Modelling the entrainment and motion of particles in a gap: Application to abrasive wear

The microscale abrasion or ball-cratering test is being increasingly applied to a wide range of bulk materials and coatings. The response of materials to this test depends critically on the nature of the motion of the abrasive particles in the contact zone: whether they roll and produce multiple indentations in the coating, or slide causing grooving abrasion. Similar phenomena also occur when hard contaminant particles enter a lubricated contact. This paper presents simple quantitative two-dimensional models which describe two aspects of the interaction between a hard abrasive particle and two sliding surfaces. The first model treats the conditions under which a spherical abrasive particle of size d can be entrained into the gap between a rotating sphere of radius R and a plane surface. These conditions are determined by the coefficients of friction between the particle and the sphere, and the particle and the plane, denoted by μs and μp respectively. This model predicts that the values of (μs + μp) and 2μs should both exceed √2d/R for the particles to be entrained into the contact. If either is less than this value, the particle will slide against the sphere and never enter the contact. The second model describes the mechanisms of abrasive wear in a contact when an idealized rhombus-sectioned prismatic particle is located between two parallel plane surfaces separated by a certain distance, which can represent either the thickness of a fluid film or the spacing due to the presence of other particles. It is shown that both the ratio of particle size to the separation of the surfaces and the ratio of the hardnesses of the two surfaces have important influences on the particle motion and hence on the mechanism of the resulting abrasive wear. Results from this model are compared with experimental observations, and the model is shown to lead to realistic predictions. © IMechE 2003.

Perfil dos HPA prioritários na exaustão de veículo a diesel, no combustível diesel utilizado durante os ensaios de emissão veicular e no óleo lubrificante do motor

As concentrações na exaustão e os fatores de emissão dos hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA) prioritários de um veículo a diesel e as suas respectivas concentrações no diesel usado durante os ensaios de emissão veicular foram determinados com a finalidade de estimar a contribuição dos HPA provenientes do combustível nas emissões. Os produtos da combustão foram coletados diretamente nas emissões brutas do escapamento, utilizando um sistema de amostragem a volume constante sem diluição dos gases da exaustão. Os HPA associados ao MP foram amostrados de forma estratificada, utilizando um impactador em cascata MOUDI e filtros de fibra de vidro como substratos, e os HPA em fase gasosa foram amostrados usando cartuchos de amberlite XAD-2. A concentração dos HPA no óleo lubrificante do motor também foi monitorada ao longo do tempo até a sua troca após 12.000 km de uso. Após a extração e tratamento das amostras, a identificação e quantificação dos HPA foram realizadas, utilizando cromatografia de fase gasosa acoplada à espectrometria de massas (CG-EM) com injetor de grande volume de vaporização com a temperatura programável (PTV-LVI). Cinco variáveis do PTV-LVI foram otimizadas, utilizando planejamento de experimentos, o que permitiu obter limites de detecção menores do que 2,0 g L-1. Somente 7 dos 16 HPA prioritários foram identificados na exaustão: NAP, ACY, ACE, FLU, FEN, FLT e PYR. Os ensaios de emissão veicular foram realizados com o veículo em modo estacionário, sem aplicação de carga e com baixa velocidade de rotação do motor (1500 rpm), utilizando um diesel com menor teor de enxofre (10 mg kg-1) e com 5% v/v de biodiesel. Esses fatores possivelmente contribuíram para reduzir as emissões dos outros 9 HPA a valores abaixo dos limites de detecção do método desenvolvido. Aproximadamente 80% da massa dos HPA totais associados ao MP estavam presentes em partículas com tamanho entre 1,0 m e 56 nm, e aproximadamente 4,5% estavam presentes em partículas menores do que 56 nm. Partículas menores que 2,5 m são facilmente inaladas e depositadas no trato respiratório e na região alveolar, justificando a preocupação com relação às emissões de HPA associados a partículas provenientes da exaustão veicular de motores a diesel. Somente 5 dos 7 HPA identificados na exaustão foram detectados no diesel: NAP, ACY, FLU, FEN e PYR. A razão entre os fatores de emissão (g L-1diesel) dos HPA na exaustão e suas respectivas concentrações do diesel (g L-1) variaram de 0,01 0,02 a 0,05 0,029, dependendo do HPA. Esses valores indicam que pelo menos 95 a 99% dos HPA identificados no diesel foram destruídos e/ou transformados em outros compostos durante a combustão, e/ou foram retidos no reservatório do óleo lubrificante. Por outro lado, os HPA que tiveram maiores concentrações no diesel também apresentaram maiores fatores de emissão, o que sugere que os HPA provenientes do diesel possuem uma contribuição significativa para as emissões dos HPA totais. O perfil dos HPA prioritários no óleo lubrificante mostrou-se semelhante ao perfil dos HPA no diesel e nas emissões totais, onde o NAP, FEN e PYR foram os HPA majoritários