Resultados del coeficiente de fricción de grasa

- Dec 03, 2019-

Resultados del coeficiente de fricción de grasa

Las curvas de Stribeck registradas para todas las grasas probadas se muestran en la Fig. 2 (a) - (c) a 40 ° C, 60 ° C y 80 ° C respectivamente. La característica más llamativa de la Fig. 2 es el comportamiento de fricción muy diferente de las grasas probadas: a bajas velocidades, los valores de fricción cubren un rango de casi un orden de magnitud, desde menos de 0.01 a casi 0.09. Claramente, la curva de fricción de grasa versus velocidad a bajas velocidades difiere de la forma de una curva Stribeck típica de un aceite [26]. Centrándose en la región de baja velocidad de las parcelas, todas las grasas a base de litio LiMi, LiMi2, LiEs, LiPAO y LiCPAO muestran un comportamiento de 'Strikeck inverso' [6], es decir, fricción relativamente baja en la región de baja velocidad, en contraste con lo que es comúnmente encontrado en aceites base que exhiben mayor fricción en el límite de baja velocidad y los regímenes mixtos. A medida que aumenta la velocidad, LiMi2 muestra un aumento constante de la fricción, mientras que para LiMi, LiEs, LiPAO y LiCPAO el coeficiente de fricción aumenta con la velocidad, hasta un máximo local (la curva 'golpe'), después de lo cual comienza a descender. Este comportamiento solo aparece a 60 ° C en LiEs y LiCPAO. La 'protuberancia' se mueve a mayor velocidad con el aumento de las temperaturas. Por el contrario, en las grasas de complejo de sulfonato de calcio CaSMi y CaSMix y, en menor medida, los PoE de grasa de poliurea, el valor máximo del coeficiente de fricción se encuentra a la velocidad más baja a todas las temperaturas, y disminuye monotónicamente a medida que aumenta la velocidad produciendo un Stribeck curva típica de un aceite lubricante. A una velocidad suficientemente alta, el coeficiente de fricción se convierte en 'estado estable', y la velocidad a la que se alcanza esta fricción constante para cada grasa aumenta con la temperatura.

Figura 2

Fig.2 . Coeficiente de fricción contra la velocidad de arrastre a (a) 40 ° C, (b) 60 ° C y (c) 80 ° C.

Es interesante comparar el comportamiento de las dos grasas de baja fricción, LiEs y LiPAO. LiPAO muestra claramente el coeficiente de fricción más bajo en todo el rango de velocidad, mientras que LiEs solo alcanza un coeficiente de fricción relativamente bajo a altas velocidades. A velocidades más bajas, las LiEs en realidad tienen una fricción más alta que algunas grasas estándar.

Para investigar más a fondo el efecto de la temperatura sobre la fricción, la figura 3 muestra un gráfico de barras del coeficiente de fricción a las tres temperaturas y a una velocidad fija de 1000 mm s −1 . Esta velocidad es lo suficientemente alta como para que todas las grasas desarrollen una película EHL completa (es decir, Λ > 3, donde Λ es el espesor específico de la película estimado como la relación entre el espesor de la película de aceite base central calculado y la rugosidad RMS compuesta). Cabe señalar que Λ se basa en el grosor central de la película, en lugar del grosor mínimo de película más comúnmente utilizado, porque, a diferencia de las películas de aceite, las películas de grasa no siempre muestran regiones mínimas de película claramente identificables, particularmente a bajas velocidades. Claramente, un aumento en la temperatura conduce a una disminución en la fricción para cada grasa individual, lo que sugiere que la viscosidad del aceite base de cada grasa impulsa su comportamiento de fricción en estas condiciones. Sin embargo, el efecto de la temperatura sobre la fricción es mucho menos obvio a velocidades más bajas. La figura 5 muestra el gráfico de barras equivalente para la fricción medida a 50 mm s −1 . Es evidente que a esta velocidad más baja, la fricción puede disminuir con la temperatura, como para LiMi o LiMi2, no verse afectada como en el caso de CaSMi, o incluso aumentar con la temperatura como en LiEs y CaSMix.

Fig. 3

Fig.3 . Influencia de la temperatura en el coeficiente de fricción medido a 1000 mm s −1 .

Fig. 5

Fig.5 . Influencia de la temperatura en el coeficiente de fricción a 50 mm s −1 .

Para investigar más a fondo la correlación entre las viscosidades del aceite base y la fricción medida en todas las grasas, la figura 4 representa el coeficiente de fricción medido a 1000 mm s −1 (es decir, and> 3) y 40 ° C contra la viscosidad cinemática del aceite base. Aunque no se encuentra una correlación clara, las grasas de aceite base sintéticas LiEs, LiPAO, PoEs y LiCPAO muestran los valores más bajos de coeficiente de fricción, como se indica en la figura 4.

Fig. 4

Fig.4 . Coeficiente de fricción de las grasas de prueba a 1000 mm s -1 contra la viscosidad cinemática de los aceites base.

3.2. Resultados del coeficiente de fricción de aceite sangrado

El comportamiento de fricción del aceite sangrado se investigó en un intento de establecer la influencia relativa del espesante y el aceite base. Los aceites sangrados pueden ser diferentes de los aceites base, ya que podrían contener aditivos y partículas espesantes [16], pero los aceites base de esta amplia gama de grasas comerciales no están fácilmente disponibles. Sin embargo, la comparación entre el comportamiento de fricción de los aceites sangrados y de base LiPAO (el único disponible para este estudio) mostró diferencias menores, solo evidentes a las velocidades más bajas.

Solo los resultados seleccionados se muestran en esta sección, elegidos para cubrir las tendencias generales observadas al comparar el rendimiento de las grasas de prueba y sus respectivos aceites sangrados. El coeficiente de fricción de LiPAO se representa en la figura 6 junto con su aceite sangrado a (a) 40 ° C, (b) 60 ° C y (c) 80 ° C. Es evidente que la fricción de LiPAO es mucho menor que la de su aceite sangrado en la región de baja velocidad. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, se alcanza un punto desde donde las curvas de fricción son casi idénticas. También es evidente que la velocidad exacta donde esto ocurre corresponde a condiciones de lubricación mixta basada en el aceite sangrado, donde la fricción sigue disminuyendo con la velocidad y, por lo tanto, esto puede ser en parte responsable de la aparición del 'golpe' en la fricción de la grasa. curva. Esta velocidad también aumenta con la temperatura, es decir, el comportamiento 'inverso-Stribeck' de LiPAO a baja velocidad se extiende a una velocidad más alta cuando se aumenta la temperatura. El mismo comportamiento se observó en todas las otras grasas espesadas con litio, así como en la grasa de poliurea. Estas grasas también mostraron una disminución en el coeficiente de fricción al aumentar la temperatura a las velocidades más bajas.

Fig.6.

Fig.6 . Coeficiente de fricción de LiPAO y su aceite sangrado a (a) 40 ° C, (b) 60 ° C y (c) 80 ° C.

Ambas grasas complejas de sulfonato de calcio mostraron un comportamiento contrastante con las grasas de litio y poliurea descritas anteriormente. Para ilustrar esto, CaSMix y sus coeficientes de fricción de aceite sangrados se trazan en la Fig. 7 a (a) 40 ° C, (b) 60 ° C y (c) 80 ° C. Si bien a la velocidad más baja CaSMix parece que la fricción no se ve afectada por la temperatura de prueba, es evidente que esta grasa produce una fricción mucho mayor que su aceite sangrado en la región de baja velocidad, con una diferencia relativa en la fricción que aumenta a temperaturas más altas. La velocidad de transición después de la cual la grasa y el aceite exhiben la misma fricción se identifica nuevamente. Como fue el caso de las grasas de litio, esta velocidad aumenta con la temperatura, pero en el caso de las grasas complejas de sulfonato de calcio este efecto parece más pronunciado, de modo que a la temperatura más alta de 80 ° C las curvas de fricción de grasa y aceite sangrado ni siquiera comienzan fusionándose dentro del rango de velocidades de prueba que se muestra.

Fig. 7

Fig.7 . Coeficiente de fricción de CaSMix y su aceite sangrado a 40 ° C, 60 ° C y 80 ° C.

3.3. Resultados de espesor de película EHD

Para ayudar a la interpretación de los resultados de fricción, el espesor de la película de grasa se midió en el mismo rango de velocidad.

Los resultados de espesor de película para (a) LiPAO, (b) LiEs y (c) grasas CaSMix se muestran en la Fig. 8 como una selección representativa de todas las mediciones de película realizadas. A modo de comparación, también se muestran los valores teóricos de espesor de película para todos los aceites base correspondientes. Se observó una película más gruesa a baja velocidad, en comparación con los aceites base, para todas las grasas, pero son evidentes diferencias importantes en el comportamiento. LiPAO muestra el espesor de película más alto de todas las grasas de prueba, a pesar de tener la viscosidad de aceite base más baja. Tiene el espesor de película más alto a la velocidad más baja de 10 mm s −1 , donde es más de 5000% más grande que el del aceite base correspondiente. A medida que aumenta la velocidad, la película se reduce y se alcanza el mínimo a una velocidad de aproximadamente 300 mm s -1 , después de lo cual el espesor de la película comienza a aumentar nuevamente. El espesor de la película LiPAO sigue siendo mayor que el de su aceite base en todo el rango de velocidad probado aquí. El espesor de la película de grasa LiEs es mucho más bajo que el de la grasa LiPAO a todas las velocidades. Las tendencias generales son las mismas, ya que el espesor de la película de grasa LiEs es mucho mayor que el de su aceite base a bajas velocidades y se reduce gradualmente a medida que aumenta la velocidad. Sin embargo, en LiEs, la velocidad de transición al comportamiento similar a EHL que se puede esperar de su aceite base solo ya se alcanza en alrededor de 10 mm s −1 . Esta curva de grosor de película en forma de "V versus velocidad" se ha observado en estudios anteriores de grasas [27], [23]. A diferencia de las grasas a base de litio, el espesor de la película CaSMix no exhibe el comportamiento de "forma de V". En cambio, su espesor de película aumenta constantemente con la velocidad dentro del rango de velocidad de prueba. Se observó un comportamiento similar con la otra grasa compleja de sulfonato de calcio, CaSMi, probada aquí. Una vez más, el espesor de la película de grasa es mayor que el esperado del aceite base correspondiente en el rango de baja velocidad, por debajo de aproximadamente 200 mm s −1 .

Fig. 8

Fig.8 . LiPAO (a), LiEs (b) y CaSMix (c) espesor de película y predicción de espesor de película de aceite base (línea continua) trazada contra la velocidad de arrastre.

3.4. Correlación entre el coeficiente de fricción y el espesor de la película.

La relación entre el espesor de la película y la fricción se investigó centrándose en los dos casos extremos de grasas CasMix y LiPAO, que tienen los coeficientes de fricción más altos y más bajos, respectivamente.

Los valores medidos del espesor y la fricción de la película para la grasa CaSMix y su aceite sangrado se representan en función de la velocidad de arrastre en la Fig. 9 (a). Un gráfico similar para LiPAO se muestra en la Fig. 9 (b). Las dos líneas horizontales discontinuas marcan los límites aproximados entre los tres regímenes de lubricación: película completa ( Λ > 3), mixta (1 <>Λ <3) y="" lubricación="" límite="" (="">Λ <> En la Fig. 9 (a) se evidencian paralelos claros entre el comportamiento de la fricción y el espesor de la película para la grasa CaSMix. Las curvas de fricción y espesor de película para grasa y aceite sangrado / base comienzan a superponerse a la misma velocidad de arrastre de aproximadamente 200 mm s −1 . La grasa CaSMix forma una película lo suficientemente gruesa como para que las superficies se separen por completo incluso a las velocidades más bajas, a diferencia de su aceite base. Sin embargo, la región donde la grasa produce esta película relativamente gruesa coincide con la región donde la fricción de la grasa es significativamente mayor que la del aceite sangrado. Esto sugiere claramente que la composición y la morfología de la película gruesa a bajas velocidades es responsable de la mayor fricción.

Fig. 9

Fig.9 . Correlación de la fricción y el espesor de la película para CaSMix (a) y LiPAO (b) y sus aceites base y sangrados.

Un comportamiento algo contrastante de la grasa LiPAO es evidente en la Fig. 9 (b). El espesor de la película de grasa es nuevamente lo suficientemente alto, incluso a bajas velocidades y, a pesar de la muy baja viscosidad de su aceite base, para mantener el contacto en el régimen completo de la película en todo el rango de velocidad. Sin embargo, a diferencia de la grasa CaSMix, la película de grasa anormalmente gruesa a bajas velocidades produce un coeficiente de fricción que es mucho más bajo que el del aceite sangrado dentro del mismo rango de baja velocidad. Además, el grosor de la película y las curvas de fricción para grasa y aceite sangrado ahora no se superponen a la misma velocidad de arrastre a diferencia de la grasa CaSMix. En cambio, a la velocidad en que las curvas de fricción de grasa y aceite sangrado comienzan a fusionarse (250 mm s −1 ), el espesor de la película LiPAO sigue siendo mucho mayor que el de su aceite base. Curiosamente, aunque aún más alto que para el aceite base, el espesor de la película de grasa pasa por un punto de inflexión a esta velocidad, lo que sugiere un cambio en el mecanismo de lubricación de la grasa.

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