Nghiên cứu ma sát và mòn của trục thép bạc trượt copolyme sử dụng trong thiết bị năng lượng tàu thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỦY SẢN  LÊ BÁ KHANG NGHIÊN CỨU MA SÁT VÀ MÒN CỦA TRỤC THÉP - BẠC TRƯT COPOLYME SỬ DỤNG TRONG THIẾT BỊ NĂNG LƯNG TÀU THỦY CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ VÀ CÁC BỘ PHẬN NĂNG LƯNG TRONG TÀU MÃ SỐ : 2.03.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS QUÁCH ĐÌNH LIÊN PGS.TS DƯƠNG ĐÌNH ĐỐI NHA TRANG 2005 XIN TRÂN TRọNG CảM ƠN - PGS.TS. QUáCH ĐìNH LIÊN - PGS.TS. DƯƠNG ĐìNH Đối Đã HớNG DẫN KHOA HọC Và TạO đIềU KIệN để TôI THựC HIệN THàNH CôNG LUậN áN LờI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án này là trung thực và cha từng đợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Luận án Lê Bá Khang BảNG Ký HIệU Và Từ VIếT TắT DùNG TRONG LUậN áN V: Vận tốc trợt (m/s). : Vận tốc góc (Rad/s). n: Tốc độ quay (vòng/phút hoặc vòng/giây). p: áp suất tính toán (MPa). D, R: Đờng kính, bán kính của bạc trợt (mm). d 1 ,r 1 : Đờng kính, bán kính của ngõng trục (mm). = R - r 1 : Khe hở hớng kính trục - bạc (mm). : Khe hở tơng đối. e: Độ lệch tâm. : Độ lệch tâm tơng đối. l: Chiều dài bạc trợt (mm). f: Hệ số ma sát. P: áp lực (N). : Độ nhớt động học của chất lỏng (Ns/m 2 ). E: Mô đun đàn hồi vật liệu (MPa hoặc GPa). e : Hệ số Poisson vật liệu. h: Bề dày chất bôi trơn (m). Ra: Độ nhám bề mặt (m). 0 : Góc tiếp xúc giữa trục và bạc trợt (độ). PA: Polyamit. PA6: Polyamit 6. PA66: Polyamit 66. POM: Polyoxymethylen. PPS: Polyphenylenesulfur. PTFE: Polytetraflouetylen hoặc Teflon. PEEK: Polyetheretheketon. MoS 2 : Đisulfuamôlipđen. FEM: Finite Element Method. PTHH: Phần t hữu hạn. TĐĐH: Thủy động đàn hồi. HH: Hỗn hợp. GH: Giới hạn. CHTBM: Chất hoạt tính bề mặt. CHTHH: Chất hoạt tính hóa học. MụC LụC ĐặT VấN Đề Chơng 1: ổ Đỡ TRợt, MA SáT, HAO MòN, BôI TRơN Và KHả NăNG MANG TảI CủA ổ 1.1. ổ đỡ trợt 7 1.2. Vật liệu ổ đỡ trợt 8 1.2.1 Hợp kim chống ma sát 8 1.2.2. Vật liệu phi kim loại 8 1.2.3. Vật liệu gốm kim loại 9 1.3. Ma sát, hao mòn và bôi trơn ổ đỡ trợtt 10 1.3.1. Ma sát trong ổ trợt 10 1.3.2. Bôi trơn và lý thuyết bôi trơn điển hình 11 1.3.3. Đặc tính và khả năng mang tải của ổ trợt 20 1.3.4. Hao mòn thờng gặp trong ổ trợt 22 1.3.5. Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình tribology trong ổ trợt 24 1.3.6. ổ đỡ trợt trong một số thiết bị năng lợng tàu thủy 29 Chơng 2: MA SáT, HAO MòN Và BôI TRơN ĐốI VớI CặP LắP GHéP KIM LOạI - POLYME Và KIM LOạI - POLYAMIT TăNG CờNG PHụ GIA 2.1. Polyamit tăng cờng phụ gia 32 2.1.1. Polyamit 32 2.1.2. Polyamit tăng cờng phụ gia 32 2.1.3 ứng dụng của Polyamit, Polyamit tăng cờng phụ gia 34 2.2. Ma sát, hao mòn và bôi trơn trong cặp lắp ghép kim loại - polyme và kim loại - PA tăng cờng phụ gia 37 2.2.1. Ma sát cặp kim loại - polyme và kim loại - PA tăng cờng phụ gia 37 2.2.2. Hao mòn cặp kim loại - polyme và kim loại -PA tăng cờng phụ gia. 47 2.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nớc 54 2.3.1. ở nớc ngoài 54 2.3.2. ở Việt Nam 55 Chơng 3: NộI DUNG, PHơNG PHáP Và PHơNG TIệN NGHIêN CứU 3.1. Khái quát những vấn đề nghiên cứu 57 3.2. Phơng pháp, kế hoạch nghiên cứu 57 3.3. Nội dung nghiên cứu 60 3.3.1. Chọn vật liệu nghiên cứu 60 3.3.2. Đặc điểm vật liệu nghiên cứu 61 3.3.3. Phơng thức tạo vật liệu từ các nguyên liệu hạt 61 3.3.4. Tạo mẫu vật liệu thí nghiệm 62 3.3.5. Xác định tính chất cơ, lý của vật liệu tự tạo 62 3.3.6. Xác định độ nhám, cấu trúc bề mặt 66 3.3.7. Khảo nghiệm ma sát khô và ớt của mẫu 67 3.3.8. Khảo nghiệm ma sát bạc trợt 76 3.3.9. Khảo nghiệm độ mòn khô và ớt của mẫu 82 3.3.10. Khảo nghiệm mòn bạc trợt 85 3.3.11. Xác định khả năng làm việc, độ bền của ổ 88 Chơng 4: KếT QUả NGHIêN CứU 4.1. Một số vấn đề trong công nghệ nhận vật liệu của Việt Nam 92 4.2. Kết quả khảo nghiệm tính chất cơ, lý vật liệu 92 4.3. Kết quả thực nghiệm ma sát, hao mòn 95 4.3.1. Kết quả khảo sát ma sát cặp Thép 45 tôi-mẫu (PA6-15%PTFE1100) 95 4.3.2. Kết quả khảo sát hao mòn cặp Thép 45 tôi -(PA6-15%PTFE1100) 95 4.3.3. Kết quả khảo sát ma sát cặp Thép 45-bạc trợt (PA6-15%PTFE1100) 95 4.4. Xử lý thực nghiệm. 95 4.4.1. Loại bỏ sai số thô 95 4.4.2. Tính hệ số của hàm hồi qui 99 4.4.3. Kiểm định tính tơng thích của hàm hồi qui với thực nghiệm 100 4.4.4. Tìm hàm theo biến thực 105 4.5. Kết quả tính chế độ ma sát trong ổ 115 4.6. Kết quả khảo nghiệm mòn bạc trợt 118 4.6.1. Kết quả khảo sát hao mòn và tính tuổi thọ bạc trợt 118 4.6.2 . Đo độ nhám, chụp cấu trúc bề mặt trớc và sau khảo nghiệm 119 4.7. Kết quả đo nhiệt độ làm việc ổn định cao nhất 119 4.8. Tính góc tiếp xúc, chuyển vị và ứng suất trong bạc 120 4.8.1. Thiết lập công thức tính góc tiếp xúc 120 4.8.2. Phơng pháp PTHH tính ứng suất, chuyển vị cặp trục - bạc 122 Chơng 5 : NHậN XéT Và KếT LUậN 5.1. Nhận xét 130 5.2. Kết luận 132 5.3. Đề xuất 132 TàI LIệU THAM KHảO 134 PHụ LụC Phụ lục1: Thiết bị thí nghiệm. Phụ lục 2: Phiếu kết quả thử nghiệm, kiểm định, phân tích mẫu. Phụ lục 3: Một số số liệu đo ma sát trên thiết bị MS -TS1 ứng dụng chơng trình số. Phụ lục 4: Số liệu thực nghiệm. Phụ lục 5: Số liệu chạy SAP 2000 ĐặT VấN Đề Thực tế, ma sát có mặt tích cực trong đời sống và kỹ thuật: giúp chúng ta đi lại dễ dàng, tạo sự vững chắc cho các mối ghép, giúp cho quá trình hãm, dừng của ôtô, máy bay, xe lửa Tuy nhiên cũng chính ma sát đã lấy đi một phần ba nguồn năng lợng mà loài ngời sản xuất ra [13]. Hầu hết máy móc, thiết bị không thể tiếp tục làm việc đợc vì các tiết máy bị hao mòn do ma sát. Chính vì vậy ma sát, hao mòn trở thành một vấn đề cấp thiết, thu hút sự quan tâm chú ý của nhiều nhà khoa học ở các ngành, các lĩnh vực khác nhau, nhất là khi công nghệ vật liệu mới ngày một ứng dụng rộng rãi vào đời sống và kỹ thuật. ở Việt Nam, Nhà nớc hết sức coi trọng chơng trình chiến lợc về vật liệu mới. Kế hoạch nghiên cứu đợc triển khai rộng rãi tại các nhà máy, các trờng đại học, các viện nghiên cứu và đã đạt đợc những thành tựu rất quan trọng, đóng góp đáng kể vào sự phát triển năng động của nền kinh tế đất nớc những thập niên vừa qua. Trong ngành kinh tế biển, bạc lót của ổ đỡ trợt của hệ trục chân vịt và các thiết bị đợc dẫn động từ thiết bị năng lợng trên mỗi con tàu đóng vai trò hết sức quan trọng, ảnh hởng đến khả năng làm việc, độ bền, độ tin cậy, tính kinh tế trong khai thác thiết bị chung toàn tàu. Hiện tại bạc trợt cuả hệ trục chân vịt, máy tời kéo neo, máy tời kéo lới của gần tám vạn tàu đánh cá và tàu nghiên cứu, đa phần đợc làm từ kim loại màu nhập ngoại, với giá rất đắt. Hàng năm tiêu phí một lợng ngoại tệ lớn của đất nớc. Bởi vậy tìm kiếm vật liệu mới thay thế hợp kim màu làm bạc lót trong các ổ đỡ trong thiết bị và hệ trục đợc dẫn động từ thiết bị năng lợng tàu là hết sức cần thiết. Polyme mà tiêu biểu là Polyamit có nhiều u điểm vợt trội về khả năng tạo dáng, dễ chế tạo, giá thành rẻ, hệ số ma sát nhỏ, độ bền mòn cao, hấp thụ dao động tốt, không bị hoen gỉ, bền với môi trờng xăng, dầu và các môi trờng ăn mòn đã đợc một số tác giả trong nớc nghiên cứu làm bạc lót trợt trong các ổ đỡ hệ trục chân vịt tàu cá và đã đạt đợc những kết quả nhất định. Tuy nhiên khả năng truyền nhiệt của Polyamit thuần khiết thấp, chịu nhiệt không cao, hút nớc nhiều là những hạn chế cần phải tìm cách khắc phục để tạo ra những tính năng cơ, lý, tribology tốt hơn, thích hợp cho việc chế tạo bạc trợt làm việc với môi trờng bôi trơn dầu, mỡ trong thiết bị năng lợng nói chung và tàu thủy nói riêng hiện vẫn là mục tiêu của rất nhiều công trình nghiên cứu. Một trong những biện pháp cải thiện các hạn chế nói trên là sử dụng chất phụ gia, chất độn. Nghiên cứu ma sát và mòn của cặp thép - bạc trợt Polyamit có phụ gia trong các môi trờng bôi trơn khác nhau nhằm xác định chế độ, điều kiện, khả năng làm việc tối u cho cặp ma sát và làm cơ sở khoa học đề xuất các chỉ tiêu thiết kế hợp lý ổ trợt sử dụng trong thiết bị, hệ trục đợc dẫn động từ thiết bị năng lợng tàu thủy là việc làm cần thiết và mang ý nghĩa thực tế. Với mục đích đó chúng tôi tiến hành Nghiên cứu ma sát và mòn của trục thép - bạc trợt copolyme sử dụng trong thiết bị năng lợng tàu thủy. Do tính đa dạng của vấn đề và trong khả năng, điều kiện cho phép chúng tôi tập trung nghiên cứu ma sát và mòn của bạc trợt copolyme dùng làm ổ đỡ trợt trong các thiết bị đợc dẫn động từ thiết bị năng lợng trên tàu, mà cụ thể là ổ đỡ trợt của một số thiết bị trên boong. Với các nội dung chính nh sau: 1- Phân tích chọn và tạo vật liệu. Xác định các thông số kỹ thuật của vật liệu (PA6 -15%PTFE 1100). 2- Khảo nghiệm trong phòng thí nghiệm: + Xác định hệ số ma sát và cờng độ hao mòn, từ đó đề xuất chế độ và điều kiện làm việc (tải trọng, tốc độ, nhiệt độ, môi trờng bôi trơn ) thích hợp nhất cho vật liệu. + Xác định hệ số ma sát, chế độ ma sát, cờng độ hao mòn, từ đó đề xuất phơng pháp tính về kích thớc, khả năng làm việc của bạc trợt (PA6 -15%PTFE 1100) trong môi trờng bôi trơn. + Xác định nhiệt độ làm việc ổn định cao nhất của ổ trục thép 45 tôi - bạc trợt (PA6 -15%PTFE 1100). 3- Trong nội dung thực hiện chúng tôi tự thiết kế, lắp đặt phụ kiện, đa chơng trình số vào thiết bị đo ma sát MS - TS1, nâng cao độ tin cậy, tính ổn định cho số liệu đo ma sát mẫu. 4- Ngoài ra chúng tôi sử dụng phơng pháp phần tử hữu hạn tính góc tiếp xúc trục - bạc, chuyển vị, ứng suất trong bạc trợt và thiết lập đồ thị biểu diễn mối quan hệ về sự phân bố ứng suất, chuyển vị theo góc tiếp xúc trong bạc trợt ở chế độ tải tĩnh. [...]... với tải tác dụng được xác định thì mô men ma sát phụ thuộc vào hệ số ma sát của ổ ổ trượt có thể làm việc ở chế độ ma sát ướt, chế độ ma sát hỗn hợp hoặc chế độ ma sát giới hạn, tùy thuộc vào bề dày lớp bôi trơn giữa bề mặt ngõng trục và lót ổ [17] Giá trị hệ số ma sát trong ổ trượt khác nhau hàng trăm thậm chí ngàn lần phụ thuộc điều kiện làm việc với loại hình ma sát tương ứng [1], [19] 1.2 VậT LIệU... màng giới hạn đây là chế độ ma sát giới hạn của ổ ở chế độ làm việc này dễ chuyển thành một phần sang ma sát khô Nếu lượng dầu đủ để tạo ra hiệu ứng thủy động, khi đó trong ổ tồn tại chế độ ma sát nửa ướt Dạng ma sát này tồn tại ở mọi cặp ma sát, không phụ thuộc vận tốc trượt và độ nhớt chất bôi trơn ảnh hưởng của điều kiện cung cấp chất bôi trơn liên quan đến các chế độ ma sát trong ổ trượt được trình... đến an toàn, độ tin cậy, tính kinh tế trong việc khai thác kỹ thuật tàu Kết luận: Rất nhiều công trình của các nhà khoa học tiếp nối các thế hệ đã nghiên cứu bổ sung, ngày một hoàn thiện về ổ đỡ trượt, ma sát, hao mòn, vật liệu, bôi trơn và khả năng mang tải của ổ ổ đỡ trượt của thiết bị năng lượng tàu thủy đặc biệt thiết bị mặt boong làm việc trong môi trường mang tính đặc thù ... mòn thường gặp trong ổ trượt Mòn là quá trình phá hủy lớp bề mặt tiếp xúc trong quá trình ma sát Lý thuyết mòn của các nhà khoa học tại [8] nêu rõ yếu tố quyết định trong quá trình ma sát và mòn là sự hình thành và phá hủy trên các bề mặt ma sát cấu trúc thứ cấp của màng ôxy hóa đủ bền có độ dày khoảng (1001000)A0 Lý thuyết mòn của tác giả tại [18] cho rằng quá trình chủ yếu xác định ma sát và mòn là... giảm lực ma sát phụ thuộc vào biến động trong vùng tương tác kết dính ở khu vực tiếp xúc Vật liệu bạc trượt PEEK khi pha thêm bột CuS hoặc PTFE tiếp xúc ma sát với thép, chỉ thấy khi tăng cường PTFE làm giảm ma sát và hao mòn còn thêm CuS làm tăng hệ số ma sát ông kết luận hao mòn của vật liệu có PTFE phụ thuộc vào khả năng tạo nên màng PTFE chuyển dịch sang bề mặt thép O.Olszewski [77] đã nghiên cứu... cứu về mòn trong điều kiện không bôi trơn, ổ trục có dao động nhỏ Yu.N.Drozdov và cộng sự [57] nghiên cứu dự đoán tuổi thọ của các bộ phận máy móc dựa vào tốc độ mòn trên cơ sở phương pháp bất biến lý thuyết Khi nghiên cứu cường độ hao mòn cặp trục thép - bạc trượt polyme, các tác giả trong [15] cho rằng cường độ hao mòn trong ổ phụ thuộc tải trọng lớn nhất tác dụng lên ổ, nhiệt độ trong vùng ma sát và... SáT, HAO MòN Và BôI TRơN ổ Đỡ TRượT 1.3.1 Ma sát trong ổ trượt Ma sát là hiện tượng phổ biến, làm cản trở chuyển động của các vật thể Quá trình ma sát diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc vào các biến đổi ở vùng tiếp xúc thực, phụ thuộc vào tính chất cơ, lý của lớp bề mặt, điều kiện ma sát và môi trường [6], [8], [12], [14] Về lý thuyết, những công trình nghiên cứu ma sát nổi tiếng và phát minh đầu tiên thuộc... [69], [89]: Hình 1.5: Các chế độ ma sát trong ổ trượt f 1 1: Ma sát không bôi trơn 2: Ma sát khi bôi trơn giới hạn và nửa ướt 2 3 3: Ma sát khi bôi trơn ướt Số đặc tính bôi trơn của ổ /p Các loại vật liệu bôi trơn ảnh hưởng quan trọng đến ma sát và hao mòn cặp kim loại - bạc trượt polyme hoặc polyme tăng cường phụ gia, chất độn, do sự nhạy cảm của màng mỏng chuyển dịch trong môi trường bôi trơn đó Cặp... [13], [18] 1.3.3.2 Khả năng mang tải của ổ trượt + Khả năng mang tải của ổ trượt là đại lượng đặc trưng cho sự làm việc của ổ Trong bôi trơn thủy động, khả năng mang tải của ổ tỉ lệ thuận với độ nhớt động lực (), vận tốc góc () của trục quay, và tỉ lệ nghịch với bậc hai của khe hở tương đối () [13], [18], bản chất đó được biểu diễn qua biểu thức sau: P d 1 l 2 (1.13) Trong đó là hệ số chịu tải... ma sát được xác định: f T k 1 S 2 k2 N N (1.4) Thuyết năng lượng - lý thuyết hiện đại về ma sát [8], [13] cho biết ma sát ngoài liên quan chặt chẽ đến các hiện tượng có quan hệ mật thiết với lớp mỏng bề mặt tiếp xúc và có quan hệ đến nhiều quá trình vật lý, hóa học, cơ học, năng lượng làm ảnh hưởng đến quá trình ma sát Có thể nói khoa học ma sát đã thu được nhiều thành quả rất quan trọng, gắn liền . thép - bạc trợt copolyme sử dụng trong thiết bị năng lợng tàu thủy. Do tính đa dạng của vấn đề và trong khả năng, điều kiện cho phép chúng tôi tập trung nghiên cứu ma sát và mòn của bạc trợt copolyme. khảo sát ma sát cặp Thép 45 tôi-mẫu (PA 6-1 5%PTFE1100) 95 4.3.2. Kết quả khảo sát hao mòn cặp Thép 45 tôi -( PA 6-1 5%PTFE1100) 95 4.3.3. Kết quả khảo sát ma sát cặp Thép 45-bạc trợt (PA 6-1 5%PTFE1100). BÁ KHANG NGHIÊN CỨU MA SÁT VÀ MÒN CỦA TRỤC THÉP - BẠC TRƯT COPOLYME SỬ DỤNG TRONG THIẾT BỊ NĂNG LƯNG TÀU THỦY CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ VÀ CÁC BỘ PHẬN NĂNG LƯNG TRONG TÀU MÃ SỐ :