Giáo trình ma sát mòn - Chương 2

http//www.ebook.edu.vn
1
F. Bôi trơn
1. Bôi trơn màng chất lỏng
1.1. Mở đầu
Sự trợt giữa các bề mặt chất rắn nói chung đợc đặc trng bởi hệ số ma sát cao
và mòn khốc liệt quyết định bởi các tính chất riêng của bề mặt. Sự hấp thụ và hình
thành các lớp màng bề mặt trong không khí cho phép giảm ma sát và mòn sơ với bề
mặt sạch. Tuy nhiên không có gì đảm bảo cho sự tồn tại lâu dài của các lớp màng
này trong quá trình trợt nên các chất bôi trơn phải đợc đa vào vùng tiếp xúc
chung giữa hai bề mặt để giảm ma sát và mòn. Bôi trơn thờng đợc thực hiện ở cả
thể rắn và màng lỏng (khí hoặc chất lỏng).
Bôi trơn thể rắn là sử dụng vật liệu bôi trơn dới dạng bột hoặc lớp màng mỏng
trên bề mặt tiếp xúc để bảo vệ nó khỏi bị phá huỷ trong quá trình chuyển động tơng
đối. Bôi trơn thể rắn đợc sử dụng cho những tiếp xúc trợt hoặc ổ làm việc với tải
trọng lớn và tốc độ thấp hoặc các ổ bôi trơn thuỷ động yêu cầu dừng và khởi động
liên tục.
Một lớp màng mỏng khoảng chiều cao nhấp nhô của các bề mặt đối tiếp sẽ giảm
ma sát và mòn so với tiếp xúc trực tiếp. Một lớp màng dày giữa hai bề mặt trong
chuyển động tơng đối ngăn tiếp xúc xúc trực tiếp giữa hai bề mặt có thể cho hệ số
ma sát rất thấp đến (0,001-0,003) và mòn có thể bỏ qua. Trong phần này các vùng
bôi trơn màng chất lỏng sẽ đợc đề cập trong mối liên hệ với các dữ liệu và phân tích
toán học cũng nh ứng dụng của chúng trong bôi trơn ổ.
1.2. Vùng bôi trơn màng chất lỏng
Có 5 dạng bôi trơn cơ bản là thuỷ tĩnh, thuỷ động, thuỷ động đàn hồi, bôi trơn
hỗn hợp và bôi trơn biên chỉ ra trên hình E-1.

Hình E-1: Mô hình một số dạng bôi trơn.

- Một vùng bôi trơn trong đó một lớp màng dày đợc duy trì giữa hai bề mặt thông
qua một phơng tiện bơm từ bên ngoài mà không cần hoặc chỉ cần một chút chuyển
động tơng đối giữa chúng gọi là bôi trơn thuỷ tĩnh. Bôi trơn thuỷ tĩnh có thể sử dụng
cả chất lỏng nén đợc và chất lỏng không nén đợc. Nhợc điểm của kiểu bôi trơn
này là áp suất chất bôi trơn cao nên cần bơm áp suất cao và các thiết bị làm sạch
dẫn đến tăng chi phí.
- Bôi trơn thuỷ động đôi khi gọi là bôi trơn màng chất lỏng hoặc màng chất lỏng
dày. Bôi trơn thuỷ động đợc thực hiện ở vận tốc cao và chất lỏng có độ nhớt lớn để
http//www.ebook.edu.vn
2
tạo nên khả năng chịu tải cao cho ổ.
Màng chất lỏng này có thể đợc tạo nên bằng một chuyển động tịnh tiến khứ hồi
hoặc dao động theo hớng vuông góc với nhau với biên độ thay đổi hoặc không đổi.
Cơ chế chịu tải dựa vào hiện tợng hiển nhiên là chất lỏng nhớt không thể trào ra
ngoài ngay tức khắc khi hai bề mặt tiến lại gần nhau. Nó cần một khoảng thời gian
nhất định để các bề mặt này tiếp xúc với nhau tuy nhiên do sức cản nén của chất
lỏng nhớt, áp suất đợc tạo nên trong chất lỏng và tải trọng đợc đỡ bởi lớp màng đó.
Khi bỏ tải hoặc khi hai bề mặt tách xa nhau, chất lỏng bị hút vào tạo nên lớp màng
chất lỏng cho kỳ chịu tải tiếp theo. Hiện tợng màng ép điều khiển sự hình thành lớp
màng nớc dới bánh ô tô và máy bay trên đờng hoặc đờng băng ớt gần nh

không có chuyển động trợt tơng đối. Hiệu ứng màng ép đợc ứng dụng để giảm
ma sát tại chỗ tiếp xúc.

Hình E-2: Thông số lớp màng bôi trơn và hệ số ma sát là hàm số của N/P chỉ ra các
vùng bôi trơn chất lỏng khác nhau không có trợ giúp của bơm ngoài.

Bôi trơn thuỷ động là một biện pháp bôi trơn lý tởng bởi vì lớp màng bôi trơn
thờng dày (5 500 àm) hơn chiều cao nhấp nhô của bề mặt ổ loại trừ tiếp xúc trực
tiếp ỏ đỉnh các nhấp nhô bề mặt. Hệ số ma sát giữa hai bề mặt có thể giảm đến
0,001. Ma sát tăng nhẹ khi tăng vận tốc trợt do sức cản nhớt tăng.
http//www.ebook.edu.vn
3
Trong bôi trơn thuỷ động, mòn do dính không xảy ra trong quá trình khởi động và
tắt máy. Tuy nhiên mòn hoá học có thể xảy ra do tơng tác của bề mặt với chất bôi
trơn. Để giảm mòn hoá học ngời ta tạo ra trên bề mặt tiếp xúc một lớp màng trơ với
chất bôi trơn.
- Bôi trơn đàn hồi thuỷ động là một dạng của bôi trơn thuỷ động trong đó biến
dạng đàn hồi tại chỗ tiếp xúc của hai bề mặt đóng vai trò quan trọng trong quá trình
bôi trơn. Lớp màng bôi trơn có chiều dày mỏng hơn (khoảng 0,5-5 àm) và tải trọng
chủ yếu đợc đỡ bởi lớp màng bôi trơn này. Trên một số vùng biệt lập các nhấp nhô
bề mặt có thể chạm vào nhau.
- Vùng chuyển tiếp giữa bôi trơn thuỷ động hoặc đàn hồi thuỷ động và biên
(boundary) gọi là vùng bôi trơn hỗn hợp trong đó hai cơ chế bôi trơn có thể cùng xảy
ra. Tần xuất của các tiếp xúc trực tiếp ở đỉnh nhấp nhô có thể nhiều hơn nhng một
phần tải trọng tác dụng lên ổ đợc đỡ bởi màng bôi trơn thuỷ động. Các tiếp xúc trực
tiếp ở đỉnh các nhấp nhô không đợc bảo vệ có thể dẫn đến một chu kỳ dính, chuyển
vật liệu, sự hình thành hạt mòn và cuối cùng là kẹt. Tuy nhiên khi sử dụng các màng
bôi trơn hoạt tính về hoá, lý có thể ngăn đợc sự dính xảy ra đối với phần lớn các tiếp
xúc nhấp nhô.
- Khi tăng tải, giảm vận tốc hoặc độ nhớt của chất bôi trơn. Hệ số ma sát có thể
tăng mạnh và đạt tới mức cao (khoảng 0,1 hoặc cao hơn). Bôi trơn boundary là dạng

bôi trơn mà các bề mặt rắn tiếp xúc gần nhau tới mức mà tơng tác giữa các lớp
màng đơn hoặc đa phân tử của chất bôi trơn và đỉnh các nhấp nhô rắn quyết định sự
tiếp xúc. Sự phá huỷ bề mặt bôi trơn boundary có thể là dính hoặc hoá học. Chất bôi
trơn boundary hình thành một lớp màng có sức bền cắt thấp (dễ cắt) trên các bề mặt
ổ dẫn đến làm giảm đến tới thiểu mòn do dính và mòn hoá.

1.3. Dòng chảy nhớt và phơng trình Râynôn
1.3.1. Độ nhớt và chất lỏng Niu tơn
1.3.1.1. Định nghĩa
Độ nhớt là lực cần thiết để gây ra sự trợt của một lớp màng chất lỏng. Lực này
là đại lợng đo lực ma sát trong lòng chất lỏng hoặc sức cản trợt. Giả sử có hai mặt
phân cách nhau bằng một lớp chất lỏng có chiều dày h và có chuyển động tơng đối
với vận tốc u
a
nh hình E-2. Lực tác dụng trên một đơn vị diện tích trợt hay ứng suất
cắt tỷ lệ với gradient vận tốc (du/dh) hay tốc độ biến dạng trợt

&
trong lớp chất
lỏng.

dh
du
A
F

===
&
(E-1)
Trong đó

là độ nhớt động lực tuyệt đối.



=
gọi là độ nhớt động học.
Nếu vận tốc là một hàm số liên tục theo chiều dày lớp chất lỏng và không có sự
trợt tại chỗ tiếp xúc giữa chất lỏng và bề mặt rắn thì du/dh = u
a
/h =

&
nên:

h
u
A
F
a

===
&
(E-2)
1.3.1.2. ảnh hởng của nhiệt độ, áp suất và tốc độ trợt đến độ nhớt
Độ nhớt của một chất lỏng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng độ nhớt của
chất lỏng sẽ giảm.

=
0
0
11
exp
TT

(E-3)
http//www.ebook.edu.vn
4
Trong đó:

là hệ số độ nhớt phụthuộc vào nhiệt độ,

và

0
là độ nhớt của chất

lỏng ở nhiệt độ T và T
0
.
Trong trờng hợp chất khí khi nhiệt độ tăng vận tốc của các phân tử tăng làm
tăng mô men transfer dẫn đến tăng độ nhớt.
Khi áp suất trong chất lỏng hoặc khí tăng các phân tử bị đẩy gần nhau hơn làm
tăng lực tơng tác giữa các phân tử dẫn đến tăng độ nhớt. Sự phụ thuộc của độ nhớt
vào áp suất đợc thể hiện theo quan hệ sau đây:


=

0
exp(

p) (E-4)
Trong đó

và

0
là độ nhớt tơng ứng với áp suất p (trên áp suất môi trờng) và
p
0
(áp suất môi trờng).

là hệ số độ nhớt theo áp suất. Kết hợp phơng trình (E-3)
và (E-4) ta có:

+=
0
0
11
exp
TT
p

(E-5)
Khoa học nghiên cứu các tính chất của độ nhớt là một hàm số của tốc độ biến
dạng gọi là fluid rheology. Chất lỏng thoả mãn phơng trình (E-2) gọi là chất lỏng Niu
tơn nếu không gọi là chất lỏng phi Niu tơn. Các chất lỏng với cấu trúc phân tử lỏng
nh nớc và các hạt huyền phù rắn với mật độ cao thể hiện kiểu chất lỏng Niu tơn.
Trong các chất lỏng pseudo-plastic fluids, hiện tợng mỏng xảy ra khi tăng tốc độ
biến dạng gọi là mỏng trợt. Các chất lỏng này thờng có cấu trúc phân tử dài, có
hớng ngẫu nhiên và không có cấu trúc liên kết. Tác dụng của ứng suất tiếp có xu
hớng làm thẳng mạch các phân tử và giảm độ nhớt danh nghĩa. Trong chất lỏng nở

đợc, hiện tợng mỏng xảy ra khi tăng ứng suất trợt gọi là dày trợt. Một số chất
lỏng dẻo (plastic fluids) hay Bingham fluids, để chất lỏng này chảy đợc cần phải tồn
tại một ứng suất cắt nào đó trong lòng chất lỏng.













Hình E-3: Các đờng cong thể hiện sự phụ thuộc của tốc độ biến dạng vào ứng suất
trợt và độ nhớt tuyệt đối của các chất lỏng khác nhau.
Nhiều chất lỏng thể hiện tính phi Niu tơn ở tốc độ biến dạng cao. Độ nhớt bắt đầu
giảm từ một tốc độ biến dạng nhất định và chất lỏng thể hiện tính phi Niu tơn. Trong
một số trờng hợp, ở tốc độ biến dạng cao, chất bôi trơn trở thành dẻo và chỉ có thể
chịu đợc một ứng suất hằng số gọi là sức bền cắt giới hạn

L
. Giới hạn này phụ
thuộc vào cả nhiệt độ và áp suất. Giới hạn này tăng khi áp suất tăng và nhiệt độ
giảm.
1.3.2. Dòng chất lỏng

1.3.3. Các phơng trình

http//www.ebook.edu.vn
5
2. bôi trơn màng chất lỏng
2.1. Bôi trơn thuỷ tĩnh
Bôi trơn thuỷ tĩnh còn gọi là bôi trơn nhờ áp suất bên ngoài. Các bề mặt của ổ
đợc tách rời bằng cách cung cấp một dung dịch (chất lỏng hoặc khí) dới áp suất
nào đó tại bề mặt tiếp xúc chung từ bên ngoài tạo nên độ cứng và giảm chấn của ổ
cao. Kể cả trong quá trình khởi động và tắt máy không tồn tại sự tiếp xúc trực tiếp
giữa hai bề mặt rắn. Bôi trơn thuỷ tĩnh ứng dụng rộng rãi trong các ổ làm việc với tải
lớn và vận tốc thấp trong kính thiên văn, ra đa vvổ bôi trơn thuỷ tĩnh cho độ cứng
và giảm chấn cao tạo nên độ chính xác vị trí cao tải nhẹ vận tốc cao nh ổ của máy
công cụ, khoan răng tốc độ cao, máy li tâm siêu cao tốc. Tuy nhiên bôi trơn thuỷ tĩnh
phức tạp hơn thuỷ động, yêu cầu bơm áp suất cao và lọc chất lỏng cẩn thận.
Hình E-4: Sơ đồ (a) bôi trơn thuỷ tĩnh ổ trợt chặn khoét lỗ mặt đầu (b) Hệ thông
cung cấp chất bôi trơn.

Bằng cách cung cấp dung dịch áp suất cao vào vùng khoét lỗ mặt đầu (hình E-
4(a)), tiếp xúc giữa hai bề mặt ở mặt đầu có thể bị tách ra và lực ma sát sẽ giảm tới
giá trị nhỏ phụ thuộc vào độ nhớt. Việc lựa chọn tỷ lệ diện tích vùng hốc áp suất và
mặt đầu thich hợp quyết định khả năng tải tơng ứng của ổ. Hình E-4(b) mô tả sơ đồ
hệ thống bơm cao áp.

Hình E-5: (a) Mô hình ổ trợt chặn (b) Phân bố ứng suất trong ổ trợt chặn bôi trơn
thuỷ tĩnh khoét lỗ mặt đầu.
http//www.ebook.edu.vn
6
Hình E-4(a) và E-5(a) chỉ ra đặc điểm chính của một ổ trợt chặn khoét lỗ mặt
đầu thiết kế chịu tải theo chiều trục. Chất bôi trơn đợc bơm vào ổ qua bộ lọc. áp
suất chất lỏng p
s
khi đi qua chi tiết bù hay không chế sẽ giảm xuống giá trị p

trớc
khi vào hốc áp suất. Chất lỏng sau đó tràn qua ổ với chiều dày là h nhỏ hơn rất nhiều
so với chiều sâu của hốc áp suất. Mục đích của bộ bù là rút chất lỏng có áp suất cao
từ bể về hốc áp suất. Chi tiết bù cho phép áp suất trong hốc áp suất p

khác với áp
suất từ bơm p
s
, sự khác nhau này phụ thuộc vào tải trọng pháp tuyến. Có ba kiểu chi
tiết bù cho ổ bôi trơn thuỷ tĩnh là ống mạch, lỗ cạnh sắc và van dòng chảy không đổi.
Khảo sát ổ trên hình E-5. Trên hinh vành khăn bán kính r và dr, giả thiết chiều
dày lớp bôi trơn h = const và áp suất không phụ thuộc vào góc

định vị vị trí của
phân tố, chất bôi trơn là không nén đợc. áp dụng phơng trình Raynolds đơn giản
dới dạng toạ độ cực trong vùng r
i
< r < r
0
ta có:

0=










r
p
r
r
(E-6)
Tích phân hai lần ta đợc: p = C
1
lnr + C
2
(E-7)

Thay các giá trị biên: r = r
i
, p = p

và r = r
0
, p = 0 ta có:

)/ln(
0 i
rrr
p
dr
dp

=
(E-8)

Tốc độ dòng chảy thể tích hớng kính trên một đơn vị chu vi trong toạ độ cực xác
định nh sau:

)/ln(1212
00
3
0
3
i
rrr
ph
dr

dph
q


=






=
(E-9)
Và tốc độ dòng chảy thể tích tổng sẽ là: Q = 2

rQ (E-10)
Kết hợp các phơng trình (E-8, 9, 10) ta đợc biểu thức của p theo Q.







=
r
r
h
Q
p

0
3
0
ln
6


(E-11)
Sơ đồ biến thiên áp suất chỉ ra trên hình E-5(b). áp suất giả thuyết phân bố đều
trong hốc áp suất vì chiều sâu của hốc lớn hơn chiều dày lớp chất bôi trơn mặt đầu
hàng trăm lần.
Khả năng tải của ổ đợc xác định nh sau:

( )
( )
( )
( )
i
i
i
r
r
iz
rr
rrp
rdr
rr
rr
pprW
i

/ln2
2
/ln
/ln
0
22
0
0
0
2
0

=+=





(E-12)
Với một dạng hình học của ổ nhất định, khả năng tải của ổ tăng tuyến tính với áp
suất và không phụ thuộc vào độ nhớt. Vì thế bất kỳ chất bôi trơn nào không có tác hại
với vật liệu ổ đều có thể sử dụng. Độ cứng của lớp màng bôi trơn, mô men ma sát
cũng nh năng lợng mất mát có thể xác định theo các công thức trong tài liệu tham
khảo.
Các ổ bôi trơn thuỷ tĩnh có thể sử dụng một hoặc nhiều hốc áp suất hình vành
khăn, phần vành khăn hoặc hình chữ nhật.

2.2. Bôi trơn thuỷ động
Sự hình thành một lớp màng chất lỏng giữa các chi tiết máy có chuyển động
tơng đối với nhau giải quyết rất nhiều vấn đề về bôi trơn trong kỹ thuật. Khác với bôi

trơn thuỷ tĩnh, độ nhớt của chất lỏng, hình dáng hình học và chuyển động tơng đối