documento intenta estudiar el rendimiento de un nuevo rodamiento deslizante nano formado entre dos paredes planas sólidas lisas paralelas que depende de la adsorción física, mediante el uso de la modelo de aproximación del factor de flujo. A diferencia del rodamiento estudiado anteriormente teniendo las propiedades superficiales homogéneas mostradas en la ref. 34, el rodamiento presente tiene propiedades superficiales no homogéneas en la pared sólida estacionaria para generar la capacidad de carga del rodamiento, es decir, en el rodamiento presente la interacción entre la película lubricante y la pared sólida estacionaria en la zona de entrada del rodamiento es más fuerte que en la zona de entrada del rodamiento. zona de salida del cojinete. Este propósito podría lograrse tomando diferentes materiales de la pared sólida estacionaria o cubriendo diferentes revestimientos en la pared sólida estacionaria, respectivamente, en las zonas de entrada y salida del cojinete. El cojinete actual también es diferente del cojinete estudiado en la ref. 21, que dependía del deslizamiento interfacial artificialmente introducido en la zona de entrada del cojinete para mejorar el rendimiento del cojinete, con la condición de que la interacción entre la pared sólida estacionaria y la película lubricante en la zona de entrada del cojinete fuera mucho más débil que en la salida del cojinete. zona. Las propiedades superficiales de la pared sólida estacionaria y las propiedades físicas de adsorción de la película lubricante en el presente cojinete son, por lo tanto, muy diferentes de las del cojinete estudiado en la ref. 21

Basado en el modelo de aproximación del factor de flujo, el presente artículo presenta un análisis de la capacidad de carga del rodamiento estudiado. Se obtuvo la condición para la formación del cojinete. Los resultados del cálculo mostraron que se pueden generar presiones significativas y luego capacidades de carga pronunciadas en el rodamiento estudiado para espesores de película lubricante bajos, debido a la fuerte adsorción física y los efectos no continuos de la película lubricante. También se obtuvo la condición óptima para la máxima capacidad de carga del rodamiento.

La figura 1 muestra el nanocojinete estudiado formado por dos paredes planas sólidas lisas paralelas que se deslizan una contra la otra. Toda la pared sólida móvil es de idéntico material, al que la adsorción del fluido puede ser fuerte, media o débil. El fluido confinado puede deslizarse o no deslizarse en esta superficie de pared dependiendo de su adsorción a esta superficie de pared. La pared sólida estacionaria se divide en dos subzonas, es decir, las subzonas "a1" y "a2", que están hechas respectivamente de diferentes materiales o cubiertas con diferentes revestimientos. La adsorción del fluido a la superficie de la pared en la subzona "a1" es significativamente más fuerte que la de la superficie de la pared en la subzona "a2". El fluido confinado puede deslizarse o no deslizarse en las superficies de las paredes en estas dos subzonas dependiendo de su adsorción a estas superficies de las paredes.

El nano rodamiento propuesto depende de la adsorción física del fluido confinado a las paredes sólidas.

Descripción: El material o material superficial de la subzona "a1" es diferente de los de la subzona "a2" y la interacción entre el fluido y la pared en la subzona "a1" es significativamente más fuerte que la que existe entre el fluido y la pared en la subzona "a2".

Toda el área lubricada del rodamiento estudiado se divide en las subzonas "I" y "II", que denotan respectivamente las zonas de entrada y salida del rodamiento. El sistema de coordenadas cartesianas se muestra en la Fig. 1. En el análisis, se supuso que la presión dentro del fluido confinado es constante a lo largo del espesor de la película. Esto es permisible según los resultados de la simulación de dinámica molecular35. La suposición de la presión constante a través del espesor de la película también se tomó para el espesor de la película en la escala micrométrica como se hace en la teoría convencional de la lubricación hidrodinámica3. Por lo tanto, el presente modelo no se limita al espesor de película a escala nanométrica, sino que en realidad puede extenderse al espesor de película a escala micrométrica, es decir, el caso de una película lubricante continua como se muestra en las Ecs. (1) y (2) en este último.

En la dirección de la coordenada "y", se supuso que el fluido confinado no fluía, es decir, no se supuso ninguna fuga lateral en el rodamiento. Tal suposición también se tomó a menudo en el análisis de un cojinete hidrodinámico convencional3. Es permisible cuando el tamaño del contacto en la dirección de la coordenada "y" es mucho mayor que en la dirección de la coordenada "x", de modo que el flujo del lado del fluido es insignificante en comparación con el flujo total del fluido en el contacto. En este caso, la suposición puede dar una buena predicción de la capacidad de carga del rodamiento. Para que el tamaño del contacto en la dirección de coordenadas "y" sea comparable al de la dirección de coordenadas "x", es posible que sea necesario considerar el efecto de fuga lateral y se puede introducir un factor de corrección para modificar la carga soportada del rodamiento calculada en función de la ninguna suposición de fuga por deslizamiento para tener en cuenta el efecto de fuga lateral como se ha hecho en el análisis del cojinete hidrodinámico convencional3. El presente trabajo es fundamental y el factor de corrección por la carga soportada del rodamiento que da cuenta del efecto de fuga lateral podrá ser estudiado en investigaciones posteriores.

En el presente análisis, también se despreció el calentamiento por fricción en el cojinete. Esto puede estar permitido cuando la velocidad de deslizamiento es baja. Sin embargo, para una alta velocidad de deslizamiento, esta suposición puede no ser permisible y puede ser necesario un análisis térmico del rodamiento. El presente trabajo puede dar un resultado fundamental para el cojinete estudiado y, en relación con el efecto de calentamiento por fricción, también se puede introducir un factor de corrección para modificar los resultados obtenidos, como siempre se ha hecho en el análisis hidrodinámico convencional de cojinetes3.

Las superficies de las paredes acopladas en el presente cojinete se trataron como idealmente lisas y rígidas. Estos tratamientos pueden simplificar el problema. Para presiones de película lubricante bajas y la protuberancia en la superficie de la pared es mucho menor que el espesor de la película lubricante, estos tratamientos están permitidos. Sin embargo, cuando la presión de la película es tan alta que la deformación elástica de la superficie de la pared es comparable al espesor de la película, se debe considerar la influencia de la deformación elástica de la superficie de la pared en el rendimiento del rodamiento. Por otro lado, cuando la protuberancia de la superficie de la pared es comparable al espesor de la película, también se debe considerar el efecto de rugosidad de la superficie de la pared. Estos podrían ser puestos como temas interesantes en futuras investigaciones. Además, dado que el presente documento aborda el efecto de adsorción física sobre la capacidad de carga del rodamiento, aquí se desprecia el efecto de cuña entre las paredes acopladas, es decir, las dos paredes del rodamiento son paralelas entre sí. No obstante, el efecto de cuña entre las paredes también es importante para la carga soportada por el rodamiento, como se sabe por la teoría de la lubricación hidrodinámica convencional3. La investigación al respecto se llevará a cabo muy pronto.

Finalmente, dado que el presente artículo se centra en el estudio de la capacidad de carga de un nanocojinete aportado por adsorción física, se desprecia el efecto de las presiones superficiales debidas a las interacciones de la pared sobre la carga transportada del rodamiento, es decir, la carga transportada. La carga del rodamiento calculada aquí es aportada por la película lubricante. No obstante, el presente cálculo suele ser la parte principal de la capacidad de carga del rodamiento y suficiente, ya que el efecto de la presión superficial suele ser débil e insignificante cuando el espesor de la película lubricante es un poco superior a 1 nm36,37 y también la contribución de las presiones superficiales es normalmente mucho menor que la contribución de la película lubricante.

Con base en los supuestos mencionados anteriormente, de acuerdo con el modelo de aproximación del factor de flujo para el flujo del fluido confinado en un nanocanal34, la tasa de flujo másico por unidad de longitud de contacto a través del contacto del fluido confinado en la subzona "I" es:

donde h y p son respectivamente el espesor de la película y la presión del fluido confinado, x es la coordenada en la dirección del flujo del fluido confinado que se muestra en la Fig. 1, es la densidad promedio del fluido confinado a través del espesor de la película en el "I " subzona que depende del espesor de la película, es la viscosidad efectiva del fluido confinado en la subzona "I" que depende del espesor de la película, es el parámetro que representa el efecto no continuo, es decir, los efectos de discontinuidad y falta de homogeneidad del fluido confinado fluido en el flujo de fluido en la subzona "I" que depende del espesor de la película y y . Aquí, y son respectivamente las velocidades del fluido confinado en las superficies de las paredes sólidas estacionarias y en movimiento en la subzona "I". Cuando y son respectivamente iguales a las velocidades de movimiento de las superficies de contacto correspondientes, no se produce deslizamiento interfacial; De lo contrario, se producirá un deslizamiento interfacial. El primer término del lado derecho de la Ec. (1) es el flujo de Couette y es exacto según los resultados de MDS18,19 y el segundo término de este lado es el flujo de Poiseuille. Como Ec. (1) muestra, el efecto no continuo del fluido confinado se refleja en el término del flujo de Poiseuille. Para un gradiente de presión que se desvanece, el flujo de Poiseuille se desvanece y luego desaparece el efecto no continuo del fluido confinado. Por otro lado, para un espesor de película mayor que el espesor crítico de película, el valor de en Eq. (1) es −1 de modo que la Ec. (1) se reduce a la ecuación de Reynolds que es para una lubricación fluida continua; De lo contrario, para un espesor de película más bajo, la magnitud de es menor (menos de la unidad) y el efecto no continuo del fluido confinado es más fuerte. Cuanto más fuerte sea el efecto no continuo del fluido confinado, mayor será la reducción de la magnitud del flujo de Poiseuille. La magnitud de S es en realidad la relación entre el caudal de Poiseuille del fluido no continuo y el de un fluido continuo equivalente. fue corroborado por los resultados de MDS15,18,19, que mostraron que el efecto no continuo (es decir, los efectos de discontinuidad y falta de homogeneidad en el espesor de la película) del fluido confinado reduce la magnitud de la velocidad de flujo del flujo de Poiseuille del fluido confinado . Al tomar las propiedades físicas del fluido confinado y la velocidad de arrastre, todas ellas dependientes de la interacción fluido-pared, la ecuación (1) tiene en cuenta el deslizamiento interfacial, la adsorción física y los efectos no continuos del fluido confinado. Cuando el espesor de la película h está por debajo del espesor crítico de la película, la película lubricante entre dos paredes sólidas dejará de ser continua a lo largo del espesor de la película, la teoría de la lubricación hidrodinámica convencional (continua) fallará y la correspondiente teoría de la lubricación no continua, como la que se muestra en ecuación (1) debe aplicarse. Para un aceite común como los aceites parafínicos o sintéticos, normalmente está en la escala de 10 nm20; Mientras que para un líquido simple como el argón líquido y el agua, solo puede estar en la escala de 1 nm11,15.

Una teoría de lubricación hidrodinámica convencional (continua) se usó alguna vez para estudiar el desempeño de un contacto lubricado de película molecularmente delgada mediante la incorporación de las presiones superficiales debido a las interacciones de la pared38. Tal enfoque adolece de las deficiencias críticas en el modelado de la reología del fluido no continuo confinado y normalmente debería dar la capacidad de carga del contacto lubricado mucho más baja que la dada por una teoría de lubricación no continua como la que se muestra en la Ec. (1) por ignorar la adsorción física y los efectos no continuos de la película lubricante21,34. Sin embargo, cuando la película lubricante es tan gruesa que su espesor no es considerablemente menor que el espesor crítico de la película, la adsorción física y los efectos no continuos de la película confinada pueden ser débiles e insignificantes, en este caso tal enfoque puede dar lugar a carga del contacto lubricado cercana a la dada por una teoría de lubricación no continua21,34.

Se puede implementar una ecuación similar para la subzona "II" y se lee:

donde los significados de los respectivos parámetros son respectivamente los mismos que en la ecuación. (1) excepto que el subíndice "II" denota la subzona "II".

Como lo requiere la continuidad del flujo, ; Si , y S(h) en las Ecs. (1) y (2), para una h dada, las distribuciones de presión en las subzonas "I" y "II" se pueden resolver respectivamente a partir de estas dos ecuaciones usando la condición de continuidad del flujo y las condiciones de contorno de la presión. Al mismo tiempo, los caudales másicos y se resolverán.

Debido a que la adsorción del fluido confinado a la superficie de la pared en la subzona "a1" es más fuerte que la de la superficie de la pared en la subzona "a2", y 34. En esta condición, el efecto discontinuo del fluido confinado en la subzona "I" es más fuerte que la de la subzona "II".

Si, tenemos. Como ecuaciones (1) y (2) muestran, en esta condición, que el caudal másico de fluido en el flujo de Couette en la subzona "I" es mayor que en la subzona "II". Así en este caso, si no se generaran presiones en el contacto, no se mantendría la continuidad del flujo en el contacto. En tal condición, para mantener la continuidad del flujo, las presiones en el contacto deben generarse para producir el flujo de Poiseuille correspondiente para equilibrar el flujo total. Obviamente, en esta condición, el rodamiento se forma con una cierta capacidad de carga.

Como la continuidad del flujo requiere, para una condición de operación dada, =constante. Así, según la Ec. (1), si es constante, es constante para un h dado. Por lo mismo, si es constante, es constante para un h dado. Como muestra la Fig. 1, las condiciones de contorno de presión son: . Sea , para constante y , la distribución de la presión dentro del fluido confinado se muestra en la Fig. 2. Se muestra que en esta condición las presiones en las subzonas "I" y "II" se distribuyen linealmente respectivamente y se produce la presión máxima en el límite entre estas dos subzonas.

Una ilustración de la distribución de presión en el rodamiento actual.

es la presión máxima en el rodamiento. Descripción: Las presiones en las subzonas "I" y "II" del cojinete se distribuyen linealmente, respectivamente, y la presión máxima se produce en el límite entre estas dos subzonas.

Sea y . Aquí, u es la velocidad de la pared sólida en movimiento y y son respectivamente las cantidades relativas de deslizamiento del fluido confinado en las subzonas "I" y "II", que depende de las resistencias al corte de la interfase de la pared del fluido en estas dos subzonas y la condición de funcionamiento 21. Aquí, para una condición de operación dada, y son respectivamente constantes y sus valores se dan de antemano presumiblemente. y son adimensionales y completamente diferentes de la longitud de deslizamiento definida convencionalmente (dimensional), que se utilizó para medir el grado de deslizamiento interfacial39. Aquí, , , una magnitud mayor de o indica un deslizamiento interfacial más severo en las subzonas "I" o "II", mientras que las magnitudes iguales o iguales a la unidad indican el deslizamiento interfacial más severo en las subzonas "I" o "II". . Tanto los signos de y pueden ser positivos o negativos dependiendo de si el deslizamiento interfacial aumenta los flujos de Couette en las subzonas "I" y "II". Para , y el deslizamiento interfacial en la subzona "I" hace que el flujo de Couette del fluido confinado sea mayor que sin el deslizamiento interfacial; Esto da como resultado una mayor tasa de flujo de masa arrastrada hacia el contacto y, en consecuencia, mayores presiones de película y capacidad de carga del rodamiento. Por lo tanto, es beneficioso para la capacidad de carga del cojinete, mientras que es perjudicial. La influencia de es contraria; es beneficioso para la capacidad de carga del rodamiento, pero perjudicial.

Para una condición de operación dada, si ocurre el deslizamiento interfacial, y se ha encontrado que es respectivamente constante para el contacto formado por dos superficies planas sólidas paralelas21,40. Esto conduce a un contacto constante y constante para una condición de operación dada. Además, cuando la velocidad de deslizamiento u es lo suficientemente alta, y respectivamente pueden tomarse como constantes independientes de u40.

Para constante y , según y la distribución de presiones mostrada en la Fig. 2, se obtiene que:

Se resuelve a partir de la Ec. (3) que:

La carga por unidad de longitud de contacto soportada por el rodamiento es:

Defina los siguientes parámetros adimensionales:

Aquí, y son respectivamente la densidad y la viscosidad del fluido en condiciones ambientales cuando el fluido es continuo; , y y son, respectivamente, los espesores de película críticos del fluido confinado en las subzonas "I" y "II" para que el fluido confinado en estas subzonas se convierta en continuo a lo largo del espesor de la película.

La presión máxima adimensional es:

La carga adimensional soportada por el rodamiento es:

De acuerdo con la Ec. (6), los mecanismos de la capacidad de carga del cojinete actual se pueden dibujar de la siguiente manera:

Para que no haya ocurrencia de deslizamiento interfacial, es decir, está determinado por el término. En este caso, la capacidad de carga del rodamiento se genera debido a las diferentes adsorciones físicas del fluido confinado a las superficies de las paredes estacionarias respectivamente en las subzonas "I" y "II".

Si , está determinada por el término que debe ser positivo. En este caso, la capacidad de carga del rodamiento se genera debido al diferente deslizamiento interfacial respectivamente en las subzonas "I" y "II". Por ejemplo, dicha capacidad de carga se puede lograr diseñando respectivamente la resistencia al corte interfacial de la pared fluida baja en la superficie de la pared de la subzona "a1" y la resistencia al corte interfacial de la pared fluida relativamente alta en la superficie de la pared de la " subzona a2" de modo que el deslizamiento del fluido se produzca respectivamente en la superficie de la pared "a1" en la subzona "I" y en la superficie de la pared móvil en la subzona "II". En este caso, > 21. Por otro lado, se obtiene que por el deslizamiento interfacial en la subzona "I" útil para la generación de la capacidad portante del rodamiento, en caso contrario; Mientras que, por el deslizamiento interfacial en la subzona "II" útil para la generación de la capacidad de carga del rodamiento, de lo contrario.

En realidad, el mecanismo de carga del cojinete puede ser el efecto combinado de la adsorción física, la falta de continuidad y el deslizamiento interfacial del fluido confinado. La condición para la formación del cojinete es: . Si , para = , siempre se cumple la condición para la formación del rodamiento y se generará la capacidad de carga del rodamiento.

Porque , , , y 21,

(5) Geometría óptima del rodamiento:

El valor óptimo de ψ para la máxima capacidad de carga del rodamiento es:

En esta condición óptima, la carga adimensional soportada por el rodamiento es:

dónde .

De la ecuación. (10), se puede encontrar que magnitudes más bajas de y pero magnitudes más altas de y dan mayores capacidades de carga del rodamiento. Por ejemplo, para un espesor de película h dado, el aumento de las fuerzas de interacción entre el fluido confinado y las paredes "a1" y "a2" produce magnitudes más bajas de y pero magnitudes más altas de y 11,18 y, por lo tanto, puede aumentar la carga. capacidad de carga del rodamiento.

Los parámetros y se expresan de la siguiente forma general41:

donde y , y son respectivamente constantes.

Los parámetros y se expresan de la siguiente forma general41:

donde , y son respectivamente constantes.

Los parámetros y se expresan de la siguiente forma general41:

donde , y son respectivamente constantes.

Se hicieron cálculos ejemplares. En estos cálculos, la interacción entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a2" es relativamente débil y la interacción entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1" se toma respectivamente como de nivel medio y relativamente fuerte. En los cálculos, nm, nm para la interacción de nivel medio entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1" y nm para la interacción relativamente fuerte entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1". Los valores de y fueron elegidos de acuerdo con las observaciones experimentales16,20. Los valores de los otros parámetros en el cálculo se muestran respectivamente en las Tablas 1, 2 y 3. Las comparaciones de los valores de , , , y para diferentes espesores de película basados ​​en los valores de los parámetros de entrada en las Tablas 1, 2 y 3 se muestran en ref. 41. Estos valores de parámetros reológicos de fluidos adimensionales concuerdan con las mediciones experimentales y los resultados de simulación de dinámica molecular11,12,13,14,15,16.

La Figura 3 muestra los valores de para diferentes espesores de película cuando la interacción entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1" es respectivamente de nivel relativamente fuerte y medio. El valor de es independiente del deslizamiento interfacial pero depende en gran medida de las interacciones entre el fluido confinado y las paredes en las subzonas "a1" y "a2". Para un espesor de película h de escala nanométrica dado, el aumento de la adsorción del fluido confinado a la pared en la subzona "a1" aumenta significativamente el valor de ; Mientras que el aumento del espesor de la película reduce significativamente el valor de .

Gráficos del valor de contra el espesor de la película h cuando la interacción entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1" es respectivamente de nivel relativamente fuerte y medio.

es el valor óptimo de para la máxima capacidad de carga del rodamiento. Descripción: El valor de es independiente del deslizamiento interfacial pero depende en gran medida de las interacciones entre el fluido confinado y las paredes en las subzonas "a1" y "a2".

La figura 4(a) traza los valores de la carga máxima adimensional soportada por el cojinete (en condiciones óptimas) contra el espesor de la película h para diferentes valores positivos de y cuando la interacción entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1" es de nivel medio. Asista a eso en esta figura. Significa que el deslizamiento interfacial de la Fig. 4(a) es útil para generar la capacidad de carga del rodamiento (según la Ec. (6)). Este resultado se muestra claramente en la Fig. 4(a). El deslizamiento interfacial en la Fig. 4 (a) se puede lograr cuando el deslizamiento del fluido está presente en toda la superficie de la pared estacionaria pero ausente en toda la superficie de la pared móvil (debido a la fuerte interacción y, en consecuencia, la alta resistencia al corte interfacial entre el fluido confinado y la pared móvil). El mecanismo del aumento de la capacidad de carga del rodamiento por el deslizamiento interfacial en la Fig. 4 (a) es que para un espesor de película dado, el caudal másico de fluido en el flujo de Couette en la subzona "I" (en el cojinete) es mayor que la de la subzona "II" (fuera del cojinete) porque, aunque la densidad del fluido confinado en la subzona "I" es mayor que la de la subzona "II", esta diferencia de caudal másico es aumentado con el deslizamiento interfacial, para mantener la continuidad del flujo en el cojinete, se deben generar presiones más altas respectivamente en las subzonas "I" y "II" para producir los flujos de Poiseuille correspondientes para equilibrar la tasa de flujo de masa total a través del cojinete cuando el interfacial el deslizamiento aumenta, por lo que la capacidad de carga del rodamiento aumenta con el deslizamiento interfacial.

Gráficos del valor de la carga máxima adimensional soportada por el rodamiento (en el estado óptimo) contra el espesor de la película h para diferentes valores de y cuando la interacción entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1" es de nivel medio.

y son respectivamente las cantidades relativas de deslizamiento del fluido confinado en las subzonas "I" y "II". Descripción: Para valores dados de y , se muestra que la reducción del espesor de la película aumenta significativamente el valor de especialmente para espesores de película muy bajos.

La Figura 4(a) muestra que para valores dados de y , la reducción del espesor de la película aumenta significativamente el valor de especialmente para espesores de película muy bajos. Esto se debe al aumento de los efectos de adsorción física y no continua del fluido confinado con la reducción del espesor de la película. Para espesores de película muy bajos, los fuertes efectos no continuos y de adsorción física del fluido confinado pueden aumentar en gran medida la capacidad de carga del rodamiento21,34.

La figura 4(b) representa los valores de la carga máxima adimensional soportada por el rodamiento contra el espesor de la película h para diferentes valores negativos de y cuando la interacción entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1" es de nivel medio. Se muestra que el deslizamiento interfacial en la Fig. 4(b) es perjudicial para la generación de la capacidad de carga del rodamiento. Puede estar presente cuando el deslizamiento del fluido ocurre en toda la superficie de la pared móvil debido a la débil interacción y luego a la baja resistencia al corte interfacial entre el fluido y la pared móvil. El mecanismo de la influencia del deslizamiento interfacial en la capacidad de carga del rodamiento en la Fig. 4(b) es similar al de la Fig. 4(a). En la Fig. 4(b), para un espesor de película dado y valores negativos de y , cuando el deslizamiento interfacial aumenta en las zonas de entrada y salida del rodamiento, la diferencia (positiva) entre la tasa de flujo másico del fluido en el flujo de Couette en la subzona "I" y la de la subzona "II" se reduce debido a que se reducen las velocidades de arrastre y ambas, para mantener la continuidad del flujo en el rodamiento se requiere que se desarrollen presiones menores respectivamente en la "I" y "II" subzonas para producir los flujos de Poiseuille correspondientes para equilibrar el índice de flujo de masa total a través del cojinete, por lo que la capacidad de carga del cojinete se reduce con el aumento del deslizamiento interfacial. Nuevamente, para valores dados de y , la reducción del espesor de la película aumenta significativamente el valor de especialmente para espesores de película muy bajos.

La figura 5(a) representa los valores de la carga máxima adimensional soportada por el rodamiento contra el espesor de la película h para y diferentes valores positivos de cuando la interacción entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1" es relativamente fuerte. El deslizamiento interfacial de la Fig. 5(a) es perjudicial para la generación de la capacidad de carga del rodamiento. Puede estar presente cuando el deslizamiento del fluido solo está presente en la superficie de la pared estacionaria en la subzona "II" debido a la interacción débil de la pared del fluido y luego a la baja resistencia al corte interfacial de la pared del fluido allí. En la Fig. 5 (a), para un espesor de película dado, el aumento del deslizamiento interfacial mejora la velocidad de arrastre y luego la tasa de flujo másico del fluido en el flujo de Couette en la subzona "II", para mantener la continuidad del flujo en el cojinete, inferior Se requiere que se generen presiones respectivamente en las subzonas "I" y "II" para reducir las magnitudes de los flujos de Poiseuille en estas dos subzonas para equilibrar la tasa de flujo de masa total a través del cojinete cuando aumenta el deslizamiento interfacial, por lo tanto, la carga- la capacidad de carga del cojinete se reduce con el aumento del deslizamiento interfacial.

Gráficos del valor de la carga máxima adimensional soportada por el rodamiento (en condiciones óptimas) frente al espesor de la película h para diferentes valores de y cuando la interacción entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1" es relativamente fuerte.

(a) . y son respectivamente las cantidades relativas de deslizamiento del fluido confinado en las subzonas "I" y "II". Descripción: Para valores dados de y , se muestra que la reducción del espesor de la película aumenta significativamente el valor de especialmente para espesores de película muy bajos. La comparación entre las figuras 4(a) y 5(a), así como la comparación entre las figuras 4(b) y 5(b), muestran que para un espesor de película dado h y valores dados de y , el aumento de la fuerza de interacción entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1" aumenta significativamente el valor de especialmente cuando el espesor de la película es bajo.

La figura 5(b) traza los valores de la carga máxima adimensional soportada por el cojinete contra el espesor de la película h para diferentes valores negativos de y cuando la interacción entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1" es relativamente fuerte. Similar a la Fig. 4(b), el deslizamiento interfacial en esta figura es perjudicial para la generación de la capacidad de carga del rodamiento.

La comparación entre las figuras 4(a) y 5(a), así como la comparación entre las figuras 4(b) y 5(b), muestran que para un espesor de película dado h y valores dados de y , el aumento de la fuerza de interacción entre el fluido confinado y la pared en la subzona "a1" aumenta significativamente el valor de especialmente cuando el espesor de la película es bajo. Esto se debe a los crecientes efectos de adsorción física y no continua del fluido confinado en la subzona "I", que es muy fuerte para espesores de película lubricante bajos.

Las referencias 21 y 34 mostraron las cargas transportadas de un rodamiento de nanoescalones en la condición óptima cuando el deslizamiento interfacial se introdujo y se eliminó artificialmente, respectivamente, mediante el uso de datos de adsorción física del fluido confinado muy cercanos a los utilizados en el presente estudio. La comparación entre las cargas soportadas de ese rodamiento y las del rodamiento actual muestra que, en la misma condición de funcionamiento, la carga máxima soportada del rodamiento actual (en condiciones óptimas) es comparable a la de un rodamiento nanoescalón, aunque es un poco más bajo que este último. Las ventajas del presente cojinete pueden ser obvias: un cojinete con una capacidad de carga comparable pero con geometrías y estructuras simples y los consiguientes posibles bajos costos de fabricación.

Para evaluar el rendimiento del rodamiento actual, aquí se dan los resultados de un rodamiento ejemplar. El ancho total de este rodamiento es de 20 μm. El lubricante utilizado es un aceite común con moléculas de cadena corta y su viscosidad en condiciones ambientales es de . La superficie de la pared estacionaria en la subzona "II" está cubierta con un revestimiento hidrofóbico como el material de PTFE (politetrafluoroetileno) de manera que la interacción entre esta superficie de la pared y el lubricante es relativamente débil; Los datos de adsorción física del lubricante confinado en la subzona "II" se asumen como los que se muestran en las Tablas 1, 2, 3 y nm. La superficie de la pared estacionaria en la subzona "I" está cubierta con un recubrimiento hidrofílico como el material de TiO2 para que la interacción entre esta superficie de la pared y el lubricante sea de nivel medio; Los datos de adsorción física del lubricante confinado en la subzona "I" se asumen como los que se muestran en las Tablas 1, 2, 3 para la interacción media y nm. En este caso, para nm, el valor óptimo () de ψ para la capacidad de carga máxima del rodamiento es 1,53. Para realizar esta condición, aquí μm y μm. Si mm/s y = = 0,25, cuando nm, la carga dimensional (w) por unidad de longitud de contacto soportada por el rodamiento en esta condición óptima es de 21,12 N/m.

El documento propone un nuevo nanocojinete basado en las diferentes adsorciones físicas de la película lubricante en las superficies de contacto específicas. El cojinete está formado por dos paredes planas sólidas, lisas y paralelas, que se deslizan una contra la otra. La teoría de la lubricación hidrodinámica convencional negaba la formación de tal cojinete.

Con base en el modelo de aproximación del factor de flujo, se derivó un análisis para la capacidad de carga de este rodamiento. Se derivó que la condición para la formación de este cojinete era: . También se derivaron la geometría óptima para la máxima capacidad de carga y la correspondiente carga soportada del rodamiento. Se encontró que el mecanismo de la capacidad de carga de este cojinete puede ser en realidad los efectos combinados de la adsorción física, la falta de continuidad y el deslizamiento interfacial del fluido confinado; Cualquiera de estos tres efectos puede generar una capacidad de carga significativa del rodamiento cuando la condición de operación es apropiada. Para espesores de película lubricante bajos, la capacidad de carga del cojinete es comparable a la de un cojinete nanoescalón para la misma condición de operación, debido a la fuerte adsorción física y los efectos no continuos del fluido confinado. El estudio muestra valores de aplicación potenciales de este rodamiento en sistemas micromecánicos.

Cómo citar este artículo: Zhang, Y. Nuevos nanocojinetes construidos por adsorción física. ciencia Rep. 5, 14539; doi: 10.1038/srep14539 (2015).

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Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad de Changzhou, Changzhou, 213016, provincia de Jiangsu, China

yong bin zhang

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ZY aportó la idea de la mencionada novedad, dio el modelo analítico, derivó el análisis, calculó los resultados y realizó la discusión y conclusión de los resultados obtenidos.

El autor declara no tener intereses financieros en competencia.

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Zhang, Y. Nuevos nanocojinetes construidos por adsorción física. Informe científico 5, 14539 (2015). https://doi.org/10.1038/srep14539

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Recibido: 02 febrero 2015

Aceptado: 25 de agosto de 2015

Publicado: 28 de septiembre de 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep14539

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