Nghiên cứu đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt theo ASTM của một số loại dầu bôi trơn

Bài viết trình bày nghiên cứu về đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt theo ASTM của một số loại dầu thương mại có cùng chỉ tiêu độ nhớt công bố, khi làm việc ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 033-037 Nghiên cứu đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt theo ASTM số loại dầu bôi trơn Study on the Characteristics of Surface Contacted Friction According to Astm of Different Lubricants Trần Đức Toàn, Phạm Văn Hùng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Đến Tòa soạn: 10-9-2018; chấp nhận đăng: 27-9-2019 Tóm tắt Bài báo trình bày nghiên cứu đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt theo ASTM số loại dầu thương mại có tiêu độ nhớt cơng bố, làm việc điều kiện nhiệt độ khác Kết cho thấy có thay đổi đáng kể đặc tính ma sát theo nhiệt độ loại dầu bơi trơn có độ nhớt tương đương Sự thay đổi đặc tính ma sát dầu định tính chống mòn tuổi thọ cặp ma sát làm việc Vì lựa chọn dầu bơi trơn theo tiêu độ nhớt chưa đầy đủ, cần phải thêm vào đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt dầu đảm bảo tuổi thọ độ tin cậy cho cặp ma sát bôi trơn Từ khóa: Bơi trơn; Ma sát; ASTM D4172; Đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt Abstract This paper presents the study on the characteristics of surface contacted friction according to ASTM of different commercial lubricants with the same viscosity index working at different temperature conditions The results show that there ere significant changes in the friction characteristics following the temperature of lubricants with equivalent viscosities The changes in lubricant friction characteristics decide the wear resistant ability and longevity of the working friction pair Therefore, choosing lubricant according to the viscosity index was not sufficient It must also be based on the lubricant friction characteristic to ensure the longevity and reliability of the lubricated friction pair Keywords: Lubrication, Friction, ASTM D4172; Characteristic of surface contacted friction Về nguyên tắc, nhiệt độ tăng độ nhớt dầu giảm, tính bơi trơn – chống mòn giảm Các kết thực nghiệm thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ tiến hành loại dầu bôi trơn đa cấp từ SAE 5W - 30 đến SAE 20W - 50 thể hình [3] Đặt vấn đề Độ*nhớt dầu bôi trơn thay đổi theo nhiệt độ với quan hệ phi tuyến, hình Đa số dầu bôi trơn thương mại độ nhớt công bố mức nhiệt độ quy định Điều không thuận lợi cho người sử dụng, độ nhớt dầu nhiệt độ làm việc máy điều kiện cụ thể cần phải thơng qua tính toán với hệ số rút từ thực nghiệm Do đó, dầu có độ bền nhiệt tốt dầu có độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ dầu có tính bơi trơn tốt, tuổi thọ cao Để đánh giá độ bền nhiệt dầu bôi trơn vào số độ nhớt VI (Viscosity Index) Chỉ số VI cao độ nhớt dầu thay đổi theo nhiệt độ Hiện nay, tiêu VI đánh giá theo tiêu chuẩn ASTM D2270, TCVN 6019 - 1995 ISO2909, số dầu bôi trơn bổ sung phụ gia dầu tổng hợp đạt VI>100 Đồ thị xác định số VI thể hình cơng thức (1)[4] Hình Đồ thị ngun tắc phụ thuộc độ nhớt vào nhiệt độ [1,2] VI = Trên hình: (1) Trong đó: U: Độ nhớt động học dầu 400C L, H: Độ nhớt động học 400C dầu VI=0 VI=100 t: Độ nhớt mức nhiệt t o: Độ nhớt mức nhiệt to : Hệ số (0,02-0,03 với dầu) * Địa liên hệ: Tel: (+84) 988215333 Email: toan.tranduc@hust.edu.vn 33 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 033-037 2.1 Tiêu chuẩn ASTM đánh giá đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt dầu bôi trơn [5,6]:  Phạm vi áp dụng tiêu chuẩn ASTM D4172 bao gồm loại dầu bôi trơn cho cặp ma sát điều kiện bôi trơn giới hạn, nửa ướt ướt Chỉ tiêu đánh giá đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt, cụ thể đường kính vết mòn điều kiện thử nghiệm Sơ đồ thử nghiệm theo ASTM D4172 thể hình – Sơ đồ bố trí bi khảo sát đặc tính ma sát tiếp xúc Dầu thử nghiệm Hình Biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ số loại dầu [3]  L viên bi  (độ nhớt động học) U = Hình Sơ đồ khảo sát đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt dầu theo ASTM D4172 r H Hình Đồ thị xác định số VI dầu [4] Trong công nghiệp thường dùng công thức Walther [4] Log log (  + a) = b - c log T Trong đó: : độ nhớt động học a: số (a = 0,6-0,8 xác định từ thực nghiệm) b, c: số phụ thuộc dầu Trên thực tế, độ nhớt số nhớt dầu bôi trơn chưa thể đầy đủ tính chống mòn dầu bề mặt ma sát tiếp xúc Tính chống mòn bề mặt ma sát tiếp xúc tiêu quan trọng định tới tuổi thọ độ tin cậy cặp ma sát làm việc Vì vậy, đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt theo tiêu chuẩn ASTM dầu bôi trơn thương mại điều kiện nhiệt độ thay đổi sở cho việc lựa chọn dầu bôi trơn theo quan điểm ma sát tiếp xúc bề mặt Đây quan trọng để đưa lựa chọn, sử dụng dầu bôi trơn phù hợp chi tiết máy, thiết bị theo quan điểm chống mòn, tuổi thọ độ tin cậy điều kiện làm việc cụ thể, đồng thời sở cho việc điều chỉnh tính tốn thiết kế cặp ma sát nói riêng thiết bị cơng nghiệp nói chung Hình Thiết bị thử nghiệm dầu bôi trơn theo phương pháp bi a: Koehler; b: Falex [7,8] Theo tiêu chuẩn ASTM D4172, điều kiện thiết bị thực thí nghiệm xác định sau: * Các viên bi thực thử nghiệm: - Đường kính: 12,7 mm - Vật liệu: Theo ASTM số E 52100 - Độ cứng: 64-66 HRC - Các bi đôi tiếp xúc - Bi cố định, bi quay quanh tâm cố định Giải vấn đề * Nhiệt độ dầu bơi trơn thí nghiệm: t = 75 ± 0C * Tốc độ: n = 1200 ± 60 vòng/phút 34 Tạp chí Khoa học Công nghệ 137 (2019) 033-037 * Thời gian thí nghiệm: 60 ± phút * Chọn phương án đặt tải: 40kg (392N); * Tải trọng: * Tốc độ quay viên bi: 1200 vòng/phút, - Phương án thử nghiệm 1: F = 147 ± N * Thời gian lần thử: 60 phút; * Nhiệt độ thử: 400C ÷ 1000C (có to tiêu chuẩn 750C theo ASTM D4172) (có đồ gá đo kết hợp viên bi theo hướng dẫn) - Phương án thử nghiệm 2: F = 392 ± N Thử nghiệm thực với ba loại dầu thương mại có chung thơng số đặc trưng 20W-50 – Đây loại dầu đa cấp có độ nhớt nhiệt độ 1000C 17,5÷21 cSt, độ nhớt ổn định theo nhiệt độ Bảng thể số thông số kỹ thuật cơng bố ba loại dầu (đo kích thước vết mòn viên bi lấy giá trị trung bình) * Độ xác thiết bị đo:  = 0,01 mm Dựa tiêu chuẩn thử đặc tính ma sát tiếp xúc dầu: ASTM D4172, nhiều công ty giới sản xuất thiết bị thử nghiệm theo phương pháp bi Một số thông số kỹ thuật thiết bị trình bày bảng hình ảnh thiết bị hình Bảng Một số thông số kỹ thuật dầu chọn thí nghiệm Thành phần Đạt tiêu chuẩn Khuyến nghị Bảng Thông số kỹ thuật thiết bị thử nghiệm theo phương pháp bi số công ty [7,8] Tuân thủ tiêu chuẩn ASTM Công suất Tốc độ (min/max) Tải max N/(vg/ph) Koehler Falex D2266; D2596; D2783; D4172; D5183; IP 239 1,5 kW 300/3000 vg/ph 10000/3000 12000/1800 D2266; D2596; D2783; D4172; D5183; IP 300 0,5 HP (0,4kW) 1200 vg/ph Nhiệt độ 750C Thời gian Bi (mm) 1-999’ Công bố khả đặc biệt Dầu Dầu gốc khoáng + Phụ gia API SG; Jaso MA Dầu Dầu khoáng + Phụ gia API SJ; Jaso MA2 Dầu Dầu gốc khoáng API SG; Jaso MA Siêu chống nhiệt; Ổn định độ nhớt - Động 4T Bảo vệ pittong xilanh nhiệt độ cao, ngăn ngừa mài mòn Như thơng số kỹ thuật khơng có liệu VI, đánh giá bền nhiệt dầu bơi trơn theo VI chưa có Nhiệt độ tiến hành thử nghiệm trình bày bảng 60kg Tự động, max 1710C Rơ le thời gian 12,7 mm Bảng Bảng thơng số thí nghiệm 2.2 Mục đích phạm vi thử nghiệm xác định đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt dầu bôi trơn điều kiện nhiệt độ thay đổi 400C Nghiên cứu tiến hành sở thiết bị chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM D4172, điều chỉnh mức nhiệt độ khác để nghiên cứu đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt thay đổi theo biến thiên nhiệt độ: 500C 750C - Xác định đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt thơng qua kích thước vết mòn viên bi tiếp xúc ma sát với loại dầu thông dụng có đặc tính nhớt theo ISO SAE 1000C Dầu Dầu Dầu 392N; 60’; 1200 vg/ph 392N; 60’; 1200 vg/ph 392N; 60’; 1200 vg/ph 392N; 60’; 1200 vg/ph 392N; 60’; 1200 vg/ph 392N; 60’; 1200 vg/ph 392N; 60’; 1200 vg/ph 392N; 60’; 1200 vg/ph 392N; 60’; 1200 vg/ph 392N; 60’; 1200 vg/ph 392N; 60’; 1200 vg/ph 392N; 60’; 1200 vg/ph Thiết bị thí nghiệm Trên sở tiêu chuẩn ASTM D4172 yêu cầu cụ thể thử nghiệm, thiết bị thiết kế chế tạo đảm bảo yêu cầu tiêu chuẩn quy định, thay đổi thơng số thí nghiệm theo mong muốn: Nhiệt độ, Tải, Tốc độ quay, Thời gian thí nghiệm - Đánh giá tương quan tiêu độ nhớt đặc trưng với tiêu ma sát tiếp xúc bề mặt thơng qua kích thước vết mòn Thử nghiệm tiến hành điều kiện nhiệt độ thay đổi phạm vi làm việc thực tế cặp ma sát (từ 400C – 1000C) Thiết bị thử nghiệm BK-MSBT.2017 thiết kế, chế tạo, có kết cấu khí theo ngun tắc bi thể hình 2.3 Một số thơng số thử nghiệm nghiên cứu sở tiêu chuẩn ASTM Hệ thống điều khiển thiết bị kết nối với máy tính Hình ảnh tổng thể thiết bị BK-MSBT2017 thể hình Lựa chọn thông số thiết bị dầu bơi trơn thử nghiệm: 35 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 033-037 Hình Hình ảnh vết mòn bi Hình Sơ đồ nguyên lý hoạt động điều khiển thiết bị BK-MSBT-2017 Trên hình: C/D: Bộ chuyển đổi tín hiệu 1: Đầu kẹp bi chuyển động (quay) 2: Vòng kẹp bi cố định 3: Các viên bi thí nghiệm 4: Dầu sử dụng thí nghiệm 5: Gia nhiệt cảm ứng 6: Cảm biến nhiệt độ 7: Chốt chống xoay 8: Tải trọng (tạo tải, thay đổi) Hình Hình ảnh vết mòn bi Tổng hợp kết đo kích thước vết mòn viên bi thể bảng Bảng Đường kính vết mòn viên bi thí nghiệm Đơn vị: (mm) TB 0,572 0,584 0,599 0,628 0,648 0,700 0,629 0,663 0,661 0,580 0,629 0,566 0,596 0,562 0,596 0,702 0,630 0,672 0,708 0,565 0,580 0,602 0,629 0,559 0,588 0,587 0,599 0,600 0,600 0,594 0,565 TB 0,630 0,578 0,561 d 0,576 0,703 0,569 0,568 0,571 d 1000C 0,626 TB 0,566 0,56 0,553 d 750C 0,585 Hình Hình dáng chung thiết bị thí nghiệm BKMSBT.2017 TB 0,565 0,563 Dầu Dầu Dầu d 500C 0,570 400C 0,620 d-đường kính vết mòn; TB-Trung bình đường kính vết mòn Kết thử nghiệm, xử lý số liệu thảo luận Căn vào bảng kết thực nghiệm, xây dựng đồ thị biến thiên diện tích vết mòn phụ thuộc nhiệt độ tương thích với tiêu chuẩn ASTM thể hình 10 Thực nghiệm tiến hành mức nhiệt độ khác với tải trọng, số vòng quay thời gian tương thích tiêu chuẩn ASTM 4172 Tiến hành đo vết mòn viên bi sau thí nghiệm kính hiển vi soi Mitutoyo (Japan) độ xác 0,01 mm Hình thể ảnh chụp vết mòn viên bi dưới, vết mòn có biên dạng tròn có đường kính thay đổi theo nhiệt độ Hình thể ảnh chụp vết mòn viên bi trên, vết mòn có biên dạng vành khăn, kích thước tương ứng với vết mòn bi Nhận xét: - Đường kính vết mòn đại lượng đặc trưng cho lượng mòn tổng hợp bi thử nghiệm - Lượng mòn tăng tuyến tính theo nhiệt độ (y=ax+b) cho thấy thử nghiệm nằm phạm vi mòn bình thường viên bi 36 Tạp chí Khoa học Công nghệ 137 (2019) 033-037 - Hệ số ảnh hưởng “a” cho thấy tốc độ mòn ba loại dầu là: 0,0002; 0,0017 0,001 – có khác biệt đáng kể, cho thấy có khả ảnh hưởng chất phụ gia điều kiện làm việc cụ thể thiết bị Trên thực tế cần có thử nghiệm đánh giá dầu bơi trơn 1000C (Ví dụ nhiệt độ làm việc động cơ) để đảm bảo gần với điều kiện làm việc để xác định đường kính vết mòn Như vậy, đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt dầu bôi trơn sở quan trọng đánh giá tính chống mòn, tuổi thọ độ tin cậy dầu cần lựa chọn, sử dụng cho động đốt - Thừa số “b” phương trình t = 400C 0,563; 0,604; 0,570 cho thấy khác biệt tính chống mòn loại dầu khơng phụ thuộc vào nhiệt độ, thể có khả ảnh hưởng dầu gốc ban đầu chưa bổ sung phụ gia Kết luận: - Các dầu bôi trơn thương mại công bố tiêu độ nhớt theo ISO SAE bổ sung thêm số VI chưa đủ thông tin cần thiết để chọn dầu tối ưu theo quan điểm ma sát tiếp xúc - Việc bổ sung thêm loại chất phụ gia với thành phần hàm lượng khác tùy thuộc vào mác dầu bôi trơn cơng ty, dẫn tới thay đổi đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt – cụ thể đường kính vết mòn viên bi tiếp xúc ma sát theo nhiệt độ khác nhau, nhiên, thực tế khơng cơng bố tiêu kỹ thuật dầu bôi trơn - Nghiên cứu đưa mức độ ảnh hưởng nhiệt độ tới đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt loại dầu bôi trơn, phù hợp với tiêu chuẩn ASTM D4172 quan trọng để đánh giá chất lượng dầu bơi trơn theo quan điểm mòn, độ tin cậy tuổi thọ Hình 10 Đồ thị ảnh hưởng nhiệt độ đến đường kính vết mòn Thảo luận: Độ nhớt dầu bôi trơn biến đổi phi tuyến theo nhiệt độ, nhiệt độ cao độ nhớt giảm khả bơi trơn giảm, tính chống ma sát Tuy nhiên, dầu bôi trơn đại bổ sung thêm chất phụ gia ổn định nhiệt, chống tạo bọt, chống bám cặn, … để giảm mức độ ảnh hưởng nhiệt độ đến độ nhớt Điều thể tiêu số VI ba loại dầu lớn 100 Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đề tài mã số T2017-PC-043 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Anh Tuấn, Phạm Văn Hùng (2006) Ma sát học NXB Khoa học kỹ thuật; Đồ thị ảnh hưởng nhiệt độ đến vết mòn hình 10 cho thấy: [2] Nguyễn Dỗn Ý (2010) Giáo trình Ma sát, Mòn, Bơi trơn Tribology Nhà xuất Khoa học kỹ thuật - Các loại dầu thực nghiệm có tiêu độ nhớt cơng bố 20W-50 đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt dầu thể đường kính vết mòn khác Như tính chống mòn bề mặt khác [3] oilandenergy com au / wp - content /uploads/2016/06/ vistemp.jpeg [4] researchgate.net/figure/Schematic-representation – of - the-viscosity-index-definition_fig2_ 281243055 [5] ASTM D4172 – 94(2016) Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Fluid (Four-Ball Method); - Ở 400C khác biệt đặc tính ma sát tiếp xúc ba loại dầu bơi trơn phạm vi khoảng 1,07 lần, 1000C khác biệt lên đến 1,23 lần [6] ASTM D2266 -01 (2007) Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Grease (Four-Ball Method) Cặp ma sát nói riêng thiết bị nói chung thiết kế với điều kiện làm việc cụ thể tương ứng với loại dầu bôi trơn có đặc tính kỹ thuật phù hợp Nó thường thể tiêu độ nhớt dầu theo ISO SAE có thêm số VI điều kiện có yêu cầu kỹ thuật cao Như tiêu ma sát tiếp xúc bề mặt ảnh hưởng trực tiếp tới mòn tuổi thọ chưa quan tâm công bố [7] koehlerinstrument.com/products/four-ball-tester [8] falex.com/wp-content/uploads / 2017/ 05/ Falex 4Ball Wear-6page.pdf Tiêu chuẩn ASTM quy định mức nhiệt độ thử tiêu ma sát tiếp xúc bề mặt 750C chưa bao quát hết 37 ... cứu đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt thay đổi theo biến thiên nhiệt độ: 500C 750C - Xác định đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt thơng qua kích thước vết mòn viên bi tiếp xúc ma sát với loại dầu thơng... bi tiếp xúc ma sát theo nhiệt độ khác nhau, nhiên, thực tế khơng cơng bố tiêu kỹ thuật dầu bôi trơn - Nghiên cứu đưa mức độ ảnh hưởng nhiệt độ tới đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt loại dầu bôi trơn, ... 2.1 Tiêu chuẩn ASTM đánh giá đặc tính ma sát tiếp xúc bề mặt dầu bôi trơn [5,6]:  Phạm vi áp dụng tiêu chuẩn ASTM D4172 bao gồm loại dầu bôi trơn cho cặp ma sát điều kiện bôi trơn giới hạn,