Thiết kế hệ thống cơ điện tử xác định sự phụ thuộc của hệ số ma sát của cặp vật liệu vào vận tốc và áp lực
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.9 MB, 98 trang )
Trờng đại học bách khoa hà nội
Viện đào tạo sau đại học
============
Luận văn thạc sĩ khoa học
Ngành: công nghệ cơ khí
thiết kế hệ thống cơ điện tử
xác định sự phụ thuộc của
hệ số ma sát của cặp vật liệu
vào vận tốc và áp lực
chuyên Ngành: công nghệ cơ khí
Nguyễn Quang Long
Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.ts Nguyễn Don ý
Hà Nội/ 2010
MỤC LỤC
Lời cam đoan..................................................................................................-1Mở đầu……………………………………………………………………………….-2Chương 1. Tổng quan về Ma sát………………………………………….-4I. Giới thiệu chung về Ma sát……………………………………………….-4II. Lịch sử phát triển………………………………………………………...-4III. Lý thuyết cơ bản về Ma sát……………………………………………..-51. Đặc trưng cơ bản của ma sát……………………………………………...-51.1 Định nghĩa, các thuật ngữ chính………………………………….-51.2 Các đặc trưng cơ bản của Ma sát…………………………………-51.3. Phân loại ma sát………………………………………………….-62. Thông số hình học bề mặt tiếp xúc……………………………………….-82.1 Tiếp xúc của bề mặt………………………………………………-82.2 Chất lượng bề mặt chi tiết máy…………………………………...-82.3 Sự tiếp xúc của bề mặt có độ nhám lớn…………………………..-92.4 Phương pháp và công cụ nghiên cứu bề mặt tiếp xúc…………...-103. Các định luật về ma sát…………………………………………………..-113.1 Định luật ma sát thứ nhất………………………………………..-113.2 Định luật ma sát thứ hai…………………………………………-113.3 Định luật ma sát thứ ba………………………………………….-124. Những qui luật ma sát thực nghiêm……………………………………..-124.1 Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào áp suất phát tuyến f = f(p)…-124.2 Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc trượt f = f(v)……….-134.3 Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc khi có bôi trơn……..-134.4 Sự phụ thuộc của hệ số ma sất vào các thông số ma sát khác…..-135. Ma sát không chất bôi trơn………………………………………………-14-
Chương 2. Thiết kế máy đo hệ số ma sát………………………………-16I. Mục đích chế tạo máy đo……………………………………………….-16II. Yêu cầu thiết kế………………………………………………………..-16III. Cấu tạo máy đo………………………………………………………..-17IV. Nguyên lý hoạt động…………………………………………………..-18Chương 3. Động cơ bước & ứng dụng động cơ bước trong hệ thống đo hệ
số ma sát…………………………………………………………………..-18I. Giới thiệu về động cơ bước……………………………………………..-18II. Cấu tạo và phân loại động cơ bước…………………………………….-191. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu………………………………-192. Động cơ bước có từ trở thay đổi…………………………………-203. Động cơ bước kiểu hỗn hợp……………………………………..-204. Một số loại động cơ bước thông dụng…………………………...-21III. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước……………………………….-241. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu………………………………-242. Động cơ bước từ trở thay đổi……………………………………-243. Động cơ hỗn hợp…………………………………………………-254. Động cơ nhiều Stato……………………………………………..-26IV. Cơ sở lý thuyết điều khiển động cơ bước……………………………...-261. Hệ thống điều khiển động cơ bước………………………………-262. Nguyên tắc chung………………………………………………..-273. Điều khiển cả bước………………………………………………-274. Điều khiển nửa bước…………………………………………….-275. Điều khiển vi bước………………………………………………-276. Vấn đề về sự trượt bước…………………………………………-27V. Mạch điều khiển động cơ bước…………………………………………-28VI. Điều chế độ rộng xung thay đổi tốc độ động cơ……………………….-29-
1. Điều chế điện áp cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ…-292. Các phương pháp điều chế độ rộng xung……………………….-30VII. Tính chọn động cơ bước……………………………………………...-34Chương 4. Vi điều khiển & ứng dụng vi điều khiển trong hệ thống đo hệ
số ma sát………………………………………………………………….-36I. Giới thiệu về vi xử lý………………………...…………………………-361. Các thành phần của bộ vi xử lý………………………………….-362. Lựa chọn một bộ vi điều khiển…………………………………..-37II. Vi điều khiển PIC……………………………………………………….-381. Đặc tính của vi điều khiển PIC16F877A………………………...-382. Sơ đồ chân & sơ đồ khối…………………………………………-393. Tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A…………………-414. Stack……………………………………………………………...-445. Các cổng xuất nhập của PIC16F877A…………………………..-446. Timer…………………………………………………………….-467. Bộ chuyển đổi ADC……………………………………………..-498. Comparator………………………………………………………-519. Bộ tạo điện áp so sánh……………………………………………-53III. Ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A trong hệ thống đo hẹ số ma sát...-541. Sơ đồ khối hệ thống………………………………………………-542. Chương trình dịch và nạp cho vi điều khiển……………………...-553. Linh kiện cần dùng cho mạch…………………………………….-554. Mạch điện nguyên lý và mạch in…………………………………-57CHƯƠNG 5. Biến trở & ứng dụng biến trở trong hệ thống đo hệ số ma
sát..................................................................................................................-57I. Một số thiết bị đo góc quay……..……………………………………….-571. Thiết bị đo góc dựa trên các chuyển đổi biến trở…………………-57-
2. Thiết bị đo góc quay bằng chuyển đổi cảm ứng…………………-583. Thiết bị dùng chuyển đổi điện cảm đo góc quay trong không gian 2
chiều……………………………………………………………………….-59II. Chuyển đổi biến trở…………………………………………………….-60III. POT với vai trò là dụng cụ đo…………………………………………-601. POTENTIOMETER có dòng điện không đổi…………………...-612. POTENTIOMETER có điện trở không đổi……………………..-613. MICROVOL POTENTIOMETER……………………………...-614. POTENTIOMETER cặp nhiệt điện…………………………….-61IV. POT với vai trò là 1 bộ phận điện tử………………………………….-611. POTENTIOMETER công suất thấp…………………………….-622. POTENTIOMETER công suất cao……………………………..-633. POTENTIOMETER điều khiển số……………………………..-63V. Ứng dụng của POTENTIOMETER……………………………………-631. Bộ chuyển đổi……………………………………………………-632. Điều khiển âm thanh…………………………………………….-633. Điều khiển đo góc……………………………………………….-64VI. ỨNG DỤNG POTENTIOMETER ĐO GÓC NGHIÊNG TRONG HỆ
THỐNG ĐO HỆ SỐ MA SÁT.................................................................-641. CẤU TRÚC CHUNG CỦA POTENTIOMETER.......................-642. ĐẶC ĐIỂM CỦA POTENTIOMETER SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG
ĐO HỆ SỐ MA SÁT………………………………………………….-643. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG………………………………………………-654. VAI TRÒ CỦA POTENTIOMETER TRONG HỆ THỐNG ĐO HỆ SỐ MA
SÁT………………………………………………………………………….-65-
Chương 6. Ghép nối máy tính...................................................................-66I. TỔNG QUAN VỀ CỔNG NỐI TIẾP…………………………………...-661. CHUẨN GIAO TIẾP RS-232........................................................-672. TRUYỀN THÔNG GIỮA 2 NÚT........................................................................-73-
3. MỘT SỐ TIÊU CHUẨN TRUYỀN THÔNG NỐI TIẾP KHÁC..-74II. MAX232……………………………………………………………...…-76CHƯƠNG 7. PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN HIỂN THỊ ĐO HỆ SỐ MA
SÁT SỬ DỤNG VISUAL BASIC………………………………………..-79I. VÀI NÉT VỀ VISUAL BASIC………………………………………………..-791. GIỚI THIỆU CHUNG………………………………………………………..-792. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LẬP TRÌNH VISUALBASIC…………….-793. ĐIỀU KHIỂN MICROSOFT COMM CONTROL 6.0………………………-86-
II. ỨNG DỤNG VISUAL BASIC LẬP TRÌNH HIỂN THỊ CHƯƠNG TRÌNH ĐO
HỆ SỐ MA SÁT………………………………………………………………….-881. NHIỆM VỤ CỦA CHƯƠNG TRÌNH…………..…………………………..-882. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CHO CHƯƠNG TRÌNH HIỂN THỊ HỆ
THỐNG ĐO HỆ SỐ MA SÁT TRÊN MÁY TÍNH…………………..-89-
Kết luận……………………………………………………………………-90Tài liệu tham khảo………………………………………………………….-90-
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài Luận văn: “ Thiết kế hệ thống cơ điện tử xác định
sự phụ thuộc của hệ số ma sát của cặp vật liệu vào vận tốc và áp lực” này là
của tôi tìm hiểu và nghiên cứu. Các kết quả và số liệu trong luận văn này là trung
thực và quá trình nghiên cứu và xây dựng mô hình là nghiêm túc.
Viện Sau Đại học
-1-
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
MỞ ĐẦU
Đất nước ta đang có nhiều nỗ lực nhằm chuyển mình phát triển, với mục tiêu tới
năm 2020 sẽ cơ bản trở thành một nước công nghiệp. Trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, cơ khí chế tạo máy là một trong những ngành ưu tiên trọng điểm.
Một trong những nhiệm vụ quan trọng đối với ngành cơ khí chế tạo máy trong quá
trình sản xuất là phải làm sao nâng cao độ tin cậy, tuổi thọ của máy móc, dụng cụ, trang
thiết bị, nhất là các máy móc hiện đại và các dây chuyền sản xuất tự động nhằm nâng cao
hiệu quả kình tế. Việc tìm ra những giải pháp trong kỹ thuật ma sát – khoa học về sự
tương tác các bề mặt tiếp xúc khi có chuyển động tương đối – sẽ góp phần quan trọng
làm tăng hiệu quả làm việc của máy móc, từ đó tăng hiệu quả của quá trình sản xuất.
Ý nghĩa to lớn của kỹ thuật ma sát đối với nền kinh tế quốc dân là ở chỗ phần lớn
máy móc bị hỏng không phải do gãy mà do mòn và do hư hỏng bề mặt ma sát trong các
mối liên kết động. Phục hồi máy móc phải tốn rất nhiều tiền, vật tư, hàng chục vạn công
nhân phải tham gia vào việc này, hàng vạn máy công cụ được sử dụng trong các phân
xưởng sửa chữa.
Ngoài việc giảm mòn và nâng cao tuổi thọ thiết bị máy móc, kỹ thuật ma sát còn có
nhiệm vụ nghiên cứu các biện pháp giảm lực ma sát trong máy móc được thiết kế và đang
vận hành. Chúng ta đều biết rằng hơn một nửa nhiên liệu dùng để chạy ô tô, đầu máy xe
lửa và các phương tiện giao thông khác thực chất là để khắc phục trở lực do ma sát gây
nên trong chi tiết máy. Hiệu suất nhiều thiết bị máy móc thấp do ma sát là chính.
Với tính chất đó thì việc nghiên cứu, khảo sát mối quan hệ của các cặp vật liệu trong
quá trình ma sát theo các điểu kiện làm việc khác nhau sẽ góp phần đưa ra giải pháp hợp
lý giúp tối ưu hóa quá trình làm việc của máy móc thiết bị. Đó cũng chính là nội dung
luận văn của tôi được giao.
Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học – kỹ thuật và sự phát triển bùng nổ của công
nghệ thông tin, công nghệ điện tử, các hệ thống máy móc, thiết bị nghiên cứu và sản xuất
dần dần được tự động hóa với mức độ ngày càng mạnh mẽ. Trong luận văn, tôi đã ứng
dụng những công nghệ tiên tiến này nhằm thực hiện tin học hóa, tự động hóa hệ thống đo
hệ số ma sát của các cặp vật liệu.
Hệ thống đo hệ số ma sát này sẽ cho ta các kết quả thực nghiệm về giá trị của các
cặp vật liệu ma sát khác nhau dựa trên sự thay đổi của tải trọng & tốc độ tác động lên cặp
vật liệu.
Nội dung đồ án gồm các chương:
Chương I: Tổng quan về ma sát.
Chương này tìm hiểu về lịch sử phát triển và ứng dụng của kỹ thuật ma sát trong
nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ. Nêu được các đặc
trưng cơ bản, các định luật, các quy luật của ma sát thực nghiệm
Chương II: Thiết kế máy đo hệ số ma sát.
Chương này trình bày rõ ràng các bước thiết kế, chế tạo và nguyên lý hoạt động của
máy đo hệ số ma sát.
Chương III: Động cơ bước và ứng dụng động cơ bước trong hệ thống đo hệ số
ma sát.
Viện Sau Đại học
-2-
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
Chương này nghiên cứu nguyên lý hoạt động, mạch điều khiển và phương pháp tính
chọn động cơ bước để ứng dụng thực tế vào Máy đo hệ số ma sát.
Chương IV: Vi điều khiển và ứng dụng vi điều khiển trong hệ thống đo hệ số
ma sát.
Chương này đề cập đến các đặc tính, sơ đồ và tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển
PIC16F877A. Đồng thời trình bày ứng dụng nó trong hệ thống đo hệ số ma sát.
Chương V: Biến trở và ứng dụng biến trở trong hệ thống đo hệ số ma sát.
Chương này giới thiệu một số thiết bị đo góc quay, đặc biệt là các thiết bị đo góc
dựa trên các chuyển đổi biến trở (Angle Potentiometer). Giới thiệu POT với vai trò là
dụng cụ đo và một bộ phận điện tử. Trình bày ứng dụng POT để đo góc nghiêng trong hệ
thống đo ma sát.
Chương VI: Ghép nối máy tính
Chương này trình bày về chuẩn giao tiếp RS-232 và Max 232.
Chương VII: Phần mềm điều khiển hiển thị đo hệ số ma sát sử dụng Visual
Basic
Chương này giới thiệu về Visual Basic, ứng dụng nó trong lập trình hiển thị chương
trình đo hệ số ma sát. Trình bày form và code của chương trình hiển thị.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn Máy và Dụng
cụ công nghiệp – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là thầy giáo PGS.TS
Nguyễn Doãn Ý đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn cao học
này đúng tiến độ và có chất lượng cao nhất.
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2010
Học viên thực hiện
Nguyễn Quang Long
Viện Sau Đại học
-3-
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MA SÁT
I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MA SÁT.
Hiện tượng ma sát đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu đời. Sáng chế đầu
tiên vào khoảng năm 4000 trước công nguyên là các thanh lăn và xe đẩy dùng chuyên trở
các vật liệu nặng. Trải qua nhiều thiên niên kỷ người ta đã cải tiến bổ sung để các dụng
cụ đó, tuy càng thô sơ nhưng càng tiện dụng và giảm nhẹ sức lao động cho con người. Về
mặt lý thuyết, phát minh đầu tiên thuộc về Leonard de Vinci (1452-1519) trên các hiệu
ứng ma sát và đưa ra khái niệm về hệ số ma sát. Những sơ đồ nguyên lý nhằm giảm hệ số
ma sát của ông vẫn mang tính thực tiễn cho đến ngày nay.
Cho đến nay, về rất nhiều phương diện, ma sát vẫn còn là một điều bí ẩn. Trong quá
trình ma sát và chỉ trong quá trình đó đã đồng thời xẩy ra các quá trình cơ học, điện,
nhiệt, hoá và rung động. Ma sát có thể làm tăng hoặc làm giảm độ bền, lượng cácbon
trong kim loại, làm thấm hoặc làm mất hyđrô, biết đổi vàng bạch kim thành ôxýt, đánh
bóng các chi tiết hoặc hàn chúng. Ma sát là một quá trình tự tổ chức, trong đó các hiện
tượng xẩy ra theo theo một trình tự xác định và hợp lý. Các hiện tượng này dẫn đến sự
phá huỷ bề mặt hoặc ngược lại tạo ra một hệ làm giảm ma sát và độ mòn.
Hiện nay, ma sát là một trong những vấn đề cấp thiết nhất của thời đại. Chi phí cho
việc sửa chữa máy móc do mòn rất lớn và tăng lên hàng năm. Kéo dài tuổi thọ của máy
dù chỉ ở mức độ không lớn cũng ngang với việc đưa vào sử dụng một lực lượng sản xuất
đáng kể. Vì vậy, vấn đề này đã được sự chú ý của người sử dụng và các nhà khoa học
nhiều ngành khác nhau, nhằm đưa ra các biện pháp về thiết kế, công nghệ và sử dụng để
nâng cao tuổi thọ của máy và phát triển học thuyết về ma sát, mài mòn và bôi trơn. Khoa
học này đã được nghiên cứu rộng rãi trong các nhà máy, các trường đại học, các viện
nghiên cứu và đã đạt được những thành tựu quan trọng. Sử dụng những thành tựu ấy cho
phép ta nâng cao rõ rệt tuổi thọ và độ tin cậy của máy.
II. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN.
Cũng như các môn khoa học khác, kỹ thuật ma sát không ngừng được phát triển.
Các giai đoạn phát triển ấy gắn liền với việc ra đời kỹ thuật đóng tàu, công nghiệp gia
công kim loại, giao thông đường sắt, công nghiệp ôtô, máy bay và vũ trụ.
Ở nước Nga, cơ sở cuả khoa học về ma sát, bôi trơn và mài mòn đã hình thành từ
khi thành lập viện hàn lâm khoa học Nga. Nhà khoa học vĩ đại M.V.Lômônôxôv đã thiết
kế một thiết bị nghiên cứu sự dính kết giữa các phân tử của các vật. Thiết bị này là tiền
thân của các thiết bị hiện đại để nghiên cứu độ bền mòn của vật liệu. L.Ơle đã có đóng
góp lớn cho khoa học về ma sát. Những sự phụ thuộc khi ma sát của dây đai qua bánh đai
do ông đưa ra, cho đến nay vẫn được sử dụng trên khắp thế giới.
Trong thời kỳ phát triển công nghiệp ở Liên Xô khoảng 20 năm gần đây đã hình
thành ba trường phái khoa học nghiên cứu quá trình ma sát và mài mòn của giáo sư
I.V.Cragenxky, giáo sư B.I.Côxtexki và muộn hơn là của giáo sư V.A.Bêlưi.
Công trình cơ bản nghiên cứu về ma sát và mài mòn do giáo sư I.V.Cragenxki và
học trò của ông phát triển công trình này, quá trình mài mòn bao gồm ba hiện tượng: Sự
Viện Sau Đại học
-4-
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
tương tác giữa các bề mặt ma sát, sự thay đổi xảy ra trong lớp bề mặt và sự phá huỷ
chúng, những hiện tượng không nối tiếp nhau mà xen kẽ ảnh hưởng lẫn nhau.
B.i.Côxtexki và các học trò đã xuất bản cuốn sách chuyên đề tổng hợp các kết quả
về vấn đề tạo ra cấu trúc thứ cấp khi ma sát trong điều kiện bôi trơn tới hạn, đồng thời
mở ra triển vọng sử dụng cấu trúc thứ cấp ấy như một màng bảo vệ các vật liệu trong cặp
ma sát khỏi bị phá huỷ.
V.A.Bêlưi đã nghiên cứu sử dụng vật liệu polyme cho các kết cấu ma sát. Nhiều kết
quả rất bất ngờ. So với kim loại, polyme có hệ số ma sát nhỏ hơn, mòn ít hơn, ít bị ảnh
hưởng của dao động và va đập, có giá thành rẻ và tính công nghệ cao hơn trong việc chế
tạo các chi tiết. Khả năng làm việc của polyme trong điều kiện bôi trơn bằng nước là một
ưu điểm rất lớn so với kim loại. Tuy nhiên, sự thay thế kim loại bằng polyme không phải
lúc nào cũng có lợi. Đối với kết cấu ma sát, có triển vọng nhất là sự kết hợp của polyme
với các vật liệu khác.
Ở Việt Nam, những tiến hành nghiên cứu về mài mòn của vật liệu trong điều kiện
khí hậu nhiệt đới những biện pháp nâng cao tuổi thọ của những cặp ma sát cơ bản trong
máy, cũng như việc sử dụng chất dẻo để thay thế kim loại. Một số bộ, tổng cục, viện
nghiên cứu và cơ sở sản xuất đã áp dụng kỹ thuật ma sát để nâng cao tuổi thọ và độ tin
cậy của máy đã đạt được kết quả bước đầu rất đáng khích lệ.
III. LÍ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MA SÁT.
1. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MA SÁT.
1.1. ĐỊNH NGHĨA, CÁC THUẬT NGỮ CHÍNH.
Ma sát: là sự mất mát năng lượng cơ học trong các quá trình: khởi động, chuyển
động, dừng.
Ma sát khởi động: là sự mất mát năng lượng cơ học trong quá trình khởi động.
Ma sát động: là sự mất mát năng lượng cơ học trong quá trình chuyển động tương
đối tại vùng tiếp xúc.
Ma sát dừng: là sự mất mát năng lượng cơ học trong quá trình dừng tại vùng tiếp
xúc có chuyển động tương đối.
Lực ma sát: là lực cản chuyển động tương đối của vật thể này trên vật thể khác,
dưới tác động của ngoại lực pháp tuyến với đường phân giới giữa 2 mặt phẳng.
Ma sát ngoại: là ma sát xảy ra giữa 2 bề mặt tiếp xúc của 2 vật thể độc lập với nhau,
khi có chuyển động tương đối.
Ma sát nội: là ma sát xảy ra trong quá trình chuyển động tương đối, trong cùng 1 vật
thể.
Ma sát vĩ mô: là ma sát được kể đến do ảnh hưởng của các yếu tố trên bề mặt tiếp
xúc, cơ, lý, hóa, chất lượng bề mặt, bản chất của vật liệu, các chế độ làm việc,…
Ma sát vi mô: là ma sát được kể đến bản chất vật liệu, tính chuyển động của các
phân tử, tính liên kết hóa học & nhiệt động học dẫn đến sự mất mát năng lượng cơ học.
1.2. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA MA SÁT
1.2.1. Lực ma sát.
Cho đến thế kỷ XX, lực ma sát được tính gần đúng theo công thức:
Fms = µ.FN
Trong đó: FN – lực pháp tuyến với bề mặt tiếp xúc có chuyển động tương đối.
1.2.2. Mômen ma sát.
Viện Sau Đại học
-5-
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
Mms = Fms.R
Trong đó: R – cánh tay đòn tương ứng với lực ma sát Fms.
1.2.3. Công ma sát (năng lượng ma sát) Wms.
Đối với ma sát trượt:
WmsT = EmsT = ∫ Fms dSms
s ms
Trong đó: Sms – quãng đường ma sát.
Đối với ma sát lăn:
WmsL = EmsL = ∫ M ms dϕ L
ϕL
Trong đó: φL – góc lăn.
Đối với ma sát xoay:
WmsX = EmsX =
∫M
ms
dϕ X
ϕX
Trong đó: φX – góc xoay.
1.3. PHÂN LOẠI MA SÁT.
Ma sát được phân loại dưới nhiều dạng khác nhau, chủ yếu được chia ra theo đối
tượng tiếp xúc (ma sát nội, ngoại, vi mô, vĩ ,mô), theo quá trình (chuyển động, dừng,
khởi động, va đập…), theo dạng chuyển động (trượt, lăn, xoay…) & theo trạng thái
chất bôi trơn (rắn, lỏng, khí, Plasma…).
Hình 1: Các dạng tiếp xúc của cặp vật liệu.
1.3.1. Phân loại ma sát theo dạng chuyển động.
Ma sát trượt: là ma sát xảy ra giữa 2 bề mặt tiếp xúc khi chuyển động trượt tương
đối (hình 1.1a) mà vận tốc tại điểm tiếp xúc khác nhau về giá trị & cùng phương.
Ma sát lăn: là ma sát xảy ra giữa 2 bề mặt có chuyển động lăn tương đối, mà vận
tốc tại điểm tiếp xúc cùng giá trị, cùng phương (hình 1.1b).
Ma sát xoay: là ma sát xảy ra giữa 2 bề mặt tiếp xúc do chuyển động xoay tương đối
giữa 2 vật thể (hình 1.1c).
Ma sát hỗn hợp: là ma sát xảy ra giữa các bề mặt có tổng hợp của các dạng ma sát
trượt, xoay & lăn.
1.3.2. Phân loại ma sát theo điều kiện bề mặt.
Ma sát không có chất bôi trơn: là ma sát của 2 vật rắn trên bề mặt của chúng không
có điều kiện khẳng định rõ ràng sự tồn tại của chất bôi trơn hoặc bất kỳ chất nào. Đôi khi
còn gọi là ma sát khô.
Viện Sau Đại học
-6-
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
Ma sát giới hạn: là ma sát giữa 2 vật thể rắn có tồn tại giữa liên kết của chúng 1 lớp
chất bôi trơn (cỡ 0,1µm). Nó có tính chất hoàn toàn khác biệt với tính chất của toàn khối
bôi trơn .
Ma sát ướt: là ma sát giữa 2 bề mặt được phân tách bởi các lớp chất bôi trơn có
chuyển động tương đối với nhau.
Ma sát nửa ướt: là ma sát có đồng thời cả ma sát ướt & ma sát giới hạn.
1.3.3. Phân loại ma sát theo động lực học tiếp xúc.
Ma sát tĩnh: là ma sát xuất hiện giữa 2 bề mặt vật rắn trong trạng thái dịch chuyển
ban đầu vô cùng nhỏ.
Ma sát động: là ma sát xuất hiện giữa 2 bề mặt vật rắn trong quá trình có chuyển
động tương đối ở vùng tiếp xúc.
1.3.4. Phân loại ma sát theo điều kiện làm việc.
Ma sát bình thường: là quá trình ma sát được đặc trưng bởi sự cân bằng động giữa
phá huỷ & phục hồi lớp màng mỏng có tính bảo vệ trên bề mặt ma sát, mà thông thường
là lớp màng oxyt.
Ma sát không bình thường: là ma sát xuất hiện ở chế độ làm việc không bình
thường. Nó thường được thể hiện ở nhiệt độ của cặp ma sát.
Hình 2: Sơ đồ phân loại ma sát
Viện Sau Đại học
-7-
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
2. THÔNG SỐ HÌNH HỌC BỀ MẶT TIẾP XÚC.
Lý thuyết về thông số hình học của bề mặt tiếp xúc dựa trên lý thuyết đàn hồi, dẻo
& kết quả nghiên cứu thực nghiệm về chất lượng bề mặt của các chi tiết khi gia công
bằng các phương pháp công nghệ khác nhau.
Lý thuyết tiếp xúc nhận được từ cấu trúc hình học thực sự của vật rắn & tính chất cơ
lý lý tưởng, nhưng thực tế chỉ tồn tại tính không lý tưởng của bề mặt chi tiết máy. Để
minh họa cho lý do này, các đặc điểm tiếp xúc được xác định nhờ sử dụng lý thuyết
thống kê, từ mô tả biên dạng chiều cao trung bình của các đỉnh nhấp nhô & các quy luật
phân phối các đỉnh nhấp nhô trên bề mặt. Các trường hợp tiếp xúc được biểu thị bằng
công thức tính có độ chính xác đủ cần thiết theo yêu cầu thực tế của kỹ thuật đặt ra.
2.1. TIẾP XÚC CỦA BỀ MẶT.
Ứng suất trong vùng diện tích tiếp xúc phụ thuộc vào 2 dạng tiếp xúc chính của vật
rắn đó là tiếp xúc dẻo & tiếp xúc đàn hồi.
Lý thuyết biến dạng tại vùng tiếp xúc đàn hồi được xác định dựa vào các giả thiết
sau:
1. Chỗ tỉếp xúc ban đầu chỉ là 1 điểm sau đó phát triển thành đường
2. Vùng tiếp xúc phẳng & đồng nhất.
3. Trong vùng diện tích tiếp xúc chỉ xảy ra biến dạng đàn hồi.
4. Chỉ có lực pháp tuyến trên bề mặt tiếp xúc chung.
5. Diện tích tiếp xúc nhỏ so với diện tích bề mặt của vật tiếp xúc.
6. Bỏ qua lực ma sát xảy ra trong vùng tiếp xúc ở thời điểm tải trọng tác dụng.
Diện tích tiếp xúc thông thường là 1 hình elip, nhưng trong 1 số trường hợp đặc biệt
nó có thể là 1 hình tròn hoặc 1 dải được giới hạn bởi các đường song song.
Với vùng tiếp xúc được tạo thành bởi 2 vật thể hình trụ có các trục song song với
nhau là 1 dải dài.
2.2. CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY.
2.2.1. Tính chất cơ lý của lớp bề mặt.
Tính chất cơ lý của các lớp bề mặt chi tiết máy phần lớn khác với tính chất của vật
liệu tạo ra nó. Lớp nguyên tử bề mặt có tương tác lớn, kết quả là lớp bề mặt thường được
phủ bằng các lớp không khí, nước & các chất hữu cơ khác. Lớp bám trên bề mặt là lớp
vật liệu hoạt động làm giảm dần sự tương tác giữa các nguyên tử trên bề mặt.
2.2.2. Đặc điểm hình học của lớp bề mặt.
Tính không đều của bề mặt chi tiết máy được phân thành Sai số hình dạng, Sóng &
Nhấp nhô.
Sai số hình dạng là độ không đều của bề mặt xuất phát từ hình dạng thực của nó
(lồi,lõm, méo, lệch,…).
Sóng có dạng gồm các khe & đỉnh tuần hoàn có chu kỳ, cách nhau 1 khoảng bằng
bước sóng SS & chiều cao HS, thường có
SS
> 40.
HS
Nhấp nhô bề mặt là có vô số đỉnh trong 1 khoảng cách khá ngắn (2÷800 µm) & cao
(0,03÷400 µm).
Viện Sau Đại học
-8-
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
2.3. SỰ TIẾP XÚC CỦA BỀ MẶT CÓ ĐỘ NHÁM LỚN.
2.3.1. Sự tương tác giữa các đỉnh cao nhất của bề mặt.
Khi 2 bề mặt lớn tiếp xúc với nhau bằng 1 lực pháp tuyến trong vùng tiếp xúc, các
đỉnh đối nhau của các bề mặt tiếp xúc sẽ có tổng chiều cao là lớn nhất. Khi tải trọng tăng
lên, các cặp mới của các đỉnh đối diện có tổng chiều cao nhỏ hơn sẽ tiếp xúc với nhau.
Trong quá trình tiếp xúc, các đỉnh này của bề mặt sẽ bị biến dạng, đầu tiên là biến dạng
đàn hồi. Khi tải trọng vượt quá 1 giá trị giới hạn, sự biến dạng này sẽ là biến dạng dẻo
hay biến dạng đàn dẻo.
2.3.2. Diện tích tiếp xúc thực & diện tích tiếp xúc đường bao.
Trong tương tác của các chi tiết máy, có 1 phần đáng kể các bề mặt nằm ngoài vùng
tiếp xúc do độ sóng & sai số hình dạng gây nên. Do vậy, diện tích tiếp xúc hầu như
không phụ thuộc vào diện tích hình học của chi tiết.
Để có thể phân biệt & hiểu được mối liên hệ giữa 3 loại diện tích tiếp xúc, ta xét 2
bề mặt ma sát tiếp xúc nhau:
Khi bề mặt tiếp xúc của 2 vật thể đều là phẳng tuyệt đối, diện tích tiếp xúc danh
nghĩa Adn sẽ đặc trưng cho diện tích ma sát.
Khi bề mặt tiếp xúc của 2 vật thể có 1 bề mặt có sóng, còn bề mặt kia phẳng
tuyệt đối, diện tích tiếp xúc đường bao Ađb sẽ đặc trưng cho diện tích ma sát.
Khi bề mặt tiếp xúc của 2 vật thể đều có sóng, diện tích tiếp xúc thực At sẽ đặc
trưng cho diện tích tiếp xúc ma sát.
A dn
A
A
db
t
Hình 3:
Diện tích tiếp xúc thực At, diện tích tiếp xúc đường bao Ađb & diện tích danh nghĩa Adn
Các kết quả nhóm các vết tiếp xúc trong các vùng khác nhau là ở đỉnh của dạng
sóng; tổng của tất cả các diện tích này là diện tích tiếp xúc đường bao Ađb. Đó là diện tích
của toàn bộ các sóng trong vùng tiếp xúc. Sự tiếp xúc này hiển nhiên là không liên tục do
Viện Sau Đại học
-9-
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
ảnh hưởng của các nhấp nhô bề mặt. Thông thường Ađb = (5÷15)% Adn. Nếu diện tích Adn
không quá rộng & độ sóng có thể bỏ qua thì có thể coi Ađb ≈ Adn.
Diện tích tiếp xúc thực At là diện tích trong phạm vị các độ không phẳng của các
nhấp nhô bề mặt trong vùng tiếp xúc.Diện tích tiếp xúc thực nhỏ, At = (0,01÷0,1)% Adn.
Tải trọng pháp tuyến trên một diện tích tiếp xúc thực là áp suất thực pr. Áp suất
pháp tuyến trên 1 đơn vị diện tích tiếp xúc đường bao là áp suất đường bao pđb.
2.4. PHƯƠNG PHÁP & CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU BỀ MẶT TIẾP XÚC.
Các phương pháp hiện đại nhất để xác định diện tích tiếp xúc thực có thể được chia
thành 5 nhóm:
Phương pháp thu
các thông tin
1. Dựa trên cơ sở Bằng tính dẫn điện
dẫn xuất tiếp xúc
Nhóm phương pháp
Bằng tính dẫn nhiệt
Bằng siêu âm
2. Hình học
Bằng sự tiếp xúc bề
mặt
Bằng dữ liệu thu
được phần lõm
xuống của bề mặt
bởi 1 hình cầu có
bán kính lớn.
3. Dựa trên cơ sở sử Bằng sự gián đoạn
dụng các tấm màng tính phát sáng trên
mỏng
màng mỏng.
Bằng sự gián đoạn
các đồng vị phóng
xạ thu được trên
màng
Bằng việc gián đoạn
của các tấm màng
mỏng cacbon
4. Quang học
Bằng nhiễu phản xạ
toàn phần
Viện Sau Đại học
- 10 -
Ứng dụng
Ghi chú
Các vật liệu trong
tiếp xúc tĩnh & tiếp
xúc trượt
Các vật liệu trong
tiếp xúc tĩnh
1 số vật rắn trong
tiếp xúc tĩnh & trượt
1 số vật rắn trong
tiếp xúc tĩnh &
trượt, Ra ≥ 0,6 µm.
1 số vật rắn trong
tiếp xúc tĩnh tại, Ra
≥ 0,6 µm.
Cần thiết để
xác
minh
bằng
các
phương pháp
khác.
1 số vật rắn trong
tiếp xúc tĩnh tại, Ra
≥ 1,2 µm.
1 số vật rắn trong
tiếp xúc tĩnh tại, Ra
≥ 1,16 µm.
Cần thiết để
xác
minh
bằng
các
phương pháp
khác.
1 trong các bề mặt là
trong suốt, cứng &
nhẵn (phẳng); tiếp
xúc tĩnh & trượt, Ra
≥ 1,16 µm
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
Bằng
thiếu
sự Các bề mặt đều
khuếch tán ở các vết trong suốt; tiếp xúc
tiếp xúc.
tĩnh & trượt, Ra ≥
1,2 µm
Bằng sự thay đổi 1 trong các bề mặt là
hình giao thoa ở các trong suốt, cứng &
vết tiếp xúc.
nhẵn (phẳng) & phủ
1 lớp màng mỏng
phản xạ; tiếp xúc
tĩnh, Ra ≥ 1,2 µm
5. Thay đổi tính chất Bản khắc axit & sự Các bề mặt vật liệu Các phương
lý - hóa trong diện lắng đọng vật liệu trong tiếp xúc tĩnh
pháp
được
tích tiếp xúc
tại các vết tiếp xúc
phát
triển
không
đầy
đủ.
3. CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ MA SÁT.
3.1. ĐỊNH LUẬT MA SÁT THỨ I.
Công của lực ma sát ngoài bằng tổng nhiệt sinh ra & các năng lượng được hấp
thụ (chủ yếu do kim loại) : A = Q + E .
• A – Công của lực ma sát.
• Q – Sinh ra nhiệt.
• E – Năng lượng do kim loại hấp thụ.
Nhận xét:
* Công của lực ma sát ngoài không bao giờ biến hoàn toàn thành nhiệt (A > Q).
* Năng lượng hấp thụ không bao giờ bằng 0 (E = 9-16%). Thực tế E là nguyên
nhân chính gây ra hiện tượng mòn.
* Tỷ số giữa năng lượng bị hấp thụ & công của ma sát ngoài là một đại lượng
thay đổi, phụ thuộc tính chất vật liệu & điều kiện ma sát ngoài:
∆E
A
= f(p,v, c )
9 f - hàm năng lượng hấp thụ tương đối của bề mặt ma sát.
9 p - áp suất.
9 v - tốc độ trượt.
9 c - vectơ thông số ma sát.
Ý nghĩa:
Định luật này cho phép đưa ra khả năng điều khiển quá trình ma sát bằng cách
điều chỉnh quá trình năng lượng để có tỷ số
∆E
ổn định & nhỏ nhất.
A
3.2. ĐỊNH LUẬT MA SÁT THỨ II.
Lực ma sát là tổng các lực thành phần có liên quan đến quá trình cơ lý hoá tất
yếu ứng với điều kiện tiếp xúc nhất định của các vật thể ma sát.
Fms = F1 + F2 + … + F10
Viện Sau Đại học
- 11 -
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
•
•
•
•
•
•
•
•
Chú ý:
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
lực ma sát trong các lớp thuỷ khí động.
lực ma sát tựa thuỷ động - bán trượt (các lớp biên).
lực cản trượt trong các lớp giới hạn.
lực tạo dải tiếp xúc trong lớp bề mặt rất mỏng.
lực tạo ra dao động đàn hồi trong các lớp dưới bề mặt.
lực làm biến dạng các thể tích làm việc vĩ mô.
lực phá huỷ các liện kết bám dính, khuếch tán.
lực tương tác trường phân tử, trường Vander Waals, trường bề mặt với
các khuyết tật của cấu trúc tinh thể.
• F9bt – lực phá huỷ khuyết tật tích luỹ & các cấu trúc thứ cấp.
• F9kbt – lực phá huỷ thể tích vĩ mô kim loại.
• F10 – năng lượng bị khuếch tán ra ngoài.
Ý nghĩa:
F1 –
F2 –
F3 –
F4 –
F5 –
F6 –
F7 –
F8 –
F1 & F2 - xảy ra khi bôi trơn thuỷ động.
- xảy ra trong quá trình ma sát không bình thường.
F9kbt
F3 ÷ F10 trừ F9kbt - xảy ra trong quá trình ma sát bình thường.
Quá trình ma sát bình thường & không bình thường tương ứng với các dạng
liên kết khác nhau.
Quá trình ma sát bôi trơn được đặc trưng bằng tính ổn định của hệ số ma sát
& nó có giá trị nhỏ nhất.
3.3. ĐỊNH LUẬT MA SÁT THỨ III.
Ứng với 1 tổ hợp các thông số (vật liệu, môi trường) nhất định, có 1 vùng của tác
dụng cơ học (p,v) trong đó tích phân của tỷ số năng lượng dự trữ trên công của lực ma sát
lấy trong toàn thể tích bị biến dạng có giá trị cực tiểu.
∫
v
E (v )
= min
A
Hỏng cơ học mạnh &
tróc loại I
v - thể tích kim loại bị biến dạng.
Kết luận:
3 định luật về ma sát cho phép phân tích quá
trình ma sát phức tạp & chỉ ra miền ma sát bình
thường, trong đó gần như toàn bộ công ma sát biến
thành nhiệt.
4. NHỮNG QUY LUẬT MA SÁT THỰC
NGHIỆM.
4.1. SỰ PHỤ THUỘC CỦA HỆ SỐ MA SÁT
VÀO ÁP SUẤT PHÁP TUYẾN f = f(p).
Quan hệ này có 3 vùng đặc trưng:
• I - vùng ổn định, ứng với chế độ làm
việc bình thường của cặp ma sát.
• II - vùng chuyển tiếp.
• III - vùng hỏng, trên đó diễn ra những
quá trình không bình thường(tróc, trầy
xước…).
Viện Sau Đại học
- 12 -
Ma sát
bình
thường
f
Tróc
loại II
Vùng chuyển tiếp
II
III
I
pth1
pth2
p
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
Chế độ ma sát bình thường được xác định bằng hệ số ma sát ổn định & mòn nhỏ
nhất, xảy ra do sự hình thành các cấu trúc thứ cấp trên bề mặt các kim loại chịu ma sát.
Đoạn chuyển tiếp ứng với khả năng thích ứng của bề mặt. Giới hạn của chế độ làm việc
bình thường được xác định bởi áp suất pháp tuyến pth. Khi vượt quá pth sẽ dẫn tới tróc,
dập, cào xước … & mòn mãnh liệt làm nó chuyển nhanh sang trạng thái hỏng.
4.2. SỰ PHỤ THUỘC CỦA HỆ SỐ MA SÁT
VÀO VẬN TỐC TRƯỢT f = f(v).
Quan hệ này có 3 vùng đặc trưng:
• I - vùng bình thường ứng với ma sát
ôxy hóa ổn định: vth1 ≤ v ≤ vth2.
• II - vùng chuyển tiếp - không bình
thường với tróc loại I: v < vth1.
• III - vùng không bình thường với
hiện tượng tróc loại II: vth2 < v.
Vùng ma sát bình thường nằm giữa tốc độ vth1
& vth2 được đặc trưng bởi giá trị ổn định của hệ số
ma sát & mòn cho phép.
Pt h1
P th2
f
f«d
I
II
vth1
III
vth2
v
4.3. SỰ PHỤ THUỘC CỦA HỆ SỐ MA SÁT VÀO VẬN TỐC KHI CÓ BÔI TRƠN.
Đồ thị Stribech chỉ ra sự phụ thuộc của hệ sốµ
ma sát vào áp suất & vận tốc trượt.
I
II
• I - vùng thay đổi ma sát khô.
• II - ma sát giới hạn & nửa ướt.
III
• III - ma sát ướt.
IV
• IV - ma sát trong chế độ bôi trơn rối. µtoi uu
Vtoiuu
vtruot
4.4. SỰ PHỤ THUỘC CỦA HỆ SỐ MA SÁT VÀO CÁC THÔNG SỐ MA SÁT
KHÁC.
Khi cặp ma sát làm việc trong chế độ ổn định bình thường, hệ số ma sát được quyết
định bởi các thông số ma sát như: vật liệu, công nghệ chế tạo, dung sai kích thước của
cặp lắp ghép, kiểu và tính chất của vật liệu bôi trơn v.v... Tác dụng tổng hợp của các
thông số ấy sẽ làm thay đổi các hàm số chủ yếu µ = f(P) và µ = f(v). Ảnh hưởng này
được xác định bởi tập hợp các giá trị thông số véctơ C . Trong trường hợp tổng quát, hệ
số ma sát được biểu diễn bằng toán tử:
µ = A{P ; v; C } bt
Chỉ trong chế độ bình thường hệ số ma sát mới có thể được biểu diễn dưới dạng
hàm số của áp suất hay tốc độ trượt. Hàm này chỉ có ý nghĩa đối với một tổ hợp nhất định
các thông số.
Việc chọn chế độ sử dụng bình thường của bộ phận máy & cơ cấu đối với mỗi cặp
ma sát phụ thuộc vào giá trị tác động cơ học bên ngoài & ảnh hưởng của các thông số gắn
liền với việc xác định những vùng ổn định của các quan hệ cơ bản f = f(p) & f = f(v) &
các vùng dịch chuyển của chúng.
Viện Sau Đại học
- 13 -
Nguyễn Quang Long
Lun vn thc s
ng dng c in t xỏc nh h s s ma sỏt
Vỡ c s ca ch ma sỏt bỡnh thng l ma sỏt ụxy húa nờn nh hng trc ht
ca mụi trng khớ ch yu gn lin vi s cú mt ca ụxy trong vựng ma sỏt. Khi khụng
cú ụxy & cỏc cht ụxy húa khỏc (nh trong chõn khụng) thỡ khụng th cú mũn bỡnh
thng.
à = A { P, v, c}
à = A { P, c}
v ới v = c onst
à = A { v, c}
vớ i P = c onst
k im loại
mô i trờn g
kích thớc của cặp ma sát
thời giai làm việc
nhiệt độ tiếp xúc
bôi trơn khí
bôi trơn rắn
chất phá hoại tính hoá học (hthh)
Chất phá hoại tính bề mặt(htbm)
dầu gốc bôi trơn
phơng pháp gia công
tính chất cơ học
cấu trúc
thành phần hoá học
c
các th ôn g số khá c
5. MA ST KHễNG Cể CHT BễI TRN.
Ma sỏt khụng cú cht bụi trn xy ra cỏc b phanh, truyn ng ma sỏt, trong
kt cu mỏy dt, mỏy thc phm, mỏy hoỏ khi m khụng dựng c cht bụi trn (s
hng sn phm vỡ iu kin an ton) hoc trong cỏc mỏy lm vic nhit cao khi m
bt k cht bụi trn no cng khụng thớch hp.
dng ny ma sỏt cú bn cht c hc phõn t. Trờn din tớch tip xỳc thc cú cỏc
tng tỏc phõn t tỏc dng vi khong cỏch ln hn hng chc ln khong cỏch cỏc
nguyờn t cú trong mng tinh th v tng lờn theo nhit . Dự cú hay khụng lp m
nht (hn nc, cht bn, cht bụi trn) lc phõn t cng dn n s bỏm dớnh. S bỏm
dớnh ny xy ra gia kim loi v mng ụxớt hoc cú th cũn do tỏc ng ca lc hỳt tnh
in. Lc bỏm cng nh lc phõn t t l thun vi din tớch tip xỳc thc. p sut t
vo nh hng n lc ny qua din tớch tip xỳc thc
Lc phõn t v lc bỏm dớnh vuụng gúc vi b mt l ra s khụng sinh cụng khi
cỏc b mt dch chuyn, nhng trờn thc t s dch chuyn ny s kốm theo bin dng
trt. Do s n hi khụng lý tng ca vt liu, cn chi phớ nng lng cho bin dng
Vin Sau i hc
- 14 -
Nguyn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
không thuận nghịch này. Nếu mối liên kết giữa các vật bị phá huỷ ở chỗ sâu hơn so với
bề mặt thì cần đặt lực pháp tuyến lớn hơn. Biểu hiện rõ ràng hơn của lực phân tử là sự
xâm thực bề mặt.
Lực ma sát trong trường hợp này phụ thuộc vào chiều dài vùng xâm thực và sức
cản của sự phân cách nó.
Công thức (1) cho trường hợp này có dạng:
N = T = a.St + b.N
(5)
a - Cường độ trung bình của thành phần phân tử của lực ma sát
St - Diện tích tiếp xúc thực tế.
b - Hệ số đặc trưng cho thành phần phân tử cơ học của lực ma sát
N - áp lực pháp tuyến.
Hệ số ma sát µ =
a.s t
+b
N
(6)
Những biểu thức (5) và (6) cũng sử dụng được cho trường hợp ma sát có bôi trơn.
Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng thành phần của lực ma sát gây ra bởi biến dạng
dẻo bề mặt (tương tác cơ học) thường khá nhỏ (chỉ vài phần trăm của tổng lực ma sát). Ví
dụ như ma sát của các bề mặt kim loại trong chân không có hệ số ma sát lớn (lớn hơn 1).
Nếu đưa không khí vào buồng chân không, chỉ sau một thời gian ngắn, hệ số ma sát đã
giảm đi vài lần trong thời gian này ôxy chưa thể tạo thành màng ôxýt để làm phẳng
những chỗ nhấp nhô hoặc ngăn cản chúng tiến vào. Từ đó, có thể thấy thành phần phân
tử lực ma sát chính là nguyên nhân của sự tăng hệ số ma sát trong chân không. Chú ý
rằng trong ma sát lăn ảnh hưởng này ít hơn.
Ma sát không có chất bôi trơn thường kèm theo sự trượt kiểu bước nhảy của bề
mặt. Gắn liền với hiện tượng này là sự rung của ôtô khi vào khớp, tiếng rít của phanh, sự
giật khi phanh, sự rung động của dao tiện khi cắt. Có thể chỉ ra một số biện pháp chống
xung lực khi ma sát. Đó là tăng độ cứng vững của hệ, tăng tốc độ trượt, chọn cặp ma sát
có hệ số ma sát tăng ít khi thời gian tiếp xúc tĩnh dài và không có cực tiểu. Màng ôxít, độ
ẩm và bụi bẩn trên bề mặt kim loại ảnh hưởng rõ rệt đến hệ số ma sát. Một mặt, lực hút
phân tử giữa chúng có thể nhỏ hơn hàng trăm lần, so với trường hợp tương tác kim loại
sạch. Mặt khác, độ bền của oxýt thường nhỏ hơn độ bền của kim loại. Vì vậy, sức cản
của việc cầy và cắt các phần tử khi dịch chuyển sẽ giảm đi rất nhiều, dẫn đến hệ số ma sát
giảm đi, ngược lại, những màng ôxýt dầy có độ cứng nhỏ hơn, làm tăng sự tiếp giáp thực
tế. Sự tăng của diện tích tiếp xúc thực tế St sẽ nhanh hơn sự giảm đi của thành phần cơ
học lực ma sát. Do đó lực ma sát sẽ tăng dẫn đến hệ số ma sát tăng theo. Ta hãy xem ma
sát các bề mặt kim loại ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phân huỷ của dầu khoáng, nhiệt độ
nóng chảy hay phá huỷ của chất bôi trơn rắn. Ngay cả ở điều kiện không khí rất loãng,
cũng vẫn xuất hiện màng ôxýt trên bề mặt ma sát. Tính chất (sự đồng đều, tỷ trọng và độ
bền liên kết với kim loại) cũng như cường độ tạo thành chúng phụ thuộc vào thành phần
hợp kim. Màng với thành phần thích hợp làm giảm lực ma sát và cường độ mài mòn,
đồng thời bảo vệ bề mặt khỏi bị gỉ và tiếp xúc trực tiếp. Ở không khí loãng, tác dụng bảo
vệ của màng giảm đi.
Để ứng vào thực tế sau đây tôi sẽ trình bày phương án thiết kế máy đo hệ số ma
sát để thấy rõ được những mối liên hệ giữa các cặp ma sát, cũng như sự phụ thuộc của
các yếu tố như: tốc độ trượt, tải trọng vào hệ số ma sát.
Viện Sau Đại học
- 15 -
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ MÁY ĐO HỆ SỐ MA SÁT.
I. MỤC ĐÍCH CHẾ TẠO MÁY ĐO.
Xuất phát từ những lý thuyết về ma sát, bôi trơn và mài mòn, đã được khẳng định
qua các công trình nghiên cứu thực nghiệm của các nhà nghiên cứu về ma sát trên thế
giới và trong nước cùng với thực tế đã chứng minh. Để tiến hành những thực nghiệm xác
định hệ số ma sát và mài mòn của các loại vật liệu khác nhau, khi có tải trọng P, vận tốc
trượt V kèm theo các thông số khác C … tôi đã thiết kế máy đo ma sát này. Hy vọng
chiếc máy có thể phục vụ công việc thể nghiệm cho học viên, sinh viên giúp hiểu rõ hơn
những bài giảng của môn học ma sát, ngoài ra chiếc máy có thể được sử dụng trong các
phòng nghiên cứu để phục vụ một số công tác nghiên cứu khoa học.
II. YÊU CẦU THIẾT KẾ.
Yêu cầu khi thiết kế và chế tạo thiết bị đo hệ số ma sát và mài mòn phải gần giống
với điều kiện làm việc thực tế của cặp ma sát như:
• Có thể thay đổi tải trọng P ở mức độ yêu cầu khác nhau.
• Có thể thay đổi vận tốc trượt V.
• Xác định các hệ số ma sát.
• Kết cấu máy phải gọn nhẹ, dễ thao tác, dễ quan sát.
• Thuận tiện cho quá trình tính toán các thông số yêu cầu
• Độ tin cậy cao, làm việc ổn định.
Máy là một thiết bị chuyên dùng phụ thuộc thí nghiệm:
• Kết cấu bộ truyền đơn giản chỉ gồm bộ truyền đai và ổ lăn.
• Công suất truyền dẫn nhỏ.
• Mô men xoắn giới hạn bé.
• Điều khiển nhẹ nhàng.
• Kết cấu máy gọn nhẹ, vận chuyển dễ dàng.
• Máy được dẫn động bởi động cơ bước và điều khiển bằng vi điều khiển.
• Các thiết bị đo lường đơn giản có sẵn trên thị trường, lắp ráp đảm bảo chính xác
và hiện đại.
Viện Sau Đại học
- 16 -
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
III.CẤU TẠO MÁY ĐO:
6
7
8
5
4
9
10
3
11
2
12
1
14
13
Hình 1 : Máy đo hệ số ma sát
1. Khung đỡ
8. Vít chặn
2. Động cơ bước
9. Nền
3. Trục mẫu
10. Ổ trục
4. Mẫu
11. Trục treo tải cân bằng
5. Khung quay
12. Sensor đo góc – Biến trở
6. Trục quay của cần treo tải
13. Lò xo
7. Cần treo tải
14. Vít- đai ốc
Thông số cơ bản:
• Đường kính mẫu: d = 38 mm
• Vận tốc trượt: v (mm/s). Được tính theo n (vg/ph)
• Tải trọng lớn nhất có thể đặt vào đầu cần 4: Pmax = 400m/s
Yêu cầu đặt ra :
- Điều khiển được tốc độ động cơ trong quá trình thí nghiệm.
Viện Sau Đại học
- 17 -
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
• Đo được góc lệch khung quay.
• Điều khiển trên giao diện hiển thị bằng đồ thị.
IV. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.
Dưới tác dụng của tải trọng Pi và vận tốc trượt Vi, khung quay đi 1 góc α, dựa vào
góc quay đó có thể tính được mô men ma sát.
Fmstt=
GeN i
µ
r
Mẫu trên 4 gắn trên cần 7 bằng vít & được tỳ vào mẫu gắn trên trục 3 (tiếp xúc theo
đường thẳng). Tải trọng Pi được tạo ra bởi động cơ bước 15 qua cơ cấu vít-đai ốc biến
chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, cần 7 quay xung quanh trục 6. Hệ cần 7
& khung quay 5 quay xung quanh trục 3. Cảm biến đo góc 12 gắn liền với khung 1. Khi
tải trọng có giá trị Pi, mẫu 4 tác dụng lên trục mẫu 3 lực Fn. Khi trục mẫu 3 quay với vận
tốc v(m/s) do người điều khiển truyền thông số từ máy vi tính điều khiển động cơ bước
qua bộ truyền đai tới trục mẫu, tại chỗ tiếp xúc của cặp vật liệu xuất hiện lực ma sát Fms
tiếp tuyến với trục 3 ngược chiều quay làm cản trở chuyển động của trục 3 đẩy mẫu 4
cùng khung quay 5 quay. Khi đó cảm biến đo góc 12 ghi nhận những thay đổi và truyền
tín hiệu qua bộ điều khiển về máy vi tính và góc đo được hiển thị trên màn hình tương
ứng lực ma sát tác dụng giữa mẫu 4 & nền 9.
Viện Sau Đại học
- 18 -
Nguyễn Quang Long
Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát
CHƯƠNG 3
ĐỘNG CƠ BƯỚC & ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC TRONG HỆ
THỐNG ĐO HỆ SỐ MA SÁT.
I. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC:
Động cơ điện một chiều có ưu điểm là nhỏ gọn, công suất lớn nhưng khó điều
khiển chính xác vị trí và tốc độ (Bộ điều khiển cần có cơ cấu phản hồi như encoder), cần
có thời gian quá độ để đạt đến một vận tốc nhất định, mômen khởi động lớn, vận tốc bị
ảnh hưởng lớn từ tải.
Động cơ bước có các ưu điểm như sau:
# Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao năng
lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò...) có thể gây nguy hiểm.
# Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ ở
tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn. Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong
vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhờ vào tác dụng hãm lại
của từ trường rotor.
# Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể
điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các
động cơ khác.
# Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới
chất lượng điều khiển. Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải
(khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được). Khi momen tải quá lớn gây ra hiện
tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay.
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành
đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện chính xác các lệnh đưa ra dưới dạng số. Động
cơ bước được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống tự động và nhiều thiết bị
điện tử mà nổi bật là trong các lĩnh vực: Điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm và máy in trong
máy tính, điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển bắt,
bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công,
cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay.
Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều
khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc
các chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết.
Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu
điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của roto
tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ
thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây
stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc
nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn
dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục. (Nhưng thực chất chuyển động đó
vẫn là theo các bước rời rạc).
Viện Sau Đại học
- 19 -
Nguyễn Quang Long
