GIỚI THIỆU VỀ NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN
LYÙ THUYEÁT BOÂI TRÔN RAÉN
CHệễNG 1 Ý NGHĨA CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU
Máy móc sau một thời gian hoạt động sẽ gặp tình trạng hư hỏng do hao mòn các chi tiết, dẫn đến chi phí sửa chữa cao Theo thống kê trong thập niên 70 tại Mỹ, chi phí hàng năm cho việc sửa chữa máy móc do mòn lên tới 46,8 tỷ USD, và con số này tiếp tục gia tăng theo sự phát triển của ngành công nghiệp.
Hội nghị năm 1976 tại Mỹ về giảm độ mòn trong kỹ thuật tổ chức đã chỉ ra rằng ứng dụng ma sát có thể tiết kiệm cho nền kinh tế Mỹ từ 12 đến 16 tỷ USD mỗi năm.
Báo cáo hội nghị ma sát học tại Anh năm 1966 chỉ ra rằng việc áp dụng các thành tựu của kỹ thuật ma sát học đã mang lại lợi ích kinh tế khoảng 500 triệu Bảng Anh, đóng góp một phần đáng kể vào thu nhập của nền kinh tế quốc dân.
Nền công nghiệp Đức đã chịu tổn thất lớn từ ma sát và mài mòn trong máy móc, với thiệt hại lên đến hơn 100 tỷ DEM vào năm 1974, tương đương 1% ngân sách quốc gia Việc giảm ma sát và mài mòn mang lại lợi ích to lớn, đặc biệt quan trọng cho Việt Nam trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa.
Trong các hệ thống máy, bộ truyền luôn chịu ảnh hưởng lớn từ ma sát, dẫn đến mất mát công suất và nhanh chóng mài mòn các chi tiết tiếp xúc Nếu không chú ý đến việc bôi trơn, máy móc có thể gặp hỏng hóc nghiêm trọng Dưới điều kiện làm việc bình thường với dầu mỡ, việc bôi trơn có thể thực hiện tốt Tuy nhiên, trong những hệ thống truyền động làm việc ở điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cực cao hoặc thấp, môi trường bức xạ cao, hoặc các vị trí đặc biệt không thể bôi trơn ướt, việc lựa chọn bôi trơn bằng chất rắn là giải pháp tối ưu.
Nghiên cứu về bôi trơn bằng chất rắn đang thu hút sự chú ý toàn cầu, tuy nhiên tại Việt Nam, lĩnh vực này vẫn còn mới mẻ Công nghệ bôi trơn rắn hứa hẹn sẽ mở ra nhiều khám phá và ứng dụng đa dạng, mang lại tiềm năng lớn cho các ngành công nghiệp.
Ngành nghiên cứu bôi trơn rắn tại Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức do công nghệ vật liệu chưa phát triển Việc phụ thuộc vào nhập khẩu khiến cho việc thu thập mẫu chất bôi trơn rắn cho thí nghiệm trở nên khó khăn Hơn nữa, sự thiếu hụt các thiết bị thí nghiệm chính xác, do chi phí cao, đã ảnh hưởng lớn đến tiến trình nghiên cứu trong những năm qua.
Chúng tôi đã nỗ lực vượt qua những khó khăn và thách thức để hoàn thành đề tài đúng thời hạn, điều này thể hiện sự quyết tâm lớn của đội ngũ Bên cạnh đó, quá trình này đã mang lại cho chúng tôi những kiến thức quý báu về bôi trơn.
GIỚI THIỆU VỀ NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN
2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ BÔI TRƠN RẮN
Nhiều nghiên cứu đã xác nhận sự hiện diện của lớp vật liệu chuyển dịch trên bề mặt, với độ dày rất nhỏ và hình dạng thay đổi theo thời gian Các hiện tượng này tiếp tục diễn ra trong vùng tiếp xúc khi có sự xuất hiện của vật thể thứ ba (T.C).
Sự chuyển dịch tại vùng tiếp xúc yêu cầu bám dính giữa vật liệu và lớp nền Ứng suất phá hủy và ứng suất trượt trong giai đoạn trung chuyển liên quan mật thiết đến hiện tượng bám dính này Nghiên cứu về ma sát được thực hiện theo hai hướng chính: bám dính và biến dạng.
Vào năm 1929, TOMLISON đã chỉ ra rằng lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến có mối quan hệ tuyến tính với số nguyên tử tương tác giữa hai bề mặt tiếp xúc Các nguyên tử của một vật thể có khả năng tiếp cận và xâm nhập vào trường hấp dẫn của vật thể khác, trong khi một số nguyên tử khác lại tách ra xa Trong trường hợp này, ma sát được đo bằng sự phân tán năng lượng.
Năm 1938, HOLM đã chứng minh rằng các lồi lõm trên bề mặt tiếp xúc (nhấp nhô tế vi) sẽ bị biến dạng dẻo và dính vào nhau Ông kết luận rằng lực ma sát có mối liên hệ trực tiếp với tổng số cọ mòn tại các điểm nối được hình thành.
Hệ số ma sát f, được định nghĩa bởi BOWDEN và TAYBOR vào năm 1939, là tỷ số giữa các lực tiếp tuyến và pháp tuyến Công thức được đưa ra là f = T / H, trong đó T đại diện cho độ bền cắt của một điểm nối.
H : độ cứng của vật liệu mềm hơn
Công thức tính ma sát thường không chính xác trong một số trường hợp thực tế, vì chúng chỉ dựa vào các tính chất cơ học của lớp mỏng trên bề mặt.
- RABINOWICH năm 1965 đề nghị sửa đổi công thức của BOWDEN và TAYBOR bằng cách dựa vào hiện tượng bám dính r
Trong đó : Po : Ứng suất chảy của vật thể mềm nhất
Wab là năng lượng cần thiết để tách hai vật thể a và b khi chúng tiếp xúc Giá trị e đại diện cho một nửa góc Profin của nhấp nhô, trong khi r là bán kính của các điểm nối Độ mòn liên quan chặt chẽ đến ma sát và có thể được phân loại thành các loại khác nhau, bao gồm mài mòn do bám dính, mài mòn hạt mài, mài mòn do mỏi và hao mòn dần dần.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SỰ MÀI MÒN
CÁC DẠNG HAO MÒN HƯ HỎNG
Nghiên cứu bản chất của các hiện tượng trong điều kiện thí nghiệm giúp hệ thống hóa và phân loại các dạng hao mòn, hư hỏng một cách có cơ sở Mục tiêu là điều khiển hiệu quả các quá trình và khắc phục hư hỏng đáng kể trong máy móc.
Phân loại sự hao mòn và hư hỏng dựa trên các dấu hiệu bên ngoài là điều cần thiết, trong khi các cơ chế phát triển nội tại của chúng lại mang tính đặc thù.
Nguyên tắc sau đây là cơ sở để phân loại :
- Nghiên cứu bản chất của các quá trình phá hoại quan sát thấy khi các chi tiết máy làm việc
- Lập lại và nghiên cứu các quá trình ấy trong điều kiện thí nghiệm
Nghiên cứu về hao mòn và hư hỏng trong quá trình phát triển của vật liệu cho thấy sự chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài, bao gồm tác dụng cơ học, thời gian và tính chất của tải trọng.
Các dạng phá hoại khi ma sát gồm có :
Hao mòn cho phép gồm :
- Hao mòn cơ hóa bình thường do ôxy hóa
- Hao mòn cơ hóa bình thường do bong dần các lớp màn mỏng có nguồn gốc khác ôxít
- Dạng cơ hóa của mài mòn
Hao mòn không cho phép :
- Quá trình Fretting (tróc ôxy hóa động)
- Mỏi khi ma sát lăn
- Các dạng hư hỏng khác (ăn mòn, xói mòn, bào mòn, dập )
Hao mòn do bị ôxy hóa :
Quá trình hao mòn bề mặt chi tiết do ma sát lăn diễn ra khi các lớp kim loại tương tác với nhau, dẫn đến biến dạng dẻo của bề mặt hoạt tính Hiện tượng này xảy ra khi ôxy từ không khí hoặc dầu bôi trơn được hấp thụ, tạo ra các lớp màng hấp thụ hóa học và dung dịch rắn Sự hao mòn này thể hiện qua sự hình thành các hợp chất hóa học giữa kim loại và ôxy, cũng như sự bong tách của các lớp màng khỏi bề mặt do ma sát.
Các đặc tính và cường độ của các quá trình này thay đổi tùy thuộc vào dạng ma sát, tốc độ dịch chuyển tương đối, áp suất, mức độ tải áp dụng, thành phần môi trường và tính chất của vật liệu.
- Quá trình ôxy hóa và biến dạng diễn ra trong lớp bề mặt rất mỏng khoảng từ 100 đến 1000 A o
Hao mòn ôxy hóa bình thường diễn ra trong quá trình ma sát trượt và lăn khô có giới hạn Tốc độ trượt tối ưu cho ma sát khô thường không vượt quá 1-4 m/s đối với thép ủ, trong khi thép tôi yêu cầu tốc độ tối thiểu là 7 m/s khi áp dụng bôi trơn giới hạn.
- Hao mòn ôxy hóa có thể xảy ra trong quá trình ma sát của các kim loại và hợp kim có tính chất khác nhau
Hao mòn ôxy hóa là hình thức hao mòn chủ yếu trong hao mòn cơ hóa, được đặc trưng bởi sự biến dạng cơ học của các lớp bề mặt mỏng Quá trình này xảy ra đồng thời với sự tương tác giữa các lớp hợp tính đã biến dạng và các thành phần hóa học trong môi trường.
3.1.1 MÀI MÒN : do sự phối hợp của tác động cơ học và nhiệt năng Sự biến dạng sinh ra khi nhấp nhô của vật thể cứng xuyên sâu vào bề mặt của vật thể mềm hơn khi hai vật thể ma sát, hoặc khi bào mòn ba vật thể (có thêm các phần tử cứng ngoại lai xâm nhập vào bề mặt ma sát)
Các thông số áp dụng cho mài mòn là :
- Đặc tính cơ học của vật liệu P (tích số Ge năng lượng thích hợp)
- Độ nhấp nhô tế vi của bề mặt tiếp xúc, tính theo Ra hoặc bán kính nhấp nhoâ
Để hạn chế mài mòn trong thí nghiệm, cần chú ý đến các điều kiện như tải trọng, tốc độ và nhiệt độ Đầu tiên, giới hạn tải trọng tác dụng không vượt quá 1/3 ứng suất cho phép nén của vật liệu nhằm giảm sự phân tán năng lượng ở vùng tiếp xúc Thứ hai, cần đảm bảo sự phân bố đồng đều các nhấp nhô tế vi, điều này phụ thuộc vào chất lượng khuôn mẫu và độ láng bóng của bề mặt trong quá trình chế tạo Thứ ba, việc giới hạn nhiệt độ làm việc cần được phối hợp chặt chẽ với tải trọng và vận tốc trượt Cuối cùng, cần hạn chế tối đa sự xâm nhập của các phần tử ngoại lai vào vùng tiếp xúc để bảo vệ bề mặt.
3.1.2 HAO MÒN DO BÁM DÍNH:
Lý thuyết của BOWDEN và TAYBOR đề cập đến sự phối hợp giữa tác động cơ học và nhiệt năng trong quá trình hao mòn do bám dính Hao mòn này đặc trưng bởi sự gãy vỡ các điểm nối trên diện tích tiếp xúc thực (St), dẫn đến sự chuyển dịch vật liệu từ bề mặt này sang bề mặt khác Mức độ chuyển dịch vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
- Vật liệu của các vật thể tham gia và tính hòa tan của chúng
- Hình dạng hình học của bề mặt ma sát
Điều kiện làm việc và thử nghiệm là rất quan trọng trong quá trình chuyển dịch vật liệu Ở giai đoạn đầu, vật liệu di chuyển từ bộ phận này sang bộ phận khác, và ở giai đoạn hai, vật liệu được tách ra để tạo ra mảnh vụn nhỏ do hao mòn Khi lớp mỏng dịch chuyển hình thành trên bề mặt đối kháng, phân suất mòn sẽ giảm đáng kể tương ứng với khoảng cách di chuyển gia tăng.
Để kiểm soát mòn bám dính ở kim loại, cần thực hiện các biện pháp như kiểm soát sự hòa tan của vật liệu, xác định gradien các tính chất cơ học để đạt được mặt cắt gần với mặt phân giới ban đầu, điều chỉnh hình học bề mặt ma sát với sự phân bố hợp lý các nhấp nhô tế vi và giới hạn tải trọng tác dụng nhằm giảm phân tán năng lượng tại điểm tiếp xúc, cùng với việc kiểm soát nhiệt độ làm việc.
Mòn do mỏi xảy ra khi có sự tiếp xúc giữa các mạch động kín, tạo ra trường giam hãm chu kỳ trong lớp vật liệu ngay dưới bề mặt Sự tích tụ của các đường nứt sẽ dần phát triển, dẫn đến sự phá hủy cục bộ của vật liệu do mỏi Hiện tượng hao mòn này ảnh hưởng đến cả vật liệu P, CP và kim loại.
3 Hao mòn do ma sát - hóa học
Hao mòn loại này do hai tác động : a Phản ứng hóa học của môi trường lên bề mặt ma sát b Tác động cơ học lấy dần vật liệu đi.
NĂNG LƯỢNG Ở MẶT TIẾP XÚC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN MA SÁT VÀ MÀI MÒN CỦA POLYME
MA SÁT VÀ MÀI MÒN CỦA POLYME :
Trước khi có tải trọng, các bề mặt tiếp xúc sẽ bị bám dính, và sự hình thành các phần tử mòn từ chất P cùng với quá trình mòn kéo dài phụ thuộc vào năng lượng bám dính tác động tương hỗ trên bề mặt ma sát.
Ea = Wpa Aa Với : Aa : diện tích tiếp xúc
Wpa : năng lượng đặc thù bám dính
Năng lượng bề mặt ảnh hưởng đến độ mòn và lực ma sát của chất polyme, với năng lượng đặc thì bám dính giảm khi tổng năng lượng bề mặt của hai vật tiếp xúc nhỏ Năng lượng bề mặt thường được biểu thị bằng sức căng bề mặt γc và có thể dễ dàng xác định qua thực nghiệm.
Sức căng giới hạn bề mặt γ c 10 -3 J/m ( 20 o C ) hình 1-1 Tác động của sức căng giới hạn bề mặt đến hệ số ma sát giữa P và thép
Các kết quả nghiên cứu cho thấy:
Năng lượng bám dính có ảnh hưởng lớn đến mặt phân giới và đóng vai trò quan trọng trong quá trình hao mòn của vật liệu P Sự hao mòn của hạt mài trong vật liệu làm tăng khả năng bám dính tại mặt phân giới giữa các thành phần ma sát.
Năng lượng bề mặt có tác động trực tiếp đến lực bám dính của lực ma sát (Fa), với hệ số ma sát tăng lên khi năng lượng bề mặt gia tăng.
Mặc dù năng lượng bám dính thường đóng vai trò quan trọng trong lực ma sát giữa P và thép, vẫn có những ngoại lệ đáng chú ý Một trong những trường hợp này xảy ra khi các bề mặt khuôn ép có đặc tính khác biệt so với bề mặt vật liệu được chế tạo Đặc biệt, khi đúc chất Polyetylen, sức căng bề mặt và hệ số ma sát của mặt khuôn thường thấp hơn nhiều so với bề mặt của vật đúc.
Trong mọi trường hợp, khi năng lượng ma sát chủ yếu xuất phát từ năng lượng bám dính thay vì năng lượng biến dạng, việc giảm hệ số ma sát sẽ phụ thuộc vào việc giảm thiểu năng lượng bề mặt.
CÁC QUAN HỆ GIẢI TÍCH CỦA SỰ MÀI MÒN
CÁC QUAN NIỆM VỀ HAO MÒN
Tác giả đưa ra quan niệm đầu tiên về quá trình hao mòn, xem nó như là sự tách rời các nguyên tử khỏi bề mặt do va chạm lẫn nhau hoặc do sự thoát ra của các nguyên tử trong trạng thái không ổn định.
- Quan niệm thứ hai: xem biến dạng – dính kết – biến dạng dẻo tạo thành tróc, dập, chảy, xước, nóng mỏi nhiệt…
Người ta xem xét sự oxy hóa thông thường cùng với việc phá hủy các lớp màng oxyt, đồng thời phân tích các quá trình hủy hoại vật liệu gốc Điều này liên quan đến việc cân bằng động lực của các quá trình cơ – hóa trong việc hình thành và phá vỡ các cấu trúc thứ cấp.
MỘT SỐ KẾT QUẢ QUAN TRỌNG ĐÃ ĐƯỢC CHỨNG MINH
Vào năm 1951, RABINOWICH và TAYBOR đã nghiên cứu sự chuyển dời vật liệu liên quan đến ma sát, nhấn mạnh rằng phần vật liệu bị lấy ra sẽ bám vào bề mặt phân giới, trong khi sự hình thành các mảnh vỡ tương ứng với các hạt chuyển dịch.
- Vào năm 1953 AIRCHARD đã đề nghị công thức mòn bám dính:
Trong đó : V : Thể tích bị mài mòn
W và L : Tải trọng và khoảng cách di chuyển
Po : Ứng suất chảy của vật liệu mềm nhất
- Vào năm 1965 RABINOWICH đưa ra công thức tính mài mòn :
K 2 : hệ số mòn xác định bằng thực nghiệm
- R HOLM đưa ra công thức:
W : lượng vật chất bị hao mòn trong trên một đơn vị quảng đường trượt
Z : Xác suất tách nguyên tử ra khỏi bề mặt khi nó tác dụng với nguyên tử khác q : là tải trọng
- Theo KRAGENXKII phương trình hao mòn có dạng cơ bản : Đối với sự tiếp xúc đàn hồi :
C E I Đối với sự tiếp xúc dẽo :
I h : hao mòn đường f : hệ số ma sát h : độ sâu thâm nhập r : bán kính tiếp xúc
R : bán kính con của đỉnh lồi v : hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào độ mấp mô bề mặt b = 1/(2v + 1)
HB : độ cứng μ : heọ soỏ Poaxtoõng
Mô đun đàn hồi (E) là thông số quan trọng trong cơ học vật liệu, trong khi độ dãn dài đứt (δ) phản ánh khả năng kéo dài của vật liệu trước khi bị phá vỡ So sánh chu kỳ n được tính bằng tỷ lệ giữa diện tích ban đầu (s0) và diện tích hiện tại (s), với t là bậc của đường cong mỏi Giá trị ngoại suy của ứng suất (σs) khi n = 1 cung cấp thông tin về tính chất cơ học của vật liệu Áp suất trên diện tích tiếp xúc danh nghĩa (qa) và áp suất biên (qc) là các yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của các liên kết Độ bền tiếp tuyến của liên kết ma sát (t) và hệ số tỷ lệ giữa tải trọng và biến dạng của đỉnh lồi tế vi (k) cũng đóng vai trò quan trọng trong phân tích cơ học.
C v k 2 : hệ số phụ thuộc vào vị trí độ dịch sát của các nhấp nhô
C R b : hệ số kinh nghiệm phụ thuộc vào độ nhấp nhô bề mặt
CƠ CHẾ HÌNH THÀNH LỚP MÀN MỎNG CHUYỂN DỊCH DO TÁC DỤNG CƠ HỌC
CƠ CHẾ HÌNH THÀNH LỚP MÀNG MỎNG DỊCH CHUYỂN DO TÁC DỤNG CƠ HỌC
DO TÁC DỤNG CƠ HỌC
- Thực nghiệm cho thấy sự chuyển dịch vật liệu chỉ xảy ra trong điều kiện có cọ sát và có trượt
- Sự chuyển dịch đó xảy ra từ vật liệu có năng lượng liên kết thấp sang phía vật liệu có năng lượng liên kết cao hơn
Lớp mỏng chuyển dịch đầu tiên hình thành khi các mấp mô của vật liệu rắn hơn xâm nhập vào vật liệu mềm dưới tải trọng pháp tuyến, gây ra sự gãy vỡ của các phần tử vật liệu mềm Các mảnh vụn này sau đó được chuyển dịch lên bề mặt tiếp xúc Các phân tử từ vật liệu mềm có thể bám vào bề mặt đối tiếp nhờ tương tác phân tử, tạo thành lớp mỏng chuyển dịch, hoặc chúng có thể thoát ra khỏi vùng tiếp xúc Nếu năng lượng biến dạng dẻo E e lớn hơn hoặc bằng năng lượng bám dính E a, các phân tử sẽ thoát khỏi bề mặt đối tiếp.
Quá trình hình thành lớp mỏng chuyển dịch nhờ tác động cơ học
Khi các phân tử của vật liệu mềm bám vào bề mặt vật liệu cứng trong quá trình trượt, chúng tạo thành một lớp mỏng nhờ sự bám dính giữa các phân tử Lớp mỏng này có khả năng tái dịch chuyển trở lại bề mặt ma sát, và sự trượt của vật liệu mềm giúp lớp mỏng này đạt được trạng thái cân bằng.
Theo hình veõ ta thaáy : Các phân tử “a” có chiều hướng bám vào bề mặt đối kháng để tạo nên lớp mỏng chuyển dịch
Các phân tử “b” tách ra khỏi vùng tiếp xúc
Các phân tử "c" trở về vị trí ban đầu để hình thành lớp màng mỏng tái dịch chuyển Quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm vật liệu cặp ma sát, độ cứng, hoạt tính hóa học, tải trọng tác dụng, các nhấp nhô tế vi và môi trường Trong số đó, nhấp nhô tế vi và tải trọng của vật liệu là những yếu tố quan trọng nhất.
Các nghiên cứu cho thấy nhiều loại vật liệu nhựa dẻo có khả năng tạo ra lớp mỏng dịch chuyển trên bề mặt đối kháng, tuy nhiên, các loại nhựa dẻo tổng hợp có cấu trúc mạng và dễ bị gãy vỡ khó tạo lớp mỏng dịch chuyển hơn so với polyme có tính vuốt được Lớp mỏng này thường bị gián đoạn, và nhựa đàn hồi cũng gặp khó khăn trong việc dịch chuyển Đặc biệt, chất PTFE có thể hình thành lớp mỏng dịch chuyển trên bề mặt kim loại ngay cả ở nhiệt độ thường và cao Để cải thiện khả năng bôi trơn của polyme nguyên chất, người ta thêm một số chất độn hỗn hợp nhằm tăng cường sự bám dính của lớp mỏng chuyển dịch với bề mặt kim loại Nghiên cứu của J.P GITROW và W BONFIELD cho thấy sợi cacbon tăng cường loại II có hiệu suất tốt hơn với hệ số ma sát và độ mòn nhỏ hơn so với loại I Khi nhiệt độ trên bề mặt ma sát tăng, các polyme có thể chảy ra và đọng lại, làm cho sự chuyển dịch trở nên quan trọng hơn.
Trong môi trường chân không, lớp mỏng chuyển dịch lắng đọng nhanh hơn so với trong không khí do lực acsimet nhỏ hơn, dẫn đến lớp mỏng trở nên mỏng hơn và bám dính tốt hơn Hơn nữa, sự mòn của chất dẻo trong chân không thường ít hơn so với trong môi trường không khí.
Vận tốc trượt đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành lớp mỏng chuyển dịch, tuy nhiên, nếu vận tốc quá cao sẽ làm giảm hiệu quả của quá trình này Đối với chất dẻo, vận tốc trượt lý tưởng là dưới 0,2 m/s, khi đó việc tạo ra lớp mỏng chuyển dịch sẽ diễn ra thuận lợi nhất Trong điều kiện này, sự tăng trưởng của lớp mỏng sẽ tỷ lệ thuận với quãng đường di chuyển.
Yếu tố quan trọng làm ảnh hưởng đến sự tạo thành lớp mỏng chuyển dịch là sự bám dính
Nghiên cứu cho thấy sự tiến triển của lớp mỏng rất nhạy cảm với sự lây lan của các lớp mòn trong môi trường, với việc sử dụng nước bôi trơn làm giảm khả năng tạo ra lớp mỏng chuyển dịch, dẫn đến hao mòn polyme lớn hơn trong môi trường nước so với không khí Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc chọn vật liệu phù hợp với môi trường làm việc Kết quả nghiên cứu khẳng định rằng cơ chế hình thành lớp mỏng chuyển dịch là có thực, với điều kiện tiên quyết là có tiếp xúc và trượt Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và duy trì lớp mỏng chuyển dịch bao gồm vận tốc trượt, độ bám dính, tính chất vật liệu và môi trường Do đó, việc áp dụng chất bôi trơn rắn vào từng điều kiện cụ thể sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất dựa trên ảnh hưởng tổng hợp của nhiều thông số.
HÌNH THỂ HỌC CỦA LỚP MỎNG CHUYỂN DỜI
Trong một số trường hợp, lớp mỏng chuyển dịch có thể được tách ra khỏi bề mặt kim loại Khi cắt ngang qua tiết diện, ta nhận thấy lớp này được hình thành từ các lớp siêu mỏng, có thể liên tục hoặc gián đoạn Cấu hình của lớp mỏng chuyển dịch thay đổi theo thời gian và được xem xét trong một vùng kích thước nhỏ (khoảng A0 hoặc μm) nơi diễn ra các hiện tượng cần quan sát và nghiên cứu.
Nghiên cứu về bạc trượt từ than chì của các tác giả Nhật Bản TAKANA và Y UCCHIYAMA cho thấy sự định hướng của các phần tử than chì theo hướng trượt Quan sát cho thấy có một lớp mỏng gồm các mảnh vỡ do bào mòn di chuyển giữa đám dày đặc hạt vỡ với vận tốc khoảng 1/3 vận tốc trượt.
Các thực nghiệm cho thấy có mối tương quan giữa lớp mỏng chuyển dịch và quá trình trượt Đối với các loại polyme có độ nóng chảy thấp, lớp mỏng dịch chuyển sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ làm việc, dẫn đến việc tan chảy một phần.
5 3 THÀNH PHẦN CỦA LỚP MỎNG :
Trong nghiên cứu về lớp mỏng dịch chuyển, các phần tử nhỏ của lớp này di chuyển với tốc độ trung bình hoặc bất thường trong một khoảng thời gian nhất định Các phần tử được cấu tạo như một pha trộn giữa chất polyme nguyên chất và chất độn, và không có các chất riêng rẽ ban đầu tham gia vào việc tạo ra vật liệu này.
5 4 HOẠT ĐỘNG CỦA LỚP MỎNG CHUYỂN DỊCH :
Lớp mỏng dịch chuyển trên bề mặt kim loại có thể hoạt động như một lớp bôi trơn rắn, giúp cải thiện hiệu suất ma sát Lớp này có độ dày mỏng và có thể xuất hiện liên tục hoặc gián đoạn tại các điểm tiếp xúc.
Khi hai vật rắn C1 và C2 truyền lực qua một lớp trung gian, sự thích ứng là cần thiết, và chất lỏng là lựa chọn tối ưu nhất Lớp màng dầu có khả năng phân bố áp lực đều, điều này cho thấy rằng vật thể rắn khó có thể đạt được sự thích ứng này Do đó, việc truyền lực bằng bôi trơn rắn thường chỉ diễn ra qua các điểm tiếp xúc rời rạc, nơi lực cưỡng bức lớn có thể gây ra gãy vỡ, dẫn đến việc tăng số điểm tiếp xúc và tiếp tục xảy ra gãy vỡ Điều này cho thấy vật thể trung gian có khả năng thích ứng tốt hơn trong việc truyền ngoại lực.
BOWDEN và TAYBORD đã chỉ ra rằng nhiều hiện tượng tham dự có tác động đến quá trình ma sát Tuy nhiên, các tác giả vẫn chưa đưa ra một đề xuất tổng quát cho việc tính toán cụ thể lực ma sát và hệ số ma sát.
Các nhà nghiên cứu như BOWDEN, TAYBORD, E RABINOWICH, E.F FINKIN, C DAYSON và J HALLING đã tiến hành tính toán chất nhựa dẻo trên vùng tiếp xúc bằng cách coi sự tiếp xúc là tập hợp rời rạc các điểm nhấp nhô của lớp mỏng rắn.
Mẫu tiếp xúc theo lý thuyết và sự biến thiên của hệ số ma sát theo sự thay đổi chiều dày lớp phủ h
Thông thường biểu thức tính hệ số ma sát phụ thuộc vào bề dày h của lớp phủ
Trong đó : A : diện tích tiếp xúc thực
Độ cứng của lớp dưới (B) và hệ số ma sát của lớp dưới (f s) cùng với hệ số ma sát của lớp phủ (f f) là những yếu tố quan trọng trong nghiên cứu tác động của lớp mỏng dịch chuyển hình thành khi ma sát Việc nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đến thông số ma sát của hệ thống gặp nhiều khó khăn phức tạp.
- Bề dày của lớp mỏng chuyển dịch rất nhỏ và luôn thay đổi trong quá trình ma sát
Hình thể học của lớp mỏng không đồng đều ảnh hưởng đến ma sát giữa các bề mặt Đồ thị dưới đây minh họa tác động của sự chuyển dịch lớp mỏng đến thông số ma sát của cặp ma sát Đặc tính ma sát của chất Phenol formaldehyde (P.F.R) trên hợp kim VKG – M (18) được thể hiện rõ ràng trong nghiên cứu này.
Trong đó : Hình a : hệ số ma sát, nhiệt độ tiếp xúc HÌnh b : cường độ mòn của polyme (I p ) và hợp kim (I a )
: Thử trong môi trường không khí : Thử trong môi trường chân không
Trong thí nghiệm về ma sát và nhiệt độ, ban đầu, nhiệt độ tăng theo quãng đường di chuyển, khiến tỉ trọng của lớp mỏng trên bề mặt kim loại gia tăng Khi chiều dày của lớp mỏng đủ lớn để ngăn cách sự tiếp xúc giữa hai bề mặt, ma sát và nhiệt độ sẽ giảm đáng kể và dần ổn định Khi quãng đường dịch chuyển tiếp tục tăng, cường độ mài mòn của chất polyme và hợp kim trở nên rất nhỏ và ổn định theo quãng đường ma sát.
TIẾP XÚC Ở BA VẬT THỂ
Các vật liệu tự bôi trơn trong ma sát khô không hình thành lớp mỏng T.D và T.I đồng đều, vì vậy cần thiết lập mô hình tiếp xúc giữa ba vật thể đặc hoặc rỗng một phần Việc xác định điều kiện tiếp liệu giữa ba vật là quan trọng để đạt được mô hình tối ưu.
5.5.1 THỂ TÍCH CÁC CHỖ LÕM :
Hình vẽ mô tả hai vật thể tiếp xúc nhau, với chiều ngang là a và chiều dài lớp tiếp xúc là b Chỗ lõm giữa các nhấp nhô trên bề mặt được gọi là thước tớch ABBOT.
Trong quá trình chuyển dịch tương đối giữa hai vật thể C1 và C2, sự mất mát khối lượng của vật thể thứ nhất C1 (tính theo đơn vị chiều dài chuyển dịch) cần phải lớn hơn thể tích của các lỗ rỗng ABBOT trong vật thể thứ hai C2.
- Thể tích ABBOT được tính :
- Trong đó : L : quãng đường ma sát b : chiều dài của vết
R 1 : chiều cao trung bình của các nhấp nhô tế vi e: hệ số xuyên thấu của vật C 2 vào C 1
: heọ soỏ roóng (heọ soỏ ABBOT)
Tiếp xúc của hai vật thể
5.5.2 SỰ TIẾP XÚC HOÀN TOÀN HOẶC TỪNG PHẦN:
Vật liệu bôi trơn rắn có khả năng lấp đầy các lỗ rỗng giữa các gồ ghề, tạo ra một lớp ngăn cách mỏng trên bề mặt Lớp này có thể chuyển dịch liên tục hoặc không liên tục, giúp thực hiện lực nâng và tạo ra một vật thể thứ ba Sự hiện diện của vật thể thứ ba này, dù liên tục hay gián đoạn, ảnh hưởng đến mức độ tiếp xúc, từ đó tạo ra sự tiếp xúc toàn bộ hoặc từng phần.
Sự tiếp xúc toàn bộ với lớp bôi trơn, như thể hiện trong hình 2-5a, dễ dàng đạt được chế độ bôi trơn thủy động Trong khi đó, những tiếp xúc gián đoạn có nhiều dạng khác nhau, được minh họa trong các hình 2-5b, 2-5c và 2-5d.
- Các dảy kẻ ngang đặc thù cho sự ma sát của chất dẻo
Các dãy kẻ sọc bắt cầu hoặc phân tán thường được sử dụng trong bôi trơn rắn Hình 2-5 minh họa các loại tiếp xúc với vật thể thứ ba, bao gồm tiếp xúc hoàn toàn và tiếp xúc từng phần Từ đó, chúng ta có thể rút ra một số nhận xét quan trọng.
Ma sát và mài mòn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, bao gồm tải trọng, tốc độ trượt, nhiệt độ, và hình học vi bề mặt tiếp xúc Ngoài ra, các yếu tố về môi trường cũng đóng vai trò quan trọng Về mặt vật liệu học, các thông số như thành phần hóa học, cấu trúc phân tử và chất độn phụ gia là những yếu tố cần được chú ý để hiểu rõ đặc tính ma sát của vật liệu.
Lớp mỏng chuyển dịch trên bề mặt ma sát đóng vai trò quan trọng trong việc xác định điều kiện làm việc của cặp ma sát Việc hình thành lớp này có thể dễ dàng hoặc khó khăn, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của hệ thống ma sát.
SƠ LƯỢC VỀ THIẾT BỊ ĐO
NGUYÊN LÝ CỦA THIẾT BỊ ĐO HỆ SỐ MA SÁT KE – 04
Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo hệ số ma sát giữa hai mẩu được trình bày ở bản vẽ sau:
Khi trục chính quay, mẩu 1 cũng sẽ quay với tốc độ tương ứng Việc thay đổi đường kính của mẩu sẽ ảnh hưởng đến vận tốc trượt giữa các mẩu.
Khi mẩu 2 được ép vào mẩu 1, lực pháp tuyến P1 tại điểm tiếp xúc tạo ra lực ma sát, khiến mẩu 2 di chuyển về phía trước Cảm biến 4 sẽ phát hiện lực ma sát khi mẩu 2 đạt trạng thái cân bằng Thông qua mạch khuếch đại tín hiệu 7 và mạch chuyển đổi tín hiệu 8, thông tin sẽ được truyền lên máy tính 9 để xử lý và tính toán hệ số ma sát f giữa hai mẩu 1 và 2 trong chế độ làm việc đó.
CẤU TẠO
Trục chính được nối trực tiếp với trục động cơ giảm tốc Thông số kỹ thuật chính của động cơ:
Tốc độ quay : n = 500 vòng/phút
Mẩu 1 được lắp trực tiếp trên trục chính
Công thức xác định vận tốc trượt giữa mẩu 1 và mẩu 2:
D – Đường kính mẩu (mm) n – Tốc độ quay của trục động cơ (vòng/phút) v –Vận tốc trượt ( m/phút )
Kết cấu của trục chính được thiết kế như bản vẽ sau:
6.2.2 BỘ PHẬN ĐỞ MẨU 2: Được thiết kế để lắp trên một xy lanh khí nén I Nhờ sự thay đổi áp suất khí nén mà ta tạo được nhiều lực pháp tuyến P 1 thay đổi
Công thức xác định lực pháp tuyến P 1 như sau:
P 1 : Aùp suất khí nén ( kg / cm 2 )
Đường kính lòng xi lanh I (cm) và khối lượng thiết bị lắp trên trục xy lanh (kg) là những thông số quan trọng trong cấu trúc thiết bị và mạch khí nén điều chỉnh áp suất p1, như được thể hiện trong bản vẽ dưới đây.
6.2.3 BỘ PHẬN KẸP TẠO LỰC ÉP CHẤT BÔI TRƠN RẮN :
Được thiết kế để lắp trên xy lanh khí nén II, sản phẩm này cho phép tạo ra nhiều lực ép P2 khác nhau thông qua việc thay đổi áp suất khí nén.
Công thức xác định lực ép chất bôi trơn rắn:
Trong đó: p 2 - Aùp suất khí nén ( Kg / cm 2 )
D 2 - Đường kính xy lanh II (cm)
Kết cấu thiết bị và mạch khí nén điều chỉnh áp suất p 2 được thể hiện ở bản vẽ sau:
CƠ SỞ THIẾT LẬP CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM
MOÂ HÌNH THÍ NGHIEÄM
1 : Là mẫu thử 1 bằng thép C45 có tất cả 3 mẫu
2 : Là mẫu thử 2 bằng gang xám GX 15 – 32
ẹIEÀU KIEÄN THÍ NGHIEÄM
Số vòng quay của trục gắn mẫu 1: 500 v/p
Lực ép chất bôi trơn lần lượt:
Lực ép mẫu 2 lên mẫu 1:
Vận tốc trượt tương đối: 70.65; 75.36; 78.5 ( m/p )
Aûnh hưởng của vật liệu bôi trơn, tính chất cặp ma sát kim loại – kim loại, nhiệt độ, môi trường độ ẩm V V
PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Nghiên cứu này nhằm phân tích ảnh hưởng tổng hợp của các thông số đến hệ số ma sát giữa kim loại với kim loại khi sử dụng chất bôi trơn rắn như Graphit, thiếc và PTFE.
Các thông số ảnh hưởng gồm có :
- Aùp lực của mẫu 2 lên mẫu 1 : P 2-1 ( Kg )
- Aùp lực của vật bôi trơn lên mẫu 1 : P 3-1 ( Kg )
- Vận tốc trượt tương đối giữa 2 mẫu : V ( m /p )
- Aûnh hưởng của vật liệu mẫu, môi trường, nhiệt độ, độ ẩm v.v… thể hiện qua heọ soỏ K
Hệ số ma sát được biểu diễn qua mô hình toán học như sau : f = K P 3-1 a P 2-1 b V g
Trong đó : f là hệ số ma sát
Các hệ số K, a, b, g cần được xác định Để giải quyết bài toán này, tôi áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm toàn phần, trong đó lựa chọn 3 thông số thay đổi là P 2-1, P 3-1 và V, mỗi thông số có 3 mức giá trị khác nhau Kết quả sẽ được trình bày trong bảng quy hoạch thực nghiệm.
Quá trình thí nghiệm như sau :
- Lần lượt thay đổi các mức giá trị, thông số P 3-1, P 2-1 và V tương ứng với các ma trận mã với các giá trị như sau :
Mã a : có các giá trị của P 3-1 là : 5.89; 15.708; 25.525 ( kg )
Mã b : có các giá trị của P 2-1 là : 14.408; 30.116; 45.824 ( kg )
Mã c : có các giá trị của vận tốc khi thay đổi đường kính của mẫu thử
Trong đó d : đường kính mẫu 1 n : vận tốc góc của mẫu 1 = 500 (vòng / phút) d (mm) 45 48 50
Mỗi khi điều chỉnh các mức giá trị, chúng ta thu được các kết quả đo về lực ma sát Dựa trên những kết quả này, hệ số ma sát được tính toán và trình bày trong các bảng sau.
Ma trận mã hóa Yếu tố Hệ số ma sát ( f )
Bảng ma trận hoạch định dựa trên các yếu tố toàn phần cho thấy kết quả thực nghiệm đo hệ số ma sát trượt với các loại chất bôi trơn rắn như graphit, thiếc và PTFE Nghiên cứu này nhằm phân tích hiệu quả của từng loại chất bôi trơn trong việc giảm ma sát, từ đó cung cấp thông tin hữu ích cho ứng dụng trong công nghiệp Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt về hệ số ma sát giữa các chất bôi trơn, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của các thiết bị cơ khí.
Bảng ma trận hoạch định cho thấy mối quan hệ giữa các yếu tố toàn phần và kết quả thực nghiệm về cường độ mài mòn khi ma sát trượt với các chất bôi trơn rắn như graphit Nghiên cứu này giúp xác định hiệu quả của graphit trong việc giảm thiểu mài mòn trong quá trình ma sát, từ đó cung cấp thông tin quý giá cho việc tối ưu hóa các ứng dụng công nghiệp liên quan đến ma sát và bôi trơn.
TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ THỰC NGHIỆM
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong điều kiện làm việc cụ thể, việc xác định các thông số ảnh hưởng đến bôi trơn rắn như P 3-1, P 2-1 và V là cần thiết để giảm hệ số ma sát, từ đó tăng tuổi thọ của chi tiết máy Đồng thời, việc lựa chọn thông số tối ưu cũng giúp giảm cường độ mài mòn, đạt được hiệu quả tối đa trong quá trình vận hành.
Vậy công thức thực nghiệm ( f ) đối với chất bôi trơn graphit là :
Vậy công thức thực nghiệm ( f ) đối với chất bôi trơn thiếc là :
Vậy công thức thực nghiệm ( f ) đối với chất bôi trơn PTFE là
Vậy công thức thực nghiệm đối ( I ) với chất bôi trơn graphit là :
Vậy bài toán được phát biểu như sau :
Xác định các thông số làm việc P 3-1, P 2-1 và V cần thiết để đảm bảo các điều kiện ràng buộc, nhằm tối ưu hóa hàm mục tiêu f và I đạt giá trị cực tiểu Đây là bài toán tối ưu hóa nhiều thông số với một mục tiêu duy nhất Sử dụng phần mềm TUH và áp dụng phương pháp POWELL, chúng ta có thể đạt được kết quả mong muốn.