Bài tập về công nghệ bôi trơn

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 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 vàgiảm nhẹ sức lao động của con người

Về mặt lý thuyết, phát minh đầu tiên thuộc về Leonard de Vinci(1452-1519) 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 thựctiễn cho đến ngày nay Cuộc cách mạng khoa học lần thứ nhất (1500-1750)ghi nhận sự phát triển quan trọng của ngành ma sát học trong cơ khí, đápứng 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 (1697-1761) về kỹ thuậthướng dẫn và nâng của Euler (1707-1783) về tính toán hệ số góc ma sát, vềhiệu ứng độ nhấp nhô bề mặt

Công nghiệp phát triển với tốc độ ngày càng cao đã đẩy nhanh tốc độnghiên cứu và ứng dụng về ma sát và bôi trơn Vấn đề được đặt ra đầy đủhơn trong công trình của Charles Augustin Coulomb (1736-1806) Ma sát học

đã kể đến tính chất vật liệu và hiệu ứng bôi trơn, mối quan hệ tải trọng và đặctính tĩnh và động các cặp ma sát Từ đó ma sát học ngày càng được nghiêncứu rộng và sâu hơn; có thể kể đến các công trình của G.A Hirn (1815-1890), N.P Petrov (1826-1920), B.Tower (1845-1904) … Trong lĩnh vựcbôi trơn và cơ học ở giai đoạn này, nổi bật là các công trình về việc môhình hoá các dòng chảy chất lỏng đơn giản của Stokes, hình thành phươngtrình tổng quát chuyển động của chất lỏng của L.H Navier (1785-1836),

luật chảy của J.M Poiseulle (1799-1869) Và đặc biệt là phương trình tổngquát nổi tiếng trong bôi trơn thuỷ động được công bố năm 1886 bởiOsborne Reynolds (1842-1912).

Phương trình Reynolds đánh dấu bước phát triển nhảy vọt và nó là nềnmóng trong mọi nghiên cứu về bôi trơn cho đến hiện nay Xuất phát từphương trình Navier-Stokes và với các giả thiết về dòng chảy của màng dầubôi trơn, dạng quen biết của nó là:

Quá trình nghiên cứu từ thế kỷ 20

Nghiên cứu về ma sát học (Tribology) là khoa học nhóm lại đồng thời

các yếu tố của ba lĩnh vực khoa học: Bôi trơn, ma sát và mài mòn Thực chat

nó là nội dung nghiên cứu về các thành phần “sống”, tức là các bộ phận tiếpxúc có chuyển động trong các máy móc và thiết bị công nghiệp

Kỹ thuật bôi trơn như một ngành đầu tiên được nghiên cứu rất mạnhtrong khoa học về ma sát học Trước hết là các công trình về phương phápgiải phương trình Reynolds Năm 1905, A.G Michell (1870-1959) đã chỉ rađược sự giảm áp suất ở phần biên của màng dầu bôi trơn giữa hai tấm phẳngkích thước hữu hạn Vào năm 1904, J W Sommerfield (1868-1951) đưa raphương pháp giải bằng giải tích cho ổ dài vô hạn với điều kiện biên mang têncủa ông Tuy nhiên do chưa tính đến sự gián đoạn của màng dầu nên áp suất

ở vùng ra của màng dầu không thực tế (áp suất âm) Năm 1914, L.F Gumbel

(1874-1923) đã đề nghị bỏ qua miền áp suất âm ở trên khi tính ổ Sau đó, năm

1923 H.B Swift (1894-1960) đã xác định có vùng áp suất bão hoà của màngdầu và định ra điều kiện biên của Reynolds Đó chính là cơ sở cho thuật toángiải số của Christopherson có từ năm 1941

Bằng phương pháp tương tự điện, năm 1931, A Kingsbury 1943) đã trình bày phương pháp giải gần đúng phương trình Reynolds Đốivới ổ có chiều dài nhỏ so với đường kính, giải pháp bỏ qua gradient áp suấttheo chu vi của F W Ocvirk (1913-1967) đã được đề ra năm 1953 Cuối cùng,giải tổng quát và trọn vẹn phương trình Reynolds dạng vi phân đạo hàm riêngngười ta sử dụng phương pháp số; các phương pháp đầu tiên đã được trìnhbày bởi Cameron và Wood năm 1949 rồi đến Pincus, Raimondi và Boyd năm

(1863-1958 Đến nay nhờ sự phát triển phi thường các công cụ tính toán nên các lờigiải cho các kết cấu bôi trơn đã được giải quyết nhanh chóng

Các hiệu ứng khác trong bôi trơn cũng được nghiên cứu cụ thể Mặc dùhiệu ứng nhiệt được Kingsbury đề cập từ năm 1933 nhưng phải đến năm

1962 phương trình tổng quát nhiệt thuỷ động mới được viết ra lần đầu bởiD.Dowson Tuy nhiên để tính nhiệt cho tất cả các trường hợp cho đến nayvẫn còn nội dung cần giải quyết

Việc sử dụng chất bôi trơn có độ nhớt thấp hay tăng tốc độ trượt trongbôi trơn thuỷ động được sinh ra hiệu ứng làm thay đổi chế độ chảy của màngdầu Các phân tích đầu tiên về bôi trơn với dòng chảy xoắn và rối thuộc vềnghiên cứu của G.I Taylor năm 1923 Công thức tính đến lực quán tính củamàng dầu ở đây được trình bày bởi Slezkin và Targ năm 1946 và của D.Wilcock năm 1950 Trong bôi trơn lưu biến động, tính chất chảy của loại vậtliệu này đã được đặc trưng bởi luật của Bingham từ đầu thế kỷ, những ứngdụng trong bôi trơn được ghi nhận trong các công trình của R.Powell vàH.Eyring năm 1944 và A Sisko năm 1958 Có rất nhiều công trình nghiêncứu về hiệu ứng trên chế độ chảy của màng dầu trong bôi trơn; nhưng do

phương trình mô tả dạng phi tuyến nên việc xem xét cơ hệ bôi trơn ở đây vẫnluôn là vấn đề thời sự.

Một dạng bôi trơn với các tính năng đặc biệt là bôi trơn thuỷ tĩnh và khítĩnh, các bề mặt ma sát hoàn toàn bị tách rời, ngay cả ở trạng thái tĩnh bởimàng chất lỏng có áp suất cao Nó cho phép tăng độ chính xác và tin cậy củathiết bị Năm 1917, L Rayleigh đã giới thiệu các tính toán đầu tiên về khảnăng tải và mômen ma sát của một ổ trục bôi trơn thuỷ tĩnh Tuy dạng bôi trơnnày yêu cầu cần một phức hợp thiết bị thuỷ lực kèm theo, nhưng nó ngàycàng ứng dụng phổ biến, đặc biệt với các ổ trục chịu tải lớn và đòi hỏi độchính xác cao

Trong trường hợp màng dầu bôi trơn có áp suất đủ lớn gây ra sự biếndạng các bề mặt ma sát, người ta có dạng bôit trơn thuỷ động đàn hồi Ví dụtrong bôi trơn ổ lăn, ổ chịu tải lớn hay cặp bánh răng Các cơ sở nghiên cứutrong trường hợp này là lý thuyết của H.R Hertz (1857-1894) với tiếp xúcchưa có chất bôi trơn và mô hình hoá dòng chảy trong tiếp xúc hẹp củaMartin năm 1916 Nó được bổ sung bằng tính toán số, song đây là dạng bôitrơn phức tạp nên hiện nay còn tồn tại sự sai khác giữa lý thuyết và thực tế và

cơ sở của dạng bôi trơn này vẫn là mục đích của hang loạt nghiên cứu

Nhằm tổng quát hoá các nội dung nghiên cứu về bôi trơn, mới đây năm

19701, các kết quả nghiên cứu của M Godet và cộng sự tại INSA Lyon(Pháp) với mô hình ba vật thể (trios corps) đặc trưng cho hai bề mặt ma sát,việc xác định các đặc tĩnh của lớp vật liệu đó cho phép xác định đầy đủ hơncác thông số của toàn bộ vùng tiếp xúc

II- Phân loại các dạng bôi trơn

Nghiên cứu về kỹ thuật bôi trơn thực sự là một lĩnh vực rộng Trướckhi trình bày các nội dung nghiên cứu chúng tôi đưa ra ở đây các phân loại cơbản về bôi trơn

Theo dạng ma sát, ngoài ma sát khô được đề cập ở phần mòn – ma sátchúng ta có bôi trơn nửa ướt (thường gắn với việc cung cấp dầu mỡ định kỳ)

và bôi trơn ướt

Theo vật liệu bôi trơn có chất bôi trơn rắn (graphit hay bisunfuremolybdenfe), chất bôi trơn lỏng (nước, dầu, mỡ) và chất bôi trơn khi

Với bôi trơn ma sát được nghiên cứu nhiều nhất có hai dạng chủ yếu làbôi trơn thuỷ động và bôi trơn thuỷ động tĩnh

Trong bôi trơn thuỷ động tuỳ theo số Reynolds R = ρVh/µ có bôi trơntuyến tính, bôi trơn lưu biến động phi tuyến (thường đối với chất bôi trơn mỡ có

R nhỏ hay độ nhớt cao) và bôi trơn rối (đối với chất bôi trơn là nước hay khí)

Bôi trơn ở áp lực cao sinh ra biến dạng của các bề mặt ma sát có bôitrơn thuỷ động đàn hồi (bôi trơn ổ lăn, ổ chịu tải lớn hay cặp bánh răng)

Ngoài ra để nâng cao một số đặc tính của kết cấu bôi trơn, có thể kể racác hướng nghiên cứu quan trọng như bôi trơn dùng bạc tự lựa, bôi trơn với

bề mặt bôi trơn không cứng tuyệt đối, trường hợp tải trọng thay đổi, ảnhhưởng của nhiệt độ, …

Qua cách phân loại tương đối như trên có thể thấy rằng: Nói chung mộtkết cấu bôi trơn thường là tổng hợp của các kiểu phân loại trên Do vậy, đểtính toán một kết cấu bôi trơn cần phải giải quyết đồng thời nhiều bài toánliên quan

CHƯƠNG I VẬT LIỆU BÔI TRƠN I- Dầu gốc từ dầu gốc khoáng

1- Giới thiệu

Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất ra dầu bôi trơn là các hydrocacbon tựnhiên và tổng hợp khác nhau Dầu gốc từ dầu khoáng được sản xuất từ dầu mỏbằng quá trình tinh chế chọn lọc Bản chất của dầu thô và quá trình lọc dầu sẽquyết định tính vật lý và hoá học của dầu gốc tạo thành

2 Tính chất vật lý và hoá học của dầu gốc

Các phân đoạn dầu thô thích hợp cho sản xuất dầu gốc sẽ cho ra các sảnphẩm có khoảng nhiệt độ sôi khác nhau nhờ quá trình chưng cất chân không.Chúng chứa các hidrocacbon sau:

Trong thực tế dầu gốc khoáng là hỗn hợp của các phân tử đa vòng có đínhmạch nhánh paraffin Việc phân loại dầu gốc khoáng thành dầu gốc parafin,neptan hoặc aromat tuỳ thuộc vào loại dầu hydrocacbon nào chiếm ưu thế

3 Cách gọi tên và phân loại dầu gốc

Về mặt lịch sử, cách gọi tên tạo ra sự riêng biệt các phân đoạn dầuchưng cất và dầu cặn theo độ nhớt Do đó các phân đoạn dầu cất trung tính(N) được phân theo độ nhớt tiêu chuẩn của chúng ở 100oF theo độ Saybolt(SVS) Tương tự như vậy, các phân đoạn dầu cặn (BS) được phân loại theo

độ nhớt Saybolt ở 210oF

Nói chung dầu gốc được phân loại thành:

- Dầu có chỉ số độ nhớt cao (HVI)

- Dầu có chỉ số độ nhớt trung bình (MVI)

- Dầu có chỉ số độ nhớt thấp (LVI)

Hiện nay không có quy định và ranh giới chính xác để quy định dầu vềtừng loại trên Tuy nhiên, dầu có chỉ số độ nhớt (VI) > 85 thường được coi làdầu HVI, còn nếu (VI) < 30 thì được coi là dầu LVI Dầu MVI nằm giữa haikhoảng đó Tuy vậy, kỹ nghệ hydrocracking có thể tạo ra dầu gốc có chỉ số độnhớt rất cao (VHVI) hoặc siêu cao (VHVI) Dầu LVI được sản xuất từ phânđoạn dầu nhờn neptan Nó được dung khi mà chỉ số độ nhớt và độ ổn địnhoxy hoá không chú trọng lắm

II- Phụ gia

1 Đặc tính chung của phụ gia

Phụ gia là những hợp chất hữu cơ, cơ kim và vô cơ, thậm chí là cácnguyên tố, được thêm vào các chất bôi trơn Thường mỗi loại phụ gia được dùng

ở nồng độ từ 0,01÷ 5% Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp một phụ gia có thểđược đưa vào ở một khoảng nồng độ dao động từ vài phần triệu (ppm) đến 10%

Phần lớn các loại dầu nhờn cần nhiều loại phụ gia để thoả mãn tất cảcác yêu cầu tính năng Một số phụ gia nâng cao những phẩm chất đã có sẵncủa dầu, một số khác tạo cho dầu những tính chất mới cần thiết Các loại phụgia khác nhau có thể hỗ trợ lẫn nhau, gây ra hiệu ứng tương hỗ, hoặc chúng

có thể dẫn đến phản ứng đối kháng

Vì có khả năng cải thiện tính năng của dầu bôi trơn và các chất lỏng bôitrơn nên phụ gia tạo điều kiện rất tốt cho việc cải tiến các loại xe và máy móccông nghiệp.

2- Một số phụ gia đặc trưng

2.1- Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt

Thường sử dụng là các polymer không tập trung Nó cho phép tăng độnhớt, ngay cả ở nhiệt độ thấp và như vậy làm tăng chỉ số độ nhớt của dầu

Các sản phẩm sử dụng là các polymethacrylatess và các polymer gốcolefin Tuy nhiên các hợp chất này có liên kết phân tử yếu, vì vậy dưới tácđộng lớn về cơ học hay nhiệt độ cao có thể bị gãy mạch và gây ra hiệu ứngphi Newton của dầu

2.2- Phụ gia giảm nhiệt độ đông đặc

Nhiều loại dầu có nhiệt độ đông đặc từ -25oC đến 3oC, khi đó mất khảnăng bôi trơn Vì vậy trong môi trường nhiệt độ thấp cần giảm nhiệt độ trên.Các phụ gia sử dụng ở đầy nhằm mục đích giảm kích thước tinh thể paraffinhay biến đổi hình dạng của nó Các sản phẩm sử dụng là các ankin thơm, cácpolyester, polyamine và polyolefin

2.3- Phụ gia tăng độ linh động

Phụ gia thuộc loại này nhằm tăng khả năng linh động và thẩm thấu củadầu trên các bề mặt ma sát Các sản phẩm thường dùng là các muối nhưsulfonates, các thiosphotphates và các phenates

2.4- Phụ gia chống mòn và chịu áp

Phụ gia thuộc loại này nhằm bảo vệ màng dầu ngăn cách các bề mặttiếp xúc từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ trung bình khi làm việc Người tathường dùng các este photphoric, các dithiophotphat kim loại (ví dụ ZnDDP),các dẫn xuất este béo và axit béo

2.5- Phụ gia chống oxy hoá dầu bôi trơn

Phụ gia chống oxy hoá hoạt động theo 3 cơ chế sau:

- Tạo huyền phù cho các chuỗi phân tử tự do, thường sử dụng các hợp chấtphenol và các amin.

- Phá huỷ cấu trúc peroxit sinh ra từ hiện tượng gỉ, thường sử dụng cácdithiôphtphat và dithiocarbamat Ức chế hoạt động và hạn chế xúc tác các ionkim loại, thường sử dụng các phenol và phenat

Trên cơ sở dầu gốc và các phụ gia nói trên, người ta đưa ra một tỷ lệtương đối khi pha chế dầu bôi trơn Đối với hai loại dầu SAE 30 và SAE 40,chúng ta có thể thấy tỷ lệ như bảng dưới đây:

III- Đánh giá thông số chất bôi trơn

1- Đánh giá thông số bôi trơn

1.2- Đơn vị độ nhớt

Từ quan hệ:

Chúng ta rút ra phương trình thứ nguyên của độ nhớt động lực học là:

µ = ML-1T-1

Trong cơ học chất lỏng, người ta đưa vào tính toán tỷ sổ v = µ/ρ Tỷ

số giữa độ nhớt động học và khối lượng riêng của chất lỏng; v được gọi là độnhớt động học, thứ nguyên của nó là v = L2T-1

Đơn vị độ nhớt động lực học trong hệ tiêu chuẩn SI là Pa.s(Pascal.giây) tương ứng là Poiseuille (PI) Đó chính là hệ số tỷ lệ của chấtlỏng mà trong đó có ứng suất trượt là 1N/m2 ứng với gradient vận tốc 1m/s

Trong hệ C.G.S đơn vị độ nhớt động lực học là Poise (Po), thực tếngười ta thường dùng là (cPo – centipoise) hoặc (m.Pa – milipascal.giây) nótương ứng với độ nhớt đơn vị của nước ta ở 20oC

Trong hệ C.G.S đơn vị độ nhớt động học là Stockes (St) trong thực tếthường dùng là centistockes (cSt) Không tồn tại đơn vị độ nhớt động học tiêuchuẩn SI, đưa ra các đơn vị độ nhớt:

Lưu lượng của chất lỏng được xác định theo luật chảy đưa ra bởi Hagen(1939) và Poiseuille (1840) như sau:

Trong đó: Q- Lưu lượng; R- bán kính; ℓ- chiều dài ống; µ- độ nhớtđộng lực học; Δp- độ chênh áp giữa hai đầu ống

Quan hệ này đúng với chất lỏng không nén được ở chế độ chảy tầng vàchảy liên tục Đối với một ống mao dẫn mà tỷ số giữa l/d > 100 (d- đườngkính) Quan hệ này không tính đến hiệu ứng quán tính

Trong một số nhớt kế kiểu mao dẫn, dòng chảy được thiết lập ở áp suấtkhông đổi dưới tác động của trọng lượng chất lỏng (ống để đứng):

Δp = ρghTrong đó: ρ- khối lượng riêng; g-gia tốc trọng trường; h- chiều cao ống.Trong trường hợp này: ν có thể được suy ra từ thời gian chảy t của thểtích chất lỏng V theo quan hệ;

Nhớt kế này có tên là nhớt kế Ubbelohde, cho độ chính xác khá cao,xấp xỉ 0,3%

R1 ≈ R2 ≈ R và C = R2 – R1

Từ đó:

Nhớt kế này cho kết quả chính xác, với khe hở

tương đối C/R nhỏ, cho phép đo được độ nhớt ở độ biến dạng trượt cao.Thực vậy, trong trường hợp này độ biến dạng:

c- Nhớt kế đĩa phẳng – côn

Sơ đồ máy đo độ nhớt Sơ đồ máy đo độ nhớtđĩa phẳng- mặt phẳng đĩa côn - mặt phẳngTrong nhớt kế này người ta đo (tương tự như trên) mômen cản ma sátcủa chất lỏng chảy giữa một đĩa hoặc một mặt côn với một mặt phẳng

Trong trường hợp của một đĩa phẳng quay trên mặt phẳng, mômen masát có quan hệ sau:

Trong đó: ω - vận tốc góc; R- bán kính đĩa; h- khoảng cách giữa đĩaphẳng và mặt phẳng

Trong trường hợp của một côn quay trên mặt phẳng có quan hệ sau:Trong trường hợp này h0- chiều cao của đỉnh côn với mặt phẳng; α-nửa góc côn

Chú ý rằng với kiểu nhớt kế này: h, h0 bị thay đổi sẽ dẫn đến độ chínhxác đo bị thay đổi Nhớt kế loại này thường dùng đo chất lỏng có độ nhớt cao