NGHIÊN cứu bôi TRƠN và KHẢO sát hƣ HỎNG DO mỏi ổ lăn

Chúng ta bắt đầu khảo sát các điều kiện tiếp xúc Tribology đơn giản giữa hai bền mặt tiếp xúc profin bề mặt rắn với một mức độ lý tưởng như thực tế, đó là tiếp xúc giữa hai quả cầu, hai

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là do bản thân

tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Trần Thị Thanh Hải - Viện Cơ khí Trường

Đại học Bách Khoa Hà Nội Ngoài phần tài liệu tham khảo đã liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Trần Thị Thanh Hải Viện Cơ khí Trường

Đại học Bách Khoa Hà Nội, người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng

đề tài đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

MỘT SỐ KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

EP: Chất phụ gia chịu áp

CMB: Ổ bi

SAW: Vận tốc của sóng âm

AE: Phương pháp phát xạ âm

RUL: Tuổi thọ hữu ích còn lại của chi tiết

TGB: Hộp giá đỡ

ODM: Dữ liệu về cặn dầu

SEM: Kính hiển vi điện tử quét toàn diện

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1: Tiêu chuẩn lựa chọn mỡ theo điều kiện làm việc 32

Bảng 2.2: Đặc tính chủ yếu của các loại mỡ được làm đặc bằng những chất làm đặc khác nhau 33

Bảng 2.3: Loại mỡ theo kiểu ổ 35

Bảng 2.4: Giá trị Kf theo kiểu ổ 36

Bảng 2.5: Sự giám sát hệ số f1 f5 do điều kiện khắc nghiệt của môi trường 37

Bảng 2.6: Giá trị q theo động cơ 38

Bảng 2.7: Tính chất độ nhớt của dầu 43

Bảng 2.8: Một số dụng cụ bôi trơn 57

Bảng 3.1: Dải kích thước hạt kim loại trong dầu 103

Bảng 3.2: Tỷ lệ vỡ hạt ở vòng ngoài 107

Bảng 3.3: Tỷ lệ vỡ hạt ở vòng ngoài 107

Bảng 3.4: So sánh sự chiều dài phù hợp của lớp vỡ 110

với chiều dài của lớp vỡ đo được 110

Bảng 3.5: Đặc điểm cơ bản của vòng bi côn 117

Bảng 3.6: Thành phần hóa học của vật liệu vòng bi côn 118

Bảng 3.7: Thành phần hóa học của các vật liệu từng bộ phận của CMB 125

Bảng 3.8: Vật liệu bẩn trên vòng ngoài 131

Bảng 3.9: Vật liệu bẩn trên vòng trong 132

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Tiếp xúc giữa trụ dài biến dạng và bề mặt mặt phẳng cứng 13

Hình 1.2: Tải phân bố đều trên một đường trên bề mặt rắn bán vô hạn 19

Hình 1.3: Vòng tròn Morh ứng suất cho vật liệu tại điểm A trong hình (1.2) 20

Hình 1.4: Tải phân bố đối xứng kéo dài qua một khe hẹp với bề rộng là 2a 22

Hình 1.5: Biến dạng bề mặt phát sinh từ các ứng suất tiếp xúc bán elipse 24

Hình 1.6: Tiếp xúc đàn hồi của trục 25

Hình 1.7: Sự so sánh các phương trình (1.42) và (1.43) khi kết thúc ở các cạnh của miền tiếp xúc 26

Hình 2.1: Chiều dày của màng dầu trong diện tích tiếp xúc con lăn 29

Hình 2.2: Biểu đồ tuổi thọ mỡ bôi trơn 36

Hình 2.3a: Dùng rãnh dầu trên bề mặt của bích nắp 45

Hình 2.3b: Dùng máng quét 45

Hình 2.4: Mức dầu ngâm con lăn 45

Hình 2.5: Biểu đồ thời gian phục hồi dầu như cũ 46

Hình 2.6: Thể tích dầu trong cho quá trình truyền dẫn dầu bôi trơn 46

Hình 2.7: Lưu lượng dầu cho dòng chảy chất bôi trơn 47

Hình 2.8: Đường kính và số vòi phun cho số dòng chảy chất bôi trơn 47

Hình 3.1: Một dạng hư hỏng điển hình của ổ lăn 61

Hình 3.2: Sơ đồ hố (vết mỏi) trên rãnh con lăn 61

Hình 3.3: Vết mỏi nhỏ gần mặt vai đỡ của vòng bi đỡ một dãy 62

Hình 3.4: Mỏi tiếp xúc trên bề mặt cam 62

Hình 3.7: Mòn tróc bề mặt ray xe lửa trong Kilburn 64

Hình 3.8: Phân tích trạng thái ứng suất bề mặt 65

Hình 3.9: Hình ảnh phóng to sự phát triển của vết hư hỏng 67

Hình 3.10: Phân bố Weibull ổ lăn điển hình 68

Hình 3.11: Biểu đồ hiệu năng ổ lăn 69

Hình 3.12: Độ lệch từ công suất tải ngược 70

Hình 3.13: Đường cong V(z) được đo bằng một vòng bi đỡ 1 dãy 75

Hình 3.14: Siêu âm đầu rò tập trung cho rò rỉ SAW 75

Hình 3.15: Hình dạng của phân độ và sắp xếp của mỗi phần tử trong các đầu dò tập trung phân chia 77

Hình 3.16: Phân cực của các phim được thực hiện bằng cách sử dụng một bảng điện cực được thực hiện bởi một máy vẽ mạch điện tử 78

Hình 3.17: Sự xếp chồng của các phân cực copolymer áp điện phim 78

Hình 3.18: Dán xếp chồng copolymer áp điện phim lên nhau để chuẩn bị vật liệu lớp đệm với bề mặt lõm 79

Hình 3.19: So sánh của dạng sóng nhận được trong khoảng 1mm khoảng cách phân kỳ bằng một đầu dò tập trung không phân chia và một đầu dò tập trung phân chia Các khẩu độ của các loại không phân chia là 3mm x 10 mm diện tích 81

Hình 3.20: So sánh vận tốc SAW đo bằng cách sử dụng một loại đầu dò tập trung phân chia với làn sóng biên được triệt tiêu và bằng cách sử dụng một đầu dò tập trung phân chia mà không cần triệt tiêu sóng biên 81

Hình 3.21: So sánh các đặc tính tần số và dạng sóng nhận được bởi đầu dò tập trung phân chia với lớp đệm nhựa epoxy và lớp đệm tổng hợp 82

Hình 3.22: Các thông số trong phép đo vận tốc bởi sự phân kì của một đầu dò tập trung phân chia 84

Hình 3.23: Sự lặp lại của phép đo vận tốc SAW bị rò rỉ 85

Hình 3.24: Vận tốc SAW bị rò rỉ trong các vòng bi có giờ làm việc khác nhau 86

Hình 3.25a: Ảnh chụp phóng đại của vết nứt ngắn vết mỏi tiếp xúc trong gang 89

Hình 3.25b: Hố mỏi hư hại đã phát triển trong thép cacbon 89

Hình 3.26: Thiết bị kiểm tra Axmat 90

Hình 3.27: Thiết bị kiểm tra R-mat 90

Hình 3.28: Đường cong tổng AE 92

Hình 3.29: Đường cong AE về đo các mức độ khác nhau với năng lượng thấp cấp 8 (gang xám) 92

Hình 3.30: Đường cong AE 93

a, Cấp 2 đến cấp 6 trong một mẫu gang xám 93

b, Cấp 4 đến cấp 9 trong các mẫu thép cacbon 93

Hình 3.31: Xử lý tín hiệu từ các pha ban đầu của thí nghiệm 94

Hình 3.32: Biên độ quang phổ mẫu thử đã chọn Giai đoạn của phổ tần suất rỗ bề mặt và thời gian lựa chọn mẫu tại giai đoạn rỗ bề mặt 94

Hình 3.33: Thông số của tín hiệu AE (C), thu được trong quá trình thí nghiệm mỏi tiếp xúc của gang xám và thép cacbon 95

Hình 3.34: Ví dụ xử lý 3D phân bố thống kê (n) của biên độ tương đối (ar) đánh giá trong một phút 95

Hình 3.35: Thiết bị của phòng thí nghiệm tuổi thọ vòng bi 96

a, Trạm SA 67 96

b, Trạm RAH 4 96

Hình 3.36: Mẫu thiết bị thử nghiệm xác định hư hỏng vòng bi 96

Hình 3.37: Vị trí của gia tốc kế để theo dõi ổ chặn trục phát động trên TGB 100

Hình 3.38: Mặt cắt ngang của hộp giá đỡ thí nghiệm 101

Hình 3.39: Kích thước các vụn kim loại ở vòng ngoài khi kiểm tra xong 102

Hình 3.40: Sự phát triển của khối lượng và chiều dài hạt kim loại (đo bởi ODM) ở vòng ngoài ổ 27 104

Hình 3.41: Sự phát triển của khối lượng và chiều dài hạt kim loại (đo bởi ODM) ở vòng ngoài ổ 33 104

Hình 3.42: Sự phát triển của khối lượng và chiều dài hạt kim loại (đo bởi ODM) ở vòng ngoài ổ 35 105

Hình 3.43: Sự phát triển của khối lượng và chiều dài hạt kim loại (đo bởi ODM) ở vòng ngoài ổ 36 105

Hình 3.45: Khối lượng của hat vụn cho cả 4 bài thí nghiệm 107

trên 4 vòng ngoài ổ bi 107

Hình 3.46: So sánh chiều dài và khối lượng của hạt vụn (ODM) 110

Hình 3.47: Minh họa của RUL bằng giới hạn phát hiện của ODM 111

Hình 3.48: Sơ đồ minh họa của hệ thống bánh trung tâm xe, xe tải… 114

Hình 3.49: của hệ thống bánh trung tâm xe, xe tải và vòng bi côn bị phá hủy 114

Hình 3.50: Sự phá vỡ và rỗ hình thành do chu kỳ tải nén trong vòng trong của vòng

bi 116

Hình 3.51a: Con lăn côn bị biến dạng 117

Hình 3.51b: Những ví dụ về các mảnh vỡ được tìm thấy trên các con lăn côn 117

Hình 3.52: Vết nứt tạo lên trên vòng ngoài của ổ lăn côn 118

Hình 3.53: Độ sâu tối đa của vết nứt được tạo thành trên vòng trong 119

Hình 3.54: Bề mặt phá hủy hình thành trong vòng trong 120

Hình 3.55: (a) Sự phân bố ứng suất y trong vòng trong (MPa) 121

(b) Sự thay đổi của ứng suất y dọc bề mặt trong 121

Hình 3.56: Sơ đồ mô phỏng vết nứt và rỗ gây ra do tải tác dụng liên tục 122

Hình 3.57: a, Chiếc máy bay sau vụ tai nạn 124

b, Các thành phần vòng bi trên trục máy nén khí sau khi tai nạn xảy ra 125

Hình 3.58: Lắp ráp ổ lăn 125

Hình 3.59: a, Vòng trong, vòng ngoài và vòng cách sau tai nạn 126

b, So sánh vòng cách cũ và vòng cách mới được 126

Hình 3.60: (a-d), Biến dạng của các bộ phận trước khi tai nạn xảy ra 128

e, Giả thuyết phác thảo dựa trên sự quan sát trong hình 3.65(a-d) 128

Hình 3.61 Hiển vi quang học của vòng cách và lớp phủ bạc 129

Hình 3.62: Các chất bẩn trên vòng ngoài đi cùng với biến dạng 131

Hình 3.63: Mặt bị nứt của vòng cách được kiểm tra bằng phương pháp SEM 133

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Từ thời xa xưa, các thiết bị cơ khí và chất bôi trơn đã trở thành những yếu tố không thể tách rời nhau Không có chất bôi trơn thì con người không có được những thành tựu rực rỡ và những sáng tạo kì diệu của nền kĩ thuật như ngày nay Bôi trơn là biện pháp làm giảm ma sát và mài mòn đến mức thấp nhất bằng cách tạo ra giữa các bề mặt vật liệu ở đó xảy ra sự ma sát một lớp chất bôi trơn Lớp chất này tạo ra sự ngăn cách giữa các bề mặt vật liệu một cách nhanh chóng một khi được sử dụng hợp lí Hầu hết các chất bôi trơn ở dạng lỏng

Dầu bôi trơn có chức năng chủ yếu:

- Bôi trơn làm giảm ma sát và do đó, làm giảm cường độ mài mòn, ăn mòn của các bề mặt tiếp xúc

- Làm sạch và bảo vệ các chi tiết được bôi trơn khỏi các hạt mài mòn nhằm nâng cao tuổi thọ của máy móc

- Làm mát động cơ

- Làm kín máy

Ngoài các chức năng chủ yếu trên, dầu bôi trơn còn có nhiều chức năng khác như: chống gỉ và ăn mòn những bộ phận làm bằng kim loại; giảm tối thiểu cặn Tuỳ từng chủng loại máy móc và tuỳ điều kiện làm việc, cần lựa chọn dầu bôi trơn thích hợp

Nếu dùng không đúng dầu nhớt hoặc không đúng hướng dẫn có thể làm giảm tuổi thọ của xe gần một nửa Để tối ưu những công dụng tích cực của dầu nhớt, việc

sử dụng đúng loại dầu nhớt và đúng phương cách cho xe máy trở nên một vấn đề

“không nhỏ”

Chính việc hiểu đúng nhưng chưa đủ về dầu nhớt của người tiêu dùng có thể ảnh hưởng đến hệ thống bôi trơn, nguyên nhân gây ra tình trạng động cơ quá nhiệt, trượt ly hợp, chạy không bốc nên rất hao xăng Nghiêm trọng hơn, tác động xấu này

có thể gây hư hỏng nặng như lột dên, kẹt máy, tróc rỗ bề mặt răng của các bánh răng trong hộp số Tuy nhớt xe chỉ chiếm chưa đến 5% trong tổng chi phí bảo trì và bảo dưỡng xe, nhưng có đến 60% trường hợp hư hỏng động cơ xe bắt nguồn từ việc

sử dụng dầu nhớt không đảm bảo chất lượng

Mỗi loại xe (động cơ) với công suất khác nhau cần có một loại dầu nhớt thích hợp Đồng thời, trong động cơ, mỗi một bộ phận hoạt động với một môi trường, điều kiện khác nhau do vậy nên lựa chọn loại dầu nhớt có khả năng hoạt động tốt trên nhiều môi trường, đáp ứng được nhiều điều kiện

Xuất phát từ những lý do trên tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu bôi trơn và khảo sát hƣ hỏng do mỏi ổ lăn ” làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học

của mình

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu

- Tầm quan trọng của việc nghiên cứu bôi trơn ổ lăn

- Tìm hiểu nguyên nhân gây ra hư hỏng ổ lăn

- Phương pháp bôi trơn và lựa chọn chất bôi trơn hợp lý đối với từng loại ổ

- Biện pháp để ổ lăn không bị hư hỏng sớm do mỏi

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu:

- Bôi trơn ổ lăn

- Hiện tượng mỏi ổ lăn

* Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu các chất bôi trơn ổ lăn

- Nghiên cứu các dạng sai hỏng, nguyên nhân và biện pháp khắc phục

- Phương pháp bôi trơn và lựa chọn chất bôi trơn

- Khảo sát hư hỏng do mỏi ổ lăn

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ học tiếp xúc hertz

- Nghiên cứu bôi trơn ổ lăn, các dạng sai hỏng

- Khảo sát hư hỏng do mỏi ổ lăn trong thực tế

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

- khảo sát thực nghiệm

nó có giá trị nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị áp suất thực (áp suất cục bộ) Dạng tiếp xúc đó gọi là tiếp xúc Hertz

Trong chương trình này chúng ta đã phân tích về tiếp xúc Hertz trên cả hình dạng vĩ mô của bề mặt Chúng ta bắt đầu khảo sát các điều kiện tiếp xúc Tribology đơn giản giữa hai bền mặt tiếp xúc profin bề mặt rắn với một mức độ lý tưởng như thực tế, đó là tiếp xúc giữa hai quả cầu, hai trụ, ở tầm vĩ mô chúng có thể là tiếp xúc giữa con lăn, viên bi và vòng trong của ổ bi Trong khi đó ở tầm vĩ mô ta có thể mô hình hoá tiếp xúc giữa các nhấp nhô bề mặt với nhau Chúng ta cần phải thiết lập biểu diễn ứng suất ở vùng tiếp xúc quan hệ với tải tác dụng, hình dạng của profin bề mặt và tính chất của vật liệu Chúng ta cần nghiên cứu cả hai trường hợp: tiếp xúc chịu tải đơn giản khi có ma sát giữa các tiếp xúc

1.2 Hình dạng bề mặt không tuân theo trong tiếp xúc [4]

Chúng ta cần bắt đầu xem xét trường hợp một trụ dài chịu nén tiếp xúc với

bề mặt phẳng được coi là cứng, sau đó sẽ mở rộng ra các trường hợp khác khi các

bề mặt tiếp xúc đều cong và chịu biến dạng nhưng trụ vẫn được coi là dài vô hạn Cuối cùng chúng ta sẽ đưa ra trường hợp không gian ba chiều là trường hợp tiếp xúc của hai mặt cầu Trên (hình 1.1) là hình dạng tiếp xúc giữa trụ dài chịu tải biến dạng và bề mặt phẳng cứng: (a) không chịu tải; ( b) chịu tải trên đơn vị chiều dài W/L Khi không chịu tải; (c) sự tiếp xúc giữa hai quả cầu biến dạng

a a

W/L

 W1

h z

Hình 1.1: Tiếp xúc giữa trụ dài biến dạng và bề mặt mặt phẳng cứng

Khi chịu tải (hình a) khe hở z giữa bề mặt phẳng cứng và bề mặt prôfin có được bằng việc ứng dụng định lý pitago

2

2 2

/ 1 2 2

R R

2

2

Mặt khác chúng ta chọn để mô phỏng prôfin bề mặt các dạng parabol ở gần miền rất nhỏ gần vùng tiếp xúc

Bây giờ giả sử rằng khi có tải trên đơn vị chiều dài lực ứng dụng trụ biến dạng làm cho tâm dịch chuyển một cách thẳng đứng ở về phía mặt phẳng Như vậy vùng tiếp xúc thực sự sẽ là một vệt dài hình chữ nhật xếp đối xứng về phía trục z Giả sử chiều dài này có bề rộng là 2a kéo dài từ x = -a đến x = a Điều này được nhìn thấy ở hình 1.1 b Mục đích của chúng ta là liên hệ kích cỡ của vết tiếp xúc mà được mô tả có bề rộng là 2a và với hình dạng hình học và với vật liệu của trục

Trong hình 1.1b thấy profin gốc của trục là đường nét đứt và rõ ràng là nếu chúng ta đưa ra điều kiện trong vùng tiếp xúc trong khoảng -a < x < a thì: z + Wz =  Trong đó Wz đại diện cho chuyển vị thẳng đứng của mặt trục

Trong miền này: xa; W Z z

z h

Khi tham gia vào vùng tiếp xúc:

2 2

1

2 2 1 2 1

2

x R

x W

Khi ở ngoài vùng tiếp xúc:

2 2

1

2 2 1 2 1

2

x R

x W

Trong đó các ký hiệu 1 và 2 quy cho hai bề mặt, và 2 là chuyển vị của tâm trục 2 về vị trí trục 1

Các phương trình có thể viết ngắn gọn bằng việc định nghĩa

 = 1 + 2 là tổng của khoảng cách do tâm của hai trục chuyển vị và R là bán kính cong là:

2 1

1 1 1

R R

Chú ý rằng R1 và R2 đều dương khi cách bề mặt đều lồi nhưng có giá trị

âm nếu bề mặt nào là lõm khi đó ở trong vùng tiếp xúc tức là miền x a thì:

R

x W

2

2 2

Khi ở ngoài khoảng tức x > a thì:

R

x W

2

2 2

R

y R

x W

2 2

2 2 2

a y

2

2 2

Và khi r a thì:

R

x W

2

2 2

Vấn đề đặt ra là chúng ta phải đặt góc để tìm ra sự phân bố áp suất mà khi bề mặt có chuyển vị tương hợp với điều kiện đặc biệt đặt ra ở trên Trong trường hợp của hai trụ tiếp xúc dài thì nói chung sự chuyển vị phải thoả mãn phương trình (1.8)

và (1.9)

Trong khi đó trường hợp của hai quả cầu thì điều kiện thoả mãn thích hợp là các phương trình (1.10) và (1.11)

1.3 Ứng suất bề mặt và sự phân bố áp suất bán elipse [4]

1.3.1 Tải xuyên tâm

Khi hai vật thể đều mang tải tiếp xúc thì các ứng suất tạo ra trong mỗi chúng

có thể là hoàn toàn đàn hồi hoặc có thể đủ lớn để có thể biến dạng dẻo ở một hay vài vật thể Nếu như sự biến dạng chỉ đơn thuần là trường ứng suất đàn hồi thì trong trường hợp của các kim loại (mà có môđun đàn hồi cao) phải có sức căng tương ứng nhỏ và vì vậy lý thuyết đàn hồi tuyến tính được áp dụng Các diện tích tiếp xúc thực

sự sẽ có kích thước nhỏ hơn so với các kích thước mà mô tả đặc tính hình dạng vĩ

mô của các bề mặt Trong ví vụ của chúng ta điều này có nghĩa là bề rộng (hoặc các bán kính) a của vùng tiếp xúc là so với các bán kính của các bề mặt cong tức là a/R<<1 Dưới điều kiện đó thì sự phân bố áp suất trong các vùng tiếp xúc có thể không ảnh hưởng nhiều các điều kiện cách xa chúng Giả sử đưa ra là các vật thể đặc có các đường khoảng cách là vô hạn từ điểm tiếp xúc; trong thuật ngữ của môi trường liên tục chúng ta có thể coi như mỗi vật thể là nửa vùng bán vô hạn

Chúng ta bắt đầu với trường hợp không gian hai chiều bằng ví dụ các ứng suất đàn hồi và sự biến dạng trong của vật thể bán vô hạn chịu tải qua một dải hẹp Mục đích của chúng ta là thiết lập dạng phân bố của áp suất, và phân bố áp suất liên quan gần bề mặt Nó sẽ tăng khi có sự thay đổi của hình dạng của bề mặt được mô

tả bằng các phương trình (1.8) và (1.9) Một lời giải đàn hồi sẽ cho chúng ta biết cấu trúc của ứng suất và sức căng tại mỗi điểm trong vật thể Các ứng suất phải cân bằng đâu đó trong khối vật liệu và cũng cân bằng với tải ứng dụng trên biên Sử dụng đàn hồi tuyến tính khi đó chúng ta có thể nhận được cấu trúc của sức căng từ biểu thức của ứng suất và để tạo được hệ thống sức căng thừa nhận đó thì phải thoả mãn các điều kiện hình dạng hình học tương hợp Chúng ta sẽ giả sử trong không gian hai chiều, là các khe hẹp nằm song song với trục y và đối xứng qua nó (qua

trục y), và vật liệu ở trong trạng thái có sức căng bề mặt y = 0 Có giả thiết này

để điều chỉnh bề dày vật thể có độ lớn cần thiết so với bề rộng của vùng tiếp xúc

và trường hợp này là rất hay gặp trong các vấn đề tiếp xúc thực tế Trong các trường hợp của sức căng bề mặt các phương trình cân bằng và trường hợp có thể được tổng quát hoá trong hệ toạ độ Đề - Các (các phương trình đạo hàm từ (1.12) đến (1.15) như đã thấy trong các sách sức bền vật liệu tiêu chuẩn Để cân bằng thoả mãn thì:

XZ X

X XZ

Z

Z Z

X

X X

W W

W W

X Z XZ X Z Z

11

1

2 2 2 2

2 2 2 2 2 2

r r r

r r r

2 2

2

Các sức căng x, z và xz trong trường hợp này có liên hệ với các chuyển wi

và w của một phân số tại (r, ) là:

r

w w w r

w r r

w w

r

r r

r r

r

r r

Trường hợp ứng suất đàn hồi trong mặt phẳng (r, ) cho loại tải này có thể đạt được thực sự từ hàm ứng suất AIRY

Bề mặt của bán không gian là tự do ứng suất tức r = r  = 0

Trừ tại những điểm có tải tác dụng tức là ở chỗ đó r = 0 Lý thuyết ứng suất

vô hạn ở đây được gợi ý bằng phương trình (1.23) mà có r ở mẫu là phù hợp với tải tập trung dọc theo một đường Trong thực tế vùng tiếp xúc phải luôn có một vùng giới hạn thậm chí các bề mặt rộng vô cùng nhỏ Chúng ta cũng chú ý tới hai đặc điểm của phương trình (1.23): Thứ nhất là khi r rất lớn thì ứng suất tiến tới 0, và thứ hai r có độ lớn bằng -2W/ D = Const trên vòng tròn có đường kính là D đi qua 0 (điều này có thể thấy ngay từ quan hệ hình học trên đường trong có D cos  = r Như vậy r  = 0 cho thấy rằng r và  phải là các ứng suất chính vì vậy ứng suất trượt chính r tại điểm (r, ) có giá trị là r/2



hình 1.2

Hình 1.2: Tải phân bố đều trên một đường trên bề mặt rắn bán vô hạn

Hình 1.3: Vòng tròn Morh ứng suất cho vật liệu tại điểm A trong hình (1.2)

Sự biến đổi từ một hệ thống toạ độ đến một hệ thống toạ độ khác có thể được

vẽ bởi vòng tròn MOHR của trạng thái ứng suất cho một điểm đại diện như là điểm

A ở hình (1.2) Các thủ tục này được minh hoạ trong hình 1.4 và dẫn đến các phương trình sau:

z x L

W

r X

z L

W

r Z

sincos

z x

z x L

W

r XZ

Đề Các Vấn đề quan tâm đầu tiên là hình dạng của bề mặt biến dạng, ở trong toạ độ cực đó là các giá trị của các chuyển vị xuyên tâm (hướng kính) và tiếp tuyến mà Wr



Phương trình (1.25) chỉ ra rằng tại tất cả các điểm trên biên của vật thể có một chuyển vị hằng số về phía gốc 0 Trong phương trình (1.26) hằng số r0 phản ánh việc chọn một số đã biết mà chỉ chuyển vị thẳng đứng được đo (khi r = r0 thì chuyển vị về mặt thẳng đứng W0 = 0) sự lựa chọn tuỳ ý cần thiết kết hợp với lựa chọn trên là đặc điểm không thể tránh được của các vấn đề biến dạng trong không gian hai chiều của vật thể bán không gian đàn hồi Hình dạng của biến dạng bề mặt được thấy ở hình 1.2 mà việc chọn giá trị của r0 được chỉ ra

có mật độ là pds tại điểm B(s, 0) ở hình 1.4

Các ứng suất tại điểm A do kết quả của tải đường này có thể được viết ngay

từ phương trình (1.24) bằng việc thay x bằng x - z và W/L bởi pds Vậy tích phân của kết quả của tất cả các phần tử tải chúng ta có thể viết:

2

2

z s x

d z x P

3

2

z s x

d P



2

z s x

d z x P

Z

C(x,o)

Hình 1.4: Tải phân bố đối xứng kéo dài qua một khe hẹp với bề rộng là 2a

Điều kiện này có nghĩa rằng nếu hình dạng của phân bố áp suất P(s) được biết (ít nhất là trong nguyên tắc) khi trạng thái của ứng suất tại một số điểm trong vật thể có thể được đánh giá từ các phương trình trên Trong thực tế đánh giá các tích phân là không phức tạp chỉ trong một vài trường hợp đặc biệt lớn hơn Chuyển

vị đàn hồi của bề mặt của vật thể có thể được thiết lập bằng nhiều cách giống nhau nhưng bằng tổng các chuyển vị do tất cả các phần tử tải tăng dần của mỗi độ lớn P (ds) Biểu thị các chuyển vị tiếp tuyến và thẳng đứng của điểm C bởi Wx và Wz làm

đại diện, từ Wx = Wr tại điểm

2



   và WZ = W0 và từ phương trình (1.25), (1.26) chúng ta có thể viết:

r s p E

2

ln1

wx/x và wz/x, là ;     P x

E x

Wx

2

1 2

s P E

x

W Z

ln1

w





  khi đó chúng ta có thể cân bằng hai biểu thức cho x từ các phương trình (1.30) và (1.15) Trên bề mặt ứng suất pháp z bằng độ lớn (nhưng trái dấu) với P(x) là áp suất ở mặt phân giới,

do vậy thấy rằng:

1 2  x  1    P x   1  21   P x (1.32) Và:  x  P x , mà bằng với trị số z

Vì vậy chúng ta có thể nói rằng dưới bất cứ hệ thống áp suất bề mặt thông thường, ứng suất trong bề mặt xác định x tại một điểm dưới tải là nén (ngược chiều) và bằng độ lớn của áp suất pháp tác động tại điểm đó Các ứng suất bề mặt ngược chiều đã sinh ra được xác định là đặc biệt quan trọng bởi chúng có ảnh hưởng là làm chậm lại sự tấn công của đàn hồi dẻo ở lớp trên cùng của bề mặt, do

đó làm tăng thêm sự chống lại của bề mặt đàn hồi với biến dạng dẻo

1.3.3 Tiếp xúc đường

Để đánh giá các ứng suất bên trong và các chuyển vị thay đổi của các phân

bố áp suất trong cả hai dạng hình học không gian hai chiều và không gian ba chiều thì dạng phân bố riêng và thực tế quan trọng là đã mô tả trong không gian hai chiều bằng phương trình

a

x P

được đưa ra bởi

thì áp suất cực đại là:

a L

-1 -2 -3

1 2 3



hình 1.5c

1 1

2 0

P/P 1

x/a

hình 1.5b

Hình 1.5: Biến dạng bề mặt phát sinh từ các ứng suất tiếp xúc bán elipse

Hình (1.5a) tiếp xúc giữa một trụ tương ứng và một mặt phẳng đi qua miền –a < x < a; hình (1.5b) phân bố áp suất bán elipse với giá trị cực đại P0 trên đường tâm; hình (1.5c) kết quả biến dạng bề mặt của mặt phẳng vật thể bán không gian Hình dạng của bề mặt biến dạng thiết lập có thể tìm thay bằng việc thay thế phân

bố áp suất bán Elipse và các phương trình (1.18) và (1.29) Viết  = a.x vậy thì trong vùng tiếp xúc  < 1 di chuyển vị thẳng đứng Wz của bề mặt được đưa bởi biểu thức:

  C

E L

Trong khi ở ngoài vùng tiếp xúc tức:  1thì:

1 1

2

1 1

ln 1

2

2 2 2

và W được liên hệ với phương trình

2 1

E E

2 1

*

11

1

E E

   p o

 p o

hình 1.6

Hình 1.6: Tiếp xúc đàn hồi của trục

Hình (1.6a) ứng suất bề mặt dọc theo trục đối xứng Oz; và hình (1.6b) là các đường cong ứng suất trượt chính

Các ứng suất trong vật liệu dưới tải bề mặt này có thể tìm thấy bằng việc thay thế phân bố áp suất bán elipse vào phương trình (1.27) Tích phân dọc theo trục

z đến biểu diễn cho các ứng suất chính x và z, tức là:

21

2 1

2 2 2

2

z a

z a

z P

2 1

2

21

2 2 2

2

a

z a

z a

1 2

2

R a

h

(1.42)

2

3.51 Eaxt(3.15)

Sự khác nhau là nhỏ trong miền 1 <  < 2, vùng tiếp xúc đó là tại giá trị của

 chỉ vừa nhỏ hơn đơn vị chút ít Dưới các điều kiện đó biểu thức này có thể gần thoả mãn bởi liên hệ:

 2 3

3

2 4 2

R a

2 2

0 1 /)



 , và vì vậy trong trường hợp này là:

03

 2 2

2

2 4

1

r a a

P E

Và từ dạng này nó cho ta thấy rằng  là sự đạt tới qua lại của hai điểm quan

hệ cách xa của hai trụ trong tiếp xúc Trên các bề mặt trong đường tròn tiếp xúc

2 1

2

2 2

3

2 2 2

2 2

11

13

21

r r

P a



2 1

2

2 2

3

2 2 2

2

121

13

21

r r

P a

3

2 1

1 1

a arctg a

Ứng suất tiếp xúc giữa con lăn với vòng trong có giá trị lớn hơn ứng suất tiếp xúc giữa con lăn với vòng ngoài Từ cơ học tiếp xúc Hertz cho thấy Con lăn

và các vòng ổ chịu ứng suất thay đổi, sẽ bị hỏng do mỏi, ổ nhanh bị hỏng Do đó việc sử dụng ổ lăn cần được bôi trơn và có phương pháp bôi trơn hợp lý

Chương 2 BÔI TRƠN Ổ LĂN VÀ CÁC DẠNG HƯ HỎNG 2.1 Giới thiệu chung

Ổ lăn là một chi tiết quan trọng được sử dụng trong ngành công nghiệp Nhờ chúng mà các chuyển động thẳng và quay giữa 2 bề mặt diễn ra êm và có ma sát thấp Ổ trục được dùng thích hợp ở chuyển động trượt và lăn

Ổ lăn có thể được bôi trơn bằng các chất bôi trơn lỏng, mỡ và các chất bôi trơn rắn

Nhiệm vụ chủ yếu của các chất bôi trơn là: Luôn giữ cho các bề mặt tách ra khỏi nhau nhờ đó mà ma sát mòn có thể giảm hoặc có thể khống chế được

Ổ trục gồm cả hai phương pháp bôi trơn: Bôi trơn thủy động đàn hồi(các ổ được bôi trơn và áp suất dầu được tạo ra nhờ chính chuyển động của hệ thống) và bôi trơn thủy tĩnh (các ổ được bôi trơn mà áp suất dầu tạo ra từ bên ngoài)

Thông thường ổ lăn được bôi trơn bằng phương pháp bôi trơn thủy động đàn hồi

Giữa các đối tượng con lăn và rãnh do có chuyển động trượt hoặc lăn Sự chuyển động con lăn kéo dầu bôi trơn dính chặt vào bề mặt chêm vào khe hở giữa đối tượng lăn và rãnh lăn và có thể màng dầu được tạo nên riêng rẽ trên bề mặt kim loại mặc dù áp lực tiếp xúc rất lớn

, 0 43 , 0

2 1

7 , 0 6 , 0 0

111

1

.1,0

m

E

L

Q r

Chất bôi trơn được lựa chọn dựa trên nhiệt độ làm việc và số vòng quay của vòng ổ

So với dầu bôi trơn thì mỡ bôi trơn được giữ trong ổ dễ dàng hơn đồng thời

có khả năng bảo vệ ổ tránh tác động của tạp chất và độ ẩm nhưng trong điều kiện làm việc với nhiệt độ và vận tốc cao thì dầu bôi trơn tỏ ra ưu việt hơn

2.2 Các chất bôi trơn

2.2.1 Mỡ bôi trơn

Khoảng 90% ổ bi và ổ đũa dùng mỡ để bôi trơn với các ưu điểm sau:

- Đơn giản khi thiết kế ổ lỗ và lỗ vỏ hộp

- Mỡ duy trì tính năng tốt hơn khi có nắp chặn

- Dùng mỡ để bảo trì ổ khi ổ ngừng làm việc

-Khi ổ cần với vận tốc trung bình mỡ có thể sử dụng trong suốt tuổi thọ của ổ đến khi có hư hỏng cần sửa chữa

Với các ưu việt đó mỡ được sử dụng phổ biến nhất trong ổ bi cầu và con lăn Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ổ lăn của máy công cụ; mô tơ điện và nhiều loại khác…

VD: Trong thực tế, các ổ bi bôi trơn bằng mỡ được lắp trên tất cả các mô tơ loại nằm ngang có kích thước trung bình Các ổ bi bôi trơn bằng mỡ cũng được sử dụng trong nhiều mô tơ trục thẳng đứng có kích cỡ lớn và nhỏ

Để có được độ đặc thích hợp và nhiệt độ nhỏ giọt cao người ta thường sử dụng mỡ xà phòng liti hoặc natri và mỡ phức canxi – natri Các ổ trục thường được bôi trơn bằng mỡ có độ cứng cấp một (nhão), cấp 2 (dạng kem) và cấp 3 (gần như rắn)

2.2.1.1 Lựa chọn mỡ

Chúng ta lựa chọn mỡ để bôi trơn ổ lăn khi phải dựa vào tốc độ; độ kín của trục; nhiệt độ làm việc; mô men xoắn lúc khởi động

Việc lựa chọn mỡ khi bôi trơn phải đảm bảo sao cho ít phải bảo dưỡng nhất

và có độ tin cậy cao nhất Do vậy mỡ phải ngăn được gỉ trong điều kiện ẩm ướt và ngăn được tác động xúc tác của kim loại và chúng có độ ổn định ôxy hóa tốt Điều quan trọng là phải bảo vệ các ổ không bị tác động của môi trường bằng cách ngăn không để cho hơi bẩn hoặc chất bẩn xâm nhập vào ổ lăn

Ảnh hưởng của điều kiện làm việc đối với mỡ có thể xác định được tỷ số

C P

dm: Đường kính trung bình của ổ lăn

2

D d

Bảng 2.1: Tiêu chuẩn lựa chọn mỡ theo điều kiện làm việc

Tiêu chuẩn để lựa chọn mỡ Tính chất của mỡ để lựa chọn

Tính chất hoạt động: Ma sát nhỏ trong

suốt quá trình làm việc (kể cả khởi

động)

Độ đặc của mỡ cấp 1 đến cấp 2 với chất tổng hợp có gốc dầu thấp

Ma sát nhỏ ở điều kiện làm việc ổn

định nhưng ma sát khởi động cao

Độ đặc của mỡ cấp 3 – 4 (lượng mỡ chiếm 30% thể tích chỗ trống của ổ hoặc độ đặc cấp 2 và lượng mỡ khoảng 20% thể tích chỗ trống)

Độ ẩm thấp Mỡ đã lọc (rất sạch) độ đặc loại 2 với

yêu cầu đặc biệt cao về làm việc êm;

mỡ lọc với độ đặc cấp 1 hoặc cấp 2, gốc dầu tính dẻo cao

Điều kiện lắp: Độ nghiêng chiều dọc

trục của ổ lăn

Mỡ với tính bám tốt có độ đặc cấp 2 hoặc cấp 3

Bảo trì: Thường xuyên bôi trơn lại Mỡ dẻo với độ đặc cấp 1 đến cấp 2

Điều kiện môi trường nhiệt độ cao

trong cả tuổi thọ của dầu

Mỡ được tổng hợp là gốc dầu và chịu nhiệt (VD: Santhetic đặc)

Nhiệt độ cao: Bôi trơn lại Mỡ không còn khả năng chịu đựng

được nhiệt độ cao hơn

Nhiệt độ thấp: Mỡ tổng hợp từ chất dầu nhẹ và chất

làm đặc phù hợp độ đặc cấp 1 đến cấp 2 Môi trường bụi bặm: Mỡ sánh với độ đặc cấp 3

Mỡ thường phẩm được chia làm 2 loại chính: Mỡ xà phòng hóa và mỡ không

dụng cao nhất ( o

C)

Nhiệt độ nhỏ nhất ( o C)

Để bôi trơn mỡ đúng liều lượng, dưới đây là các yêu cầu phải tuân theo:

- Khi hoàn thành đóng phớt chặn mỡ của ổ cần phải chắc chắn rằng tất cả các diện tích chính thức được bôi trơn đầy đủ

- Để mỡ đầy khoảng trống của ổ đến mức độ nào đó mỡ sẽ nén tràn ra ngoài

Đó là khả năng tự điều tiết của ổ

- Tra mỡ chỉ khoảng 30% - 40% khoảng trống của ổ với ổ làm việc với vận tốc rất cao

- Tra mỡ với toàn bộ sức chứa của ổ cho các ổ lăn làm việc với vận tốc thấp VD: Cho một ổ lăn 6205 sử dụng đường cong ; đường kính lỗ: 25mm như vậy lượng mỡ tối đa (lấp đầy khoảng trống là 5g)

So với dầu bôi trơn, mỡ bôi trơn được giữ trong ổ để dễ dàng hơn, đồng thời tránh được tạp chất và độ ẩm

Trong thực tế, nếu vận tốc trượt V<4 đến 5 m/s có thể dùng mỡ hoặc dầu để bôi trơn ổ lăn được

Bảng 2.3: Loại mỡ theo kiểu ổ

Kiểu ổ

Nhiệt độ làm việc của ổ lăn

Ổ bi đỡ 1 dãy; ổ lòng

Ổ đũa kim đường kính

2.2.1.3 Tuổi thọ mỡ bôi trơn

Tuổi thọ làm việc của mỡ ảnh hưởng bởi nhiệt độ phóng xạ, nhiễm bẩn (sự xâm nhập của môi trường) hoặc ứng suất bổ sung hoặc ứng suất thay thế cần thiết khi tuổi thọ của mỡ ngắn hơn tuổi thọ của ổ lăn

(Lm: Tuổi thọ tính toán)

Tuổi thọ đó có thể tra trong hình sau:

Trong hình vẽ chỉ ra thời gian tuổi thọ bôi trơn tf Nó đóng vai trò phụ thuộc vào vận tốc và được tính theo công thức: Kf.n.dm

Biểu đồ này ứng dụng cho:

- Khả năng không thành công với 10%

- Nhiệt độ làm việc với 750C

- Điều kiện làm việc môi trường bình thường

- Tải ổ chính thỏa mãn: 0,1

c p

Hình 2.2: Biểu đồ tuổi thọ mỡ bôi trơn

Bảng 2.4: Giá trị K f theo kiểu ổ

+1 dãy 1,6 + Hai dãy

- Ổ bi với góc tiếp xúc tính toán

Trong vòng cách của ổ chịu tải cao; nhiệt làm việc lớn; điều kiện môi trường làm việc khắc nghiệt do đó tuổi thọ làm việc của mỡ bôi trơn sẽ giảm Do vậy phải

sử dụng tuổi thọ thực tế tfq tfq giảm nhiều lần so với tuổi thọ bôi trơn tf Với f1  f5phụ thuộc vào điều kiện làm việc của môi trường: tfq = f1.f2.f3.f4.f5.f6.ft

Bảng 2.5: Sự giám sát hệ số f 1  f 5 do điều kiện khắc nghiệt của môi trường

- Tồn tại và ẩm trên bề mặt tiếp xúc của ổ

Tải nặng

Có không khí

q

Con lăn trong bộ phận bôi trơn

Ví dụ: Ổ áp dụng cho máy cán: q tương ứng với 0,2 điều đó có nghĩa là tuổi

thọ bôi trơn 20% tuổi thọ tính toán tf

2.2.1.4 Khối lượng mỡ bôi trơn ổ lăn bổ sung

Mỡ bổ sung khi có yêu cầu sau:

- Có sự giảm tuổi thọ của mỡ

- Có sự thay đổi tính chất của mỡ (hết hạn sử dụng) Khối lượng của mỡ M1dùng để bổ sung được tính toán theo công thức sau:

M1 = D.B.X (g)

Trong đó:

M1: Lượng mỡ (g)

D;B: Đường kính vòng ngoài và chiều rộng ổ (mm)

X: Phụ thuộc vào thời gian bôi trơn bổ sung

2.2.2 Dầu bôi trơn

- Dầu mỡ bôi trơn có bốn chức năng cơ bản, đó là [1]:

+ Làm giảm ma sát, giảm cường độ mài mòn, ăn mòn của các bề mặt ma sát nhằm đảm bảo cho động cơ, máy móc đạt công suất tối đa

+ Làm sạch, chống tất cả các loại mài mòn để đảm bảo tuổi thọ sử dụng của động cơ

+ Làm mát

+ Làm kín