Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm đo hệ số ma sát và cường độ mòn của vật liệu

Bài viết trình bày nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo cường độ mòn và hệ số ma sát của các dạng vật liệu khác nhau (thép C45, hợp kim đồng LCuZn30) theo nguyên lý Pin - on - disk (POD). Loại thiết bị chế tạo có thể điều chỉnh thông số tải đặt thay đổi (từ 10 tới 70) N và vận tốc trượt tương đối thay đổi (từ 1 tới 5) m/s.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm đo hệ số ma sát cường độ mòn vật liệu Studying, designing and manufacturing a laboratory equipment to determine coefficient of friction and wear intensity for different materials Nguyễn Văn Thắng*, Phạm Văn Đông, Bùi Tiến Sơn Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: nguyenvanthang@haui.edu.vn; thangspbstu@mail.ru Tel: +84 946360383 Tóm tắt Từ khóa: Hệ số ma sát; Hợp kim đồng; POD; Thép; Cường độ mịn Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo cường độ mòn hệ số ma sát dạng vật liệu khác (thép C45, hợp kim đồng LCuZn30) theo nguyên lý Pin - on - disk (POD) Loại thiết bị chế tạo điều chỉnh thông số tải đặt thay đổi (từ 10 tới 70) N vận tốc trượt tương đối thay đổi (từ tới 5) m/s Các thí nghiệm tiến hành cách giữ nguyên tải trọng thay đổi vận tốc trượt tương đối ngược lại Biểu đồ phụ thuộc cường độ mòn hệ số ma sát vào tải đặt vận tốc trượt thu tương đồng với lý thuyết kết thực máy ngoại nhập UMT hãng CERT Hoa Kỳ Kết báo cường độ mòn tỉ lệ thuận với tải đặt vận tốc trượt tương đối bề mặt Abstract Keywords: Coefficient of friction; Copper alloy; POD; Steel; Wear intensity This paper presents a study in designing and manufacturing an equipment to determine the wear intensity and coefficient of friction for different materials (C45 Steel, Copper alloy LCuZn30) based on POD (Pin-on-disk) theory The manufactured equipment can change its load (10 to 70)N and the relative sliding speed (1 to 5) m/sec The experiments were performed by maintaining the load while changing relative sliding speed and vice versa The chart of the recorded dependent of the wear intensity and coefficient of friction on the load and sliding speed is similar to the theory and results obtained on UMT machine imported from CERT The results also showed that the wear intensity will be directly proportional with relative sliding speed and load Ngày nhận bài: 17/7/2018 Ngày nhận sửa: 13/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Kỹ thuật ma sát gắn liền với vấn đề cấp thiết như: Sự mòn máy móc thiết bị, chi phí sửa chữa máy móc mịn lớn tăng lên hàng năm, kéo dài tuổi thọ máy HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Vì nhiều nhà thiết kế, công nghệ, người sử dụng, nhà khoa học nhiều ngành khác nghiên cứu vấn đề nhằm đưa biện pháp thiết kế, công nghệ sử dụng nâng cao tuổi thọ máy phát triển học thuyết ma sát học Do vậy, hệ thống máy móc, thiết bị phục vụ nghiên cứu ma sát khả chịu mòn vật liệu không ngừng phát triển Chỉ lần chạy máy thông số từ hệ số ma sát, lượng mòn, khả chịu mòn, đặc biệt ảnh hưởng nhân tố đến thông số độ ẩm môi trường, vận tốc ma sát hai bề mặt, nhiệt độ bề mặt hoàn toàn xác định phần mềm máy Các thiết bị đáp ứng tiêu chuẩn đánh giá báo cáo hệ số ma sát ASTM G115-10-2013 (Standard guide for Measuring and Reporing Friction Coefficients) tiêu chuẩn đánh giá mòn ASTM G132-96-2013 (Standard Test Method for Pin Abrasion Testing) tổ chức ASTM (American Society for Testing and Materials) Hoa Kỳ Các máy điển hình như: WDP-2000 hãng Jinan Testing Equipment IE Corporation [1], kiểm tra hệ số ma sát tính mài mịn điều kiện khơ bơi trơn; TE 88/P Phoenix Tribology Ltd [2], chứa đến ba pin trạm kiểm tra đĩa đo ma sát môi trường chất lỏng với nhiệt độ giới hạn 200°C; thiết bị UMT hãng CERT - Hoa Kỳ [3], dùng để thử nghiệm ma sát, kiểm tra vết xướt tế vi, chụp lại ảnh tổ chức vật liệu, thử nghiệm tính cho nhiều dạng vật liệu lớp phủ mỏng Thiết bị trang bị cho Học viện kỹ thuật quân Đây thiết bị đo mòn hệ số ma sát đánh giá thiết bị đại tiên tiến Việt Nam nay; máy Pin on disk TE -165-SPOD thiết kế phát triển kỹ sư Ấn Độ Magnum chủ yếu để xác định đặc điểm ma sát học nhiều loại vật liệu điều kiện tải trọng nhiệt độ khác Ở Việt Nam, lĩnh vực chế tạo thiết bị khí xác ma sát mòn tương đối khó tiếp cận Tác giả Đồn n Thế [4] dựa máy thí nghiệm Tribometer viện chi tiết máy công nghệ chế tạo TU Freiberg - LB Đức nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới sai số kết thí nghiệm khe hở ban đầu mẫu đĩa, tính chất ma sát cấu gia tải, độ khơng trịn đĩa Tác giả Nguyễn Trường Sinh [3] tính tốn, thiết kế biên soạn thí nghiệm đo mòn ma sát dựa thiết bị hãng CERT - Hoa Kỳ trang bị Tác giả Nguyễn văn Giáp đồng nghiệp [5] nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công thiết bị đo ma sát mòn dựa nguyên lý POD, gia tải theo nguyên lý đòn bẩy Thử nghiệm cặp ma sát có kết tương đồng với nghiên cứu ngồi nước, hình Nhóm tác giả Nguyễn Thị Quốc Dung, Lý Việt Anh [6] nghiên cứu, chế tạo thiết bị với nguyên lý vận hành đơn giản Tuy nhiên nghiên cứu giới hạn tải trọng tốc độ động cơ, hình Thiết bị đáp ứng nhu cầu cần thiết giá thành rẻ, hoạt động tương đối tin cậy Nguyên lý vận hành máy đơn giản phù hợp làm mơ hình học cụ cho sinh viên Ngồi cịn vài nghiên cứu khác, nhiên nhìn chung nghiên cứu chế tạo nước dừng lại mơ hình nhỏ có độ xác chưa cao, chưa đáp ứng tiêu chuẩn đánh giá quốc tế, ứng dụng phạm vi hẹp Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo tốc độ mòn hệ số ma sát dạng vật liệu khác (thép C45, hợp kim đồng LCuZn30) theo nguyên lý Pin - on disk (POD) Loại thiết bị chế tạo điều chỉnh thông số tải đặt thay đổi (từ 10 tới 70) N vận tốc trượt tương đối thay đổi (từ tới 5) m/s Tiến hành thực nghiệm so sánh kết cường độ mòn hệ số ma sát với máy ngoại nhập UMT hãng CERT - Hoa Kỳ Kết báo cường độ mòn tỉ lệ thuận với tải đặt vận tốc trượt tương đối bề mặt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Máy đo hệ số ma sát mịn vật liệu Hình Mơ hình thiết bị thí nghiệm kiểm tra đặc tính ma sát độ chịu mòn lớp bề mặt SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ MƠ HÌNH MÁY ĐO HỆ SỐ MA SÁT VÀ MỊN Để xác định tình trạng mịn ta đo cường độ mịn khơng thứ ngun I dựa lý thuyết phân tử theo nguyên lý đo khối lượng hao hụt Đường kính khối lượng chốt xác định trước thí nghiệm Sau khoảng thời gian định sau vận hành thiết bị chốt tháo cân lại đối sánh Từ ta xác định khối lượng hao hụt Δm lượng mòn nhờ cân tiểu li Từ lượng mòn xác định ta xác định cường độ mòn vận tốc mòn vật liệu theo công thức (1) Ih  m Adn Sms (1) Trong đó: I h : cường độ mịn dạng đường; m : khối lượng hao hụt; A dn : diện tích bề mặt ma sát chốt; Sms : quãng đường ma sát; ρ : khối lượng riêng chốt Tính chất ma sát hai bề mặt đặc trưng hệ số ma sát cặp vật liệu, xác định thông qua lực ma sát nhờ cảm biết lực Để xác định hệ số ma sát, nhóm tác giả chọn phương pháp đo thực nghiệm dựa công thức (2): f Fms N Trong đó: (2) f : hệ số ma sát; Fms : lực ma sát chốt đĩa; N : tải pháp tuyến chốt lên đĩa Lực ma sát Fms = FT - điều kiện cân bằng, hình Lực FT xác định thông qua cảm biến Tải trọng tác dụng chốt lên đĩa N tổng tải trọng phận gia tải nặng Dựa sơ đồ nguyên lý, mơ hình máy đo hệ số ma sát cường độ mòn theo phương pháp POD thể hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Sơ đồ nguyên lý đo lực ma sát Fms Hình Mơ hình máy máy đo hệ số ma sát mòn phương pháp POD Khung máy (16) thiết kế chắn, chân khung gắn vít lấy cân cho tồn thiết bị; động (18); đĩa (8) có đường kính 150 mm, độ dày 10 mm, tiện bậc để tăng độ chắn bắt trực tiếp vào động bulông ren trái để động quay không bị văng dễ dàng thay Chốt (9) hình trụ có đường kính 7,8 mm, dài 40 mm thay dễ dàng Chốt kẹp vào hệ thống kẹp chốt vít chìm tì vng góc lên đĩa quay nhờ hai dẫn hướng hai rãnh trượt thẳng (6, 13) Quả nặng (11) thiết kế thép có khối lượng 0,5 kg; kg kg, đặt cấu gia tải (7) Toàn nặng với cấu gia tải kẹp chốt (10) trượt tự hai trượt (6, 13) cho ta thành phần tải pháp tuyến hay áp lực pháp tuyến N chốt lên mặt đĩa Áp lực pháp tuyến xác định cách đo trọng lượng nặng cấu gia tải Việc sử dụng lị xo nén có tác dụng triệt tiêu dao động tạo nặng cộng hưởng Cơ cấu trượt trượt tròn (5,6,12,13,14,15,17) chuyển động nhờ hệ thống bi tuyến tính giúp cấu gia tải chuyển động nhẹ nhàng, linh hoạt Cảm biến lực (2) có phương song song với mặt đĩa trượt, đo lực ma sát Fms đĩa đầu chốt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN CHO MỘT SỐ CỤM CHI TIẾT CHÍNH Thiết bị thí nghiệm nói chung u cầu độ xác cao Để hạn chế sai số thiết bị đo nhóm tác giả tiến hành kiểm bền biến dạng số cụm chi tiết ảnh hưởng đến kết đo thiết bị Thanh để tạ khung trượt nhiệm vụ dùng để tải tất nặng phải đảm bảo độ vng góc trục chốt hình trụ mặt đĩa Do đó, cần kiểm tra độ cứng vững, biểu đồ ứng suất biến dạng điểm hai chi tiết Sử dụng phần mềm ANSYS 12 đưa biểu đồ ứng suất, biến dạng chuyển vị hình 5, 6, Hình Biểu đồ ứng suất chi tiết để tạ Hình Biểu đồ ứng suất khung trượt Hình Biểu đồ biến dạng chi tiết để tạ Hình Biểu đồ biến dạng khung trượt Qua phân tích mơ ta thấy, số kiểm tra bền ứng suất, biến dạng nằm giới hạn cho phép CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ 4.1 Chế tạo thiết bị đo hệ số ma sát cường độ mịn phương pháp POD Dựa mơ hình thiết kế thể hình 4, thiết bị POD chế tạo thực tế hình Dạng sản xuất thiết bị dạng sản xuất loạt nhỏ, đơn chiếc, gia công theo phương pháp tập trung nguyên cơng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Thiết bị đo mòn, hệ số ma sát theo nguyên lý POD Thông số kỹ thuật: - Công suất: 200 W - Tốc độ quay: 10 ÷ 2000 vịng/phút, điều chỉnh biến tần - Vận tốc trượt: Từ 0,5 đến m/s - Tải trọng tác dụng: 10N đến 70N - Điều kiện ma sát khô, không bôi trơn - Đĩa: Có đường kính 150 mm, độ dày 10 mm - Chốt: Có đường kính 7,8 mm, dài 40 mm Lưu ý: Khi sử dụng vận hành thiết bị, tránh vùng cộng hưởng gây sai lệch kết đo tốc độ động nằm khoảng 1100 ÷ 1350 v/ph 4.2 Thử nghiệm phân tích kết thiết bị chế tạo Trong khn khổ báo, nhóm tác giả lựa chọn hai cặp vật liệu: đĩa - thép C45; chốt thép C45 đĩa - thép C45; chốt - hợp kim đồng LCuZn30 Bề mặt chốt đĩa chế tạo đạt độ nhám Ra = 0,2 μm kiểm nghiệm thiết bị đo độ nhám Surftest SV 2100, hãng Mitutoyo, Nhật Bản Đây vật liệu phổ biến sử dụng chế tạo chi tiết máy Thí nghiệm tiến hành theo quy trình: - Khi xác định phụ thuộc tải đặt đến cường độ mòn hệ số ma sát, vận tốc trượt tương đối đầu chốt so với mặt đĩa cố định m/s + Tải đặt thay đổi theo mức: 10 N, 20 N, 30 N 70 N; + Thời gian chạy rà 120 s; - Khi xác định phụ thuộc vận tốc trượt tương đối đến cường độ mòn hệ số ma sát, tải đặt cố định 20 N + Vận tốc trượt tương đối thay đổi theo mức: 1m/s, m/s, m/s m/s; + Thời gian chạy rà 120 s; Biểu đồ phụ thuộc tải đặt vận tốc trượt đến hệ số ma sát thể hình 10, 11 Trên hình 12, 13 đồ thị phụ thuộc tải đặt vận tốc trượt đến cường độ mòn vật liệu HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Từ kết ta thấy, hệ số ma sát cường độ mòn ổn định tải đặt vận tốc trượt phạm vi cho phép Khi tải đặt vận tốc trượt vượt giá trị tới hạn cho phép hệ số ma sát cường độ mòn tăng cao xảy tượng bong, tróc bề mặt gây nên hư hỏng vật liệu Kết thí nghiệm thể hình 10 cho thấy hệ số ma sát thiết bị chế tạo thiết bị UMT hãng CERT - Mỹ tải thay đổi từ 10 N đến 70 N Sai số kết đo hai thiết bị ≤ 5% Sai số xuất phát từ nhiều nguyên nhân điều kiện mơi trường thí nghiệm, sai số cảm biến lực, sai số cân điện tử Các biểu đồ tương đồng với biểu đồ cường độ mòn hệ số ma sát chi tiết máy theo lý thuyết [8, 9, 10] 0,9 Thép C45 HK Đồng Thép C45 (UMT) HK đồng (UMT) Thép C45 0,8 Hệ số ma sát Hệ số ma sát 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 10 20 30 70 Vận tốc trượt [m/s] Tải đặt [N] Hình 10 Biểu đồ phụ thuộc tải đặt đến hệ số ma sát Thép C45 HK đồng 5,00E-04 4,00E-04 3,00E-04 2,00E-04 1,00E-04 0,00E+00 10 20 30 Tải đặt [N] Hình 12 Biểu đồ phụ thuộc tải đặt đến cường độ mịn 70 Hình 11 Biểu đồ phụ thuộc vận tốc trượt đến hệ số ma sát Cường độ mòn Cường độ mòn 6,00E-04 HK Đồng 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 5,00E-04 4,50E-04 4,00E-04 3,50E-04 3,00E-04 2,50E-04 2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 0,00E+00 Thép C45 HK Đồng Vận tốc trượt [m/s] Hình 13 Biểu đồ phụ thuộc vận tốc trượt đến cường độ mòn KẾT LUẬN Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo tốc độ mòn hệ số ma sát dạng vật liệu khác (thép C45, hợp kim đồng LCuZn30) theo nguyên lý Pin - on - disk (POD) Loại thiết bị chế tạo điều chỉnh thông số tải đặt thay đổi (từ 10 tới 70) N vận tốc trượt tương đối thay đổi (từ 0,5 tới 7) m/s Kết báo rằng, hệ số ma sát cặp ma sát thép C45 - hợp kim đồng LCuZn30 nhỏ thép C45 - thép C45 Trong cường độ mòn thép C45 - hợp kim đồng LCuZn30 lớn cường độ mòn thép C45 thép C45 Do thiết kế kết cấu ma sát, tùy vào thông số vận tốc trượt, tải đặt để ta chọn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 vật liệu phù hợp Độ xác độ tin cậy thiết bị cải thiện sử dụng cảm biến có độ xác cao hơn, có khả kết nối với máy tính tự động hố trình đo thay đổi phương pháp đặt tải tự động LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả cảm ơn hỗ trợ Vụ Khoa học Công nghệ - Bộ Công Thương, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.testingequipmentie.com/pin-disc-friction-wear-testing-system-p-1150.html [2] Bhushan ,1999 Principles and Applications of Tribology, John Wiley and Sons, USA [3] Nguyễn Trường Sinh, 2013 Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm ma sát, mài mịn, bơi trơn, Học viện Kỹ thuật quân [4] Đoàn Yên Thế, 2015 Nghiên cứu thơng số ảnh hưởng đến đặc tính ma sát máy thí nghiệm ma sát mài mịn, Tuyển tập hội nghị khoa học thường niên, 124-126 [5] Nguyễn Văn Giáp, 2014 Nghiên cứu chế tạo máy xác định đặc tính ma sát- mịn, Tạp chí Khoa học công nghệ, Trường Đại học Thái Nguyên, 118(04), 37-41 [6] Nguyễn Thị Quốc Dung, 2014 Thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm kiểm tra đặc tính ma sát độ chịu mài mòn lớp bề mặt, Tạp chí Khoa học cơng nghệ, Trường Đại học Thái Nguyên, 118(04), 29-36 [7] Phetnoy BOUNMYXAY, 2015 Khảo sát khả chịu tải độ lệch tâm trục ổ đỡ thủy động Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội [8] Nguyễn Đăng Bình, Phạm Quang Thế, 2006 Ma sát, mài mịn bôi trơn kỹ thuật, NXB Khoa học kỹ thuật [9] Nguyễn Anh Tuấn, Phạm Văn Hùng, 2005 Ma sát học, NXB Khoa học kỹ thuật [10] Nguyễn Dỗn Ý, 2005 Giáo trình ma sát mịn bơi trơn tribology, NXB Xây dựng  ... thấy, số kiểm tra bền ứng suất, biến dạng nằm giới hạn cho phép CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ 4.1 Chế tạo thiết bị đo hệ số ma sát cường độ mòn phương pháp POD Dựa mơ hình thiết kế thể hình 4, thiết. .. nên hư hỏng vật liệu Kết thí nghiệm thể hình 10 cho thấy hệ số ma sát thiết bị chế tạo thiết bị UMT hãng CERT - Mỹ tải thay đổi từ 10 N đến 70 N Sai số kết đo hai thiết bị ≤ 5% Sai số xuất phát... 13 Biểu đồ phụ thuộc vận tốc trượt đến cường độ mòn KẾT LUẬN Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo tốc độ mòn hệ số ma sát dạng vật liệu khác (thép C45, hợp kim đồng LCuZn30)