Εισαγωγή
Ως σκόνη θεωρείται γενικά ένα υλικό που αποτελείται από σωματίδια. Ωστόσο, περιέχει αέρα (μεταξύ των σωματιδίων), καθώς και υγρασία, επειδή τα σωματίδια μπορεί να απορροφήσουν νερό εάν αποθηκεύονται σε υγρή ατμόσφαιρα. Αυτά τα τρία συστατικά (σωματίδια, αέρας και νερό) επηρεάζουν την επεξεργασία των σκονών. Για παράδειγμα, τα πολύ λεπτά σωματίδια με υψηλή συγγένεια για το νερό μπορεί να σφίξουν κατά την παραγωγή, την αποθήκευση ή τη μεταφορά, επηρεάζοντας τη ρευστότητα της σκόνης και οδηγώντας έτσι σε μεγαλύτερους χρόνους επεξεργασίας.
Πειραματικό
Το περιστροφικό ρεόμετρο Kinexus συγκρίνει τη ρευστότητα διαφορετικών σκονών σε γρήγορες και εύκολες μετρήσεις, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Freeman [1]. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιείται ένα κύπελλο και μια ανώτερη γεωμετρία 2 λεπίδων (σχήμα 1). Ο έλεγχος της θερμοκρασίας εξασφαλίζεται από το κυλινδρικό φυσίγγιο, στο οποίο εισάγεται η κάτω γεωμετρία (κύπελλο). Επειδή τα αποτελέσματα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την προετοιμασία της σκόνης, είναι ζωτικής σημασίας η προετοιμασία των διαφόρων δειγμάτων στις ίδιες ακριβώς συνθήκες: Ίδια ποσότητα δείγματος, ίδιες παράμετροι προετοιμασίας (π.χ. καθορισμένη ταχύτητα και χρόνος περιστροφής).
Συνθήκες μέτρησης
Στη μέθοδο που ακολουθεί, συγκρίνεται η ρευστότητα δύο διαφορετικών λιπαντικών σκονών (με τις ονομασίες 1 και 2). Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων, το πτερύγιο 2 λεπίδων κατεβαίνει με καθορισμένη ταχύτητα μέσα στο κύπελλο που περιέχει το δείγμα μέχρι να βυθιστεί πλήρως στη σκόνη και στη συνέχεια το πτερύγιο ανεβαίνει, επιστρέφοντας στην αρχική του θέση. Μια ελεγχόμενη ταχύτητα περιστροφής εφαρμόζεται επιπλέον της αξονικής ταχύτητας. Ο πίνακας 1 συνοψίζει τις συνθήκες των δοκιμών.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Συσκευή | Kinexus ultra+, φυσίγγιο κυλίνδρου |
|---|---|
| Άνω γεωμετρία | Αναδευτήρας με εναλλάξιμο σύστημα 2 λεπίδων |
| Κάτω γεωμετρία | Κύπελλο από αλουμίνιο, διάμετρος 37 mm |
| Αξονική ταχύτητα | 1 mm∙s-1 (κάτω), -1 mm∙s-1 (πάνω) |
| Ταχύτητα περιστροφής | 5 rad∙s-1 |
| Διάκενο | 70 mm έως 35 mm (DOWN), 35 mm έως 70 mm (UP) |
Αποτελέσματα μέτρησης
Καταγράφηκε η ροπή και η κανονική δύναμη που απαιτείται για την περιστροφή του πτερυγίου 2 λεπίδων και τη μετακίνησή του μέσα στη σκόνη σε ελεγχόμενες περιστροφικές και αξονικές ταχύτητες.
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται το αποτέλεσμα της μέτρησης που πραγματοποιήθηκε στο λιπαντικό 1. Όσο πιο βαθιά βυθίζεται το πτερύγιο στη σκόνη (δοκιμή DOWN), τόσο μεγαλύτερη ροπή απαιτείται για τη διατήρηση σταθερής ταχύτητας περιστροφής. Κατά τη διάρκεια της κατεβάσματος του πτερυγίου από 70 σε 35 mm, η ροπή αυξάνεται από 0 σε 4 mN.m. Η κανονική δύναμη δεν αρχίζει να μειώνεται παρά μόνο όταν το πτερύγιο έχει διανύσει σχεδόν το μισό της διαδρομής. Μειώνεται κατά 100 mN κατά τη διάρκεια της δοκιμής DOWN.
Μόλις το κουπί κινηθεί προς τα πάνω, και τα δύο σήματα συμπεριφέρονται με συμμετρικό τρόπο: Η ροπή μειώνεται και πάλι, ενώ η κανονική δύναμη αυξάνεται, και τα δύο σήματα φτάνουν στην τιμή 0 στο τέλος της μέτρησης (επειδή το κουπί βρίσκεται εκτός της σκόνης και περιστρέφεται στον αέρα).
Τόσο τα σήματα ροπής όσο και τα σήματα κανονικής δύναμης σχετίζονται με την αντίσταση της σκόνης στη ροή. Όσο βαθύτερα βυθίζεται το πτερύγιο στο δείγμα, τόσο μεγαλύτερη αντίσταση προσφέρει η σκόνη στις αξονικές και περιστροφικές κινήσεις της γεωμετρίας.
Πρέπει να σημειωθεί ότι η μέτρηση διαρκεί λίγο περισσότερο από ένα λεπτό για να πραγματοποιηθεί τόσο προς τα κάτω όσο και προς τα πάνω (χρόνος κυκλικής διαδρομής).
Τα σχήματα 3 και 4 συγκρίνουν τη ροπή των δύο προϊόντων ενώ το πτερύγιο κινείται προς τα κάτω μέσα στη σκόνη (σχήμα 3) και προς τα πάνω (σχήμα 4). Και στις δύο κατευθύνσεις της δοκιμής, απαιτείται μεγαλύτερη ροπή στη σκόνη 2 για τη διατήρηση σταθερής ταχύτητας περιστροφής, δηλαδή αυτή η σκόνη παρουσιάζει μεγαλύτερη αντίσταση στη ροή και συνεπώς χαμηλότερη ρευστότητα. Επιπλέον, το σήμα αυτού του δείγματος είναι πιο θορυβώδες.
Τα σχήματα 5 και 6 παρουσιάζουν την κανονική δύναμη και των δύο σκονών κατά τη διάρκεια της δοκιμής ΚΑΤΩ (σχήμα 5) και ΚΑΤΩ (σχήμα 6). Αν και οι καμπύλες είναι πολύ παρόμοιες μεταξύ των δύο υλικών, διαφέρουν ως προς τον θόρυβο: Και για τις δύο κατευθύνσεις της δοκιμής, η κανονική δύναμη είναι πιο θορυβώδης για τη σκόνη 2, όπως και για τα σήματα ροπής.
Οι εικόνες αυτοματοποιημένης μικροσκοπίας που πραγματοποιήθηκαν και στις δύο σκόνες (εικόνα 7) μπορούν να συσχετιστούν με τη ρεολογική τους συμπεριφορά: Η σκόνη 2 περιέχει μεγαλύτερα σωματίδια από τη σκόνη 1 και έχει επομένως μειωμένη ικανότητα ροής. Οι καμπύλες της κατανομής όγκου και για τα δύο δείγματα που παρουσιάζονται στο σχήμα 8, καθώς και η κατανομή όγκου μεγέθους σωματιδίων τους Dv10, Dv50 και Dv90 που παρουσιάζονται στον πίνακα 2, επιβεβαιώνουν αυτό το οπτικό αποτέλεσμα.
Πίνακας 2: Κατανομή όγκου μεγέθους σωματιδίων των λιπαντικών σκονών του συρμού 2
| D(v,0.1) [μm] | D(v,0.5) [μm] | D(v,0.9) [μm] | |
|---|---|---|---|
| Σκόνη 1 | 199.2 | 570.5 | 1436.6 |
| Σκόνη 2 | 256.0 | 1348.9 | 2582.2 |
Συμπέρασμα
Η ρευστότητα δύο λιπαντικών σκονών συγκρίθηκε με την εφαρμογή της μεθόδου Freeman στο περιστροφικό ρεόμετρο Kinexus. Για τη μέθοδο αυτή, ένα πτερύγιο βυθίστηκε με καθορισμένη αξονική και περιστροφική ταχύτητα σε ένα κύπελλο γεμάτο με το δείγμα. Εντοπίστηκαν διαφορές στις καμπύλες της ροπής που απαιτείται για τη διατήρηση σταθερής ταχύτητας του πτερυγίου. Μια υψηλότερη ροπή στρέψης σχετίζεται με μεγαλύτερη αντίσταση στη ροή, δηλαδή με μειωμένη ρευστότητα. Η κατανομή όγκου μεγέθους σωματιδίων των κόνεων συσχετίστηκε με τα αποτελέσματα: Το προϊόν που περιείχε σωματίδια larger ήταν αυτό με τη χαμηλότερη ρευστότητα.
Τέτοιου είδους δοκιμές είναι πολύ γρήγορες και μπορούν να ερμηνευθούν με μια ματιά με τη σύγκριση των καμπυλών.