NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KHẢO NGHIỆM MA SÁT, HAO MÒN, BÔI TRƠN DÙNG TRONG NGÀNH KỸ THUẬT TÀU THỦY

- 0 - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi Kết quả nghiên cứu nêu trong đề tài luận văn này là trung thực Chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác - 1 - MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6 ĐẶT VẤN ĐỀ 9 Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ MA SÁT, HAO MÒN, BÔI TRƠN. 12 1.1. Ma sát: [5] 12 1.1.1. Khái niệm và phân loại ma sát 12 1.1.2. Các thuyết cơ học về ma sát ngoài 12 1.1.3. Các thuyết phân tử về ma sát ngoài 16 1.1.4. Thuyết năng lượng về ma sát 20 1.1.5. Thuyết ma sát dựa trên các cơ chế mòn diễn ra trên bề mặt tiếp xúc 21 1.2. Khái niệm và phân loại hao mòn [5] 25 1.2.1. Khái niệm hao mòn 25 1.2.2. Phân loại hao mòn 26 1.2.3. Các dạng hao mòn 27 1.3. Bôi trơn ma sát trong điều kiện bôi trơn ướtt khác nhau [6] 31 1.3.1. Khái niệm và phân loại 31 1.3.2. Bôi trơn trong điều kiện ma sát giới hạn R  1 32 1.3.3. Bôi trơn ướt hoàn toàn 5  R  100 32 1.3.4. Bôi trơn trong trường hợp ma sát thuỷ động đàn hồi 1  R  10 33 1.3.5. Bôi trơn điều kiện ma sát hỗn hợp R  5 33 1.3.6. Các yếu tố ảnh hưởng chính đến trạng thái ma sát và bôi trơn 33 1.4. Nhận xét 37 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ THÔNG DỤNG ĐỂ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT 39 2.1. Các phương pháp mô phỏng tiếp xúc cặp ma sát của các máy khảo nghiệm ma sát và tính chất tribology của vật liệu bôi trơn [5, 6] 39 2.1.1. Một số sơ đồ phương pháp đơn giản để xác định giá trị của hệ số ma sát 40 2.1.2. Phương pháp giao thoa ánh sáng 41 2.2. Các tiêu chuẩn khảo nghiệm quy định của ASTM 43 - 2 - 2.3. Các phương pháp và tiêu chuẩn khảo nghiệm xác định hệ số ma sát 44 2.4. Thiết bị thông dụng để khảo nghiệm ma sát, mòn, bôi trơn 47 2.4.1. Máy 4 bi 47 2.4.2. Máy Timken 48 2.4.3. Máy đo lực ma sát KE – 1 49 2.4.4. Máy khảo nghiệm độ mòn TE97 49 2.4.5. Máy thử nghiệm mài mòn ma sát vạn năng model E53SLIM 50 2.4.6. Máy khảo nghiệm ma sát mòn EFM-III-1010 50 2.4.7. Máy đo ma sát – mòn của mẫu thử với các môi trường khác nhau 51 2.4.8. Máy khảo nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM-G77 52 2.5. Phương tiện nghiên cứu ma sát, hao mòn, bôi trơn tại Đại học Nha Trang52 2.5.1. Máy khảo nghiêm ma sát MS –TS2 52 2.5.2. Máy khảo nghiêm ma sát MS –TS1 53 2.6. Nhận xét 54 2.7. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 55 2.7.1. Mục đích nghiên cứu 55 2.7.2. Nhiệm vụ nghiên cứu 55 Chương 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÁY 56 3.1. Chọn phương án thiết kế 56 3.2. Xác định các yêu cầu kỹ thuật 56 3.3. Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy 57 3.3.1. Cấu tạo máy khảo nghiệm ma sát 58 3.3.2. Nguyên lý hoạt động 59 3.4. Thiết kế, chế tạo chi tiết máy [1, 2, 3, 4, 10, 11, 12, 13] 59 3.4.1. Tính toán chọn động cơ 59 3.4.2. Tính toán bộ truyền đai 60 3.4.3. Tính toán các chi tiết máy 62 3.5. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử [5, 7, 8, 9, 14, 15, 16, 17, 18]… 74 3.5.1. Sơ đồ khối và chức năng hoạt động của hệ thống 74 3.5.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển: 74 3.5.3. Thiết bị: 75 - 3 - 3.5.4. Phương pháp xử lý số liệu [5] 82 3.5.5. Thuật toán điều khiển 86 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 90 4.1. Bản vẽ thiết kế máy 90 4.2. Phần cứng và chương trình điều khiển máy 90 4.2.1. Phần cứng 90 4.2.2. Chương trình điều kiển 94 4.3. Thiết bị khảo nghiệm ma sát 99 4.3.1. Thông số kỹ thuật máy….……………………………………………… 99 4.3.2. Máy khảo nghiệm ma sát…………………………………………… 100 4.4. Kết quả thử nghiệm máy 102 4.4.1. Thử nghiệm đo ma sát ……………………………………………………102 4.4.2. Kết quả đo hệ số ma sát …………………………………………… 105 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 1 PHỤ LUC 2 - 4 - DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC: Dòng điện xoay chiều ASTM: Tiêu chuẩn thử nghiệm ATMega32: Vi điều khiển AVR: Họ vi điều khiển của hãng Atmel CT: Chi tiết DC: Dòng điện một chiều Encoder: Cảm biến quang GNU : Phần mềm hỗ trợ lập trình IC (DS18B20): Cảm biến nhiệt độ Loadcell: Cảm biến đo lực MCU: Bộ điều khiển trung tâm OECD: Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế PC: Máy tính PID: Thuật toán PIC: Họ vi điều khiển của hãng Microchip - 5 - DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng 1.1: Phân loại mòn dựa trên các thông số đặc trưng Bảng 2.1: Các thiết bị khảo nghiệm các tính chất tribology và các tiêu chuẩn quy định của ASTM cho các phân tích Bảng 2.2: Hệ số ma sát của kim loại trượt trên kim loại ứng với các phương pháp điều kiện khảo nghiệm khác nhau (môi trường không khí nhiệt độ trong phòng) Bảng 3.1: Kết quả thực nghiệm về hệ số ma sát của cao su trên nền cứng với các mẫu thử khác nhau Bảng 3.2: Giá trị của các đại lượng đặc trưng cho kết quả thực nghiệm đối với ma sát của cao su trên nền cứng. Bảng 4.1: Hệ số ma sát của kim loại trượt trên kim loại theo tiêu chuẩn BOR (môi trường không khí nhiệt độ trong phòng) Bảng 4.2: Phiếu phân tích kết quả thành phần của thép - 6 - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phân loại các dạng ma sát Hình 1.2: Thí nghiệm để xác định hệ số Hình 1.3: Sự tiếp xúc giữa hai bề mặt nhám và mô hình tiếp xúc trực tiếp giữa hai đỉnh mấp mô. Hình 1.4: Mô hình của Bowden để tính và giải thích lực ma sát khô Hình 1.5: Sự lún sâu và dồn nén kim loại khi dịch chuyển các Hình 1.6: Mô hình của Tomlinson về lực tương giữa các phân tử Hình 1.7: Mô hình của Tomlinson về sự cân bằng giữa áp lực pháp tuyến và lực đẩy Hình 1.8: Mô hình nguyên lý tác dụng giữa các nguyên tử tại vùng ma sát của Deriagin Hình 1.9: Các thành phần lực tác dụng tại vùng tiếp xúc ma sát theo Deriagin Hình 1.10: Các trạng thái biến đổi bề mặt gây tổn hao năng lượng Hình 1.11: Tiếp xúc tập trung và phân bố ứng suất tại vùng tiếp xúc, nguyên nhân tạo hao mòn do mỏi. Hình 1.12: Cách thức hình thành các dạng xói mòn Hình 1.13: Mô hình lớp bôi trơn giới hạn Hình 1.14: Mô hình đơn giản của lớp dầu bôi trơn khi bôi trơn ướt. Hình 1.15: Sự hình thành áp suất thủy động giữa hai bề mặt trượt có hình dạng khác nhau Hình 1.16: Ảnh hưởng giữa các thông số p, v, η đến độ dày lớp dầu bôi trơn Hình 1.17: Sơ đồ phân loại tính lưu biến các lại chất lỏng Hình 1.18: Mô phỏng chất lỏng chảy lớp và định nghĩa độ nhớt động lực học Hình 1.19: Đường cong chảy của các chất lỏng khác nhau Hình 2.1: Các phương án mô phỏng tiếp xúc cặp ma sát của các máy khảo nghiệm ma sát và tính chất tribology của vật liệu bôi trơn Hình 2.2: Sơ đồ minh họa một số thiết bị đơn giản thường được sử dụng để xác định hệ số ma sát Hình 2.3: Sơ đồ của thiết bị để đo bề dày màng bôi trơn thủy động đàn hôi bằng giao thoa ánh sáng. - 7 - Hình 2.4: Hình ảnh vân giao thoa của độ dày màng dầu bôi trơn tại tiếp xúc trượt của CaF 2 và thép Hình 2.5: Máy 4 bi dùng để nghiên cứu ma sát giới hạn Hình 2.6: Sơ đồ của máy Tim ken. Hình 2.7: Máy đo lực ma sát KE - 1 Hình 2.8: máy khảo nghiệm độ mòn TE97 Hình 2.9: máy khảo mài mòn ma sát vạn năng TE97 Hình 2.10: Các dạng tiếp xúc Hình 2.11: Máy khảo nghiệm ma sát mòn EFM-III-1010 Hình 2.12: Máy đo ma sát – mòn của mẫu thử với các môi trường khác nhau Hình 2.13: Sơ đồ minh họa cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị khảo nghiệm ma sát có sử dụng các cảm biến đo lực tác dụng và lực ma sát đồng thời Hình 2.14: thiết bị khảo nghiệm ma sát MS –TS2. Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy MS –TS1. Hình 3.1: Sơ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy khảo nghiệm ma sát Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy khảo nghiệm ma sát Hình 3.3: Sơ đồ chân và sơ đồ đóng gói của vi điều khiển Atmega32 Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển Atmega32 Hình 3.5: Hình dạng bên ngoài cảm biến DS18B20 Hình 3.6: Cấu tạo của DS18B20 Hình 3.7: Cấu tạo của Encoder tương đối Hình 3.8: Cấu tạo và hình dáng của mắt phát, mắt thu Hình 3.9: Mạch cầu điện trở cân bằng Wheatstone Hình 3.10: Một số Loadcell thực tế Hình 3.11: Loadcell đo lực uốn Hình 3.12: Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai Hình 3.13: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID Hình 3.14: Đáp ứng tốc độ khi không có phản hồi Hình 3.15: Đáp ứng tốc độ khi Kp#0 Hình 3.16: Đáp ứng tốc độ khi Kp, Ki, Kd # 0 Hình 3.1: Thay đổi Kp (Ki và Kd không đổi). Hình 3.18: Thay đổi Ki (Kp và Kd không đổi). - 8 - Hình 3.19: Thay đổi Kd (Kp và Ki không đổi) Hình 4.1:Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Hình 4.2: Nguồn 5VDC Hình 4.3: Nguồn ±12VDC Hình 4.4: MCU Hình 4.5: Mạch cách ly và công suất Hình 4.6: Mạch in MCU và cách ly Hình 4.7: Linh kiện trên mạch in MCU và cách ly Hình 4.8: Mạch nguyên lý khuếch đại tín hiệu vi sai. Hình 4.9: Mạch in khuếch đại tín hiệu vi sai. Hình 4.10: Linh kiện trên mạch in khuếch đại tín hiệu vi sai. Hình 4.11: Dao diện điều khiển Hình 4.12: Số liệu xử lý theo chương trình và tự động lưu trữ Hình 4.13: Máy thử nghiệm ma sát Hình 4.14: Máy thử nghiệm ma sát Hình 4.15: Kết quả đo lần 1 Hình 4.16: Kết quả đo lần 2 Hình 4.17: Kết quả đo lần 3 - 9 - ĐẶT VẤN ĐỀ Trong các vấn đề chung liên quan đến độ tin cậy, tuổi thọ của máy thì vấn đề Ma sát, mòn, bôi trơn (Tribology) có vai trò quan trọng. Nó quyết định đến trên 95% độ tin cậy và tuổi thọ của máy và thiết bị, phần lớn máy móc bị hỏng không phải do gãy mà do mòn và do hư hỏng bề mặt ma sát trong các mối liên kết động. Phục hồi máy móc phải tốn phí nhiều tiền của, vật tư, hàng chục vạn công nhân phải tham gia công việc này, hàng vạn máy công cụ được sử dụng trong các phân xưởng sửa chữa. Theo một số nhà nghiên cứu có uy tín trên Thế giới, hàng năm ma sát đã lấy đi của loài người 30 - 35% năng lượng được sản xuất ra [5]. Cũng phải nói thêm rằng, hàng năm trên Thế giới hàng trăm ngàn các máy móc thiết bị loại ra khỏi dây chuyền sản xuất do hậu quả của hao mòn. Từ đó ta thấy việc nghiên cứu Tribology và ứng dụng những kết quả nghiên cứu vào sản xuất có ý nghĩa kinh tế đến nhường nào, nhất là đối với đất nước ta khi mà trình độ khoa học kỹ thuật nói chung cũng như trình độ về sử dụng các thiết bị và máy móc còn nhiều hạn chế nếu như không nói là ở trình độ thấp a. Ngoài nước Trên thế giới, ở các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Nhật, các nước Tây Âu, Bắc Âu… Kỹ thuật ma sát được hết sức coi trọng từ quan điểm tiết kiệm về vật liệu và nhân lực, vì vậy thu hút được sự quan tâm của các nhà thiết kế công nghiệp, người sử dụng và các nhà khoa học. Nhiều giải pháp đã được nghiên cứu và ứng dụng nhằm nâng cao tuổi thọ của máy móc song giá thành sản phẩm của các thiết bị nghiên cứu còn quá cao, chưa phù hợp với thị trường ở nước ta tại thời điểm này. Mặt khác các kết quả nghiên cứu và công nghệ ngày nay thường được giấu, mà chỉ bán công nghệ mới chuyển giao công nghệ. b.Trong nước Từ thập niên 90 của thế kỷ 20 các nhà khoa học của trường đại học Bách khoa Hà Nội, sau đó là Trường đại học Nha Trang đứng đầu là PGS.TS Quách Đình Liên, PGS.TS Dương Đình Đối, PGS.TS Nguyễn Văn Ba đã nghiên cứu sáng chế thành công một số máy khảo nghiệm ma sát, bước đầu đã đạt được nhiều thành công đáng trân trọng, ứng dụng trong việc giảng dạy, nghiên cứu. Tuy nhiên do máy được chế tạo từ những năm 90 của thế kỷ trước đã quá cũ mà các cơ cấu chính của máy và thiết bị đo được chế tạo bằng các cơ cấu cơ khí nên độ tin [...]... yêu cầu cấp thiết có cơ sở khoa học và thực tiễn trên, chúng tôi chọn nghiên cứu đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KHẢO NGHIỆM MA SÁT, HAO MÒN, BÔI TRƠN DÙNG TRONG NGÀNH KỸ THUẬT TÀU THỦY” Hy vọng kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần tạo ra phương tiện nghiên cứu khảo nghiệm về các đặc trưng ma sát đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đề ra, có thể sử dụng một cách tin cậy trong nghiên cứu... móc do ngành cơ điện tử tạo ra đã trở nên quen thuộc với đời sống của chúng ta Thiết kế, chế tạo thành công máy khảo nghiệm ma sát mòn bôi trơn, nhằm mục đích phục vụ cho việc giảng dạy, nghiên cứu và ứng dụng, giúp cho các nhà thiết kế, chế tạo chọn đúng vật liệu cho các cặp ma sát và vật liệu bôi trơn tương ứng Góp phần nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu, cũng như nâng cao tuổi thọ của máy móc... năng và điều kiện cho phép chúng tôi chỉ tập trung vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy khảo nghiệm ma sát dạng tiếp xúc mặt và tiếp xúc điểm với các nội dung chính như sau: 1 Nghiên cứu các kết quả nghiên cứu được công bố ở Việt nam và thế giới 2 Xác định các yêu cầu kỹ thuậy của máy 3 Xây dựng sơ đồ động học 4 Thiết kế chế tạo máy và thử nghiệm máy - 11 - Cho phép tôi trân trọng cảm ơn NGND, PGS... mặt Độ nhớt của chất bôi trơn là đặc trưng quan trọng nhất cho ma sát ướt Tất nhiên ảnh hưởng đến đặc điểm bôi trơn ướt phải kể đến mật độ của chất bôi trơn đặc biệt khi chất bôi trơn là khí trong bôi trơn khí động hay khí tĩnh - 33 - Hình 1.14: a) Mô hình đơn giản của lớp dầu bôi trơn khi bôi trơn ướt b) So sánh lớp chất lỏng được hình thành trong trường hợp bôi trơn ướt và bôi trơn thuỷ động đàn hồi:... và sự hao mòn, Philadephia, hàng năm) Khi nghiên cứu về mòn, người ta thường quan tâm đến cường độ hao mòn và hao mòn tích luỹ (hao mòn tổng) các nguyên nhân gây ra nó đối với cặp ma sát Và cùng - 26 - với hệ số ma sát, cường độ hao mòn thể hiện chất lượng thiết kế cũng như công nghệ tạo vật liệu, công nghệ chế tạo máy và sự điều khiển quá trình làm việc của cặp ma sát Cường độ hao mòn của cặp ma sát... của cặp ma sát và tính chất hóa học của chất bôi trơn Cản trở ma sát cũng như cường độ hao mòn các bề mặt ma sát trong điều kiện ma sát giới hạn phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của bề mặt và hoạt tính bề mặt của chất bôi trơn Độ nhớt của chất bôi trơn trong trường hợp này có ảnh hưởng rất nhỏ đến điều kiện ma sát giới hạn 1.3.3 Bôi trơn ướt hoàn toàn 5  R  100 Có thể loại bỏ được hao mòn do ma sát... biết rõ trong các sự cố gây gãy của các chi tiết bệ đỡ khi chúng chịu ứng suất rất nhỏ 1.3 Bôi trơn ma sát trong điều kiện bôi trơn ướt khác nhau [6] 1.3.1 Khái niệm và phân loại Ma sát ướt tồn tại giữa hai bề mặt tiếp xúc khi hai bề mặt của vật rắn (các chi tiết máy) được phân cách bởi một lớp bôi trơn, ma sát giữa hai bề mặt từ ma sát ngoài chuyển thành ma sát nội tại của chất lỏng bôi trơn Nội ma sát... đến 5R Loại ma sát này còn phụ thuộc vào tính chất của vật liệu bôi trơn, tải trọng và tốc độ trượt của hai bề mặt 1.3.6 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến trạng thái ma sát và bôi trơn Thực nghiệm đã chỉ ra, để tạo được lớp bôi trơn giữa hai bề mặt ma sát phải cung cấp cho chất bôi trơn một áp suất nhất định để duy trì được lớp dầu bôi trơn với - 34 - độ dày cần thiết để có thể tách hai bề mặt ma sát không... chất lỏng làm giảm cản trở ma sát và cường độ hao mòn cũng như tăng cường hấp thụ các dao động trong may móc Chất bôi trơn khi chảy qua bề mặt bôi trơn còn tải đi một phần nhiệt lượng làm giảm nhiệt độ của vùng tiếp xúc Độ dày và đặc tính của lớp bôi trơn xác định loại hình bôi trơn Để phân loại các bôi trơn người ta đưa ra đại lượng gọi là độ dày tương đối R của lớp bôi trơn và được định nghĩa qua...  1 Hình 1.13: Mô hình lớp bôi trơn giới hạn 1 Lõi chi tiết, 2 Lớp thứ cấp, 3 Bôi trơn giới hạn Trạng thái ma sát và bôi trơn giới hạn thường tồn tại trong điều kiện khó hình thành được lớp bôi trơn thủy động, nếu có màng dầu bôi trơn tại vùng tiếp xúc thì màng dầu này rất mỏng (cỡ một vài lớp phân tử - hình 1.13) Nguyên nhân và những yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái bôi trơn này là do: áp lực giữa . NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÁY 56 3.1. Chọn phương án thiết kế 56 3.2. Xác định các yêu cầu kỹ thuật 56 3.3. Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy 57 3.3.1. Cấu tạo máy. thọ của máy móc giảm giá thành sản phẩm. Với các yêu cầu cấp thiết có cơ sở khoa học và thực tiễn trên, chúng tôi chọn nghiên cứu đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KHẢO NGHIỆM MA. tôi chỉ tập trung vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy khảo nghiệm ma sát dạng tiếp xúc mặt và tiếp xúc điểm. với các nội dung chính như sau: 1. Nghiên cứu các kết quả nghiên cứu được công