Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến đặc tính của dầu bôi trơn sử dụng trong bảo dưỡng công nghiệp và thiết kế máy kiểm tra chất lượng dầu bôi trơn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -

TRẦN TIẾN LÊN

NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH CỦA DẦU BÔI TRƠN SỬ DỤNG TRONG BẢO DƯỠNG CÔNG NGHIỆP VÀ THIẾT KẾ

MÁY KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG DẦU BÔI TRƠN

STUDY ON PARAMETERS AFFECTING THE CHARACTERISTICS OF LUBRICANTS USED IN

INDUSTRIAL MAINTENANCE AND DESIGN OF

LUBRICATION QUALITY CHECKING MACHINE

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số: 8520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh:

Trực tuyến trên Google Meet ngày 21 tháng 08 năm 2021

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Duy Anh

2 Thư ký: TS Phùng Trí Công

3 Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

4 Phản biện 2: PGS.TS Lê Mỹ Hà 5 Ủy viên: TS Đoàn Thế Thảo

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

PGS.TS NGUYỄN DUY ANH

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN TIẾN LÊN MSHV:1870230

Ngày, tháng, năm sinh: 24/02/1985 Nơi sinh: Cà Mau Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số : 8520114

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến đặc tính của dầu bôi trơn sử dụng trong bảo dưỡng công nghiệp và thiết kế máy kiểm tra chất lượng dầu bôi trơn

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tìm hiểu tổng quan về tình hình bôi trơn và các loại dầu bôi trơn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp tại Việt Nam

2 Tìm hiểu tình hình bôi trơn, sử dụng chất bôi trơn tại Nhà máy Đạm Cà Mau 3 Nghiên cứu các thông số chính thể hiện đặc tính của chất bôi trơn công nghiệp 4 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị dùng để kiểm tra, đánh giá chất lượng dầu bôi trơn bằng phương pháp mài mòn ma sát (sử dụng động cơ dẫn động trực tiếp, có thể thay đổi được tốc độ quay và đo lực ép tác dụng lên mẫu)

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 22/02/2021

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/12/2021 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Bùi Trọng Hiếu

TS Nguyễn Thanh Trương

Tp Hổ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021

PGS.TS BÙI TRỌNG HIẾU TS NGUYỄN THANH TRƯƠNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên, xin trân trọng cảm ơn hai Thầy đã hướng dẫn tôi là TS Nguyễn Thanh Trương và PGS.TS Bùi Trọng Hiếu, các Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn tôi trong quá trình học tập cũng như trong việc hoàn thành luận văn này

Trước bối cảnh gặp rất nhiều khó khăn về khoảng cách xa xôi từ Tp HCM đến Cà Mau, và tình hình dịch bệnh Covid phức tạp Không quản ngại những điều đó, bằng nhiều cách thức truyền đạt khác nhau: qua zalo, mail, học qua google meeting, hoặc trao đổi trực tiếp qua điện thoại, hay trực tiếp xuống Cà Mau để giảng dạy, Các Thầy, Cô từ trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-HCM đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức cho Tôi và các bạn trong lớp Cơ điện tử Cà Mau Một lần nửa xin gửi lời cám ơn đến các Thầy, Cô và Hội đồng chấm LVCH trong ngày hôm nay

Do giới hạn kiến thức và khả năng lý luận của bản thân còn nhiều thiếu sót và hạn chế, kính mong sự chỉ dẫn và đóng góp của các Thầy, Cô để bài luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

Cà Mau, ngày 26 tháng 7 năm 2021,

Trần Tiến Lên

TÓM TẮT LUẬN VĂN Lý do chọn đề tài:

Dầu mỡ rất đang dạng nhiều chủng loại khác nhau, có nhiều nhà sản xuất khác nhau chất lượng khác nhau Việc khảo nghiệm lựa chọn đúng loại dầu, hoặc chọn tương đương với loại dầu đang sử dụng là khó khăn Chọn sai dầu sẽ làm giảm năng suất máy và tuổi thọ của thiết bị

Để có kết quả phân tích, đánh giá chất lượng dầu bôi trơn mất rất nhiều thời gian, mẫu dầu phải được gửi đến cơ sở phân tích chất lượng hay gửi đi nước ngoài

Mối liên hệ giửa ma sát kim loại và đặc tính của dầu bôi trơn chưa được các chỉ số rất phức tạp chưa được tham số hoá thành các chỉ số đơn giản

Mục tiêu nghiên cứu:

Mục tiêu mà đề tài hướng tới là tham số hóa được các đặc tính của dầu bôi trơn công nghiệp, song song đó chế tạo thiết bị chuyên dụng để thử và đánh giá khả năng bôi trơn của dầu thông qua độ mài mòn của chi tiết máy dưới tác động cơ học của ma sát Trên cơ sở những kết quả này, nhiều hướng ứng dụng sẽ được mở ra dựa trên các tham số được lượng hóa nhằm lựa chọn các loại dầu bôi trơn từ các nhà sản xuất khác nhau phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của thiết bị trong các lĩnh vực sản xuất khác nhau

Phương pháp nghiên cứu:

Từ những kinh nghiệm thực tế trong việc sử dụng dầu bôi trơn công nghiệp trong Nhà

máy Đạm Cà Mau Thiết kế máy chạy thực nghiệp để thu thập dữ liệu và so sánh

Nội dung:

Nội dung của luận văn gồm có 5 chương: Chương 1 tổng quan, chương 2 và chương 3 cơ sở phân tích về đặt tính của dầu bôi trơn Chương 4 Thiết kế máy, chương 5 chạy máy thực nghiệm và kết quả

Kết quả của nghiên cứu:

Một tập luận văn và một bài báo đăng trên tạp chí Cơ khí

ABSTRACT

Reason for choosing topic:

The lubrication is very diverse in many different types, there are many different manufacturers with different quality The test of choosing the right oil, or choosing the equivalent of the oil in use, is difficult Choosing the wrong oil will reduce machine productivity and equipment life

To get the results of analysis and evaluation of lubricating oil quality takes a long time, oil samples must be sent to quality analysis facilities or sent abroad

The relationship between metal friction and lubricating oil properties has not been measured by very complex indices that have not been parameterized into simple indices

Objectives of the study:

The goal of the topic is to parameterize the characteristics of industrial

lubricating oils, and at the same time to manufacture specialized equipment to test and evaluate the lubricating ability of the oil through the wear of the parts machine under the mechanical action of friction On the basis of these results, many application directions will be opened based on quantified parameters in order to select lubricating oils from different manufacturers in accordance with the actual working conditions of the equipment in different production areas

The results of the study:

A collection of theses and an article published in the journal Mechanical Engineering

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến đặc tính của dầu bôi trơn sử dụng trong bảo dưỡng công nghiệp và thiết kế máy kiểm tra chất lượng dầu bôi trơn ” là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi

Các số liệu nghiên cứu khoa học và kết quả nghiên cứu của luận văn là trung thực và tài liệu tham khảo đã được ghi rõ nguồn trích dẫn

Nếu phát hiện bất kỳ sự sao chép nào từ kết quả nghiên cứu khác hoặc sai sót về số

liệu nghiên cứu, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường và ban hội đồng.

Cà Mau, ngày 26 tháng 7 năm 2021,

Học viên

Trần Tiến Lên

1.1 Vai trò của dầu bôi trơn đối với thiết bị công nghiệp 2

1.2 Tổng quan về công nghiệp dầu, mỡ bôi trơn công nghiệp và tình hình nghiên cứu trong nước 2

1.3 Chức năng của dầu bôi trơn đối với thiết bị công nghiệp 2

1.4 Tình hình nghiên cứu về dầu bôi trơn ở nước ngoài 3

2.5.2 Phương pháp xác định hàm lượng nước 11

2.6 Hàm lượng cặn không tan 11

2.6.2 Phương pháp xác định 11

2.7 Đặc tính về tuổi thọ của dầu bôi trơn 12

2.7.1 Tính chất nhiệt độ thấp và cao của chất bôi trơn 12

3.6 Các yếu tố ngoại quan, kho chứa bảo quản chất bôi trơn 31

3.6.1 Bảo dưỡng định kỳ ( Preventived Maintenace) 31

3.6.2 Các hư hỏng hệ thống bôi trơn 32

3.6.3 Lưu trữ và bảo quản 33

Chương 4 34

THIẾT KẾ MÁY KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG CỦA DẦU BÔI TRƠN 34

4.1 Mục tiêu 35

4.2 Nguyên lý kiểm tra mài mòn tiếp xúc ma sát 35

4.3 Thiết kế cụm chi tiết 36

4.4 Quy trình vận hành 46

Chương 5 48

CHẠY MÁY THỬ NGHIỆM-KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 48

5.1 Chạy thử nghiệm không tải 49

5.2 Chạy thử nghiệm có tải 49

5.3 Kết quả 45

5.4 Đánh giá 46

5.4.1 Sự mài mòn và giảm khối lượng của viên bi 46

5.4.2 Sự thay đổi của cường độ dòng điện, tốc độ, nhiệt độ 47

KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 :Bảng chọn thông số động cơ 37

Bảng 4.2 : Chọn tỷ số truyền và tốc độ vòng quay 37

Bảng 5.1: Kết quả chạy thực nghiệm loại dầu Castrol VG46 đã qua sử dụng 45

Bảng 5 2 Kết quả chạy thực nghiệm loại dầu Castrol VG46 mới 45

Bảng 5.3: So sánh khối lượng 46

Bảng 5.4: So sánh sự thay đổi của cường độ dòng điện, tốc độ, nhiệt độ 47

Bảng 5.5: So sánh sự thay đổi của cường độ dòng điện, tốc độ, nhiệt độ 48

Bảng 5.6: Kết quả các chỉ số của các loại dầu 49

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Mô tả vận tốc tuyến tính của lớp bôi trơn 5

Hình 2 Độ nhớt động lực được đo bằng máy đo lưu tốc 6

Hình 3 Độ nhớt động học được đo bằng nhớt kế mao quản 6

Hình 4 Độ nhớt của dầu thay đổi theo nhiệt độ 7

Hình 5 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ nhớt 7

Hình 6 Máy xác định độ kiềm tổng 10

Hình 7 Đo tính dễ bay hơi dầu bôi trơn bằng phương pháp Noack 13

Hình 8 Chất bôi trơn được làm nóng trong quá trình đo điểm chớp cháy bằng phương pháp cốc hở Cleveland (COC) 13

Hình 9 Độ bay hơi là một hàm của điểm chớp cháy đối với một số loại dầu gốc 14

Hình 10 Không khí được sục sủi bọt qua chất bôi trơn Sau khi sủi bọt ta đo thời gian giải phóng không khí 15

Hình 11 Hướng của các thành phần hoạt động bề mặt trong bọt bôi trơn 16

Hình 12 Sự tạo bọt được kiểm nghiệm bằng cách sủi bọt khí trong chất bôi trơn 17

Hình 13 Khả năng khử nhũ tương được kiểm nghiệm bằng cách trộn nước với chất bôi trơn 18

Hình 14 Một ví dụ về đường đặc tính nhiệt độ trong một chất bôi trơn giữa hai bề mặt với các nhiệt độ khác nhau 19

Hình 15 Quá trình oxy hóa của một chất bôi trơn khi bắt đầu với tiếp xúc oxy, được tiến hành như một quá trình phản ứng dây chuyền 21

Hình 16 Khi có nước và oxy, quá trình ăn mòn sắt bắt đầu, dẫn đến các bề mặt bị rỗ và gỉ 22

Hình 17 Đánh giá trực quan thử nghiệm độ ăn mòn thép bằng cách đặt một thanh thép đã đánh bóng vào chất bôi trơn 23

Hình 18 Kim loại màu bị ăn mòn khi có các hợp chất lưu huỳnh ở nhiệt độ cao 23

Hình 19 Sự ăn mòn kim loại màu vàng được đánh giá bằng cách đặt một dải đồng trong chất bôi trơn Đánh giá trực quan theo thang điểm nhất định 24

Hình 20 Kim loại màu bị ăn mòn khi có các hợp chất lưu huỳnh ở nhiệt độ cao 24

Hình 21 Hai bề mặt cách nhau bởi lớp màng dầu bôi trơn 27

Hình 22 Nhiệt độ hoạt động tối ưu của dầu bôi trơn 27

Hình 23 Chuyển động giữa vật rắn và chất lỏng khi tiếp xúc được bôi trơn 28

Hình 24 Độ nhấp nhô bề mặt chuyển động tịnh tiến 28

Hình 25 Độ nhấp nhô bề mặt chuyển động quay 28

Hình 26 Hình thành solid do mài mòn kim loại 29

Hình 27 Chuyển động tịnh tiến 29

Hình 28 Phân tích nhiệt quang phổ 30

Hình 29 Vòng bi bị hỏng khi thiết bị quá tải 30

Hình 30 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính bôi trơn khi thiết bị đang vận hành 31

Hình 31 Biểu diễn thời gian vận hành máy và BDĐK 32

Hình 34 Sơ đồ nguyên lý máy 36

Hình 35 Các thông số hình học của báng răng trụ thẳng 38

Hình 45 Máy test dầu bôi trơn sau khi lắp ghép 46

Hình 46 Máy test dầu bôi trơn sau khi lắp ghép thực tế 46

Hình 47 Lắp viên bi tiếp xúc ma sát với trục quay và rót mẫu dầu vào cốc 49

Hình 48 Các thông số tốc độ vòng quay/phút, nhiệt độ, và cường độ dòng điện 50

Hình 49 Mẫu dầu Castrol VG46 và cốc chứa 50

Hình 50 Mẫu viên bi qua 2 lần chạy thử nghiệm 46

Hình 51 Biểu đồ hao mòn khối lượng 47

Hình 52 Biểu đồ thay đổi giá trị của cường độ dòng điện và nhiệt độ (t = 30s) 48

Hình 53 Biểu đồ thay đổi giá trị của cường độ dòng điện và nhiệt độ (t = 5 phút) 49

Chương 1:

TỔNG QUAN

1.1 Vai trò của dầu bôi trơn đối với thiết bị công nghiệp

Đối với ngành công nghiệp không thể hoạt động nếu thiếu dầu, mỡ bôi trơn Tất cả các máy móc thiết bị ở các dạng và kích cở khác nhau sẽ không thực hiện được chức năng hiệu quả nếu không có các chất bôi trơn thích hợp Do đó có rất nhiều chủng loại dầu bôi trơn có cấp chất lượng từ thấp đến cao được dung để đáp ứng các nhu cầu được dùng nhằm đáp ứng các nhu cầu sử dụng đặt biệt đến các loại dầu đa dụng dung rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Các nước trên thế giới sản xuất dầu bôi trơn theo các tiêu chuẩn, quy định riêng phù hợp với điều kiện sử dụng của nước đó Thông thường việc bôi trơn thiết bị phải sử dụng dầu do nhà chế tạo quy định

1.2 Tổng quan về công nghiệp dầu, mỡ bôi trơn công nghiệp và tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện tại ngành công nghiệp Việt Nam hiện diện gần như đầy đủ các nhãn hiệu dầu, mỡ lớn của thế giới như BP/Castrol, Shell, Chevron… Điều đáng nói hơn là các thương hiệu này đã có nhà máy sản xuất tại Việt Nam để tiếp tục duy trì vị thế của mình

Bên cạnh đó còn có các nhãn hiệu dầu nhớt nhập khẩu từ Hàn Quốc, Thái Lan, Mỹ, Singapore… và một số nhãn hiệu được pha chế tại Việt Nam nhưng ghi nguồn gốc xuất xứ ngoại Một số loại dầu được nhà sản xuất thiết bị chỉ định và khuyến cáo sử dụng riêng cho thiết bị đó Sự tranh giành thị trường giửa các nhà sản xuất và đại lý phân phối sẵn sàng chọn nhãn hiệu khác khi những điều kiện về giá, mức lợi nhuận, lãnh địa… hấp dẫn hơn Do đó trong những năm qua trên thị trường Việt Nam có rất nhiều loại dầu bôi trơn cùng tính năng nhưng có giá thành và thương hiệu khác nhau Việc sử dụng chất bôi trơn phù hợp sẽ góp phần rất lớn đảm bảo cho thiết bị hoạt động ổn định, giảm chi phí bảo dưỡng, nâng cao độ bền và ôn định khi vận hành thiết bị

Các nghiên cứu trong nước về dầu mỏ, khai thác và chế biến các sản phẩm dầu khí, chủ yếu thuộc các đơn vị của Tập Đoàn Dầu Khí Quốc gia Việt Nam (PVN) Tiêu biểu như để tài “Nghiên cứu chế tạo các thiết bị cho phản ứng cracking dầu thô phức hợp’’ nhóm nghiên cứu của TS.Vũ Xuân Hoàn Dựa trên các kết quả cho thấy đa phần là các phản ứng hoá học

Mặt khác việc nghiên cứu về đặc tính của dầu bôi trơn gặp rất nhiều khó khăn do không đủ thiết bị phân tích các thành phần có trong dầu bôi trơn Việc phân tích và đánh giá chất lượng chất bôi trơn rất ít được đề cập và nghiên cứu chuyên sâu

1.3 Chức năng của dầu bôi trơn đối với thiết bị công nghiệp

Chất bôi trơn hay dầu bôi trơn có chức năng cơ bản đó là :

− Làm giảm ma sát, giảm cường độ mài mòn, ăn mòn của các bề mặt ma sát nhằm đảm bảo cho thiết bị đạt công suất tối đa

− Lưu lượng và áp suất của dòng bôi trơn giúp cuốn trôi các cặn bẩn, giải nhiệt làm mát thiết bị

− Ngoài ra chất bôi trơn còn có chức năng làm kín, bảo vệ bề mặt chi tiết

1.4 Tình hình nghiên cứu về dầu bôi trơn ở nước ngoài

Với sự phát triển nhanh của các ngành công nghiệp nặng, việc nghiên cứu và sản xuất dầu bôi trơn đang được các nước công nghiệp chú trọng phát triển Tuy nhiên các nghiên cứu thường đi sâu vào sự đáp ứng phù hợp của dầu bôi trơn đối với từng ngành riêng, phù hợp cho từng thiết bị

Bôi trơn sau cho cho đúng kỹ thuật, có thể tăng hiệu suất năng lượng và giảm hỏng hóc sớm trên vòng bi và thiết bị, kéo dài thời gian hoạt động của máy Các thực nghiệm và nghiên cứu đó được hãng vòng bi SKF triển khai, tuy nhiên kết quả không được phổ biến và ứng dụng

Chương 2:

CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT

CỦA DẦU BÔI TRƠN VÀ CÁCH XÁC ĐỊNH

2.1 Độ nhớt

2.1.1 Khái niệm

Độ nhớt là một đại lượng vật lý đặt trưng do trở lực ma sát nội tại sinh ra giửa các phân tử khi chúng có sự chuyển động trượt lên nhau Vì vậy độ nhớt có liên quan đến nhiệt độ, khả năng thực hiện quá trình bơm, vận chuyển chất lỏng, chất keo trong các hệ đường ống chứa lưu chất

2.2.2 Phân loại độ nhớt và phương pháp xác định độ nhớt Độ nhớt được chia làm hai loại: Động lực và động học

a Độ nhớt động lực

Độ nhớt được định nghĩa là khả năng chống chảy của chất lỏng khi bị biến dạng do ứng suất trượt; mô tả sức cản nội bộ trong chất lỏng đối với dòng chảy và có thể được coi là thước đo của ma sát chất lỏng Một chất bôi trơn lỏng giữa hai bề mặt nằm ngang hoặc giữa các vật rắn, trong đó một vật cố định và một vật chuyển động với vận tốc không đổi, có thể được sử dụng để minh họa về độ nhớt (Hình 1)

Chất bôi trơn có thể được xem bao gồm nhiều lớp chuyển động với các vận tốc khác nhau, trong đó lớp dầu càng gần với bề mặt cố định sẽ có vận tốc càng gần bằng 0; lớp dầu càng gần với bề mặt chuyển động, vận tốc bôi trơn càng tiến đến bằng với vận tốc của bề mặt chuyển động

Ứng suất trượt 𝜏, sinh ra khi di chuyển vật rắn chuyển động phía trên với vận tốc không đổi 𝑢, được định nghĩa bởi định luật Newton

𝜏 = 𝜂𝜕𝑢

Trong đó: 𝑢 là vận tốc của vật rắn chuyển động Đối với dòng chảy tầng có độ nhớt động lực học 𝜂 và 𝑦 là khoảng cách giữa hai bề mặt rắn Sự thay đổi vận tốc theo khoảng cách 𝑦, được gọi là vận tốc trượt, 𝜕𝑢 𝜕𝑦⁄

Độ nhớt động lực được đo bằng máy đo lưu tốc (lưu biến kế), trong đó lưu chất được đặt giữa hai hình trụ đồng tâm (Hình 2) Máy đo lưu tốc kiểu này còn được gọi là nhớt kế quay Xy lanh bên trong có vận tốc đã biết, độ hở được cho trước và mô-men xoắn cần thiết để giữ cố định cho xylanh ngoài được đo Ta sẽ tìm được ứng suất trượt cho một

Bề mặt rắn chuyển động Chất bôi trơn

Bề mặt rắn đứng yên

Hình 1 Mô tả vận tốc tuyến tính của lớp bôi trơn

vận tốc trượt nhất định Các phép đo được thực hiện ở nhiệt độ phù hợp tương ứng với ứng dụng thực tế điển hình

Hình 2 Độ nhớt động lực được đo bằng máy đo lưu tốc

Đơn vị của độ nhớt động lực là Pas hoặc thường được sử dụng là cP (centipoise), trong đó 1 mPas = 1 cP Nước ở nhiệt độ phòng có độ nhớt động lực khoảng 1 mPas và dầu động cơ là khoảng vài trăm mPas

b Độ nhớt động học

Tại các vị trí tiếp xúc, ta sử dụng độ nhớt động học Độ nhớt động học dễ đo hơn và thường được sử dụng để chỉ định chất bôi trơn Độ nhớt động học 𝜈 là tỉ số giữa độ nhớt động lực và trọng lượng riêng của nó:

𝜈 = 𝜂

trong đó 𝜂 là độ nhớt động lực và 𝜌 là trọng lượng riêng

Độ nhớt động học được đo bằng cách cho chất bôi trơn chảy qua một ống mao quản với đường kính xác định và chỉ bị tác động bởi trọng lực Ta tiến hành đo thời gian lượng chất bôi trơn nhất định chảy qua ống mao quản Hệ thống này được gọi là nhớt kế mao quản (Hình 3)

Độ nhớt động học thường được đo ở 400C (KV40) Kinematics Viscosity và 1000C (KV100), có thể bao quát các dãy nhiệt độ của các ứng dụng phổ biến

Đơn vị của độ nhớt động học là mm2/s hoặc cSt (centistokes), trong đó 1 mm2/s = 1 cSt Nước ở nhiệt độ phòng có độ nhớt động học khoảng 1 mm2/s

Mức bắt đầu Mức dừng Phần mao quản

Hình 3 Độ nhớt động học được đo bằng nhớt kế mao quản

Đối với tất cả các chất bôi trơn, trọng lượng riêng sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Do đó, độ nhớt động lực và trọng lượng riêng phải được đo ở cùng nhiệt độ để có được phép đo chính xác cho độ nhớt động học

2.2.3 Chỉ số độ nhớt (Viscosity Index-VI)

Chỉ số độ nhớt (VI) là đại lượng để đánh giá sự thay đổi của độ nhớt dầu bôi trơn theo nhiệt độ

− Nhiệt độ khác nhau thì độ nhớt của dầu sẽ khác nhau

Hình 4 Độ nhớt của dầu thay đổi theo nhiệt độ

− Ở nhiệt độ thấp thì độ nhớt có chỉ số cao

Hình 5 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ nhớt

2.2 Chỉ số độ axit tổng (TAN)

2.2.1 Khái niệm

Chỉ số axit tổng (TAN) là thước đo tình trạng dầu bôi trơn (hoặc tình trạng của dầu gốc) Chất bôi trơn mới (chưa sử dụng) có thể chứa các thành phần axit như axit hữu cơ, axit vô cơ, este hoặc một số chất phụ gia có tính axit Axit cũng hình thành khi chất bôi

trơn bị lão hóa Do đó, tình trạng của chất bôi trơn có thể được đánh giá bằng cách đo giá

trị axit Chỉ số TAN cao thường thấy ở một chất bôi trơn đã cũ Số axit là một chỉ số về tuổi thọ còn lại của chất bôi trơn Việc theo dõi giá trị axit cho phép ta có thể thay chất bôi

trơn trước khi xảy ra ăn mòn nghiêm trọng trong hệ thống

Đối với hầu hết các loại dầu bôi trơn đều có chỉ số TAN ban đầu tương đối nhỏ và tăng dần trong quá trính sử dụng Khi TAN tăng lên sẽ đánh mất tính năng chống oxy hóa của dầu nhờn và lúc đó dầu lại bị oxy hóa làm cho TAN trong dầu lại tiếp tục tăng lên và sẽ làm giảm tuổi thọ của dầu

Chỉ số TAN của dầu đã sử dụng olà một đại lượng đánh giá mức độ biến chất của dầu do quá trình oxy hóa Tuy nhiên đó không phải là tiêu chuẩn duy nhất để xác định sự biến chất của dầu do quá trình oxy hóa mà phải còn phải xem xét đến thông số khác như: độ nhớt, hàm lượng tạp chất cơ học và cặn

2.2.2 Phương pháp xác định chỉ số axit tổng (TAN) Có các phương pháp sau;

a Phương pháp chỉ thị màu [1]

Hàm lượng axit, hoặc chỉ số axit tổng, có thể được xác định bằng phương pháp chuẩn độ Trong đó, chất bôi trơn được pha loãng trong cốc thủy tinh Kali hydroxit (KOH)

được thêm vào mẫu trong quá trình trộn OH− từ KOH phản ứng với H+ từ các thành phần

axit trong chất bôi trơn và tạo thành nước Khi tất cả các thành phần axit đã phản ứng với KOH, lượng axit được tính theo mg KOH/g chất bôi trơn, tương ứng với lượng KOH đã

được thêm vào để đạt đến điểm cân bằng Điểm cân bằng có thể được xác định tại thời điểm xuất hiện sự thay đổi màu sắc của chất bôi trơn

Hoà tan phần mẫu thử trong một dung môi hỗn hợp (Dietyl ete và etanol 95% hoặc hỗn hợp của etanol và toluene), sau đó chuẩn độ axit béo tự do với dung dịch kali hydroxit trong etanol với chỉ thị phenonphtalein

Phương pháp này áp dụng xác định thành phần axit hoặc kiềm có trong sản phẩm dầu mỏ, các chất bôi trơn tan được hoặc tan gần hết trong hỗn hợp toluen và rượu izopropylic Và để xác định axit hoặc kiềm có hằng số phân ly trong nước lớn hơn 10−9; những axit hoặc kiềm cực yếu có hằng số phân ly nhỏ hơn 10−9 sẽ không ảnh hưởng đến phép thử Nhƣng nếu hằng số thủy phân của muối lớn hơn 10−9thì chúng sẽ gây ảnh hưởng

Chú thích: Trong các loại dầu mới và dầu đã sử dụng Các thành phần

được coi là có tính axit bao gồm cả axit vô cơ và hữu cơ este, hợp chất phenol, lacton, các chất nhựa; muối của các kim loại nặng và chất phụ gia như các chất tẩy rửa, các chất ức chế Tương tự các thành phần được coi là tính kiềm, bao gồm kiềm vô cơ và hữu cơ, các hợp chất amin, muối của các axit yếu (xà phòng), các muối của kiềm polyaxit, muối của các kim loại nặng, và các chất phụ gia như các chất tẩy rửa, các chất ức chế

b Phương pháp chuẩn độ điện thế

Mẫu được hòa tan trong hỗn hợp tôluen và rượu izo propylic có chứa một ít nứớc rồi được chuẩn độ điện thế với dung dịch rượu kali hydroxit Sử dụng điện cực thủy tinh làm điện cực chỉ thị và điện cực calomen làm điện cực so sánh Các số liệu hiển thị trên máy được vẽ thành đồ thị bằng tay hoặc ghi tự động theo thể tích dung dịch chuẩn độ tương ứng Các điểm cuối chỉ được xác định bằng các điểm uốn nhận thấy rõ trên đường cong chuẩn độ Nếu các điểm uốn không rõ ràng thì các điểm cuối được lấy theo số đọc tương ứng trên máy khi đo các dung dịch đệm không nước (axit hoặc kiềm) mới được chuẩn bị

Phương pháp này cũng được dùng để phát hiện sự thay đổi tương đối của dầu nhờn trong quá trình sử dụng dưới điều kiện oxy hóa mà không kể tới màu sắc và các tính chất khác của dầu đã bị oxi hóa Mặc dù việc chuẩn độ được tiến hành dưới những điều kiện cân bằng xác định, phương pháp này không dự kiến để đo độ axit tuyệt đối dùng để dự đoán tính năng của dầu nhờn trong điều kiện sử dụng

2.3 Chỉ số độ bazơ tổng TBN

2.3.1 Khái niệm

Độ kiềm trong dầu nhờn được biểu thị bằng giá trị kiềm tổng (TBN) cho biết lượng axit clo hydric hay percloric, được quy chuyển sang KOH tương đương cần thiết để trung hoà hết các hợp chất mang tính kiềm có mặt trong 1g mẫu

Chỉ số bazơ tổng (TBN) là một thước đo khác cho tình trạng dầu bôi trơn Chỉ số

TBN cao sẽ thể hiện tình trạng tốt của dầu Dầu bôi trơn mới chưa sử dụng thường chứa các chất phụ gia cơ bản như chất tẩy rửa và chất phân tán cho chỉ số TBN cao Các chất

phụ gia cơ bản này được thêm vào để trung hòa các thành phần axit có thể hình thành trong

quá trình chất bôi trơn hoạt động Do đó, giá trị TBN sẽ dần được hạ xuống khi các chất

phụ gia này bắt đầu phát huy tác dụng và thường theo sau là quá trình oxy hóa, tăng độ

nhớt Vì vậy, TBN là một chỉ số tốt về tuổi thọ còn lại của dầu bôi trơn

Dầu có độ kiềm cao thì khả năng chống ăn mòn tốt Khi TBN giảm đến một giá trị giới hạn sẽ mất đi các chức năng bảo vệ bề mặt kim loại, thì dầu cần phải được thay mới

2.3.2 Phương pháp xác định độ kiềm tổng TBN

Cách tiến hành như sau:

− Cân lượng mẫu theo quy định phụ thuộc vào TBN dự đoán: Lượng mẫu m(g)= 10/TBN dự đoán

− Lần lượt cho 40ml Cloruabenzen và 20g axit acetic vào mẫu

− Đưa mẫu lên máy đã nạp số liệu sẵn và chờ máy chạy đến kết thúc quy trình chuẩn độ, máy sẽ tự động cho kết quả

2.4 Hàm lượng lưu huỳnh

2.4.2 Phương pháp xác định hàm lượng lưu huỳnh Phương pháp đốt Wickbold:

Đưa mẫu thử lỏng hoặc khí vào ngọn lửa oxy-hydro của đèn hút, và đốt với một lượng dư oxy đáng kể Các mẫu rắn hoặc quá nhớt cần được hòa tan trong hỗn hợp toluene và dầu mỏ nhẹ, sau đó xử lý như mẫu lỏng hoặc có thể được đốt trong một dòng oxy trong thuyền đốt

Lưu huỳnh oxit sinh ra được chuyển thành axit sunfuric bằng cách hấp thụ chúng vào dung dịch hydro peoxit Tùy thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh của mẫu

Hình 6 Máy xác định độ kiềm tổng

thử, lượng ion sunfat trong dung dịch hấp thụ được xác định bằng các phương pháp khác nhau như chuẩn độ hay trọng lượng

2.5 Hàm lượng nước

2.5.1 Khái niệm

Nước trong dầu bôi trơn không những đẩy nhanh sự ăn mòn và oxy hoá mà còn gây ra hiện tượng nhũ tương Trong một vài trường hợp nó còn gây ra hiện tượng thủy phân các phụ gia tạo ra cặn bùn

2.5.2 Phương pháp xác định hàm lượng nước

a Xác định nước bằng chuẩn độ điện lượng Karl Fischer

Bơm một lượng mẫu vào bình chuẩn độ của thiết bị điện lượng Karl Fischer trong đó có iốt dùng cho phản ứng sinh ra điện lượng tại anốt Khi tất cả nước được chuẩn độ, lượng iốt dư được phát hiện bằng detector tại điểm cuối và kết thúc sự chuẩn độ Dựa vào phép tính tỷ lượng của phản ứng, cứ 1 mol iốt phản ứng với 1 mol nước, do vậy lượng nước là tỷ lệ với tổng dòng điện hợp nhất theo định luật Faraday

b Phương pháp chưng cất

Mẫu được đun hồi lưu với một dung môi không tan trong nước nhưng có khả năng cất đẳng phí với nước chứa trong mẫu Dung môi và nước ngưng tụ được tách pha liên tục trong bẫy lỏng, nước lắng xuống trong phần chia vạch của bẫy và dung môi quay trở lại bình chưng cất

2.6 Hàm lượng cặn không tan

2.6.1 Khái niệm

Trong quá trình làm việc của thiết bị luôn bị bẩn do nhiều sản phẩm khác nhau tích tụ lại trong dầu như : Các hạt mụi than, bụi, mạt kim loại sinh ra do mài mòn, sản phẩm của phản ứng oxy hoá,… Sự pha trộn lẫn các cặn này sẽ trôi lơ lửng trong dầu, hoặc lắng xuống đáy bồn chứa, hay được giữ lại trong bầu lọc dầu

Hiện tượng cáu cặn nhiều sẽ là nguyên nhân dẫn đến thiết bị hoạt động không ổn định, có thể làm hư hỏng như:

− Cặn có thể làm tắc ống dầu, lọc dầu, phá huỷ quá trình bôi trơn dẫn đến hư hỏng vòng bi, bạc đỡ, gây ra nhiều sự cố

− Cặn có thể làm cho dầu mới giảm đi phẩm chất ngay khi cho vào thiết bị 2.6.2 Phương pháp xác định

Hàm lượng cặn không tan (cặn cơ học) là số mg thu được sau khi đem lọc 100ml

mẫu dầu tương ứng

2.7 Đặc tính về tuổi thọ của dầu bôi trơn

Đặc tính về tuổi thọ của chất bôi trơn bao gồm quá trình oxy hóa và ổn định thủy phân,

cũng như ức chế quá trình ăn mòn Các đặc tính tuổi thọ còn có thể được gọi là tính chất hóa học, vì đều liên quan đến những thay đổi hóa học của chất bôi trơn

Việc lựa chọn chất bôi trơn là rất quan trọng sao cho phù hợp với từng ứng dụng để kéo dài tuổi thọ của cả chất bôi trơn và các thiết bị trong ứng dụng đó Ngoài việc chọn chất bôi trơn phù hợp, cần phải xử lý và lưu trữ nó một cách tốt nhất Chất bôi trơn sẽ

nhanh chóng bị lão hóa khi tiếp xúc với nhiệt, ánh sáng mạnh, nước, oxy, kim loại và tạp

chất

2.7.1 Tính chất nhiệt độ thấp và cao của chất bôi trơn

Cả nhiệt độ thấp và cao đều ảnh hưởng đến các tính chất khác ngoài độ nhớt của chất bôi trơn: có thể đông cứng ở nhiệt độ thấp hoặc có thể bay hơi, bị lão hoá và bắt lửa ở nhiệt độ cao

a Điểm rót chảy

Điểm rót chảy của dầu bôi trơn là nhiệt độ thấp nhất mà dầu sẽ chảy Tùy thuộc vào đặc điểm và nhu cầu khác nhau trên thế giới, ví dụ ở bắc bán cầu sẽ đòi hỏi nhiều về điểm rót chảy do nhiệt độ lạnh vào mùa đông Giá trị điểm rót chảy là một dấu hiệu ban đầu cho biết nhiệt độ thấp nhất mà tại đó dầu có thể bơm được Chất bôi trơn có thể không đến được vị trí tiếp xúc cần bôi trơn khi có điểm rót chảy không phù hợp với nhiệt độ môi trường, gây nguy cơ mài mòn và hỏng hóc

Các phân tử dầu gốc có thể di chuyển tự do trong chất bôi trơn lỏng, nhưng chuyển động này sẽ giảm khi chất bôi trơn được làm nguội Do đó, cả độ nhớt và trọng lượng riêng đều tăng khi hạ thấp nhiệt độ Các phân tử dầu gốc luôn tự định vị theo một mô hình thuận lợi về mặt năng lượng, do đó ở nhiệt độ đủ thấp, một mạng tinh thể được hình thành và chất bôi trơn sẽ đông đặc lại

Điểm rót chảy có thể được xác định bằng cách đổ chất bôi trơn vào cốc thủy tinh và làm nguội dần Cốc được nghiêng mỗi khi nhiệt độ giảm đi 30C Điểm rót đạt được khi chất bôi trơn không còn chảy khi nghiêng cốc

b Khả năng bay hơi

Chất bôi trơn sẽ bay hơi khi được gia nhiệt Độ bay hơi là thước đo tính có thể bốc hơi của dầu nhờn và phụ thuộc vào áp suất hơi của nó Trong các hệ kín, hơi ở trạng thái cân bằng với chất lỏng Một chất bôi trơn có áp suất hơi cao sẽ dễ bay hơi hơn loại có áp suất hơi thấp ở bất kỳ nhiệt độ nào Sự bay hơi khác nhau giữa các loại dầu gốc Các phân tử có trọng lượng phân tử thấp thì có áp suất hơi cao và sẽ bay hơi dễ dàng hơn so với các phân tử có trọng lượng cao Dầu gốc có độ nhớt thấp sẽ dễ bay hơi hơn dầu gốc có độ nhớt cao Đối với các ứng dụng ở nhiệt độ cao, một hỗn hợp cân bằng của dầu gốc là cần thiết để chất bôi trơn hoạt động tốt Do đó, chất bôi trơn chất lượng cao luôn được pha chế với dầu gốc ít bay hơi

Lượng chất bôi trơn bị giảm trong hệ thống khi bị bay hơi Vì vậy cần phải đảm bảo có đủ chất bôi trơn tại vị trí tiếp xúc ở bất kỳ nhiệt độ làm việc nào Bay hơi cũng làm thay đổi tính chất của chất bôi trơn khi một lượng dầu gốc dễ bay hơi bị mất đi Bên cạnh đó, độ bay hơi rất quan trọng đối với chất bôi trơn được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao, nơi dầu nhờn có thể có nguy cơ bị bắt lửa

Độ bay hơi Noack của chất bôi trơn được đo bằng cách gia nhiệt đến 2500C trong 60 phút trong một cái chụp hút khói (xem Hình 7) Độ bay hơi được đánh giá bằng cách cân chất bôi trơn trước và sau khi gia nhiệt Thử nghiệm này được thiết kế cho các ứng dụng nhiệt độ cao như dầu động cơ

c Điểm chớp cháy

Như đã mô tả ở trên, chất bôi trơn bay hơi ở nhiệt độ cao Tuy nhiên, nếu ta gia nhiệt đến một nhiệt độ nhất định, sẽ đạt được điểm chớp cháy Điểm chớp cháy của chất bôi trơn dễ cháy là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó nó có thể tạo thành hỗn hợp bắt lửa trong không khí Ở nhiệt độ này, hỗn hợp hơi có thể ngừng cháy khi cắt nguồn lửa

Thông số về điểm chớp cháy được sử dụng để đảm bảo an toàn và xử lý tốt các loại chất bôi trơn Điều quan trọng là phải chọn chất bôi trơn có điểm chớp cháy cao hơn nhiệt độ ứng dụng cao nhất để tránh hỏa hoạn Điểm chớp cháy chủ yếu có ý nghĩa quan trọng trong toàn ứng dụng (nghĩa là nhiệt độ chung của một lượng lớn dầu bôi trơn) thay vì chỉ tại vị trí tiếp xúc cục bộ

Chất bôi trơn

Hình 7 Đo tính dễ bay hơi dầu bôi trơn bằng phương pháp Noack

Hình 8 Chất bôi trơn được làm nóng trong quá trình đo điểm chớp cháy bằng phương pháp cốc hở Cleveland (COC)

Cách phổ biến nhất để xác định điểm chớp cháy là làm nóng chất bôi trơn trong cốc hở (phương pháp cốc hở Cleveland hoặc phương pháp COC) Chất bôi trơn được đổ vào một cốc kim loại và được gia nhiệt dần (Hình 8) Ở một nhiệt độ nhất định, khi chất bôi trơn bắt đầu phát ra tia lửa, gọi là điểm chớp cháy Độ bay hơi và điểm chớp cháy có liên quan chặt chẽ với nhau (Hình 9) Nhìn chung, chất bôi trơn có độ bay hơi cao thì sẽ có điểm chớp cháy thấp

2.7.2 Đặc tính hút không khí và nước

Trong chất bôi trơn hầu như luôn chứa một ít không khí và nước ở các dạng khác nhau Thông thường, các chất bôi trơn có các chất phụ gia thì sẽ đảm bảo khả năng giải phóng không khí tốt, ít tạo bọt và có tính khử nhũ tương tốt nên sẽ có hiệu suất tốt hơn trong ứng dụng Tuy nhiên, khi chất bôi trơn bị ô nhiễm bởi các tạp chất, có thể gây ảnh hưởng xấu cho việc giải phóng không khí (khử khí)

a Sự giải phóng khí

Không khí xuất hiện trong chất bôi trơn dưới dạng không khí tự do, bọt, không khí bị ràng buộc và không khí hòa tan Không khí tự do nằm ở mặt thoáng, có thể được hút vào chất bôi trơn thông qua các thiết bị truyền động, ví dụ như máy bơm Quá trình này có thể gây ra bọt và sự xâm nhập của không khí, làm tăng quá trình oxy hóa của chất bôi trơn Trong khi đó, không khí hòa tan là vô hình và ở áp suất khí quyển có thể có tới 8% không khí hòa tan trong chất bôi trơn Không khí hòa tan ở trạng thái cân bằng với không khí trong môi trường xung quanh ở áp suất khí quyển, nhưng có thể được giải phóng nếu áp suất giảm Điều này có thể làm phát sinh các rối loạn trong hệ thống và gây ra xâm thực trong trường hợp nghiêm trọng Khả năng giải phóng không khí kém trong dầu thủy lực có

Hình 9 Độ bay hơi là một hàm của điểm chớp cháy đối với một số loại dầu gốc

thể gây ra hiện tượng xâm thực trong các máy bơm thủy lực và làm tăng khả năng nén Do đó, khả năng giải phóng không khí trong các ứng dụng như vậy là rất quan trọng

Sự giải phóng không khí xảy ra thông qua việc vận chuyển các bọt khí trong chất bôi trơn đến mặt thoáng Bọt khí được hình thành do hiện tượng căng bề mặt 𝛾 Mối quan hệ chênh lệch áp suất Δ𝑃 giữa bọt khí và chất bôi trơn xung quanh với bán kính bóng khí 𝑟, được mô tả bởi phương trình Young – Laplace:

∆𝑃 =2𝛾

𝑟 (4)

Sự giải phóng không khí được tăng cường bởi sự phát triển của bọt khí, do kết tụ hoặc do giảm áp suất xung quanh bong bóng trong quá trình nổi lên bề mặt Về bản chất, phương trình Young – Laplace có thể áp dụng cho bong bóng hoặc giọt khí hình thành trong chất bôi trơn, đó là trường hợp giải phóng không khí, tạo bọt và khử nhũ tương Tốc độ tăng bong bóng khí 𝑢𝑏𝑢𝑏𝑏𝑙𝑒 có thể được mô tả bằng phương trình Stokes:

Chất bôi trơn Đầu khí vào

Hình 10 Không khí được sục sủi bọt qua chất bôi trơn Sau khi sủi bọt ta đo thời gian giải phóng không khí

Sự giải phóng không khí được đo bằng cách sục khí qua chất bôi trơn trong khoảng 07 phút ở 250C, 500C hoặc 750C (Hình 10) Mục tiêu là để kiểm tra tất cả các chất bôi trơn ở xấp xỉ cùng độ nhớt Trong đó, chất bôi trơn có độ nhớt thấp được kiểm tra ở 250C và chất bôi trơn có độ nhớt cao được kiểm tra ở 750C

Sau khi sủi bọt (sục khí), ta tiến hành đo thời gian giải phóng không khí Đo trọng lượng riêng ngay sau khi sục khí và lặp lại quá trình này cho đến khi giá trị lý thuyết của trọng lượng riêng ở thời điểm không còn thấy không khí cuốn lẫn trong dầu nữa Khi đó chất bôi trơn được tính là chứa 0,2% không khí Sự giải phóng không khí được hoàn thành khi đạt đến mức này

b Sự tạo bọt

Hiện tượng tạo bọt có thể xảy ra khi không khí được đưa vào trong chất bôi trơn Tạo bọt mạnh có thể làm ngập vị trí cần bôi trơn và làm giảm lượng chất bôi trơn tại vị trí đó Bọt được định nghĩa là một thể tích khí lớn trong một thể tích nhỏ của chất bôi trơn dạng lỏng (hoặc rắn) Chất bôi trơn tinh khiết sẽ không bao giờ tạo bọt Có hai điều kiện để hình thành bọt Thứ nhất, trong chất bôi trơn có thành phần hoạt động bề mặt Thứ hai, bề mặt giữa không khí và chất bôi trơn phải đàn hồi Phân tử hoạt động bề mặt sẽ tự sắp xếp sao cho phần cực hướng về phía bọt khí khi ở trong dầu (Hình 11)

Việc đánh giá các đặc tính tạo bọt được thực hiện ở nhiệt độ làm việc tương ứng, đó là nhiệt độ phòng và ở nhiệt độ cao 940C Việc tạo bọt được thực hiện bằng cách sủi bọt khí với tốc độ không đổi thông qua bộ khuếch tán để phân phối không khí vào trong chất bôi trơn (xem Hình 12) Sự tích tụ bọt có thể nhanh và kích thước bọt có thể lớn hay nhỏ tùy thuộc vào công thức của chất bôi trơn Sau 5 phút, bọt khí dừng lại và ta đo thời gian để bọt tan đi Sau 10 phút, lượng bọt còn lại, nếu có, được ghi lại Một số bọt có độ bền vỡ rất cao trong khi một số khác dễ vỡ hoặc tan đi nhanh chóng

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự tạo bọt phụ thuộc vào độ nhớt trong phạm vi từ 100 đến 1000 cSt, trong đó thể tích bọt tối đa được hình thành trong khoảng độ nhớt từ 200 đến 300 cSt Khi đánh giá khả năng tạo bọt, phải bao quát tất cả các dãy nhiệt độ làm việc có thể có vì ứng xử tạo bọt đôi khi khác nhau giữa các nhiệt độ Ở vùng khí hậu lạnh, nên

làm nóng sơ bộ chất bôi trơn trước khi sử dụng để tránh tạo bọt trong quá trình khởi động nguội

c Tính khử nhũ tương

Sự xâm nhập của nước có thể dẫn đến một lượng nước lớn hoặc nhỏ hiện diện trong chất bôi trơn Thể tích nước lớn thường xuất hiện dưới dạng giọt hoặc pha nước nhìn thấy được, trong khi một lượng nhỏ nước có thể tồn tại dưới dạng nước hòa tan trong chất bôi trơn Thông thường, nước dạng giọt dễ tách ra khỏi chất bôi trơn hơn nước hòa tan Khả năng khử nhũ tương chính là khả năng tách nước khỏi chất bôi trơn Tốc độ tách nước phụ thuộc vào sự kết hợp giữa dầu gốc và các chất phụ gia

Một chất bôi trơn cần có tính khử nhũ tương tốt, vì sự xâm nhập của nước có thể gây ra sự ăn mòn, gây ra các vấn đề cho bộ lọc, mài mòn, v.v Tuy nhiên, cũng có thể chấp nhận một hàm lượng nước khác nhau trong các ứng dụng Nhiều chất bôi trơn được sử dụng trong công nghiệp, như dầu bánh răng, dầu thủy lực hoặc dầu tuabin, được pha chế không cho phép nước được nhũ hóa trong chất bôi trơn Nước không được chấp nhận tồn tại trong chất bôi trơn nếu nhiệt độ làm việc dưới 1000C Tuy nhiên, trong các hệ thống có nhiệt độ làm việc trên 1000C, nước sẽ không phải là vấn đề vì nó sẽ bay hơi trong quá trình hoạt động

Trong một số ứng dụng, sẽ có lợi khi cho phép nước xâm nhập vào dầu như đối với dầu động cơ, nơi nước được hình thành trong quá trình đốt cháy Nước được tách ra và tích tụ trong các-te có tác dụng làm mát động cơ Trong trường hợp xe chỉ chạy những quãng đường ngắn, không cho phép tăng nhiệt độ dầu bôi trơn, người ta thường thêm các chất

Đường khí vào

Bọt

Chất bôi trơn

Hình 12 Sự tạo bọt được kiểm nghiệm bằng cách sủi bọt khí trong chất bôi trơn

A: Trước khi sủi bọt khí qua chất bôi trơn B: Thử nghiệm với sự tích tụ bọt lớn

C: Thử nghiệm với sự tích tụ bọt nhỏ hoặc sự vỡ bọt đáng kể

phụ gia phân tán giúp phân tán các giọt nước nhỏ thành nhũ tương ổn định Đối với các loại chất bôi trơn này, thử nghiệm tính khử nhũ tương sẽ không cho thấy sự tách nước

Nhũ tương có thể hình thành khi nước xâm nhập vào chất bôi trơn Có hai loại nhũ tương chính: dầu-trong-nước (o/w) và nước-trong-dầu (w/o) Nước và dầu không trộn lẫn một cách tự nhiên và do đó nhũ tương thường không ổn định Chúng có thể trở nên ổn định khi thêm chất ổn định hỗ trợ sự xâm nhập của nước

Nhũ tương dầu-trong-nước là thường gặp nhất Khi nhũ tương vỡ, các giọt dầu sẽ bắt đầu va chạm và kết lại Các giọt dầu sẽ tăng lên trong pha nước liên tục (còn được gọi là kem) Sự kết tụ diễn ra cho đến khi một pha dầu liên tục được hình thành trên đỉnh của pha nước Thời gian cho sự hợp nhất 𝑡𝑟𝑐 được xác định bởi

Nước Dầu Nhũ tương

Hình 13 Khả năng khử nhũ tương được kiểm nghiệm bằng cách trộn nước với chất bôi trơn

A: Ống nghiệm trước khi trộn nước và chất bôi trơn

B: Ống nghiệm khi nước và chất bôi trơn đã được trộn lẫn C: Ống nghiệm sau khi tách

Các đặc tính nhiệt quan trọng là nhiệt dung riêng và độ dẫn nhiệt Đặc tính nhiệt vốn có của chất bôi trơn phụ thuộc chủ yếu vào dầu gốc và rất ít phụ thuộc vào phụ gia

Nhiệt dung riêng, 𝐶𝑝 được tính theo đơn vị J/kg, là thước đo năng lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ cho một đơn vị lượng chất bôi trơn Cần nhiều năng lượng hơn để tăng nhiệt độ cho chất bôi trơn có nhiệt dung riêng cao hơn so với loại có nhiệt dung riêng thấp Năng lượng 𝑄 cần thiết để thay đổi nhiệt độ Δ𝑇 của khối lượng 𝑚 được biểu thị bằng

𝑄 = 𝑚𝐶𝑝Δ𝑇 (7)

Đối với chất bôi trơn có giá trị 𝐶𝑝 thấp, đầu vào năng lượng tương đối nhỏ sẽ làm tăng đáng kể nhiệt độ dầu bôi trơn Do độ nhớt giảm khi nhiệt độ cao hơn, độ dày màng bôi trơn sẽ giảm nhiều hơn đối với chất bôi trơn có nhiệt dung riêng thấp

Hệ số dẫn nhiệt, 𝜆 được tính theo đơn vị W/m , cho thấy khả năng dẫn nhiệt của chất bôi trơn, ví dụ như nhiệt có thể được đưa ra khỏi vị trí tiếp xúc được bôi trơn nhanh như thế nào Sự truyền nhiệt 𝐺 giữa hai bề mặt được phân tách bằng chất bôi trơn có thể được mô tả bằng :

Bề mặt rắn được gia nhiệt

Chất bôi trơn

Bề mặt rắn nguội Nhiệt độ

Nhiệt độ = T1Nhiệt độ = T2

Hình 14 Một ví dụ về đường đặc tính nhiệt độ trong một chất bôi trơn giữa hai bề mặt với các nhiệt độ khác nhau

d Tính ổn định thuỷ phân

Chất bôi trơn thích nghi với môi trường bao gồm các este tự nhiên hoặc tổng hợp Các este này có thể bị phân hủy thành axit và rượu khi tiếp xúc với nước Phản ứng này được gọi là thủy phân trong đó este phản ứng với nước, tạo thành axit và rượu:

Tốc độ phản ứng thủy phân tăng lên ở nhiệt độ cao và được xúc tác bởi kim loại Độ ổn định thủy phân có thể được đánh giá bằng cách trộn chất bôi trơn với 10% nước tại 900C trong 5 ngày, và được xác định bằng cách đo chỉ số axit tổng (TAN) trong đó mức

tăng giá trị TAN cao cho thấy độ ổn định thủy phân thấp Không nên sử dụng chất bôi trơn có độ ổn định thủy phân thấp trong các ứng dụng có nguy cơ bị nhiễm nước cao vì có thể làm tăng nguy cơ lão hóa

2.7.3 Đặc tính ổn định oxy hóa

Chất bôi trơn có tính ổn định oxy hóa vốn có tùy thuộc vào thành phần của chúng Chất bôi trơn bị lão hóa bởi quá trình oxy hóa khi nó tiếp xúc với oxy Sự lão hóa diễn ra nhanh hơn ở nhiệt độ cao theo mối quan hệ Arrhenius:

𝑘 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 ∙ 𝑒−𝐸𝐴⁄𝑅𝑇 (10)

trong đó 𝑘 là hằng số tốc độ phản ứng hóa học ở nhiệt độ 𝑇 [K], 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 là hằng số, 𝐸𝐴 là năng lượng kích hoạt cần thiết cho phản ứng hóa học xảy ra và 𝑅 là hằng số khí Tốc độ

oxy hóa được nhân đôi sau mỗi 100C và bắt đầu trở nên đáng kể trên 600C

Về lý thuyết, sự oxy hóa được tăng cường khi tiếp xúc với oxy và kim loại ở nhiệt độ cao Do đó, quá trình oxy hóa có thể được hạ xuống bằng cách làm giảm tiếp xúc với oxy (hoặc không khí), bằng cách giảm nhiệt độ trong vị trí tiếp xúc bôi trơn (hoặc trong hệ

thống) và bằng cách loại bỏ các mảnh mạt vụn do mài mòn Trong thực tế, rất khó để tránh

tiếp xúc với oxy Tuy nhiên, ta có thể làm giảm hàm lượng oxy bằng cách tránh trộn không

khí vào chất bôi trơn và cải thiện khả năng giải phóng không khí bằng các loại phụ gia Ngoài ra, cần làm mát dầu để giảm nhiệt độ và lọc các mảnh mạt kim loại

Sự oxy hóa làm tăng tính axit và sự hình thành bùn, là các thành phần không hòa tan Tiêu thụ oxy, tăng độ nhớt và tăng số axit là các dấu hiệu của sự oxy hóa đang xảy ra Các thử nghiệm oxy hóa được thực hiện bằng cách cho dầu bôi trơn tiếp xúc với oxy ở nhiệt độ cao và kim loại xúc tác quá trình oxy hóa Một số phương pháp bao gồm bổ sung

nước để tăng tốc độ ăn mòn trong quá trình thử nghiệm Tuổi thọ của chất bôi trơn được xác định bằng cách đo:

• Sự tiêu thụ oxy

• Chỉ số axit tổng (TAN)

• Độ nhớt

• Sự tiêu thụ phụ gia chống oxy hóa

Mức tiêu thụ oxy có thể được đo bằng cách so sánh áp suất ban đầu của oxy với sự giảm áp suất oxy sau một thời gian nhất định Sau khi thực hiện thử nghiệm oxy hóa, ta tiến hành đo các chỉ số TAN, độ nhớt và lượng chất chống oxy hóa Kết quả được so sánh với

các giá trị ban đầu của chất bôi trơn mới Một chỉ số TAN có giá trị là 2 mg KOH/g cho

thấy quá trình oxy hóa đã tiến triển xa và có thể được sử dụng để chỉ sự kết thúc vòng đời

của chất bôi trơn đó

Quá trình oxy hóa có thể được giải thích chi tiết hơn trong Hình 1 Các chuỗi hydrocarbon (RH) trong chất bôi trơn phản ứng với oxy trong quá trình oxy hóa, tạo thành axit cacboxylic (ROOH) Quá trình oxy hóa thường bắt đầu từ các liên kết đôi trong hydrocarbon

Tại một thời điểm nhất định, các axit cacboxylic bị phân cắt và tạo thành các gốc

RO• và •OH Một gốc là một loại hóa chất phản ứng cao và được biểu thị bởi một điểm

chấm bên cạnh công thức hóa học Các gốc sẽ ngay lập tức phản ứng với hydrocarbon mới (RH), tạo thành bùn và một gốc mới R• Gốc R• này cùng với oxy, O2, phản ứng và tạo

thành ROO•, sẽ phản ứng với một hydrocarbon mới (RH) để tạo thành R• hoặc ROOH Quá trình oxy hóa là một phản ứng dây chuyền, diễn ra cho đến khi nó bị dừng lại do tác dụng của chất chống oxy hóa

Chất bôi trơn (RH)

Oxy

(O2)

Chất bôi trơn (RH)

Chất bôi trơn (RH)

Hình 15 Quá trình oxy hóa của một chất bôi trơn khi bắt đầu với tiếp xúc oxy, được tiến

hành như một quá trình phản ứng dây chuyền

2.7.4 Đặc tính ức chế ăn mòn

Ăn mòn gây ra sự mất mát vật liệu từ bề mặt kim loại Ăn mòn nghiêm trọng có thể

ảnh hưởng đến khả năng chịu tải tại vị trí tiếp xúc, dẫn đến hỏng máy Quá trình oxy hóa

dầu bôi trơn cũng được xúc tác bởi sự ăn mòn kể từ khi có sự tiếp xúc kim loại Do đó, ăn mòn không chỉ rút ngắn tuổi thọ tại vị trí tiếp xúc do suy thoái bề mặt mà còn có khả năng rút ngắn tuổi thọ của chất bôi trơn

Các thử nghiệm ăn mòn được chia thành ba loại: ăn mòn thép (hoặc rỉ sét), ăn mòn kim loại màu (hoặc ăn mòn đồng) và ăn mòn kim loại mềm (thường được gọi là ăn mòn chì) Các thử nghiệm ăn mòn là một phần của các nghiên cứu tương thích luôn được thực hiện trong quá trình phát triển công thức của chất bôi trơn

a Ăn mòn thép

Khi thép tiếp xúc với nước và oxy (hoặc không khí), nó bắt đầu bị ăn mòn (thường được gọi là rỉ sét) Do nước vốn hoạt động bề mặt nhiều hơn so với chất bôi trơn và oxy,

nên khi chứa nước, quá trình ăn mòn có thể bắt đầu một cách nhanh chóng ở bề mặt của

thép (Hình 16) Nguyên tố sắt ở bề mặt thép sẽ chuyển các electron cho oxy, cùng với nước tạo thành các ion hydroxit, trong khi sắt tạo thành các ion sắt Điều này xảy ra theo các phản ứng sau (tức là phản ứng anot và catot):

Khi các ion sắt được giải phóng khỏi bề mặt thép, rỗ bề mặt sẽ xuất hiện Các ion sắt

phản ứng với hydroxit tạo thành kết tủa hydroxit sắt Các hydroxit nhanh chóng oxy hóa để

tạo thành rỉ sét

Ăn mòn thép được đánh giá bằng cách nhúng các thanh thép đã mài nhẵn trong chất bôi trơn ở nhiệt độ cao 640C với 10% hỗn hợp nước (Hình 17) Nước có thể là nước cất hoặc nước biển tổng hợp, tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng làm việc Sự ăn mòn được đánh giá và phân loại bằng cách quan sát trực quan các thanh thép sau 4 giờ thử nghiệm Phân loại không bị ăn mòn là khi thanh thép không bị ố, ăn mòn nhỏ khi có vết bẩn ít và nhỏ, và

ăn mòn nghiêm trọng khi có nhiều vết gỉ lớn trên thanh thép Thử nghiệm được duyệt thông qua khi không có sự ăn mòn nào được nhìn thấy

b Ăn mòn kim loại màu (Ăn mòn lá đồng)

Kim loại màu có phổ biến trong nhiều ứng dụng như vòng bi hoặc ổ trượt Kim loại màu có thể bị ăn mòn ở nhiệt độ cao, đặc biệt là khi tiếp xúc với một số chất Trong chất

bôi trơn, các chất gây ăn mòn có thể là hợp chất lưu huỳnh hoặc oxy Sự ăn mòn của đồng

ở đây được minh họa bằng phản ứng với lưu huỳnh và các phản ứng sau:

Các electron được giải phóng khi đồng bị ăn mòn nên đòi hỏi phải có một chất khác để thu hút các electron Trong trường hợp này, lưu huỳnh trong chất bôi trơn dễ thu hút các electron, tạo thành các ion lưu huỳnh Đồng và các ion lưu huỳnh phản ứng, tạo thành sunfua đồng Sự ăn mòn có thể diễn ra trên toàn bề mặt hoặc cục bộ làm phát sinh các hố

và rổ bề mặt (Hình 18)

ĐẠT KHÔNG ĐẠT

Chất bôi trơn

Đồng

Bề mặt bị ăn mòn

Hình 17 Đánh giá trực quan thử nghiệm độ ăn mòn thép bằng cách đặt một thanh thép đã

đánh bóng vào chất bôi trơn

Hình 18 Kim loại màu bị ăn mòn khi có các hợp chất lưu huỳnh ở nhiệt độ cao

Ăn mòn kim loại màu được đánh giá bằng cách nhúng một mảnh đồng được mài nhẵn trong chất bôi trơn ở nhiệt độ cao 1200C Mức độ ăn mòn được đánh giá bằng kiểm tra trực quan sau 3 giờ (Hình 19) Sự ăn mòn được phân loại theo một thang màu cho trước từ 1A, 1B (ăn mòn ít) và lên đến 4C (ăn mòn nghiêm trọng) Các mảnh đồng bị ăn mòn ít vẫn có màu đồng trong khi các mảnh đồng bị ăn mòn nghiêm trọng sẽ chuyển sang màu đen

c Ăn mòn kim loại mềm

Ăn mòn kim loại mềm không phải là một phần của quy trình tiêu chuẩn khi đánh giá chất bôi trơn Tuy nhiên, kim loại mềm có trong các vật liệu chịu tải khác nhau nên cần quan tâm đến việc xem xét sự ăn mòn của kim loại mềm Khi tiếp xúc với không khí (hoặc

oxy), kim loại mềm sẽ bị oxy hóa, ở đây được minh họa bằng quá trình oxy hóa chì:

Nếu chất bôi trơn có chứa este và nước, este có thể bị thủy phân, tạo thành axit béo RCOOH (Phương trình (2)) Oxit kim loại mềm (được minh họa bằng oxit chì) có thể phản ứng với axit béo, tạo thành kết tủa trắng và bề mặt bị ăn mòn (Hình 20):

Chất bôi trơn (Ester)

Kim loại mềm

Các phân tử ăn mòn

Axit béo

Hình 19 Sự ăn mòn kim loại màu vàng được đánh giá bằng cách đặt một dải đồng

trong chất bôi trơn Đánh giá trực quan theo thang điểm nhất định

Hình 20 Kim loại màu bị ăn mòn khi có các hợp chất lưu

huỳnh ở nhiệt độ cao