Tribological design of nano - magnetorheological fluid journal bearings

Abstract

The journal bearings are components of machines that support rotating shafts. The available damping capacity and their low friction are some of their advantages. Examples of use of the journal bearings extent from micro applications, such as hard disc drives, to large size applications, such as bearings of gas turbine shafts. With the evolution of "smart" materials, i.e. materials with controllable physical properties, the perspective of active adjustments of journal bearings' performance has been made possible. In this work the magnetorheological (MR) and the nanomagnetorheological (NMR) fluids have been examined as possible candidate fluids for use as lubricants in journal bearings. MR fluids are solutions of ferromagnetic particles into a conventional mineral oil lubricant. A suitably orientated magnetic field aligns the particles into chains, which hinder the lubricant flow. Thus, the apparent viscosity of the MR fluid is increased. In its active state, the MR fluid tends to behave as a viscoplastic solid. Under a certain amount of shear stress, the particle chains break and the MR fluid flows as a liquid. This amount of shear stress is called yield stress. The magnetic field intensity has the ability to adjust the yield stress of the MR fluid, making the control of the rheological behavior of this type of fluid possible.A subcategory of the MR fluids is the NMR fluids. The major difference between the two is the smaller particle size of the NMR fluids. In the case of MR fluids, the particles may size from 100 to 10 . The major drawback of these fluids is the sedimentation of the particles. NMR fluids employ particles which size less than 10 and up to several nanometers. The main effect of the decreased particle size is a higher viscosity that may offer significant damping. Additionally, the smaller size of the particles prevents the formation of the intermolecular forces that cause sedimentation. Ultimately while the yield stress of the NMR fluids is rather low, i.e. lower of the MR fluids, the control of the properties of the NMR fluids may become easier.In this PhD thesis, the simulation of a MR/NMR fluid journal bearing is presented. The effect of the field intensity on the performance of the journal bearing is discussed. The main performance parameters such as the relative eccentricity, the normalized friction coefficient, the lubricant flow and the dynamic coefficients are presented for a range of Sommerfeld number values. The rotordynamic behavior of a shaft using a MR and NMR fluid journal bearing is presented. Moreover, the capacity of the MR fluid journal bearing to compensate for wear present on the bushing of the bearing is examined, using the standard wear pattern present in journal bearings, due to contact between the journal and the bushing. 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.Ultimately, the journal bearing performance using an in-situ prepared NMR fluid is examined experimentally. The dynamic coefficients are determined and the orbit of the shaft is presented with and without the presence of the magnetic field.The most important conclusions drawn from the experiments included in this thesis is the ability of the nanomagnetorheological fluid journal bearing to reduce the extent of orbit, increase its damping capacity and activate rapidly. One major drawback that is matter of future research is the ability of the magnetorheological and nanomagnetorheological fluids to be used with some sort of filtering devices in the lubricant circuit. This would enhance the quality of the base fluid and would allow longer periods between maintenance inspections. All in all, despite some practical aspects that remain to be solved, the ability of control of the load carrying capacity, damping and friction coefficient is significant and certainly worth of further development.

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.