Nghiên cứu ứng dụng chất phụ gia đặc biệt nhằm nâng cao tính năng độ bền kỹ thuật và hiệu quả khai thác động cơ diesel công suất nhỏ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.84 MB, 120 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------
VÕ HUY LÂM
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHẤT PHỤ GIA ĐẶC BIỆT
NHẰM NÂNG CAO TÍNH NĂNG ĐỘ BỀN KỸ THUẬT VÀ
HIỆU QUẢ KHAI THÁC ĐỘNG CƠ DIESEL
CÔNG SUẤT NHỎ
Chuyên ngành: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2008
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1:
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2:
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA,
ngày
tháng
năm 2008
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP. HCM
PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH
----------------
CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 21 tháng 01 năm 2008
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:
VÕ HUY LÂM
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh:
30/10/1980
Nơi sinh: Phú Yên
Chuyên ngành:
Công nghệ chế tạo máy
MSHV: 0047214
I- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng chất phụ gia đặc biệt trong bôi trơn nhằm
nâng cao tính năng kỹ thuật và hiệu quả khai thác động cơ Diesel công suất nhỏ.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tìm hiểu về kỹ thuật tribology ma sát, mài mịn, bơi trơn.
Phân tích cơ sở lý thuyết về ma sát, mài mịn, bơi trơn. Khi sử dụng dầu bơi
trơn có và khơng có chất phụ gia.
Thực nghiệm đối chứng và giải thích các thơng số về độ nhớt, chỉ số kiềm
tổng, lượng kim loại tiêu hao, nhiên liệu tiêu hao, đường kính vết mài mịn, khối
lượng tiêu hao, tải trọng phá hủy màng dầu trước và sau khi sử dụng chất phụ gia
Extra – power .
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2008
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2008
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH
Nội dung luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chun ngành thơng qua
Ngày
TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH
tháng
năm
TRƯỞNG KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
LỜI CÁM ƠN
Xin gởi lời chân thành biết ơn sâu sắc đến:
Phó giáo sư - Tiến sỹ Nguyễn Văn Thêm, Trường Đại Học Bách Khoa Tp.
HCM đã trực tiếp tận tình hướng dẫn trong việc nghiên cứu và thực hiện luận
văn.
Các thầy cơ thuộc Khoa Cơ Khí, Phịng Đào tạo sau đại học, Trường Đại Học
Bách Khoa Tp. HCM.
Ths Trần Thắm trưởng phịng thử nghiệm hóa chất và vật liệu Vilas 067 Viện
Cơng Nghiệp Hóa Học Việt Nam
Các bạn trong lớp Cao học CTM khố 2006-2008 đã đóng góp ý kiến, giúp
đỡ, hỗ trợ để hoàn thành luận văn.
Cùng gia đình cha, mẹ, anh, em, bạn bè đã ln ủng hộ, động viên tinh thần,
tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành được luận văn này.
Thành phố Hồ Chí Minh ngày 30 tháng 11 năm 2008
Học viên cao học
Võ Huy Lâm
TĨM TẮT LUẬN VĂN
Phần lớn máy móc bị khư hỏng khơng phải do gãy mà do mịn và do hư hỏng
trong các mối liên kết động. Phục hồi máy móc phải tốn phí, nhiều tiền của, vật tư,
hàng vạn nhân công phải tham gia công việc này, hàng vạn máy móc trong các
phân xưởng cần được sữa chữa. Trong lĩnh vực bảo trì máy móc cơ khí, hiện nay
chủ yếu là hư hỏng rồi thay thế. Vì thế việc đảm bảo cho máy móc vận hành hết
năng suất của nó là công việc rất quan trọng đối với nền kinh tế quốc dân, một
trong những phương pháp cải tiến đó là sử dụng chất bơi trơn cho có thêm phụ gia
để nâng cao tuổi thọ chi tiết máy, mà các quốc gia có nền cơng nghiệp tiên tiến đã
ứng dụng. Nhưng Việt Nam thì chưa ứng dụng. Đó là lý do chúng tôi làm đề tài
này.
Luận văn đã sử dụng một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng của dầu bơi trơn, khi
có và chưa có chất phụ gia, thấy được khả năng nâng cao tuổi thọ của chi tiết máy
cũng như của dầu bơi trơn. Trong q trình ma sát mài mịn và bơi trơn. Kết quả
luận văn đã trình bày tổng quan về quá trình ma sát mài mịn và bơi trơn, cơ sở lý
thuyết của q trình bôi trơn khi thêm chất phụ gia, khảo nghiệm đối chứng với các
lý thuyết đã nêu.
ABSTRACT
Most of mechanical elements are affected, not break, because of wear in
active link. To recover mechanism must cost good money. A lot of workers have
to do this work. A lot of machines need to repair in workshop. In the field
maintenance service, Most of mechanical elements are replaced after damage.
Also, to maintain machines operation is an important public economy. One of
method of improvements use lubricant oil additive to improve service life of
machinery, nations having advanced industry applied as a new method. it was
reason that make this topic.
This thesis uses number standards for evaluation of lubricant when it have oil
additive and no oil additive to analyse as a method of improvements use lubricant
oil additive to improve service life of machinery and life of lubricant. In the field
tribology. Thesis result presented general tribology, theoretical tribology when use
use lubricant oil additive and experiment for the theoretics.
MỤC LỤC ĐỀ CƯƠNG
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1
Chương 1. Tổng quan về kỹ thuật ma sát..................................................... 2
1.1. Ma sát. ......................................................................................................... 3
1.1.1 Phân loại ma sát .................................................................................... 3
1.1.2 Các định luật cơ bản về ma sát ............................................................ 6
1.1.3 Những qui luật thực nghiệm ma sát .................................................. 11
1.1.4 Các phương pháp tính hệ số ma sát .................................................... 16
1.2. Hao mòn cặp chi tiết ma sát ..................................................................... 18
1.2.1 Cơ chế mòn của các bề mặt kim loại ................................................. 18
1.2.2 Các giai đoạn mòn của cặp ma sát ...................................................... 20
1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng hao mòn và hư hỏng ....................................... 21
1.2.4 Các phương pháp tính mịn của cặp ma sát ........................................ 22
1.3. Bơi trơn .................................................................................................... 24
1.3.1 Q trình nghiên cứu bơi trơn cặp chi tiết ma sát .............................. 24
1.3.2 Phân loại kỹ thuật bôi trơn.................................................................. 26
1.3.3 Các đại lượng đặc trưng của dầu bôi trơn........................................... 26
1.3.4 Nhiệm vụ chất bôi trơn ....................................................................... 27
1.3.5 Các lý thuyết bôi trơn ......................................................................... 28
1.4 Ảnh hưởng của chất phụ gia trong dầu bơi trơn ........................................ 32
1.5 Tình hình nghiên cứu chất phụ gia bơi trơn để nâng cao tuổi thọ cặp chi
tiết ma sát ...................................................................................................................... 32
1.5.1 Tình hình nghiên cứu chất phụ gia bơi trơn trên thế giới ................... 32
1.5.2 Tình hình nghiên cứu chất phụ gia bôi trơn ở Việt Nam.................... 33
1.5.3 Xác định đề tài nghiên cứu ................................................................. 33
1.5.4 Ý nghĩa khoa học của đề tài................................................................ 34
Chương 2. Cơ sở lý thuyết về ma sát và mài mòn khi sử dụng chất
phụ gia trong dầu bơi trơn....................................................................................... 35
2.1 Lý thuyết về ma sát ngồi .......................................................................... 36
2.1.1 Các định nghĩa ma sát ngoài ............................................................... 36
2.1.2 Bản chất ma sát ngoài ......................................................................... 37
2.1.3 Sự phụ thuộc chất lượng bề mặt tiếp xúc ........................................... 39
2.1.4 Biến dạng khi ma sát ngồi ................................................................. 41
2.1.5 Bám dính và khuếch tán khi ma sát .................................................... 42
2.1.6 Tác dụng chất hoạt hóa bề mặt ........................................................... 43
2.1.7 Quá trình phá hủy khi ma sát .............................................................. 46
2.1.8 Các tính chất cơ lý hóa và trạng thái ứng suất của lớp bề mặt tiếp
xúc ................................................................................................................................. 47
2.1.9 Trạng thái ban đầu và trạng thái làm việc .......................................... 50
2.1.10 Những thông số thay đổi chất lượng bề mặt..................................... 51
2.2 Lý thuyết bôi trơn....................................................................................... 54
2.2.1 Bôi trơn giới hạn màng dầu ................................................................ 54
2.2.2 Cơ học và hóa lý học về tác dụng chất bôi trơn ................................. 57
2.3 Cơ sở lý thuyết về chất phụ gia ............................................................ 59
2.3.1 Tổng quan chất phụ gia dầu bôi trơn .................................................. 59
2.3.2 Chất phụ gia Extra – power ................................................................ 64
2.3.3 Các thông số lý – hóa của dầu bơi trơn .............................................. 67
2.3.4 Các loại phụ gia thường dùng ............................................................. 70
2.3.5 Chức năng của dầu động cơ ................................................................ 74
2.3.6 Độ tin cậy động cơ ............................................................................. 76
Chương 3. Thực nghiệm đối chứng trước và sau khi có chất phụ gia. 77
3.1 Phân tích đánh giá chất lượng của dầu động cơ khi sử dụng phụ gia
Extra – power và tình trạng của động cơ ...................................................................... 78
3.1.1 Mục đích thí nghiệm ........................................................................... 78
3.1.2 Đặc điểm của phụ gia Extra – Power ................................................. 80
3.1.4 Điều kiện thử nghiệm ......................................................................... 82
3.1.5 Độ nhớt ............................................................................................... 83
3.1.6 Trị số kiềm tổng .................................................................................. 86
3.1.7 Hàm lượng kim loại tiêu hao .............................................................. 89
3.1.8 Lượng tiêu hao nhiên liệu ................................................................... 92
3.1.8 Nhận xét .............................................................................................. 93
3.2 Phân tích thử nghiệm tính năng chống ma sát tăng tải trọng phá hủy,
giảm mài mòn của extra – power ................................................................................. 95
3.2.1 Phân tích thử nghiệm tính năng chống mài mòn, giảm ma sát của
phụ gia Extra – Power theo phương pháp ASTM D 4172 ............................................ 95
3.2.2 Phân tích thử nghiệm tính năng chống mài mịn, giảm ma sát của
phụ gia Extra – Power theo phương pháp ASTM D 2714 ............................................ 99
3.2.3 Thí nghiệm xác định tải trọng phá hủy trong giai đoạn mòn khốc
liệt khi tiếp xúc điểm ................................................................................................... 102
3.2.4 Nhận xét ............................................................................................ 104
Chương 4 Kết luận và đề xuất..................................................................... 106
4.1 Kết luận .................................................................................................... 106
4.2 Đề xuất ..................................................................................................... 107
Lời kết ............................................................................................................... 108
Tài liệu tham khảo
Trang 1
LỜI MỞ ĐẦU
------oOo-----Tính cấp thiết của đề tài
Phần lớn máy móc bị khƣ hỏng khơng phải do gãy mà do mòn và do hƣ hỏng
trong các mối liên kết động. Phục hồi máy móc phải tốn phí, nhiều tiền của, vật tƣ,
hàng vạn nhân công phải tham gia công việc này, hàng vạn máy móc trong các phân
xƣởng cần đƣợc sữa chữa. Trong nghị quyết của Đại hội Đảng Cộng Sản Liên Xơ lần
thứ XXIII có nhấn mạnh rằng, một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất đƣợc đặt ra
cho nền công nghiệp là nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của các máy móc, dụng cụ và
trang thiết bị [22].
Chất lƣợng làm việc của các thiết bị cơ khí mà thực chất là chất lƣợng làm việc
của các cặp bề mặt tiếp xúc chịu ảnh hƣởng rất lớn của đặc tính ma sát giữa chúng. Các
ảnh hƣởng này thể hiện qua nhiệt độ làm việc, rung động, tuổi thọ và độ tin cậy của
cặp ma sát. Chúng ta đều biết rằng hơn một nửa nhiên liệu dùng để chạy ôtô, đầu máy
xe lửa và các phƣơng tiện giao thông khác thực chất là để khắc phục trở lực do ma sat
gây nên trong các chi tiết máy. Hiệu suất nhiều thiết bị thấp chủ yếu do ma sát. Thí dụ
hiệu suất hộp giảm tốc của máy cơng cụ là 0,7; hiệu suất của bộ truyền đai ốc – vít me
là 0,25.
Hiện nay, ngành cơ khí của Việt Nam mỗi năm tạo ra 1 tỷ USD trong 45 tỷ USD
GDP của cả nƣớc, nhƣng đồng thời cả nƣớc tiêu mất 4 tỷ USD cho cơng tác bảo trì và
sữa chữa thiết bị. Ta thấy việc nghiên cứu về các điều kiện ma sát học có ý nghĩa với
cơng tác thiết kế chế tạo máy.
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 2
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MA SÁT
Cơ sở khoa học của ma sát học (Tribology) dựa trên các thành tựu mới nhất của
các ngành vật lý, hóa học, vật liệu…..
Ma sát học là một ngành khoa học nghiên cứu 3 lĩnh vực:
Ma sát (friction).
+Phân loại ma sát.
+Các định luật cơ bản về ma sát.
+Những qui luật thực nghiệm ma sát.
+Các phƣơng pháp tính hệ số ma sát.
Mài mòn (wear).
+Cơ chế mòn của các bề mặt kim loại.
+Các giai đoạn mòn của cặp ma sát.
+Các yếu tố ảnh hƣởng hao mịn và hƣ hỏng.
+Các phƣơng pháp tính mịn của cặp ma sát.
Bơi trơn (lubrication).
+Q trình nghiên cứu bôi trơn cặp chi tiết ma sát.
+Phân loại kỹ thuật bôi trơn.
+Các đại lƣợng đặc trƣng của dầu bôi trơn.
+Nhiệm vụ chất bôi trơn.
+Các lý thuyết bôi trơn.
Ảnh hƣởng của chất phụ gia trong dầu bơi trơn.
Tình hình nghiên cứu chất phụ gia bơi trơn để nâng cao tuổi thọ cặp chi
tiết ma sát.
+Tình hình nghiên cứu chất phụ gia bơi trơn trên thế giới.
+Tình hình nghiên cứu chất phụ gia bôi trơn ở Việt Nam.
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 3
+Xác định đề tài nghiên cứu.
+Ý nghĩa khoa học của đề tài.
1.1 MA SÁT.
Theo quan điểm cổ điển :
Lực ma sát Fms tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến N:
F ms . N
(1.1)
N tải trọng pháp tuyến.
hệ số ma sát. const.
Quan điểm hiện đại :
Ma sát là kết quả của nhiều dạng tƣơng tác phức tạp khác nhau, khi có sự tiếp xúc
và dịch chuyển hoặc có xu hƣớng dịch chuyển tƣơng đối giữa hai vật thể, trong đó diễn
ra các q trình cơ, lý, hố, điện... quan hệ của các q trình đó rất phức tạp phụ thuộc
vào đặc tính tải, vận tốc trƣợt, vật liệu và môi trƣờng.
F ms . N
(1.2)
hệ số ma sát.
f ( p,v, c ). p,v : áp lực và vận tốc chuyển động
c
điều kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia cơng, mơi
trƣờng)
1.1.1 Phân loại các dạng ma sát.
1.1.1.1. Phân loại ma sát theo dạng chuyển động.
Căn cứ vào dạng chuyển động của bề mặt ma sát có : ma sát trƣợt, ma sát lăn, ma
sát xoay và ma sát hỗn hợp.
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 4
a)
b)
Hình 1.1. các dạng ma sát
theo căn cứ chuyển động
c)
Ma sát trƣợt là ma sát giữa hai bề mặt của vật rắn có chuyển động tƣơng đối, vận
tốc tại các điểm tiếp xúc có giá trị và phƣơng nhƣ nhau (hình 1.1 a).
Ma sát lăn là ma sát giữa hai bề mặt của vật rắn có chuyển động lăn tƣơng đối,
vận tốc tại các điểm tiếp xúc có thể khác nhau về giá trị nhƣng ln có phƣơng nhƣ
nhau (hình 1.1 b).
Ma sát xoay là ma sát giữa hai bề mặt có chuyển động xoay tƣơng đối, vận tốc tại
các điểm tiếp xúc có thể khác nhau về giá trị và về phƣơng (hình 1.1 c).
Ma sát hỗn hợp là ma sát giữa các bề mặt có tổng hợp các dạng ma sát trƣợt, lăn
và xoay.
1.1.1.2 Phân loại ma sát theo điều kiện bề mặt.
Căn cứ vào điều kiện của bề mặt tiếp xúc, ta có: ma sát khơ, ma sát bôi trơn giới
hạn, ma sát ƣớt và ma sát nửa ƣớt.
Ma sát khô là ma sát của hai vật rắn tiếp xúc khi trên các bề mặt của chúng khơng
có điều kiện khẳng định rõ ràng sự tồn tại của chất bơi trơn hoặc bất kì chất nào.
Ma sát bôi trơn giới hạn là ma sát của hai vật rắn khi giữa liên kết của chúng tồn
tại một lớp chất lỏng rất mỏng có cơ tính hồn tồn khác khối chất bôi trơn (chiều dày
từ cỡ phân tử đến 0,1 μm). Ma sát bôi trơn giới hạn cũng xảy ra khi bôi trơn bằng chất
rắn, chiều dày màng dầu rất mỏng.
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 5
Ma sát ƣớt là ma sát giữa hai bề mặt vật rắn đƣợc phân tách hồn tồn bởi chất
bơi trơn có chuyển động tƣơng đối. Khi đó tập hợp tấc cả các ứng suất tiếp tạo thành là
lực ma sát.
Ma sát bôi trơn nửa ƣớt là ma sát giữa hai bề mặt vật rắn khi giữa chúng tồn tại cả
bôi trơn giới hạn và bôi trơn ƣớt.
1.1.1.3. Phân loại ma sát theo động học tiếp xúc:
Căn cứ vào động học tiếp xúc ta có ma sát tĩnh và ma sát động.
Ma sát tĩnh là ma sát xuất hiện giữa hai bề mặt vật rắn trong trạng thái dịch
chuyển ban đầu, khi đó thơng thƣờng thì lực ma sát sẽ ngăn cản biến dạng của lớp bề
mặt.
Ma sát động là ma sát xuất hiện giữa hai bề mặt vật rắn trong q trình đó có sự
chuyển động tƣơng đối ở vùng tiếp xúc, trong trƣờng hợp này lực ma sát sẽ thúc đẩy
quá trình biến dạng trên bề mặt mỏng và làm tăng diện tích tiếp xúc.
1.1.1.4. Phân loại ma sát theo điều kiện làm việc:
Dựa vào điều kiện làm việc ta phân thành hai loại ma sát : ma sát bình thƣờng và
ma sát khơng bình thƣờng.
Ma sát bình thƣờng là quá trình ma sát đƣợc đặc trƣng bởi sự cân bằng động giữa
phá hủy và phục hồi lớp màng mỏng có tính bảo vệ bề mặt ma sát, mà thơng thƣờng là
lớp màng ơxýt. Trong q trình chạy rà, điều kiện ma sát bình thƣờng sẽ dần đƣợc thiết
lập một cách tự phát trong các khớp ma sát.
Ma sát khơng bình thƣờng là loại ma sát khơng đƣợc phép xảy ra trong các khớp
ma sát, khi đó đỉnh nhấp nhô sẽ thâm nhập vào gây cầy, xƣớc hoặc cắt vi mơ,v v.. Khi
đó tấc cả các đặc tính tiếp xúc sẽ thay đổi hồn tồn. Nói cách khác sự cân bằng động
giữa phá hủy và phục hồi lớp màng thứ cấp có tính bảo vệ sẽ bị phá vỡ.
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 6
1.1.2 Các định luật cơ bản về ma sát.
Ma sát ngồi là q trình tiêu hao năng lƣợng khi hai vật thể rắn có sự chuyển
động tƣơng đối ở vùng tiếp xúc thực dƣới tác dụng của tải trọng ngoài. Các định luật
tổng quát về bảo toàn năng lƣợng, chuyển động và các nguyên lý cựu tiểu đƣợc ứng
dụng trong điều kiện ma sát và mài mịn bình thƣờng, cho phép hoàn toàn xác định
đƣợc mối quan hệ giữa các dạng tƣơng tác khác nhau trong quá trình ma sát.
1.1.2.1 Định luật 1.
Với ý nghĩa tổng quát nhất, quá trình ma sát ngồi là q trình chuyển từ chuyển
động cơ học vĩ mô của các vật rắn tiếp xúc ma sát thành chuyển động vi mô và siêu vi
mô bên trong, kèm theo sự sinh nhiệt và sự thay đổi cấu trúc bên trong của những phần
thể tích bề mặt tế vi tham gia vào quá trình. Theo định luật nhiệt động thứ nhất, q
trình ma sát ngồi đƣợc biểu diễn bằng quan hệ :
A Q Enn Es Et Ec
(1.3)
Trong đó :
A Cơng của lực ma sát.
Q Nhiệt lƣợng sinh ra.
Enn Lƣợng thay đổi nội năng.
Es Số gia của năng lƣợng bề mặt.
Et Năng lƣợng tiêu tán bên ngoài.
Ec Công dùng để cắt và trƣợt trong lớp giới hạn.
Trên thực tế năng lƣợng tiêu tán bên ngoài Et và số gia của năng lƣợng bề mặt
Es là rất nhỏ và có thể bỏ qua.
Định luật thứ nhất của ma sát ngồi đƣợc phát biểu nhƣ sau:
„Cơng của ma sát ngoài bằng tổng của nhiệt sinh ra và các năng lượng được hấp
thụ ‟ (chủ yếu do kim loại ).
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 7
A Q E
E
Tổng số độ tăng nhiệt hàm của bộ phận ma sát, vì độ tăng nhiệt hàm của
dầu bơi trơn khơng lớn nên có thể coi là năng lƣợng do kim loại hấp thụ.
∆E > 0 ( Không bao giờ năng lƣợng hấp thụ bằng 0).
Tỷ số giữa năng lƣợng bị hấp thụ và công của ma sát ngoài là một đại lƣợng thay
đổi, phụ thuộc vào tính chất vật liệu và điều kiện ma sát ngồi.
E
E
const hay
f p , v, c
A
A
Trong đó:
p – áp suất.
v – vận tốc trƣợt.
c – vectơ thông số ma sát phụ thuộc vào tính chất vật liệu, môi trƣờng, nhiệt
độ..v.v…
Tỷ số giữa năng lƣợng bị hấp thụ và cơng của ma sát ngồi đƣợc gọi là hàm năng
lƣợng hấp thụ tƣơng đối của bề mặt ma sát.
Các sơ đồ nguyên tắc mô tả những quan hệ năng lƣợng có thể đối với khoảng
biến thiên tƣơng ứng của các tác động cơ học là áp suất p và vận tốc chuyển động v
đƣợc trình bày trên hình 1.2
Định luật thứ nhất cho phép ta đƣa ra khả năng điều chỉnh quá trình ma sát bằng
cách điều chỉnh cân bằng năng lƣợng để có tỷ số
HVTH: VÕ HUY LÂM
E
ổn định và nhỏ nhất.
A
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 8
f
E
min
A
I
E
min
A
E
max
A
IV
E
min
A
III
II
p
a)
f
E
min
A
I
E
min
A
E
max
A
IV
E
min
A
III
II
v
b)
E
đối với các vùng ma sát khác nhau
A
Khi thay đổi áp suất pháp tuyến. b) Khi thay đổi tốc độ chuyển động v
– vùng chuyển tiếp ứng với giá trị p,v nhỏ
– vùng ma sát ngồi bình thường.
– vùng phá hoại cân bằng.
– vùng phát triển các q trình khơng bình thường.
Hình 1.2 Quan hệ năng lượng
a)
I
II
III
VI
1.1.2.2. Định luật 2.
Trên cơ sở phân tích ma sát ngồi trong các mối quan hệ với các quá trình xảy ra
tring vùng tiếp xúc, cho phép ta phát biểu định luật thứ 2 của lý thuyết ma sát nhƣ sau:
„Lực ma sát là tổng hợp các lực thành phần được dùng để làm tiến triển các q trình
cơ lý hóa tất yếu ứng với điều kiện tiếp xúc nhất định của các vật thể ma sát’.
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 9
Fms F1 F2 F3 F4 F5 ......... F10
(1. 4)
Trong đó :
Fms – Tổng lực của các dạng liên kết chủ yếu.
F1 –Lực ma sát bên trong của các lớp thủy khí động.
F2 – Lực ma sát tựa thủy động (các lớp biên) sự bám trƣợt.
F3– Lực trƣợt trong các lớp giới hạn.
F4 – Lực hình thành dải trong các lớp bề mặt kim loại vật mỏng
(từ 100 † 400A0).
F5– Lực tạo ra trong quá trình dao động đàn hồi trong các lớp bề mặt.
F6 – Lực biến dạng của các lớp thể tích bề mặt vĩ mơ – các thành phần cơ học.
F7 – Lực phá hoại các liên kết khuyếch tán (thành phần kết dính).
F8 – Lực tƣơng tác của trƣờng phân tử của các pha rắn.
F9BT – Lực phá hủy các khuyết tật tích lũy và làm tan rã cấu trúc thứ cấp
F9KBT – Lực phá hủy thể tích vĩ mơ kim loại.
F10 – Lực tản mát năng lƣợng ngồi (do dao động âm, phát xạ..v.v).
Thật vậy liên kết là một trong những lực gây ra ma sát. Căn cứ vào thành phần
lực nói trên ( dạng liên kết chủ yếu) có thể xác định các dạng ma sát chủ yếu sau:
+ Chế độ thủy khí động
….F1 & F2.
+ Quá trình ma sát bình thƣờng
F3, F4 , F5, F8 , F9BT ,F10
+ Q trình ma sát khơng bình thƣờng
F6 ,F7 ,F8 , F9KBT ,F10
Cần khẳng định lại rằng quá trình ma sát bình thƣờng và ma sát khơng bình
thƣờng tƣơng ứng với các dạng liên kết khác nhau. Quá trình ma sát đƣợc quan tâm lớn
nhất và có ý nghĩa to lớn đối với thực tiễn là quá trình ma sát bình thƣờng. Quá trình
ma sát bình thƣờng đƣợc đặc trƣng bằng tính ổn định của hệ số ma sát và giá trị của hệ
số ấy là nhỏ nhất.
1.1.2.3. Định luật thứ 3
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 10
Giai đoạn chuyển động bình thƣờng ln gắn liền với dạng chuyển đổi và phá
hủy nhất định của bề mặt. Trong những điều kiện làm việc thơng thƣờng đó là q
trình cơ lý hóa của ma sát, mịn oxy hóa. Các hiện tƣợng diễn ra trong các lớp bề mặt
của vật thể của vật thể ma sát ở điều kiện bình thƣờng có liên quan tới ba trạng thái
ứng suất sau :
+ Ở giới hạn phân chia các pha rắn diễn ra sự dịch chuyển và sự trƣợt của lớp tới
hạn, kết quả làm nảy sinh và phá hủy các liên kết phân tử có bản chất phân tán.
+ Trong các lớp bề mặt rất mỏng (100 † 1000A0) diễn ra biến dạng mạnh và có
hƣớng sự tạo dải.
+ Trong các lớp nằm bên dƣới có q trình lan truyền (dạng sóng)của các biến
dạng đàn hồi có liên quan tới dịch chuyển tƣơng đối của vật thể ma sát.
Ba trạng thái biến dạng - ứng suất đƣợc thể hiện trên hình 1.3
v
N
F
F1
F2
F3
Hình 1.3 Ba trạng thái biến dạng - ứng suất. N – tải pháp tuyến, F – lực tiếp tuyến
F1 – lực liên kết do sự trượt của lớp giới hạn tạo nên, F2 – lực liên kết do sự biến dạng có
hướng ( tạo dải ) của các lớp bề mặt tạo nên, F3 – lực liên kết do sự biến dạng sóng đàn
hồi tạo nên
Có thể diễn giải q trình mịn bình thƣờng theo ba giai đoạn: biến dạng và hoạt
hóa, hình thành các cấu trúc thứ cấp và phá hủy các cấu trúc thứ cấp.
Định luật ba đƣợc phát biểu nhƣ sau : „Ứng với một tổ hợp các thông số (vật liệu,
môi trường) nhất định, có một vùng của tác dụng cơ học trong đó tích phân của tỷ số
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 11
năng lượng dự trữ trên công của lực ma sát lấy trong tồn thể tích bị biến dạng có giá
trị cực tiểu‟.
E d
min
A
(1.5)
Vùng ma sát bình thƣờng đƣợc trình bày bằng sơ đồ ở hình 1.4, trong vùng đó
gần nhƣ tồn bộ cơng ma sát bị biến thành nhiệt.
Định luật thứ ba cho phép phân tích các thông số chủ yếu trong miền ổn định của
các điều kiện ma sát khác nhau.
Ba định luật ma sát cho phép phân tích q trình ma sát phức tạp và chỉ ra miền
bình thƣờng (ổn định), xác định các giới hạn chuyển sang các hiện tƣợng hƣ hỏng và
nghiên cứu giảm ma sát trong vùng ổn định. Từ đó có thể điều khiển có hiệu quả các
q trình ma sát nhằm cải thiện tính chống mịn, tính chống ma sát và tính mong muốn
của các cặp ma sát.
p
III
Hình 1.4 Sơ đồ vị trí các vùng ma sát
bình thường và khơng bình thường.
I – Vùng ma sát bình thƣờng; II –
I
II
Vùng chuyển tiếp; III – Hƣ hỏng cơ
học và tróc loại I; IV – Tróc loại II
IV
v
1.1.3. Những quy luật ma sát thực nghiệm.
1.1.3.1 Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào áp suất pháp tuyến f f p
Quan hệ này có ba vùng đặc trƣng nhƣ trên hình 1.5
I – Vùng ổn định ứng với chế độ làm việc bình thƣờng của cặp ma sát (mịn ôxy
hóa).
II – vùng chuyển tiếp.
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 12
III – Vùng hƣ hỏng, trên đó diễn ra những q trình khơng bình thƣờng (tróc, cầy,
xƣớc v..v…).
f
II
I
III
p
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc
Vào áp suất pháp tuyến f f p
Chế độ ma sát đƣợc xác định bằng hệ số ma sát ổn định và mòn nhỏ nhất, xảy ra
do sự hình thành cấu trúc thứ cấp bên trên bề mặt. Đoạn chuyển tiếp ứng với khả năng
thích ứng của bề mặt, trong đó hàm f f p có thể có tính chất khác nhau (đƣợc biểu
diễn bằng nét đứt trong vùng II hình 1.5). Giới hạn của chế độ làm việc bình thƣờng
(ma sát bình thƣờng) đƣợc xác định bởi áp suất pháp tuyến tới hạn pth. Khi vƣợt quá pth
sẽ dẫn tới hiện tƣợng tróc, dập, cào xƣớc và những q trình khơng bình thƣờng khác
với cƣờng độ khác nhau (nét đứt trên đồ thị hình 1.5) đặc trƣng cho dao động lớn của
lực ma sát) và mịn mãnh liệt do đó nó chuyển nhanh sang trạng thái hƣ hỏng.
Khi thay đổi các thông số ma sát (điều kiện) sẽ làm cho vùng ổn định biến đổi, nó
đƣợc thể hiện trên hình 1.6.
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 13
f
f
fođ
n
fođn
fođ1
fođn
n
fođ1
o
o
pth1
fođ
pth1
pthn
pthn
Hình .1.6 Sự mở rộng vùng ổn định khi thay đổi điều kiện ma sát đồng thời làm việc
(các đường cong 1→n ) a) giảm fôđ; b) tăng fôđ
1.1.3.2 Sự phụ thuộc hệ số ma sát vào vận tốc f f v
Quan hệ này có ba vùng đặc trƣng, hình 1.7, nhƣ sau:
f[v]
fođn
I
III
II
I
O
vth,
vth,,
v
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát
phụ thuộc vận tốc trượt f f v
I – Vùng bình thƣờng, ứng với ma sát ơxy hóa ổn định: vth, v vth,,
II – vùng chuyển tiếp, khơng bình thƣờng với tróc loại I ( 0vvth, ).
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 14
III – Vùng khơng bình thƣờng với hiện tƣợng tróc loại II ( v vth,, ).
,
,,
Vùng ma sát bình thƣờng nằm giữa vận tốc vth và vth đƣợc đặc trƣng bởi giá trị
ổn định của hệ số ma sát và mịn cho phép. Nó đƣợc quyết định bởi cực tiểu hóa chiều
dày của lớp biến dạng dẻo và sự hình thành cấu trúc thứ cấp tùy thuộc vào sự thay đổi
của các thông số ma sát. Đồ thị f f v có thể dịch chuyển đƣợc trình bày trên hình
1.8.
f
f
1
fơđ1
fơđn
o
f a)
n
vth,
,,,
vthn
v
vth,, 1
1
fơđ1
fơđn
c)
v
,
th
fơđ1
o
f
fơđn
1
b)
vth,
vth,, 1
,,,
vthn
,,
th1
v
,,,
v
vthn
v
vth,,,
fơđ1
n
o
n
fơđn
1
o
d)
vth,
,,
th1
v
,,,
vthn
v
Hình 1.8. Sự mở rộng vùng ổn định khi thay đổi điều kiện ma sát đồng thời làm
việc (1 n ) a) giảm fôđ, vth, const b) tăng fôđ, vth, const
c) giảm fôđ, vth,, const d)tăng fôđ, vth,, const
1.1.3.3 Sự phụ thuộc của hệ số ma sát khi có bơi trơn.
Đồ thị Stribech chỉ ra sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào áp suất và vận tốc
I – Vùng thay đổi ma sát khô.
II – vùng ma sát giới hạn và nửa ƣớt.
III – Vùng ma sát ƣớt.
IV – ma sát trong chế độ bôi trơn rối.
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 15
μ
Hệ số
ma sát
I
II
IV
III
μtối ƣu
o
vtối ƣu
v
Hình 1.9. Đường cong Stribech – sự phụ thuộc
của hệ số ma sát vào áp suất pháp tuyến và vận
tốc trượt
1.1.3.4. Sự phụ thuộc hệ số ma sát vào các thông số ma sát khác.
Khi cặp ma sát làm việc trong chế độ ổn định bình thƣờng, hệ số ma sát sẽ chịu
ảnh hƣởng của các thông số ma sát : vật liệu, công nghệ chế tạo, dung sai kích thƣớc
lắp ghép, dạng và tính chất của chất bôi trơn, v.v ….Tác dụng tổng hợp các thông số ấy
sẽ làm thay đổi các hàm số chủ yếu f f p , f f v . Ảnh hƣởng này đƣợc xác định
thông qua vectơ c là tập hợp của các thông số nói trên. Trong trƣờng hợp tổng quát,
quan hệ của lực ma sát hay hệ số ma sát đƣợc biểu thị bằng toán tử f Ap, v, c và
bt
chỉ trong chế độ ma sát bình thƣờng mới có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng hàm số của
áp suất hay vận tốc trƣợt. Hàm này chỉ có ý nghĩa đối với một tổ hợp nhất định của các
thông số.
Việc chọn chế độ sử dụng chế độ bình thƣờng của bộ phận máy và cơ cấu đối với
mỗi cặp ma sát, phụ thuộc vào giá trị tác động bên ngoài và ảnh hƣởng của các thông
số gắn liền với việc xác định những vùng ổn định của các quan hệ cơ bản f f p và
f f v và các vùng dịch chuyển của chúng.
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
Trang 16
Vì cơ sở của chế độ ma sát bình thƣờng là ma sát ơxy hóa nên ảnh hƣởng trƣớc
hết của mơi trƣờng khí chủ yếu gắn liền với sự có mặt của ơxy và nồng độ của nó.
Khơng những chỉ có các giới hạn của vùng ổn định mà ngay cả sự tồn tại của các vùng
đó cũng phụ thuộc vào sự có mặt của ơxy trong vùng ma sát. Khi khơng có ơxy và các
chất ơxy hóa khác (nhƣ trong chân khơng) thì khơng thể có mịn bình thƣờng.
1.2.4. Các phương pháp tính hệ số ma sát.
Bằng thực nghiệm Leonardo De Vinci đã khẳng định mối quan hệ sau:
f
Fms
N
(1.6)
Trong đó:
f: hệ số ma sát.
Fms: lực ma sát.
N: tải pháp tuyến.
C. A. Coulomd đã đƣa ra công thức tính lực ma sát có dạng: T=A+B.N,
do đó:
f
A
B
N
(1.7)
Trong đó : A đặc trƣng cho môi trƣờng tác dụng giữa hai vật thể ma sát.
Tabor và Bovden xác định trong điều kiện nhất định, thành phần lực ma sát gây ra
biến dạng là không đáng kể so với thành phần lực phân tử của ma sát. Thành phần phân
tử của lực ma sát trong trƣờng hợp này đƣợc xác định theo cơng thức:
f
PT
(1.8)
Trong đó:
: độ bền tiếp tuyến của vật liệu.
PT: áp lực giới hạn chảy.
Trong trƣờng hợp chung, hệ số ma sát đƣợc xác định là f = 0.2†0.17.
HVTH: VÕ HUY LÂM
GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN THÊM
