HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ MÀI MÕN TRONG MƠ HÌNH MÀI MÕN BA ĐỐI TƯỢNG Đồn n Thế Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội TÓM TẮT: Trong thí nghiệm ma sát mài mòn việc xác định cường độ mài mòn quan trọng với mục đích dự báo mòn cho cặp bề mặt ma sát Trong thông số ảnh hưởng đến cường độ mài mòn lực pháp tuyến, vận tốc tính chất vật liệu chi tiết bị mài mòn thơng số quan trọng Do đó, báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng thông số đến cường độ mài mòn hai loại vật liệu mẫu khác thép C45 nhơm AlMg Từ khóa: mài mòn ba đối tượng, cường độ mài mòn, hệ số ma sát, lực pháp tuyến, lực ma sát, quãng đường mài mòn GIỚI THIỆU Trong thí nghiệm ma sát mài mòn theo mơ hình mài mòn ba đối tượng Hình việc xác định cường độ mòn quan trọng mục đích để dự báo mòn cho cặp bề mặt ma sát Quá trình mài mòn gây thay đổi thơng số hình học chi tiết, giảm thể tích, thay đổi độ nhám tính bề mặt bề mặt tiếp xúc Fn Hmẫu Mẫu Lớp hạt mài Đĩa quay v Ra, đĩa ; Rz,đĩa Ra,mẫu ; Rz,mẫu Hình Mơ hình thí nghiệm mài mòn Trong nghiên cứu này, mơ hình mài mòn ba đối tượng gồm có mẫu tác dụng tải trọng pháp tuyến Fn bị ép trực tiếp vào bề mặt đĩa quay chuyển động gây trình mài mòn mẫu đĩa, với điều kiện vùng tiếp xúc mẫu đĩa quay ln có lớp hạt mài Do lớp hạt mài mòn đóng vai trò lớp trung gian tương tác đồng thời với bề mặt mẫu bề mặt đĩa [2, 3, 5, 6] Trong lĩnh vực ma sát học (Tribology), q trình mòn cặp bề mặt ma sát thường Trang 54 mô tả đường cong mòn, Hình Đường cong mòn thường chia thành ba giai đoạn gồm mòn ban đầu (chạy rà), mòn ổn định mòn khốc liệt Trong giai đoạn chạy rà, bề mặt chi tiết thường bị mài mòn mạnh, kích thước bị thay đổi nhanh nhấp nhô bề mặt ban đầu bề mặt tiếp xúc với diện tích tiếp xúc thực nhỏ sinh áp suất tiếp xúc thực lớn gây mòn nhanh Nhấp nhơ bề mặt sau thời gian chạy rà đạt tới giá trị ổn định chuyển sang giai đoạn mòn ổn định Trong giai đoạn này, tốc độ mòn gần quan hệ tuyến tính với thời gian mòn hay qng đường ma sát Giai đoạn mòn khốc liệt xảy cặp bề mặt ma sát mòn giới hạn cho phép gây thay đổi sai lệch hình dáng bề mặt tiếp xúc [1, 3, 4, 6] Như giai đoạn chạy rà, độ nhám ban đầu bề mặt ma sát thông số quan trọng ảnh hưởng đến lượng mòn Trong giai đoạn mòn ổn định lượng mòn phụ thuộc vào thơng số q trình áp suất, vận tốc trượt hay tính chất vật liệu bề mặt ma sát Do đó, việc xác định ảnh hưởng thơng số q trình lực pháp tuyến Fn vận tốc v, tính chất vật liệu tới cường độ mài mòn có ý nghĩa mặt khoa học việc dự báo tốc độ mài mòn cặp bề mặt ma sát bị mài mòn mơ hình mài mòn ba đối tượng Lượng mòn (g) HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM I: Mòn ban đầu II: Mòn ổn định III: Mòn khốc liệt I Đường cong mòn II III thay đổi lực pháp tuyến Fn từ 10 N đến 200 N vận tốc đĩa quay v từ m/s đến 1000 m/s Hơn nữa, thiết bị dễ dàng thay đổi mẫu đĩa quay với loại vật liệu kích thước khác Cảm biến lực Cơ cấu điều chỉnh khe hở WD1 WD2 Quãng đường (m) Thời gian (phút) Hộp mẫu 100 500 2000 Hình Q trình mòn cặp bề mặt ma sát Báo cáo trình bày tóm tắt phương pháp thí nghiệm mài mòn ba đối tượng kết thực nghiệm ảnh hưởng thông số trình lực pháp tuyến Fn, vận tốc quay đĩa v quãng đường mài mòn WD đến cường độ mài mòn hai loại mẫu: thép C45 nhơm AlMg3 Hơn nữa, kết chiều sâu mòn Hmòn phụ thuộc vào quãng đường ma sát Fn xác định THÍ NGHIỆM MÀI MÕN Hạt mài Đĩa mài Đĩa quay Mẫu Hình Các phận máy thí nghiệm 2.2 Các thơng số thí nghiệm Trong báo cáo này, kết thí nghiệm xác định cường độ mòn chiều sâu mòn mẫu thép C45 mẫu nhôm AlMg3 với thông số thí nghiệm mơ tả Bảng Bảng Các thơng số thí nghiệm xác định cường độ mài mòn, chiều sâu mòn 2.1 Máy thí nghiệm ma sát mài mòn Để nghiên cứu đặc tính mòn mơ hình ma sát mài mòn ba đối tượng, thí nghiệm thực máy thí nghiệm ma sát mài mòn (Tribometer test-rig) Kết cấu máy thí nghiệm gồm có khung máy, cấu dẫn động đĩa quay, hộp cấp liệu, thiết bị đo cấu gia tải, mơ tả Hình Đầu đo lực chiều Cơ cấu gia tải Hộp chứa hạt mài Mô tả thông số Mẫu C45, AlMg3 - Kích thước mẫu 45 x 25 x mm - Ra,mẫu 0,27 µm - Rz,mẫu 0,5 – 1,5 µm - Ra,mòn - µm - Rz,mòn 25 – 35 µm Đĩa quay C45 - Kích thước đĩa 300 x mm - Ra,đĩa – µm - Rz,đĩa 25 - 35 µm Hạt mài Mẫu Giá trị - Kích thước hạt Cát khơ silica 125 - 355 µm Thơng số thí nghiệm Đĩa quay Khung máy Hình Kết cấu máy thí nghiệm ma sát mài mòn Những phận máy thí nghiệm thể Hình gồm cấu gia tải, thiết bị đo lực ba chiều (force sensor), cấu điều chỉnh khe hở ban đầu, hộp chứa mẫu, mẫu, đĩa mài đĩa quay Các thông số thực nghiệm - Tải trọng Fn 50; 100; 200 N - Vận tốc đĩa 100; 300; 400 mm/s - Quãng đường mài 500 - 2000 m mòn Để nghiên cứu q trình mòn cặp bề mặt ma sát giai đoạn mòn ổn định, cường độ mòn chiều sâu mòn xác định với thời gian q trình mài mòn tương ứng qng đường ma sát tính tốn Điều kiện Trang 55 HỘI NGHỊ KH&CN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM thí nghiệm thiết lập cho tất thí nghiệm, ví dụ khe hở ban đầu, diện tích tiếp xúc mẫu, vật liệu hạt mài mòn, tốc độ cấp hạt mài (4) Sau lần thí nghiệm mẫu làm xác định lại khối lượng thời điểm tương ứng với quãng đường mài mòn 500, 1000, 1500, 2000 m Q trình mài mòn theo mơ hình mài mòn ba đối tượng nghiên cứu với thí nghiệm sử dụng mẫu có độ nhám ban đầu gần Trong nghiên cứu này, mẫu thép mẫu nhôm sử dụng làm thí nghiệm có độ nhám bề mặt ban đầu với Ra,mẫu = 0,25 µm Rz,mẫu = 0,5 – 1,5 µm Thời gian mài mòn xác định tương đương với quãng đường mài mòn từ 500 – 2000 m Điều kiện thí nghiệm với thơng số trình thay đổi Fn = 50, 100, 200 N; v = 100, 300, 400 mm/s Hình thể khác độ nhám bề mặt mòn độ nhám bề mặt ban đầu mẫu, tương ứng với Ra,mòn>Ra,mẫu sau thí nghiệm trước thí nghiệm tương ứng với qng đường mài mòn 2000 m Sau mài mòn, chiều cao mẫu Hmẫu giảm tương ứng với chiều cao mòn Hmòn (5) Tính toán khối lượng bị trước sau thí nghiệm Mẫu nhơm Hmẫu Sau mài mòn Hmòn Rz,mẫu, Ra,mẫu Mẫu thép Hmòn Rz,mòn, Ra,mòn KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Xác định cường độ mòn chiều sâu mòn Thơng thường thí nghiệm ma sát mài mòn, lượng mòn xác định cách đo tính tốn trực tiếp dựa khối lượng mòn, thể tích mòn hay kích thước mòn Mặt khác lượng mài mòn xác định cách tính tốn gián tiếp qua thơng số độ bền mòn, tỷ lệ mòn, hệ số mòn, tốc độ mòn cường độ mòn [1, 3, 4, 5] Trong nghiên cứu này, q trình mòn mơ hình mài mòn ba đối tượng nghiên cứu cách xác định cường độ mòn chiều sâu mòn mẫu Cường độ mòn xác định phụ thuộc khối lượng mòn diện tích mòn danh nghĩa, khối lượng riêng vật liệu, quãng đường mài mòn [3,4] Tính tốn cường độ mài mòn xác định cơng thức: Rz,mòn, Ra,mòn Sau mài mòn Hình Kích thước độ nhám bề mặt mẫu Chiều sâu mòn Hmòn định nghĩa giảm chiều cao ban đầu mẫu Hmẫu Hmòn xác định theo cơng thức: trước sau thí nghiệm 2.3 Q trình thí nghiệm Q trình thí nghiệm để xác định cường độ mài mòn chiều sâu mòn sau: (1) Trước thí nghiệm mẫu làm xác định khối lượng cân điện tử với độ xác 0,001 g; (2) Gia tải lực pháp tuyến Fn xác định cách đặt khối nặng lên cấu gia tải; thiết lập vận tốc đĩa quay v; (3) Thiết lập thời gian thí nghiệm tương ứng với quãng đường mài mòn xác định trước Bảng 1; Trang 56 Trong đó: WI cường độ mòn [-]; m khối lượng mòn [g]; A diện tích mòn danh nghĩa [mm-2]; khối lượng riêng vật liệu [g.m-3]; WD quãng đường mài mòn [m-1] 3.2 Sự phụ thuộc cường độ mài mòn WI vào Fn v Để nghiên cứu q trình mòn của mẫu giai đoạn mòn ổn định, cường độ mòn WI xác định dựa kết thực nghiệm mẫu thép C45 với độ nhám ban đầu Cường độ mòn xác định theo cơng thức (1) Các kết tính tốn WI phụ thuộc vào quãng đường mài mòn WD xác định HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM x 10 -7 2.8 2.6 v = 300 mm/s Fn = 200 N chiều sâu mòn Hmòn tăng Hơn nữa, Hmòn phụ thuộc vào lực pháp tuyến Fn, Fn tăng Hmòn tăng Sự phụ thuộc Hmòn vào vận tốc nhỏ thể Hình 0.5 0.45 Chiều sâu mòn Hmòn (mm) cách sử dụng công cụ đường cong xấp xỉ (curve fitting) phần mềm Matlab theo thuật tốn bình phương tối thiểu nhỏ (weighted leastsquares) WI phụ thuộc WD vẽ thành điểm rời rạc Từ tập liệu điểm rời rạc hai chiều, hàm xấp xỉ xác định mô tả đường cong xấp xỉ tất kết thí nghiệm Kết phụ thuộc cường độ mòn với quãng đường mài mòn với độ nhám bề mặt ban đầu thể Hình Fn = 200 N 0.4 Xanh - v = 100 mm/s Đen - v = 300 mm/s Đỏ - v = 400 mm/s 0.35 0.3 0.25 0.2 Fn = 100 N 0.15 0.1 Fn = 50 N 0.05 Cường độ mòn WI [-] 2.4 2.2 Xanh - v = 100 mm/s Đen - v = 300 mm/s Đỏ - v = 400 mm/s 1.8 1.6 v = 100 mm/s 1.4 1.2 v = 400 mm/s Fn = 50 N 0.6 0.4 0.2 500 750 1000 1250 1500 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Quãng đường mài mòn (m) Fn = 100 N 0.8 250 1750 2000 Quãng đường mài mòn (m) Hình Sự phụ thuộc cường độ mòn vào quãng đường mài mòn với v Fn khác Kết Hình cường độ mài mòn phụ thuộc vào lực pháp tuyến Fn tăng lực pháp tuyến cường độ mài mòn tăng Trong phụ thuộc cường độ mài mòn vào vận tốc nhỏ tăng vận tốc đĩa quay cường độ mài mòn gần khơng thay đổi Vì thí nghiệm mài mòn đối tượng giai đoạn mòn ổn định lực pháp tuyến hay áp suất bề mặt tiếp xúc thông số định đến tốc độ mài mòn hay tỉ lệ mài mòn cặp bề mặt ma sát 3.3 Sự phụ thuộc chiều sâu mòn Hmòn vào Fn v Chiều sâu mòn xác định theo cơng thức (2) Tương tự cách xác định WI, kết tính tốn Hmòn mẫu thép với với lực pháp tuyến Fn v khác tương ứng với quãng đường mài mòn 500, 1000, 1500, 2000 m thể Hình Kết chiều sâu mòn phụ thuộc quãng đường mài mòn WD Khi WD tăng Hình Sự phụ thuộc chiều sâu mòn Hmòn vào quãng đường mài mòn với v Fn khác Từ kết cho thấy, chiều sâu mòn chủ yếu phụ thuộc vào quãng đường mài mòn lực pháp tuyến 3.4 So sánh phụ thuộc cường độ mài mòn WI vào Fn quãng đường mài mòn mẫu thép C45 mẫu nhơm AlMg3 Để nghiên cứu ảnh hưởng tính chất vật liệu đến cường độ mòn WI phụ thuộc vào qng đường mài mòn WD Fn, thí nghiệm thực mẫu thép C45 nhơm AlMg3 Các kết thí nghiệm vẽ đồ thị ba chiều biểu diễn phụ thuộc WI - WD - Fn Trên sở liệu rời rạc WI = f(WD, Fn) vẽ đồ thị ba chiều biểu thị Hình Căn vào đồ thị biểu diễn mối quan hệ WI WD - Fn, kết cho thấy mẫu thép mẫu nhơm phụ thuộc cường độ mài mòn rõ: tăng lực pháp tuyến Fn cường độ mài mòn WI tăng Trong đó, ảnh hưởng vận tốc cường độ mòn nhỏ cường độ mòn WI gần khơng đổi tăng vận tốc Kết cho thấy phụ thuộc WI vào tính chất vật liệu rõ ràng Cụ thể WI mẫu nhôm lớn WI mẫu thép WD Fn Như vậy, loại vật liệu có Trang 57 HỘI NGHỊ KH&CN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Chiều sâu mòn Hmòn (mm) tính mềm tốc độ mài mòn nhanh -7 Cường độ mòn WI [-] x 10 10 9.5 8.5 7.5 6.5 5.5 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5 200 N Mẫu nhôm 100 N 50 N 200 Steel 175 Mẫu thép 50 25 2000 1750 1500 1250 ) 1000 (m n ài m ò ờng m đ g Quãn 250 500 750 Hình Sự phụ thuộc chiều sâu mòn Hmòn vào quãng 25 50 75 100 125 150 Lực pháp tuyến 175 200 (N) Hình Sự phụ thuộc cường độ mài mòn WI vào quãng đường mài mòn WD lực pháp tuyến Fn 3.5 So sánh phụ thuộc chiều sâu mòn Hmòn vào Fn quãng đường mài mòn mẫu thép C45 mẫu nhôm AlMg3 Tương tự, để xác định phụ thuộc chiều sâu mòn Hmòn vào thơng số WD, Fn cho hai loại vật liệu khác mẫu thép mẫu nhơm, kết thí nghiệm tính tốn thể đồ thị ba chiều biểu diễn phụ thuộc Hmòn - Fn - WD Hình Kết cho thấy phụ thuộc Hmòn vào WD rõ ràng thời gian mài mòn (quãng đường mài mòn) tăng Hmòn tăng Hơn nữa, kết đồ thị Hmòn tăng Fn tăng Khi so sánh Hmòn mẫu nhơm mẫu thép với điều kiện thí nghiệm Fn WD cho thấy Hmòn mẫu nhơm lớn Hmòn mẫu thép Kết quan trọng cho việc dự báo mòn cho bề mặt ma sát giai đoạn mòn ổn định Trang 58 Đỏ - Mẫu nhơm Xanh - Mẫu thép Lực 150 125 pháp 100 75 tu y ến ( N) 50 N Qu 500 750 ãng đư 10001250 ờn g m 1500 ài m 1750 òn 2000 (m ) 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 đường mài mòn WD lực pháp tuyến Fn KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, cường độ mài mòn chiều sâu mòn mẫu thép C45 mẫu nhơm AlMg3 mơ hình mài mòn ba đối tượng nghiên cứu thực nghiệm với tải trọng danh nghĩa Fn = 50 - 200 N vận tốc đĩa v = 100 - 300 mm/s, quãng đường mài mòn đến 2000 m Từ kết thực nghiệm phân tích, đưa số nhận xét sau: Sự phụ thuộc cường độ mài mòn chiều sâu mòn vào lực pháp tuyến Fn rõ ràng tăng Fn WI H mòn tăng Trong giai đoạn mòn ổn định, cường độ mài mòn ổn định không phụ thuộc vào quãng đường mài mòn vận tốc đĩa quay Quan hệ phụ thuộc chiều sâu mòn Hmòn với quãng đường mài mòn WD phụ thuộc tuyến tính Cường độ mài mòn chiều sâu mòn nhôm AlMg3 lớn thép C45 Kết nghiên cứu có ý nghĩa để hiểu rõ tính chất mài mòn vật liệu mơ hình mài mòn ba đối tượng Hơn nữa, quan hệ chiều sâu mòn quãng đường mài mòn xác định để dự báo tốc độ mài mòn mơ hình mài mòn tương tự HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chowdhury, M A., & Nuruzzaman , D M., Experimental Investigation on Friction and Wear Properties of Different Steel Materials Tribology in Industry, 35(1), 42-50 (2013) [2] Doan, Y T., de Payrebrune, K M., & Kröger, M., Experimental investigation of friction characteristics on three-body abrasion with low applied loads, Paper presented at the Tribologie-Fachtagung, Gưttingen, Germany (2012) [3] Fleischer, G Verschleiß und Zuverlässigkeit, Berlin: Verlag Technik (1980) [5] Suresha, B., Jayaraju, T., Sadananda Rao, P R., Ismail, M., & Shivakumar, K N., Three-Body Abrasive Wear Behaviour of Fiber Reinforced Vinyl Ester Composites, Solid State Phenomena, 136, 99-108 (2008) [6] Wesley, S B., Goyal, H S., & Harsha, A P., Investigation on three-body abrasive wear of ferritic steels, austenitic steel, and lowcarbon steel, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 226 (2), 163-173 (2012) [4] Nguyễn Doãn Ý, Giáo trình ma sát mòn bơi trơn Tribology, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Nhà xuất Xây dựng (2005) EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF PARAMETERS AFFECTING THE WEAR INTENSITY IN THREE-BODY ABRASION ABSTRACT In abrasion experiments, the determination of wear intensity is very important to predict wear of the friction surfaces There are many parameters affecting the wear intensity, important parameters In this paper, the results of experimental investigation on these parameters for two different materials,C45 and AlMg 3, are reported however the normal force, velocity, and material property of contacting bodies are the most Trang 59 ... C45 mẫu nhôm AlMg3 Để nghiên cứu ảnh hưởng tính chất vật liệu đến cường độ mòn WI phụ thuộc vào quãng đường mài mòn WD Fn, thí nghiệm thực mẫu thép C45 nhơm AlMg3 Các kết thí nghiệm vẽ đồ thị ba... C45 mẫu nhôm AlMg3 với thơng số thí nghiệm mơ tả Bảng Bảng Các thơng số thí nghiệm xác định cường độ mài mòn, chiều sâu mòn 2.1 Máy thí nghiệm ma sát mài mòn Để nghiên cứu đặc tính mòn mơ hình ma... định cách tính tốn gián tiếp qua thơng số độ bền mòn, tỷ lệ mòn, hệ số mòn, tốc độ mòn cường độ mòn [1, 3, 4, 5] Trong nghiên cứu này, q trình mòn mơ hình mài mòn ba đối tượng nghiên cứu cách