I Lịch sử phát triển trước thế kỷ 20 Hiện tượng ma sát đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu đời. Sáng chế đầu tiên vào khoảng năm 4000 trước công nguyên là các thanh lăn và xe đẩy dùng chuyên chở các vật nặng. Trải qua nhiều thiên niên kỷ, người ta đã cải tiến và bổ sung để các công cụ đó, tuy thô sơ nhưng tiện dụng và giảm nhẹ sức lao động của con người. Về mặt lý thuyết, phát minh đầu tiên thuộc về Leonard de Vinci (14521519) trên các hiệu ứng ma sát và khái niệm về hệ số ma sát. Những sơ đồ về nguyên lý nhằm giảm hệ số ma sát của ông vẫn mang tính thực tiễn cho đến ngày nay. Cuộc cách mạng khoa học lần thứ nhất (15001750) ghi nhận sự phát triển quan trọng của ngành ma sát học trong cơ khí, đáp ứng yêu cầu chế tạo trang thiết bị ngày càng phức tạp. Tiêu biểu trong thời kỳ này là các công trình của Bernard de Berlidor (16971761) về kỹ thuật hướng dẫn và nâng của Euler (17071783) về tính toán hệ số góc ma sát, về hiệu ứng độ nhấp nhô bề mặt. Công nghiệp phát triển với tốc độ ngày càng cao đã đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu và ứng dụng về ma sát và bôi trơn. Vấn đề được đặt ra đầy đủ hơn trong công trình của Charles Augustin Coulomb (17361806). Ma sát học đã kể đến tính chất vật liệu và hiệu ứng bôi trơn, mối quan hệ tải trọng và đặc tính tĩnh và động các cặp ma sát. Từ đó ma sát học ngày càng được nghiên cứu rộng và sâu hơn; có thể kể đến các công trình của G.A Hirn (18151890), N.P Petrov (18261920), B.Tower (18451904) … Trong lĩnh vực bôi trơn và cơ học ở giai đoạn này, nổi bật là các công trình về việc mô hình hoá các dòng chảy chất lỏng đơn giản của Stokes, hình thành phương trình tổng quát chuyển động của chất lỏng của L.H Navier (17851836), luật chảy của J.M Poiseulle (17991869). Và đặc biệt là phương trình tổng quát nổi tiếng trong bôi trơn thuỷ động được công bố năm 1886 bởi Osborne Reynolds (18421912).
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN I- Lịch sử phát triển trước kỷ 20 Hiện tượng ma sát người biết đến sử dụng từ lâu đời Sáng chế vào khoảng năm 4000 trước công nguyên lăn xe đẩy dùng chuyên chở vật nặng Trải qua nhiều thiên niên kỷ, người ta cải tiến bổ sung để cơng cụ đó, thơ sơ tiện dụng giảm nhẹ sức lao động người Về mặt lý thuyết, phát minh thuộc Leonard de Vinci (1452-1519) hiệu ứng ma sát khái niệm hệ số ma sát Những sơ đồ nguyên lý nhằm giảm hệ số ma sát ông mang tính thực tiễn ngày Cuộc cách mạng khoa học lần thứ (1500-1750) ghi nhận phát triển quan trọng ngành ma sát học khí, đáp ứng yêu cầu chế tạo trang thiết bị ngày phức tạp Tiêu biểu thời kỳ cơng trình Bernard de Berlidor (1697-1761) kỹ thuật hướng dẫn nâng Euler (1707-1783) tính tốn hệ số góc ma sát, hiệu ứng độ nhấp nhô bề mặt Công nghiệp phát triển với tốc độ ngày cao đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu ứng dụng ma sát bôi trơn Vấn đề đặt đầy đủ cơng trình Charles Augustin Coulomb (1736-1806) Ma sát học kể đến tính chất vật liệu hiệu ứng bôi trơn, mối quan hệ tải trọng đặc tính tĩnh động cặp ma sát Từ ma sát học ngày nghiên cứu rộng sâu hơn; kể đến cơng trình G.A Hirn (18151890), N.P Petrov (1826-1920), B.Tower (1845-1904) … Trong lĩnh vực bôi trơn học giai đoạn này, bật cơng trình việc mơ hình hố dòng chảy chất lỏng đơn giản Stokes, hình thành phương trình tổng quát chuyển động chất lỏng L.H Navier (1785-1836), luật chảy J.M Poiseulle (1799-1869) Và đặc biệt phương trình tổng qt tiếng bơi trơn thuỷ động công bố năm 1886 Osborne Reynolds (1842-1912) Phương trình Reynolds đánh dấu bước phát triển nhảy vọt móng nghiên cứu bơi trơn Xuất phát từ phương trình Navier-Stokes với giả thiết dòng chảy màng dầu bơi trơn, dạng quen biết là: g d h Lý thuyết Reynolds sử dụng rộng rãi kỷ 20 việc nghiên cứu hệ bôi trơn: Các hệ thống ổ thuỷ động, bôi trơn thuỷ động đàn hồi, bơi trơn với chế độ dòng chảy vật liệu khác Hơn thúc đẩy lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật bôi trơn hố học, gia cơng khí, phương pháp tính tốn, … Q trình nghiên cứu từ kỷ 20 Nghiên cứu ma sát học (Tribology) khoa học nhóm lại đồng thời yếu tố ba lĩnh vực khoa học: Bôi trơn, ma sát mài mòn Thực chat nội dung nghiên cứu thành phần “sống”, tức phận tiếp xúc có chuyển động máy móc thiết bị công nghiệp Kỹ thuật bôi trơn ngành nghiên cứu mạnh khoa học ma sát học Trước hết cơng trình phương pháp giải phương trình Reynolds Năm 1905, A.G Michell (1870-1959) giảm áp suất phần biên màng dầu bôi trơn hai phẳng kích thước hữu hạn Vào năm 1904, J W Sommerfield (1868-1951) đưa phương pháp giải giải tích cho ổ dài vơ hạn với điều kiện biên mang tên ơng Tuy nhiên chưa tính đến gián đoạn màng dầu nên áp suất vùng màng dầu không thực tế (áp suất âm) Năm 1914, L.F Gumbel (1874-1923) đề nghị bỏ qua miền áp suất âm tính ổ Sau đó, năm 1923 H.B Swift (1894-1960) xác định có vùng áp suất bão hồ màng dầu định điều kiện biên Reynolds Đó sở cho thuật toán giải số Christopherson có từ năm 1941 Bằng phương pháp tương tự điện, năm 1931, A Kingsbury (18631943) trình bày phương pháp giải gần phương trình Reynolds Đối với ổ có chiều dài nhỏ so với đường kính, giải pháp bỏ qua gradient áp suất theo chu vi F W Ocvirk (1913-1967) đề năm 1953 Cuối cùng, giải tổng quát trọn vẹn phương trình Reynolds dạng vi phân đạo hàm riêng người ta sử dụng phương pháp số; phương pháp trình bày Cameron Wood năm 1949 đến Pincus, Raimondi Boyd năm 1958 Đến nhờ phát triển phi thường cơng cụ tính tốn nên lời giải cho kết cấu bôi trơn giải nhanh chóng Các hiệu ứng khác bơi trơn nghiên cứu cụ thể Mặc dù hiệu ứng nhiệt Kingsbury đề cập từ năm 1933 phải đến năm 1962 phương trình tổng quát nhiệt thuỷ động viết lần đầu D.Dowson Tuy nhiên để tính nhiệt cho tất trường hợp nội dung cần giải Việc sử dụng chất bơi trơn có độ nhớt thấp hay tăng tốc độ trượt bôi trơn thuỷ động sinh hiệu ứng làm thay đổi chế độ chảy màng dầu Các phân tích bơi trơn với dòng chảy xoắn rối thuộc nghiên cứu G.I Taylor năm 1923 Cơng thức tính đến lực quán tính màng dầu trình bày Slezkin Targ năm 1946 D Wilcock năm 1950 Trong bôi trơn lưu biến động, tính chất chảy loại vật liệu đặc trưng luật Bingham từ đầu kỷ, ứng dụng bôi trơn ghi nhận cơng trình R.Powell H.Eyring năm 1944 A Sisko năm 1958 Có nhiều cơng trình nghiên cứu hiệu ứng chế độ chảy màng dầu bơi trơn; phương trình mơ tả dạng phi tuyến nên việc xem xét hệ bôi trơn vấn đề thời Một dạng bơi trơn với tính đặc biệt bơi trơn thuỷ tĩnh khí tĩnh, bề mặt ma sát hoàn toàn bị tách rời, trạng thái tĩnh màng chất lỏng có áp suất cao Nó cho phép tăng độ xác tin cậy thiết bị Năm 1917, L Rayleigh giới thiệu tính tốn khả tải mômen ma sát ổ trục bôi trơn thuỷ tĩnh Tuy dạng bôi trơn yêu cầu cần phức hợp thiết bị thuỷ lực kèm theo, ngày ứng dụng phổ biến, đặc biệt với ổ trục chịu tải lớn đòi hỏi độ xác cao Trong trường hợp màng dầu bơi trơn có áp suất đủ lớn gây biến dạng bề mặt ma sát, người ta có dạng bơit trơn thuỷ động đàn hồi Ví dụ bôi trơn ổ lăn, ổ chịu tải lớn hay cặp bánh Các sở nghiên cứu trường hợp lý thuyết H.R Hertz (1857-1894) với tiếp xúc chưa có chất bơi trơn mơ hình hố dòng chảy tiếp xúc hẹp Martin năm 1916 Nó bổ sung tính tốn số, song dạng bơi trơn phức tạp nên tồn sai khác lý thuyết thực tế sở dạng bôi trơn mục đích hang loạt nghiên cứu Nhằm tổng qt hố nội dung nghiên cứu bơi trơn, năm 19701, kết nghiên cứu M Godet cộng INSA Lyon (Pháp) với mơ hình ba vật thể (trios corps) đặc trưng cho hai bề mặt ma sát, việc xác định đặc tĩnh lớp vật liệu cho phép xác định đầy đủ thơng số tồn vùng tiếp xúc II- Phân loại dạng bôi trơn Nghiên cứu kỹ thuật bôi trơn thực lĩnh vực rộng Trước trình bày nội dung nghiên cứu đưa phân loại bôi trơn Theo dạng ma sát, ngồi ma sát khơ đề cập phần mòn – ma sát có bơi trơn nửa ướt (thường gắn với việc cung cấp dầu mỡ định kỳ) bôi trơn ướt Theo vật liệu bôi trơn có chất bơi trơn rắn (graphit hay bisunfure molybdenfe), chất bôi trơn lỏng (nước, dầu, mỡ) chất bôi trơn Với bôi trơn ma sát nghiên cứu nhiều có hai dạng chủ yếu bơi trơn thuỷ động bôi trơn thuỷ động tĩnh Trong bôi trơn thuỷ động tuỳ theo số Reynolds R = ρVh/µ có bơi trơn tuyến tính, bơi trơn lưu biến động phi tuyến (thường chất bơi trơn mỡ có R nhỏ hay độ nhớt cao) bôi trơn rối (đối với chất bơi trơn nước hay khí) Bơi trơn áp lực cao sinh biến dạng bề mặt ma sát có bơi trơn thuỷ động đàn hồi (bôi trơn ổ lăn, ổ chịu tải lớn hay cặp bánh răng) Ngoài để nâng cao số đặc tính kết cấu bơi trơn, kể hướng nghiên cứu quan trọng bôi trơn dùng bạc tự lựa, bôi trơn với bề mặt bôi trơn không cứng tuyệt đối, trường hợp tải trọng thay đổi, ảnh hưởng nhiệt độ, … Qua cách phân loại tương đối thấy rằng: Nói chung kết cấu bôi trơn thường tổng hợp kiểu phân loại Do vậy, để tính tốn kết cấu bơi trơn cần phải giải đồng thời nhiều toán liên quan CHƯƠNG I VẬT LIỆU BÔI TRƠN I- Dầu gốc từ dầu gốc khoáng 1- Giới thiệu Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất dầu bôi trơn hydrocacbon tự nhiên tổng hợp khác Dầu gốc từ dầu khoáng sản xuất từ dầu mỏ trình tinh chế chọn lọc Bản chất dầu thô trình lọc dầu định tính vật lý hố học dầu gốc tạo thành Tính chất vật lý hoá học dầu gốc Các phân đoạn dầu thơ thích hợp cho sản xuất dầu gốc cho sản phẩm có khoảng nhiệt độ sơi khác nhờ q trình chưng cất chân không Chúng chứa hidrocacbon sau: - Prafin mạch thẳng mạch nhánh - Hydrocacbon no đơn đa vòng (napten) có cấu trúc vòng xyclohexan gắn với mạch nhánh paraffin - Các hydrocacbon thơm đơn vòng đa vòng chủ yếu chứa mạch nhánh ankyl - Các hợp chất chứa vòng napten, vòng thơm mạch nhánh phân tử - Các hợp chất hữu có chứa di nguyên tử, chủ yếu hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ nhôm Các parafin mạch thẳng dài loại sáp rắn nên hàm lượng chúng dầu bôi trơn phải giảm tới mức nhỏ Mặt khác izoparafin (paraffin mạch nhánh) lại thành phần tốt dầu bơi trơn chúng có độ ổn định nhiệt tính nhiệt tốt Trong thực tế dầu gốc khoáng hỗn hợp phân tử đa vòng có đính mạch nhánh paraffin Việc phân loại dầu gốc khoáng thành dầu gốc parafin, neptan aromat tuỳ thuộc vào loại dầu hydrocacbon chiếm ưu Cách gọi tên phân loại dầu gốc Về mặt lịch sử, cách gọi tên tạo riêng biệt phân đoạn dầu chưng cất dầu cặn theo độ nhớt Do phân đoạn dầu cất trung tính (N) phân theo độ nhớt tiêu chuẩn chúng 100 oF theo độ Saybolt (SVS) Tương tự vậy, phân đoạn dầu cặn (BS) phân loại theo độ nhớt Saybolt 210oF Nói chung dầu gốc phân loại thành: - Dầu có số độ nhớt cao (HVI) - Dầu có số độ nhớt trung bình (MVI) - Dầu có số độ nhớt thấp (LVI) Hiện khơng có quy định ranh giới xác để quy định dầu loại Tuy nhiên, dầu có số độ nhớt (VI) > 85 thường coi dầu HVI, (VI) < 30 coi dầu LVI Dầu MVI nằm hai khoảng Tuy vậy, kỹ nghệ hydrocracking tạo dầu gốc có số độ nhớt cao (VHVI) siêu cao (VHVI) Dầu LVI sản xuất từ phân đoạn dầu nhờn neptan Nó dung mà số độ nhớt độ ổn định oxy hố khơng trọng II- Phụ gia Đặc tính chung phụ gia Phụ gia hợp chất hữu cơ, kim vơ cơ, chí nguyên tố, thêm vào chất bôi trơn Thường loại phụ gia dùng nồng độ từ 0,01÷ 5% Tuy nhiên, nhiều trường hợp phụ gia đưa vào khoảng nồng độ dao động từ vài phần triệu (ppm) đến 10% Phần lớn loại dầu nhờn cần nhiều loại phụ gia để thoả mãn tất yêu cầu tính Một số phụ gia nâng cao phẩm chất có sẵn dầu, số khác tạo cho dầu tính chất cần thiết Các loại phụ gia khác hỗ trợ lẫn nhau, gây hiệu ứng tương hỗ, chúng dẫn đến phản ứng đối kháng Vì có khả cải thiện tính dầu bơi trơn chất lỏng bôi trơn nên phụ gia tạo điều kiện tốt cho việc cải tiến loại xe máy móc cơng nghiệp 2- Một số phụ gia đặc trưng 2.1- Phụ gia cải thiện số độ nhớt Thường sử dụng polymer không tập trung Nó cho phép tăng độ nhớt, nhiệt độ thấp làm tăng số độ nhớt dầu Các sản phẩm sử dụng polymethacrylatess polymer gốc olefin Tuy nhiên hợp chất có liên kết phân tử yếu, tác động lớn học hay nhiệt độ cao bị gãy mạch gây hiệu ứng phi Newton dầu 2.2- Phụ gia giảm nhiệt độ đơng đặc Nhiều loại dầu có nhiệt độ đơng đặc từ -25oC đến 3oC, khả bơi trơn Vì mơi trường nhiệt độ thấp cần giảm nhiệt độ Các phụ gia sử dụng đầy nhằm mục đích giảm kích thước tinh thể paraffin hay biến đổi hình dạng Các sản phẩm sử dụng ankin thơm, polyester, polyamine polyolefin 2.3- Phụ gia tăng độ linh động Phụ gia thuộc loại nhằm tăng khả linh động thẩm thấu dầu bề mặt ma sát Các sản phẩm thường dùng muối sulfonates, thiosphotphates phenates 2.4- Phụ gia chống mòn chịu áp Phụ gia thuộc loại nhằm bảo vệ màng dầu ngăn cách bề mặt tiếp xúc từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ trung bình làm việc Người ta thường dùng este photphoric, dithiophotphat kim loại (ví dụ ZnDDP), dẫn xuất este béo axit béo 2.5- Phụ gia chống oxy hố dầu bơi trơn Phụ gia chống oxy hoá hoạt động theo chế sau: - Tạo huyền phù cho chuỗi phân tử tự do, thường sử dụng hợp chất phenol amin - Phá huỷ cấu trúc peroxit sinh từ tượng gỉ, thường sử dụng dithiôphtphat dithiocarbamat Ức chế hoạt động hạn chế xúc tác ion kim loại, thường sử dụng phenol phenat Trên sở dầu gốc phụ gia nói trên, người ta đưa tỷ lệ tương đối pha chế dầu bôi trơn Đối với hai loại dầu SAE 30 SAE 40, thấy tỷ lệ bảng đây: Chất cấu thành % Trọng lượng Dầu gốc 71,5-96,5 Chất tẩy rửa 2-10 Chất phân tán không tro 1-9 Kẽm điankylđithiophotphat 0,5-3,0 Phụ gia chống mài mòn oxy hố 0,1-2,0 Chất biến tính ma sát 0,1-3,0 Chất hạ điểm đông 0,1-1,5 Chất ức chế tạo bọt 2-15ppm III- Đánh giá thông số chất bôi trơn 1- Đánh giá thông số bôi trơn 1.1- Định nghĩa độ nhớt Độ nhớt dầu tiêu quan trọng đánh giá tính dầu bôi trơn Độ nhớt chất lỏng lực tiếp tuyến đơn vị diện tích cần dùng trình chuyển động tương vận tốc đơn vị hai mặt phẳng nằm ngang ngăn cách lớp dầu dầy đơn vị 1.2- Đơn vị độ nhớt Từ quan hệ: Chúng ta rút phương trình thứ nguyên độ nhớt động lực học là: µ = ML-1T-1 Trong học chất lỏng, người ta đưa vào tính tốn tỷ sổ v = µ/ρ Tỷ số độ nhớt động học khối lượng riêng chất lỏng; v gọi độ nhớt động học, thứ nguyên v = L2T-1 Đơn vị độ nhớt động lực học hệ tiêu chuẩn SI Pa.s (Pascal.giây) tương ứng Poiseuille (PI) Đó hệ số tỷ lệ chất lỏng mà có ứng suất trượt 1N/m2 ứng với gradient vận tốc 1m/s Trong hệ C.G.S đơn vị độ nhớt động lực học Poise (Po), thực tế người ta thường dùng (cPo – centipoise) (m.Pa – milipascal.giây) tương ứng với độ nhớt đơn vị nước ta 20oC Trong hệ C.G.S đơn vị độ nhớt động học Stockes (St) thực tế thường dùng centistockes (cSt) Không tồn đơn vị độ nhớt động học tiêu chuẩn SI, đưa đơn vị độ nhớt: Độ nhớt Đơn vị thứ nguyên µ (Độ nhớt động ML-1T-1 lực học) ν (Độ nhớt động L T học) -1 C.G.S SI Poise (Po) Pascal.seconde Chuyển đổi tương đương cPo = g/cm.s Stockes (St) (Pa.s) = kg/m.s m2/s = 1mPa.s cSt = cm2/s = mm2/s 1.3- Đo độ nhớt Để đo độ nhớt chất lỏng người ta sử dụng nhớt kế, chúng chia làm hai loại: nhớt kế tuyệt đối nhớt kế kinh nghiệm 1.3.1- Nhớt kế tuyệt đối a- Nhớt kế mao dẫn Người ta cho lượng chất bôi trơn định chảy qua ống mao dẫn chuẩn đặt đứng 10 Lưu lượng chất lỏng xác định theo luật chảy đưa Hagen (1939) Poiseuille (1840) sau: Trong đó: Q- Lưu lượng; R- bán kính; ℓ- chiều dài ống; µ- độ nhớt động lực học; Δp- độ chênh áp hai đầu ống Quan hệ với chất lỏng không nén chế độ chảy tầng chảy liên tục Đối với ống mao dẫn mà tỷ số l/d > 100 (d- đường kính) Quan hệ khơng tính đến hiệu ứng qn tính Trong số nhớt kế kiểu mao dẫn, dòng chảy thiết lập áp suất không đổi tác động trọng lượng chất lỏng (ống để đứng): Δp = ρgh Trong đó: ρ- khối lượng riêng; g-gia tốc trọng trường; h- chiều cao ống Trong trường hợp này: ν suy từ thời gian chảy t thể tích chất lỏng V theo quan hệ; Nhớt kế có tên nhớt kế Ubbelohde, cho độ xác cao, xấp xỉ 0,3% b- Nhớt kế Couette Trong loại nhớt kế này, người ta đo mômen cản chất lỏng trượt xy lanh đồng trục quay tương đối Couette (1890) trình bày nghiên cứu hồn chỉnh kiểu dòng chảy mômen cản ma sát Ca, liên quan tới µ qua quan hệ: μ = K Ca Như đo mômen cản Ca người ta hồn tồn xác định nhớt động lực học μ từ quan hệ Trong công thức này, ω1, R1, ω2, R2 vận tốc góc bán kính xy lanh xy lanh L- chiều dài xy lanh Trong trường hợp độ chênh bán kính nhỏ Ta coi: 11 R1 ≈ R2 ≈ R C = R2 – R1 Từ đó: Nhớt kế cho kết xác, với khe hở tương đối C/R nhỏ, cho phép đo độ nhớt độ biến dạng trượt cao Thực vậy, trường hợp độ biến dạng: c- Nhớt kế đĩa phẳng – côn Sơ đồ máy đo độ nhớt đĩa phẳng- mặt phẳng Sơ đồ máy đo độ nhớt đĩa côn - mặt phẳng Trong nhớt kế người ta đo (tương tự trên) mômen cản ma sát chất lỏng chảy đĩa mặt côn với mặt phẳng Trong trường hợp đĩa phẳng quay mặt phẳng, mômen ma sát có quan hệ sau: Trong đó: ω - vận tốc góc; R- bán kính đĩa; h- khoảng cách đĩa phẳng mặt phẳng Trong trường hợp quay mặt phẳng có quan hệ sau: Trong trường hợp h0- chiều cao đỉnh côn với mặt phẳng; αnửa góc Chú ý với kiểu nhớt kế này: h, h bị thay đổi dẫn đến độ xác đo bị thay đổi Nhớt kế loại thường dùng đo chất lỏng có độ nhớt cao d- Nhớt kê bi rơi Khi viên bi rơi chất lỏng, đạt tới vận tốc tới hạn V mà giá trị phụ thuộc độ nhớt μ chất lỏng Vận tốc đưa quan hệ: Trong đó: r- bánh kính bi; g- gia tốc trọng trường; ρ b ρℓ- khối lượng riêng bi chất lỏng Vận tốc đo từ thời gian rơi chất lỏng viên bi quãng đường xác định Kiểu nhớt kế thường dùng để đo chất lỏng có độ nhớt lớn chất lỏng chịu áp lực cao 12 1.3.2- Đo độ nhớt kinh nghiệm Trong thực tế sử dụng dầu nay, người ta sử dụng độ nhớt Saybolt (ở Mỹ), Redwood (ở Anh) Engler (ở châu Âu) Các loại độ nhớt đo biểu diễn thời gian chảy thể tích chất lỏng xác định qua ống chuẩbn Các loại độ nhớt gọi độ nhớt kinh nghiệm Tên độ nhớt ENGLER SAYBOLT Thể tích Biểu diễn Nhiệt độ Đơn vị dầu (cm3) độ nhớt Tỷ số thời gian chảy 200cm3 đo 200C độ nhớt 200 dầu với thời gian chảy 200cm3 500C Engler nước qua ống chuẩn 1000C Thời gian chảy giây 1500C 700F 60cm3 dầu qua ống chuẩn 1000F Saybolt 1300F S.U.S 60 REDWOOD 50 Thời gian chảy 50cm dầu qua 270 F 700F ống chuẩn 1000F Redwood 1400F 2000F 1.4- Sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy độ nhớt nói chung phụ thuộc vào nhiệt độ biểu diễn cơng thức: Trong E = a + bT + cT μ0 độ nhớt động lực học nhiệt độ cho trước, T nhiệt độ tuyệt đối, hệ số a-b-c phụ thuộc vào chất bôi trơn Sự thay đổi độ nhớt theo áp suất Độ nhớt dầu phục thuộc vào áp suất biểu diễn qua công thức: μ = μ0eap Trong μ0 độ nhớt động lực học áp suất cụ thể, α hệ số áp Biến thiên độ nhớt nhớt áp phụ thuộc vào chất theo nhiệt độ (ISO VG 32) 13 chất bôi trơn, trường hợp chung nằm khoảng: 5.10-9 Pa-1 < α < 40.10-9 Pa-1 ρ áp suất Chỉ số độ nhớt Định nghĩa số độ nhớt Cho đến có vài số độ nhớt nêu ra, có số Dean Davis đưa sử dụng phôt biến Năm 1929, tác giả xếp (phân loại) dầu theo giá trị độ nhớt động học (SSU) 2100F (980C) Trong tất loại dầu có độ nhớt 210 0F, lấy dầu có độ nhớt nhỏ lớn 100 0F (37,80C) Dầu thứ tương ứng với dầu paraffin có độ nhớt thay đổi so với nhiệt độ Thứ loại dầu nepten có độ nhớt thay đổi nhiều nhiệt độ Dầu thứ có số 100, dầu thứ có số Tại châu Âu Mỹ từ năm 1975, nhiệt độ ban đầu 40 0C 100 0C Để xác định số độ nhớt dầu có độ nhớt U 40 0C P 100 0C, ta tìm độ nhớt L H 40 0C dầu parafin nepten có độ nhớt P 100 0C Chỉ số độ nhớt VI (Viscosite Index) tính; Theo định nghĩa này, có nhiều loại dầu có số độ nhớt lớn 100, tương ứng với loại dầu thay đổi theo nhiệt độ Với loại dầu cách tính khác đưa A.S.T.M có dạng: Cơng thức dùng xác dầu có số độ nhớt cao, thường 100 2- Tiêu chuẩn dầu mỡ bơi trơn Ngồi bảng tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng dầu mỡ bôi trơn, Viện dầu khí Hoa Kỳ (API) phân loại mơ tả dầu động dầu công nghiệp ký hiệư tương ứng với phạm vi sử dụng chúng Hệ thống phân loại dầu động hai loại lớn “S” “C” với cấp khác cho loại Chúng cho bảng sau: 14 “S” Phân loại cho động xăng Ký hiệu chữ SA SB SC SD SE SF SG SH Chất lượng dầu hướng dẫn bảo dưỡng + Dầu khơng có phụ gia + Sử dụng cho động xăng điêzen điều kiện tải trọng nhẹ + Dầu có khả chống oxy hố bào mòn + Sử dụng cho động xăng với tải trọng tối thiểu + Dầu hạn chế tạo cặn, mài mòn, gỉ ăn mòn + Sử dụng bảo dưỡng bảo hành động xăng giai đoạn 1964-1967 + Dầu bảo vệ động tốt cấp API- SC + Sử dụng bảo dưỡng bảo hành động xăng giai đoạn 1968-1971 + Dầu chống đóng cặn nhiệt độ cao, chống oxy hố, gỉ ân mòn động xăng tốt cấp API-SD + Sử dụng bảo dưỡng bảo hành động xăng giai đoạn 1970-1970 + Dầu chống đóng cặn nhiệt độ cao, chống oxy hố, gỉ ân mòn động xăng tốt cấp API-SD + Sử dụng bảo dưỡng bảo hành động xăng giai đoạn 1980 + Độ ổn định oxy hố, chống tạo cặn chống mài mòn tốt cấp dầu API-SF + Vượt qua tính phẩm cấp API-CC hay CD cho động điêzen + Vượt yêu cầu tối thiểu cấp API-SG + Dùng để thay yêu cầu hạn chế đóng cặn, oxy hố, mài mòn, gỉ ăn mòn “C” Phân loại cho động đốt cháy nhờ nén Ký hiệu chữ CA CB Chất lượng dầu hướng dẫn bảo dưỡng + Sử dụng cho động điêzen tải nhẹ + Dầu bảo vệ chống ăn mòn ổ trục đóng cặn động điêzen, nạp tự nhiên sử dụng loại nhiên liệu có chất lượng đòi hỏi yêu cầu khác thường bảo vệ chống mài mòn đóng cặn + Sử dụng cho động điêzen tải trọng trung bình + Dầu bảo vệ chống ăn mòn ổ trục đóng cặn nhiệt độ cao động điêzen, nạp tự nhiên sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao + Sử dụng cho động điêzen động xăng có tải trọng trung bình đến nặng + Dầu bảo vệ chống đóng cặn nhiệt độ cao ăn mòn ổ trục động điêzen tăng áp nhẹ, đồng thời bảo vệ chống 15 CC CD CD-II CF-4 gỉ, ăn mòn đóng cặn nhiệt độ thấp động xăng + Sử dụng động tải trọng nặng + Khống chế hữu hiệu mài mòn đóng cặn động điêzen tăng áp cao tốc cơng suất sử dụng nhiên liệu có chất lượng đa dạng + Sử dụng động điêzen tải trọng nặng + Yếu tố đ ặc tr ưng cho động đòi hỏi khống chế hữu hiệu mài mòn đóng cặn Dầu pha chế cho trường hợp đáp ứng tất APICD + Sử dụng cho động điêzen hạng nặng tăng áp thường hay tăng áp turbo vận hành điều kiện tốc độ thấp, tải trọng nặng + Sử dụng cho động tính cao + Dầu loại pha chế để sử dụng cho động điêzen cao tốc Nó đặc biệt thích hợp cho xe tải hạng nặng + Vượt yêu cầu dầu loại “CE” pha chế để thay dầu loại “CE” Cấp chất lượng API cho dầu bánh Ký hiệu chữ GL-1 GL-2 GL-3 GL-4 GL-5 Định nghĩa mục định Dầu khống (khơng có phụ gia) Cho số truyền động, truyền trục vít áp lực cao Cho số truyền động bánh nón, thẳng hay xoắn (cầu vào truyền động) có áp lực cao Chịu áp lực tương đối cao, ML-L-2105 Các đời xe cũ Bánh hypoit (hyproid) chịu tải trọng nặng vừa Chịu áp lực cao tại: ML-L-2105 B/C Mọi cầu chủ động bánh hypoit (hyproid) Một số truyền bánh CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN Ổ ĐỠ THUỶ ĐỘNG 16 Ổ đỡ thuỷ động thường dùng phổ biến máy móc thiết bị Đơn giản trục quay bạc đỡ thường đồng, có chất bơi trơn Trong vài cấu, cho giải pháp cơng nghệ tốt Người ta thường dùng mô tơ nhiệt, máy nén, trục có vận tốc quay cao, biến tốc, tàu hoả, tàu thuỷ, … Một ổ đỡ bao gồm hai chi tiết, trục nói chung thép, bán kính Ra bạc đồng bán kính Rc, chiều dài L Vì sơ đồ giới thiệu ổ giản lược hai vòng tròn lân cận đặc trưng ba độ lớn: - Khe hở bán kính C = Rc - Ra - Khe hở tương đối: ε = C/R - Tỷ số L/D (chiều dài đường kính ổ) W tải trọng bên ngồi tác dụng lên trục Ở vị trí dừng trục bạc tiếp xúc với hai chịu tác dụng W, khồng cách OcOa khe hở bán kính, vị trí khởi động trục lăn trượt ổ vào quãng không gian hội tụ tao bề mặt trục bạc Đến lúc tốc độ quay đặt giá trị định ổ hình thành trường áp suất chống lại tải trọng bên Với tốc độ quay ổn định tải trọng khơng đổi tâm trục Oa có ví trí cố định bên bạc Tính ổ phương pháp tra bảng Nhận thấy từ bảng trên, biết kích thước kết cấu thơng số m việc ổ, ta xác định đặc tính có thứ ngun cách tra đặc tính khơng thứ ngun tương ứng sau thực chuyển đổi theo cơng thức xác định phần Cách làm gọi cách tính ổ phương pháp tra bảng Trình tự tính ổ theo phương pháp trình bày sau: 1.1 Trình tự tính ổ Cho ổ có thơng số làm việc sau: 17 Cho dầu có: Kích thước ổ: + Độ nhớt động lực học µ(Pa.s) + Chiều dài ổ L (m) + Khối lượng riêng ρ (kg / m3 ) + Đường kính ổ D (m) + Nhiệt dung riêng Cp (J/kg.oC) + Khe hở bán kính C (m) + Số vòng quay N (vg/s) + Tải trọng lên ổ W (N) Các bước thực hiện: Tính số Sommerfeld: µLDN R S= ÷ W C Căn vào số Sommerfeld ta tra bảng thông số: + Góc chất tải: φ + Hệ số ma sát không thứ nguyên: f a = f a C R + Lưu lượng dọc trục không thứ nguyên: Q + Mô men ma sát không thứ nguyên: Ca = Ca R àLDNR ữ C = 1R fa SC Trên sở thông số không thứ nguyên ta xác định được: + Chiều dày màng dầu nhỏ nhất: h = C(1 − ε) [m] + Lưu lượng dọc trục: Q = Q.LCV [m3/s] + Mô men ma sát: Ca [N.m] + Công suất tổn hao: P = Ca ω [W] + Độ tăng nhiệt độ dầu: ∆T = λP ρCp Q [ độ C] Trong λ hệ số hấp thụ nhiệt dầu (thường lấy λ = 0,85 ÷0,9) * Chú ý: 18 + Đơn vị thông số theo hệ SI, + Tuỳ thuộc khả công nghệ mà chọn thơng số: khe hở bán kính C, hmin, ε cách hợp lý) + Để đảm bảo ổ làm việc tốt, cần tăng tải trọng W lên hệ số an tồn tính số Sommerfeld Tính ổ phương pháp tra bảng Hình 2.25 trình bày ổ có hình dạng hình học cố định, tạo nhiều mưởng Tải trọng mơ men ma sát mưởng nhân với số mưởng để nhận đặc tính kết cấu ổ Lưu lượng có khác cần phải tính đến điều kiện cung cấp dầu ổ chất lỏng, khỏi mưởng cung cấp lại cho mưởng Các đặc tính làm việc ổ biểu diễn dạng khơng thứ nguyên phụ thuộc vào độ nghiêng mưởng thể qua tỷ số δ = (h1 − h ) / h kích thước mưởng; góc tâm β bao mưởng tỷ số độ lớn khác bán kính γ = (R − R1 ) / R Khả tải không thứ nguyên W p : P δh Wp = ữ àN R1 R Mô men ma sát không thứ nguyên Cp Cp = Cp δh µNR 42 Lưu lượng không thứ nguyên phân thành ba thành phần lưu lượng Lưu lượng bán kính lưu lượng hướng kính, Q r1 , lưu lượng hướng kính bán kính ngồi Q r , lưu lượng vào Qe Đối với thành phần biểu diễn công thức sau: 19 Q = QπR N(R − R )δh Các tỷ số vị trí khơng thứ ngun: θ = r − R1 θ r = áp dụng tổng R − R1 β hợp áp suất mưởng (vị trí lực tổng hợp mưởng) Trong đó: N: Tốc độ vòng quay (vòng/giây), µ : độ nhớt động lực học (Pa.s), Ca: Mô men ma sát, P: Là áp suất trung bình Áp trung bình P tính theo cơng thức: P= Wp S = 2Wp (R − R 12 )β 2 Trong đó: S diện tích mưởng, Wp khả tải mưởng Dưới tải trọng chiều dầy màng dầu phụ thuộc vào góc θ cho công thức: θ h = h 1 + δ 1 − ÷÷ B 2.1 Tính ổ chặn thuỷ động phương pháp tra bảng Trên sở giải phương trình Reynold chương trình máy tính người ta lập bảng thơng số khơng thứ ngun, có phương pháp tính ổ cách tra bảng thông số không thứ nguyên Nghĩa từ số thông số ổ, ta tra bảng giá trị không thứ nguyên như: lưu lượng không thứ nguyên, mômen ma sát không thứ nguyên, khả tải khơng thứ ngun,… sau qua cơng thức liên hệ tính trở lại giá trị có thứ ngun Cho ổ có thơng số: + Độ nhớt động lực học µ(Pa.s) + Bán kính R1 [m] 20 + Góc ơm β , [độ] + Bán kính R2 [m] + Chiều dày màng dầu lớn h1 [m] + Số vòng quay N [vg/s] + Chiều dày màng dầu nhỏ h2 [m] + Số mưởng Z 2.1.1 Trình tự tính Bước 1: Tính tỷ số + δ= h1 − h R − R1 γ = h2 R2 Bước 2: Căn vào β, δ, γ tra bảng ta thông số không thứ nguyên + Lực nâng không thứ nguyên W p + Mô men ma sá không thứ nguyên Cp + Lưu lượng dầu: Q r1 : dầu thoát R1 Q r : dầu thoát R2 Qe : dầu thoát theo phương chu vi (chung cho hai thành phần) Bước 3: từ số liệu ta xác định được: R − R1 R 22 − R 12 β + Kh nng ti: W=ZW pàN ữ δh + Mơ men ma sát: µNR 42 C = ZC p δh + Lưu lượng: Q r = 6Q r 2µR N(R − R1 )δh + Công suất tổn hao: P = C ω 21 [N] [Nm] [m3/s] 22 ... cấp dầu mỡ định kỳ) bôi trơn ướt Theo vật liệu bôi trơn có chất bơi trơn rắn (graphit hay bisunfure molybdenfe), chất bôi trơn lỏng (nước, dầu, mỡ) chất bôi trơn Với bôi trơn ma sát nghiên cứu... chủ yếu bơi trơn thuỷ động bôi trơn thuỷ động tĩnh Trong bôi trơn thuỷ động tuỳ theo số Reynolds R = ρVh/µ có bơi trơn tuyến tính, bơi trơn lưu biến động phi tuyến (thường chất bơi trơn mỡ có... dạng bôi trơn Nghiên cứu kỹ thuật bôi trơn thực lĩnh vực rộng Trước trình bày nội dung nghiên cứu đưa phân loại bôi trơn Theo dạng ma sát, ngồi ma sát khơ đề cập phần mòn – ma sát có bơi trơn