Numerical and experimental study of eX-Poro-HydroDynamic lubrication mechanism

Description

The eX-Poro-HydroDynamic (XPHD) lubrication is a new biomimetic inspired lubrication mechanism. It consists of self-sustained fluid films generated within highly compressible porous layers imbibed with liquids, whose solid phase, represented by fibers, induces compressive elastic forces considered negligible compared to the hydrodynamic forces generated inside the porous medium. The essential idea of XPHD lubrication is to replace the antifriction material and the thin fluid film, traditionally used for classical sliding motion, with a porous layer imbibed with a fluid that provides a greater load carrying capacity. This type of lubrication represents a completely new technological solution (a departure from classical one) that can replace petroleum lubricants, create self-lubricating and therefore more ecological and less expensive tribological systems. This research work is focused on the study of XPHD lubrication performances in the context of a tangential movement, adapted to the study of thrust bearing for low and medium rotation speeds. In this scientific context, a thorough study of a preselected porous material (polyurethane foam) was carried out with the aim of determining the physical characteristics and the crucial parameters for XPHD lubrication: the porosity and the permeability of the porous material. The proposed theoretical and numerical models of the XPHD lubrication are based on the DarcyBrinkman equation. Using the classical lubrication hypothesis, the flow within the porous media is predicted with a new form of the Reynolds equation. A specially developed test rig is used to investigate experimentally the mechanism of the XPHD lubrication for different types of thrust bearing in combination with Newtonian and non-Newtonian liquids. A detailed description of the test rig, as well as a comparison between the experimental and numerical results are then presented. La lubrification eX-Poro-HydroDynamique (XPHD) est un mécanisme de lubrification d’inspiration biomimétique. Il s’agit principalement d’un écoulement dans un milieu poreux dont la phase solide, représentée par des fibres, induit des forces élastiques de compression considérées comme négligeables par rapport aux forces hydrodynamiques générées à l’intérieur du milieu poreux. L’idée essentielle de la lubrification XPHD consiste à remplacer le matériau antifriction et le film de fluide mince, traditionnellement utilisé dans les solutions classiques, par une couche poreuse imbibée d’un fluide qui fournit une plus grande capacité de charge. Ce type de lubrification représente une solution technologique totalement nouvelle (en rupture avec la solution classique) qui peut permettre de remplacer les lubrifiants pétroliers, de créer des systèmes tribologiques autolubrifiants et donc plus écologiques et moins coûteux. Ce travail de recherche est focalisé sur l’étude des performances de la lubrification XPHD dans le cadre d’un mouvement tangentiel, adapté au cas de butées à faible et moyenne vitesses de rotation. Dans ce contexte scientifique, une étude approfondie d’un matériau poreux présélectionné (mousse en polyuréthane) fut réalisée dans le but de déterminer les caractéristiques physiques et les paramètres cruciaux pour la lubrification XPHD que sont la porosité et la perméabilité du matériau poreux. Les modèles théorique et numérique de lubrification XPHD proposés se basent sur l’équation de DarcyBrinkman. Les hypothèses de la lubrification classique sont utilisées, et l’écoulement à l’intérieur du milieu poreux est prédit avec une nouvelle forme de l’équation de Reynolds. Un banc d’essais spécialement développé permet d’étudier expérimentalement le mécanisme de lubrification XPHD des différents types de butées en combinaison avec des liquides newtoniens et nonnewtoniens. Une comparaison des résultats de modélisation et des résultats expérimentaux est enfin présentée.