Phân tích hạt mài mòn trong dầu bôi trơn Dùng trong động cơ diesel ths. lê lăng vân Bộ môn Kỹ thuật máy Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bi báo trình by nghiên cứu phân tích dầu bôi trơn v hạt mi mòn trong chẩn đoán kỹ thuật đồng thời đánh giá khả năng ứng dụng của phân tích dầu bôi trơn v hạt mi mòn trong thực tế. Bi báo cũng đề cập tới khả năng của phơng pháp ny trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel dựa trên các kết quả phân tích dầu bôi trơn v hạt mi mòn. Summary: This paper presents a research into oil and particle analysis in technical diagnosis, and evaluates the use of oil and particle analysis in practice. The paper also mentions capability of this method in technical diagnosis of diesel engines based on the result of oil and particle analysis. I. Đặt vấn đề Phân tích dầu bôi trơn là một phơng pháp đã và đang đợc nghiên cứu ứng dụng trong chẩn đoán kỹ thuật máy móc nói chung và động cơ đốt trong nói riêng. Nhờ những tiến bộ của các thiết bị phân tích, phân tích dầu bôi trơn và hạt mài mòn ngày càng trở nên hiệu quả và trở thành một công cụ trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của động cơ đốt trong và thiết bị máy móc. Những tiến bộ này đã làm cho kết quả chẩn đoán có độ tin cậy cao hơn, ngăn ngừa đợc một số các h hỏng bất thờng và giảm thiểu thời gian dừng máy để sửa chữa hay bảo dỡng. Bài báo đề cập đến một khía cạnh của phân tích tích dầu bôi trơn đó là phân tích hình dáng hạt mài mòn, kích thớc và số lợng hạt mài mòn có trong dầu bôi trơn dựa trên kết quả phân tích các mẫu dầu bôi trơn động cơ diesel trên đầu máy D12E sử dụng tại Xí nghiệp Đầu máy Hà nội. CT 2 II. Nội dung 2.1. ứng dụng của phân tích dầu bôi trơn Hạt mài mòn trong dầu bôi trơn động cơ diesel cho các thông tin quan trọng về tình trạng kỹ thuật của động cơ vì vậy phân tích dầu bôi trơn trở thành một công cụ để chẩn đoán kỹ thuật động cơ diesel. Các công ty đờng sắt của Mỹ vào cuối những năm 40 và đầu những năm 50 đã nhận ra rằng kim loại trong dầu bôi trơn đã cho biết tình trạng mòn của các chi tiết máy trên động cơ điêzen của đầu máy. Ngày nay phân tích dầu bôi trơn và hạt mài mòn đã đợc sử dụng để chuẩn đoán tình trạng kỹ thuật của rất nhiều loại máy khác nhau nh động cơ, hộp số của máy bay trực thăng, các loại máy móc xây dựng, giao thông hay các nhà máy công nghiệp khác. Phân tích dầu bôi trơn và hạt mài mòn tiến hành cùng với phân tích dao động đã trở thành một công cụ hiệu quả để chuẩn đoán tình trạng kỹ thuật của máy móc trong các ngành công nghiệp nói chung và ngành giao thông vận tải nói riêng. Các chi tiết máy của động cơ diesel nh píttông, xécmăng, xilanh, bạc trục, bánh răng sẽ sinh các hạt kim loại nhỏ, mịn trong quá trình làm việc bình thờng. Vào thời điểm mòn khốc liệt kích thớc của hạt sẽ tăng lên và hình dạng cuả hạt cũng thay đổi. Ngời ta đã xác định đợc dạng hạt thay đổi liên quan nh thế nào đến dạng mài mòn. Do đó việc phân tích dạng hạt mài mòn cho phép xác định đợc trạng thái mòn trong máy và từ đó có thể xác định đợc tình trạng kỹ thuật của máy. Ưu điểm của phân tích dầu bôi trơn và hạt mài mòn là: - Nhiều thông tin tình trạng kỹ thuật của máy chỉ có thể thu đợc từ quá trình phân tích dầu bôi trơn. - Mức độ đầu t về trang thiết bị không đòi hỏi quá cao. - Dầu bôi trơn chứa đựng các thông tin về dạng hỏng của nhiều chi tiết khác nhau. 2.2. Phân tích hình dáng hạt mài mòn Hệ thống phân tích hình ảnh OMINIMET 86-3000, (hình 1) có thể cho hình ảnh phóng đại tới 2000 lần và cho phép phát hiện các mài mòn nhỏ dới 1 m. Hệ thống này cũng cho phép đo và phân tích hình ảnh với các mầu sắc và độ tơng phản các nhau. Phần mềm xử lý có thể cho phép tạo ra các mẫu báo cáo khác nhau. CT 2 Hình 1. Hệ thống phân tích hình ảnh OMINIMET 86-3000 Mẫu dầu sử dụng trong nghiên cứu này đợc lấy từ các đầu máy diesel D12E sử dụng tại Xí nghiệp Đầu máy Hà Nội trong khoảng thời gian từ tháng 2/2006 đến tháng 1/2007. Dầu đợc lấy khi đầu máy vào Xí nghiệp và đợc chứa trong các hộp có dung tích là 100 ml (hình 2). Hình 2. Các mẫu dầu lấy từ Xí nghiệp Đầu máy H Nội MÉu dÇu kh«ng cã h¹t mµi mßn thÓ hiÖn nh− h×nh 3. H×nh 3. MÉu dÇu kh«ng cã h¹t mμi mßn (lÊy tõ §Çu m¸y 647 ngμy 8/2/2006) CT 2 H×nh 4. MÉu dÇu cã h¹t mμi mßn (lÊy tõ §Çu m¸y 642 ngμy 17/5/2006) Qu¸ tr×nh mµi mßn b×nh th−êng tõ c¸c mÉu dÇu trªn ®Çu m¸y 660, 657, 658, sè l−îng h¹t Ýt vµ kÝch th−íc h¹t nhá (tõ 0,2 ®Õn 5 μm). H×nh 5. MÉu dÇu cã h¹t mμi mßn (lÊy tõ §Çu m¸y 660 ngμy 17/5/2006) Hình 6. Mẫu dầu có hạt mi mòn nhiều v kích thớc hạt bắt đầu tăng (lấy từ Đầu máy 658 ngy 18/5/2006) Quá trình mài mòn khác nhau sẽ sản sinh các hạt mài mòn khác nhau. Hình dáng hạt mài mòn có thể là hình cầu, hình sợi dài, hình sợi xoắn, hình dạng tấm, mảnh nhỏ 2.2.1. Dạng hạt hình cầu Dạng hạt hình cầu có kích thớc tơng tự nhau theo cả 3 phơng trong hệ trục toạ độ 3 chiều. Dạng hạt này thờng xuất hiện trong các mẫu dầu lấy từ các đầu máy vừa qua cấp trung tu hay đại tu. CT 2 Hình 7. Hạt mi mòn dạng hình cầu (mẫu dầu lấy từ Đầu máy 660 ngy 17/5/2006) 2.2.2. Dạng hạt hình elíp Trong một số trờng hợp các hạt có thành phần bao gồm các nguyên tố là kim loại bị mài mòn từ các chi tiết trong động cơ nh xéc măng, xi lanh [1]. Hình 8. Hạt mi mòn dạng hạt hình elíp (mẫu dầu từ Đầu máy 658 ngy 18/5/2006) 2.2.3. Dạng hạt hình viên sỏi Dạng hạt này có nguồn gốc do mỏi bề mặt hay do dính, hoặc gây ra khi bề mặt bị cào xớc bởi kim loại có bề mặt nhám [2]. Dạng hạt này xuất hiện khi các bề mặt trợt trên nhau trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, điều kiện bôi trơn không phù hợp. Các dạng hạt này có thể là đồng hay hợp kim của đồng, thép tôi. Mức độ xuất hiện của dạng hạt này còn phụ thuộc vào môi trờng mà đầu máy đang vận hành. Dựa và mầu sắc có thể phân biệt đợc các hạt tinh thể than và kim loại. Khi xúppáp của động cơ bị mài mòn dạng hạt này xuất hiện nhiều [4]. Hình 9. Hạt mi mòn dạng hình viên sỏi (mẫu dầu từ Đầu máy 658 ngy 18/5/2006) 2.2.4. Dạng hạt hình tấm mỏng Hình dạng này đôi khi còn bị xoắn nhng thông thờng là tơng đối phẳng. Dạng hạt này xuất hiện nhiều khi đầu máy hoặc vận hành bình thờng. Dạng hạt chở nên mỏng hơn trong điều kiện bôi trơn tốt. Kích thớc của hạt sẽ lớn hơn khi quá trình đóng mở máy xẩy ra liên tục. Kích thớc thông thờng của những loại hạt này từ 8 đến 20 m [4]. CT 2 Hình 10. Hạt mi mòn dạng tấm mỏng (mẫu dầu từ Đầu máy 645 ngy 16/3/2006) 2.2.5. Dạng hạt hình sợi Dạng hạt này cũng khá phổ biến xảy ra khi nhiệt độ thay đổi nhiều. Dạng hạt này xuất hiện trong dầu bôi trơn nhiều sẽ cảnh báo khả năng xuất hiện áp suất bề mặt lớn trên các bề mặt làm việc. Thông thờng đây là những hạt có độ cứng cao. Nguồn gốc của các hạt này thờng là do áp lực lớn trên bề mặt xúppáp, ổ lăn mà tại đó bề mặt có độ cứng lớn tiếp xúc với các bề mặt có độ cứng nhỏ hơn. Hình 10: Hình dạng hạt mi mòn dạng sợi (lấy từ Đầu máy 647 ngy 18/3/2006) 2.2.6. Dạng hạt hình ống Dạng hạt hình ống có thể do dạng hạt dạng tấm hình thành nên. Nguồn gốc của những dạng hạt này cũng giống nh nguồn gốc dạng hạt hình tấm [1]. 2.2.7. Dạng hạt hình sợi thẳng Dạng hạt này hình sợi thẳng nh một chiếc kim khâu. Chúng thờng là các hạt kim loại nhng cũng có thể là hạt pôlyme, sợi nhân tạo, sợi bông, gỗ từ môi trờng bên ngoài. Kích thớc của các hạt mài mòn cũng cho biết nguồn gốc xuất hiện của những hạt này. Các hạt có kích thớc nhỏ (< 5m) xuất hiện nhiều khi máy làm việc bình thờng các bề mặt đợc bôi trơn tốt. Khi các bề mặt đợc bôi trơn không tốt hạt sẽ xuất hiện nhiều hơn về số lợng và lớn hơn về kích thớc. Khi tải trọng vợt quá tải trọng thiết kế, các hạt sẽ xuất hiện với thành phần là các ôxít sắt. Để phân loại hạt ngời ta có thể đo đờng kính lớn nhất và nhỏ nhất của hạt, chiều dài của hạt hay bề rộng của hạt. Quá trình nghiên cứu cho thấy có thể có một số nhận xét nh sau: - Quá trình mòn bình thờng của các chi tiết trong động cơ: Quá trình này cho kích thớc hạt hình dạng tấm có chiều dày lớn nhất đạt 5m. - Cào xớc bề mặt xilanh: xảy ra khi các chi tiết kim loại gây ra các vết xớc trên bề mặt trợt. Dạng hạt chủ yếu là dạng tấm hay sợi kích thớc tối đa đến 25m. - Tróc rỗ bề mặt xúp páp: Dạng hỏng này gây ra các hạt có hình dáng hình cầu. Hình dáng hạt hình cầu phát sinh do bề mặt bị mỏi. Thông thờng các hạt này có đờng kính lớn nhất khoảng 50m. CT 2 - Dính, xớc bề mặt bạc biên: xảy ra khi các bề mặt trợt chịu tải trọng và nhiệt độ cao. Tải trọng và nhiệt độ càng lớn tỉ lệ các hạt có kích thớc lớn so với các hạt có kích thớc nhỏ càng cao [4]. 2.3. Kích thớc hạt mài mòn Độ lớn của các hạt mài mòn thay đổi từ vài micro mét đến khoảng 100 đến 300 micro mét. Hình dạng của các hạt mài mòn thay đổi theo tình trạng mài mòn. Kích thớc hạt lớn sẽ phản ánh tình trạng mòn khốc liệt của máy. Nghiên cứu cho thấy: Mòn bình thờng sẽ có các hạt mài mòn hình thành từ các bề mặt trợt, dạng hạt là mỏng, hình tấm có bề rộng khoảng 5 micro mét và bề dầy là 1 micro mét. Kích thớc này đôi khi giảm xuống tới 0,15 và 0,5 micro mét. Cào xớc: Khi các bề mặt bị cào xớc các hạt mài mòn có hình dạng sợi. Tróc rỗ bề mặt do mỏi: Hình dạng hạt mài mòn là hình cầu. Kích thớc hạt lớn nhất có thể tới 100 micro mét. Mòn do thiếu dầu bôi trơn: Dạng mòn này các hạt có kích thớc lớn phụ thuộc vào tải trọng và tốc độ. ứng suất tiếp xúc trên bề mặt càng lớn kích thớc của hạt càng lớn. Mòn do dính: Các hạt mài mòn lớn hơn 10 micro mét, dạng hạt là tấm, thờng gặp đối với mòn các răng của bánh răng, hạt mòn từ xupáp. 2.4. Số lợng hạt mài mòn Xác định số lợng hạt thờng là một yêu cầu đối với các quá trình chuẩn đoán tình trạng kỹ thuật của máy. Lợng hạt mài mòn đợc xác định bằng cách đếm hạt sẽ sơ bộ phản ánh tình trạng mòn của các chi tiết. Việc đếm các hạt mài mòn trên một ml dần, số hạt trên ml dầu hay hình dạng, kích cỡ của hạt phản ánh tình trạng mòn. Phân tích thành phần kim loại có trong mẫu dầu thu đợc là một phép phân tích quan trong nhất để có đợc các thông tin về tình trạng mài mòn, tình trạng kỹ thuật của máy. Tuy nhiên, do khuôn khổ của bài báo, nội dung phơng pháp này xin đợc trình bày ở một bài báo khác. III. Kết luận Kỹ thuật chn đoán tình trạng kỹ thuật của động cơ đốt trong bằng cách phân tích dầu đã đợc nhiều nhà bảo dỡng, sửa chữa ứng dụng để đánh giá tình trạng kỹ thuật của máy. Kết hợp với phơng pháp phân tích dao động, phân tích dầu bôi trơn và hạt mài mòn đã trở thành một công cụ hiệu quả bởi nó có khả năng cung cấp các thông tin khá quan trọng. Hai kỹ thuật phân tích dầu và phần tích dao động giúp cho ngời vận hành, bảo dỡng động cơ có đợc quyết định đúng đắn hơn. Phân tích dầu bôi trơn và hạt mài mòn khẳng định các kết quả của phân tích dao động do phân tích dầu bôi trơn và hạt mài mòn có thể chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của máy từ một khía cạnh khác hơn so với phân tích dao động và do đó ngời phân tích có thể tự tin hơn khi đa ra các kết luận chuẩn đoán. Phân tích dầu bôi trơn có thể củng cố các dự đoán về những h hỏng có thể có đối với các cụm chi tiết trong động cơ nh xécmăng-xilanh- píttông, bạc biên, xupáp. CT 2 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Anh Tuấn & Phạm Văn Hùng, Ma sát học, Nhà Xuất bản Khoa học kỹ thuật, 2005. [2] Bowen, E.R. & Westcott, V.C., Wear particle atlas, Naval Air Engineering Center, 1976. [3] Doebelin, E. O., Measurement systems, McGraw- Hill Companies, 1990. [4] Hunt, Trevor M., Handbook of wear debris analysis and particle detection, Elsevier Applied Science, 1993Ă . dỡng. Bài báo đề cập đến một khía cạnh của phân tích tích dầu bôi trơn đó là phân tích hình dáng hạt mài mòn, kích thớc và số lợng hạt mài mòn có trong dầu bôi trơn dựa trên kết quả phân tích các. mẫu dầu bôi trơn động cơ diesel trên đầu máy D12E sử dụng tại Xí nghiệp Đầu máy Hà nội. CT 2 II. Nội dung 2.1. ứng dụng của phân tích dầu bôi trơn Hạt mài mòn trong dầu bôi trơn động cơ diesel. hành, bảo dỡng động cơ có đợc quyết định đúng đắn hơn. Phân tích dầu bôi trơn và hạt mài mòn khẳng định các kết quả của phân tích dao động do phân tích dầu bôi trơn và hạt mài mòn có thể chẩn