Nghiên cứu ma sát và mòn của trục thép bạc trượt copolyme sử dụng trong thiết bị năng lượng tàu thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỦY SẢN




LÊ BÁ KHANG




NGHIÊN CỨU MA SÁT VÀ MÒN
CỦA TRỤC THÉP - BẠC TRƯT COPOLYME
SỬ DỤNG TRONG THIẾT BỊ NĂNG LƯNG TÀU
THỦY

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ VÀ CÁC BỘ PHẬN NĂNG LƯNG TRONG TÀU
MÃ SỐ : 2.03.05




LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS QUÁCH ĐÌNH LIÊN
PGS.TS DƯƠNG ĐÌNH ĐỐI

NHA TRANG 2005

XIN TRÂN TRọNG CảM ƠN

- PGS.TS. QUáCH ĐìNH LIÊN
- PGS.TS. DƯƠNG ĐìNH Đối


Đã HớNG DẫN KHOA HọC Và TạO đIềU KIệN
để TôI THựC HIệN THàNH CôNG LUậN áN

LờI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án này là trung thực và
cha từng đợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.



Tác giả Luận án

Lê Bá Khang

BảNG Ký HIệU Và Từ VIếT TắT DùNG TRONG LUậN áN

V: Vận tốc trợt (m/s).
: Vận tốc góc (Rad/s).
n: Tốc độ quay (vòng/phút hoặc vòng/giây).
p: áp suất tính toán (MPa).
D, R: Đờng kính, bán kính của bạc trợt (mm).
d
1
,r
1
: Đờng kính, bán kính của ngõng trục (mm).


= R - r
1
: Khe hở hớng kính trục - bạc (mm).


: Khe hở tơng đối.
e: Độ lệch tâm.


: Độ lệch tâm tơng đối.
l: Chiều dài bạc trợt (mm).
f: Hệ số ma sát.

P: áp lực (N).
: Độ nhớt động học của chất lỏng (Ns/m
2
).
E: Mô đun đàn hồi vật liệu (MPa hoặc GPa).

e
: Hệ số Poisson vật liệu.
h: Bề dày chất bôi trơn (m).
Ra: Độ nhám bề mặt (m).

0
: Góc tiếp xúc giữa trục và bạc trợt (độ).
PA: Polyamit.
PA6: Polyamit 6.
PA66: Polyamit 66.
POM: Polyoxymethylen.
PPS: Polyphenylenesulfur.
PTFE: Polytetraflouetylen hoặc Teflon.
PEEK: Polyetheretheketon.
MoS
2
: Đisulfuamôlipđen.
FEM: Finite Element Method.
PTHH: Phần t hữu hạn.
TĐĐH: Thủy động đàn hồi.
HH: Hỗn hợp.
GH: Giới hạn.
CHTBM: Chất hoạt tính bề mặt.
CHTHH: Chất hoạt tính hóa học.

MụC LụC
ĐặT VấN Đề
Chơng 1: ổ Đỡ TRợt, MA SáT, HAO MòN, BôI TRơN
Và KHả NăNG MANG TảI CủA ổ
1.1. ổ đỡ trợt 7
1.2. Vật liệu ổ đỡ trợt 8
1.2.1 Hợp kim chống ma sát 8
1.2.2. Vật liệu phi kim loại 8
1.2.3. Vật liệu gốm kim loại 9
1.3. Ma sát, hao mòn và bôi trơn ổ đỡ trợtt 10
1.3.1. Ma sát trong ổ trợt 10

1.3.2. Bôi trơn và lý thuyết bôi trơn điển hình 11
1.3.3. Đặc tính và khả năng mang tải của ổ trợt 20
1.3.4. Hao mòn thờng gặp trong ổ trợt 22
1.3.5. Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình tribology trong ổ trợt 24
1.3.6. ổ đỡ trợt trong một số thiết bị năng lợng tàu thủy 29

Chơng 2: MA SáT, HAO MòN Và BôI TRơN ĐốI VớI CặP
LắP GHéP KIM LOạI - POLYME Và KIM LOạI - POLYAMIT
TăNG CờNG PHụ GIA
2.1. Polyamit tăng cờng phụ gia 32
2.1.1. Polyamit 32
2.1.2. Polyamit tăng cờng phụ gia 32
2.1.3 ứng dụng của Polyamit, Polyamit tăng cờng phụ gia 34
2.2. Ma sát, hao mòn và bôi trơn trong cặp lắp ghép kim loại - polyme và
kim loại - PA tăng cờng phụ gia 37
2.2.1. Ma sát cặp kim loại - polyme và kim loại - PA tăng cờng phụ gia 37
2.2.2. Hao mòn cặp kim loại - polyme và kim loại -PA tăng cờng phụ gia. 47
2.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nớc 54
2.3.1. ở nớc ngoài 54
2.3.2. ở Việt Nam 55

Chơng 3: NộI DUNG, PHơNG PHáP
Và PHơNG TIệN NGHIêN CứU
3.1. Khái quát những vấn đề nghiên cứu 57
3.2. Phơng pháp, kế hoạch nghiên cứu 57
3.3. Nội dung nghiên cứu 60
3.3.1. Chọn vật liệu nghiên cứu 60
3.3.2. Đặc điểm vật liệu nghiên cứu 61
3.3.3. Phơng thức tạo vật liệu từ các nguyên liệu hạt 61
3.3.4. Tạo mẫu vật liệu thí nghiệm 62

3.3.5. Xác định tính chất cơ, lý của vật liệu tự tạo 62
3.3.6. Xác định độ nhám, cấu trúc bề mặt 66
3.3.7. Khảo nghiệm ma sát khô và ớt của mẫu 67
3.3.8. Khảo nghiệm ma sát bạc trợt 76
3.3.9. Khảo nghiệm độ mòn khô và ớt của mẫu 82
3.3.10. Khảo nghiệm mòn bạc trợt 85
3.3.11. Xác định khả năng làm việc, độ bền của ổ 88

Chơng 4: KếT QUả NGHIêN CứU
4.1. Một số vấn đề trong công nghệ nhận vật liệu của Việt Nam 92
4.2. Kết quả khảo nghiệm tính chất cơ, lý vật liệu 92
4.3. Kết quả thực nghiệm ma sát, hao mòn 95
4.3.1. Kết quả khảo sát ma sát cặp Thép 45 tôi-mẫu (PA6-15%PTFE1100) 95
4.3.2. Kết quả khảo sát hao mòn cặp Thép 45 tôi -(PA6-15%PTFE1100) 95
4.3.3. Kết quả khảo sát ma sát cặp Thép 45-bạc trợt (PA6-15%PTFE1100) 95
4.4. Xử lý thực nghiệm. 95
4.4.1. Loại bỏ sai số thô 95
4.4.2. Tính hệ số của hàm hồi qui 99
4.4.3. Kiểm định tính tơng thích của hàm hồi qui với thực nghiệm 100
4.4.4. Tìm hàm theo biến thực 105
4.5. Kết quả tính chế độ ma sát trong ổ 115
4.6. Kết quả khảo nghiệm mòn bạc trợt 118
4.6.1. Kết quả khảo sát hao mòn và tính tuổi thọ bạc trợt 118
4.6.2 . Đo độ nhám, chụp cấu trúc bề mặt trớc và sau khảo nghiệm 119
4.7. Kết quả đo nhiệt độ làm việc ổn định cao nhất 119
4.8. Tính góc tiếp xúc, chuyển vị và ứng suất trong bạc 120
4.8.1. Thiết lập công thức tính góc tiếp xúc 120
4.8.2. Phơng pháp PTHH tính ứng suất, chuyển vị cặp trục - bạc 122

Chơng 5 : NHậN XéT Và KếT LUậN

5.1. Nhận xét 130
5.2. Kết luận 132
5.3. Đề xuất 132
TàI LIệU THAM KHảO 134
PHụ LụC
Phụ lục1: Thiết bị thí nghiệm.
Phụ lục 2: Phiếu kết quả thử nghiệm, kiểm định, phân tích mẫu.
Phụ lục 3: Một số số liệu đo ma sát trên thiết bị MS -TS1 ứng dụng chơng trình số.
Phụ lục 4: Số liệu thực nghiệm.
Phụ lục 5: Số liệu chạy SAP 2000

ĐặT VấN Đề
Thực tế, ma sát có mặt tích cực trong đời sống và kỹ thuật: giúp chúng ta
đi lại dễ dàng, tạo sự vững chắc cho các mối ghép, giúp cho quá trình hãm,
dừng của ôtô, máy bay, xe lửa Tuy nhiên cũng chính ma sát đã lấy đi một
phần ba nguồn năng lợng mà loài ngời sản xuất ra [13]. Hầu hết máy móc,
thiết bị không thể tiếp tục làm việc đợc vì các tiết máy bị hao mòn do ma sát.
Chính vì vậy ma sát, hao mòn trở thành một vấn đề cấp thiết, thu hút sự
quan tâm chú ý của nhiều nhà khoa học ở các ngành, các lĩnh vực khác nhau,
nhất là khi công nghệ vật liệu mới ngày một ứng dụng rộng rãi vào đời sống
và kỹ thuật.
ở Việt Nam, Nhà nớc hết sức coi trọng chơng trình chiến lợc về vật
liệu mới. Kế hoạch nghiên cứu đợc triển khai rộng rãi tại các nhà máy, các
trờng đại học, các viện nghiên cứu và đã đạt đợc những thành tựu rất quan
trọng, đóng góp đáng kể vào sự phát triển năng động của nền kinh tế đất nớc
những thập niên vừa qua.
Trong ngành kinh tế biển, bạc lót của ổ đỡ trợt của hệ trục chân vịt và
các thiết bị đợc dẫn động từ thiết bị năng lợng trên mỗi con tàu đóng vai trò
hết sức quan trọng, ảnh hởng đến khả năng làm việc, độ bền, độ tin cậy, tính
kinh tế trong khai thác thiết bị chung toàn tàu.

Hiện tại bạc trợt cuả hệ trục chân vịt, máy tời kéo neo, máy tời kéo
lới của gần tám vạn tàu đánh cá và tàu nghiên cứu, đa phần đợc làm từ
kim loại màu nhập ngoại, với giá rất đắt. Hàng năm tiêu phí một lợng ngoại
tệ lớn của đất nớc. Bởi vậy tìm kiếm vật liệu mới thay thế hợp kim màu làm bạc
lót trong các ổ đỡ trong thiết bị và hệ trục đợc dẫn động từ thiết bị năng lợng tàu
là hết sức cần thiết.
Polyme mà tiêu biểu là Polyamit có nhiều u điểm vợt trội về khả năng
tạo dáng, dễ chế tạo, giá thành rẻ, hệ số ma sát nhỏ, độ bền mòn cao, hấp thụ
dao động tốt, không bị hoen gỉ, bền với môi trờng xăng, dầu và các môi trờng
ăn mòn đã đợc một số tác giả trong nớc nghiên cứu làm bạc lót trợt trong
các ổ đỡ hệ trục chân vịt tàu cá và đã đạt đợc những kết quả nhất định.
Tuy nhiên khả năng truyền nhiệt của Polyamit thuần khiết thấp, chịu
nhiệt không cao, hút nớc nhiều là những hạn chế cần phải tìm cách khắc
phục để tạo ra những tính năng cơ, lý, tribology tốt hơn, thích hợp cho việc
chế tạo bạc trợt làm việc với môi trờng bôi trơn dầu, mỡ trong thiết bị năng
lợng nói chung và tàu thủy nói riêng hiện vẫn là mục tiêu của rất nhiều công
trình nghiên cứu.
Một trong những biện pháp cải thiện các hạn chế nói trên là sử dụng
chất phụ gia, chất độn.
Nghiên cứu ma sát và mòn của cặp thép - bạc trợt Polyamit có phụ gia
trong các môi trờng bôi trơn khác nhau nhằm xác định chế độ, điều kiện, khả
năng làm việc tối u cho cặp ma sát và làm cơ sở khoa học đề xuất các chỉ tiêu
thiết kế hợp lý ổ trợt sử dụng trong thiết bị, hệ trục đợc dẫn động từ thiết bị
năng lợng tàu thủy là việc làm cần thiết và mang ý nghĩa thực tế.
Với mục đích đó chúng tôi tiến hành Nghiên cứu ma sát và mòn của
trục thép - bạc trợt copolyme sử dụng trong thiết bị năng lợng tàu thủy.
Do tính đa dạng của vấn đề và trong khả năng, điều kiện cho phép chúng
tôi tập trung nghiên cứu ma sát và mòn của bạc trợt copolyme dùng làm ổ đỡ
trợt trong các thiết bị đợc dẫn động từ thiết bị năng lợng trên tàu, mà cụ thể là ổ
đỡ trợt của một số thiết bị trên boong. Với các nội dung chính nh sau:

1- Phân tích chọn và tạo vật liệu. Xác định các thông số kỹ thuật của vật liệu
(PA6 -15%PTFE 1100).
2- Khảo nghiệm trong phòng thí nghiệm:
+ Xác định hệ số ma sát và cờng độ hao mòn, từ đó đề xuất chế độ và điều kiện
làm việc (tải trọng, tốc độ, nhiệt độ, môi trờng bôi trơn ) thích hợp nhất cho vật liệu.
+ Xác định hệ số ma sát, chế độ ma sát, cờng độ hao mòn, từ đó đề
xuất phơng pháp tính về kích thớc, khả năng làm việc của bạc trợt (PA6
-15%PTFE 1100) trong môi trờng bôi trơn.
+ Xác định nhiệt độ làm việc ổn định cao nhất của ổ trục thép 45 tôi -
bạc trợt (PA6 -15%PTFE 1100).
3- Trong nội dung thực hiện chúng tôi tự thiết kế, lắp đặt phụ kiện, đa chơng
trình số vào thiết bị đo ma sát MS - TS1, nâng cao độ tin cậy, tính ổn định cho số liệu
đo ma sát mẫu.
4- Ngoài ra chúng tôi sử dụng phơng pháp phần tử hữu hạn tính góc tiếp xúc
trục - bạc, chuyển vị, ứng suất trong bạc trợt và thiết lập đồ thị biểu diễn mối
quan hệ về sự phân bố ứng suất, chuyển vị theo góc tiếp xúc trong bạc trợt ở
chế độ tải tĩnh.
Cho phép tôi trân trọng cảm ơn PGS -TS Quách Đình Liên, PGS -TS Dơng
Đình Đối đã hớng dẫn khoa học và tạo điều kiện cho việc thực hiện thành công
Luận án.
Trong quá trình nghiên cứu chúng tôi đã nhận đợc sự giúp đỡ của Qúi
Thầy, của Tiến sĩ Lehmann - Giám đốc Viện Công nghệ Polyme Dresden
(Đức), Tiến sĩ Phan Văn An - Viện phó Viện ứng dụng Công nghệ Bộ Khoa
học và Công nghệ, Giáo s -Tiến sĩ Nguyễn Hữu Niếu Trởng khoa Công nghệ
vật liệu - Giám đốc Trung tâm, Kỹ s Nguyễn Tiến Cờng - Trởng phòng
công nghệ Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme, Kỹ s Giảng viên Nguyễn
Quang Luật Trờng đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, NCS Nguyễn
Hoàng Hải, Chuyên viên Đỗ Thị Mai Phân viện Khoa học vật liệu thành phố
Hồ Chí Minh, NCS Lê Hải - Trởng phòng Công nghệ Bức xạ Viện nghiên cứu
Hạt nhân Đà Lạt, Phòng tra cứu Trung tâm thông tin t liệu Khoa học và Công

nghệ Quốc gia, Phòng kiểm định Trung tâm nghiên cứu và phát triển chế biến
dầu khí, Phòng kiểm định Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lờng chất lợng 3,
Xởng Cơ khí, Trung tâm chế tạo Tàu cá và thiết bị, Trung tâm Công nghệ Sinh
học - Môi trờng, một số cán bộ giảng dạy Khoa Cơ khí Trờng đại học Thủy
sản và các em sinh viên khóa 40, 41 ngành Động lực.
Tôi xin bày tỏ sự cảm kích, lòng biết ơn trớc sự giúp đỡ chân tình vô cùng quí
báu đó.

Nha Trang, tháng 10 năm 2004.
Lê Bá Khang
Chơng 1
ổ Đỡ TRựơt, ma sát, hao mòn, bôI trơn
và khả năng mang tảI của ổ

1.1. ổ Đỡ TRợT
Trong các thiết bị hoặc cơ cấu máy, ổ đỡ trợt là một bộ phận có nhiệm
vụ đỡ và giữ để trục quay quanh đờng tâm của nó. ổ trục chịu tác dụng của
các lực đặt trên trục và truyền các lực này vào thân máy, bệ máy. Khi trục
quay, giữa bề mặt làm việc của ngõng trục với ổ có sự trợt tơng đối.
ổ đỡ trợt có cấu tạo đợc trình bày trên hình 1.1







Trục (1) bán kính r1 quay trong ổ đỡ đứng yên (2) bán kính R. Trục
chịu lực tác dụng P theo phơng BE.
Khi trục không quay, trục tiếp xúc trực tiếp với ổ tại E. Khi trục bắt đầu

quay, điểm tiếp xúc E sẽ dịch chuyển theo hớng quay của trục, về phía trên,
giữa tâm trục và tâm ổ có độ lệch tâm e.
ở điều kiện cân bằng mô men ma sát sinh ra trong ổ đợc tính:
M
ms
= P.f.r
1
(1.1)
Khi ổ có các thông số hình học và làm việc trong môi trờng cụ thể, với
tải tác dụng đợc xác định thì mô men ma sát phụ thuộc vào hệ số ma sát của
ổ.
ổ trợt có thể làm việc ở chế độ ma sát ớt, chế độ ma sát hỗn hợp hoặc
chế độ ma sát giới hạn, tùy thuộc vào bề dày lớp bôi trơn giữa bề mặt ngõng
trục và lót ổ [17].
Giá trị hệ số ma sát trong ổ trợt khác nhau hàng trăm thậm chí ngàn
lần phụ thuộc điều kiện làm việc với loại hình ma sát tơng ứng [1], [19].
Hình 1.1: Cấu tạo ổ đỡ trợt
1- Trục; 2 - ổ đỡ ; 3- Dầu bôi trơn.

1.2. VậT LIệU ổ TRợT
Hiện tại, sử dụng ba loại vật liệu chính để làm bạc lót ổ trợt đó là hợp
kim chống ma sát, vật liệu phi kim loại và gốm.
1.2.1. Hợp kim chống ma sát
1.2.1.1. Hợp kim Đồng
Thành phần của hợp kim Đồng bao gồm: Đồng-Thiếc, Đồng-Kẽm,
Đồng - Chì, các hợp kim này có đặc điểm chịu ma sát, truyền nhiệt tốt, có độ
bền cơ tốt, chịu đợc vận tốc và tải trọng cơ học cao, không hấp thụ nớc, ít
dãn nở nhiệt, chịu va đập tốt. Tuy nhiên chỉ sử dụng tốt khi đợc bôi trơn bằng
dầu, mỡ.
1.2.1.2. Hợp kim Babit

Thành phần của hợp kim Babit chủ yếu là Thiếc, Chì ngoài ra còn có
Antimoan, Đồng, Niken, Tenlu và một số chất khác. Babit là một hợp kim có
khả năng chịu mòn, truyền nhiệt tốt, chịu va đập, có tính đàn hồi lớn, tuổi thọ
cao. Tuy nhiên giá thành rất đắt và độ bền thấp nên ngời ta chỉ mạ một lớp
mỏng trên bề mặt. Trong sử dụng chỉ phù hợp với việc bôi trơn bằng dầu, mỡ.
1.2.2. Vật liệu phi kim loại
Vật liệu phi kim loại sử dụng làm bạc trợt bao gồm chất dẻo, chất dẻo
tăng cờng, gỗ, cao su.
1.2.2.1. Vật liệu chất dẻo - chất dẻo tăng cờng
Chất dẻo tổng hợp đợc sử dụng làm bạc trợt, thay thế từng bớc hợp
kim Đồng, Ba bít vì chúng thỏa mãn yêu cầu của vật liệu trợt [14], [34] nh:
- Có tính chất cơ học tốt, có độ bền mỏi cao, có khả năng giảm chấn,
hấp thụ dao động tốt, chế tạo đơn giản, tính công nghệ cao.
- Có hệ số ma sát thấp, độ bền mòn cao.
- Có khả năng tự chạy rà, làm việc trong điều kiện thiếu bôi trơn, làm mát.
- Nguồn nguyên liệu dồi dào, giá rẻ, điều kiện tốt để giảm giá thành sản
phẩm.
Nổi bật trong số chất dẻo đợc sử dụng làm bạc trợt là nhóm
Polyamit.
Vật liệu tăng cờng thờng sử dụng làm bạc trợt đối với nhựa nhiệt rắn
có Phenol-formalđehýt (nhựa nền) chất độn là vải bông, hoặc pha thêm
Graphít đối với nhựa nhiệt dẻo có Polyamit (nhựa nền) kết hợp với phụ gia
nh Graphít, PTFE hoặc chất độn sợi thủy tinh, sợi các bon
1.2.2.2. Vật liệu cao su
Vật liệu cao su sử dụng làm bạc trợt có u điểm: tính đàn hồi cao,
giảm chấn tốt, làm việc ổn định, trong môi trờng có lẫn tạp chất ít bị mòn.
Hệ số ma sát giảm khi tăng tải trọng. Nhng khả năng truyền nhiệt kém, nhiệt
độ làm việc không cao, cần phải bôi trơn làm mát liên tục [34].
1.2.2.3. Vật liệu gỗ
ở nớc ta sử dụng gỗ Nghiến, gỗ Cam xe, gỗ Me, gỗ Duối, gỗ Thông

làm bạc trợt ổ đỡ trục chân vịt cho tàu cá cỡ nhỏ.
Trên thế giới dùng gỗ Gai ắc ở Nam Mỹ (gỗ tự nhiên) làm bạc lót ổ đỡ
trục chân vịt cho tàu thủy, nhờ có chất dầu trong gỗ mà trong điều kiện không
có bôi trơn, chất dầu này tiết ra có tác dụng bôi trơn cho cặp ma sát.
1.2.3. Vật liệu gốm kim loại
Vật liệu ổ trợt bằng gốm kim loại thờng là bột Đồng thanh - Graphít,
bột Sắt - Graphít Vật liệu có nhiều lỗ rỗng (chiếm 1535% thể tích), khi làm
việc trong môi trờng có dầu bôi trơn, dầu sẽ ngấm vào các lỗ rỗng sau đó tự
ứa ra bôi trơn cho lót ổ và ngõng trục. Nhng vật liệu này phải chế tạo ở nhiệt
độ cao, áp suất lớn.
1.3. MA SáT, HAO MòN Và BôI TRơN ổ Đỡ TRợT
1.3.1. Ma sát trong ổ trợt
Ma sát là hiện tợng phổ biến, làm cản trở chuyển động của các vật thể.
Quá trình ma sát diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc vào các biến đổi ở vùng tiếp
xúc thực, phụ thuộc vào tính chất cơ, lý của lớp bề mặt, điều kiện ma sát và
môi trờng [6], [8], [12], [14].
Về lý thuyết, những công trình nghiên cứu ma sát nổi tiếng và phát
minh đầu tiên thuộc về Leonardo De Vinci năm 1508 [8], [13], [14], [17].
S.Coulomb 1779 [8], [13], [17] là ngời đầu tiên nghiên cứu bản chất động
của ma sát. ông đã thành công lớn ở chỗ phát hiện ra bản chất hai mặt của ma
sát. Lực ma sát là tổng hợp của hai sức cản: sức cản của liên kết tỉ lệ với tải
trọng, không phụ thuộc vào diện tích, và sức cản của liên kết phụ thuộc vào
diện tích tiếp xúc. Bản chất hai mặt ấy đợc biểu diễn qua định luật Coulomb
nh sau:
F = A + N (1.2)
Đ.A.Thomplison chỉ rõ ma sát là kết quả của lực hấp dẫn và kết dính
giữa hai bề mặt.
Các nhà khoa học tại [13] cho rằng quá trình ma sát là quá trình liên tục
chinh phục các mấp mô phân tử trên bề mặt tiếp xúc.
Các nhà khoa học theo thuyết cơ - phân tử [8], [13] đã chỉ ra rằng ma sát giữa

các vật thể tiếp xúc là tổng của hai thành phần: thành phần thứ nhất do cản trở
cơ học, thành phần thứ hai do lực tơng tác phân tử. Bản chất đó đợc biểu
diễn bằng biểu thức nh sau:

N
.
k
S
.
k
T
2t1

(1.3)
Hệ số ma sát đợc xác định:

2
21
k
N
S.k
N
T
f
(1.4)
Thuyết năng lợng - lý thuyết hiện đại về ma sát [8], [13] cho biết ma sát
ngoài liên quan chặt chẽ đến các hiện tợng có quan hệ mật thiết với lớp
mỏng bề mặt tiếp xúc và có quan hệ đến nhiều quá trình vật lý, hóa học, cơ
học, năng lợng làm ảnh hởng đến quá trình ma sát.
Có thể nói khoa học ma sát đã thu đợc nhiều thành quả rất quan trọng,

gắn liền với sự phát triển của công nghiệp cơ khí, và khẳng định: khi vật thể
tiếp xúc có chuyển động tơng đối, tại vùng tiếp xúc xảy ra các tơng tác cơ,
lý, hóa, điện. Kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học đã chỉ ra rằng:
Lực ma sát (T) là hàm số của lực pháp tuyến (N), tốc độ trợt (V) và
các thông số về vật liệu, môi trờng (
c
) [6], [18], [19] biểu diễn bằng biểu
thức sau:
T = f ( N, V,
c
) (1.5)
1.3.2. Bôi trơn và lý thuyết bôi trơn điển hình
1.3.2.1. Quá trình nghiên cứu vật liệu và kỹ thuật bôi trơn
Bôi trơn nhằm làm giảm sức cản ma sát, giảm hao mòn. Vật liệu bôi
trơn và kỹ thuật bôi trơn có ảnh hởng rất lớn đến ma sát, hao mòn. Vì vậy
luôn đợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu hoàn thiện.
Sự phát triển của sản xuất vật liệu bôi trơn đi liền với nền sản xuất máy móc.
Trớc năm 1880 vật liệu bôi trơn chủ yếu là dầu, mỡ thực vật.
Năm 1900 đánh dấu sự ra đời của dầu khoáng bôi trơn, chúng thay thế
dần và đến năm 1950 hoàn toàn thay thế dầu thực vật.
Các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng các chất pha nhằm làm tăng tính
năng cho dầu khoáng trong giai đoạn từ năm 1950 đến 1970.
Vào đầu những năm 1970 khi khoa học, kỹ thuật phát triển con ngời
đã tổng hợp đợc dầu bôi trơn và chúng liên tục sử dụng có hiệu quả cho đến
ngày nay.
Đặc tính quan trọng nhất của chất bôi trơn là tạo nên lớp giới hạn, lớp
bảo vệ thứ cấp trên bề mặt ma sát khi tiếp xúc, chúng có ảnh hởng quyết định
đến ma sát và hao mòn. Việc tạo thành lớp giới hạn phải kể đến tác dụng của
chất hoạt tính bề mặt (CHTBM) nh thành phần các gốc tự do của a xít, xà
phòng, chất béo hoặc các phân tử phân cực. Sự hình thành lớp bảo vệ thứ cấp

là do tác dụng của chất hoạt tính hóa học (CHTHH) nh clo, phốt pho, lu
huỳnh có trong dầu, mỡ bôi trơn.
Thờng sử dụng độ dày tơng đối (R) của lớp bôi trơn để phân biệt ma
sát và các loại hình bôi trơn [13], [69]:

2a1a
RR
h
R


(1.6)
Trong đó:
h: Bề dày nhỏ nhất lớp bôi trơn.
R
a1
+ R
a2
: Tổng độ lệch trung bình của mấp mô hai bề mặt.
1.3.2.2. Các lý thuyết bôi trơn điển hình
1, Lý thuyết bôi trơn ớt
Vào năm 1883 N.P.Petrov đã công bố công trình nghiên cứu Ma sát
trong máy và ảnh hởng của chất bôi trơn lỏng đến chúng.
Theo ông lực ma sát không chỉ phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng
bôi trơn mà còn phụ thuộc bề dày lớp bôi trơn giữa ngõng trục và bạc lót.
Bôi trơn ớt là dạng bôi trơn tạo ra lớp dầu phân cách hai bề mặt chi
tiết máy (bề dày lớp dầu lớn hơn tổng độ cao nhấp nhô hai bề mặt). Ma sát
trong trờng hợp đó gọi là ma sát ớt.
Việc hình thành ma sát ớt thủy động trong ổ trục (hình 1.1) là nhờ làm
tăng tốc độ quay của trục đến một giá trị nào đó sẽ xuất hiện chêm dầu, có tác

dụng nâng trục, không cho trục tiếp xúc trực tiếp với ổ đỡ. Chêm dầu đợc
hình thành là do hiệu quả của ma sát trong của dầu bôi trơn. Trục quay cuốn
theo các lớp dầu bám theo nó với vận tốc khác nhau. Chính do nội ma sát
trong lớp dầu mà hầu nh toàn bộ lợng dầu chứa trong ổ chuyển động tuần
hoàn quanh chu vi ổ trục (trừ lớp mỏng bám trên thành ổ và ngõng trục). Khi
áp lực đợc hình thành trong lớp dầu cân bằng với lực tác dụng ngoài (P) thì
trục quay ổn định.
B.Tower (18831885) đã tiến hành nhiều thí nghiệm tìm đợc sự phân
bố áp suất thuỷ động trong chất lỏng [13].
Năm 1886 trên cơ sở một số giả thuyết, O.Reynolds dùng toán học mô
tả lý thuyết bôi trơn thuỷ động đợc biểu diễn qua phơng trình vi phân tổng
quát sau đây [13], [17], [67], [69], [82]:




U.12
x
h.
VV6
z
ph.
zx
ph
x
21
33

(1.7)
Tuy nhiên phơng pháp tính của O. Reynolds còn khá nhiều vấn đề
cha thỏa đáng nh rất phức tạp, và khi độ lệch tâm lớn hơn nửa hiệu bán kính
cong của các bề mặt lắp ghép thì phơng trình không có nghiệm
Một số khía cạnh mà O. Reynolds cha đề cập đến nh: sự lọt dầu ở
mặt bên, độ nhấp nhô bề mặt, sự thay đổi độ nhớt của dầu theo nhiệt độ đã
đợc nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu và trong lĩnh vực này phải kể
đến F.Bowden và G.I Taylor là ngời đầu tiên tính đến bề mặt liên kết và sự
thay đổi độ nhớt của dầu khi thay đổi áp suất và khi tốc độ trợt lớn.
A.Zommerfeld năm 1904 bằng lời giải về sự quay của cổ trục trong bạc lót
bán nguyệt với mọi giá trị có độ lệch tâm đã khắc phục nhợc điểm thứ hai
của O. Reynolds.
Năm 1904, A.Sommerd (1868 1951) đã sử dụng phơng pháp giải tích
cho ổ dài vô tận với các điều kiện biên mang tên A.Sommerd. Nhng áp suất
ra của màng dầu trong ổ lại âm, kết quả này không thực tế do tác giả cha tính
đến sự gián đoạn của màng dầu.
Năm 1905, A.G.Michael (1870 1959) đã chỉ ra đợc sự giảm áp suất
ở phần biên của màng dầu bôi trơn giữa hai tấm phẳng có kích thớc xác định.
Năm 1914, L.F. Gumbel (1874 1923) đã đề nghị bỏ qua miền áp suất
âm khi tính ổ.
D.Berthe và M.Godet [38] nghiên cứu bổ xung, tổng quát hóa phơng
trình cổ điển của O.Reynolds bằng việc đa thêm thông số bề mặt nhám.
Đặc biệt các nghiên cứu công bố gần nhất (năm 2001) về biên dạng màng
dầu bôi trơn, chuyển động góc của trục, tải trọng động đối với ổ trợt nh:
Các tác giả tại [61] xác định đợc biên dạng màng dầu hình túi hoặc
gần nh phẳng trong ổ trợt khi bôi trơn thủy động.
Các nhà khoa học [65] cho biết trong bôi trơn thủy động ngõng trục có
chuyển động cả hớng dọc lẫn hớng ngang, vị trí của góc trục là do hai hay
nhiều thành phần phân bố áp suất thủy động kể cả phần giáp ranh nơi bắt đầu
và kết thúc vùng phân bố áp suất tác động.

Nghiên cứu của G.Anđrei, M.Jascanu và L.Anđrei [36] về ảnh hởng
của tải trọng động đến bề dày màng dầu, đã chỉ ra tốc độ ban đầu của va chạm
ảnh hởng chủ yếu đến áp suất và bề dày màng dầu bôi trơn. Khi tốc độ va
chạm V
t
>1,6m/s sẽ sinh ra áp suất cao hơn áp suất bôi trơn thủy động bình
thờng, tạo điều kiện chuyển đổi tới giai đoạn bôi trơn thủy động đàn hồi
trong ổ.
Hiện tợng bôi trơn thủy động trong các ổ trợt bằng vật liệu polyme
diễn ra thuận lợi hơn so với các ổ bằng kim loại, là do polyme có tính đàn hồi
cao hơn.
Bôi trơn trong các ổ đỡ polyme thực chất là bán thủy động đàn hồi (biến
dạng của các chi tiết polyme lớn làm điều hòa áp suất trong lớp bôi trơn). Giá
trị của vận tốc góc của ngõng trục có thể tạo cho ổ đỡ sự bôi trơn thủy động
đợc biểu diễn bằng biểu thức sau [15]:

D.
h p
p.W
0
min
hhp



(1.8)
Trong đó:

hh
h

N.M
25.2
W
Hệ số phân tích đến sự đàn hồi tơng đối của bạc lót và
ngõng trục (M
h
) và sự phụ thuộc của độ nhớt dầu bôi trơn vào áp suất
trong vùng tiếp xúc (N
h
).
-
5.0
d
l
4.0
d
l
.2P

Khi 2
d
l
2.0 hệ số biểu thị sự tổn thất dầu bôi trơn.
- : Khe hở tơng đối.
- h
min
: Bề dày lớp dầu nhỏ nhất giữa trục và ổ.
- D: Đờng kính trong ổ trợt (mm)
-

0
: Độ nhớt động lực của dầu bôi trơn (N s/m
2
)
Hệ số ma sát trong ổ trợt khi bôi trơn ớt thủy động phụ thuộc vào độ
nhớt động lực của chất lỏng bôi trơn, tốc độ góc của trục quay, áp suất và khe hở
hớng kính trục - bạc đợc biểu diễn bằng biểu thức nh sau [19]:

p
.
r.
f
1
(1.9)
Tỷ số
p
.


là số đặc tính bôi trơn của ổ.
Nh vậy, tuy còn một số tồn tại song phơng trình của O.Reynolds đã
đặt nền móng cho lý thuyết bôi trơn thủy động, làm tiền đề cho các nghiên
cứu mới và đã mở rộng, nâng tầm ứng dụng cho việc nghiên cứu bôi trơn trong
các ổ thuỷ động, bôi trơn thuỷ động đàn hồi
2, Lý thuyết bôi trơn giới hạn
Bôi trơn giới hạn là trờng hợp giữa bề mặt trục và bạc trợt chỉ phân
cách bởi một lớp chất bôi trơn rất mỏng (khoảng 0,1m hoặc 0,5m). Chất
lỏng bôi trơn trong trờng hợp này có các tính chất đặc biệt, các phân tử ở gần
bề mặt bị hút bởi lực bề mặt vật rắn do đó làm giảm khả năng hoạt động tự do
của chúng, nhng làm tăng khả năng sắp xếp các phần tử song song với đờng
tác dụng của lực, tăng tác dụng tơng hỗ giữa các phân tử tạo nên lớp tựa tinh
thể, ngoài ra còn định hớng các phân tử làm tăng sự bố trí không gian, tăng
mật độ phân tử trên một đơn vị thể tích dẫn tới độ nhớt và tỉ trọng riêng của
dầu bôi trơn tăng, do đó lớp dầu bôi trơn ở cận kề bề mặt vật rắn có tính chất
khác hẳn, tạo thành một pha phân cách bề mặt và đợc gọi đó là lớp giới hạn,

trình bày trên hình 1.2. Ma sát tồn tại trong lớp mỏng đó gọi là ma sát giới hạn.
Các nhà khoa học trong [13], [17] đã sử dụng phơng pháp điện tử,
phơng pháp giao thoa ánh sáng xác định độ dày nhng có nhiều sai số,
phơng pháp nguyên tử đánh dấu, phơng pháp phản xạ điện tử xác định
mật độ, cờng độ hấp phụ cũng nh sự định hớng các phân tử trên bề mặt vật
rắn nhng gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên sự quan tâm, dày công tìm tòi và
phát triển lý thuyết bôi trơn giới hạn của Hardy William, Bowden, Cameron
là những công trình khoa học đợc đánh giá rất cao [13].
Hardy William [13] chỉ rõ: hệ số ma sát trong bôi trơn giới hạn phụ
thuộc vào khối lợng phân tử chất bôi trơn và vật đợc bôi trơn. Hardy
William khẳng định: lực ma sát giới hạn đối với các bề mặt bôi trơn chỉ phụ
thuộc vào tải trọng và bề dày của lớp bôi trơn.

Hình 1.2: Mô hình của Hardy
về sự hình thành lớp giới hạn
a, Các bàn chài phân tử.
b, Lớp giới hạn.

Độ bền của lớp giới hạn phụ thuộc độ dày lớp bôi trơn. Sức chịu của
lớp giới hạn phụ thuộc chủ yếu vào giá trị của lực hấp dẫn giữa các phân tử.
Khi bôi trơn giới hạn diện tích tiếp xúc thực nhỏ, áp lực tiếp xúc có giá trị lớn.
Màng dầu giới hạn khó bảo vệ đợc bề mặt khỏi bị biến dạng dẻo nên sinh
mài mòn lớn.
Các nhà khoa học [35] chỉ rõ đặc điểm dị hớng của bề mặt chi tiết sau
gia công (hớng dọc và ngang) sẽ phát sinh, hình thành các điểm tiếp xúc ma
sát gây ảnh hởng đến đặc tính ma sát tiếp xúc khi bôi trơn giới hạn.
Hệ số ma sát trong bôi trơn giới hạn đợc tính dựa theo biểu thức sau [13]:

a,

b,


7.0
P
PPPy
P
cos.cos.
f


(1.10)
Nh vậy, bề dày lớp bôi trơn giới hạn rất mỏng (khoảng 0.1m) nhng
sự tồn tại của nó vô cùng quan trọng, giảm lực ma sát so với không bôi trơn từ
2 đến 10 lần, giảm độ mòn của trục - bạc hàng trăm lần. Các nghiên cứu dù
hết sức trở ngại song đều hớng tới việc tăng cờng độ bền, chống sự gián
đoạn cho lớp bôi trơn giới hạn.
3, Lý thuyết bôi trơn hỗn hợp
Bôi trơn hỗn hợp là quá trình bôi trơn đồng thời có cả bôi trơn ớt và
bôi trơn giới hạn. Tác dụng thuỷ động của chất lỏng có thể xuất hiện trong hai
trờng hợp: nếu bề mặt hình học vĩ mô của các bề mặt tiếp xúc tạo nên khe hở
thu hẹp dần và dầu có thể đi vào đó xuất hiện dòng chảy và tạo lực nâng
nhng không đủ để tiếp nhận toàn bộ tải trọng khi ma sát nửa ớt. Dòng chất
lỏng sẽ ôm lấy các phần của các bề mặt tiếp xúc. Nếu độ nhấp nhô của các
khu vực tiếp xúc tạo ra chỗ thu hẹp và mở rộng theo chiều cao và theo hớng
chuyển động tơng đối, khi lợng dầu đủ lớn thì sự thu hẹp sẽ đóng vai trò
nh nêm vi mô thuỷ động [13], [17] trình bày trên hình 1.3:

Hình 1.3: Sơ đồ nêm thủy động do
bề mặt làm việc không phẳng tạo nên

h
a
: Khe hở nhỏ nhất.
a: Chiều dài nêm dầu.

Các tác giả tại [13] khi nghiên cứu các hiện tợng ma sát hỗn hợp đã
xác định đợc giá trị của hệ số ma sát hỗn hợp nh sau:

p.h
v.
kff
0hh


(1.11 )
Fowles [13] là ngời đầu tiên nghiên cứu kết hợp sự biến dạng mấp mô
bề mặt với các hiệu ứng thủy động của các chêm dầu nhỏ. Song phơng trình
a
v
F

ha
toán hai biến số của ông đa ra quá phức tạp không thể vận dụng tính sức
mang tải cũng nh cản trở ma sát.
M.E.Weyler và Chih Wu [84] đề nghị bổ sung nền tảng lý thuyết của
O.Reynolds bằng cách đa vào hàm phân bố mật độ xác xuất độ nhám bề mặt
(h
s
), đồng thời đa ra giải pháp số hóa để tính áp suất bôi trơn trong ổ trợt khi
bôi trơn hỗn hợp, dựa trên thông số đo độ nhám của bề mặt thực. Tác giả đã

xác định đợc độ dày màng dầu bôi trơn và các vùng đặc trng trong ổ trợt
khi bôi trơn hỗn hợp, trình bày trên hình 1.4:











A.Ramamohana Rao*, R.Mapapan [59] khi nghiên cứu lựa chọn vật
liệu bạc lót ổ trục trong các điều kiện bôi trơn khác nhau đã chỉ rõ chế độ bôi
trơn hỗn hợp trong ổ trợt chỉ tồn tại ở một tốc độ quay nào đó của ngõng trục
ứng với một chế độ tải cố định. Trong chế độ này tải trọng đợc chia xẻ cho
phần bạc trợt tiếp xúc trực tiếp với ngõng trục và vùng có dầu bôi trơn.
X.Jiang, D.Y. Hua, S.H. Cheng và C.S. Lee [85] khi nghiên cứu bôi trơn
hỗn hợp đã dùng phơng pháp lới tọa độ để tính áp suất vùng bôi trơn thủy
động và dùng phơng pháp phân tích chuỗi Fourier để tính áp suất tiếp xúc
nhám trong các khu vực tiếp xúc trực tiếp.
Năm 2000 các nhà khoa học trong [63] đã dùng toán học mô tả dòng
chảy bôi trơn giữa các bề mặt nhám của ổ trục khi bôi trơn hỗn hợp, và cho
1

2

3

x Rx
C
h(x)
x R

Hình 1.4: Độ dày màng dầu bôi trơn h(x), các vùng khi bôi trơn hỗn hợp trong ổ trợt

1, 3: Vùng thủy động 2, Vùng tiếp xúc trực tiếp

1

2

3

rằng giữa các điểm tiếp xúc thực có chế độ ma sát không có bôi trơn và các
khoảng trống giữa chúng có dầu bôi trơn, dòng chảy của dầu bôi trơn giữa các
điểm tiếp xúc thực có thể xem là bán ớt.
Dong Zhu và Yuan - Zhong Hu [67], [82] đã sử dụng máy tính mô
phỏng đặc tính màng dầu trong bôi trơn hỗn hợp, ứng suất lớp dới bề mặt,
nhiệt độ phát sinh trong vùng tiếp xúc trên cơ sở đo độ nhám 3 chiều của bề
mặt.
Tóm lại: Bôi trơn hỗn hợp trong ổ trợt là trờng hợp phổ biến. Mối liên
quan giữa quá trình bôi trơn hỗn hợp, bôi trơn thủy động và thủy động lực đàn
hồi hết sức phức tạp. Các công trình nghiên cứu đến nay vẫn còn tiếp tục hằm
hoàn thiện và tổng hợp về sự tác dụng tơng hỗ giữa các mấp mô, hiệu ứng
thủy động giữa các mấp mô bề mặt trục và ổ.

4, Lý thuyết bôi trơn thuỷ động lực đàn hồi
Năm 1916 G M.Martin, sau đó V. Peppler, A. M Ertel [17], năm 1966
Dowson và Higginson [13] nghiên cứu và kết luận: Bôi trơn thuỷ động lực đàn
hồi là trờng hợp đặc biệt của bôi trơn thuỷ động cổ điển, khi tiếp xúc tập
trung giữa hai bề mặt là đờng hoặc điểm, khi đó dới tác dụng của áp lực tiếp
xúc lớn độ nhớt của dầu bị thay đổi, các bề mặt tiếp xúc bị biến dạng. Bôi trơn
thủy động đàn hồi thờng gặp trong ổ lăn, ổ chịu tải lớn hay cặp bánh răng, cơ
sở nghiên cứu trong trờng hợp này là lý thuyết của H.R.Hertz (1857-1894)
với tiếp xúc cha có bôi trơn và mô hình hóa dòng chảy trong tiếp xúc hẹp của
G.M. Martin năm 1916. Nó đợc bổ xung bằng các tính toán số của Gatcombe
và A.N. Grubin năm 1946.
Bôi trơn thủy động đàn hồi dạ trên giả thiết bề mặt trơn nhẵn, theo tác
giả tại [82] có Dowson và Higginson (tiếp xúc đờng), Hamrock và Dowson
(tiếp xúc điểm), Cheng, Zhu và Wen (nhiệt tiếp xúc), Christensen cùng cộng
sự đã sử dụng mô hình với tham số tĩnh để biểu diễn đặc tính bôi trơn của bề
mặt nhám. Khi kỹ thuật máy tính phát triển các nhà khoa học đã dùng phơng
pháp số biểu diễn ba chiều prôfin hình học của bề mặt. Gần nhất Dong Zhu và
Yuan - Zhong Hu [82] đã ứng dụng mạnh mẽ chơng trình số hóa xác định
đợc đầy đủ tất cả các vùng bôi trơn kể cả bề dày màng dầu bôi trơn thủy
động đàn hồi, bôi trơn hỗn hợp và tiếp xúc khô.
Hệ số ma sát đợc tính thông qua lực xé rách màng dầu và áp suất tiếp
xúc [82]:

C
p.f (1.12)
Bôi trơn thuỷ động lực đàn hồi của polyme xảy ra khi trợt tiếp xúc
điểm hoặc đờng, khi bề mặt của vật liệu có tính nhớt (chảy nhớt) [89].
Nhìn chung bôi trơn thủy động lực đàn hồi là dạng bôi trơn phức tạp
hiện nay còn tồn tại sai khác giữa lý thuyết và thực tế, và cơ sở của dạng bôi
trơn này vẫn là mục đích của rất nhiều công trình nghiên cứu.

1.3.3. Đặc tính và khả năng mang tải của ổ trợt
1.3.3.1. Đặc tính của ổ trợt
Đặc tính của ổ trợt trong bôi trơn ớt thủy động đó là sự phân bố áp
suất màng dầu bôi trơn, phụ thuộc vào: vận tốc trợt và các thông số hình học
của ổ. Khi ổ có chiều dài xác định, sự phân bố áp suất của màng dầu bôi trơn
chịu ảnh hởng của lợng dầu bị tiêu hao do chảy ra hai mặt bên [13], [18].
1.3.3.2. Khả năng mang tải của ổ trợt
+ Khả năng mang tải của ổ trợt là đại lợng đặc trng cho sự làm việc
của ổ. Trong bôi trơn thủy động, khả năng mang tải của ổ tỉ lệ thuận với độ
nhớt động lực (), vận tốc góc () của trục quay, và tỉ lệ nghịch với bậc hai của
khe hở tơng đối () [13], [18], bản chất đó đợc biểu diễn qua biểu thức sau:



.l.d.
.
P
1
2
(1.13)
Trong đó là hệ số chịu tải của ổ, đợc tra theo bảng, dựa vào và tỉ số l/d.
+ Khả năng mang tải của ổ trục đặc biệt với ổ trợt polyme, polyme
tăng cờng phụ gia, chất độn đợc xác định bởi nhiệt độ giới hạn cho phép ổ